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用于电热裂解过程的热能回收装置的制作方法

  • 国知局
  • 2024-07-29 10:23:03

本公开涉及用于传递热能的系统和方法,并且更具体地,涉及用于将热能从热流出物传递到用于反应器炉的进料的能量回收装置。

背景技术:

1、碳氢化合物进料在燃气蒸汽裂解炉中的蒸汽裂解是用于生产烯烃的主要商业方法。在此类方法中,将碳氢化合物,诸如乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油、衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物或生物原料从大约650℃加热至有时接近850℃的温度,以促进向轻烯烃(诸如乙烯和丙烯)转化。因为裂解反应是吸热的,所以必须提供大量的热量。

2、为了提供常规蒸汽裂解方法所需的能量,可以在燃气蒸汽裂解炉中燃烧天然气和/或轻质气体。碳氢化合物在燃气蒸汽裂解炉中燃烧形成二氧化碳,该二氧化碳作为烟气的一部分从燃气蒸汽裂解炉中排放出来。鉴于目前的环境考虑,此类排放可能是不期望的。烯烃是主要的化学结构单元,并且通常可以大量生产,从在小型裂解器中每年几十万吨到在单个大型烯烃生产设施中每年两百万吨或更多。因此,使用燃气蒸汽裂解炉生产烯烃可能导致不期望的高二氧化碳排放。

3、在常规的燃气烯烃生产炉中,燃烧气体可只在当温度超过反应的温度(例如650℃至850℃)时向裂解反应供应热量。一旦气体已经冷却到低于这个温度,就可能期望提取尽可能多的剩余热量以实现设备的节能操作。这种热量通常在所谓的对流段中回收。能量经常用于将反应器进料和稀释剂蒸汽预热至发生裂解反应所需的温度。

4、在烯烃生产中,一旦进料被裂解,就应在经裂解的气体的进一步处理之前冷却反应器流出物。理想地,初始冷却快速发生以减少或防止反应器流出物中的副反应,与此同时该反应器流出物仍处于相对较高的温度。此外,对于能量有效的过程,应尽最大可能回收反应器流出物的热量并在该过程中的其他地方使用。

5、在一些系统中,这种淬火和冷却在传送管线交换器(tle)中发生,其中反应器流出物通过与液态水交换热量以产生高压蒸汽来冷却。通过与沸水交换热量进行冷却具有以下优点:热传递通常比当用气体进行冷却时更快,有时对于相同的交换器几何形状快五倍或甚至十倍。这种蒸汽可用于为蒸汽涡轮机或其他辅助设备提供动力。例如,蒸汽通常用于为裂解气压缩机、制冷压缩机中的一个或多个制冷压缩机、或一个或多个泵提供动力。使用蒸汽来驱动旋转设备(诸如压缩机和泵)是使用从冷却反应器流出物中回收的能量的方便方式,但是将热量形式的能量(例如,蒸汽中含有的热量)转化为机械功的效率通常是低的,在30%至50%的范围内。

6、减少由常规蒸汽裂解过程产生的大量二氧化碳的一种解决方案是电气化蒸汽裂解。电气化蒸汽裂解包括使用至少部分地直接或间接由电加热的裂解炉。与燃气裂解炉相比,电气化蒸汽裂解炉具有减少的排放。

7、然而,电气化蒸汽裂解炉引入了必须克服的新的技术挑战。使用电气化蒸汽裂解炉的一个结果是从燃气裂解炉中的燃料燃烧中消除了热烟道气,使得通常由热烟道气供应的加热(包括进料预热)必须以另一种方式供应。第二个结果是在裂解过程内需要不同的能量集成。旋转设备(诸如压缩机和泵)容易由电提供动力;此外,利用电的此类设备的操作效率远高于用蒸汽的设备的操作效率,与当使用蒸汽时通常获得的30%至50%相比,当使用电时通常实现大于90%的能量效率。因此,在电蒸汽裂解过程中,存在相当大的动机使用电为这些装置提供动力。这意味着当冷却反应器流出物时当前回收的能量不再可用于为泵和压缩机提供动力;相反地,需要找到这种能量的不同用途,使得该过程的总能量效率可以保持在高水平。

8、对于电动过程,本技术人已经确定需要这样的系统和方法,这些系统和方法用于使用从对热反应器流出物进行淬火获得的能量,与此同时仍然足够快地对经裂解气进行淬火以防止进一步反应。本技术人还认识到需要用于预热电动炉的进料的系统和方法。

技术实现思路

1、在本公开的一个实施方案中,提供了一种生产烯烃的方法,该方法包括:将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管;在热能回收组件的外管中加热该碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料;将该经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电动裂解炉以加热该经预热的碳氢化合物进料;使用由电产生的热量在电加热裂解炉的反应区中裂解该经预热的碳氢化合物进料以输出包含经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物;将该热反应器流出物供应到热能回收组件的内管;以及通过将热量传递到碳氢化合物进料来冷却热能回收组件的内管中的热反应器流出物。

2、在某些实施方案中,该方法还可以包括:将不同于碳氢化合物进料的附加进料供应到热能回收组件的外管;以及通过经由热能回收组件将热量从热反应器流出物传递到附加进料来加热该附加进料。在某些实施方案中,该方法可以包括:从热能回收组件的外管中取出经部分预热的碳氢化合物进料;将该经部分预热的碳氢化合物进料进料到热能回收组件;以及通过经由热能回收组件从热反应器流出物传递热量来进一步加热该经部分预热的碳氢化合物进料,以输出经预热的碳氢化合物进料。在某些实施方案中,该方法可以包括以至少2.5开氏度/毫秒、至少3.5开氏度/毫秒、或至少4.5开氏度/毫秒的速率冷却热反应器流出物。

3、在某些实施方案中,穿过热能回收组件的热反应器流出物的压降小于0.35巴、小于0.30巴、小于0.25巴、小于0.20巴、或小于0.15巴。热反应器流出物在热能回收组件内的停留时间可以小于100毫秒、小于95毫秒、小于90毫秒、小于85毫秒、小于83毫秒、或小于80毫秒。穿过热能回收组件的进料的压降可以是2巴至15巴、2.5巴至10巴、3巴至8巴、3巴至10巴、4巴至9巴、或5巴至8巴。

4、在某些实施方案中,热能回收组件可以包括内管,该内管具有第一入口,该第一入口被构造为接收来自电动裂解炉的热反应器流出物;以及外管,该外管围绕该内管设置以包围围绕内管的环带,该环带包括第二入口,该第二入口被构造为接收碳氢化合物进料。该环带可以包括至少一个热传递增强件以增强从内管到环带的热传递。该环带可以包括第一级,并且该至少一个热传递增强件包括冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。该环带可以包括在上游端与下游端之间的板冲击件,该板冲击件可以包括:第一通道,该第一通道在上游端处具有级入口并且在下游端处对流动是封闭的;第二通道,该第二通道在下游端处具有级出口,该第二通道设置在该第一通道与内管之间;壁,该壁将第一通道与第二通道分开,该壁限定流体连接第一通道和第二通道的开口;并且板冲击件被构造为通过级入口接收进料,使进料经由壁的开口从第一通道流动到第二通道,并且使进料的流动冲击到内管的外表面上并通过第二通道的级出口排出进料。该环带可以包括一个短笛冲击件(piccolo impingement),该短笛冲击件可以包括:上游分隔器,该上游分隔器围绕内管设置并设置在外管内;下游分隔器,该下游分隔器围绕内管设置并设置在外管内,该下游分隔器位于环带内的上游分隔器的下游,该下游分隔器限定至少一个级出口;室,该室限定在外管内并在上游分隔器与下游分隔器之间围绕内管;以及短笛管(piccolo tube),该短笛管从内管偏移,该短笛管通过室从上游分隔器延伸到下游分隔器,该短笛管包括用于接收进入的进料的级入口,该短笛管包括限定在其中的多个开口,该短笛冲击件被构造为从级入口接收进料,使进料经由该多个开口从短笛管流入室,并且经由至少一个级出口从室排出进料。该环带可以包括至少第一级和第二级,其中该第一级和该第二级可以串联,其中该两个级可以包括至少一个热传递增强件。内管可以包括热传递增强件,该热传递增强件包括冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。热能回收组件可以包括彼此平行的多个内管,其中每个内管设置在外管内,每个外管可以具有冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。

5、在本公开中详细讨论了这些示例性实施方案和其他实施方案的仍其他方面和优点。此外,应当理解,前述信息和以下详细说明书两者仅提供各个方面和实施方案的说明性示例,并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施方案的性质和特性的概述或框架。因此,通过参考以下描述和附图,本公开的这些和其他目的以及优点和特征将变得显而易见。此外,应当理解,本文描述的各种实施方案的特征不是相互排斥的,并且可以以各种组合和排列存在。

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