СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОЙ ВЫРАБОТКИ ПАРА ИЗ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD AND DEVICE FOR UNIFORM STEAM GENERATION FROM DISCHARGED HEAT OF DEHYDRATION OF SATURATED HYDROCARBONS

Изобретение относится к одной или более горелкам для дополнительного нагревания в дымоходе реактора для проведения эндотермической реакции, посредством которого может быть выработано примерно постоянное количество дымовых газов, при этом реактор содержит парогенератор, который находится на выходе дымохода нагреваемого пространства, причем эти горелки используют в качестве вспомогательных горелок для компенсации уменьшения дымовых газов в дымоходе нагреваемого пространства, которое обычно возникает во время фазы экзотермического регенерирования применяемого катализатора. Изобретение также относится к устройству, которое включает одну или более вспомогательных горелок, находящихся в реакторе для проведения эндотермической реакции вместе с необходимым для этого оборудованием, при помощи которого можно управлять расходом дымовых газов на выходе дымохода, в котором находится парогенератор. Таким способом существенно выравнивается поток пара, отбираемый от парогенератора, что является преимуществом при эксплуатации турбин или компрессоров. Особенно пригодным это устройство является для реакторов, в которых обычно проводят дегидрирование предельных углеводородов.
Распространенным способом проведения дегидрирования предельных углеводородов является пропускание смеси углеводородов, содержащей предельные углеводороды, через дегидрирующий катализатор, при помощи которого обеспечена возможность реакции предельных углеводородов, содержащихся в газовой смеси, с образованием соответствующих олефинов. В типовом варианте выполнения катализатор находится в направленных вниз реакционных трубах, в которые реакционный газ входит через впускной канал, так что произведенный газ, который в качестве компонента содержит желаемые олефины, может отбираться на выходе из реакционных труб. Реакция является эндотермической, вследствие чего реакционные трубы должны нагреваться снаружи. Обычно это осуществляют при помощи реактора, содержащего нагреваемое пространство, через которое проложены реакционные трубы и которое выполнено с возможностью нагревания при помощи горючего газа. При этом реакционные трубы закрыты по отношению к нагреваемому пространству. Нагреваемое пространство проходит в дымоход, в котором используют тепло горячих дымовых газов, которые затем отводят в дымовую трубу.
st
Типичный вариант выполнения способа дегидрирования предельных углеводородов при помощи соответствующего устройства описан в WO 2004/039920 А2. Множество различных способов дегидрирования и применяемых при этом катализаторов можно найти в справочнике F.Buonomo, D.Sonfillipo, F.Trifiro, Handbook of Heterogeneous Catalysis, 1 Edition, VCH, Weinheim, 1997, p.2140 ff. и в цитируемых в нем литературных источниках.
После нагревания дымовые газы отводят из нагреваемого пространства через дымоходы. При этом, в зависимости от варианта выполнения, они имеют температуру примерно 1000°C. Чтобы дополнительно использовать тепло от нагревания реакционных труб, на выходе дымохода для дымовых газов или после него обычно находится парогенератор.
Дегидрирование предельных углеводородов обычно протекает с образованием содержащих углерод побочных продуктов, которые после определенного времени реакции откладываются на катализаторе. Вследствие этого уменьшаются степень превращения реакции и выработка желаемых олефинов. По этой причине после определенного времени реакцию прерывают и останавливают пропускание реакционного газа через катализатор. Затем в типовом варианте выполнения через катализатор пропускают газ, содержащий кислород. Благодаря этому содержащие углерод отложения снимаются, и катализатор регенерируется. После регенерирования снова проводят дегидрирование предельных углеводородов в соответствующей реакционной трубе или в реакторе. Согласно этому принципу способ проводят циклически.
Так как дегидрирование предельных углеводородов является эндотермическим, а регенерирование катализатора является экзотермическим, то во время регенерирования к реактору должно подводиться значительно меньше тепла, чем во время нормальной работы. Для этого обычно во время фазы регенерирования горелки эксплуатируют с меньшим расходом горючего газа, так что образуется меньшее количество дымовых газов.
В WO 2007/118825 А1 описаны способ получения олефинов из углеводородов и устройство для осуществления способа. Вследствие отключения горелок во время фазы регенерирования подвод тепла в слой катализатора прерывается, так что при регенерировании посредством пропускания газа, содержащего кислород, тепло уже не поступает в слой катализатора, и катализатор защищен от перегрева и повреждений. Для реализации способа горелки имеют устройство для отключения, а для повторного запуска после регенерирования их снова воспламеняют при помощи контрольных горелок. Как нагревательные горелки, так и контрольные горелки могут быть оснащены контрольным устройством. Нет никаких сведений в отношении выработки пара посредством применения парогенератора и компенсации прерывания нагревания.
В ЕР 179322 В1 описан способ периодического экзотермического регенерирования катализатора, который был деактивирован во время эндотермического каталитического преобразования. Посредством уменьшения производительности горелок до величины менее чем 50% от первоначальной, а предпочтительно менее чем 10% от первоначальной производительности горелок, которое осуществляют путем уменьшения подачи горючего, достигают экономии горючего и воздуха для горения. В качестве процессов, рассматриваемых для применения, упомянуты, в частности, дегидрирование изобутана, н-бутана или их смесей. При применении нескольких реакторов возможно эксплуатировать их попеременно, так что в общей сложности не происходит изменений подводимого горючего и потоков воздуха для горения и перемен нагрузки в системе отвода тепла. В этом источнике также нет никаких сведений в отношении выработки пара путем применения парогенератора или в отношении компенсации прерывания нагревания.
При ограничении процесса нагревания для регенерирования катализатора происходит уменьшение притока дымовых газов в парогенератор, который расположен в дымоходе. Это является проблематичным, так как пар, вырабатываемый парогенератором, в предпочтительном варианте выполнения используют для привода компрессора при помощи паровой турбины. Процесс дегидрирования работает таким образом, что пар для применения в паровой турбине подается как во время нормальной работы, так и во время регенерирования. Во время фазы регенерирования собственная выработка пара меньше. В то же время потребление пара в режиме регенерирования примерно такое же высокое, как при нормальной работе. Поэтому расход пара, подводимый во время фазы регенерирования, определяется расходом пара установки для дегидрирования.
По этой причине поставлена задача создания способа эндотермического каталитического производства олефинов, который во время фазы регенерирования обеспечивает максимально большой расход дымовых газов для работы парогенератора, так что в течение всего цикла «производство - регенерирование» можно обеспечивать постоянный расход пара. В изобретении также предложено устройство для этого. Оно должно также обеспечивать возможность проведения контроля и дистанционного управления процессом.
В изобретении эта задача решена при помощи способа равномерной или управляемой выработки дымовых газов из эндотермической каталитической реакции, благодаря чему при помощи этих дымовых газов посредством парогенератора может вырабатываться максимально большой поток пара, при этом на выходе дымохода находится по меньшей мере одна вспомогательная горелка, при помощи которой вырабатывают поток дымовых газов, который не вступает в контакт с нагреваемыми реакционными трубами и при помощи которого увеличивается поток дымовых газов на поверхностях теплообмена парогенератора во время регенерирования. В изобретении эта задача решена также при помощи устройства, которое образовано посредством одной или более вспомогательных горелок на входе дымохода реактора для проведения эндотермической каталитической реакции, при этом вспомогательные горелки расположены в потоке дымовых газов после реакционных труб. Устройство содержит также оборудование, при помощи которого можно контролировать вспомогательные горелки и управлять ими.
При помощи настоящего изобретения может быть уменьшен расход подводимого пара. При этом не возникают дополнительные затраты на оборудование для теплообмена, так как используются рассчитанные на нормальный режим работы аппараты и встроенное оборудование. Вспомогательные горелки, которые требуются, по существу, для режима регенерирования, являются относительно недорогими.
Типовым эндотермическим каталитическим способом, для которого изобретение находит применение, является дегидрирование алканов. В любом случае это реакции, которые проводят в реакционных трубах, выполненных с возможностью заполнения катализатором, причем реакционные трубы находятся в нагреваемом реакционном помещении, а это реакционное помещение нагревают посредством горелок при помощи горючего газа. Типичный способ дегидрирования алканов, в котором может быть применено изобретение, описан в WO 2004/039920 А2. В нем также описан реактор, посредством которого на отдельной стадии процесса сжигают водород, образующийся при дегидрировании предельных углеводородов.
В частности, предложен способ регенерирования неподвижного слоя катализатора с постоянной по времени выработкой пара от нагревания реактора, при котором:
- неподвижный слой катализатора размещен в одной или более реакционных трубах, в которых проводится эндотермическая реакция при протекании реагирующей газовой смеси,
- реакционную трубу или трубы нагревают снаружи путем сжигания горючего газа в нагреваемом пространстве, через которое проложены реакционные трубы с целью проведения эндотермической реакции,
- реакцию в реакционной трубе или трубах проводят циклически в пределах ограниченного промежутка времени, причем период времени, не используемый для реакции, используют для регенерирования катализатора путем пропускания газа, содержащего кислород или водяной пар, или смеси таких газов, и
- поток дымовых газов, образующийся вследствие нагревания реакционных труб, выводят из нагреваемого пространства и используют его при пропускании через парогенератор для выработки пара,
и который характеризуется тем, что:
- на выходе дымохода находится по меньшей мере одна вспомогательная горелка, посредством которой вырабатывают поток дымовых газов, который не вступает в контакт с нагреваемыми реакционными трубами, и посредством которого увеличивается поток дымовых газов на поверхностях теплообмена парогенератора во время регенерирования.
Вследствие увеличения расхода дымовых газов в дымоходе могут лучше использоваться поверхности теплообмена в дымоходе во время фазы регенерирования катализатора. Благодаря этому расход вырабатываемого пара в течение всей продолжительности процесса может сохраняться почти постоянным. Кроме того, вспомогательные горелки оснащены регулирующим устройством, при помощи которого может регулироваться расход горючего газа. Это может осуществляться путем регулирования вспомогательных горелок в зависимости от температуры в потоке дымовых газов позади вспомогательных горелок. При этом регулирование управляет притоком горючего газа или воздуха для горения к вспомогательным горелкам.
Чтобы дополнительно увеличить выработку пара во время регенерирования, вспомогательные горелки выгодным образом применяют таким образом, что температура потока дымовых газов на входе дымохода на поверхности теплообмена парогенератора повышается. При этом регулирование температуры в дымоходе и на поверхностях теплообмена, если это требуется, можно осуществлять посредством расхода приточного воздуха, подводимого в дымоход.
Выгодным образом вспомогательные горелки оснащены регулирующим устройством, так что можно регулировать подачу горючего газа и тем самым выработку дымовых газов. При этом регулирующим устройством управляют при помощи датчика температуры, который находится вблизи от поверхностей теплообмена парогенератора, так что вспомогательными горелками можно управлять в зависимости от температуры в дымоходе. В более простом варианте выполнения может быть также произведено ручное управление вспомогательными горелками.
Регулирующее устройство вспомогательных горелок может также подвергаться управлению на основании расхода вырабатываемого пара. В этом случае в соответствующем месте парогенератора расположено устройство для измерения расхода вырабатываемого пара, так что вспомогательными горелками можно управлять в зависимости от расхода вырабатываемого пара.
Процессами, которые принимаются во внимание для способа согласно изобретению, являются, в частности, процессы дегидрирования алканов, посредством которых алканы при выделении водорода превращают в олефины. Их можно проводить в качестве единственного процесса. Однако часто проводят дегидрирование алканов, посредством которого алканы при выделении водорода превращают в олефины, а водород на следующем отдельном этапе процесса подвергают окислению, при этом происходит дальнейшее дегидрирование еще не прореагировавших алканов. При этом вспомогательные горелки могут быть установлены в один или в более чем один реактор. Благодаря этому поддерживается весь эндотермический процесс с регенерированием катализатора.
Предложено также устройство, при помощи которого может быть реализован способ согласно изобретению. В частности, предложено устройство для равномерной выработки пара из отходящего тепла дегидрирования предельных углеводородов, включающее:
- реактор с нагреваемым пространством для проведения эндотермической реакции и содержащиеся в нем реакционные трубы, которые выполнены с возможностью заполнения катализатором,
- вход для реакционного газа и выход для произведенного газа в реакционных трубах,
- одну или более основных горелок, которые не находятся в контакте с катализатором или реакционным газом и нагревают реакционные трубы в нагреваемом пространстве снаружи,
- дымоход с выходом для дымовых газов в конце нагреваемого пространства и расположенные в нем один или более парогенераторов,
и которое характеризуется тем, что на выходе в дымоход после реакционных труб и перед прохождением через один или несколько парогенераторов расположены одна или более вспомогательных горелок.
Реакторы для проведения эндотермических процессов, которые имеют вспомогательные горелки для проведения процесса запуска, известны в данной области техники. В US 2003/0101651 А1 описано устройство для проведения эндотермической каталитической реакции, при помощи которого газ, содержащий углеводороды, пропускают через выполненные с возможностью заполнения катализатором трубы, которые нагреваются снаружи, причем реакционный газ нагревается путем конвекции во встречном потоке. Благодаря конструкции может быть существенно уменьшена величина реактора, и все устройство может быть выполнено транспортабельным. В устройстве содержатся вспомогательные горелки, которые используют для запуска реакции посредством того, что их помещают в нагреваемое пространство для сжигания горючего газа. Регенерирование катализатора и прерывание процесса нагревания не описаны. Также не упомянуты управляющие устройства для вспомогательных горелок.
В большинстве вариантов выполнения изобретения вспомогательные горелки снабжены регулирующими устройствами, при помощи которых может регулироваться производительность горелок. Соответствующими регулирующими устройствами являются, например, клапаны, задвижки, заслонки или винты, при помощи которых может регулироваться подача горючего газа во вспомогательные горелки. Регулирующее устройство может также включать регулирование подачи воздуха для горения во вспомогательные горелки.
Вспомогательными горелками можно управлять в зависимости от измеряемых параметров на выходе дымохода. В связи с соответствующими пунктами формулы изобретения в отношении способа могут применяться, в частности, измерительные зонды для измерения расхода воздуха для горения или температуры дымовых газов. Для выполнения этой задачи они расположены на выходе дымохода. Если желательно регулирование работы вспомогательных горелок в зависимости от расхода дымовых газов, то дымоходы оснащают измерительным устройством, при помощи которого может быть измерен расход дымовых газов в дымоходе, и в зависимости от этого можно осуществлять регулирование вспомогательных горелок.
Если желательно регулирование работы вспомогательных горелок в зависимости от температуры в потоке дымовых газов, то дымоходы оснащают измерительным устройством, при помощи которого может быть измерена температура дымовых газов в дымоходе и при помощи которого в зависимости от этого можно осуществлять регулирование вспомогательных горелок. Если требуется сравнительное измерение при сравнении с общим расходом или температурой дымовых газов, то соответствующие измерительные зонды могут быть также расположены в самом дымоходе или на поверхностях теплообмена парогенератора. В следующем варианте выполнения для измерения содержания кислорода в дымоходе применены лямбда-зонды, если управление вспомогательными горелками осуществляется в зависимости от содержания кислорода в дымоходе.
Реактор для размещения устройства согласно изобретению типовым образом выполнен так, как известно в уровне техники. Для реализации изобретения он включает реактор для проведения эндотермической реакции; содержащиеся в нем реакционные трубы, которые выполнены с возможностью заполнения катализатором; горелки, которые не находятся в контакте с катализатором или реакционным газом и нагревают реакционные трубы снаружи; вход для реакционного газа и выход для произведенного газа в реакционных трубах; вход для горючего газа и дымоход; и парогенератор с поверхностями теплообмена, расположенный на выходе дымохода или после него. Основные горелки и вспомогательные горелки согласно изобретению могут быть размещены в нагреваемом пространстве или в дымоходе в произвольных местах. Это относится также к нагреваемым поверхностям теплообмена. Горелки, реакционные трубы или парогенераторы могут содержаться в одном или более экземплярах. Вспомогательные горелки в любом случае располагают таким образом, что выделяемые ими дымовые газы не поступают в контакт с реакционными трубами и содержащимся в них катализатором.
Для управления и регулирования вспомогательных горелок используются те устройства, которые используются для регулирования горелок в уровне техники. Обычно это клапаны, задвижки, заслонки или винты, при помощи которых можно регулировать подачу во вспомогательные горелки горючего газа или воздуха для горения. Для измерения управляющих параметров применяют, в частности, термоэлементы, манометры, расходомеры газа и кислородные зонды.
Для применения в качестве вспомогательных горелок можно использовать газовые горелки, жидкостные горелки, реактивные горелки или твердотопливные дутьевые горелки. Это зависит от размеров дымохода и поверхностей теплообмена. К устройству согласно изобретению относятся также соответствующие устройства для воспламенения вспомогательных горелок. Это могут быть, например, электрические или электронные воспламенители, контрольные горелки или кремни. Предпочтительно вспомогательные горелки оснащены регулирующим устройством, при помощи которого регулируется производительность вспомогательных горелок. Оно может быть, например, выполнено таким образом, что дымоход оснащен измерительным устройством, при помощи которого может измеряться температура дымовых газов в дымоходе, и в зависимости от этого можно регулировать производительность вспомогательных горелок.
Для дополнительного использования отходящего тепла использованы парогенераторы, которые могут быть расположены произвольным образом и которые могут содержаться в произвольном количестве. Обычно это парогенераторы, которые расположены в виде косвенных теплообменников с поверхностями теплообмена. Они могут быть выполнены произвольным образом. Также они могут содержать измерительные устройства для измерения расхода вырабатываемого пара. Парогенераторы, которые нагревают при помощи вспомогательной горелки или горелок, могут быть оснащены устройством для измерения расхода пара, так что в зависимости от этого можно регулировать производительность вспомогательной горелки или горелок. Кроме того, к устройству согласно изобретению относятся также вспомогательные устройства, в том числе трубопроводы. Они могут содержаться в произвольных вариантах выполнения и количестве.
Устройство согласно изобретению дает преимущество максимально равномерной во времени выработки пара из отходящего тепла дегидрирования предельных углеводородов. Благодаря устройству и способу согласно изобретению может быть оптимизирована выработка пара из отходящего тепла упомянутых процессов, и отсюда может быть получена механическая энергия.