УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДА КРЕКИНГ-ГАЗА ИЗ ЗМЕЕВИКА КРЕКИНГ-ПЕЧИ Российский патент 2001 года по МПК C10G9/20 F28F9/00 

Изобретение относится к теплообменнику для быстрого охлаждения потока газов, отходящих из печи для крекинга углеводородов, и более конкретно к устройству для подвода крекинг-газа из змеевика крекинг-печи, а точнее, в частности, относится к переходному соединительному устройству, соединяющему между собой трубы крекинг-печи и трубы теплообменника для быстрого охлаждения или теплообменника трубопровода.

При получении легких олефинов (этилена, пропилена, бутадиена и бутиленов) и соответствующих ароматических соединений (бензола, толуола, этилбензола, ксилолов и стиролов) термическим крекингом углеводородного сырья в присутствии водяного пара реакции крекинга прекращают быстрым охлаждением потока отходящих из крекинг-печи газов. Быстрое охлаждение, продолжительность которого измеряется в миллисекундах, позволяет мгновенно "заморозить" на выходе из печи состав образующихся в ней в процессе крекинга газов и исключить тем самым возможное снижение выхода олефинов из-за продолжающихся вторичных реакций. В настоящее время известны различные теплообменники для быстрого охлаждения, конструкция которых зависит от количества охлаждаемого крекинг-газа, от склонности теплообменника к загрязнению отходящими из крекинг-печи газами (закоксованию) и от давления/температуры образующегося в печи водяного пара. Конструкции таких известных теплообменников охватывают широкий спектр от обычных кожухотрубных теплообменников до теплообменников с трубами с двойной стенкой или теплообменников типа "труба в трубе".

Известно, что при заданных условиях работы выход олефинов, получаемых в крекинг-печи, можно довести до максимального уровня, а степень загрязнения теплообменника для быстрого охлаждения можно свести к минимуму за счет максимально быстрого снижения температуры отходящего из крекинг-печи газа. Для этого теплообменник для быстрого охлаждения должен быть расположен максимально близко от выхода крекинг-печи, объем его входной секции должен быть минимальным, а отношение поверхности охлаждения к объему секции охлаждения должно быть максимальным. Последнему требованию в большей степени удовлетворяют теплообменники не с одной охлаждающей трубой большого диаметра, а теплообменники с большим количеством относительно небольших по размерам охлаждающих труб.

В одном из существующих в настоящее время теплообменников для быстрого охлаждения, известном как теплообменник трубопровода фирмы SHG (Schmidt'sche Heissdampf-Gesselschaft mbH), используется большое количество параллельных труб с двойной стенкой (труба в трубе), состоящих из внутренней трубы, в которой происходит быстрое охлаждение газа, и окружающей ее концентричной наружной трубы, через которую проходит смесь воды и водяного пара. В кольцевые каналы между внутренними и наружными трубами из горизонтально расположенных овальных коллекторов подается котловая вода. Такой теплообменник описан, в частности, в DE 2551195. Теплообменник с трубами с двойной стенкой и овальным коллектором для внешних труб описан также в патенте US 4457364. В этом патенте предлагается расположенный между теплообменником для быстрого охлаждения и печью распределитель с входным отверстием, через которое в него из печи поступает охлаждаемый газ, и разделяющимся на две или три расширяющиеся части каналом, образующим зону перехода между печью и теплообменником. Как отмечено в этом патенте, такой расположенный между печью и теплообменником распределитель, в котором еще не происходит никакого охлаждения отходящего из печи газа, может оказать существенное влияние на процесс прекращения продолжающейся в потоке газа реакции и на нежелательное отложение кокса на стенках труб теплообменника. В предложенном в патенте US 4457364 распределителе или соединительном переходнике скорость газа остается по существу постоянной, поскольку канал, по которому проходит поток газа, имеет одинаковую по всей длине площадь поперечного сечения. В описанном в этом патенте распределителе канал, по которому проходит газ, можно выполнить расширяющимся в направлении точки, в которой отношение суммы площадей поперечных сечений его разветвлений к площади поперечного сечения канала на входе в распределитель составляет 2:1.

В предложенной в патенте US 5464057 конструкции канал для прохода газа во входной секции или соединительном переходнике теплообменника для быстрого охлаждения, расположенном между входными отверстиями его теплообменных труб и выходным отверстием печи, разделяется на большое количество ответвлений и выполнен таким образом, чтобы продолжительность прохождения газа через такой соединительный переходник была минимальной. Для равномерного распределения потока газа, попадающего в большое количество расположенных в линии теплообменных труб, каналы для прохода газа в переходнике, соединяющем теплообменник с печью, выполнены таким образом, что скорость выходящего из печи и протекающего через них газа сначала снижается, а затем на входе в охлаждающие трубы теплообменника увеличивается. Выполненный в соединительном переходнике канал для прохода газа вначале имеет конически расширяющийся (диффузорный) участок, в котором скорость газа уменьшается, а затем он переходит в разделяющийся на отдельные каналы конически сужающийся (конфузорный) участок, в котором скорость газа, попадающего в трубы теплообменника для быстрого охлаждения, увеличивается. Поперечное сечение переходных каналов в направлении течения потока газа изменяется плавно и постепенно (с точки зрения аэродинамики), и поэтому динамическое давление газа в таких каналах полностью восстанавливается, мертвые зоны, т.е. зоны, в которых происходит отрыв потока, отсутствуют, а потери давления минимальны. Недостатком такого соединительного переходника при всей его высокой эффективности является возможность его применения только в тех конструкциях теплообменников для быстрого охлаждения, в которых теплообменные трубы расположены в линию.

Задачей изобретение является создание устройства для подвода крекинг-газов из змеевика крекинг-печи, свободного от указанных недостатков, присущих подобным известным конструкциям.

Эта задача решается с помощью предложенного устройства для подвода крекинг-газов из змеевика крекинг-печи в расположенные по окружности на некотором расстоянии друг от друга теплообменные трубы теплообменника для быстрого охлаждения, состоящего в основном из круглой наружной детали с каналом для прохода газа, включающим входной канал и выходной канал, для подачи газа из выходного канала в теплообменные трубы теплообменника, причем этот выходной канал выполнен по форме таким образом, что площадь его поперечного сечения в направлении течения газа уменьшается с образованием на выходе из устройства сужающего участка. Согласно изобретению, оно дополнительно содержит круглую внутреннюю деталь, которая опирается на наружную деталь и образует вместе с ней расположенный между ними канал для прохода газа, а часть наружной детали выполнена по форме таким образом, что она образует концентричный вытянутый в продольном направлении расширяющийся конический входной канал, сообщающийся с каналом, расположенным между внутренней и наружной деталями, в котором этот канал между внутренней и наружной деталями состоит из: а) кольцевого диффузорного канала, сообщающегося с расширяющимся входным каналом по его внешнему периметру и идущего от него наружу в радиальном направлении с увеличением площади поперечного сечения в этом радиальном направлении, и б) кольцевого вытянутого в продольном направлении выходного канала, который сообщается с кольцевым диффузорным каналом по его внешнему в радиальном направлении периметру.

Предпочтительно внутреннюю и наружную детали изготовить из твердого керамического материала либо эти детали выполнять в виде отливок из металла.

Следует отметить также, что в теплообменнике для быстрого охлаждения с таким устройством можно использовать большое количество расположенных по окружности теплообменных труб с двойной стенкой и овальный коллектор для наружных труб. В этом устройстве имеется конический диффузорный канал, в котором происходит уменьшение скорости выходящих из печи газов и который переходит затем в радиальный диффузор, направляющий газы наружу от центральной оси переходника. Конструкция устройства обеспечивает плавное повышение скорости газов при попадании из него в расположенные по окружности охлаждающие трубы и протекание по ним с необходимой для эффективной работы теплообменника скоростью.

Ниже изобретение подробно поясняется описанием примера выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - вид сбоку и частично в разрезе теплообменника для быстрого охлаждения с устройством согласно изобретению,
на фиг. 2 - поперечное сечение теплообменника плоскостью 2-2 по фиг. 1,
на фиг. 3 - общий вид узла соединения труб с овальным коллектором и проходящей через коллектор насквозь одной трубой,
на фиг. 4 - поперечный разрез внешней детали устройства согласно изобретению,
на фиг. 5 - поперечное сечение внутренней детали устройства согласно изобретению,
на фиг. 6 - вид сверху внутренней детали устройства по изобретению, если смотреть на нее из показанной на фиг. 5 плоскости 6-6, и
на фиг. 7 - вертикальный разрез по показанной на фиг. 5 плоскости 7-7 участка одной из деталей устройства согласно изобретению.

Показанный на фиг. 1 теплообменник 10 для быстрого охлаждения имеет большое количество трубчатых с двойной стенкой теплообменных элементов 12, каждый из которых состоит из внутренней трубы 14, внутри которой проходит отходящий из крекинг-печи газ, и окружающей ее наружной трубы 16. В кольцевом канале между двумя трубами проходит охлаждающая газ смесь воды и водяного пара. Нижние концы труб 14 и 16 соединены с овальным коллектором 18 и с таким же овальным коллектором соединены верхние концы труб.

Конструкция соединения труб с овальными коллекторами показана на фиг. 3. Внутренние трубы 14 проходят насквозь через коллектор, а наружные трубы 16 заканчиваются у стенки коллектора и сообщаются с его внутренней полостью. Охлаждающая вода, которая подается в нижний коллектор 18 по показанным на фиг. 1 радиальным охлаждающим трубам 22 из подводящего коллектора 20, попадает в кольцевое пространство между трубами и поднимается вверх в верхний коллектор. Охлаждающая вода, которая попадает в верхний коллектор в виде нагретой смеси воды и водяного пара, отводится из верхнего коллектора в охлаждающий выходной коллектор 24. Охлажденный газ, который проходит через внутренние трубы 14, собирается в верхней выходной полости 26, из которой он выводится через выходной патрубок 28.

Настоящее изобретение иллюстрируется на примере показанного на фиг. 2 теплообменника с теплообменными трубами. На этом чертеже изображен овальный коллектор 18, с которым соединяются трубчатые двустенные теплообменные элементы 12. Между коллектором 20 и коллектором 18 расположено большое количество соединяющих их труб 22 для подвода воды. Труба, по которой к коллектору 20 подается охлаждающая вода, обозначена на чертеже позицией 21.

Теплообменник для быстрого охлаждения по настоящему изобретению может быть успешно использован в крекинг-печах (на чертежах не показаны) с относительно небольшим количеством имеющих высокую эффективность змеевиков, в которых происходит крекинг углеводородного сырья. Такая печь может иметь, например, шесть змеевиков, каждый из которых имеет высоту 12 метров (40 футов) и состоит из большого количества подводящих труб, которые переходят в одну выходную трубу с внутренним диаметром 16,5 см (6,5 дюйма). Газы, отходящие из каждого такого змеевика, можно быстро охлаждать в одном теплообменнике для быстрого охлаждения с устройством по настоящему изобретению. Такой теплообменник обычно имеет как минимум 16 охлаждающих труб.

Расположенный в нижней части теплообменника соединительный переходник 30 имеет наружный корпус 32, который выдерживает создающееся внутри него избыточное давление. На внешнем крае корпуса 32 расположен фланец 34, который соединяется с фланцем 36. Внутри корпуса 32 расположены основные детали устройства по изобретению, посредством которых отходящие из печи газы направляются в расположенные по окружности трубы 14 и которые образуют диффузорные участки канала, в которых скорость газа сначала снижается, а затем увеличивается.

Внутри корпуса расположены две детали 38 и 40, которые вместе формируют канал для прохода газа. Подробно эти детали показаны на фиг. 4 и 5. В нижней части внешней детали 38 расположен выполненный в виде конуса расширяющийся наружу диффузорный участок 42, в котором за счет постепенного увеличения площади поперечного сечения происходит уменьшение скорости поднимающихся вверх газов. Верхняя часть 44 детали 38 вместе с деталью 40 образует канал для прохода газов, который состоит из радиального диффузора и сужающегося участка (конфузора), в котором происходит возрастание скорости газов. Как показано на фиг. 1, деталь 40 устанавливается сверху на деталь 38 и входит внутрь нее, образуя вместе с ней канал для прохода газов. Детали 38 и 40 предпочтительно изготовить из твердой керамики, например из обожженного оксида алюминия, хотя в принципе их можно изготовить и из других материалов, например из высоколегированного сплава.

На внешнем крае детали 40 расположено круглое кольцо 46. В этом кольце 46, как показано на фиг. 6, где деталь 40 изображена в виде сверху, имеется большое количество сквозных отверстий 48, по одному на каждую теплообменную трубу 14. Отверстия 48 выполнены таким образом, что их оси совпадают с осями труб 14. В собранном виде нижняя наружная поверхность 50 кольца 46 опирается на верхнюю поверхность 52 детали 38. Прилегающие друг к другу поверхности разделены мягкой прокладкой, компенсирующей тепловые деформации деталей. В отличие от этого на стыке между соединительным переходником и трубами 14 прокладка не предусмотрена.

Пространство между двумя расположенными внутри корпуса 32 деталями 38 и 40 и стенкой корпуса заполнено, как показано на фиг. 1, залитым в него теплоизолирующим тугоплавким материалом 54.

В показанном на фиг. 1 собранном соединительном переходнике канал для прохода газа состоит из расширяющегося конического диффузорного участка 56, переходящего в радиальный диффузорный участок 57, в котором происходит дальнейшее увеличение площади поперечного сечения канала. Увеличение площади поперечного сечения радиального участка канала обусловлено не увеличением его высоты, которая не только не увеличивается, но даже несколько уменьшается, а постепенным увеличением длины окружности по мере удаления от центральной оси. За диффузорными участками 56 и 57 расположен сужающийся или конфузорный участок 58 канала. Результирующим эффектом такой конструкции является плавное или постепенное уменьшение площади поперечного сечения канала. Плавное изменение площади поперечного сечения канала исключает возникновение в канале завихрений и образование кокса. При этом сначала в коническом и радиальном диффузорах 56 и 57 происходит уменьшение скорости газа, а затем в сужающемся кольцевом участке 58 скорость газа снова увеличивается до скорости протекания газа через теплообменные трубы, в которых происходит его быстрое охлаждение. Постепенное увеличение скорости газа после диффузорного участка исключает разделение потока и сводит к минимуму вероятность образования кокса в мертвых зонах, при этом одновременно происходит равномерное распределение всего потока газа по отдельным теплообменным трубам, в которых он быстро охлаждается. В качестве примера можно привести следующие данные: внутренний диаметр подводящей трубы равен 16,5 см (6,5 дюйма), внутренний диаметр выходного сечения диффузора равен 22,0 см (8,7 дюйма), что соответствует соотношению площадей живого сечения 1,78. В радиальном диффузоре площадь поперечного сечения канала еще больше увеличивается, и на выходе из радиального диффузора отношение площади поперечного сечения канала к площади поперечного сечения канала выходного отверстия конического диффузора составляет 4,9. После этого поперечное сечение канала уменьшается и скорость газа, поднимающегося вверх к теплообменным трубам, возрастает.

Обычно теплообменник имеет 18 труб с внутренним диаметром 4,8 см (1,9 дюйма), суммарная площадь поперечного сечения которых составляет 32 % от площади поперечного сечения канала на выходе из радиального диффузора.

Увеличение скорости газа не сопровождается образованием мертвых зон и позволяет свести к минимуму отложение кокса на входе в каждую теплообменную трубу. При этом возможное образование налета кокса внутри теплообменных труб не оказывает заметного влияния на равномерность распределения потока газа по трубам. Такой эффект является существенным преимуществом предлагаемой конструкции и обусловлен наличием в ней на входе в теплообменник расширяющегося/сужающегося переходного канала, более эффективного с точки зрения аэродинамики, чем обычный входной канал теплообменника трубопровода. Наличие на входе в теплообменник предлагаемого в настоящем изобретении расширяющегося/сужающегося канала существенно снижает время, в течение которого выходящий из печи газ проходит расстояние от выхода печи до входа в теплообменные трубы, способствует более равномерному распределению потока газа по трубам, снижает склонность теплообменника к закоксованию и значительно повышает выход конечных продуктов и увеличивает производительность установки.

Изобретение относится к переходному соединительному устройству, соединяющему между собой трубы крекинг-печи и трубы теплообменника для быстрого охлаждения или теплообменника трубопровода. Устройство для подвода крекинг-газов из змеевика крекинг-печи в расположенные по окружности на некотором расстоянии друг от друга теплообменные трубы теплообменника для быстрого охлаждения состоит в основном из круглой наружной детали с каналом для прохода газа, включающим входной канал и выходной канал, для подачи газа из выходного канала в теплообменные трубы теплообменника, причем этот выходной канал выполнен по форме таким образом, что площадь его поперечного сечения в направлении течения газа уменьшается с образованием на выходе из устройства сужающего участка. При этом оно дополнительно содержит круглую внутреннюю деталь, которая опирается на наружную деталь и образует вместе с ней расположенный между ними канал для прохода газа, а часть наружной детали выполнена по форме таким образом, что она образует концентричный вытянутый в продольном направлении расширяющийся конический входной канал, сообщающийся с каналом, расположенным между внутренней и наружной деталями, в котором этот канал между внутренней и наружной деталями состоит из: а) кольцевого диффузорного канала, сообщающегося с расширяющимся входным каналом по его внешнему периметру и идущего от него наружу в радиальном направлении с увеличением площади поперечного сечения в этом радиальном направлении, и б) кольцевого вытянутого в продольном направлении выходного канала, который сообщается с кольцевым диффузорным каналом по его внешнему в радиальном направлении периметру. Использование данного изобретения позволяет увеличить производительность установки. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для подвода крекинг-газов из змеевика крекинг-печи в расположенные по окружности на некотором расстоянии друг от друга теплообменные трубы теплообменника для быстрого охлаждения, состоящее в основном из круглой наружной детали с каналом для прохода газа, включающим входной канал и выходной канал, для подачи газа из выходного канала в теплообменные трубы теплообменника, причем этот выходной канал выполнен по форме таким образом, что площадь его поперечного сечения в направлении течения газа уменьшается с образованием на выходе из устройства сужающего участка, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит круглую внутреннюю деталь, которая опирается на наружную деталь и образует вместе с ней расположенный между ними канал для прохода газа, а часть наружной детали выполнена по форме таким образом, что она образует концентричный вытянутый в продольном направлении расширяющийся конический входной канал, сообщающийся с каналом, расположенным между внутренней и наружной деталями, в котором этот канал между внутренней и наружной деталями состоит из: а) кольцевого диффузорного канала, сообщающегося с расширяющимся входным каналом по его внешнему периметру и идущего от него наружу в радиальном направлении с увеличением площади поперечного сечения в этом радиальном направлении, и б) кольцевого вытянутого в продольном направлении выходного канала, который сообщается с кольцевым диффузорным каналом по его внешнему в радиальном направлении периметру. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя и наружная детали изготовлены из твердого керамического материала. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная и внутренняя детали выполнены в виде отливок из металла.