Узел ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УЗЕЛ ВВОДА РАСТВОРА ИНГИБИТОРА КОКСООТЛОЖЕНИЯ В ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ(71) Заявитель ФОРЕСТ СТАР ИНТЕРНЭШНЛ Лтд.(72) Авторы Бушуев Владимир Андреевич Земцов Юрий Сергеевич (/)(73) Патентообладатель ФОРЕСТ СТАР ИНТЕРНЭШНЛ Лтд.(57) 1. Узел ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, включающий прямой участок змеевика с патрубком для подвода сырья,распылитель ингибитора, трубку для подвода ингибитора к распылителю и охватывающую ее дополнительную трубку, расположенные соосно, отличающийся тем, что он снабжен струевыпрямителем, подавляющим крупномасштабную турбулентность вниз по потоку, соосно расположенным в прямом участке змеевика в зоне впрыскивания раствора ингибитора. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что в качестве распылителя используется центробежная форсунка. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что струевыпрямитель выполнен из радиальных лопастей и цилиндрических колец, при этом радиальные лопасти прикреплены к дополнительной трубке симметрично относительно ее оси, а цилиндрические кольца прикреплены к радиальным лопастям соосно с дополнительной трубкой и образуют канал, ступенчато расширяющийся по направлению потока. 4. Узел по п. 3, отличающийся тем, что струевыпрямитель содержит от трех до пяти цилиндрических колец, а ширина колец увеличивается по направлению потока от 0,25 до 0,9 внутреннего диаметра прямого участка змеевика у первого и последнего колец соответственно. 5. Узел по п. 3, отличающийся тем, что расстояние от передней части лопасти до места врезки патрубка подвода сырья составляет не менее двух внутренних диаметров прямого участка змеевика.(56)0617112 2, 1994.633892, 1978.1661189 1, 1991.4708787, 1987.0606898 1, 1994.5435904 , 1995.3812029, 1974. Область техники. Изобретение относится к нефтехимической промышленности и предназначено для использования в установках для производства этилена и пропилена термическим пиролизом углеводородного сырья. Предшествующий уровень техники. В настоящее время все мировое производство этилена и пропилена основано на пиролизе углеводородного сырья в трубчатых печах в присутствии водяного пара. Сырьем служат этан и пропанбутановые смеси, а также бензиновые и газойлевые фракции. Обычно печь пиролиза имеет две камеры, конвекционную и радиационную. В конвекционной камере сырье, протекающее по змеевику, испаряют, смешивают с паром и подогревают до 550650 С. В радиационной камере смесь подогревают до 750950 С. При пиролизе образуются этилен, пропилен, бутилены и ряд побочных продуктов. Основной проблемой при этом процессе является образование отложений кокса на стенке змеевика радиационной камеры. В большинстве печей отложения кокса удаляют, выжигая их смесью пара и кислорода. Применяют также трубчатые печи пиролиза, в которых коксоотложение предотвращают путем подачи в поток сырья ингибитора, содержащего, например, соединения щелочных металлов. В большинстве случаев ингибитор в виде водного раствора или суспензии соответствующих химических соединений подают в горячий поток сырья через узел ввода, расположенный вблизи границы конвекционной и радиационной частей змеевика. При этом часто возникает прогар стенки змеевика с образованием сквозных свищей в зоне впрыскивания раствора ингибитора. Прогар вызывается тем, что капли раствора ингибитора периодически попадают на нагретую металлическую стенку вблизи от места впрыска. Многократно повторяющиеся изменения температуры вызывают разрушение металла от термической усталости. В Европейском патенте ЕР 0617112 А 2 описано устройство ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, включающее прямой участок змеевика с патрубком для подвода сырья, распылитель ингибитора, трубку для подвода ингибитора к распылителю и охватывающую ее дополнительную трубку,расположенные соосно. В этом устройстве дополнительная трубка, охватывающая распылитель ингибитора, выполняет функции защитной гильзы, предохраняющей стенки змеевика от попадания на них жидкого раствора ингибитора. Сама дополнительная трубка от попадания на нее капель жидкого раствора ингибитора не защищена. В Европейском патенте ЕР 0606898 В 1 описано устройство ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, включающее прямой участок змеевика с патрубком для подвода сырья, распылитель ингибитора, трубку для подвода ингибитора к распылителю, расположенную соосно прямому участку с возможностью осевого ее перемещения. В рабочем положении распылитель вводится в поток газа на расстояние от одного до трех диаметров прямого участка трубопровода. В патенте США 5435904 описано устройство ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, включающее прямой уча 2 6246 1 сток змеевика с патрубком для подвода сырья, распылитель ингибитора, трубку для подвода ингибитора к распылителю, и охватывающую ее дополнительную трубку, расположенные соосно. В этом устройстве для распыления жидкости используется сжатый газ,подводимый к распылителю по кольцевому зазору между внутренней и дополнительной трубкой. В патенте США 4708787 описано устройство для распыления жидкости в потоке газа. Устройство содержит прямой участок трубопровода с патрубком для подвода газа,снабженный вставкой в виде трубки Вентури, распылитель жидкости и трубку для подвода жидкости к распылителю, расположенные соосно в прямом участке трубопровода, при этом распылитель размещается в горловине трубки Вентури. В патенте США 3812029 описано устройство для впрыскивания жидкости, склонной к коксообразованию, в нагретый до высокой температуры сосуд. Устройство содержит внутреннюю трубку для подвода впрыскиваемой жидкости и охватывающий ее кожух, в который подается вода, оканчивающиеся общим соплом, в котором струи впрыскиваемой жидкости и воды смешиваются и в таком виде попадают в нагретый сосуд. В авторском свидетельстве СССР 1661189 А 1 описано устройство для обдува внутренней поверхности цилиндрического патрубка струей воздуха. Устройство содержит трубу для подвода сжатого воздуха, расположенную соосно с обдуваемым цилиндрическим патрубком, и укрепленное на этой трубе кольцевое сопло, формирующее струю воздуха в виде полого конуса. В авторском свидетельстве СССР 633892 описано устройство ввода ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья. Устройство содержит концентрично расположенные внутреннюю и внешнюю трубы. По внутренней трубе поступает поток подогретого углеводородного сырья. По зазору между внутренней и внешней трубой в поток подается газообразный ингибитор коксоотложения. Раскрытие изобретения. Изобретение решает задачу устранения прогаров змеевика в зоне впрыскивания раствора ингибитора. Указанная задача решается тем, что узел ввода раствора ингибитора коксоотложения в трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, включающий прямой участок змеевика с патрубком для подвода сырья, распылитель ингибитора, трубку для подвода ингибитора к распылителю и охватывающую ее дополнительную трубку, расположенные соосно,снабжен струевыпрямителем, подавляющим крупномасштабную турбулентность вниз по потоку, соосно расположенным в прямом участке змеевика в зоне впрыскивания раствора ингибитора. Струевыпрямитель представляет собой аэродинамическую решетку, которая разделяет поток сырья на отдельные струи, параллельные оси прямого участка змеевика. Вниз по потоку от струевыпрямителя на протяжении нескольких диаметров прямого участка змеевика турбулентность в потоке сырья снижена. В этой зоне скорость радиального переноса примесей в потоке путем турбулентной диффузии также снижена. Время, необходимое для перемещения капель раствора ингибитора из ядра потока в пристеночную область течения, возрастает, и испарение капель завершается прежде, чем они могли бы достигнуть стенки. Это предотвращает возможность прогара стенок. По предпочтительному варианту выполнения изобретения в качестве распылителя используется центробежная форсунка. Достоинством центробежной форсунки является осесимметричная форма конуса распыла жидкости, вызывающая наименьшие возмущения потока сырья на выходе из струевыпрямителя. По предпочтительному варианту выполнения изобретение характеризуется также следующими признаками струевыпрямитель выполнен из радиальных лопастей и цилиндрических колец, при этом радиальные лопасти прикреплены к дополнительной трубке симметрично относи 3 6246 1 тельно ее оси, а цилиндрические кольца прикреплены к радиальным лопастям соосно с дополнительной трубкой и образуют канал, ступенчато расширяющийся по направлению потока струевыпрямитель содержит от трех до пяти цилиндрических колец, а ширина колец увеличивается по направлению потока от 0,25 до 0,9 внутреннего диаметра прямого участка змеевика у первого и последнего колец соответственно расстояние от передней части лопасти до места присоединения патрубка подвода сырья составляет не менее двух внутренних диаметров прямого участка змеевика. Краткое описание фигур чертежей. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид узла ввода, а на фиг. 2 - струевыпрямитель и форсунка в разрезе. Лучший вариант осуществления изобретения. Узел ввода включает прямой участок змеевика 1 с фланцем 2, патрубками 3 и 4 и вставку, содержащую ответный фланец 5, трубку для подвода ингибитора 6, дополнительную трубку 7, распылитель, в качестве которого использована центробежная форсунка 8, и струевыпрямитель, образуемый радиальными лопастями 9 и цилиндрическими кольцами 10, 11, 12 и 13. Вставка центрируется в прямом участке змеевика 1 по фланцу 2 и выступам радиальных лопастей 9. Цилиндрические кольца 10, 11, 12 и 13 прикреплены к радиальным лопастям 9 соосно с дополнительной трубкой 7 и образуют канал, ступенчато расширяющийся по направлению потока. Узел ввода работает следующим образом. Через патрубки 3 и 4 поток сырья, поступающий из змеевиков конвекционной части печи (на чертеже не показаны), попадает в прямой участок змеевика 1, относящийся к радиационной части печи. Водный раствор ингибитора коксоотложения поступает под давлением через трубку для подвода ингибитора 6 от внешнего источника (на чертеже не показан) к центробежной форсунке 8 и впрыскивается в поток сырья. Цилиндрические кольца 10, 11, 12 и 13 в сочетании с радиальными лопастями 9 образуют струевыпрямитель, который разделяет поток сырья на отдельные струи, параллельные оси прямого участка змеевика. В результате воздействия струевыпрямителя на поток снижается турбулентность на протяжении 510 диаметров прямого участка змеевика вниз по потоку. В этой зоне скорость радиального переноса примесей в потоке сырья путем турбулентной диффузии снижена. Вследствие этого попадание капель раствора ингибитора из ядра потока сырья в пристеночную область течения замедляется настолько, что испарение капель успевает завершиться прежде, чем они могли бы достигнуть стенки. Частицы ингибитора, образовавшиеся из капелек раствора после испарения воды, при попадании на стенку змеевика не оказывают вредного влияния на ее прочность. По предпочтительному варианту исполнения струевыпрямителя применены четыре цилиндрических кольца 10, 11, 12 и 13, а их ширина увеличивается от 0,25 у кольца 10 до 0,9 у кольца 13 по отношению к внутреннему диаметру прямого участка змеевика 1. Ширина колец выбрана по экспериментальным данным. Число колец выбрано с учетом того,что эффективность действия струевыпрямителей с числом колец меньше трех резко снижается, а струевыпрямители с числом колец более пяти в условиях работы узла ввода нежелательны, так как сильно загромождают сечение потока. По предпочтительному варианту исполнения узла ввода расстояние от передней кромки радиальных лопастей 9 до места врезки ближайшего патрубка подвода сырья 4 выдерживается не менее двух внутренних диаметров змеевика. При этом увеличивается эффективность действия узла ввода вследствие дополнительного снижения интенсивности турбулентности потока сырья в точке впрыска раствора ингибитора. 4 6246 1 Промышленная применимость. Данное изобретение может быть применено на тех трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья, закоксовывание которых предотвращают впрыскиванием раствора ингибитора коксоотложения в нагретый поток сырья. При изготовлении узлов ввода по данному изобретению необходимо применять материалы, допускающие длительную, десятки тысяч часов, работу в интервале температур 600650 С без развития тепловой хрупкости. Преимущественно должны применяться аустенитные стали со структурой устойчивого аустенита, не способного к структурным превращениям под влиянием длительных нагревов, в частности, стабилизированные титаном или ниобием стали типов 18-8 или 18-12. Испытания узла ввода раствора ингибитора, изготовленного в соответствии с данным изобретением из сталей типов 08 Х 18 Н 10 Т и 12 Х 18 Н 10 Т, проведенные в промышленных условиях на 12 экземплярах узла ввода, установленных на 6 печах пиролиза, дали положительные результаты. В ходе испытаний, продолжавшихся более 11 месяцев, не было зарегистрировано ни одного случая отказа узла ввода ингибитора или прогара змеевика в районе установки узла ввода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.