ES2216291T3 - Unidad para suministrar una solucion inhibidora de deposiciones de coque en los hornos de tubo usados para pirolisis de hidrocarburos brutos. - Google Patents
Unidad para suministrar una solucion inhibidora de deposiciones de coque en los hornos de tubo usados para pirolisis de hidrocarburos brutos.Info
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Abstract
Una unidad para inyectar una solución inhibidora de coque en hornos tubulares para pirólisis de hidrocarburos que incluye una pieza recta de una bobina (1) con tubería de entrada (3, 4) para suministrar una carga alimentadora, un atomizador de inhibidor (8), un tubo (6) para suministrar un inhibidor al atomizador y, coaxialmente en torno al tubo, un tubo adicional, donde para reducir turbulencia dicha unidad de inyección está provista de una puerta de vórtice formada por chapas radiales (9) y aros cilíndricos (10, 11, 12, 13) para reducir una turbulencia corriente-abajo del punto de inyección, situados cocéntricamente dentro de una pieza recta de una bobina en la zona de inyección de la solución inhibidora.
Description
Unidad para suministrar una solución inhibidora
de deposiciones de coque en los hornos de tubo usados para
pirólisis de hibrocarburos bruto.
El objeto del presente invento se refiere a la
industria petroquímica y está diseñado para ser utilizado en plantas
de producción de etileno y propileno por piezopirólisis catalítica
de carga de hidrocarburo.
Actualmente, la producción mundial de etileno y
propileno se basa en el pirólisis de cargas de hidrocarburos en
presencia de vapor en hornos con bobinas tubulares. Se emplean
como carga etano, mezclas de propano-butano, además
de fracciones de nafta y gasoil. Normalmente, un horno de
pirólisis contiene dos secciones: convección y radiante. La carga
se evapora al pasar a través de la bobina de la sección de
convección, mezclándose con vapor y precalentándose hasta
550-650ºC. En la sección radiante subsiguiente se
calienta la mezcla hasta 750-950ºC y se efectúa el
pirólisis, formando de esta manera etileno, propileno, butileno y
varios subproductos. El problema principal de este proceso es la
formación de coque en las paredes de la bobina en la sección
radiante. En la mayoría de los hornos estos depósitos de coque se
eliminan a través del quemado con vapor y oxígeno.
En algunos de los hornos de pirólisis tubular la
deposición de coque se impide a través de la introducción de un
inhibidor en el vapor del proceso que incluye, por ejemplo,
compuestos de metal alcalino. En la mayoría de los casos un
inhibidor en forma de una solución acuosa o suspensión de tales
compuestos se inyecta en el flujo de la carga más caliente a través
de una unidad de inyección insertada cerca de la frontera entre las
secciones de convección y radiente de la bobina. Durante el
funcionamiento suelen ocurrir frecuentemente
quemaduras/perforaciones de las paredes en la zona de inyección de
la solución inhibidora. Estas quemaduras son causadas por el choque
de gotas de la solución inhibidora en las paredes metálicas
calientes cercanas al punto de inyección que producen múltiples
cambios de temperatura en ciclos, que causan fatiga térmica metálica
y las consiguientes roturas del horno.
La patente europea EP 0617112A2 describe una
unidad de inyección para introducir una solución inhibidora de coque
en reactor tubular para el pirólisis de hidrocarburos que incorpora
una pieza recta de una bobina con tubo de entrada para suministrar
una carga alimentadora, un atomizador inhibidor, un tubo para
suministrar un inhibidor al atomizador y, entorno a él, un tubo
adicional posicionado de forma coaxial. Este último tubo entorno
al atomizador en esta unidad sirve de protección para las paredes de
la bobina de los choques de la solución inhibidora líquida. Este
tubo adicional por sí mismo no está protegido de las gotas de
solución inhibidora.
La patente europea EP 0606898 B1 describe una
unidad para introducir solución inhibidora de coque en un horno
tubular para el pirólisis de hidrocarburos que incluye una pieza
recta de una bobina con tubo de entrada para suministrar una carga,
una cabeza de inyección para atomizar el inhibidor y un tubo para
suministrar un inhibidor a una cabeza de inyección que está
posicionada paralela al flujo de corriente de alimentación gaseosa
y que puede moverse a lo largo de una dirección axial. En la
posición de operación la cabeza se mueve a la corriente gaseosa
extendiéndose hasta una distancia de unas 1-3 veces
el diámetro de la pieza recta de bobina.
La Patente estadounidense Número 5435904 describe
la unidad para introducir una solución inhibidora de coque en un
horno tubular para el pirólisis de hidrocarburos que incluye una
pieza recta de bobina con tubo de entrada para suministrar una carga
alimentadora, un atomizador de inhibidor, un tubo para suministrar
un inhibidor al atomizador, y entorno a él, un tubo adicional
posicionado coaxialmente. Para dispersar un líquido a través de
esta unidad se utiliza un gas comprimido que se suministra al
atomizador a través de un conducto anular entre los tubos interior y
adicional.
La Patente estadounidense Nº 4708787 describe la
unidad para dispersar un líquido por una corriente gaseosa. Esta
unidad incluye una pieza recta de tubería equipada con un conducto
de entrada junto con una pieza añadida en forma de un tubo Venturi
para suministrar un gas, un atomizador y un tubo para suministrar un
líquido al atomizador que están posicionados de forma coaxial
dentro de la pieza recta de tubo, y que el atomizador se localiza
cocentricamente dentro de la garganta del tubo de Venturi.
La Patente estadounidense Nº 3812029 describe la
unidad para la inyección de un líquido con susceptibilidad para la
formación de coque en un recipiente precalentado hasta una alta
temperatura. Esta unidad incluye un tubo interior para suministrar
un líquido inyectado y entorno a él una cobertura en la que se
introduce agua. Dicho tubo interior y cobertura terminan en un
cabezal común donde el líquido inyectado se mezcla con agua antes
de introducirlos en el recipiente calentado.
Certificado de Inventor de la URSS, Nº 1661189 A1
describe una unidad para purgar la superficie interior de un ramal
de tubería cilíndrico por corriente de aire. Esta unidad incluye
un tubo para suministrar aire comprimido, posicionado
concéntricamente dentro del ramal de tubería, junto con una cabeza
anular fijado en dicho tubo forma la corriente de aire en forma de
un cono hueco.
El Certificado de Inventor de la URSS Nº 633892
describe una unidad para introducir un inhibidor de deposición de
coque en un horno tubular para pirólisis de hidrocarburos. Esta
unidad incluye tubos interiores y exteriores posicionados
concéntricamente. La carga precalentada de hidrocarburos fluye a
través del tubo interior. Un inhibidor gaseoso de coque se
introduce en el flujo alimentador a través de un conducto entre los
tubos interior y exterior.
El invento resuelve el problema de eliminar los
quemados de bobinas en la zona de inyección de la solución
inhibidora.
Para resolver este problema una unidad para
inyectar una solución inhibidora de deposiciones de coque en un
horno tubular para pirólisis de hidrocarburos, incluyendo una pieza
recta de una bobina con tubo de entrada para suministrar una carga
alimentadora, un atomizador de inhibidor, un tubo para suministrar
un inhibidor a atomizador y entorno a él un tubo adicional
posicionado de forma coaxial, se proporciona con una puerta de
vórtice para reducir turbulencia corriente-abajo del
punto de inyección. La puerta de vórtice está formada de chapas
radiales y aros cilíndricos y se sitúa concéntricamente dentro de
una pieza de bobina en la zona de inyección de solución
inhibidora.
La puerta de vórtice es una reja aerodinámica que
divide el flujo en corrientes individuales alineadas en paralelo al
eje de la bobina. Dentro de una distancia específica en relación
al diámetro de la bobina, derecha corriente-abajo
de la puerta de vórtice, la turbulencia de la corriente disminuye
con una reducción correspondiente en la velocidad de deriva
\hbox{de adiciones.}
La velocidad de deriva radial de las gotas de
solución inhibidora del centro de la corriente de flujo hasta la
capa de la pared de la bobina disminuye y se completa la
evaporación de las gotas antes de que lleguen a la pared. Esto
impide el riesgo de quemado de la pared de la bobina.
El atomizador preferente es el turbulenciador.
La ventaja del turbulenciador es la forma de axial simétrica del
cono de líquido atomizado que minimiza la perturbación del flujo de
la carga alimentadora en la salida de la puerta de vórtice.
Esta configuración preferente del invento posee
también los siguientes rasgos:
- -
- Las chapas radiales están fijadas simétricamente al tubo adicional;
- -
- Los aros cilíndricos se fijan a las chapas radiales coaxialmente con respecto al tubo adicional y forman un conducto interior que se expande en fases hacia la dirección de flujo de la carga alimentadora;
- -
- La puerta de vórtice incluye 3-5 aros cilíndricos cuya anchura aumenta hacia la dirección de flujo progresivamente de 0,25 a 0,9 veces el diámetro interior de la bobina en la pieza recta;
- -
- La distancia desde el borde corriente-arriba de la chapa hasta el punto de conexión más cercano de una tubería de ramal de entrada para suministrar la carga alimentadora es de no menos del doble del diámetro de la bobina en su pieza recta.
El invento se ilustra más detalladamente en los
dibujos que se adjuntan. En la Fig. 1 se muestra una vista general
de la unidad de inyección y en la Fig. 2 se muestra una vista
seccionada de la puerta de
vórtice.
vórtice.
La unidad de inyección comprende la pieza recta
de una bobina 1 con el reborde 2, los ramales de tubería de entrada
3, 4 y el conjunto de inserción incluyendo la brida trasera 5, el
tubo de suministro del inhibidor 6, el tubo adicional 7, el
turbulenciador 8 y la puerta de vórtice formada por las chapas
radiales 9 y los aros cilíndricos 10, 11, 12, 13. El conjunto de
inserción está centrado en la pieza recta de la bobina 1 mediante el
reborde 2 y mediante proyecciones de las chapas radiales 9. Los
aros cilíndricos 10, 11, 12, 13 están fijados a las chapas radiales
9 coaxialmente con respecto al tubo adicional 7 y forman conducto
interior que se expande por fases hacia la dirección del flujo.
La unidad de inyección se opera de la siguiente
manera. A través de los ramales de tubería 3 y 4, el flujo de
carga alimentadora procedente de la sección de convección del horno
(no aparece en los dibujos) entra en la pieza recta de la bobina 1
de la sección radiante del horno. La solución acuosa del inhibidor
de deposición de coque se introduce por presión de una fuente
externa (no aparece en los dibujos) en el remolino 8 a través del
tubo de suministro del inhibidor 6 y se inyecta en el flujo de carga
alimentadora. Los aros cilíndricos 10, 11, 12, 13 y las chapas
radiales 9 forman en conjunto la puerta de vórtice que divide el
flujo de carga alimentadora en corrientes individuales alineadas en
paralelo al eje de la pieza recta de la bobina.
Como resultado de la influencia de la puerta de
vórtice en el flujo de carga alimentadora se disminuye su
turbulencia corriente-abajo durante una distancia
equivalente al diámetro de la bobina en la pieza recta multiplicada
por 5-10. En esta zona la velocidad de deriva
radial de los aditivos se disminuye también. Como consecuencia de
ésto, la velocidad de transferencia de las gotas de solución
inhibidora desde el núcleo del flujo de la carga alimentadora hasta
la pared se disminuye, y así la evaporación de las gotas es
completa antes de que lleguen a la pared. Las partículas de
inhibidora que se forman después de la evaporación de las gotas de
solución no causan daños en las paredes de la bobina al entrar en
contacto con
ellas.
ellas.
La puerta de vórtice incluye cuatro aros
cilíndricos, 10, 11, 12 y 13. Su anchura aumenta en una ratio con
respecto al diámetro interior de la bobina en la pieza recta de
entre 0,25 para el aro hasta 0,9 para el aro 13. Las anchuras de
los aros han sido desarrolladas según datos experimentales. El
número de aros ha sido seleccionado sobre la base de que la
eficacia de una puerta de vórtice con menos de 3 aros disminuye
acusadamente, pero las puertas de vórtice que utilicen más de 5 aros
bajo las condiciones operativas de los inyectores es indeseable
debido a restricciones generadas en la sección de cruce de flujo de
la
bobina.
bobina.
Preferentemente, la distancia desde el borde
flujo-arriba de la chapa 9 hasta el punto más
cercano de cruce de la correa de suministro de carga alimentadora
4, es de no menos del doble el diámetro interior de la bobina. La
eficacia de la unidad de inyección a esta distancia aumenta debido
a la disminución adicional en la intensidad de la turbulencia del
flujo en el punto de inyección del inhibidor.
El presente invento puede ser aplicado en hornos
tubulares para el pirólisis de hidrocarburos donde se impide el
coque a través de la inyección de una solución inhibidora en la
corriente del proceso caliente.
Cuando se fabrican las unidades basadas en este
invento es necesario utilizar materiales capaces de operar durante
largo tiempo (decenas de miles de horas) estando expuestos a
temperaturas del rango de 600 a 650ºC sin desarrollar agriedad
termal. Principalmente se deben utilizar aceros de estructura
austenítica estable incapaces de sufrir cambios estructurales tras
largas exposiciones al calor, por ejemplo aceros de tipo
18-8 ó 18-12 estabilizados por
titanio o niobio.
Doce unidades basadas en este invento fueron
fabricadas. Estas unidades de inyección se testaron bajo
condiciones operativas en 6 hornos de pirólisis comerciales, y los
resultados fueron excelentes. Durante más de dos años, no se ha
dado ni un sólo caso de fallo de la bobina del horno en la zona de
localización de la unidad.
Claims (5)
1. Una unidad para inyectar una solución
inhibidora de coque en hornos tubulares para pirólisis de
hidrocarburos que incluye una pieza recta de una bobina (1) con
tubería de entrada (3, 4) para suministrar una carga alimentadora,
un atomizador de inhibidor (8), un tubo (6) para suministrar un
inhibidor al atomizador y, coaxialmente en torno al tubo, un tubo
adicional, donde para reducir turbulencia dicha unidad de inyección
está provista de una puerta de vórtice formada por chapas radiales
(9) y aros cilíndricos (10, 11, 12, 13) para reducir una turbulencia
corriente-abajo del punto de inyección, situados
cocéntricamente dentro de una pieza recta de una bobina en la zona
de inyección de la solución inhibidora.
2. La unidad de inyección según la reivindicación
1, donde el atomizador es un turbulenciador.
3. La unidad de inyección según la reivindicación
1, donde se fijan chapas radiales simétricamente con respecto al
tubo adicional, y se fijan aros cilíndricos a las chapas radiales
coaxialmente con respecto al tubo adicional y forman un conducto
interior, que se expande por fases hacia la dirección de la carga
alimentadora.
4. La unidad de inyección según la reivindicación
3, donde dicha puerta de vórtice incluye 3-5 aros
cilíndricos, y la anchura de los aros aumenta progresivamente hacia
la dirección de flujo de 0,25 a 0,9 veces el diámetro interior de
la bobina en la pieza recta, desde el primero hasta el último aro,
respectivamente.
5. La unidad de inyección según la reivindicación
3, donde la distancia desde el borde
corriente-arriba de dicha chapa hasta el punto de
unión del ramal de tubería de entrada para el suministro de la
carga alimentadora más cercana es de no menos del dobel el diámetro
interior de la pieza recta de la bobina.
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