СПОСОБ И РЕАКТОР ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2021 года по МПК B01J19/00 B01J19/24 C07C2/58 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к способам превращения, предназначенным для превращения широкого спектра углеводородов в целях производства более ценных продуктов, и конструкциям реакторов для такого превращения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В компании BASF разработали одноступенчатый способ пиролизного сгорания для производства ацетилена, который описывается в патенте США №5,789,644. Данный технологический процесс был введен в коммерческое использование в масштабе 50 тыс.тонн/год при использовании множества реакторов в Германии и США. В данном технологическом процессе функцию подаваемого углеводородного сырья исполняет природный газ, а функцию окислителя исполняет чистый кислород, что обеспечивает выработку тепла, которое представляет собой критический фактор при производстве ацетилена. Два потока предварительно смешивают в диффузоре, а предварительно смешанный газ, обогащенный по топливу, сжигают с использованием блока горелок в результате неполного окисления. Основной недостаток такой конструкции заключается в рисках обратного проскакивания внутрь горелки пламени от предварительной смеси при различных исходном сырье и рабочих условиях, а также во множестве используемых горелок, что увеличивает совокупную стоимость эксплуатации, затруднениях в управлении нагреванием и низком выходе по углероду в отношении олефинового продукта. Кроме того, несмотря на использование ацетилена в качестве структурного элемента для химических реагентов, в последние шесть-семь десятилетий структурными элементами в химических отраслях промышленности стали олефины, и имеется желание непосредственно производить олефины вместо применения непрямого маршрута гидрирования с использованием ацетилена.

[0003] Обыкновенные установки парового крекинга представляют собой одни из лучших промышленных реакторов для разрушения длинноцепочечных углеводородов и модифицирования меньших алканов (то есть, лигроина, бутана, этана) в целях получения уменьшенных молекул и олефинов, таких как этилен и пропилен. В таких установках крекинга в печь совместно с водяным паром подают тяжелые газы, такие как лигроин, сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан и этан, которые превращают в меньшие олефины. В данный технологический процесс добавляют водяной пар для увеличения селективности по олефинам при разумной степени превращения. В типичном случае данный технологический процесс функционирует при высоких температурах (то есть, в диапазоне от 750°С до 900°С) и характеризуется временами пребывания в диапазоне приблизительно от 100 до 500 миллисекунд. Данный технологический процесс на протяжении последних пяти десятилетий был оптимизирован, но все еще имеются значительные недостатки. Они включают тепловые потери и сложность, связанные с раздельными экзотермическими (сгорание в печи) и эндотермическими (крекинг в технологических трубах) стадиями. Присутствие инертных соединений при сгорании и в технологической части также оказывает неблагоприятное воздействие на общую эффективность. Металлургические ограничения для реакторов также ограничивают температуры, которые могут быть использованы. В идеальном случае более высокие температуры при более коротких временах контакта в результате приводят к получению лучших селективности и степени превращения в меньшие олефины. В данных обыкновенных технологических процессах также возникает и закупоривание в результате коксообразования, что может увеличивать капитальные вложения и эксплуатационные расходы, и это также препятствует крекингу определенных более тяжелых подаваемых материалов. Также имеет место отсутствие гибкости по исходному сырью, поскольку коммерческие установки крекинга в типичном случае оптимизируют только для определенного типа исходного сырья. В типичном случае данные установки крекинга также функционируют при технологических давлениях, составляющих менее, чем 200 кПа, и это увеличивает капитальные вложения в операции, проводимые ниже по ходу технологического потока.

[0004] Предложенное изобретение обращается ко множеству несовершенств данных обыкновенных реакторов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Реакторная система для превращения углеводородов включает реакторную емкость, имеющую стенку реактора, которая определяет реакционную камеру. Реакторная система включает сборный узел впуска реактора, который имеет сходящийся канал, включающий окружную стенку, которая охватывает центральную продольную ось и простирается от противоположных концов сходящегося канала, расположенных выше по потоку и ниже по потоку. Окружная стенка сужается по ширине от концов, расположенных ниже по потоку и выше по потоку, к кольцеобразной стесненной утонченной части, расположенной между концами сходящегося канала, расположенными ниже по потоку и выше по потоку. Конец сходящегося канала, расположенный ниже по потоку, находится в сообщении через текучую среду с реакционной камерой реактора. Конец сходящегося канала, расположенный выше по потоку, формирует впуск сборного узла впуска реактора.

[0006] Сборный узел подаваемого материала реакторной системы находится в сообщении через текучую среду со впуском сборного узла впуска реактора, при этом центральная ось проходит через сборный узел подаваемого материала. Сборный узел подаваемого материала включает расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, простирающуюся по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца сборного узла впуска реактора и соединяющуюся с данным концом, при этом расположенная ниже по потоку стенка сборного узла подаваемого материала ориентирована перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. Расположенная выше по потоку стенка сборного узла подаваемого материала аксиально дистанцирована по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки сборного узла подаваемого материала вдоль центральной оси и простирается перпендикулярно или по существу перпендикулярно поперек центральной оси. Каждая из стенок, выбираемых из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа, аксиально дистанцирована между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала и аксиально дистанцирована одна от другой. Расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа или их окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. По меньшей мере, одна стенка, выбираемая из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа, завершается в позиции по потоку выше сходящегося канала, что определяет центральное отверстие, которое охватывает центральную ось сходящегося канала. Между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной выше по потоку разделительной стенкой определяется расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска. Между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска.

[0007] Кольцеобразные пространства тока впуска стимулируют перпендикулярное протекание введенных подаваемых материалов к центральной оси сходящегося канала в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока вокруг центральной оси сходящегося канала.

[0008] Область, простирающаяся от центрального отверстия, по меньшей мере, одной стенки, выбираемой из расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительных стенок, до впуска сборного узла впуска реактора, определяет центральную камеру сборного узла подаваемого материала, при этом нагретые газы сгорания из, по меньшей мере, одного из пространств тока впуска выводят в центральную камеру. При этом подаваемый материал углеводорода и нагретые газы сгорания проходят в виде завихряющихся газов через сходящийся канал в реакционную камеру.

[0009] В конкретных вариантах осуществления, по меньшей мере, одно из кольцеобразных пространств тока впуска снабжают дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения завихряющегося тока текучей среды в пределах упомянутого, по меньшей мере, одного из пространств тока впуска. Направляющие пластины могут быть перемещаемыми до выбранных позиций и углов наклона для получения выбранных соотношений между азимутальной и радиальной скоростями для текучих сред, протекающих в пределах кольцеобразных пространств тока впуска. В некоторых вариантах осуществления направляющие пластины сконфигурированы в виде неплоскостных аэродинамических профилей.

[0010] В определенных случаях стенка реактора является цилиндрической. Окружная стенка сходящегося канала от расположенного ниже по потоку конца до кольцеобразной стесненной утонченной части и необязательно расположенной выше по потоку части стенки реактора реакционной камеры, которая соединяется с окружной стенкой сходящегося канала, может быть сконфигурирована в виде гладкой непрерывной стенки, которая согласуется с линиями контура формы эллипсоидного купола или сферического купола. Внутренняя сторона стенки реактора может быть образована из жаропрочного материала.

[0011] В некоторых вариантах осуществления расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа имеет протяженную часть, которая дистанцирована от контуров окружной стенки сходящегося канала сборного узла впуска реактора и согласуется с данными контурами и завершается в позиции по потоку ниже кольцеобразной стесненной утонченной части таким образом, чтобы расположенное ниже по потоку пространство тока впуска определяло бы то, что выводят в область, расположенную по потоку ниже стесненной утонченной части.

[0012] В некоторых областях применения промежуточное кольцеобразное пространство тока впуска газа разделяется промежуточной разделительной стенкой для газа, имеющей центральное отверстие, которая охватывает центральную ось сходящегося канала и разделяет промежуточное пространство тока впуска на расположенное выше по потоку и расположенное ниже по потоку промежуточные кольцеобразные пространства тока впуска, которые составляют пространства тока впуска для введения подаваемого материала топливного газа и подаваемого материала окислителя. В других вариантах расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска газа и промежуточное пространство тока впуска составляют пространства тока впуска для введения подаваемого материала топливного газа и подаваемого материала окислителя.

[0013] В определенных вариантах осуществления сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа находится в сообщении через текучую среду с, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора. Сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа включает пару аксиально дистанцированных стенок сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа, ориентированных перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. Между стенками сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа определяется кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа, которое сообщается с упомянутым, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из реакционной камеры и сборным узлом впуска реактора. Кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа может быть снабжено дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения завихряющегося тока текучей среды в пределах пространства тока впуска охлаждающего газа.

[0014] В способе крекинга углеводородов для получения углеводородных продуктов, подвергнутых крекингу, в реакторную систему вводят подаваемый материал углеводорода, содержащий углеводороды, подвергаемые крекингу. Реакторная система включает реакторную емкость, имеющую стенку реактора, которая определяет реакционную камеру. Сборный узел впуска реактора имеет сходящийся канал, включающий окружную стенку, которая охватывает центральную продольную ось и простирается от противоположных расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку концов сходящегося канала. Окружная стенка сужается по ширине от расположенного ниже по потоку и расположенного выше по потоку концов до кольцеобразной стесненной утонченной части, расположенной между расположенным ниже по потоку и расположенным выше по потоку концами сходящегося канала. Расположенный ниже по потоку конец сходящегося канала находится в сообщении через текучую среду с реакционной камерой реактора. Расположенный выше по потоку конец сходящегося канала формирует впуск сборного узла впуска реактора.

[0015] Реакторная система, использованная в способе, включает, кроме того, сборный узел подаваемого материала, находящийся в сообщении через текучую среду с впуском сборного узла впуска реактора, при этом центральная ось проходит через сборный узел подаваемого материала. Сборный узел подаваемого материала включает расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая простирается по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца сборного узла впуска реактора и соединяется с данным концом. Расположенная ниже по потоку стенка сборного узла подаваемого материала ориентирована перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. Сборный узел подаваемого материала также включает расположенную выше по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая аксиально дистанцирована по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки сборного узла подаваемого материала вдоль центрального оси и простирается перпендикулярно или по существу перпендикулярно поперек центральной оси. Каждая из стенок, выбираемых из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа, аксиально дистанцирована между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала и аксиально дистанцирована одна от другой. Расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа или их окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. По меньшей мере, одна стенка, выбираемая из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа, завершается в позиции, расположенной по потоку выше сходящегося канала, что определяет центральное отверстие, которое охватывает центральную ось сходящегося канала. Между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной выше по потоку разделительной стенкой определяется расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска. Между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска. Между расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется промежуточное пространство тока впуска.

[0016] Кольцеобразные пространства тока впуска стимулируют перпендикулярное или по существу перпендикулярное протекание введенных подаваемых материалов по направлению к центральной оси сходящегося канала в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока вокруг центральной оси сходящегося канала. Область, простирающаяся от центрального отверстия, по меньшей мере, одной стенки, выбираемой из расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительных стенок, к впуску сборного узла впуска реактора, определяет центральную камеру сборного узла подаваемого материала.

[0017] В данном способе подаваемый материал для крекинга в виде подаваемого материала углеводорода, подвергаемого крекингу, вводят в первое пространство тока впуска, а подаваемый материал топливного газа и подаваемый материал окислителя вводят в соседние второе и третье пространства тока впуска таким образом, чтобы подаваемые материалы проходили бы через упомянутые пространства тока перпендикулярно или по существу перпендикулярно по направлению к центральной оси сходящегося канала в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока при протекании вокруг центральной оси сходящегося канала. Порядок подаваемого материала топлива и подаваемого материала окислителя в некоторых областях применения может быть изменен. Подаваемый материал топливного газа и подаваемый материал окислителя сгорают в центральной камере с образованием нагретых газов сгорания. Горячие газы сгорания и подаваемый материал для крекинга выводят в центральную камеру и/или реакционную камеру таким образом, чтобы нагретые газы сгорания и подаваемый материал для крекинга смешивались бы один с другим и образовывали бы завихряющуюся нагретую газовую смесь.

[0018] Нагретой газовой смеси дают возможность вступить в реакцию в пределах реакционной камеры реакторной емкости в условиях проведения реакции, подходящих для использования при крекинге углеводорода, при превращении, по меньшей мере, части подаваемого материала для крекинга в виде газовой смеси в углеводородные продукты, подвергнутые крекингу. Углеводородный продукт, подвергнутый крекингу, удаляют из реакционной камеры реакторной емкости.

[0019] В конкретных вариантах осуществления подаваемый материал топливного газа, который может содержать водородсодержащий газ из, по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из водородного газа (Н₂) и метана (СН₄), вводят в одно пространство, выбираемое из первого и второго кольцеобразных пространств тока впуска топливного газа. Подаваемый материал окислителя, который содержит кислородсодержащий газ, вводят в другое пространство, выбираемое из первого и второго кольцеобразных пространств тока впуска топливного газа.

[0020] Водородсодержащий газ может быть введен в сборный узел подаваемого материала для получения избытка водорода, который с кратностью в диапазоне от 1 до 5 раз превышает соответствующее количество, требуемое для крекинга подаваемого материала углеводорода.

[0021] Подаваемый материал для крекинга может включать, по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из этана, сжиженного нефтяного газа, бутана, лигроина, природного газа, легких газойлей и тяжелых газойлей, при этом подаваемый материал для крекинга необязательно предварительно смешивают с водяным паром.

[0022] От удаленного углеводородного продукта, подвергнутого крекингу, может быть отделен и отправлен на рециркуляцию в сборный узел подаваемого материала, по меньшей мере, один представитель, выбираемый из водородного газа (Н₂), метана и оксидов углерода или их комбинаций.

[0023] Соотношение между азимутальной и радиальной скоростями для каждого представителя, выбираемого из подаваемых материалов и потока подаваемого материала кислородного газа, в пределах кольцеобразных пространств тока может находиться в диапазоне от 0 до ∞, говоря более конкретно, от 0 до 30.

[0024] Каждый из подаваемых материалов может быть в каждом случае введен в соответствующие кольцеобразные пространства тока в одном и том же направлении вращения. В определенных областях применения, по меньшей мере, одно из кольцеобразных пространств тока впуска снабжают дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения закручивающегося по спирали тока текучей среды в пределах упомянутого, по меньшей мере, одного из пространств тока впуска. Направляющие пластины могут быть перемещаемыми до выбранных позиций и углов наклона для получения выбранных соотношений между азимутальной и радиальной скоростями для токов текучих сред в пределах упомянутого, по меньшей мере, одного из пространств тока впуска.

[0025] В некоторых вариантах осуществления стенка реактора является цилиндрической. Окружная стенка сходящегося канала от расположенного ниже по потоку конца до кольцеобразной стесненной утонченной части и необязательно расположенной выше по потоку части стенки реактора реакционной камеры, которая соединяется с окружной стенкой сходящегося канала, может быть сконфигурирована в виде гладкой непрерывной стенки, которая согласуется с линиями контура формы эллипсоидного купола или сферического купола. Внутренняя сторона стенки реактора может быть из жаропрочного материала.

[0026] В определенных случаях время пребывания газовой смеси в пределах реакторной системы составляет 50 миллисекунд и менее. Условия проведения реакции могут включать температуру в диапазоне от 900°С до 1300°С и давление в диапазоне от 0 кПа (изб.) до 10000 кПа (изб.) на выпуске реактора.

[0027] В определенных вариантах осуществления способа реакторная система, кроме того, включает сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа, находящийся в сообщении через текучую среду с, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора. Сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа включает пару аксиально дистанцированных стенок сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа, ориентированных перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси. Между стенками сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа определяется кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа, которое сообщается с упомянутым, по меньшей мере, одним представителем, выбираемым из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора, где вводят охлаждающие газы из сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0028] Для более полного понимания вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, и их преимуществ теперь следует обратиться к следующим далее описаниям изобретения, взятым в связи с прилагающимися чертежами, в числе которых:

[0029] ФИГУРА 1 представляет собой технологическую блок-схему системы крекинга для крекинга углеводородов в целях получения углеводородных продуктов, подвергнутых крекингу, в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения;

[0030] ФИГУРА 2 представляет собой схематическое изображение реакторной системы для крекинга, продемонстрированной в поперечном разрезе и сконструированной в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения;

[0031] ФИГУРА 3 представляет собой изображение вида в перспективе нижней или расположенной выше по потоку части реакторной системы с ФИГУРЫ 2, демонстрирующее сборный узел впуска реактора и сборный узел подаваемого материала реактора, сконструированные в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения;

[0032] ФИГУРА 4 представляет собой схему, демонстрирующую угол направляющих пластин сборного узла подаваемого материала реактора для реактора с ФИГУРЫ 2 по отношению к центральной продольной оси реактора;

[0033] ФИГУРА 5 представляет собой схему реакторной системы крекинга с ФИГУРЫ 2, демонстрирующую токи газа в пределах реактора;

[0034] ФИГУРА 6 представляет собой схематическое изображение альтернативного варианта осуществления реакторной системы для крекинга углеводородов, продемонстрированной в поперечном разрезе и сконструированной в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения;

[0035] ФИГУРА 7 представляет собой изображение вида в перспективе аэродинамического профиля для использования в сборных узлах подаваемого материала реактора, описанных в настоящем документе;

[0036] ФИГУРА 8 представляет собой изображение вида сверху аэродинамического профиля с ФИГУРЫ 7;

[0037] ФИГУРА 9 представляет собой схематическую диаграмму трех различных дуг, использованных при формировании аэродинамического профиля с ФИГУРЫ 7;

[0038] ФИГУРА 10 представляет собой диаграмму, демонстрирующую пару аэродинамических профилей в соответствии с компонованием в виде кругового рисунка, для показа конфигурации и местоположения дистанцированных по окружности аэродинамических профилей в соответствии с их возможным использованием совместно с теми сборными узлами подаваемого материала реактора, которые описываются в настоящем документе;

[0039] ФИГУРА 11 представляет собой схематическое изображение еще одного варианта осуществления реакторной системы для крекинга углеводородов, продемонстрированной в поперечном разрезе и сконструированной в соответствии с конкретными вариантами осуществления изобретения;

[0040] ФИГУРА 12 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по аксиальной скорости для тока газа у модели реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0041] ФИГУРА 13 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по скорости завихрения для тока газа у модели реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0042] ФИГУРА 14 представляет собой изображение рисунка меридионального тока (контуров функции потока) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0043] ФИГУРА 15 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для подаваемого материала для крекинга этана у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0044] ФИГУРА 16 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по температуре у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0045] ФИГУРА 17 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для водородного газа (Н₂) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0046] ФИГУРА 18 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для кислородного газа (О₂) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0047] ФИГУРА 19 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для водяного пара (Н₂О) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0048] ФИГУРА 20 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для атомарного кислорода (О) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0049] ФИГУРА 21 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для подвергнутого крекингу этиленового продукта у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0050] ФИГУРА 22 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для подвергнутого крекингу ацетиленового продукта у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1;

[0051] ФИГУРА 23 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для подвергнутого крекингу пропиленового продукта у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1; и

[0052] ФИГУРА 24 представляет собой изображение геометрии реактора крекинга и распределения по массовой доле для монооксида углерода (СО) у реакторной установки лабораторного масштаба из примера 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0053] В настоящем раскрытии изобретения используют новую систему, которая превращает углеводороды в более высокоценные продукты, такие как олефины, используя большие центробежные силы, генерированные при использовании завихряющегося тока в уникальной конфигурации реактора для создания реагирующей среды тока и управления ею, что доводит до максимума производство желательных олефинов при очень высокой производительности (крекинг). Достижения этого добиваются при использовании кольцеобразных высокозавихряющихся струй подаваемых материалов газов, где для выработки тепла, требуемого при крекинге углеводородов, в основном используют водородный газ (или другие топлива, такие как природный газ, рецикловый синтез-газ и тому подобное) и кислородный газ. Использованный реактор крекинга подобен пиролизному реактору, описанному в патентной заявке США №62/639,577, которая для всех целей посредством ссылки на нее включается в настоящий документ. В патентной заявке США №62/639,577 описывается реактор, который может быть использован при пиролизном превращении углеводородных газов. Данный тип реактора может быть обозначен термином «реактор ANJEVOC (Annular JEt VOrtex Chamber - Кольцеобразная струйная вихревая камера). Реактор ANJEVOC, описанный в настоящем документе, несмотря на его подобие тому, что описывается в патентной заявке США №62/639,577, используется для крекинга и поэтому конфигурируется по-другому. Такой реактор может быть обозначен термином «реактор ANJEVOC-С (Annular JEt VOrtex Chamber-Cracking - Кольцеобразная струйная вихревая камера крекинга).

[0054] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 1, на ней демонстрируется технологическая блок-схема системы конверсии углеводородов 10 для конверсии углеводородов в целях получения более высокоценных продуктов, таких как олефины. Система 10 включает реактор крекинга ANJEVOC-C 12, который более подробно описывается в дальнейшем. Подаваемый материал для крекинга 14 подают в реактор 12 в виде отдельного потока. Подаваемый материал для крекинга 14 может включать углеводороды, такие как этан, сжиженный нефтяной газ (СНГ), бутан, лигроин, природный газ, легкие газойли и/или тяжелые газойли. Поток подаваемого материала для крекинга 14 может быть подвергнут предварительному нагреванию до введения в реактор 12. В конкретных областях применения поток подаваемого материала 14 может быть подвергнут нагреванию до температуры в диапазоне от 25°С до 500°С для улучшения эффективности превращения или испарения более тяжелых жидких углеводородов либо вне, либо внутри реактора.

[0055] Как это должно быть отмечено в описании изобретения, в случае представления численного значения, концентрации или диапазона каждое численное значение должно быть прочитано один раз как модифицированное термином «приблизительно» (если только оно не будет уже однозначно модифицировано таким образом), а после этого прочитано еще раз как не модифицированное таким образом, если только в контексте не будет однозначно указываться на другое. Также, как это должно быть понятно, в описании изобретения диапазон количества, перечисленный или описанный как пригодный для использования, подходящий для использования и так далее, предполагает необходимость рассмотрения как заявленного любого и каждого значения в пределах данного диапазона, включая граничные точки. Например, «диапазон от 1 до 10» должен быть прочитан как указывающий на любое и каждое возможное число вдоль континуума между приблизительно 1 и приблизительно 10. Таким образом, как это должно быть понятно, для случая недвусмысленных идентифицирования или упоминания конкретных точек в пределах данного диапазона или даже неидентифицирования или неупоминания никакой точки в пределах данного диапазона изобретатель осознает и понимает то, что должны рассматриваться как указанные все без исключения точки в пределах данного диапазона, и что изобретатель сохраняет полный диапазон и все точки в пределах данного диапазона.

[0056] Подаваемый материал кислородсодержащего газа 16 для сгорания подаваемого материала топливного газа, обогащенного по водороду, 18 также подают в реактор 12 в виде отдельного потока. Подаваемый материал кислородного газа 16 может быть сконцентрированным подаваемым материалом кислородного газа, где основная часть подаваемого материала (то есть,>50% (моль.)) образована из кислородного газа (О₂). Во множестве случаев кислородсодержащий газ будет представлять собой подаваемый материал высокочистого кислородсодержащего газа, образованный из О₂ в количестве в диапазоне от 20% (моль.) до 100% (моль.) от потока подаваемого материала кислородного газа. Это может представлять собой поток, получаемый из установки для разделения воздуха (не показано), использованной для отделения кислородного газа от воздуха или другого источника кислородного газа. В качестве кислородсодержащего газа также может быть использован и воздух. В случаях использования воздуха в качестве кислородсодержащего газа или случаях наличия больших количеств примесей (например, N₂) в подаваемом материале кислородсодержащего газа ниже по потоку может оказаться необходимым отделение таких примесей от продукта.

[0057] Также подаваемым материалом в реактор 12 в виде отдельного потока подаваемого материала водяного пара является подаваемый материал водяного пара или воды (Н₂О). В определенных вариантах осуществления подаваемый материал для крекинга 14, топливо 18 и/или подаваемый материал кислородного газа 16 также могут быть предварительно смешаны с водяным паром. В некоторых случаях отдельный поток подаваемого материала водяного пара 20 может быть исключен там, где получают и смешивают с подаваемыми материалами 14 и/или 16 достаточное количество водяного пара.

[0058] Из реактора 12 удаляют подвергнутые крекингу продукты реакции 22, когда они могут быть охлаждены в результате закаливания в установке закаливания 24, такой как емкость закаливания в результате разбрызгивания водяных капель или другие подходящие для использования устройства закаливания газа. Подвергнутые крекингу продукты 22 в типичном случае будут представлять собой смесь из водородного газа, водяного пара, оксигенатов, некоторых тяжелых соединений (>C4), некоторых ароматических соединений и олефиновых продуктов.

[0059] Закаленные подвергнутые крекингу продукты реакции 26 могут быть доставлены в установку разделения 28, где отделяют газообразные продукты для получения потока продукта 30, содержащего олефиновые продукты, такие как этилен (С₂Н₄), пропилен (С₃Н₆) и другое, и отделенный поток газа 32.

[0060] Отделенный поток газа 32 удаляется из сепаратора 28 и в типичном случае будет содержать водородный газ (Н₂) совместно с неосновными количествами метана (СН₄) и оксидов углерода СО и СО₂. В определенных областях применения возможно отделение СО₂ до отделения других газов таким образом, чтобы поток рециклового газа 32 мог бы содержать только Н₂, СН₄ и СО. Поскольку во время реакции крекинга происходит дегидрирование в типичном случае вырабатывают достаточное количество водорода таким образом, что он может быть использован в качестве топливного газа в целях выработки тепла для реакции крекинга в реакторе 12. Таким образом, поток газа 32 может быть отправлен на рециркуляцию и подан в качестве подаваемого материала топлива, обогащенного по водороду, 18. В некоторых случаях во время реакции крекинга на рециркуляцию отправляют достаточное количество топливного газа (например, Н₂) таким образом, чтобы не потребовалось бы никакого дополнительного топлива в дополнение к топливу, поставляемому рецикловым потоком 32. Однако, в других случаях для подаваемого потока топлива 18 может быть использован подаваемый материал дополнительного топлива 34 в виде подаваемого материала обогащенного по водороду или природного газа, такой как подаваемый материал первоначального топлива во время запуска реактора, или для получения подаваемого материала топлива 18 подаваемый материал дополнительного топлива объединяют с рецикловым потоком 32 при доступности в рецикловом потоке 32 недостаточного количества водорода для тепла реакции сгорания.

[0061] Рабочие условия реактора 12 могут варьироваться на основании типа подаваемого материала для крекинга. В одной типичной реакции крекинга, использующей реактор ANJEVOC-C, подаваемый материал кислорода 16 в типичном случае используют совместно с избытком водородного или топливного газа таким образом, чтобы потреблялся бы весь кислород. Обычно количество водорода будет с кратностью в диапазоне от 1 или 2 до 4 соответствовать стехиометрическому количеству, требуемому для сгорания под воздействием кислорода. В некоторых случаях водород присутствует в субстехиометрическом количестве (ниже 1) для обеспечения прохождения дополнительных экзотермических реакций в смесительной зоне. Подаваемый материал кислорода 16 может обеспечивать получение молярного соотношения между кислородным эквивалентом и топливом в диапазоне от 0,125 до 0,50. Кроме того еще, соотношение между подаваемым материалом для крекинга и водородным топливом в типичном случае будет находиться в диапазоне от 1,0 до 15 при расчете на массу в зависимости от подаваемого материала углеводорода. Время пребывания внутри в реактора 12 может находиться в диапазоне 50 миллисекунд и менее, говоря более конкретно, 20 миллисекунд и менее. Как это будет более подробно обсуждаться впоследствии, температура зоны рециркулирования внутри реактора в типичном случае будет находиться в диапазоне от 1000°С до 1300°С. Давление на выпуске реактора может варьироваться. Подходящее для использования давление на выпуске реактора может находиться в диапазоне от 0 кПа (изб.) до 10000 кПа (изб.), говоря более конкретно, от 0 кПа (изб.) до 1000 кПа (изб.).

[0062] Как это должно быть отмечено, несмотря на демонстрацию для системы 10 с ФИГУРЫ 1 единственных установок для различных технологических стадий каждая установка могла бы быть образована из одной или нескольких установок, которые могут функционировать в связи друг с другом таким образом, как при параллельном или последовательном соединении, для проведения различных описанных технологических стадий.

[0063] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 2, на ней демонстрируется схематическое изображение в вертикальном поперечном разрезе реакторной системы крекинга 12 для крекинга углеводородов, таких как этан, СНГ, бутан, лигроин, природный газ, легкие газойли, тяжелые газойли или комбинация из данных углеводородов. Реактор 12 составляет реактор ANJEVOC-C и включает реакторную емкость 36, имеющую стенку реактора 38, которая определяет внутреннюю реакционную камеру 40. Стенка реактора 38 может демонстрировать цилиндрическую конфигурацию, имеющую постоянный диаметр вдоль всей или части ее длины, которая может составлять основную часть ее длины. В большинстве случаев реактор 12 ориентирован вертикально таким образом, чтобы цилиндрическая стенка реактора 38 была бы ориентирована в прямостоячем положении. Однако, реактор может иметь и другие ориентации (например, горизонтальную, наклонную или нисходящую), поскольку технологическим процессом управляет центробежная сила, которая превышает силу тяжести на несколько порядков величины. Реакторная емкость 36 может быть сконфигурирована для получения соотношения между длиной и диаметром (L/D), составляющего, по меньшей мере, 2. В конкретных областях применения соотношение L/D может находиться в диапазоне 2-10, говоря более конкретно, 2-5.

[0064] Реакторная емкость 36 может быть образована из стали. В определенных вариантах осуществления вокруг реакторной емкости может быть расположена охлаждающая рубашка, где вторая стальная стенка 42 расположена вокруг и дистанцирована от внутренней стенки реактора 38, и через рубашку, сформированную между стенками 38, 42, может циркулировать охлаждающая текучая среда, такая как вода. В других вариантах осуществления стенка реактора 38 может быть сформирована из одного или нескольких слоев жаропрочного материала, которые выстилают внутреннюю сторону внешней стальной стенки для уменьшения тепловых потерь и поддержания высоких температур реактора 12. Как это будет описываться впоследствии, вследствие уникальных конструкции и функционирования реактора 12 стенку реактора 38 охлаждают внутри при использовании высокоскоростного тока газа поблизости от стенки, наталкиваемого центробежными силами на стенку реактора 38, таким образом, что в некоторых областях применения не требуется какой-либо внешней охлаждающей рубашки. Это также делает возможным использование жаропрочных материалов для внутренней стороны стенки реактора 38. Жаропрочные материалы (в отсутствие охлаждения) в типичном случае не могут быть использованы в обыкновенных реакторах крекинга совместно с чистым кислородом вследствие встречающихся повышенных температур (например, в диапазоне от 2000°С до 2800°С).

[0065] Для удаления или вывода подвергнутых крекингу продуктов из реакционной камеры 40 на верхнем или расположенном ниже по потоку конце реакторной емкости 36 расположен выпуск 44. Несмотря на демонстрацию выпуска 44 расположенным на верхнем конце реакторной емкости 36 в других вариантах осуществления он может быть расположен на нижнем конце реакторной емкости 36 таким образом, чтобы ток через реактор имел бы противоположное направление (то есть, сверху вниз). Диаметр выпуска может быть идентичным диаметру стенки реактора 38, или диаметр выпуска может быть уменьшен для ускорения тока до закаливания и сбора ниже по потоку.

[0066] Реактор 12 включает сборный узел впуска реактора 46, который сопрягается или соединяется с нижним или расположенным выше по потоку концом стенки реактора 38 реакторной емкости 36. Сборный узел впуска 46 включает сходящийся канал 48, имеющий окружную стенку 50, которая охватывает центральную продольную ось 52 реактора. При вертикальном ориентировании реактора 12 центральная ось 52 равным образом также будет ориентирована вертикально и будет концентрической с центральной вертикальной осью реакторной емкости 36 или параллельной ей. В продемонстрированном варианте осуществления ось 52 является концентрической и выровненной с центральной продольной осью реакторной емкости 36. Окружная стенка 50 простирается от противоположных расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку концов сходящегося канала 48. В соответствии с использованием в настоящем документе термины «расположенный выше по потоку» и «расположенный ниже по потоку» или подобные выражения в отношении описания различных компонентов реакторной системы 12 должны относиться к позиции компонента по отношению к направлению общего тока текучей среды через реактор 12 вдоль центральной оси 52. Как это можно видеть на ФИГУРЕ 2, окружная стенка 50 плавно сужается по ширине или диаметру от расположенного ниже по потоку и расположенного выше по потоку концов до кольцеобразной стесненной утонченной части 54, расположенной между расположенным ниже по потоку и расположенным выше по потоку концами сходящегося канала 48. Внутренняя сторона окружной стенки 50 может демонстрировать круглое перпендикулярное поперечное сечение (по отношению к оси 52) вдоль своей длины. Окружная стенка 50 определяет внутреннюю траекторию тока сборного узла впуска 46 при формировании стесненной утонченной частью 54 сходящегося-расходящегося обтекаемого сопла сборного узла впуска 46. Геометрия сопла утонченной части 54 сконфигурирована на основе теории, относящейся к завихряющимся коническим струям вязкой несжимаемой текучей среды.

[0067] Окружная стенка 50 сходящегося канала 48 от расположенного ниже по потоку конца, где она соединяет стенку реактора 38 с кольцеобразной стесненной утонченной частью 54, в некоторых вариантах осуществления может быть сконфигурирована в виде гладкой непрерывной вогнутой стенки, имеющей форму или конфигурацию эллипсоидного купола или сферического купола. Подобным образом, расположенная выше по потоку часть стенки реактора 38 реакционной емкости 40, которая соединяется с окружной стенкой 50 сходящегося канала 48, также может быть сконфигурирована в виде плавной непрерывной вогнутой стенки, которая согласуется с линиями контура формы или конфигурации эллипсоидного купола или сферического купола.

[0068] Расположенный ниже по потоку конец сходящегося канала 48 соединяется со стенкой реактора 38 по всему своему периметру таким образом, чтобы сходящийся канал 48 находился бы в сообщении через текучую среду с камерой реактора 40 реакторной емкости крекинга 36. Расположенный выше по потоку конец сходящегося канала 48 формирует впуск реактора 56 реакторной емкости 36.

[0069] Реактор 12 снабжается сборным узлом подаваемого материала реактора 58. Сборный узел подаваемого материала реактора 58 находится в сообщении через текучую среду со впуском реактора 56 сборного узла впуска 46, при этом центральная ось 52 проходит через сборный узел подаваемого материала реактора 58. Сборный узел подаваемого материала 58 включает расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала 60, которая простирается по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца впуска реактора 56 и соединяется с ним. Стенка сборного устройства подаваемого материала 60 или ее окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52.

[0070] Расположенная выше по потоку стенка сборного узла подаваемого материала 62 аксиально дистанцирована по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки 60 вдоль центральной оси 52. Расположенная выше по потоку стенка 62 или окружные ее части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52 и простираются поперек центральной оси 52.

[0071] Расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа 64 и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа 66 аксиально дистанцированы между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала 60, 62 и аксиально дистанцированы одна от другой, при этом расположенная выше по потоку стенка 64 расположена по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки 66. Разделительные стенки 64, 66 или их окружные части также в каждом случае ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52. Внутренние концы разделительных стенок 64, 66 завершаются в позиции ниже сходящегося канала 48, что определяет, соответственно, центральное отверстие 68, 70, которое охватывает центральную ось 52 и является концентрическим со сходящимся каналом 48. Каждое из центральных отверстий 68, 70 имеет круглую конфигурацию. Также могут быть использованы и другие формы (например, овальные) для центральных отверстий 68, 70 при том условии, что такая конфигурация облегчает завихрение газов для получения требуемых рисунков тока, описанных в настоящем документе. Данная форма также может соответствовать форме поперечного сечения окружной стенки 50 сходящегося канала 48. Однако в большинстве областей применения центральные отверстия 68, 70 будут круглыми по форме. Центральные отверстия 68, 70 могут иметь диаметр или ширину, которые являются идентичными или слегка отличными в сопоставлении с диаметром или шириной стесненного утончения 54 сходящегося канала 48 в его наиболее узкой точке.

[0072] Расположенная выше по потоку разделительная стенка 64 определяет кольцеобразное пространство тока газа 72, расположенное между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62 и расположенной выше по потоку стороной расположенной выше по потоку разделительной стенкой 64. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 72 составляет расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала для крекинга углеводорода. Подобным образом, кольцеобразное пространство тока газа 74 определяется расположенной ниже по потоку стороной расположенной ниже по потоку разделительной стенкой 6 и расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 60. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 74 составляет кольцеобразное пространство тока впуска водяного пара или воды.

[0073] Между расположенной выше по потоку стороной расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа 66 и расположенной ниже по потоку стороной расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа 64 определяется дополнительное кольцеобразное пространство тока 76. Промежуточная разделительная стенка 78 аксиально дистанцирована между расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа 66 и расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа 64, что определяет расположенное ниже по потоку и расположенное выше по потоку промежуточные кольцеобразные пространства тока впуска газа 80, 82. Промежуточная разделительная стенка 78 или ее окружные части также ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52. В продемонстрированном варианте осуществления промежуточная разделительная стенка составляет разделительную стенку для топливного газа, которая определяет пространства тока 80, 82, которые составляют первое и второе кольцеобразные пространства тока впуска топливного газа. Внутренний конец промежуточной разделительной стенки 78 завершается, определяя центральное отверстие 84, которое охватывает центральную ось 52 сходящегося канала 48, и где периферия центрального отверстия 84 разделительной стенки для топливного газа 78 дистанцирована по радиусу на некотором расстоянии снаружи от центральных отверстий 68, 70 расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа 64 и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа 66, как это продемонстрировано. Область, дистанцированная по радиусу внутри центрального отверстия 84 промежуточной разделительной стенки 78 между расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительными стенками для газа 64, 66, определяет кольцеобразную зону сгорания 86. Размер центрального отверстия 84 может варьироваться для согласования с радиальной протяженностью зоны сгорания 86.

[0074] Данная конфигурация обеспечивает получение трактов тока, через которые может быть раздельно введен и перепущен через пространства тока, соответственно, 72, 74, 80, 82 перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси 52 сходящегося канала 48 каждый представитель, выбираемый из подаваемого материала углеводородного газа, подвергаемого крекингу, водяного пара, кислородного газа и топлива, обогащенного по водороду, для получения теплоты сгорания. В некоторых случаях самое нижнее или расположенное выше по потоку пространство тока 72 будет составлять пространство тока впуска подаваемого материала для крекинга углеводорода. Подаваемый материал водяного пара может быть введен в самое верхнее или расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска водяного пара 74. В других случаях подаваемый материал для крекинга углеводорода может быть введен в самое верхнее или расположенное ниже по потоку пространство тока 74, а подаваемый материал водяного пара может быть введен в самое нижнее или расположенное выше по потоку пространство тока 72. Подаваемый материал топливного газа, образованный из подаваемого материала газа, обогащенного по водороду, может быть введен в одно пространство, выбираемое из первого и второго соседних кольцеобразных пространств тока впуска топливного газа 80, 82, совместно с подаваемым материалом газообразного окислителя или кислородсодержащего газа, вводимого в другое из пространств тока 80, 82. Расположенное ниже по потоку пространство тока 80 может быть использовано для доставки газообразного окислителя или кислородсодержащего газа, а расположенное выше по потоку пространство тока 82 будет использоваться для доставки топливного газа, обогащенного по водороду. В других случаях они могут быть обращены или изменены в других последовательностях.

[0075] Тракты тока 72, 74, 80, 82 сконфигурированы таким образом, чтобы различные подаваемые материалы проходили бы через пространства тока перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси 52 сходящегося канала 48 в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока таким образом, чтобы подаваемые материалы протекали бы вокруг центральной оси 52 сходящегося канала 48. Подаваемые материалы топливного газа и окислителя сгорают главным образом в маленькой зоне сгорания 86 между расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительными стенками 64, 66 в пределах центрального отверстия 84 разделительной стенки для топливного газа 78.

[0076] Стенки 60, 62, 64, 66 и 78, формирующие различные пространства тока 72, 74, 80, 82, во множестве случаев могут быть параллельными одна другой, но в определенных случаях могут быть и непараллельными одна другой. Стенки 60, 62, 64, 66 и 78 аксиально дистанцированы в целях получения желательных объема и характеристик тока для газов, протекающих через них. Это может иметь в своей основе желательные расходы или линейные скорости каждого из газов подаваемых материалов и их относительные количества. Например, относительный объем кислородного газа, требуемого для сгорания, в типичном случая является меньшим, чем относительный объем обогащенного по водороду топливного газа, требуемого для сгорания. Поэтому разделительная стенка 78 может быть менее дистанцирована от расположенной ниже по потоку разделительной стенки 66 таким образом, чтобы пространство тока 82 для водородного топлива было бы более значительным для вмещения большего тока топливного газа. Конкретное дистанцирование может зависеть от комбинации из топливного газа и окислителя, желательного объема для сгорания и подаваемых материалов для крекинга.

[0077] Вокруг внешней периферии пространств тока, соответственно, 72, 74, 80, 82 могут быть расположены кольцеобразные газовые коллекторы 88, 90, 92, 94. Газовый коллектор 88 сопрягается через текучую среду с источником подаваемого материала для крекинга, таким как подаваемый материал для крекинга 14 с ФИГУРЫ 1. Коллектор 90 сопрягается через текучую среду с источником водяного пара, таким как подаваемый материал водяного пара 20 с ФИГУРЫ 1. Коллектор 92 сопрягается через текучую среду с источником кислородсодержащего газа, таким как подаваемый материал кислородного газа 16 с ФИГУРЫ 1. И коллектор 92 сопрягается через текучую среду с источником подаваемого материала обогащенного по водороду газа или топлива, таким как подаваемый материал топлива 18 с ФИГУРЫ 1. Сборный узел подаваемого материала реактора 58 снабжают коллекторами 88, 90, 92, 94 для облегчения введения газов подаваемых материалов в пространства тока 72, 74, 80, 82.

[0078] Тангенциально в пространства тока 72, 74, 80, 82 могут быть направлены впуски газов 96, 98, 100, 102, соответственно, из коллекторов 88, 90, 92, 94 таким образом, чтобы газы были бы направлены не только по радиусу по направлению к центральной оси 52 из впусков 96, 98, 100, 102, но вместо этого были бы направлены большей частью тангенциально вокруг центральной оси 52 для получения рисунка тока, завихряющегося вовнутрь. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 2, каждое пространство тока 72, 74, 80, 82 может иметь один или несколько тангенциальных впусков, таких как впуски 96А и 96 В, 98А и 98 В, 100А и 100 В и 102А и 102 В. Кроме того еще, стенки 60, 62, 64, 66 и 78, формирующие различные пространства тока сборного узла подаваемого материала 58, удерживают газы, введенные из коллекторов 88, 90, 92, 94, от аксиального протекания вдоль центральной оси 52 при одновременном их удерживании в пределах пространств тока 72, 74, 80, 82. Коллекторы 88, 90, 92, 94 могут быть сконфигурированы в виде стандартных коллекторов (например, улиткообразных), которые в типичном случае могут быть использованы в вихревых устройствах.

[0079] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 3, одно или несколько или все из пространств тока 72, 74, 80, 82 могут быть снабжены множеством дистанцированных по окружности направляющих пластин 104, 106, 108, 110 (например, направляющими пластинами в количестве в диапазоне от 10 до 60). Каждая направляющая пластина 104, 106, 108, 110 может представлять собой плоскостной элемент, который ориентирован в плоскости, которая является параллельной центральной оси 52, и простирается между стенками 60, 62, 64, 66 и 78. Направляющие пластины 104, 106, 108, 110 могут быть дистанцированы по окружности на равном расстоянии одна от другой. В определенных вариантах осуществления направляющие пластины 104, 106, 108, 110 могут быть зафиксированы по месту, при этом верхние и нижние боковые кромки направляющих пластин соединяются вдоль их длин или части их длин со стенками 60, 62, 64, 66 и 78 таким образом, чтобы между боковыми кромками пластин 104, 106, 108, 110 и стенками 60, 62, 64, 66 и 78 отсутствовали бы какие-либо зазоры. Однако, в других вариантах осуществления направляющие пластины являются перемещаемыми. В таких случаях верхняя и нижняя боковые кромки пластин 104, 106, 108, 110 могут быть мало дистанцированы от стенок 60, 62, 64, 66 и 78 для обеспечения наличия маленького просвета, который обеспечивает возможность такого перемещения, но который сводит к минимуму зазоры, где могут проходить газы. Для эффективного закрытия данных пространств или просветов при одновременном обеспечении возможности перемещения также могут быть использованы герметики. В других случаях пластины 104, 106, 108, 110 могут быть ориентированы таким образом, чтобы плоскость пластины имела бы непараллельную или скошенную ориентацию по отношению к центральной оси 52. В таких случаях боковые кромки могут быть зафиксированы на стенках 60, 62, 64, 66 и 78 или оставаться мало дистанцированными от стенок 60, 62, 64, 66 и 78 для сведения к минимуму зазоров, через которые проходят газы. В определенных областях применения направляющие пластины 104, 106, 108, 110 могут быть сконфигурированы в виде аэродинамических профилей, таких как формы аэродинамических профилей от Национального консультативного совета по аэронавтике (НКСА) в соответствии с описанием в публикации E. N. Jacobs, K. E. Ward, & R. M. Pinkerton, NACA Report No. 460, «The characteristics of 78 related airfoil sections from tests in the variable-density wind tunnel» (NACA, 1933). Направляющие пластины могут иметь искривленные поверхности, которые могут быть ориентированы при наличии параллельности или непараллельности у ширины и оси 52 для получения желательных характеристик тока, таких как уменьшенные сопротивление трения и падение давления. Один пример подходящей для использования конструкции аэродинамического профиля для пластины обсуждается более подробно ниже.

[0080] Направляющие пластины 104, 106, 108, 110 расположены по соседству с внешним периметром пространств тока 72, 74, 80, 82 и дистанцированы в виде кольцеобразного или кругового кольцевого рисунка поблизости от впусков коллекторов, соответственно, 96, 98, 100, 102, хотя они могут быть расположены в виде кольцеобразного рисунка и в других позициях, расположенных по радиусу вовнутрь или дальше в пределах внутренней области пространств тока 72, 74, 80, 82, или для облегчения тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, по радиусу вовнутрь от наборов направляющих пластин, расположенных вдоль внешней периферии, могут быть расположены один или несколько дополнительных кольцеобразных наборов направляющих пластин.

[0081] Газы подаваемых материалов из коллекторов 88, 90, 92, 94 доставляют почти что тангенциально к внешнему периметру пространств тока 72, 74, 80, 82, где направляющие пластины 104, 106, 108, 110 дополнительно облегчают направление тока газа в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося или закручивающегося по спирали вовнутрь, в пределах пространств тока 72, 74, 80, 82. В других вариантах осуществления направляющие пластины 104, 106, 108, 110 могут придавать полный тангенциальный ток введенных газов в случаях возможного направления газа из впусков 96, 98, 100, 102 по радиусу к центральной оси 52. В таких случаях направляющие пластины 104, 106, 108, 110 предотвращают возникновение прямого тока по направлению к центральной оси 52 и направляют протекающие газы тангенциально для получения рисунка тока текучей среды, завихряющегося или закручивающегося по спирали вовнутрь.

[0082] Направляющие пластины 104, 106, 108, 110 каждого пространства тока 72, 74, 80, 82 могут быть смонтированы на исполнительных механизмах (не показано) таким образом, чтобы они могли бы быть селективно перемещаемыми до различных позиций для получения избранного рисунка тока, закручивающегося по спирали вовнутрь. Направляющие пластины 104, 106, 108, 110 могут быть вращающимися вокруг оси, которая является параллельной центральной оси 52, таким образом, чтобы пластины 104, 106, 108, 110 могли бы быть перемещены в другие позиции.

[0083] Ориентация пластин 104, 106, 108, 110, а также ориентация тангенциальных впусков 96, 98, 110, 102 могут быть видны на ФИГУРЕ 4. Как это продемонстрировано, линия 112 представляет собой угол ориентации пластин 104, 106, 108, 110 и/или впусков 96, 98, 100, 102 по отношению к радиальной линии 114, проходящей по радиусу от центральной оси 52. Угол А является углом между тангенциальной линией 112 и радиальной линией 114. Для неплоскостных пластин, таких как аэродинамические профили, линия 112 может соответствовать хордовой линии, проходящей через переднюю кромку и заднюю кромку пластины или аэродинамического профиля, или представлять собой ее. В конкретных вариантах осуществления угол А может находиться в диапазоне от 50° до 90°, в более типичном случае от 60° до 85°. Таким образом, пластины 104, 106, 108, 110 могут быть постоянно ориентированы под углом А в пределах данного диапазона или могут быть перемещаемыми до различных угловых ориентаций в пределах данного диапазона. В большинстве случаев каждая из пластин 104, 106, 108, 110 в пределах кольцеобразного рисунка будет установлена под одним и тем же углом А и при приведении в действие будет перемещаться единообразно или приблизительно единообразно до того же самого же угла А для получения желательных характеристик завихряющегося тока текучей среды. Угол (углы) ориентации А пластин 104, 106, 108, 110 и/или впусков 96, 98, 100, 102 различных трактов тока может быть идентичным или другим в сопоставлении с углом (углами) ориентации пластин или впусков других трактов тока.

[0084] В большинстве случаев тангенциальные впуски газа 96, 98, 100, 102 и/или направляющие пластины 104, 106, 108, 110 будут ориентированы для получения тока струи текучей среды, завихряющегося или закручивающегося по спирали, который имеет одно и то же направление вращения вокруг оси 52, то есть, по часовой стрелке или против часовой стрелки. Таким образом, газы в пределах каждого из пространств тока будут протекать по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг оси 52.

[0085] Как это можно сказать опять-таки при обращении к ФИГУРЕ 2, область простирающаяся от центральных отверстий 68, 70 разделительных стенок, соответственно, 62, 70 до впуска реактора 56, определяет центральную смесительную камеру 116. Именно здесь нагретые газы сгорания из пространства тока 76, подаваемый материал для крекинга углеводорода из расположенного выше по потоку пространства тока впуска подаваемого материала углеводорода 72 и водяной пар из пространства тока 74 выводят в центральную камеру 116 таким образом, чтобы подаваемый материал для крекинга углеводорода, водяной пар и нагретые газы сгорания были бы смешаны друг с другом и образовали бы завихряющуюся газовую смесь в пределах камеры 116. После этого данная завихряющаяся газовая смесь проходит через сходящийся канал 48 в реакционную камеру 40 реакторной емкости 36.

[0086] Вследствие введения кислородсодержащего газа и топливного газа, обогащенного по водороду, в пространства тока, соответственно, 80, 82 раздельно друг от друга, а не в виде смеси это исключает возникновение проблем с безопасностью, которые в противном случае имели бы место для случая предварительного смешивания данных газов до их введения в сборный узел подаваемого материала 58. Кроме того еще, реакция сгорания протекает очень быстро, где основная часть сгорания происходит в пределах очень маленького пространства в пределах зоны сгорания 86, где два потока кислородсодержащего газа и топливного газа, обогащенного по водороду, из пространств тока 80, 82 смешиваются непосредственно по соседству с центральным отверстием 84 и до поступления в камеру 116. Сгораемая смесь может быть зажжена под воздействием искры или химических реагентов или запального пламени через нижнюю поверхность или боковые поверхности реактора, поскольку всасывание из сильно завихряющегося тока (который имитирует торнадо) будет транспортировать горячие газы от устройства зажигания в зону сгорания 86 для инициирования зажигания.

[0087] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 2, при функционировании подаваемый материал для крекинга вводят из коллектора 88 через тангенциальные впуски 96А, 96 В в пространство тока 72. Подаваемый материал для крекинга может представлять собой этан, СНГ, бутан, лигроин, природный газ, легкие газойли, тяжелые газойли или их комбинации. Несмотря на введение в типичном случае данных подаваемых материалов для крекинга в виде газов в некоторых случаях они могут быть введены и в виде жидкостей. Сразу после введения в виде жидкостей они быстро испаряются в пределах реактора. Это может оказаться выгодным в том смысле, что легкие и тяжелые газойли, например, в типичном случае испаряются за пределами реактора в обыкновенных системах крекинга. Однако, такое внешнее испарение создает проблемы с коксообразованием. В результате их непосредственного нагнетания в реактор в жидком виде избегают возникновения данных проблем. Подаваемый материал для крекинга в типичном случае будет более плотным, чем продукты сгорания. Это представляет собой результат наличия как высокой молекулярной массы у подаваемого материала для крекинга, так и его плотности при выбранной температуре подаваемого материала для крекинга. Более плотные газ/жидкости перемещаются наружу, в то время как более легкие продукты сгорания перемещаются вовнутрь вследствие воздействия очень высокого центробежного ускорения (100000-1000000 ускорений сил тяжести). Более плотные углеводороды быстро примешиваются к периферийным продуктам сгорания при очень высокой температуре вследствие высокого завихрения.

[0088] Водородсодержащий топливный газ вводят из коллектора 94 через тангенциальные впуски 102А, 102 В в пространство тока 82. Водородсодержащий топливный газ может быть водородным газом (Н₂) и/или метаном (СН₄). В определенных вариантах осуществления, в которых используют комбинацию из водородного газа и метана, метан в топливном газе может присутствовать в количестве, составляющем 20% (моль.), 15% (моль.), 10% (моль.), 5% (моль.) и менее. Более значительные количества метана могут оказывать воздействие на желательную селективность. Однако, в других вариантах осуществления в качестве топливного газа могут быть использованы и более значительные количества метана, в том числе 100% метана. В качестве топливного газа также может быть использован и природный газ.

[0089] Водородсодержащий топливный газ может представлять собой обогащенный по водородному газу поток, образованный главным образом из водородного газа, который может представлять собой рецикловый поток, такой как рецикловый поток 32 (ФИГУРА 1), или дополнительный водородный газ, такой как поток 34. Поток, обогащенный по водородному газу, может содержать и другие компоненты, такие как метан, СО, водяной пар, инертные газы и СО₂. В определенных вариантах осуществления и областях применения в качестве топливного газа также могут быть использованы и другие углеводороды. В дополнение к этому, также могут присутствовать и маленькие количества N₂. В топливном газе или других потоках подаваемого материала также может присутствовать и сера. В случае присутствия серы может потребоваться дополнительное разделение выше по потоку или ниже по потоку. Реактор и способ являются достаточно надежными для приспосабливания к присутствию серы, в частности, вследствие неиспользования катализатора. Соотношение между подаваемым потоком для крекинга и водородсодержащим топливом в типичном случае будет находиться в диапазоне от 1 до 15, говоря более конкретно, от 1 до 10, при расчете на массу.

[0090] Газообразный окислитель или кислородсодержащий газ, которые могут быть концентрированным или чистым кислородным газом, таким как из установки для разделения воздуха (не показано), вводят в качестве подаваемого материала окислителя через коллектор 92 сквозь впуски 100А, 100 В в пространство тока 80. Наличие кислородсодержащего газа, введенного через пространство тока 80, дополнительно дистанцирует его от газа для крекинга, введенного через пространство тока 72, что исключает или сводит к минимуму любое сгорание введенного газа для крекинга. В определенных областях применения молярное соотношение Н₂/О₂ может находиться в диапазоне от 2 до 9, говоря более конкретно от 2 до 5, а, говоря еще более конкретно, от 2 до 4. Подаваемый материал кислорода может обеспечивать получение молярного соотношения между кислородным эквивалентом и топливом в диапазоне от 0,2 до 1,0. Избыток водорода также способствует акцептированию образовавшихся свободных радикалов (например, О, ООН, ОН), которые в противном случае вступали бы в реакцию с подаваемым материалом для крекинга. В некоторых случаях молярное соотношение Н₂/О₂ может составлять менее, чем 2 для компенсирования других топливных газов или обеспечения наличия избытка О₂ в смесительном участке для высвобождения тепла в целях компенсирования прохождения эндотермических реакций крекинга.

[0091] Через коллектор 90 и сквозь впуски 98А, 98 В в пространство тока 74 вводят водяной пар или воду. Водяной пар вводят по потоку выше других подаваемых материалов и используют для охлаждения стенок сходящегося канала 48 и реактора 12. Введенный водяной пар также облегчает уменьшение температур реакции в пределах реактора 12. Водяной пар также может быть предварительно смешан с различными подаваемыми материалами таким образом, как с подаваемым материалом газа для крекинга, топливным газом и/или кислородсодержащим подаваемым материалом. Водяной пар в определенных областях применения может быть использован при массовом соотношении между водяным паром и топливом в диапазоне от более, чем 0 до 10,0, говоря более конкретно, от 0 до 2,0.

[0092] ФИГУРА 5 демонстрирует схематическую диаграмму реактора 12, включающую отдельные токи различных подаваемых материалов. Данные отдельные токи схематически представлены штриховыми линиями. В реальных условиях весь кислородный газ и, по меньшей мере, часть водородсодержащего топливного газа сгорают с образованием нагретых продуктов сгорания, которые почти что полностью смешиваются с другими подаваемыми материалами до выхода из сходящегося канала 48 и поступления в реакционную камеру 40. Таким образом, несмотря на схематическую демонстрацию отдельных подаваемых материалов штриховыми линиями газы, протекающие в реакционную камеру 40, составляют газовую смесь. Под воздействием высокой центробежной силы завихряющихся газов более плотные газы (например, подаваемый материал для крекинга) протекают ближе к стенке реактора, в то время как более горячие продукты сгорания имеют тенденцию к протеканию через центр реактора. Геометрия устройства и завихряющаяся газовая смесь из камеры 116 в результате приводят к получению обратного тока газовой смеси в соответствии с представлением штриховыми линиями 118. Данная смесь протекает выше по потоку и радиально внутри от тонких внешних кольцеобразных слоев тока смешанного газа 120, 122, циркулируя в пределах реакционной камеры 40 с образованием зоны рециркулирования 124. Вследствие высокозавихряющегося водяного пара, доставляемого через пространство тока 74 на ФИГУРЕ 2, имеет место внутреннее охлаждение стенок. Дополнительное охлаждение (по мере надобности) имеет место при использовании водяной рубашки, расположенной между стенками 38 и 42 с ФИГУРЫ 2.

[0093] Потоки подаваемого материала газа могут быть введены для получения различных скоростей тока в целях обеспечения наличия неустойчивости Кельвина-Гельмгольца для улучшенного смешивания. Скорости тока могут находиться в диапазоне от 10 м/сек до 500 м/сек, говоря более конкретно, от 100 м/сек до 400 м/сек. Реактор может функционировать при давлении в диапазоне от 0 кПа (изб.) или 100 кПа (изб.) до 1000 кПа (изб.), 2000 кПа (изб.) или вплоть до 10000 кПа (изб.), при этом время пребывания газа в пределах реактора составляет 50 миллисекунд и менее, говоря более конкретно, 20 миллисекунд и менее, а, говоря еще более конкретно, находится в диапазоне от 10 микросекунд до 20 миллисекунд. В конкретных вариантах осуществления время пребывания может находиться в диапазоне от 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 или 10 миллисекунд и менее, при этом 10 микросекунд представляют собой приблизительно наименьшее время пребывания.

[0094] Температура реакции в пределах реактора и зоны рециркулирования 124 может находиться в диапазоне от 900°С до 1300°С. В конкретных вариантах осуществления температура в пределах реактора и зоны рециркулирования 124 может находиться в диапазоне от 1000°С до 1300°С, говоря более конкретно, от 1200°С до 1250°С. В некоторых вариантах осуществления температура реактора является большей, чем то, достижения чего добиваются в обыкновенных реакторах крекинга, таких как трубчатые реакторные печи, которые в типичном случае функционируют при температуре в диапазоне от 800°С до 900°С. В соответствии представленным выше обсуждением изобретения это обуславливается ограничениями по температуре у металлических материалов, использованных для таких обыкновенных реакторов. В настоящем случае завихряющаяся газовая смесь облегчает выдерживание стенок реактора намного более холодными, чем в таких обыкновенных реакторах. Использование таких повышенных температур также делает возможными более короткие времена пребывания или контактирования, при этом более короткие времена контактирования в результате приводят к получению лучших селективности и степени превращения без образования нежелательных продуктов. Рабочие температуры реактора могут быть выбраны во избежание избыточного производства таких нежелательных соединений, таких как ацетилен.

[0095] Газы вводятся и протекают через пространства тока 72, 74, 80, 82 таким образом, чтобы аксиальная скорость (то есть, по отношению к оси 52) была бы нулевой до вывода в смесительную камеру 116. Тангенциальные впуски 96, 98, 100, 102 и/или ориентация направляющих пластин 104, 106, 108, 110 могут быть установлены для каждого пространства тока 72, 74, 80, 82 таким образом, чтобы было бы достигнуто выбранное соотношение между азимутальной и радиальной скоростями для каждого из потоков подаваемого материала, которые протекают через пространства тока 72, 74, 80, 82. Что касается соотношения между азимутальной и радиальной скоростями, то в конкретных вариантах осуществления оно может находиться в диапазоне от 0 до 30 и более, говоря более конкретно, от 0, 1 или 2 до 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 или 30. В некоторых областях применения соотношение между азимутальной и радиальной скоростями может находиться в диапазоне от 0 до 5, говоря более конкретно, от 2 до 4. Однако, конкретное соотношение между азимутальной и радиальной скоростями может варьироваться в зависимости от конкретных конфигурации реактора и композиции различных потоков. Оно может быть более тесно соотнесено с временами смешивания и временами реакции в зависимости от расходов, композиции топлива и исходного сырья, использованного для крекинга.

[0096] Подвергнутые крекингу углеводородные продукты, произведенные в реакторе, удаляют из реакторной емкости 36 через выпуск 44, где они могут быть подвергнуты закаливанию и дополнительной переработке и отправлению на рециркуляцию в соответствии с обсуждением изобретения в отношении технологических стадий, прежде описанных для ФИГУРЫ 1.

[0097] В одной вариации описанного реактора дополнительный газ подаваемого материала для крекинга может быть введен в качестве потока вторичного подаваемого материала в промежуточной позиции вдоль длины реакторной емкости 36 таким образом, как во впуске 126 (ФИГУРА 2). В различных местоположениях и в реакторной емкости 36 могут быть расположены один или несколько таких впусков 124, которые могут быть дистанцированы друг от друга по окружности и продольно. Впуски 126 также могут быть ориентированы или сконфигурированы таким образом, чтобы газы вводились бы тангенциально для облегчения завихряющегося тока текучей среды подобно соответствующему току, доставляемому из впусков сборного узла подаваемого материала 58. Для введения такого газа подаваемого материала для крекинга могут быть использованы сборные узлы подаваемого материала, расположенные на реакторной емкости 36 подобно сборному узлу подаваемого материала 58, таким образом, чтобы в качестве завихряющегося тока текучей среды вводился бы подаваемый материал для крекинга.

[0098] В некоторых вариантах осуществления в одном реакторе может быть расположено множество сборных узлов впуска реактора и соответствующих сборных узлов подаваемого материала при одновременном сохранении высоких эксплуатационных характеристик.

[0099] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 6, на ней демонстрируется альтернативный вариант осуществления реактора 128. Реактор 128 подобен реактору 12, описанному прежде, при этом подобные компоненты маркируются одними и теми же ссылочными позициями. Реактор 128 включает сборный узел подаваемого материала реактора 130, который подобен сборному узлу подаваемого материала 58, описанному прежде, при определенных отличиях в отношении разделительных стенок, расположенных между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 60 и расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62.

[00100] Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 6, сборный узел подаваемого материала 130 имеет расположенную выше по потоку разделительную стенку для газа 132 и расположенную ниже по потоку разделительную стенку для газа 134, которые аксиально дистанцированы между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала 60, 62. Между расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа 132 и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа 134 аксиально дистанцирована промежуточная разделительная стенка 136, при этом разделительные стенки 132, 134, 136 аксиально дистанцированы одна от другой. Каждый представитель, выбираемый из разделительных стенок 132, 134, 136 или их окружных частей, также ориентирован перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52. Каждая из разделительных стенок 132, 134, 136 завершается на своих внутренних концах в позиции ниже или по потоку выше сходящегося канала 48, что определяет центральные отверстия, соответственно, 138, 140, 142, которые охватывают центральную ось 52 и являются концентрическими со сходящимся каналом 48. Каждое из центральных отверстий 138, 140, 142 имеет круглую конфигурацию. Также могут быть использованы и другие формы (например, овальные) для центральных отверстий 138, 140, 142 при том условии, что такая конфигурация облегчает завихрение газов для получения требуемых рисунков тока, описанных в настоящем документе. Данная форма также может соответствовать форме поперечного сечения окружной стенки 50 сходящегося канала 48. Однако, в большинстве областей применения центральные отверстия 138, 140, 142 будут круглыми по форме. Центральные отверстия 138, 140, 142 могут иметь диаметр или ширину, которые являются идентичными или слегка отличными в сопоставлении с диаметром или шириной стесненного утончения 54 сходящегося канала 48 в его наиболее узкой точке.

[00101] В реакторе 128 центральное отверстие 138 расположенной выше по потоку разделительной стенки 132 может иметь периферию, которая дистанцирована на некотором расстоянии снаружи от центрального отверстия 142 промежуточной разделительной стенки 136, как это продемонстрировано. Область, дистанцированная по радиусу внутри центрального отверстия 142 промежуточной разделительной стенки 136 между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62 и промежуточной разделительной стенкой 136 определяет кольцеобразную зону сгорания 144. Размер центрального отверстия 138 может варьироваться для согласования с радиальной протяженностью зоны сгорания 144.

[00102] Расположенная выше по потоку разделительная стенка 132 аксиально дистанцирована между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62 и промежуточной разделительной стенкой 136, что определяет пространства тока 146, 148, которые составляют первое и второе кольцеобразные пространства тока впуска топливного газа. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 146 составляет расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала топливного газа, и пространство тока 148 составляет расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала топливного газа. Подаваемый материал топливного газа может быть образован из подаваемого материала кислородсодержащего топливного газа и подаваемого материала топливного газа, обогащенного по водороду, в соответствии с представленным прежде описанием изобретения, которые вводят в первое и второе кольцеобразные пространства тока впуска топливного газа 146, 148, как и в реакторе 12. Во множестве областей применения пространство тока, использованное для кислородсодержащего газа, будет дистанцировано дальше всех от тока подаваемого материала для крекинга углеводорода, что предотвращает или сводит к минимуму любое сгорание подаваемого материала для крекинга. Таким образом, в продемонстрированном варианте осуществления кислородсодержащий газ вводили бы в пространство тока 146. Либо кислородсодержащий газ, либо обогащенный по водороду топливный газ, введенные в пространства тока 146, 148, либо оба из них могут быть введены вместе с совместно подаваемым материалом водяного пара. Кольцеобразное пространство тока газа 150 определяется расположенной ниже по потоку частью расположенной ниже по потоку разделительной стенки 134 и расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 60. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 150 может составлять кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала для крекинга углеводорода или, в альтернативном варианте, пространство тока впуска подаваемого материала водяного пара.

[00103] Между расположенной выше по потоку частью расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа 134 и расположенной ниже по потоку частью промежуточной разделительной стенки 136 также определяется дополнительное кольцеобразное пространство тока 152. Пространство тока 152 может составлять кольцеобразное пространство тока впуска водяного пара или воды или, в альтернативном варианте, кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала для крекинга углеводорода.

[00104] При совместной подаче водяного пара вместе с подаваемыми материалами топлива может быть исключен отдельный подаваемый материал водяного пара для сборного узла подаваемого материала 130. В таких случаях одно из пространств тока 150, 152 может быть исключено в результате удаления любых разделительных стенок 134, 136 и междулежащего пространства тока.

[00105] Тракты тока 146, 148, 150, 152 сконфигурированы таким образом, чтобы различные подаваемые материалы проходили бы через пространства тока перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси 52 сходящегося канала 48 в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока таким образом, чтобы подаваемые материалы протекали бы вокруг центральной оси 52 сходящегося канала 48. Направляющие пластины 104, 106, 108, 110 также могут быть использованы для облегчения завихряющегося тока текучей среды. Подаваемый материал топливного газа из пространства тока сгорает главным образом в маленькой зоне сгорания 144 между внутренним концом разделительной стенки 136 и расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62 в пределах центрального отверстия 138 расположенной выше по потоку разделительной стенки 132.

[00106] В варианте осуществления с ФИГУРЫ 6 окисляющий газ приближает полное сгорание в зоне сгорания 144, расположенной ниже подаваемого материала для крекинга, введенного в один из трактов тока 150, 152. Поэтому газ для крекинга встречается с продуктами сгорания только выше зоны 144. В дополнение к этому, холодный ток поступающего газа для крекинга в тракте тока 150 или 152 умеряет температуру окружной стенки 50 канала 48 по мере прохождения данного тока через впуск реактора 46, а также предохраняет стенки реактора 38 от перегревания.

[00107] Реактор 128 также отличается от реактора 12 тем, что исключается стенка 42 (ФИГУРА 2) для охлаждающей рубашки. В целях облегчения охлаждения реактора 28 предусматривают один или несколько сборных узлов подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156 для введения или нагнетания охлаждающих газов в реактор 128. Охлаждающие газы могут быть нейтральным или инертным газом, таким как водяной пар, который может иметь температуру, достаточную для получения желательного эффекта охлаждения. Это может включать водяной пар при температуре в диапазоне от 100°С до 250°С (например, при 150°С). Охлаждающий газ также может представлять собой подаваемый материал для крекинга углеводорода при относительно пониженной температуре, например, в диапазоне от 25°С до 500°С.

[00108] Сборные узлы подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156 могут быть сконфигурированы подобно сборным узлам подаваемого материала 58, 130 реакторов 12 и 128 для получения завихряющегося тока охлаждающих газов, когда их вводят в реактор 128. Каждый сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156 сконструирован из пары аксиально дистанцированных стенок сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа 158, 160, ориентированных перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52.

[00109] Между стенками сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа 158, 160 каждого сборного узла подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156 определяется кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа 162. В продемонстрированном варианте осуществления сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа 154 составляет расположенный ниже по потоку сборный узел охлаждения, включающий пространство тока впуска 162, сообщающееся с окружным отверстием или впуском 164 стенки реактора 38 и реакционной камерой 40. Позиция сборного узла подаваемого материала 154 и впуска 164 могут быть расположены в позиции по длине стенки реактора 38 или цилиндрических частей стенки реактора 38 выше профилированной, вогнутой или сужающейся части 166 и выше сборного узла впуска реактора 46 и сходящегося канала 48.

[00110] Сборный узел подаваемого материала охлаждающего газа 156 составляет расположенный выше по ходу технологического тока сборный узел охлаждения, включающий пространство тока впуска 162, сообщающееся с окружным отверстием или впуском 168 стенки реактора 38 или окружной стенки 50 вдоль профилированной, вогнутой или суживающейся части 166, где встречаются стенка реактора 38 и окружная стенка 50 сходящегося канала 48.

[00111] Каждое из кольцеобразных пространств токов 162 сборных узлов подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156 также может быть снабжено множеством дистанцированных по окружности направляющих пластин 170 для облегчения завихряющегося тока текучей среды в пределах пространств тока впуска охлаждающего газа 162 сборных узлов подаваемого материала 154, 156. Направляющие пластины 170 могут быть сконструированы и функционировать подобно направляющим пластинам 104, 106, 108, 110, описанным прежде.

[00112] Кольцеобразный коллектор охлаждающего газа 172 может быть расположен вокруг внешней периферии пространств тока 162 каждого из сборных узлов подаваемого материала 154, 156. Коллектор газа 172 через текучую среду сопрягается с источником подаваемого материала охлаждающего газа, таким как водяной пар. Впуски охлаждающего газа 174 коллектора 172 могут быть направлены тангенциально в пространство тока 162 таким образом, чтобы охлаждающие газа не были бы направлены по радиусу к центральной оси 52, но вместо этого были бы направлены большей частью тангенциально вокруг центральной оси 52 для получения рисунка тока, закручивающегося вовнутрь. Кроме того еще, стенки 158, 160, формирующие пространства тока 162 сборных узлов подаваемого материала охлаждающего газа 154, 156, удерживают охлаждающие газы, введенные из коллектора 172, от аксиального протекания вдоль центральной оси 52 при одновременном их удерживании в пределах пространств тока 162. Коллекторы 172 могут быть сконфигурированы в виде стандартных коллекторов (например, улиткообразных), которые в типичном случае могут быть использованы в вихревых устройствах.

[00113] Высокая скорость завихрения и сравнительная низкая температура нагнетаемых охлаждающих газов прижимает охлаждающие газы вдоль боковых стенок реактора. Эффект охлаждения делает возможными исключение охлаждающей рубашки и/или использование жаропрочных материалов для реактора 128.

[00114] В определенных вариантах осуществления для облегчения достаточного охлаждения по длине реактора 128 по мере надобности может быть расположено несколько сборных узлов подаваемого материала охлаждающего газа, таких как сборные узлы подаваемого материала 154, 156. Подобным образом, в определенных вариантах осуществления может быть исключен любой один из сборных узлов подаваемого материала 154, 156.

[00115] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 7, на ней демонстрируется пластина 176, которая может быть использована для любого одного или всех из сборных узлов подаваемого материала 58, 136, 154, 156. Пластина 176 является неплоскостной и сконфигурирована в виде аэродинамического профиля. Пластина 176 сконфигурирована для уменьшения сопротивления трения и включает передний конец 178 и задний конец 180.

[00116] ФИГУРА 8 демонстрирует изображение вида сверху пластины с аэродинамическим профилем 176. Линии 112 с ФИГУРЫ 4 может соответствовать хорда или линия 182, проходящая через переднюю кромку и заднюю кромку пластины 176. Передний конец 178 и задний конец 180 соединяются противоположными боковыми стенками 184, 186, которые сходятся на заднем конце 180. Поперечные размеры пластины 176 могут быть однородными по высоте пластины. Однако, в других вариантах осуществления поперечные размеры могут варьироваться по высоте пластины. Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 9, искривленные боковые стенки аэродинамического профиля 176 могут быть представлены тремя дугами 180, 190 и 192, которые продемонстрированы по компонентно с дистанцированием одна от другой. Дуга 188 представляет собой передний конец или стенку или купол переднего конца пластины 176. Дуга 190 составляет левую дугу, представляющую левую боковую стенку 184, которая соединяется с передней дугой 184 на одном конце и завершается на другом конце на заднем конце 180 аэродинамического профиля 176. Дуга 192 составляет правую дугу, представляющую правую боковую стенку 186, которая соединяется с передней дугой 184 на одном конце и завершается на другом конце на заднем конце 180 аэродинамического профиля 176.

[00117] Как это можно сказать при обращении к ФИГУРЕ 10, она представляет собой схему, демонстрирующую пару пластин с аэродинамическим профилем 176А и 176 В, как они были бы скомпонованы в пределах любого одного из пространств тока сборных узлов подаваемого потока впуска газа, которые были описаны прежде. Как это можно видеть, задние концы 180 скомпонованы вокруг периметра круга 194, имеющего радиус R, который определяет внутреннюю границу пластин для газа 176. Точки на пластинах 176А, 176 В могут быть определены при использовании полярных координат r и ϕ. Точки на пластинах 176А, 176 В также могут быть представлены и декартовыми координатами x=r⋅cos(ϕ) и y=r⋅sin(ϕ).

[00118] Для разработки конструкции аэродинамического профиля 176А может быть использована дуга эллипса, имеющего центр 196, расположенный с координатами х_е=0 и у_е=R+b. Левая дуга 190 может быть описана уравнениями (х/а)²+((у - у_е))²=1, - а<x<0 и y<y_e, a=k₁R, b=a/2. В рамках одного примера значение k₁ может быть равным 0,85.

[00119] Правая дуга 192 представляет собой по существу левую дугу 190, сжатую к оси у. В данном случае правая дуга 192 может быть определена при использовании выражения x_R=k₂x_L, где y_R=y_L. В рамках одного примера значение k₂ может быть равным 0,75. Уравнение, описывающее переднюю дугу 188, соответствует верхней половине круга ((х - х_с)/R₂)²+((y - y_e)/R₂)²=1, y>R+b, где x_c=k₁R(1+k₂)/2 и R₂=k₁R(1 - k₂)/2. Данные три дуги 188, 190, 192 совместно составляют левую направляющую пластину 176А.

[00120] В целях представления правой пластины 176 В рассчитывают каждую точку левой пластины 176А (то есть, х₁, у₁), ее полярные координаты r₁=(x₁²+y₁)^1/2 и ϕ₁=а⋅cos(x₁/r₁). После этого рассчитывают угол в полярной системе координат ϕ₂=ϕ₁-2π/N, где N представляет собой совокупное количество дистанцированных по окружности направляющих пластин в пределах пространства тока. Декартовы координаты для правой пластины 176 В могут быть рассчитаны в виде x₂=r_1⋅cos(ϕ₂) и y₂=r₁⋅sin(ϕ₂).

[00121] Методика расчета правой пластины 176 В может быть повторена вплоть до представления всех направляющих пластин. Контрольные параметры R, N, k₁ и k₂ могут быть модифицированы для конкретных областей применения.

[00122] ФИГУРА 11 демонстрирует еще один вариант осуществления реактора 198. Реактор 198 подобен реакторам 12 и 128, описанным прежде, при этом подобные компоненты маркируются одними и теми же ссылочными позициями. Реактор 198 включает сборный узел подаваемого материала реактора 200, который подобен сборным узлам подаваемого материала 58, 130, описанным прежде, при некоторых отличиях.

[00123] Сборный узел подаваемого материала 200 имеет расположенную выше по потоку разделительную стенку для газа 202 и расположенную ниже по потоку разделительную стенку для газа 204, которые аксиально дистанцированы между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала 60, 62. Между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала газа 62 и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа 204 аксиально дистанцирована расположенная выше по потоку разделительная стенка 202, при этом разделительные стенки 202 и 204 аксиально дистанцированы одна от другой. Каждый представитель, выбираемый из разделительных стенок 202, 204 или их окружных частей, также ориентирован перпендикулярно или по существу перпендикулярно (то есть, при ≤5 градусов от перпендикуляра относительно их окружности, как они простираются по радиусу от центральной оси) по отношению к центральной оси 52.

[00124] Как это продемонстрировано на ФИГУРЕ 11, расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа 204 отличается от соответствующих стенок, описанных прежде, в том смысле, что от расположенной ниже по потоку разделительной стенки 204 простирается искривленная кольцеобразная протяженная часть стенки 206, которая искривляется вверх или ниже по потоку и дистанцирована от контуров окружной стенки 50 сходящегося канала 48 сборного узла впуска реактора 46 и согласуется с данными контурами и завершается в позиции по потоку ниже кольцеобразной стесненной утонченной части 54. Разделительная стенка 204, включающая протяженную искривленную часть 206, определяет расположенное ниже по потоку пространство тока впуска 208, расположенное в кольцеобразном пространстве между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 60 и окружной стенкой 50 сборного узла впуска реактора 46 и разделительной стенкой 204, включающей протяженную часть 206. Искривленная часть 210 расположенного ниже по потоку пространства тока впуска 208 производит вывод в центральном кольцеобразном отверстии 211, которое охватывает центральную ось 52 в реакторной камере 40 по потоку ниже стесненной утонченной части 54.

[00125] Расположенная выше по потоку разделительная стенка 202 завершается на своем внутреннем конце в позиции по потоку выше сходящегося канала 48 и имеет центральное отверстие 214, которое охватывает центральную ось 52 и является концентрическим со сходящимся каналом 48. Центральное отверстие 214 имеет круглую конфигурацию. Также могут быть использованы и другие формы (например, овальные) для центрального отверстия 214 при том условии, что такая конфигурация облегчает завихрение газов для получения требуемых рисунков тока, описанных в настоящем документе. Данная форма также может соответствовать форме поперечного сечения окружной стенки 50 сходящегося канала 48.

[00126] Расположенная выше по потоку разделительная стенка 202 аксиально дистанцирована между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала 62 и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой 204, что определяет пространства тока 216, 218, которые составляют первое и второе кольцеобразные пространства тока впуска топливного газа. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 216 составляет расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала топливного газа, и пространство тока 218 составляет расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала топливного газа. Подаваемый материал топливного газа может быть образован из подаваемого материала кислородсодержащего топливного газа и подаваемого материала топливного газа, обогащенного по водороду, в соответствии с представленным прежде описанием изобретения, которые вводят в первое и второе кольцеобразные пространства тока впуска топливного газа 216, 218. Либо кислородсодержащий газ, либо обогащенный по водороду топливный газ, введенные в пространства тока 216, 218, либо оба из них могут быть введены вместе с совместно подаваемым материалом водяного пара. В продемонстрированном варианте осуществления пространство тока 208 может составлять кольцеобразное пространство тока впуска подаваемого материала для крекинга углеводорода.

[00127] Тракты тока 208, 216, 218 сконфигурированы таким образом, чтобы различные подаваемые материалы первоначально проходили бы через пространства тока перпендикулярно к центральной оси 52 сходящегося канала 48 в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока таким образом, чтобы подаваемые материалы протекали бы вокруг центральной оси 52 сходящегося канала 48. Для облегчения такого завихряющегося тока могут быть использованы направляющие пластины 220, 223, 224.

[00128] Для случая газа для крекинга, введенного через пространство тока 208, газ для крекинга протекает по спирали вверх через искривленную часть 210 пространства тока 208 и выводится через отверстие 212 в реакционную камеру.

[00129] Подаваемый материал топливного газа из пространств тока 216, 218 сгорает в центральной камере 116. Вследствие наличия у расположенной ниже по потоку разделительной стенки 204 протяженной части 206, которая простирается позади стесненной утонченной части 54 и отделяет сгорающие топливные газы в пределах центральной камеры 116, где они полностью сгорают, или полностью потребляется кислородсодержащий газ, отсутствует опасность сгорания введенного газа для крекинга. Введенный газ для крекинга также облегчает охлаждение стенок реактора.

[00130] Конструкции реактора, описанные в настоящем документе, характеризуются наличием признака обеспечения высокой степени превращения подаваемого материала для крекинга и повышенной селективности по олефинам в сопоставлении с тем, что имеет место для других обыкновенных способов крекинга, и при намного более высоких давлениях, чем давления, используемые в типичном случае. Реакторы являются относительно простыми по конфигурации, что может значительно уменьшить капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Высокозавихряющаяся газовая смесь обеспечивает получение стабильного и компактного сгорания при использовании предварительно несмешанных топливных газов (то есть, Н₂+О₂), которые сгорают в пределах маленькой зоны сгорания сборного узла подаваемого материала. Стенки реактора охлаждают под воздействием завихряющегося тока водяного пара (или более холодного подаваемого материала) на стенку, что делает возможными более высокие температуры в реакторе, требуя более коротких времен пребывания, таким образом, чтобы были бы произведены более желательные продукты (например, этилен). Выдерживание пониженных температур стенки реактора также делает возможными использование вместо металлических материалов жаропрочных материалов и, таким образом, сведение к минимуму тепловых потерь.

[00131] Вследствие непосредственного смешивания нагретых газов сгорания с подаваемым материалом для крекинга в завихряющейся газовой смеси для проведения реакций крекинга имеет место прямая газо-газовая теплопередача. В этом заключается отличие от обыкновенных реакторов крекинга, таких как трубчатые печи, которые полагаются на непрямую теплопередачу, где тепло передается через стенки труб реактора от отдельного источника нагревания, такого как внешние газы сгорания. В данном случае технологический процесс интенсифицируют в результате непосредственного объединения экзотермической стадии получения тепла от сгорания подаваемого материала топлива с эндотермической стадией крекинга подаваемого материала для крекинга. Таким образом, исключаются или сводятся к минимуму потери энергии, обусловленные теплопередачей через стенки реактора и оборудование, как у обыкновенных систем. Реактор может быть масштабирован в результате увеличения интенсивности запитывания и масштабирования размеров.

[00132] Следующие далее примеры используются для дополнительного иллюстрирования различных вариантов осуществления и областей применения.

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕР 1

[00133] Для оптимальной разработки конструкции реактора крекинга в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе в целях проверки его эксплуатационных характеристик при использовании численных экспериментов проводили моделирования в рамках вычислительной газогидродинамики (ВГД) при использовании коммерческого программного обеспечения, доступного в виде продукта программного обеспечения ANSYS FLUENT®. Завихряющийся ток текучей среды, теплопередачу и детализированные газофазные реакции моделировали в рамках двумерного аксиально-симметричного варианта ВГД при использовании подхода с осредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса (RANS), использующего модель турбулентности при напряжениях Рейнольдса. Смоделированный реактор ANJEVOC-C в базовом случае имел внутренний диаметр, составляющий приблизительно 6 дюймов (152,4 мм). В качестве подаваемого материала для крекинга использовали этан. Использованные подаваемые материалы представляли собой 72 кг/час этана, 38 кг/час кислорода в смеси с 38 кг/час водяного пара, 12 кг/час водорода и еще один поток водяного пара при 18 кг/час поблизости от стенки реактора для защиты стенки. На основании предшествующего практического опыта с подобными реакторами возможным является масштабирование данного реактора для использования 3600 кг/час этана, 1800 кг/час кислорода в смеси с 1800 кг/час водяного пара, 612 кг/час водорода и еще одного потока водяного пара при 900 кг/час поблизости от стенки реактора для защиты стенки.

[00134] ФИГУРЫ 12 и 13 демонстрируют геометрию реактора крекинга и распределение по аксиальной скорости и скорости завихрения в модели установки лабораторного масштаба. Более темные области на ФИГУРЕ 6 указывают на высокую аксиальную скорость, в то время как более светлые области указывают на низкую аксиальную или отрицательную (обратный ток) скорость по отношению к продольной оси. Совместно с контуром аксиальной скорости на той же самой фигуре представлены и стрелки, указывающие на направления тока. На впуске сборного узла подаваемого материала аксиальная скорость была близкой к нулю для каждого из подаваемых материалов, радиальная и азимутальная скорости были однородными, и для всех потоков впуска соотношение между азимутальной и радиальной скоростями составляло 10. Данный высокозавихряющийся ток формирует участок рециркулирования поблизости от оси реактора в соответствии с представленным выше описанием изобретения в отношении зоны рециркулирования 124 с ФИГУРЫ 5. Это можно видеть по наиболее светлым участкам (участок обратного тока в реакционной камере поблизости от оси на ФИГУРЕ 12). Участки наибольшего аксиального тока представляли собой более темные области вдоль сходящегося канала и вдоль стенок реактора.

[00135] ФИГУРА 13 демонстрирует скорость завихрения, при этом более темные участки представляют более высокую скорость завихрения, а более светлые участки представляют более низкую скорость завихрения. Как это можно видеть, скорость завихрения является наибольшей вдоль внешних кромок смесительной камеры сборного узла подаваемого материала, при этом наибольшая скорость завихрения имеет место вдоль стесненной утонченной части сходящегося канала. Скорость завихрения также является высокой вдоль боковых стенок реактора, где они соединяются со сходящимся каналом.

[00136] ФИГУРА 14 демонстрирует функцию потока. Сквозной поток проходит поблизости от стенки реактора в сопле и соседней половине цилиндрических частей. Имеет место обратный ток поблизости от оси, и между осью и стенкой происходит рециркулирование смешанных газов. Кривые, разделяющие оттенки шкалы серых тонов, представляют собой контуры функции потока.

[00137] ФИГУРА 15 демонстрирует распределение по массовой доле для подаваемого материала при крекинге этана (С₂Н₆) в пределах реакторной системы.

[00138] ФИГУРА 16 демонстрирует температурный профиль реакторной системы. Как это продемонстрировано, сгорание происходит в пределах зоны сгорания, соответствующей зоне сгорания 86 сборного узла подаваемого материала 58 с ФИГУРЫ 2, при этом более высокие температуры от газов сгорания располагаются вдоль сходящейся утонченной части. В дополнение к этому, подаваемый материал водяного пара формирует тонкий более холодный слой, непосредственно соседствующий со стесненной утонченной частью. Температура в пределах самого реактора равномерно выдерживается при приблизительно 1200°С.

[00139] ФИГУРЫ 17, 18 и 19 демонстрируют распределение по массовой доле, соответственно, для водородного газа, кислородного газа и водяного пара в пределах реакторной системы. Как это можно видеть исходя из ФИГУРЫ 17, почти что весь водород подаваемого материала сжигают в зоне сгорания. Водород, произведенный в результате крекинга, является равномерно распределенным в цилиндрической части реактора. Как это можно видеть на ФИГУРЕ 18, весь кислородный газ непосредственно потребляется в пределах зоны сгорания сборного узла подаваемого материала, соответствующей зоне сгорания 86 сборного узла подаваемого материала 58 с ФИГУРЫ 2. Как это можно видеть на ФИГУРЕ 19, весь водяной пар подаваемого материала, введенный через пространство тока впуска водяного пара, защищает стенку сопла от перегревания. Все данные компоненты являются равномерно распределенными в цилиндрической части.

[00140] ФИГУРА 20 демонстрирует распределение по массовой доле для атомарного кислорода (О), который производится и потребляется в пределах зоны сгорания и почти что отсутствует в реакторной системе.

[00141] ФИГУРЫ 21, 22 и 23 демонстрируют распределение по массовой доле для подвергнутых крекингу продуктов в виде, соответственно, этилена, ацетилена и пропилена, образованных в пределах реакторной системы. Как это демонстрирует ФИГУРА 21, С₂Н₄ большей частью производится в сопле и поблизости от стенки реактора. Как это демонстрирует ФИГУРА 22, С₂Н₂ большей частью производится в сопле. Как это демонстрирует ФИГУРА 23, крекинг завершается приблизительно на аксиальном расстоянии в два диаметра по ходу технологического потока ниже утончения сопла.

ФИГУРА 24 демонстрирует распределение по массовой доле для СО в пределах реакторной системы. СО производится поблизости от утончения сопла, поскольку только 94% кислорода сжигается в зоне сгорания. Оставшиеся 6% кислорода вступают в реакцию с углеводородами.

ПРИМЕР 2

[00142] Совместно с моделированиями ВГД использовали модель реакторной сети с детализированным механизмом в целях рассмотрения предела по химической кинетике и максимальных показателей эксплуатационных характеристик для данной новой конструкции в отношении варьирующегося исходного сырья. Одно моделирование (случай 1) проводили при использовании Н₂ в качестве топлива и С₂Н₆ в качестве углеводорода для крекинга подобно моделированию ВГД в ПРИМЕРЕ 1. Второе моделирование (случай 2) проводили при использовании Н₂ в качестве топлива и лигроина (NP) в качестве углеводорода для крекинга. Третье моделирование (случай 3) также проводили при использовании СН₄ в качестве топливного газа для крекинга лигроина. Результаты сопоставляли с обыкновенной установкой крекинга этана и обыкновенной установкой крекинга лигроина. Результаты представлены в приведенной ниже таблице 1:

Таблица 1

* Установка крекинга этана Случай 1: ANJEVOC-C,
H₂ топлива=100%
Газ для установки крекинга: C₂H₆ * Установка крекинга лигроина 4 Случай 2: ANJEVOC-C,
H₂ топлива=100%
Газ для установки крекинга: NP Случай 3: ANJEVOC-C,
CH₄ топлива=100%
Газ для установки крекинга: NP Селективность по C₂H₄ и C₂H₂/C₃H₆ (%) 77,6 84
(83 исходя из ВГД) 48 66 77 Степень превращения газа для крекинга (%) 65 95
(65 исходя из ВГД) 95 100 100 Совокупный выход по C2/C3 олефинам/проход (%) 53 80 46 66 77 (42 для случая включения CH₄) Температура [°С] 840-860 1227 820 ~ 840 1243 1067 Время пребывания [мс] 100 ~ 600 ~ 5 100 ~ 600 ~ 4 ~ 15

Как это демонстрируют результаты, степень превращения газа для крекинга и селективность по С₂/С₃ для реактора ANJEVOC-C являются лучшими, чем у обыкновенной установки парового крекинга этана и лигроина вследствие прямых смешивания и теплопередачи, благоприятной рабочей температуры и короткого времени пребывания.

[00143] Несмотря на демонстрацию изобретения в некоторых из его форм для специалистов в соответствующей области техники должно быть очевидным то, что на него таким образом ограничений не накладывают, но что оно подвержено различным изменениям и модифицированиям без отклонения от объема изобретения на основании экспериментальных данных или других оптимизаций при рассмотрении общих экономических показателей технологического процесса. В соответствии с этим, надлежащим является восприятие прилагающейся формулы изобретения в широком смысле и по варианту, согласующемуся с объемом изобретения.

Изобретение относится к способам превращения, предназначенным для превращения широкого спектра углеводородов в целях производства более ценных продуктов, и конструкциям реакторов для такого превращения. Реакторная система для превращения углеводородов, включающая: реакторную емкость, имеющую стенку реактора, которая определяет реакционную камеру; сборный узел впуска реактора, имеющий сходящийся канал, включающий окружную стенку, которая охватывает центральную продольную ось и простирается от противоположных концов сходящегося канала, расположенных выше по потоку и ниже по потоку, при этом окружная стенка сужается по ширине от концов, расположенных ниже по потоку и выше по потоку, к кольцеобразной стесненной утонченной части, расположенной между концами сходящегося канала, расположенными ниже по потоку и выше по потоку, причем конец сходящегося канала, расположенный ниже по потоку, находится в сообщении через текучую среду с реакционной камерой реактора, при этом конец сходящегося канала, расположенный выше по ходу технологического потока, образует впуск сборного узла впуска реактора; сборный узел подаваемого материала в сообщении через текучую среду со впуском сборного узла впуска реактора, причем центральная ось проходит через сборный узел подаваемого материала, при этом сборный узел подаваемого материала включает: расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая простирается по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца сборного узла впуска реактора и соединяется с данным концом, причем расположенная ниже по потоку стенка сборного узла подаваемого материала ориентирована перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси; расположенную выше по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая аксиально дистанцирована по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки сборного узла подаваемого материала вдоль центральной оси и простирается перпендикулярно или по существу перпендикулярно поперек центральной оси; расположенную выше по потоку разделительную стенку для газа и расположенную ниже по потоку разделительную стенку для газа, каждая из которых аксиально дистанцирована между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала и которые аксиально дистанцированы одна от другой, при этом расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа или их окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси, по меньшей мере одна стенка, выбираемая из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа, завершается в позиции выше по потоку относительно сходящегося канала, что определяет центральное отверстие, которое охватывает центральную ось сходящегося канала, при этом между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной выше по потоку разделительной стенкой определяется расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска, между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска, между расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется промежуточное пространство тока впуска; где упомянутые кольцеобразные пространства тока впуска вызывают перпендикулярное или по существу перпендикулярное к центральной оси сходящегося канала протекание введенных подаваемых материалов в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока вокруг центральной оси сходящегося канала; и где область, простирающаяся от центрального отверстия по меньшей мере одной стенки, выбираемой из расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительных стенок, до впуска сборного узла впуска реактора, определяет центральную камеру сборного узла подаваемого материала, при этом нагретые газы сгорания из по меньшей мере одного из пространств тока впуска выводят в центральную камеру, причем подаваемый материал углеводорода и нагретые газы сгорания проходят в виде завихряющихся газов через сходящийся канал в реакционную камеру. Технический результат - повышение эффективности превращения углеводородов. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 табл., 24 ил.

1. Реакторная система для превращения углеводородов, включающая:

реакторную емкость, имеющую стенку реактора, которая определяет реакционную камеру;

сборный узел впуска реактора, имеющий сходящийся канал, включающий окружную стенку, которая охватывает центральную продольную ось и простирается от противоположных концов сходящегося канала, расположенных выше по потоку и ниже по потоку, при этом окружная стенка сужается по ширине от концов, расположенных ниже по потоку и выше по потоку, к кольцеобразной стесненной утонченной части, расположенной между концами сходящегося канала, расположенными ниже по потоку и выше по потоку, причем конец сходящегося канала, расположенный ниже по потоку, находится в сообщении через текучую среду с реакционной камерой реактора, при этом конец сходящегося канала, расположенный выше по ходу технологического потока, образует впуск сборного узла впуска реактора;

сборный узел подаваемого материала в сообщении через текучую среду с впуском сборного узла впуска реактора, причем центральная ось проходит через сборный узел подаваемого материала, при этом сборный узел подаваемого материала включает:

расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала (60), которая простирается по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца сборного узла впуска реактора и соединятся с данным концом, причем расположенная ниже по потоку стенка сборного узла подаваемого материала ориентирована перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси;

расположенную выше по потоку стенку сборного узла подаваемого материала (62), которая аксиально дистанцирована по потоку выше расположенной ниже по потоку стенки сборного узла подаваемого материала (60) вдоль центральной оси и простирается перпендикулярно или по существу перпендикулярно поперек центральной оси;

расположенную выше по потоку разделительную стенку для газа (64) и расположенную ниже по потоку разделительную стенку для газа (66), каждая из которых аксиально дистанцирована между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала и которые аксиально дистанцированы одна от другой, при этом расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа или их окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси, по меньшей мере одна стенка, выбираемая из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа (64) и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа (66), завершается в позиции выше по потоку относительно сходящегося канала, что определяет центральное отверстие (68, 70), которое охватывает центральную ось сходящегося канала, при этом между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала (62) и расположенной выше по потоку разделительной стенкой (64) определяется расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска (72), между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала (60) и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа (66) определяется расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска (74), между расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа (64) и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа (66) определяется промежуточное пространство тока впуска (76); где

упомянутые кольцеобразные пространства тока впуска вызывают перпендикулярное или по существу перпендикулярное к центральной оси сходящегося канала протекание введенных подаваемых материалов в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока вокруг центральной оси сходящегося канала; и где

область, простирающаяся от центрального отверстия по меньшей мере одной стенки, выбираемой из расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительных стенок, до впуска сборного узла впуска реактора, определяет центральную камеру сборного узла подаваемого материала, при этом нагретые газы сгорания из по меньшей мере одного из пространств тока впуска выводят в центральную камеру, причем подаваемый материал углеводорода и нагретые газы сгорания проходят в виде завихряющихся газов через сходящийся канал в реакционную камеру.

2. Реакторная система по п. 1, где

по меньшей мере одно из кольцеобразных пространств тока впуска снабжено дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения завихряющегося тока текучей среды в пределах упомянутого по меньшей мере одного из пространств тока впуска.

3. Реакторная система по п. 2, где

направляющие пластины могут быть перемещаемыми до выбранных позиций и углов наклона для получения выбранных соотношений между азимутальной и радиальной скоростями для текучих сред, протекающих в пределах кольцеобразных пространств тока впуска.

4. Реакторная система по п. 2, где

направляющие пластины сконфигурированы в виде неплоскостных аэродинамических профилей.

5. Реакторная система по п. 1, где

стенка реактора является цилиндрической.

6. Реакторная система по п. 1, где

окружная стенка сходящегося канала от расположенного ниже по потоку конца до кольцеобразной стесненной утонченной части и необязательно расположенной выше по потоку части стенки реактора реакционной камеры, которая соединяется с окружной стенкой сходящегося канала, сконфигурирована в виде гладкой непрерывной стенки, которая согласуется с линиями контура формы эллипсоидного купола или сферического купола.

7. Реакторная система по п. 1, где

расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа имеет протяженную часть, которая дистанцирована от контуров окружной стенки сходящегося канала сборного узла впуска реактора и согласуется с данными контурами и завершается в позиции ниже по потоку относительно кольцеобразной стесненной утонченной части таким образом, что определяется расположенное ниже по потоку пространство тока впуска, которое выходит в область, расположенную ниже по потоку относительно стесненной утонченной части.

8. Реакторная система по п. 1, где

по меньшей мере один из А и В, где

А представляет собой промежуточное кольцеобразное пространство тока впуска газа, которое разделяется промежуточной разделительной стенкой для газа, имеющей центральное отверстие, которая охватывает центральную ось сходящегося канала и разделяет промежуточное пространство тока впуска на расположенное выше по потоку и расположенное ниже по потоку промежуточные кольцеобразные пространства тока впуска, которые составляют пространства тока впуска для введения подаваемого материала топливного газа и подаваемого материала окислителя; и

В представляет собой расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска газа и промежуточное пространство тока впуска составляют пространства тока впуска для введения подаваемого материала топливного газа и подаваемого материала окислителя.

9. Реакторная система по п. 1, дополнительно включающая

сборный узел подаваемого охлаждающего газа, находящийся в сообщении через текучую среду с по меньшей мере одним компонентом, выбираемым из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора, при этом сборный узел подаваемого охлаждающего газа включает

пару аксиально дистанцированных стенок сборного узла подаваемого охлаждающего газа, ориентированных перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси, причем между стенками сборного узла подаваемого охлаждающего газа определяется кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа, которое сообщается с упомянутым по меньшей мере одним компонентом, выбираемым из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора.

10. Реакторная система по п. 9, где

кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа снабжено дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения завихряющегося тока текучей среды в пределах упомянутого пространства тока впуска охлаждающего газа.

11. Способ крекинга углеводородов для получения углеводородных продуктов крекинга, включающий:

введение подаваемого углеводородного сырья, содержащего углеводороды, подвергаемые крекингу, в реакторную систему, включающую:

реакторную емкость, имеющую стенку реактора, которая определяет реакционную камеру;

сборный узел впуска реактора, имеющий сходящийся канал, включающий окружную стенку, которая охватывает центральную продольную ось и простирается от противоположных расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку концов сходящегося канала, при этом окружная стенка сужается по ширине от расположенного ниже по потоку и расположенного выше по потоку концов до кольцеобразной стесненной утонченной части, расположенной между расположенным ниже по потоку и расположенным выше по потоку концами сходящегося канала, причем расположенный ниже по потоку конец сходящегося канала находится в сообщении через текучую среду с реакционной камерой реактора, а расположенный выше по потоку конец сходящегося канала образует впуск сборного узла впуска реактора;

сборный узел подаваемого материала, находящийся в сообщении через текучую среду с впуском сборного узла впуска реактора, причем центральная ось проходит через сборный узел подаваемого материала, при этом сборный узел подаваемого материала включает:

расположенную ниже по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая простирается по окружности вокруг расположенного выше по потоку конца сборного узла впуска реактора и соединяется с данным концом, причем расположенная ниже по потоку стенка сборного узла подаваемого материала ориентирована перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси;

расположенную выше по потоку стенку сборного узла подаваемого материала, которая аксиально дистанцирована выше по потоку относительно расположенной ниже по потоку стенки сборного узла подаваемого материала вдоль центрального оси и простирается перпендикулярно или по существу перпендикулярно поперек центральной оси;

каждая из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа аксиально дистанцированы между расположенной ниже по потоку и расположенной выше по потоку стенками сборного узла подаваемого материала и аксиально дистанцированы одна от другой, при этом расположенная выше по потоку разделительная стенка для газа и расположенная ниже по потоку разделительная стенка для газа или их окружные части ориентированы перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси, причем по меньшей мере одна стенка из расположенной выше по потоку разделительной стенки для газа (64) и расположенной ниже по потоку разделительной стенки для газа завершается в позиции, расположенной выше по потоку относительно сходящегося канала, что определяет центральное отверстие, которое охватывает центральную ось сходящегося канала, при этом между расположенной выше по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной выше по потоку разделительной стенкой определяется расположенное выше по потоку кольцеобразное пространство тока впуска, между расположенной ниже по потоку стенкой сборного узла подаваемого материала и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется расположенное ниже по потоку кольцеобразное пространство тока впуска и между расположенной выше по потоку разделительной стенкой для газа и расположенной ниже по потоку разделительной стенкой для газа определяется промежуточное пространство тока впуска; где

упомянутые кольцеобразные пространства тока впуска вызывают перпендикулярное или по существу перпендикулярное протекание введенных подаваемых материалов по направлению к центральной оси сходящегося канала в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока вокруг центральной оси сходящегося канала; и где

область, простирающаяся от центрального отверстия по меньшей мере одной стенки из расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку разделительных стенок к впуску сборного узла впуска реактора, определяет центральную камеру сборного узла подаваемого материала; и где

подаваемый материал для крекинга в виде подаваемого материала углеводорода, подвергаемого крекингу, вводят в первое пространство тока впуска, а подаваемый материал топливного газа и подаваемый материал окислителя вводят в соседние второе и третье пространства тока впуска таким образом, чтобы подаваемые материалы проходили через упомянутые пространства тока перпендикулярно или по существу перпендикулярно по направлению к центральной оси сходящегося канала в виде рисунка тока текучей среды, завихряющегося вовнутрь, в пределах упомянутых пространств тока при протекании вокруг центральной оси сходящегося канала, причем подаваемый материал топливного газа и подаваемый материал окислителя сгорают в центральной камере с образованием нагретых газов сгорания, при этом горячие газы сгорания и подаваемый материал для крекинга выводят в центральную камеру и/или реакционную камеру таким образом, чтобы нагретые газы сгорания и подаваемый материал для крекинга смешивались один с другим и образовывали завихряющуюся нагретую газовую смесь;

предоставление возможности вступления нагретой газовой смеси в реакцию в пределах реакционной камеры реакторной емкости в условиях проведения реакции, подходящих для использования при крекинге углеводорода, с превращением по меньшей мере части подаваемого материала для крекинга в виде газовой смеси в углеводородные продукты, подвергнутые крекингу; и

удаление углеводородного продукта, подвергнутого крекингу, из реакционной камеры реакторной емкости.

12. Способ по п. 11, где

подаваемый материал окислителя содержит кислородсодержащий газ (О₂), а подаваемый материал топливного газа содержит водородсодержащий газ из по меньшей мере одного вещества, выбираемого из газообразного водорода газа (Н₂) и метана (СН₄), при этом кислородсодержащий газ вводят в одно пространство, выбираемое из первого и второго кольцеобразных пространств тока впуска топливного газа, а водородсодержащий газ вводят в другое из них.

13. Способ по п. 12, где

водородсодержащий газ вводят в сборный узел подаваемого материала для получения избытка водорода, который с кратностью от 1 до 5 раз превышает соответствующее количество, требуемое для сгорания подаваемого материала топливного газа.

14. Способ по п. 11, где

подаваемый материал для крекинга включает по меньшей мере одно вещество из этана, сжиженного нефтяного газа, бутана, лигроина, природного газа, легких газойлей и тяжелых газойлей, при этом подаваемый материал для крекинга необязательно предварительно смешивают с водяным паром.

15. Способ по п. 11, где

от удаленного углеводородного продукта, подвергнутого крекингу, отделяют и отправляют на рециркуляцию в сборный узел подаваемого материала по меньшей мере одно вещество из газообразного водорода (Н₂), метана и оксидов углерода.

16. Способ по п. 11, где

соотношение между азимутальной и радиальной скоростями для каждого материала из подаваемых материалов и потока подаваемого материала кислородного газа в пределах кольцеобразных пространств тока находится в диапазоне от 0 до ∞.

17. Способ по п. 11, где

по меньшей мере одно из кольцеобразных пространств тока впуска снабжают дистанцированными по окружности направляющими пластинами, ориентированными для облегчения закручивающегося по спирали тока текучей среды в пределах упомянутого по меньшей мере одного из пространств тока впуска.

18. Способ по п. 11, где

реакторная система дополнительно включает сборный узел подаваемого охлаждающего газа, находящийся в сообщении через текучую среду с по меньшей мере одним компонентом из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора, при этом сборный узел подаваемого охлаждающего газа включает пару аксиально дистанцированных стенок сборного узла подаваемого охлаждающего газа, ориентированных перпендикулярно или по существу перпендикулярно по отношению к центральной оси, причем между стенками сборного узла подаваемого охлаждающего газа определяется кольцеобразное пространство тока впуска охлаждающего газа, которое сообщается с упомянутым по меньшей мере одним компонентом из реакционной камеры и сборного узла впуска реактора, где вводят охлаждающие газы из сборного узла подаваемого охлаждающего газа.

19. Способ по п. 11, где

время пребывания газовой смеси в пределах реакторной системы составляет 50 миллисекунд или менее.

20. Способ по п. 11, где

условия проведения реакции включают по меньшей мере одно условие из температуры в диапазоне от 900 до 1300°С и давления в диапазоне от 0 до 10000 кПа (изб.) на выпуске реактора.