RO120574B1 - Procedeu şi dispozitive pentru obţinerea olefinelor inferioare - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la dispozitive pentru obţinerea olefinelor inferioare, cu aplicabilitate în industria petrochimică. Procedeul conform invenţiei cuprinde preîncălzirea şi evaporarea materiei prime, amestecarea cu abur ca diluant, încălzirea amestecului rezultant până la temperatura de piroliză, într-un reactor rotativ lamelar, răcirea gazului de cracare şi separarea ulterioară a acestuia, în care încălzirea amestecului până la temperatura de piroliză se realizează prin amestecarea cu gaz pirolizat fierbinte, care circulă într-o cavitate de lucru a reactorului, o perioadă de timp neglijabilă comparativ cu durata reacţiilor de piroliză.

Description

Invenția se referă la un procedeu pentru obținerea olefinelor inferioare, la un reactor pentru piroliza hidrocarburilor și la un dispozitiv pentru răcirea gazului de cracare, având aplicabilitate în industria petrochimică.

Este cunoscut că procesul de bază în producția comercială a olefinelor inferioare (etilene și propilene) constă în piroliza termică a hidrocarburilor. Ca materii prime se utilizează hidrocarburi ale căror molecule au doi sau trei atomi de carbon. în industrie se utilizează, în general, gaze de la rafinarea petrolului, ca și păcură sau fracțiuni de motorină.

în cadrul tehnologiei general acceptate, materia primă evaporată și amestecată cu abur este introdusă într-un tub de cracare plasat în interiorul secțiunii radiante a furnalului de piroliză, unde amestecul este încălzit rapid. Reacțiile de piroliză au loc cu absorbție mare de căldură. Un gaz de cracare având temperatura de ieșire de 750-95(TC este răcit și transportat într-o instalație de fracționare a gazului, în care se separă etilena, propilenă, butadiena, metanul, hidrogenul și alți produși de piroliză. Cel mai valoros produs rezultat din piroliză este etilena.

în timpul pirolizei hidrocarburilor, întotdeauna este implicată o hidrocarbură din care o parte este antrenată de gazul de cracare sub formă de particule de funingine, iar o altă parte formează depozite de cocs pe pereții tuburilor de cracare, ca și în instalațiile din aval. Depunerile de cocs măresc presiunea din tuburile de cracare și afectează procesul normal de transfer al căldurii din zona de reacție, rezultând supraîncălziri în tuburile de cracare, diminuarea productivității instalației de piroliză și scăderea producției de olefine inferioare. De aceea, depunerile de cocs sunt îndepărtate periodic, operațiune care se face uzual prin ardere cu aer sau cu un amestec aer/vapori de apă.

Printre reacțiile de piroliză termică se disting următoarele: reacțiile primare, din care rezultă olefine și reacțiile secundare, în timpul cărora olefinele deja formate se pierd. Prin creșterea temperaturii, aceste reacții sunt accelerate, atât cele primare, cât și cele secundare, dar viteza reacțiilor primare crește mai repede decât a celor secundare. Viteza reacțiilor primare nu depinde de presiune, în timp ce viteza reacțiilor secundare descrește cu scăderea presiunii. De aceea, pentru a mări randamentul în olefine se urmărește diminuarea presiunii parțiale a hidrocarburii în zona de reacție și creșterea temperaturii procesului în cadrul limitelor impuse. Presiunea parțială a hidrocarburii poate fi diminuată prin adăugarea aburului ca diluant. Cantitatea optimă de abur depinde de compoziția hidrocarburii utilizată ca materie primă. Pentru materii prime ușoare (metan sau propan), în mod uzual, cantitatea de abur reprezintă 20...40% din masa materiei prime. Pentru materiile prime grele, cum arfi motorina, aburul poate ajunge până la 80...100% din masa materiei prime. Nu este recomandabil să se ridice temperatura de piroliză mai mult de 950...1000°C, deoarece aceasta accelerează brusc formarea cocsului și scade randamentul în acetilene valoroase în favoarea etilenei.

Printre dezavantajele reactorului de cracare tubular, folosit în scopuri comerciale, se pot enumera:

a. este necesar transferul unei cantități mari de căldură în zona de reacție prin pereții tubului de cracare. Datorită fluxului intens de căldură, temperatura pereților tubului de cracare depășește cu mult temperatura procesului de bază producând intensificarea producerii de cocs și diminuarea randamentului în produse utile. Datorită condițiilor impuse de transferul de căldură este imposibil să fie redusă presiunea în zona de piroliză, fiind necesar să se asigure o viteză mare de alimentare cu materii prime în această zonă.

b. încălzirea materiilor prime doar la trecerea prin tubul de cracare este insuficientă. Din această cauză, o cantitate inițială de olefine deja formate, la temperaturi relativ joase și antrenate din nou de fluxul de materie primă prin zonele din ce în ce mai intens încălzite,

RO 120574 Β1 staționează un timp suplimentar, în aceste condiții, când reacțiile secundare se desfășoară 1 cu intensitate mărită. Acest dezavantaj devine aparent major la piroliza fracțiunilor medii de petrol, precum păcura și motorina, care conțin atât hidrocarburi superioare de cracare 3 ușoară, cât și hidrocarburi inferioare de cracare la temperaturi înalte.

în US 5300216 se descrie metoda și utilajul pentru cracarea termică a hidrocarburilor 5 în prezența aburului, trecând prin unde de șoc staționare de înaltă intensitate. Aburul supraîncălzit într-un încălzitor tubular până la temperatura de circa 1000°C este introdus la o 7 presiune de aproape 2,7MPa printr-un ajutaj supersonic în reactorul care cuprinde zone de amestecare și de piroliză. în zona de amestecare, materia primă (etan) preîncălzită la 9 temperatura de circa 627’C este introdusă prin amestecătoare într-un flux de abur cu viteză supersonică. Amestecul rezultat formează un curent cu viteză supersonică care are o 11 temperatură mai mică decât cea necesară inițierii reacțiilor de piroliză. între amestecul amintit și zonele de piroliză se creează o zonă de compresie (undă de șoc continuă și 13 staționară). La trecerea prin această zonă de compresie bruscă, energia cinetică a fluxului de alimentare este convertită în căldură. în zona imediat anterioară zonei de compresie 15 bruscă, viteza fluxului de materiale scade la nivel subsonic și temperatura crește până la circa 1000“C și la o presiune de aproape 0,9MPa abs. Fluxul de materiale trece prin zona 17 de piroliză pentru 0,005...0,05sec, iar temperatura sa scade până la aproape 863°C, ca urmare a căldurii absorbite de reacțiile de piroliză. Conversia etanului la etilena atinge 70%. 19

Gazul de cracare traversează utilajul de răcire și schimbătoarele de căldură din aval, fiind transportat mai departe spre separatorul de gaze. în acest utilaj toate dezavantajele amintite 21 mai sus pentru reactoarele tubulare de piroliză sunt eliminate. Materiile prime ating temperatura maximă de piroliză extrem de rapid și pereții secțiunii de piroliză nu sunt folosiți pentru 23 transferul de căldură în zona de reacție. Pe de altă parte însă, cantitatea necesară de abur per masă de hidrocarbură trebuie să fie de circa 500...667%. Legat de aceasta, utilizarea 25 excesivă de energie per unitatea de etilena produsă este deosebit de mare și imposibil de diminuat în mod considerabil. Aceasta face ca instalația să fie neconcurențială în condițiile 27 actuale legate de raportul prețurilor pentru energie și olefine.

Brevetul US 4426278 descrie reactorul tubular de piroliză care include un supra- 29 încălzitor de abur, un dispozitiv pentru amestecarea aburului supraîncălzit cu hidrocarbură și un tub de cracare poziționat în interiorul blocului de radiație. Aburul care vine de la supra- 31 încălzitor cu o temperatură cuprinsă între 1000 și1500°C este amestecat cu hidrocarbura de alimentare, obținându-se astfel, imediat, un amestec la temperatura de inițiere a reacțiilor de 33 piroliză. în acest reactor, dezavantajul amintit anterior la punctul b) este parțial eliminat. Totuși, la temperatura de 1100°C, aburul trebuie introdus într-o proporție de 185...275% față 35 de masa de hidrocarbură, iar la temperatura de 1430”C, într-o proporție de 120%.

Prepararea aburului supraîncălzit la temperaturi atât de înalte este extrem de dificilă, iar 37 consumul de energie este excesiv de mare.

Brevetul US 3579601 descrie un reactor tubular de piroliză în care materia primă este 39 introdusă în tubul de cracare prin mai multe puncte situate de-a lungul acestuia. Fiecare porțiune de materie primă introdusă atinge imediat o temperatură suficientă pentru pornirea 41 reacțiilor de piroliză, datorită amestecării practic instantanee cu gazul fierbinte deja pirolizat, care circulă pe deasupra, prin tubul de cracare. Piroliza este menținută în continuare prin 43 alimentare cu căldură prin pereții tubului de cracare. Această invenție elimină parțial dezavantajul de la pct. b)., însă dezavantajul de la pct. a) persistă. Randamentul în olefine 45 și alte hidrocarburi nesaturate crește, iar depunerile de cocs și formarea metanului descresc. Dezavantajul acestei invenții constă în configurația complicată a tubului de cracare, ceea ce 47 face dificilă poziționarea acestuia în interiorul camerei radiante a unui încălzitor.

RO 120574 Β1

Certificatul de autor URSS1189871 descrie procesul de cracare termică a păcurii și motorinei. Materia primă este separată în câteva fracțiuni prin fierbere la intervale de câte 2O...4O*C. Fracțiunile astfel obținute sunt pirolizate în tuburi de cracare individuale în condiții termice optime pentru fiecare fracțiune. Acest procedeu permite diminuarea dezavantajului de la pct. b)., crește randamentul în olefine inferioare și diminuează formarea cocsului, însă realizarea tehnică a acestui procedeu este asociată cu complicarea esențială a structurii camerei radiante, deoarece aceasta necesită crearea unor condiții termice individuale în câteva tuburi de cracare, în condițiile existenței unei interrelații instabile între proporțiile de materiale din fluxul de alimentare.

Brevetul US 4265732 descrie procedeul de cracare termică a hidrocarburilor gazoase într-un reactor construit ca un utilaj cu palete multietajate de tip axial. Căldura necesară pirolizei este generată direct în interiorul gazului reactant, datorită cilindrului hidrodinamic al rotorului cu palete, pus în mișcare de un dispozitiv. Această invenție elimină complet dezavantajul de la pct. a), dar nu și pe cel de la pct. b). Tipul de reactor axial cu palete multietajate, capabil să funcționeze la temperaturile de piroliză a hidrocarburilor nu a fost fabricat.

Brevetul US 5271827 descrie un cuptor tubular de piroliză, dotat cu reactor tubular adiabatic plasat între ieșirea din tubul de cracare și intrarea în dispozitivul de răcire. în reactorul tubular adiabatic piroliză continuă pe baza căldurii intrinseci a fluidului care reacționează fără adaos de căldură din exterior. Utilizarea reactorului tubular adiabatic permite economisirea energiei suplimentare necesară pentru piroliză.

Componenta esențială a instalațiilor de piroliză constă în dispozitivul de răcire a gazelor de cracare, astfel încât să lase reactorul la o temperatură care să stopeze reacțiile secundare nedorite. Răcirea poate fi atât directă, prin injectare de abur, apă sau gudroane ușoare de piroliză, cât și indirectă, prin utilizarea unui schimbător de căldură. Răcirea directă este aplicată în mod uzual în cracarea termică a motorinelor. în cazul cracării termice a hidrocarburilor ușoare, răcirea indirectă în schimbătoare de căldură este aplicată în mod uzual și pentru generarea simultană a aburului de înaltă presiune.

Cererea PCT WO 95/32263 revendică un dispozitiv pentru răcirea gazului de cracare. Acest dispozitiv cuprinde două spații, separate de un perete: unul din spații este format din tuburile prin care circulă gazul de cracare, iar în cel de-al doilea este adusă la fierbere apa de răcire. Din cauza diametrului mic al acestor tuburi, dispozitivul de acest tip creează rezistență mare la curgere și favorizează depunerile de cocs. în mod normal, pierderea de presiune prin dispozitiv nu este mai mică de 0,02...0,03MPa, iar în zona cu depuneri aceasta atinge 0,07MPa și chiar mai mult, ceea ce face să crească presiunea interioară în fluxul aflat în partea superioară a reactorului de piroliză și, ca urmare scade randamentul în olefine. Este posibil să se diminueze pierderea de presiune prin dispozitiv prin creșterea diametrului tuburilor de transfer a căldurii. Dar această soluție nu este permisă, deoarece are ca rezultat diminuarea gradului de răcire.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă din elaborarea unui procedeu eficient care conduce la creșterea randamentului în produs util, cu posibilitate de automatizare completă a operațiilor procesului.

Procedeul de obținere a olefinelor cu greutate moleculară mică, prin piroliză hidrocarburilor, care cuprinde preîncălzirea și evaporarea materiei prime, amestecarea acesteia cu abur ca diluant, încălzirea amestecului rezultant până la temperatura de piroliză într-un reactor rotativ lamelar, răcirea gazului de cracare și separarea ulterioară a lui, conform invenției, elimină dezavantajele menționate mai sus prin aceea că încălzirea amestecului până la temperatura de piroliză se realizează prin amestecarea cu gaz pirolizat fierbinte care circulă într-o cavitate de lucru a reactorului rotativ lamelar pentru o perioadă de timp neglijabilă comparativ cu durata reacțiilor de piroliză.

RO 120574 Β1

Reactorul pentru piroliză hidrocarburilor, care cuprinde o incintă prevăzută cu lamele 1 staționare, un orificiu de intrare pentru alimentare cu materii prime, un orificiu de ieșire a gazului de cracare și o roată prevăzută cu o coroană de lamele, conform invenției, elimină 3 dezavantajele menționate mai sus prin aceea că incinta are o cavitate inelară pentru circulația gazului pirolizat fierbinte, care conține lamelele staționare și înconjoară periferia roții 5 cu coroana de lamele, iar orificiile de intrare a materiei prime și de ieșire a gazului de cracare comunică cu cavitatea menționată. 7

Dispozitivul pentru răcirea gazului de cracare, care cuprinde un schimbător de căldură având spații pentru fluide care se încălzesc și se răcesc, separate printr-un perete, 9 elimină dezavantajele menționate prin aceea că este prevăzut cu un T și un ejector constituit dintr-un ajutaj, o cameră de admisie și o cameră de amestecare, camera de ames- 11 tecare a ejectorului și unul dintre orificiile T-ului comunicând cu spațiul în care se află fluidul răcit, iar camera de admisie a ejectorului fiind legată cu celălalt orificiu al 'T'-ului. 13

Prin aplicare invenției se obțin următoarele avantaje:

- îmbunătățirea randamentului în olefine utile; 15

- consum redus de energie pentru desfășurarea procesului;

- se realizează alimentarea cu o hidrocarbură încălzită la temperatura de piroliză 17 pentru o perioadă de timp neglijabilă comparativ cu durata reacțiilor de piroliză;

- timp scurt de pornire a instalației și posibilitatea de automatizare completă a 19 operațiilor și controlului acesteia care conduc la creșterea randamentului în produs util.

- cantitatea de abur adăugată ca diluant per greutatea hidrocarburii de alimentare nu 21 depășește limitele reglementare acceptate în instalațiile de piroliză existente;

- configurația fantă-evacuare a reactorului permite construcția sa într-o variantă 23 monofazică și din materiale cunoscute utilizate în prezent în tehnică.

Prima invenție din grupul de mai sus este procedeul pentru producerea olefinelor infe- 25 rioare(cu greutate moleculară mică) prin piroliză termică a hidrocarburilor. Acest procedeu cuprinde următoarele faze: preîncălzirea și evaporarea materiei prime; amestecarea acesteia 27 cu abur ca diluant; încălzirea amestecului până la temperatura de piroliză într-un reactor rotativ lamelar prin căldura generată în interiorul unui volum al amestecului de reacție dato- 29 rată efectului hidrodinamic al rotorului cu lamele care se rotește în interior; răcirea gazului de cracare și separarea ulterioară a acestuia. 31 în acest procedeu, amestecul de reacție este încălzit la temperatura de piroliză într-o perioadă de timp neglijabilă comparativ cu durata reacțiilor de piroliză, deoarece amestecul 33 cu gazul fierbinte rezultat din piroliză s-a făcut prin circula rea acestuia într-o cavitate de lucru a reactorului lamelar. 35

Preîncălzirea materiei prime și a aburului utilizat ca diluant se poate realiza în două etape, cea de-a doua etapă având loc într-un schimbător de căldură, care utilizează căldura 37 cedată de gazul de cracare care părăsește reactorul.

Comparativ cu procedeul descris în brevetul US 4265732, prezentul procedeu 39 conduce la creștera randamentului în olefine utile, datorită încălzirii instantanee a amestecului de reacție până la temperatura maximă de piroliză prin amestecarea sa cu gazele 41 fierbinți care tocmai au rezultat din procesul de piroliză și care mai sunt în circulație în cavitatea de lucru a reactorului. Căldura gazelor de cracare care părăsesc reactorul lamelar este 43 utilizată-pentru preîncălzirea materiilor prime și a aburului diluant care se introduc în reactor, ceea ce permite simplificarea structurii schimbătorului de căldură datorită diminuării diferenței 45 de presiune dintre secțiunile fierbinte și rece ale reactorului, conducând totodată la un consum mai redus de energie pentru desfășurarea procesului. 47

RO 120574 Β1

A doua invenție a grupului constă în construcția reactorului de piroliză a hidrocarburilor. Reactorul cuprinde o incintă prevăzută cu lamele 17,18 staționare, un orificiu 21 de intrare pentru alimentare cu materii prime, un orificiu 22 de ieșire a gazului de cracare și o roată 24 prevăzută cu o coroană 25 de lamele. Incinta are o cavitate inelară pentru circulația gazului fierbinte pirolizat, în care sunt plasate lamelele staționare 17 și 18. Această cavitate înconjoară periferia roții 24 cu coroana de lamele, iar orificiile de intrare 21 și ieșire 22 comunică cu cavitatea menționată.

Incinta reactorului are o manta 8 și un strat 14 interior rezistent la căldură, îmbinate una de alta. Suprafața interioară a mantalei 8 este acoperită pe interior cu un strat izolator termic.

Spre deosebire de reactorul descris în brevetul US 4265732, prezentul reactor permite încălzirea practic instantanee până la temperatura maximă de piroliză a amestecului format din materii prime și aburdiluant, datorită amestecării cu gazele fierbinți deja pirolizate, rezultând astfel un randament mai bun în olefine inferioare. Un alt avantaj al acestui reactor constă în configurația fantă-evacuare, care permite construcția sa într-o variantă monofazică și din materiale cunoscute și utilizate în prezent în tehnică.

A treia invenție a grupului se referă la dispozitivul de răcire a gazului de cracare. Dispozitivul cuprinde un schimbător de căldură alcătuitdin două spații separate printr-un perete, pentru fluide care se încălzesc și se răcesc. Acest dispozitiv este prevăzut cu un T și cu un ejector având un ajutaj 28, o cameră 39 de admisie și o cameră 40 de amestecare.Camera de amestecare 40 și unul dintre ștuțurile 34 T-ului comunică cu spațiul în care se află fluidul răcit, iar camera 39 de admisie comunică cu celălalt ștuț 35 al T-ului.

Această configurație pentru răcirea gazului de cracare oferă atât un timp scurt pentru răcire, cât și o pierdere mică de presiune prin dispozitiv, astfel încât să se obțină diminuarea presiunii în fluidele din zona de reacție, contribuind la atingerea obiectivului principal creșterea randamentului în olefine inferioare.

în continuare, se prezintă un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 ...6, care reprezintă:

- fig. 1, schema instalației pentru realizarea procedeului de obținere a olefinelor inferioare.

- fig. 2, o secțiune prin reactorul pentru piroliză hidrocarburilor;

- fig. 3, o secțiune pe linia A - A din fig. 2;

- fig. 4, o secțiune a lamelei radiale a reactorului;

- fig. 5, o reprezentare pe direcția săgeții B din fig. 4;

- fig. 6, o secțiune prin dispozitivul de răcire a gazului de cracare.

Instalația (fig. 1) pentru realizarea procedeului include un preîncălzitor 1, niște dispozitive 2 și 3 pentru răcirea gazului de cracare, un reactor 4, o turbina de gaz 5, legată cu reactorul 4 printr-un ax 6, iar cu preîncălzitorul 1, printr-un exhaustor 7.

Preîncălzirea materiilor prime și a aburului diluant într-o primă fază se realizează în preîncălzitorul 1. Materia primă hidrocarbonată, care vine de la o sursă exterioară (nereprezentată în desene), este introdusă prin presiune în preîncălzitorul 1, figurat, ca un schimbător de cădură tubular. Gazul evacuat de la turbina de gaz 5 este trecut prin spațiul intertubular al acestui schimbător de căldură. De la o sursă exterioară (nereprezentată în desen) se introduce apă sub presiune în preîncălzitorul 1, în care apa este evaporată, iar aburul rezultat este amestecat cu materia primă hidrocarbonată.

Preîncălzirea materiei prime și a aburului diluant în faza a doua se realizează în dispozitivele 2 și 3 pentru răcirea gazului de cracare, utilizând căldura gazului de cracare

RO 120574 Β1 care părăsește reactorul. Descrierea detaliată a dispozitivului pentru răcirea gazului de 1 cracare va fi prezentată mai jos.

Amestecul de materie primă și abur diluant de la dispozitivele 2 și 3 pentru răcirea 3 gazului de cracare este introdus în reactorul lamelar 4. Gazele pirolizate, fierbinți, circulă de-a lungul cavității inelare a reactorului și căldura necesară pirolizei este generată direct în 5 interiorul volumului amestecului de reacție, datorită efectului hidrodinamic de rotație a roții cu lamele. încălzirea amestecului de reacție până la temperatura de piroliză se realizează 7 prin amestecarea acestuia cu gazele pirolizate fierbinți într-un interval de timp neglijabil comparativ cu durata reacțiilor de piroliză. Descrierea detaliată a structurii reactorului va fi pre- 9 zentată în continuare.

Gazul de cracare preluat de la reactorul 4 este transportat la dispozitivele de răcire 11 2 și 3 prin interconectarea conductelor cu suprafețe netede pentru a preveni formarea de zone de curenți de separare. Toate aceste conducte sunt egale în volum. Gazul cracat este 13 răcit în dispozitivele 2 și 3, și apoi este transportat într-o instalație de fracționare a gazului (nefigurat în desene). în fig. 1 sunt descrise două dispozitive pentru răcirea gazului de era- 15 care, dar numărul acestora nu este limitat în cazul realizării practice a invenției.

Pentru acționarea reactorului, se utilizează motorul turbinei de gaz 5. Prezentat în fig. 17 1, motorul turbinei de gaz este alcătuit dintr-un ciclu termodinamic simplu, fără încălzitoare și răcitoare intermediare ale fluidului de lucru. Pentru acționare, pot fi utilizate motoare de 19 turbine de gaz care operează într-un ciclu multicomponent, ca și turbina de abur sau motorul electric. 21

Cantitatea de apă care se amestecă cu hidrocarbura de alimentare și temperatura finală acceptabilă depind de compoziția materiei prime. Dacă materia primă este sub formă 23 de hidrocarburi gazoase uzuale, cantitatea de apă adăugată poate fi până la 30...40%. în raport cu ordinul de greutate al hidrocarburii, iar temperatura amestecului de reacție, după 25 a doua preîncălzire, nu trebuie să depășească 650°C.

Dacă se utilizează ca materii prime hidrocarburi lichide uzuale - ca păcura sau 27 motorina - apa poate fi adăugată în proporție de 80...100% față de ordinul de greutate al hidrocarburii, iartemperatura aferentă pentru amestecul de reacție, după a doua preîncălzire, 29 nu trebuie să depășească 550...600°C.

Parametrii de bază care definesc operarea în reactor sunt legați prin următoarea 31 relație:

τ = V x d x H/P33 în care:

τ (s) este timpul mediu de staționare a amestecului de reacție în reactor;35

V (m³) este volumul spațiului de lucru al reactorului;

d (kg/m³) este densitatea medie a amestecului de reacție în spațiul util al reactorului 37 H (J/kg) este energia transferată în amestecul de reacție în interiorul spațiului util al reactorului;39

P (W) este puterea transferată în spațiul util al reactorului.

Energia care trebuie transferată în amestecul de reacție din interiorul spețiului util al 41 reactorului este aproximativ egală cu căldura transferată în proces de fluxul de curgere prin serpentina radială în cuptorul tradițional tubular de piroliză, operând cu acelați tip de materii 43 prime. în piroliză etanului, această energie trebuie să fie de circa 2,5...3,4 MJ per kg de abur care diluează materia primă. în piroliză altor feluri de hidrocarburi, această energie trebuie 45 să fie de aproape 1,7...2,3MJ/kg.

Timpul mediu de staționare a amestecului de reacție în interiorul spețiului util al 47 reactorului poate fi de aproape 0,03...0,1 s.

RO 120574 Β1

Perioada de timp pentru încălzirea amestecului de materii prime de alimentare/abur de la temperatura cu care intră în reactor până la temperatura de piroliză este definit prin durata de amestecare cu amestecul de reacție care trebuie prelucrat și nu trebuie să depășească 0,001 s. Este un interval de timp neglijabil de scurt în comparație cu timpul de staționare a amestecului de reacție în spațiul util al reactorului.

Densitatea medie a amestecului de reacție este definită ca presiunea medie, prin temperatura medie din spațiul util al reactorului și prin greutatea moleculară medie a amestecului de reacție.

Presiunea medie în spațiul util al reactorului poate fi stabilită la valori între 0,05 și 0,2 MPa (abs), de preferință 0,08...0,12 MPa(abs).

Temperatura medie a gazului în cavitatea de lucru a reactorului depinde de compoziția de alimentare, de conversia impusă și de timpul de staționare în zona de reacție. Amestecurile de alimentare ușoare și conversii înalte cer temperaturi mari, iar amestecurile de alimentare grele - ca motorine la presiune atmosferică și sub vid- și conversii joase cer temperaturi mai scăzute.

Operatorul fixează temperatura gazului în cavitatea de lucru a reactorului, ca și vitezele de alimentare cu hidrocarburi și apă pentru prepararea aburului-diluant. Temperatura fixată este menținută printr-un sistem automat de control care reglează o viteză a gazului combustibil care alimentează motorul turbinei de gaz. Astfel, temperatura din zona de reacție a reactorului este reglată, în principiu în același fel cu reglarea în furnalul tubular tradițional, schimbând viteza gazului combustibil proporțional cu viteza amestecului de alimentare. Diferența este că, datorită procedeului de scurtă durată din noul reactor, acesta se termină mai repede de 10... 100 ori.

Pentru îndepărtarea cocsului din reactor și din dispozitivul de răcire a gazului cracat, este necesară oprirea suplimentării cu hidrocarburi de alimentare în preîncălzitorul 1. Temperatura din cavitatea de lucru a reactorului trebuie să fie menținută aproximativ la aceeași valoare cu temperatura din timpul pirolizei. în urma reacțiilor de gazificare rezultă un abur supraîncălzit, care îndepărtează depozitele de cocs din reactorul 4 la fel ca și din tuburile de transfer și dispozitivele 2 și 3 pentru răcirea gazului de cracare. Curentul de ieșire este condus într-o instalație de ardere (nefigurată în desene). Procedeul de decocsare este controlat prin analiza curentului de ieșire. Atunci când conținutul de bioxid de carbon scade până la valori dinainte stabilite decocsarea este oprită și se poate relua alimentarea cu hidrocarburi. Avantajul acestei arderi, comparativ cu arderile cu aer sau amestec aer/abur, constă în faptul că endotermicitatea reacțiilor care au loc elimină pericolul supraîncălzirii locale a materialelor de construcție. Un alt avantaj este acela că, condițiile de funcționare a reactorului rămân aceleași în toate regimurile de operare, permițând fabricarea celor mai importante elemente ale reactorului din aliaje rezistente la căldură bazate pe metale rezistente la căldură și instabile în condiții de oxidare, de exemplu aliaje pe bază de wolfram, molibden sau niobiu.

în prezentul procedeu, piroliză materiilor prime are loc în serii în cavitatea de lucru și, în continuare, în conductele prin care gazul de piroliză este condus în dispozitivele de răcire. Regimul hidrodinamic, realizat în interiorul cavității de lucru a reactorului, este apropiat regimului propriu aparatelor cu amestecare ideală, unde concentrațiile reactanților sunt omogene în întreg volumul cavității. Procedeul conform invenției diferă în mod esențial de cel realizat în reactoarele tubulare tradiționale, ca și de procedeul descris în brevetul US 4265732.

Atunci când piroliză care are loc în spațiul util al reactorului se desfășoară în prezența produșilor cu înaltă concentrație, rezultați din cracare, reacțiile de piroliză sunt accelerate datorită fenomenului de autocataliză. Din această cauză, piroliză poate fi condusă și la

RO 120574 Β1 temperaturi mai joase, astfel crescând selectivitatea procesului. Acest lucru este confirmat 1 de date experimentale obținute la piroliza hidrocarburilor, în prezența gazelor pirolizate fierbinți, menționate în brevetul US 3579601. 3 în interiorul conductelor de transfer piroliza se desfășoară adiabatic, fără aport de căldură din afară. Regimul hidrodinamic realizat aici este apropiat regimului propriu aparatelor 5 cu transfer ideal, ca în reactoarele tubulare. Posibilitatea conducerii procesului în mod adiabatic permite realizarea unor economii de energie în cadrul procesului de piroliză și, de 7 asemenea, permite creșterea randamentului în olefine.

Reactorul rotativ cu lamele (fig. 2 și 3) pentru piroliză hidrocarburilor cuprinde o car- 9 casă care include un înveliș 8 cu capace 9 și 10. Suprafețele interioare ale învelișului 8 și ale capacelor 9 și 10 sunt acoperite cu izolanți termici 11,12 și 13. Caracasa mai cuprinde, de 11 asemenea, un înveliș rezistent termic format dintr-un element 14, rigidizat, împreună cu carcasa 8 și, de asemenea, niște elemente 15 și 16, rigidizate împreună cu capacele 9 și 10. 13 împreună cu elementul 14 sunt rigidizate lamelele directoare 17 și 18. Lamelele directoare și 20 sunt rigidizate pe elemenții 15 și 16. Carcasa 8 este prevăzută cu ștuțuri 21 pentru 15 alimentare cu materie primă și ștuțuri 22 pentru evacuarea gazului de cracare. Rotorul constă dintr-un ax 23 și o roată de acționare 24, prevăzută cu lamele 25. Ultimele formează 17 coroana de lamele a roții 24, de acționare. Axul 23 este susținut de un lagăr 26, radial, și un lagăr 27, radial, de presiune, și este asigurat printr-o etanșare-labirint 28 și 29, dublă, în 19 canalele căreia este injectat abur dinafară (nu este indicat în desen). Fiecare lamelă 25 (fig.

și 5) are un capăt 30, prin care ele se fixează pe un inel al roții 24, de acțiune, formând o 21 îmbinare în coadă de rândunică. în lamela 25 canalele 31, radiale, sunt destinate pentru trecerea amestecului de materii prime cu abur diluant, utilizat drept agent de răcire. 23

Reactorul funcționează în felul următor: un amestec de materie primă evaporată cu abur diluant introdus prin ștuțul 21, pătrunde într-un spațiu dintre învelișul 8 și stratul termo- 25 rezistent, trece în continuare prin canalele existente în roata 24, de acționare, și în lamelele 25, intrând în cavitatea circulară de lucru, unde există lamelele 25 și lamelele 17,18,19 și 27 directoare. Fluidul de procesat, trimis de-a lungul cavității inelare, vine în contact multiplu cu lamelele directoare staționare și lamelele rotative, creând astfel fluxuri sub forma a două 29 spirale răsucite în inele turbionare, care se rotesc la dreapta și la stânga. Astfel, sunt create două spirale de gaz pirolizat, care comunică între ele. Căldura absorbită de reacțiile endo- 31 terme, care se desfășoară continuu în interiorul spațiului de lucru al reactorului, este compensată de fluxul de căldură care rezultă din conversia energiei cinetice în căldură. 33

Transferul de putere în fluxurile spiralate rotitoare amintite mai sus, este proporțional cu produsul dintre viteza periferică și viteza la meridian a rotorului și densitatea fluidului pro- 35 cesat. Odată cu creșterea vitezei la meridian, puterea disipată de rotor crește până când această viteză atinge 0,64...0,7 din viteza sunetului în acest fluid, respectiv circa 400...500 37 m/sec. La viteze la meridian mai mari, puterea disipată de rotor în zona de reacție descrește brusc, datorită diminuării densității medii a fluidului în lungul înălțimii lamelei. Acest lucru este 39 legat de faptul că, în mijlocul inelului turbionar, presiunea este mai mică decât la periferia sa și de această micșorare de presiune depinde viteza la meridian a fluidului. 41 în timpul fiecărei treceri peste lamelă, fluidul care reacționează capătă o energie cinetică suplimentară, care, până la următoarea trecere, este convertită în căldură. Acest 43 lucru se întâmplă, pe de o parte, datorită trecerii fluidului prin șocuri staționare de compresie care apar în momentul tranziției locale a fluidului peste bariera sonică și, pe de altă parte, 45 datorită formării turbulenței. Energia cinetică adițională este proporțională cu produsul dintre viteza periferică a rotorului și viteza la meridian a fluidului. De exemplu, pentru o viteză 47

RO 120574 Β1 periferică a rotorului de 300...400 m/s, această energie poate fi de circa 70...150 kJ/kg. în timpul rezistenței întâmpinate în interiorul turbionului, fiecare particulă de materie primă ar trebui să treacă peste lamelele rotorului de câteva zeci de ori, în medie.

Avantajul reactorului rotativ lamelar în comparație cu reactorul tubular tradițional constă în faptul că pereții săi, care delimitează zona de reacție, nu sunt folosiți pentru transferul de căldură și, de aceea, în absența unei răciri a pereților, temperatura lor diferă nesemnificativ de temperatura fluidului care reacționează. Presiunea scăzută și temperatura scăzută a peretelui în zona de reacție, comparativ cu aceeași parametri din reactoarele tubulare tradiționale permit estimări privind creșterea selectivității procesului și a randamentului în produse utile, în cazul procesării aceluiași fel de materii prime. Timpul scurt de pornire a instalației și posibilitatea de automatizare completă a operațiilor și controlului acesteia contribuie la creșterea randamentului în produs util.

Dispozitivul de răcire a gazului de cracare (fig. 6) include schimbătorul de cădură țeavă în țeavă, alcătuit din țeava exterioară 32 și țeava interioară 33, ștuțurile, de intrare 34 și de ieșire 35, pentru circulația gazului de cracare, ștuțurile, de intrare 36 și de ieșire 37, pentru circulația agentului de răcire în spațiul intertubular și ejectorul compus din ajutajul 38, camera 39 de admisie și camera 40, de amestec. Ajutajul 38 este conectat la ștuțul de intrare 34. Țeava 33, interioară, este conectată la unul din capete cu camera 40, de amestecare, iar la celălalt capăt, prin T-ul 41, cu camera 39, de admisie, și cu ștuțul 35, de evacuare a gazului de cracare. Suprafețele exterioare ale dispozitivului de răcire sunt acoperite cu izolator 42, termic. Gazele fierbinți care intră prin ștuțul 34 sunt transformate, datorită ajutajului 38, într-un jet care absoarbe gazul rece, existent în camera 39, de admisie. Amestecul rezultat se răcește în timp ce curge prin țeava 33, interioară, cedând căldura fluidului care curge prin spațiul intertubular dintre țevile 32 și 33, de la ștuțul 36 către ștuțul 37.0 parte din amestecul răcit intră în în camera 39, de admisie, iar restul este eliminat din aparat prin ștuțul 35.

Gazele răcite care ies din ștuțul 35 pot avea o temperatură de circa 350..,400°C. Proporția dintre masa amestecului din țeava interioară și gazul de cracare care vine de la reactor este de circa 2...2,5, iar amestecul fiind format în camera de amestecare 40 poate avea o temperatură de circa 620...660’0. Durata de răcire a gazului de cracare este definită numai de timpul necesar amestecării jetului format de către ajutajul 38 cu gazul răcit de la camera de amestecare 40 și poate fi de câteva milisecunde. Diametrul țevii 33 interioare trebuie să fie suficient de mare pentru a nu produce rezistențe considerabile la curgere.

Schimbătorul de căldură inclus în dispozitivul de răcire a gazului de cracare poate fi și de alt tip decât țeava în țeava. Diferența mică de presiune dintre fluidele fierbinți și cele răcite și valorile scăzute ale presiunii permit utilizarea unui schimbător de căldură cu plăci sau de oricare alt tip, având atât masa, cât și costul mai scăzute în comparație cu dispozitivele de răcire utilizate uzual.

Invenția se dorește să fie folosită în fabrici care produc etilena oricât de moderne sau de curând construite, în locul furnalelor tubulare de piroliză. Compoziția produșilor de piroliză preparați prin noul procedeu diferă nesemnificativ de cea care se obține în instalațiile existente, prevăzute cu furnale, folosind aceeași materie primă. De aceea, utilizarea noului procedeu, practic nu va implica modificări în instalațiile de fracționare și separare a gazelor.

Pentru noile instalații pot fi utilizate turbine de mici dimensiuni, fără preîncălzitoare sau răcitoare intermediare ale fluidului de lucru. Eficiența acestor motoare este, în mod normal, de 26. ..35% la o temperatură a gazului evacuat de 400.. .500’0. Cele mai bune tipuri de astfel de motoare pot avea eficiența de 42% la temperatura de ieșire a gazului de 570°C. Temperatura înaltă a gazului evacuat permite utilizarea efectivă a căldurii pentru evaporarea

RO 120574 Β1 și preîncălzirea materiei prime, pentru obținerea aburului diluant și, de asemenea, pentru 1 supraîncălzirea aburului generat în cantitate suficientă pentru a asigura funcționarea compresoarelor unei instalații de separare a gazului. Drept combustibil poate fi utilizat gaz natural 3 sau fracțiunea metan-hidrogen separată de gazul cracat într-o instalație de separare a gazului. Zgomotul de la motorul unei turbine de gaz nu este mai mare decât zgomotul arzătoarelor 5 de gaze dintr-un furnal de piroliză tradițional. Pentru evacuarea gazelor de emisie de la motorul turbinei cu gaz se pot utiliza coșuri similare cu cele folosite în mod obișnuit la fuma- 7 lele tubulare. Pentru o instalație de piroliză cu o capacitate de prelucrare a hidrocarburilor de alimentare de 80.000 tone per an este necesară o turbină de gaz cu un motor având o 9 putere de circa 8...12 megawați. Astfel de motoare se fabrică în serie și sunt capabile de funcționare pe durată mare de timp în condiții de continuă încărcare, ca exhaustor de gaze 11 în stații de pompare a gazelor prin conducte de gaz ramificate. Fiabilitatea maximă a unor astfel de motoare poate atinge până la 100.000 h de funcționare. 13 în proiectarea noilor instalații de piroliză poate fi practică utilizarea de materiale, experiență operațională și tehnologii folosite de către producătorii de motoare de turbine de 15 gaz. Dacă un reactor și turbina sa de gaz drept utilaj de acționare vor fi produse în aceeași fabrică, instalația de piroliză poate fi livrată pe un schelet comun sub forma unui agregat 17 compact, cu promptitudine maximă.

Claims (5)

19 Revendicări

1. Procedeu pentru obținerea olefinelor cu greutate moleculară mică prin piroliză hidrocarburilor, care cuprinde preîncălzirea și evaporarea materiei prime, amestecarea aces- 23 teia cu abur ca diluant, încălzirea amestecului rezultant până la temperatura de piroliză într-un reactor rotativ lamelar, răcirea gazului de cracare și separarea ulterioară a lui, 25 caracterizat prin aceea că încălzirea amestecului până la temperatura de piroliză se realizează prin amestecare cu gaz pirolizat fierbinte, care circulă într-o cavitate de lucru a reacto- 27 rului rotativ lamelar o perioadă de timp neglijabilă comparativ cu durata reacțiilor de piroliză.

2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că preîncălzirea mate- 29 riei prime și a aburului diluant se realizează în două etape, iar în a doua etapă, preîncălzirea se efectuează într-un schimbător de căldură prin utilizarea căldurii conținută de gazul de 31 cracare care este evacuat din reactorul rotativ lamelar.

3. Reactor pentru piroliză hidrocarburilor cuprinzând o incintă prevăzută cu lamele 33 (17,18) staționare, un orificiu (21) de intrare pentru alimentare cu materii prime, un orificiu (22) de ieșire a gazului de cracare și o roată (24) prevăzută cu o coroană (25) de lamele, 35 caracterizat prin aceea că incinta are o cavitate inelară pentru circulația gazului pirolizat fierbinte, care conține lamelele (17,18) staționare și înconjoară periferia roții (24) cu coroana 37 (25) de lamele, iar orificiile de intrare (21) a materiei prime și de ieșire (22) a gazului de cracare comunică cu cavitatea menționată. 39

4. Reactor conform revendicării 3, caracterizat prin aceea că incinta constă dintr- o manta (8) și un strat (14) interior rezistent la căldură, îmbinate una cu alta, iar mantaua (8) 41 este acoperită pe interior cu un strat izolator termic.

5. Dispozitiv pentru răcirea gazului de cracare, cuprinzând un schimbător de căldură 43 având spații pentru fluide care se încălzesc, separate printr-un perete, caracterizat prin aceea că este prevăzut cu un T (41) și un ejector constituit dintr-un ajutaj (38), o cameră 45 (39) de admisie și o cameră (40) de amestecare, camera (40) de amestecare a ejectorului și unul din ștuțurile (34) ale T-ului (41), comunicând cu spațiul în care se află fluidul răcit, 47 iar camera (39) de admisie a ejectorului fiind legată cu celălalt ștuț (35) al T-ului.