СПОСОБ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ
METHOD OF SLOW COKING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В одном аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к производству кокса из жидкостей, содержащих соединения, которые можно подвергать крекингу для получения углерода. В другом аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к способу, известному как замедленное коксование. В следующем аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к печи замедленного коксования, включающей содержащий множество параллельных труб змеевик, для использования в термическом коксовании исходного материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Коксование можно рассматривать как способ жесткого термического крекинга, в котором один из конечных продуктов представляет собой углерод, т.е. кокс. Способ замедленного коксования первоначально разработан для сведения к минимуму получения остаточного жидкого топлива при переработке путем жесткого крекинга исходных материалов, таких как остатки от перегонки в вакууме и смолы от термолиза, чтобы производить кокс и низкомолекулярных углеводородов. Патенты США №№4049538 и 4547284, описания которых включены в настоящий документ посредством ссылки, представляют примеры способов замедленного коксования.
Способ замедленного коксования, как правило, включает нагревание исходного материала в канале или трубе трубчатого нагревателя до температуры, превышающей температуру крекинга, в то время как исходный материал проходит при высокой скорости через канал. Оптимальная работа включает использование такой скорости подачи исходного материала, при которой сводится к минимуму фактическое образование углерода в нагревательном контуре трубчатого нагревателя. Трубчатые нагреватели часто и взаимозаменяемо называются нагревателями для коксования или подогревателями для коксования.
В патенте США №4049538 подогреватель для коксования проиллюстрирован на схеме под ссылочной позицией 11. В патенте США №4547284 нагреватель для коксования проиллюстрирован на схеме под ссылочной позицией 25. Нагретый исходный материал при температуре коксования проходит из нагревательной зоны в коксовый барабан, в котором предпочтительно происходит основное образование кокса. В изолированном коксовом барабане или уравнительном барабане достаточное время пребывания позволяет осуществлять коксование. Как правило, нагреваемый подлежащий коксованию исходный материал нагревают до температуры, достаточной для поддержания коксования в барабане, т.е. до температуры, составляющей от приблизительно 750 до приблизительно 975°F. В ходе процесса кокс накапливается в барабане для коксования и затем удаляется способами, известными в технике.
Хотя в прошлом предприняты значительные усилия по созданию условий, которые обеспечивают замедленное коксование исходного материала, нагреваемого до температуры крекинга без образования нежелательных отложений углерода в канале нагревателя для коксования, отложения углерода в каналах нагревателя для коксования по-прежнему представляют собой проблему.
Помимо намерения избежать отложения углерода в нагревателе для коксования, также является желательным увеличение мощности установок замедленного коксования. Первоначальная конструкция установок замедленного коксования состояла из небольших коробчатых нагревателей с рядами труб, свисающих с перекрытия, и рядом труб на каждой стенке, причем трубы нагревались только в радиационной секции нагревателя.
Современные установки замедленного коксования включают конструкцию двойного ряда горелок нагревателя для коксования, такую как конструкция, описанная в патенте США №5078857, который включен в настоящий документ посредством ссылки. В патенте США №5078857 конструкция печи замедленного коксования включает установку змеевиков в центр камеры и горелок напротив стенок таким образом, что трубы могут нагреваться с обеих сторон, в результате чего увеличивается скорость теплового потока. Эта конструкция также позволила уменьшить длину змеевиков, перепад давления, и время пребывания, а также обеспечила увеличение мощности в расчете на змеевик.
Далее рассмотрим фиг. 1, представляющую традиционную конструкцию змеевика предшествующего уровня техники в содержащей двойной ряд горелок печи замедленного коксования. Змеевик проходит назад и вперед в плоской конфигурации с параллельными змеевиками от впуска нагревателя до выпуска нагревателя, расположенных у верхнего и нижнего краев зоны радиационного нагревания, соответственно, и, как правило, подвешена в вертикальной плоскости между стенками содержащей двойной ряд горелок печи.
Для дальнейшего увеличения мощности таких печей коксования предложено увеличить диаметр и/или длину змеевиков, как описали K.A. Catala и др. в статье «Развитие теплопередающего оборудования замедленного коксования» в журнале Hydrocarbon Processing («Переработка углеводородов»), февраль 2009 г., с. 45-54. Однако в новых конструкциях мощность может быть настолько большой, что эти решения (увеличение диаметра и/или длины змеевика) приводит к одному или нескольким эффектам, таким как повышение перепада давления, повышение температуры пленки, повышение температуры металлических трубок и увеличение времени пребывания, в результате которых сокращается средняя длина пробега. В качестве альтернативы, можно использовать множество нагревательных элементов, что может значительно увеличить капитальные и эксплуатационные расходы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было обнаружено, что увеличение мощности и/или улучшение работы печи замедленного коксования можно обеспечить посредством использования содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика. При использовании в настоящем документе, термин «содержащий множество параллельных труб нагревательный змеевик» означает нагревательный змеевик, включающий множество проточных труб, расположенных змеевидно (серпантинно) (проходящих назад и вперед), непрерывный канал горизонтальной трубы, которую можно подвешивать, как правило, в вертикальной плоскости в секции радиационного нагревания печи замедленного коксования.
Поток исходного материала к нагревательному элементу можно разделять перед нагревателем и направлять во впуски содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика. Два или более параллельных каналов располагают таким образом, чтобы потоки нагревались симметрично (относительно равномерно на протяжении всего пути). Нагретый исходный материал, протекающий через два или более каналов содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика, можно затем объединять снаружи нагревателя для последующей переработки. Таким образом, вся масса нагревается на протяжении меньшего пути, в результате чего сокращается время пребывания, уменьшается перепад давления, и увеличивается мощность и/или средняя длина пробега.
В одном аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к печи замедленного коксования для нагревания исходного материала до температуры замедленного коксования. Печь коксования может включать: нагреватель, включающий зону радиационного нагревания, в том числе нижнюю часть, включающую секцию подовых горелок, и верхнюю часть, включающий секцию стенных горелок, причем секция подовых горелок включает множество подовых горелок, расположенных вблизи пода для горения в зоне радиационного нагревания, и секция стенных горелок включает множество стенных горелок, расположенных вблизи противоположных стенок; и содержащий множество параллельных труб змеевик, расположенный в зоне радиационного нагревания.
В другом аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к печи замедленного коксования для нагревания исходного материала до температуры замедленного коксования. Печь замедленного коксования может включать: нагревательная емкость, имеющая верхнюю и нижнюю секции радиационного нагревания, содержащий множество параллельных труб вертикальный нагревательный змеевик, расположенный между и на расстоянии от противоположных боковых стенок нагревательной емкости, через которую передается исходный материал, и множество горелок, расположенных в нижней радиационной секции нагревательной емкости, на каждой стороне содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика, таким образом, чтобы иметь возможность производить и направлять шлейфы пламени вверх на противоположные стороны содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика, причем каждый отдельный шлейф пламени находится в плоскости, практически параллельной плоскости, в которой подвешена содержащий множество параллельных труб змеевик.
В некоторых вариантах осуществления печь может также включают одно или более из следующих устройств: разделитель потока для разделения потока исходного материала по множеству соответствующих впусков содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика; смеситель потоков для объединения нагретого исходного материала из множества соответствующих выпусков содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика; температурный датчик, расположенный ниже по потоку относительно смесителя потоков для измерения температуры объединенного нагретого исходного материала; и система управления для регулирования параметра работы печи замедленного коксования на основании измеренной температуры объединенного нагретого исходного материала.
В следующем аспекте варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к способу нагревания исходного материала в печи замедленного коксования до температуры замедленного коксования. Способ может включать: разделение потока исходного материала по впускам содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика, расположенного вертикально в печи замедленного коксования, печь замедленного коксования, включающую: нагревательная емкость, имеющая верхнюю и нижнюю секции радиационного нагревания, содержащий множество параллельных труб вертикальный нагревательный змеевик, расположенный между и на расстоянии от противоположных боковых стенок нагревательной емкости, через которую передается исходный материал, и множество горелок, расположенных в нижней радиационной секции нагревательной емкости, на каждой стороне содержащем множество параллельных труб змеевика, таким образом, чтобы иметь возможность производить и направлять шлейфы пламени вверх на противоположные стороны содержащем множество параллельных труб нагревательного змеевика, причем каждый отдельный шлейф пламени находится в плоскости, практически параллельной плоскости, в которой подвешен содержащий множество параллельных труб змеевик; нагревание исходного материала до температуры замедленного коксования в содержащего множество параллельных труб змеевика; выведение нагретого исходного материала из соответствующих выпусков содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика; и объединение потока нагретого исходного материала из множества соответствующих выпусков снаружи нагревательной емкости.
Способ может также включать один или более из следующих процессов: измерение температуры объединенного нагретого исходного материала; и регулирование параметра работы печи замедленного коксования на основании измеренной температуры объединенного нагретого исходного материала.
Другие аспекты и преимущества станут очевидными из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует традиционную конструкцию змеевика предшествующего уровня техники, используемого в содержащей два ряда горелок печи замедленного коксования.
Фиг. 2 иллюстрирует печь замедленного коксования с содержащим множество параллельных труб нагревательным змеевиком, используемый в вариантах осуществления, которые описаны в настоящем документе.
Фиг. 3 иллюстрирует конструкцию содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика; используемую в содержащей два ряда горелок печи замедленного коксования согласно вариантам осуществления, которые описаны в настоящем документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь рассмотрим Фиг. 2, иллюстрирующую печь замедленного коксования, используемую в вариантах осуществления, которые описаны в настоящем документе. Фиг. 2 представляет поперечное сечение печи 10 замедленного коксования. Печь 10 замедленного коксования имеет зону 14 радиационного нагревания, и в некоторых варианты осуществления она может включать зону 16 конвекционного нагревания. В зоне 16 конвекционного нагревания расположены теплообменные поверхности 18 и 20, которые можно использовать для подогревания исходного материала, поступающего через проточную линию 22. Подогретый исходный поток из конвекционной зоны поступает в содержащий множество параллельных труб нагревательный змеевик, обозначенный ссылочной позицией 26, который расположен в зоне радиационного нагревания 14. Нагретый исходный материал можно возвращать из содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика 26 в область нижнего края зоны радиационного нагревания (выпуск не проиллюстрирован). Зона 14 радиационного нагревания может включать стенки, обозначенные ссылочными позициями 34 и 36, и пол или под 42. На поде установлены производящие вертикальное пламя подовые горелки 46, которые направлены внутрь зоны 14 радиационного нагревания. Каждая горелка 4 6 находится внутри плитки 48 пода 42 против одной из стенок 34 и 36. Помимо подовых горелок, стенные горелки 56 установлены в верхней части камеры сгорания. Стенные горелки 56 установлены на стенках.
Можно также использовать другие печи замедленного коксования, такие как печи, описанные в патенте США №5078857, и печи, которые описали K.A. Catala и др. в статье «Развитие теплопередающего оборудования замедленного коксования» в журнале Hydrocarbon Processing («Переработка углеводородов»), февраль 2009 г., с. 45-54, причем каждый из данных документов включен в настоящий документ посредством ссылки.
Содержащий множество параллельных труб змеевик 26 может включать два или более каналов, проходящих назад и вперед, образуя непрерывный проточный путь трубопровода, подвешенного, как правило, в вертикальной плоскости внутри нагревательного резервуара. Непрерывный проточный путь может проходить от множества впусков в верхней части секции радиационного нагревания нагревательной емкости вниз по направлению к множеству соответствующих выпусков, расположенных в нижней части секции радиационного нагревания нагревательной емкости.
Теперь рассмотрим Фиг. 2, иллюстрирующую содержащий множество параллельных труб змеевик, используемый в имеющей два ряда горелок печи замедленного коксования согласно вариантам осуществления, которые описаны в настоящем документе. Проиллюстрированный содержащий множество параллельных труб змеевик 26 включает два проточных канала 27 и 28. Проточные каналы 27 и 28 образуют, как правило, симметричную конфигурацию содержащего параллельные змеевики (проходящие назад и вперед) пути потока, причем эта конфигурация способна обеспечить относительно равномерное нагревание исходного материала, проходящего через нагреватель в каждом из проточных каналов.
Хотя Фиг. 2 иллюстрирует только два проточных канала, содержащий множество параллельных труб змеевик 26 может включать 3, 4, 5, 6 или более проточных каналов, расположенных в аналогичной конфигурации.
Как показывают Фиг. 2 и 3, в процессе работы исходный материал, который подлежит последующему коксованию в коксовом барабане, такой как тяжелое дизельное топливо, битум и другие «остаточные потоки», вводят в трубопровод конвекционной секции 16 через проточную линию 22. После этого исходный материал проходит через теплообменные поверхности 18 и 20 в нижнюю часть конвекционной секции и затем в проточную линию 24. Поток можно затем разделять по впускам содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика 26, расположенного в секции 14 радиационного нагревания. Исходный материал затем проходит через содержащую множество параллельных труб змеевик к выпускам (не проиллюстрированы) секции радиационного нагревания 14. Горелки 46 и 56 производят пламя на каждой стороне содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика 2 6 внутри секции радиационного нагревания 14. Горячие газы из секции радиационного нагревания 14 проходят вверх из секции 14 радиационного нагревания через выпуск и в секцию 16 конвекционного нагревания. Соответственно, когда исходный материал первоначально поступает в секцию 16 конвекционного нагревания, он первоначально нагревается горячими газами из радиационной секции 14, и затем на него воздействуют все более высокие температуры по мере его движения через секцию 14 радиационного нагревания к выпускам содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика 26 в области нижнего края секции 14 радиационного нагревания. Можно выбирать такую конкретную скорость исходного потока и температуру выпуска исходного материала, которая требуется в данных условиях. Как правило, устройство работает таким образом, что подлежащий коксованию исходный материал, выходящий из выпуска радиационной секции, имел температуру, составляющую от приблизительно 800 до приблизительно 1050°F (приблизительно 427°C до приблизительно 566°C), например, от приблизительно 850 до приблизительно 975°F (приблизительно 427°C до приблизительно 524°C).
Поток из выпусков содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика можно затем объединять и направлять в коксовый барабан для дальнейшей переработки. Температурный датчик, расположенный ниже по потоку относительно смесителя потоков, можно использовать для измерения температуры объединенного нагретого исходного материала, и систему управления можно использовать для регулирования одного или более технологических параметров печи замедленного коксования, таких как скорость потока исходного материала, скорости потоков топлива и/или кислорода к горелкам, а также другие параметры, которые известны специалисту в данной области техники, на основании измеренной температуры объединенного нагретого исходного материала.
Преимущественно использование содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика, согласно описанию в настоящем документе, может обеспечивать одно или более из следующих условий: увеличение мощности печи замедленного коксования; уменьшение перепада давления в нагревательном змеевике в зоне радиационного нагревания; уменьшение диаметра трубки нагревательного змеевика в зоне радиационного нагревания; уменьшение температуры пленки в нагревательного змеевика, расположенного в зоне радиационного нагревания; уменьшение толщины стенок трубки нагревательного змеевика в зоне радиационного нагревания; снижение температуры металлической трубки нагревательного змеевика в зоне радиационного нагревания и увеличение длины пробега, не считая другие возможные преимущества.
Неожиданно было обнаружено, что содержащий множество параллельных труб змеевик приводит к значительному сокращению времени пребывания исходного материала в зоне радиационного нагревания. Например, время пребывания для содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика согласно настоящему изобретению составляет почти на 50% меньше по сравнению с традиционным нагревательным змеевиком, как показано в следующем примере.
Пример 1
Работу печи замедленного коксования, имеющей традиционный радиационный нагревательный змеевик, сравнивали с работой такого же нагревателя, имеющего содержащую множество параллельных труб змеевик согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе. Поток исходного материала был эквивалентным в обоих случаях.
Содержащий множество параллельных труб змеевик включает два проточных канала, которые аналогичны каналам, проиллюстрированным на Фиг. 3, имея внешний диаметр 3,75 дюйма (9,53 см), среднюю толщину стенки 0,33 дюйма (0,84 см) и внутренний диаметр 3,09 дюйма (7,85 см). Каждый из двух параллельных проточных канала содержащего множество параллельных труб нагревательного змеевика делает 24 горизонтальных прохода через секцию радиационного нагревания. Традиционный радиационный нагревательный змеевик, аналогичный змеевику, проиллюстрированному Фиг. 1, имеет внешний диаметр 5,15 дюймов (13,08 см), среднюю толщину стенки 0,39 дюйма (0,99 см) и внутренний диаметр 4,37 дюйма (11,10 см). Традиционный радиационный нагревательный змеевик делает 36 проходов через секцию радиационного нагревания.
Эксплуатационные характеристики печи замедленного коксования, включающей содержащий множество параллельных труб змеевик, представлены в таблице 1. Эксплуатационные характеристики печи замедленного коксования, включающей традиционный радиационный нагревательный змеевик, представлены в таблице 2.
Как показано, содержащий множество параллельных труб змеевик согласно настоящему изобретению приводит к суммарному сокращению времени пребывания от приблизительно 63 секунд до приблизительно 40 секунд. Кроме того, меньшие размеры трубок создают более компактную конструкцию и позволяют использовать в сумме меньшее количество дорогостоящих исходных материалов.
Сокращение времени пребывания обеспечивает улучшение крекинга и уменьшает количество нежелательных побочных веществ в продуктах крекинга, что позволяет получать больше ценных продуктов с повышенным выходом и уменьшает необходимость отделения нежелательных примесей.
Хотя настоящее изобретение включает ограниченное число вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, используя преимущества настоящего изобретения, оценят, что можно разработать и другие варианты осуществления, которые не выходят за пределы объема настоящего изобретения. Соответственно данный объем должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
Ниже приведена таже таблица 1 с температурой в цельсиях.
Ниже приведена таже таблица 2 с температурой в цельсиях.