專利名稱：制備低分子量烯烴的方法,熱解烴用的反應(yīng)器和驟冷裂解氣用的設(shè)備的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及石油化學(xué)工業(yè)，具體地說，本發(fā)明涉及通過熱裂解(熱解)烴來制造低分子量烯烴的方法。
發(fā)明的背景目前，烴的熱解是商業(yè)上制造低分子量烯烴，即乙烯和丙烯的基本方法。作為原料，是使用分子中含有兩個或更多個碳原子的烴。在工業(yè)中，通常使用石油精煉的氣體，以及粗汽油和粗柴油餾分。
在通?？山邮艿募夹g(shù)中，原料蒸發(fā)并與水蒸汽混合，將其送入位于熱解爐輻射段內(nèi)部的裂解管中，在其中快速加熱混合物。熱解反應(yīng)伴隨著大量的吸熱。對出口溫度為750-950℃的裂解氣進(jìn)行驟冷，然后將其輸送到氣體分餾塔中，在其中分離乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、氫和其它熱解產(chǎn)物。乙烯是最有價值的熱解產(chǎn)物。
在熱解烴的過程中，通常會產(chǎn)生熱解碳，部分熱解碳以煙灰顆粒的形式隨裂解氣的氣流而帶走，而其余的部分則會在裂解管和下游設(shè)備的壁上形成焦炭沉積物。焦炭沉積物會提高通過裂解管的壓降，并影響向反應(yīng)區(qū)適合的熱傳遞，從而使裂解管過熱，減少熱解廠的產(chǎn)率并降低低分子量烯烴的產(chǎn)率。因此，要定時地去除焦炭沉積物，這通常是用空氣和空氣-水蒸汽的混合物對其燃燒來進(jìn)行的。
在熱解反應(yīng)中，可以區(qū)分的是生成烯烴的主反應(yīng)和副反應(yīng)，在副反應(yīng)過程中會消損所生成的烯烴。對于主反應(yīng)和副反應(yīng)來說，隨著溫度的提高，這些反應(yīng)都會加快，但主反應(yīng)速度提高得比副反應(yīng)快。主反應(yīng)的速度不受壓力的影響，而副反應(yīng)的速度隨壓力的下降而減小。因此，為了提高烯烴的產(chǎn)率，要在可調(diào)節(jié)的限度內(nèi)爭取降低反應(yīng)區(qū)中烴的分壓，并提高過程的溫度。烴分壓可通過加入一種水蒸汽稀釋劑而得以降低。水蒸汽稀釋劑的最佳用量取決于加入的烴的組成。對于輕質(zhì)原料即乙烷或丙烷，水蒸汽的用量通常為原料質(zhì)量的20-40％。對于重質(zhì)原料如柴油，水蒸汽的用量可達(dá)原料質(zhì)量的80-100％。熱解溫度提高到高于950-1000℃是不適宜的，因為這會急劇加快焦炭的形成，并以犧牲乙烯為代價生成不太有價值的乙炔。
商業(yè)管狀裂解反應(yīng)器有下述明顯的缺點a．必須通過裂解管壁將大量的熱量傳遞到反應(yīng)區(qū)內(nèi)。由于需要進(jìn)行大量的熱傳遞，裂解管壁的溫度大大超過過程物料流的溫度，從而導(dǎo)致生成大量的焦炭并降低所需產(chǎn)物的產(chǎn)率。在熱解區(qū)中降低壓力也是不可能的，因為必須提供與傳熱條件適應(yīng)的流過反應(yīng)區(qū)的高流量原料；b．通過裂解管來加熱原料，其加熱速率并不充分。因此，在較低溫度下開始生成的烯烴與原料流進(jìn)入溫度越來越高的加熱區(qū)域，即處于副反應(yīng)強(qiáng)烈的條件。這個缺點在寬石油餾分(如粗汽油或粗柴油)的熱解中變得非常明顯，所述石油餾分既包含易于裂解的高分子量烴，又包含在較高溫度下才裂解的低分子量烴。
美國專利5300216披露了在水蒸汽存在下通過高強(qiáng)度定常激波來熱裂解烴的方法和設(shè)備。在約2.7 MPa的壓力下，將在管狀加熱器中過熱到約1000℃溫度的水蒸汽通過超聲波噴嘴送入包括位置上依序為混合區(qū)和熱解區(qū)的反應(yīng)器中。在混合區(qū)中，將預(yù)熱到約627℃溫度的烴即乙烷進(jìn)料通過混合器送入超聲波水蒸汽流中。所得的混合物形成超聲波過程流，該過程流的溫度低于引發(fā)熱解反應(yīng)所需的溫度。在所述混合區(qū)和熱解區(qū)之間形成一股直激波一定常激波。當(dāng)通過這種激波時，超聲波過程流的動能轉(zhuǎn)變成熱能。在緊挨著激波的下游位置，過程流的速度處于亞音速級，而溫度升高達(dá)到約1000℃，壓力約為0.9絕對MPa。過程流在0.005-0.05秒鐘內(nèi)通過熱解區(qū)，同時由于熱解反應(yīng)要吸收熱量，其溫度降到約863℃。乙烷轉(zhuǎn)變成乙烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到70％。裂解氣通過驟冷裝置和下游熱交換器，再將其送去進(jìn)行氣體分離。在此設(shè)備中，管狀熱解反應(yīng)器的上述所有缺點都被克服。原料能極快地達(dá)到最高熱解溫度，無需使用熱解段的壁來將熱量傳遞到反應(yīng)區(qū)。但是同時，每單位質(zhì)量的烴所需的水蒸汽質(zhì)量必須約為500-667％。與此相關(guān)的是，每單位質(zhì)量生成的乙烯所消耗的能量過高，并且無法顯著降低。所以這種設(shè)備在目前能量成本與烯烴成本的相互關(guān)系上是不具備競爭力的。
美國專利4426278披露了一種管狀熱解反應(yīng)器，它包括水蒸汽過熱器，用于將過熱水蒸汽與烴混合的設(shè)備和位于輻射塊內(nèi)部的裂解管。從過熱器出來的溫度為1000-1500℃的水蒸汽與烴進(jìn)料混合，這樣使所得的混合物立刻達(dá)到引發(fā)熱解反應(yīng)所需的溫度。在此反應(yīng)器中，上述缺點(b)被部分地克服。然而，在水蒸汽為1100℃的溫度時，必須供入其質(zhì)量與烴質(zhì)量的比值為185-275％的水蒸汽，而水蒸汽溫度為1430℃時，必須供入質(zhì)量比值為120％的水蒸汽。如此高溫的過熱水蒸汽的制備是非常困難的，并且能量消耗極高。
美國專利3579601披露了一種管狀熱解反應(yīng)器，在沿其長度方向上的若干點位置將原料送入裂解管。所加入原料的每個部分立刻達(dá)到足以開始熱解反應(yīng)的溫度，因為實際上它們瞬時與來自裂解管上游部分的熱的熱解氣混合。通過裂解管壁供入熱量進(jìn)一步維持熱解的進(jìn)行。此發(fā)明部分消除了缺點(b)，但卻仍存在缺點(a)。烯烴和其它不飽和烴的產(chǎn)率提高，而焦炭的沉積和甲烷的形成下降。此發(fā)明的缺點是裂解管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以將其安裝在加熱器的輻射室中很困難。
蘇聯(lián)發(fā)明人證書1189871披露了熱裂解直餾粗柴油和粗汽油一種的方法。將原料分成沸點每隔20-40℃的若干餾分。這種制備的窄餾分在適合于各餾分的最佳熱條件下在各裂解管中進(jìn)行熱解。這種方法能減少缺點(b)，提高低分子量烯烴的產(chǎn)率并減少焦炭的形成，但這種方法的技術(shù)實施使得輻射室結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因為它必需在各個裂解管中原料流速不同的情況下在這些裂解管中產(chǎn)生各自的熱條件。
美國專利4265732披露了在構(gòu)造成包括軸型多段葉片的反應(yīng)器中熱裂解氣態(tài)烴進(jìn)料的方法。熱解所需的熱量直接在反應(yīng)氣體的內(nèi)部產(chǎn)生，因為在其中用一驅(qū)動器使葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生了流體動力學(xué)阻力。此發(fā)明完全克服了缺點(a)，但不能克服缺點(b)。但實施該方法所需的能在烴熱解溫度下操作的包括軸型多段葉片的設(shè)備并沒有制成。
美國專利5271827披露了在裂解管出口和驟冷設(shè)備入口之間裝有絕熱管反應(yīng)器的管狀熱解爐。它是在利用反應(yīng)流體的內(nèi)在熱而不從外部供熱的情況下在絕熱管反應(yīng)器中進(jìn)行熱解。使用絕熱管反應(yīng)器能節(jié)省熱解所需的能量消耗。
熱解廠的一個主要設(shè)備是用來驟冷離開反應(yīng)器的裂解氣達(dá)到使不需要的副反應(yīng)終止的溫度的裝置。驟冷可以直接進(jìn)行即注入水蒸汽、水或輕質(zhì)熱解焦油，也可以間接進(jìn)行即使用熱交換器。直接驟冷通常在熱裂解柴油時使用。在熱裂解輕質(zhì)烴時，通常用熱交換器裝置進(jìn)行間接驟冷，同時能產(chǎn)生高壓水蒸汽。
PCT申請WO 95/32263提出了用于驟冷裂解氣的一種裝置。該裝置包括被一層壁隔開的兩個空間。裂解氣在形成所述一個空間的一些管中流動，在另一個空間中冷卻水則受熱而沸騰。由于這些管的直徑很小，故這種類型的裝置會產(chǎn)生大的流動阻力，并且容易產(chǎn)生焦化。通過經(jīng)清洗裝置的壓降通常不小于0.02-0.03MPa，而在焦化狀態(tài)時該壓降則達(dá)0.07MPa以上，這就提高了上游熱解反應(yīng)器的內(nèi)壓，從而降低了烯烴的產(chǎn)率。固然可以通過增加傳熱管的直徑來降低通過裝置的壓降，但是這種方案是不可取的，因為其結(jié)果會降低驟冷速率。
發(fā)明的概述本發(fā)明的目的是提供一種通過烴的熱解來制造低分子量烯烴的方法，實現(xiàn)該方法的熱解烴用的反應(yīng)器和驟冷裂解氣用的裝置。
在此方法中a．熱量不是通過反應(yīng)區(qū)的壁傳遞到反應(yīng)區(qū)中。
b．使烴進(jìn)料加熱達(dá)到熱解溫度的時間相對于熱解反應(yīng)所進(jìn)行時間來說是忽略不計的。
c．每份重量烴進(jìn)料所加入的水蒸汽稀釋劑的重量不超過現(xiàn)有熱解廠的規(guī)定極限。
本發(fā)明的第一個方面是通過烴的熱解來制造低分子量烯烴的方法。此方法包括下述步驟預(yù)熱并蒸發(fā)起始原料；將其與水蒸汽稀釋劑混合；在旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器中通過在其中旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的流體動力學(xué)阻力而在反應(yīng)混合物內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將所得的混合物加熱到熱解溫度；驟冷裂解氣，隨后將其分離。在此方法中，與熱解反應(yīng)進(jìn)行的時間相比，混合物與在葉片反應(yīng)器的操作空腔內(nèi)循環(huán)的熱的熱解氣進(jìn)行混合而被加熱到熱解溫度的時間是可以忽略不計的。
原料和水蒸汽稀釋劑的預(yù)熱可以分兩步進(jìn)行，其中第二步是在熱交換器中依靠將熱量從來自葉片反應(yīng)器的裂解氣中除去。
與美國專利4265732的方法相比，本發(fā)明新穎的方法提高了所需烯烴的產(chǎn)率，因為本方法是通過與剛進(jìn)行了熱解并仍在反應(yīng)器的操作空腔內(nèi)循環(huán)的熱氣體混合而瞬時將反應(yīng)混合物加熱到最高熱解溫度。離開葉片反應(yīng)器的裂解氣的熱量用于預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)器的原料和水蒸汽稀釋劑，這就簡化了熱交換器的結(jié)構(gòu)，因為它減小了加熱段和冷卻段的壓差，而且降低了實現(xiàn)此方法所需的能量消耗。
本發(fā)明的第二個方面是裂解烴的新穎反應(yīng)器。此反應(yīng)器包括一個裝有一些固定導(dǎo)向葉片的護(hù)罩，通入原料的入口，輸出裂解氣的出口和帶有葉片冠的工作輪。護(hù)罩具有用于循環(huán)熱的熱解氣的環(huán)形空腔，在其中安置著固定導(dǎo)向葉片。此環(huán)形空腔包圍著工作輪葉片冠的外圍，而入口和出口與所述空腔相通。
反應(yīng)器的護(hù)罩可以由殼體和與其緊固在一起的耐熱內(nèi)表層組成。殼體的內(nèi)表面可以是熱絕緣的。
與美國專利4265732的反應(yīng)器不同的是，本發(fā)明的反應(yīng)器是將原料和水蒸汽稀釋劑的混合物通過與熱的熱解氣混合就能將其實際上瞬時地加熱到最高熱解溫度，從而獲得較高產(chǎn)率的低分子量烯烴。此反應(yīng)器的另一個優(yōu)點是百葉窗擋板的構(gòu)造，因此可以制成單級形式，而且其材料是人們皆知并是目前技術(shù)上廣泛使用的。
本發(fā)明的第三個方面是用于驟冷裂解氣的裝置。該裝置是一個具有被一層壁分隔開的兩個空間的熱交換器，該熱交換器用來加熱和冷卻流體。該設(shè)備具有三通管和含有噴嘴、進(jìn)口室和混合室的噴射器?；旌鲜液腿ü艿囊粋€接頭與冷卻流體所在的空間相通，而進(jìn)口室與三通管的另一個接頭相連。
這種用于驟冷裂解氣的裝置構(gòu)造能提供很短的驟冷時間和通過裝置的很小壓降，這樣就減小了上游反應(yīng)區(qū)的壓力，從而有助于達(dá)到本發(fā)明的主要目的，即提高低分子量烯烴的產(chǎn)率。
附圖的簡要說明

圖1是實現(xiàn)制造低分子量烯烴方法設(shè)備的示意圖。
圖2是用于熱解烴的反應(yīng)器的剖面圖。
圖3是通過圖2中A-A線的橫截面圖。
圖4是反應(yīng)器的徑向運轉(zhuǎn)葉片的橫截面圖。
圖5是從圖4中箭頭B方向看到的圖。
圖6是驟冷裂解氣裝置的剖面圖。
較好實例的描述用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的設(shè)備(圖1)包括預(yù)熱器1、用于驟冷裂解氣的裝置2和3、反應(yīng)器4、通過軸6與反應(yīng)器4相連并通過廢氣管7與預(yù)熱器1相連的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)5。
第一步，在預(yù)熱器1中對原料和水蒸汽稀釋劑進(jìn)行預(yù)熱。在加壓條件下將來自外部源(圖中未示)的烴原料輸送到管殼式熱交換器形式的預(yù)熱器1中。來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)5的廢氣排到此熱交換器的管間空間中。在加壓條件下將來自外部源(圖中未示)的水輸送到預(yù)熱器1中，在其中使水蒸發(fā)，所得的水蒸汽稀釋劑與烴進(jìn)料混合。
第二步，在用于驟冷裂解氣的裝置2和3中利用離開反應(yīng)器的裂解氣的熱量來預(yù)熱原料和水蒸汽稀釋劑。對用于驟冷裂解氣的裝置將在下面作詳細(xì)描述。
將來自驟冷裂解氣裝置2和3的原料和水蒸汽稀釋劑的混合物送入葉片反應(yīng)器4中。熱的熱解氣沿反應(yīng)器環(huán)形工作空腔進(jìn)行循環(huán)，由于具有葉片的旋轉(zhuǎn)工作輪的流體動力學(xué)阻力效應(yīng)，就在反應(yīng)混合物內(nèi)部直接產(chǎn)生熱解所需的熱量。與熱解反應(yīng)所進(jìn)行的時間相比，反應(yīng)混合物與熱的熱解氣混合而被加熱到熱解溫度的時間是可以忽略不計的。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)將在下面作詳細(xì)描述。
來自反應(yīng)器4的裂解氣輸送到驟冷裝置2和3中是通過具有光滑形狀的連接管，以防形成流動分離區(qū)。所有這些連接管在體積上都是相同的。
裂解氣在裝置2和3中進(jìn)行驟冷，而后將其運送到氣體分餾塔(圖中未示)中。在圖1中表示了兩個用于驟冷裂解氣的裝置，但在實際實施本發(fā)明的過程中對該裝置的數(shù)目并無限制。
使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)5作為反應(yīng)器中機(jī)械裝置的驅(qū)動。如圖1所示，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)進(jìn)行一種簡單的熱力學(xué)循環(huán)，不用其工作流體的中間加熱器和冷卻器。作為驅(qū)動機(jī)器，也可以使用以更為復(fù)合的循環(huán)形式工作的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，還可以使用蒸汽渦輪或電動機(jī)。
與烴進(jìn)料混合的水的量和容許的最終溫度取決于原料的組成。若原料是普通的氣態(tài)烴，則加入的水的重量與烴的重量之比可為30-40％，并且在第二次預(yù)熱之后反應(yīng)混合物的溫度不超過650℃。若使用普通的液體烴如粗汽油或粗柴油作為原料，則水的加入重量與烴重量之比可達(dá)80-100％，第二次預(yù)熱后反應(yīng)混合物的相應(yīng)溫度不應(yīng)超過550-600℃。
決定反應(yīng)器操作的基本參數(shù)如下述關(guān)系式所示τ=V×d×H/P其中τ(秒)是反應(yīng)混合物在反應(yīng)器中的平均停留時間；V(m3)是反應(yīng)器工作空間的體積；d(kg/m3)是在反應(yīng)器工作空間中反應(yīng)混合物的平均密度；H(J/kg)是轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器工作空間內(nèi)的反應(yīng)混合物中的能量；P(W)是轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器操作空間中的功率。
應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器操作空間內(nèi)的反應(yīng)混合物中的能量接近轉(zhuǎn)移到流過用同樣原料操作的傳統(tǒng)管狀熱解爐中的輻射線圈的過程流中的熱量。在熱解乙烷的過程中，該能量應(yīng)為對每千克水蒸汽稀釋原料大約2.5-3.4MJ。在熱解其它種類的烴的過程中，該能量應(yīng)約為1.7-2.3MJ/kg。
反應(yīng)混合物在反應(yīng)器工作空間內(nèi)部的平均停留時間可約為0.03-0.1秒。
進(jìn)料/水蒸汽混合物從進(jìn)入反應(yīng)器時的溫度加熱到熱解溫度的時間決定于其與反應(yīng)著的混合物混合所持續(xù)的時間，該時間不超過0.01秒。與反應(yīng)混合物在反應(yīng)器工作空間中的停留時間相比，該時間短得可以忽略不計。
反應(yīng)混合物的平均密度決定于反應(yīng)器工作空間中的平均壓力和平均溫度以及反應(yīng)混合物的平均分子量。
反應(yīng)器工作空間中的平均壓力可為0.05-0.2MPa(絕對)，較好為0.08-0.12MPa(絕對)。
反應(yīng)器工作空腔內(nèi)的平均氣體溫度取決于原料的組成、預(yù)定的轉(zhuǎn)化率和在反應(yīng)區(qū)中的停留時間。輕質(zhì)原料和高轉(zhuǎn)化率需要較高的溫度，而重質(zhì)原料(常壓柴油和真空柴油)和低轉(zhuǎn)化率需要較低的溫度。
操作者設(shè)置反應(yīng)器工作空腔內(nèi)的氣體溫度和烴進(jìn)料與用于制備水蒸汽稀釋劑的水的用量比率。用調(diào)節(jié)向燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)供給燃料氣的流量的自動控制系統(tǒng)保持所設(shè)置的溫度。這樣在這里調(diào)節(jié)反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度在原理上是與傳統(tǒng)管狀爐一樣的，即通過改變?nèi)剂蠚獾牧髁颗c原料流量之比。區(qū)別在于在本發(fā)明新穎反應(yīng)器中的瞬間過程結(jié)束得快10-100倍。
為了除去來自反應(yīng)器和驟冷裂解氣的裝置中的焦炭，必需停止向預(yù)熱器1中供入烴料。此時反應(yīng)器工作空腔內(nèi)的溫度必需保持與熱解過程進(jìn)行時的溫度相同。繼續(xù)通入的過熱水蒸汽通過氣化反應(yīng)從反應(yīng)器4以及輸送管和驟冷裂解氣的裝置2和3除去焦炭沉積物。流出的氣流輸送到燃燒后的設(shè)備(圖中未示)中。通過分析這個流出的氣流來檢查除焦過程。當(dāng)一氧化碳和二氧化碳的量降到預(yù)先設(shè)定的值時，停止除焦操作，重新送入烴料。與空氣或空氣-水蒸汽燃燒相比，這種燒去除焦的優(yōu)點是所進(jìn)行反應(yīng)的吸熱性，所以可避免構(gòu)造材料局部過熱的危險。另一個優(yōu)點是在所有的操作過程階段都保持反應(yīng)器內(nèi)部的還原條件，這就能夠用在氧化條件下不穩(wěn)定的耐熱金屬為基的耐熱合金來制造最重要的反應(yīng)器部件，這種耐熱合金例如是以鎢、鉬或鈮為基的合金。
在本發(fā)明的方法中，原料的熱解是依序在反應(yīng)器的操作空腔中，并進(jìn)一步在將熱解氣輸送到驟冷裝置的轉(zhuǎn)移管中進(jìn)行的。在反應(yīng)器操作空腔中產(chǎn)生的流體動力學(xué)條件接近于理想混合設(shè)備所特有的條件，在此空腔的整個區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物的濃度進(jìn)行了均勻化。此方法與傳統(tǒng)管狀反應(yīng)器所實現(xiàn)的方法的主要不同之處就在于此，它與美國專利4265732中披露的方法也不同。
由于反應(yīng)器工作空間中的熱解是在高濃度的剛裂解的產(chǎn)物存在條件下進(jìn)行的，所以熱解反應(yīng)由于自動催化作用而加速。因此，這種熱解也可以在較低的溫度下進(jìn)行，這樣就提高了過程的選擇性。這一點可由美國專利3579601所述的在熱的熱解氣存在下烴熱解的實驗數(shù)據(jù)所證實。
在轉(zhuǎn)移管的內(nèi)部，熱解以絕熱的方式進(jìn)行，不從外部供熱。在這里的流體動力學(xué)條件接近于管狀反應(yīng)器中理想位移所特有的條件。所利用的絕熱操作能節(jié)省進(jìn)行熱解過程所消耗的能量，并也能提高烯烴的產(chǎn)率。
用于烴熱解的旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器(圖2和3)包括一個具有殼體8和蓋子9和10的護(hù)罩。殼體8和蓋子9、10的內(nèi)表面被隔熱材料11、12和13所覆蓋。護(hù)罩也還有耐熱表層，它由與殼體8緊固在一起的部件14以及與蓋子9和10緊固在一起的部件15和16形成。與部件14緊固在一起的是導(dǎo)向葉片17和18。導(dǎo)向葉片19和20與部件15和16緊固在一起。殼體8上裝有用于輸入原料的支管21和用于排出裂解氣的支管22。轉(zhuǎn)子由軸23和裝有一些運轉(zhuǎn)葉片25的操作輪24組成。這些運轉(zhuǎn)葉片25形成操作輪24上的葉片冠。軸23被軸向軸承26和軸向止推軸承27所支承，它被雙曲折軸墊28和29密封成一些槽子，通過這些槽子從外部(圖中未示)注入水蒸汽。
各運轉(zhuǎn)葉片25(圖4和5)具有一個尾部30，通過該尾部葉片固定在工作輪24的邊緣上，形成燕尾結(jié)合。在葉片25中，為讓原料與用水蒸汽稀釋劑作為冷卻劑的混合物通過，有許多徑向槽子31。
按下述方式操作反應(yīng)器。通過輸入支管21，經(jīng)蒸發(fā)的原料與水蒸汽稀釋劑的混合物進(jìn)入在殼體8和耐熱表層之間的間隙中，再通過在工作輪24和在運轉(zhuǎn)葉片25中形成的槽子，進(jìn)入放置有運轉(zhuǎn)葉片25和導(dǎo)向葉片17、18、19、20的環(huán)形工作空腔。沿環(huán)形空腔循環(huán)的混合氣體依次與固定導(dǎo)向葉片和旋轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)葉片多次接觸，從而形成兩股卷成順時針和逆時針方向旋渦環(huán)的螺旋型流線。這樣就形成兩股熱解氣循環(huán)的相通環(huán)。連續(xù)地在反應(yīng)器工作空間內(nèi)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)所吸收的熱量由動能轉(zhuǎn)變成熱能的熱量流入所提供。
在所述循環(huán)環(huán)路中產(chǎn)生的動能功率與轉(zhuǎn)子的圓周線速度和氣體的平均速度和密度的乘積成比例。隨著平均速度提高，轉(zhuǎn)子所傳出的功率提高，直到在氣體中的這個速度達(dá)到0.64-0.7聲速，如大約400-500m/s。在平均速度更高時，由轉(zhuǎn)子向在反應(yīng)區(qū)內(nèi)所傳遞的功率急劇下降，因為沿葉片高度的平均氣體密度減小。這與下述事實有關(guān)，即在旋渦環(huán)中心的壓力比其外圍的壓力低，而所低的數(shù)值取決于流體的平均速度。
每次通過運轉(zhuǎn)葉片時，反應(yīng)氣體獲得附加的動能，在下一次通過之前的時間內(nèi)該動能又轉(zhuǎn)變成熱能。這種現(xiàn)象部分是由于氣體通過在流動局部過渡通過聲速的地方產(chǎn)生的定常激波，部分是由于旋渦的形成。附加的動能與轉(zhuǎn)子圓周線速度和流體平均速度的乘積成比例。例如，轉(zhuǎn)子的圓周線速度為300-400m/s時，則此動能可約為70-150kJ/kg。在循環(huán)環(huán)路中的停留時間內(nèi)，每個原料質(zhì)點通過轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)葉片平均達(dá)數(shù)十次。
與傳統(tǒng)管狀反應(yīng)器相比，旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器的優(yōu)點在于其包圍反應(yīng)區(qū)的壁不用于傳熱，因此，在不冷卻壁的情況下，其溫度與反應(yīng)氣體的溫度差別很小。當(dāng)裂解同樣的原料時，本發(fā)明反應(yīng)器的壁溫及反應(yīng)區(qū)壓力比傳統(tǒng)管狀反應(yīng)器較低，所以能提高過程的選擇性和所需產(chǎn)物的產(chǎn)率。設(shè)備啟動的時間短并且完全自動操作和控制的可能性又有助于提高所需產(chǎn)物的產(chǎn)率。
用于驟冷裂解氣的裝置(圖6)是“管套管”(tube-in-tube)式熱交換器，該交換器包括外管32和內(nèi)管33、用于輸送裂解氣的入口支管34和出口支管35，用于輸送與管間空間相連的冷卻劑的入口支管36和出口支管37，和包括噴嘴38、進(jìn)口室39和混合室40的噴射器。噴嘴38與入口支管34相連。內(nèi)管33的一端與混合室40相連，另一端通過三通管41與進(jìn)口室39和裂解氣出口支管35相連。驟冷設(shè)備的外表面被隔熱材料42所覆蓋。
通過入口支管34進(jìn)入的熱氣體通過噴嘴38噴射成一股射流，該射流吸取在進(jìn)口室39中的冷氣。所得混合物流過內(nèi)管33時冷卻下來，將其熱量傳遞給在外管32和內(nèi)管33之間的管間空間流過的冷卻流體，該冷卻流體流動的方向是從入口支管36流向出口支管37。一部分冷卻的混合物進(jìn)入進(jìn)口室39，其余的部分則通過出口支管35從設(shè)備中排出去。
從出口支管35出來的冷卻的裂解氣的溫度可以約為350-400℃。在內(nèi)管中的混合物的質(zhì)量流速超過來自反應(yīng)區(qū)的裂解氣的流速的大約2-2.5倍，在混合室40中形成的混合物的溫度可約為620-660℃。
裂解氣驟冷的時間僅取決于從噴嘴38形成的射流與來自混合室40的冷氣相混合的時間，可為幾個毫秒。內(nèi)管33的直徑必須足夠大，以免產(chǎn)生相當(dāng)大的加壓阻力。
在用于驟冷裂解氣的裝置中所用的熱交換器可為不同于“管套管”式的任何其它結(jié)構(gòu)。由于在熱流體和冷流體之間的略微壓差以及低的壓力，所以能使用平板式熱交換器或質(zhì)量和費用都比常用驟冷設(shè)備低的任何其它熱交換器。
商業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可用于新建造的現(xiàn)代化的乙烯制造廠來代替管狀熱解爐。該新方法制得的熱解產(chǎn)物的組成與現(xiàn)有爐設(shè)備使用同樣原料制得的產(chǎn)物的組成差異甚小。因此，使用該方法在實踐上無需對分餾和氣體分離的設(shè)備進(jìn)行改變。
對于該新的設(shè)備，可以使用無需工作流體中間預(yù)熱器和冷卻器的小尺寸燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。在廢氣的溫度為400-500℃時，這種發(fā)動機(jī)的效率通常為26-35％。在廢氣的溫度為570℃時，這種發(fā)動機(jī)最佳樣機(jī)的效率為42％。這樣高溫度的廢氣能有效地將其熱量用于蒸發(fā)和預(yù)熱原料，用于制備水蒸汽稀釋劑，也可用于產(chǎn)生足夠量的過熱水蒸汽來驅(qū)動氣體分離設(shè)備的壓縮機(jī)。作為燃料，可以使用天然氣或在氣體分離設(shè)備從裂解氣中分離出來的甲烷-氫餾分。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲不會超過傳統(tǒng)裂解爐中發(fā)聲氣體燃燒室產(chǎn)生的噪聲。為了從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中排出廢氣，可以使用與管狀爐中常用的相類似的煙囪。對于每年烴料使用量約為80,000噸的熱解廠，需要功率約為8-12兆瓦的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)能被連續(xù)地制造并能在連續(xù)負(fù)載的條件下作為主干輸氣管道泵氣站的鼓氣機(jī)進(jìn)行長期操作。這種發(fā)動機(jī)的長期壽命可達(dá)100,000小時。
在設(shè)計這種新的熱解設(shè)備時，可以使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)制造廠家所用的材料、操作經(jīng)驗和技術(shù)。若在同一個工廠中制造反應(yīng)器和其燃?xì)鉁u輪驅(qū)動機(jī)器，則可以在完全準(zhǔn)備好的緊密聚集體形式的共同框架中配置這種熱解設(shè)備。
權(quán)利要求
1．一種通過烴的熱解制造低分子量烯烴的方法，它包括預(yù)熱并蒸發(fā)起始原料，將其與水蒸汽稀釋劑混合，在旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器中通過在其中旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的流體動力學(xué)阻力而在混合物內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將所得的混合物加熱到熱解溫度，驟冷裂解氣，隨后將其分離，其中與熱解反應(yīng)所進(jìn)行的時間相比，混合物所述的與在葉片旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器的操作空腔內(nèi)循環(huán)的熱的熱解氣混合而被加熱到熱解溫度的時間是可以忽略不計的。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中原料和水蒸汽稀釋劑的所述預(yù)熱分兩步進(jìn)行，在第二步中，預(yù)熱是在熱交換器中利用來自旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器的裂解氣中所含的熱量進(jìn)行的。
3．一種用于熱解烴的反應(yīng)器，它包括一個裝有一些固定導(dǎo)向葉片的護(hù)罩，通入原料的入口，輸出裂解氣的出口和帶有葉片冠的工作輪，其中所述護(hù)罩具有用于循環(huán)熱的熱解氣的環(huán)形空腔，在其中安置著固定導(dǎo)向葉片，并且此環(huán)形空腔包圍著工作輪葉片冠的外圍，所述用于通入原料的入口和用于輸出裂解氣的出口與所述空腔相通。
4．如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中護(hù)罩由殼體和與其緊固在一起的耐熱表層組成，殼體的內(nèi)部被隔熱材料所覆蓋。
5．一種用于驟冷裂解氣的裝置，它是一個具有被一層壁分隔開的冷卻和加熱流體空間的熱交換器，所述裝置具有三通管和含噴嘴、進(jìn)口室和混合室的噴射器，噴射器的混合室和三通管一個接頭與冷卻流體所在的空間相通，而噴射器的進(jìn)口室與三通管的另一個接頭相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過烴的熱解制造低分子量烯烴的方法,所述方法包括下述步驟:加熱井蒸發(fā)起始原料;將其與一種氣態(tài)稀釋劑混合;在葉片反應(yīng)器中使用在其中旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的流體動力學(xué)制動作用而在混合物內(nèi)部產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱解;將裂解產(chǎn)物冷卻下來,隨后將其分離。與熱解反應(yīng)所進(jìn)行的時間相比,混合物與在葉片反應(yīng)器的操作室內(nèi)循環(huán)的熱的熱解氣混合而被加熱到熱解溫度的時間是可以忽略不計的。這種方法提高了低分子量烯烴的產(chǎn)率。
文檔編號C10G9/00GK1298439SQ99805596
公開日2001年6月6日 申請日期1999年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月27日
發(fā)明者V·A·布舒耶夫 申請人:庫爾布魯克有限公司