反向射流混合加熱裂解裝置及生產乙烯的方法
2023-07-22 17:59:01 2
專利名稱：反向射流混合加熱裂解裝置及生產乙烯的方法
技術領域：
本發明涉及一種將原料裂解製造乙烯的設備和利用該設備生產乙烯的方法。
目前，全世界乙烯產量中的99％均由管式裂解爐產出，原料升溫和裂解所需熱量是從管外燃氣通過管壁傳遞給管內流動的原料。受管壁材料耐高溫性能的限定，原料裂解溫度還不夠高；受管壁傳熱強度所限，升溫過程緩慢，停留時間太長。實際產品產率較理想條件下能達到的產率差距還相當大。從六十年代起，採用減小爐管直徑和縮短爐管長度，增加傳熱強度並降低停留時間，使乙烯產率逐步提高。八十年代設計的「毫秒裂解爐」其爐管內徑已從開始時的254mm降低至25.4mm，停留時間從秒量級降至數十毫秒。當採用乙烷作原料時，乙烯產率較常規管式爐提高5-10％；而採用重原料時，乙烯產率甚至可提高20-30％。如能進一步縮短停留時間，提高裂解溫度，乙烯產率還可提高。然而，由於爐管內截面積小，單管產量低，為了達到大的產量，爐管組數和根數很多，難以使原料均勻分配。還由於爐管直徑小，阻力大，且稍有結焦，裂解條件急劇惡化。因此，這種「毫秒裂解爐」難以推廣使用。目前工業大量應用的裂解爐爐管內徑大於50mm，以縮小爐管內徑提高乙烯產率的潛力已基本挖掘殆盡。
美國專利NO 3,146,015(1997年6月7日)發明了一種新的將原料加熱到裂解溫度的方法。燃料(氫或甲烷)與水蒸汽混合後點火燃燒，產生的高溫燃氣以亞音速流向噴管喉部。液體原料剛好在喉部上遊處以霧狀噴入燃氣流中，與燃氣混合併蒸發，發生初步裂解。混合物在喉部下遊擴張管內加速到超音速，該超音流穿過激波後，溫度急劇升高，原料進一步裂解至淬冷區。淬冷後的氣流通過熱交換器回收有用的熱能。該方法的乙烯產率可較當時的管式爐提高7％。
蘇聯專利SU 392723(1983年7月15日)發明了氧化裂解甲烷生成乙炔和乙烯的方法，將甲烷加熱到820℃與200℃的氧相混合，認為進入周期短不會直接點燃。富甲烷混合物通過拉伐爾噴管加速到超音速，該超音速氣流在噴管出口外與靶體相撞，在靶前形成脫體激波。激波下遊氣流溫度急劇上升，甲烷被點火燃燒，溫度進一步大幅度升高。富餘的甲烷裂解生成乙炔和乙烯。
上述兩個專利中都採用了激波加熱控制停留時間。當原料氣以超音速流過激波，氣流減速為亞音速，溫度在極短的時間內升高，為縮短停留時間創造了必要條件。然而在前述的美國專利中，當液體燃料噴入高溫燃氣中，已經被加熱裂解，隨後的激波加熱控制裂解究竟能起多大作用難以確定。在前述的蘇聯專利中，當820℃的甲烷與200℃的氧混合時，難以防止點火燃燒。激波下遊混合物溫度低於初始混合溫度。如果激波加熱升溫能點火引燃，則初始混合亦能點火。激波加熱控制停留時間的作用亦難確定。
為了克服上述兩個專利的不足，美國專利NO 5,219,530(1993年6月15日)提出新的激波加熱方法，採用過熱水蒸汽作載體氣，載體氣通過列陣噴管加速成多股超音速流。原料氣預熱後通過列陣噴管內通道與超音速載氣流相平行地射入各股氣流中間。兩者在混合段中湍流混合形成超音速混合流。在混合過程中，原料氣要始終保持其溫度位於亞裂解溫度範圍，不發生裂解。超音速混合流通過激波後，溫度急速升高開始裂解生成所需產品。這種加熱方法能嚴格控制停留時間，因而可明顯提高產品產率。然而由於載體氣與燃料氣混合時，既要避免混合過程中原料氣溫度超過亞裂解溫度，又要將載體氣能量傳遞給原料氣，難度很大。為此採用了過量載體氣(水蒸汽超過96％)。當以乙烷作原料，裂解生成乙烯時，乙烯產率較管式爐高出約20％。然而，耗用過量水蒸汽，導致運行費昂貴，阻礙它在工業上的實用。
本發明的又一目的在於提供一種利用上述裝置生產乙烯的方法。
為實現上述目的，本發明提供的反向射流混合加熱裂解裝置，其整體呈一風洞管狀，包括有一個燃燒室，用於產生高溫載體氣；一個霧化噴嘴，用於噴射水蒸汽，將載體氣調節成所需溫度；一個拉伐爾噴管，使載體氣通過該噴管時加速至超音速並進入裂解段；一個預熱熱交換器，用於將原料氣升溫到接近開始裂解的溫度；一個原料噴射器，設有噴射孔，用於將接近開始裂解溫度的原料氣噴射至裂解段；一個水冷熱交換器，用來凍結並接受裂解產品；一個燃料氣穩壓器和一個氧氣穩定器，置於爐體外部，分別用來穩定燃料氣和氧氣的壓力，並通過各自的臨界噴管進入燃燒室。
所述原料噴射器上設有一排噴射孔，置於超音速載體氣流的軸線上，形成的原料氣射流與載體氣流方向互成180°。
所述原料噴射器上設有兩排噴射孔，其角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載體氣流互成(180-β)°。
所述原料噴射器與預熱熱交換器之間的距離可以調節。
本發明提供的一種利用上述裝置生產乙烯的方法，以高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣為載體氣，在燃燒室內的壓力為0.5-2.0Mpa；用霧化噴嘴噴出的水蒸汽調節降低載體氣溫度，其載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流，其馬赫數Ma＝1.5-4；被預熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載體氣流中；停留所需時間後被淬冷，將所需產品凍結下來。
所述高溫水蒸汽是採用氫和氧混合燃燒生成。
所述水蒸汽和二氧化碳混合氣是採用甲烷和氧混合燃燒生成。
所述調節降低載體氣溫度是用霧化水。
本發明提供的上述裝置，使原料氣反向射入高焓超音速載體氣流中，互相混合後使原料氣急速上升。載體氣採用氫和氧或甲烷和氧混合燃燒生成高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣。通過噴入燃燒室中的霧狀水降低載體氣溫度，調節到所需溫度的載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流。被預熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載氣流中。原料氣射流與速音速載體氣流強烈互相干擾，混合後的混合氣降至亞音速，溫度急速升高開始裂解。停留所需時間後被淬冷，將所需產品凍結下來。
原料氣在預熱熱交換器9中升溫到接近開始裂解溫度後流入原料噴射器10，並通過該噴射器10上的噴射孔11反向或斜向射入裂解段8，原料氣射流與反向超音速載體氣流強烈幹擾，快速混合升溫，開始裂解。停留所需時間後，混合物流先被預熱熱交換器9，繼而被水冷熱交換器12冷卻，將裂解得到的產品凍結下來。混合物流在裂解段8停留時間可通過改變原料噴射器10與預熱熱交換器9之間的距離加以調節。
請參閱圖2，該圖是原料噴射器10的截面圖。前面的敘述中提到原料氣從原料噴射器10上的噴射孔11反向或斜向射入裂解段8，這取決於原料噴射器10上的噴射孔11的設置。圖2a和圖2b顯示了噴射孔11的兩種設置。圖2a顯示的是單排噴射孔11，位於超音速載氣流的軸線上，形成的原料射流與載氣流方向正相反，互為180°。圖2b顯示的是兩排噴射孔11，這兩排噴射孔11的角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載氣流互成(180-β)°。
實施例室溫氫和氧從各自的儲氣罐分別經過穩壓器1和2後，控制壓力穩定為1Mpa。氫通過喉部直徑為3.8cm的臨界噴管3，氧通過喉部直徑為5.5cm臨界噴管4，同時射入燃燒室5混合後點火燃燒。燃燒產生的水蒸汽的質量流率為6.5Kg/sec。燃燒室的後部，噴入經預熱的水蒸汽，其質量流率5.5Kg/sec，溫度範圍為500-600K(該溫度遠低於燃料燃燒後產生的水蒸汽的溫度，為便於敘述，分別稱為高溫水蒸汽和低溫水蒸汽)。高、低溫水蒸汽混合後的溫度為1800K，總流率為12Kg/sec；拉伐爾噴管7喉部直徑為18.5cm，水蒸汽總壓為0.6Mpa。水蒸汽在拉伐爾噴管7出口處加速到Ma＝3。以乙烷為原料，從原料噴射器10的噴射孔11斜向噴入直徑為50cm的裂解段8。原料噴射器10橢圓截面橫軸長3cm，長軸長5cm，壁厚0.5cm；噴射孔11為兩排，每排5孔，共10孔，孔直徑2cm。乙烷經預熱交換器9加熱到亞裂解溫度(該溫度控制在小於700K)，加熱到600K，壓力為0.5Mpa，每秒可噴入3Kg乙烷。噴入量隨壓力上升而上升，隨溫度上升而下降。
本發明按68％乙烷轉化為乙烯，以工作周期為80％(年工作7000小時)計算，利用本發明可年產乙烯50,000噸。
權利要求
1.一種反向射流混合加熱裂解裝置，其整體呈一風洞管狀，包括有一個燃燒室，用於產生高溫載體氣；一個霧化噴嘴，用於噴射水蒸汽，將載體氣調節成所需溫度；一個拉伐爾噴管，使載體氣通過該噴管時加速至超音速並進入裂解段；一個預熱熱交換器，用於將原料氣升溫到接近開始裂解的溫度；一個原料噴射器，設有噴射孔，用於將接近開始裂解溫度的原料氣噴射至裂解段；一個水冷熱交換器，用來凍結並接受裂解產品；一個燃料氣穩定器和一個氧氣穩定器，置於爐體外部，分別用來穩定燃料氣和氧氣的壓力，並通過各自的臨界噴管進入燃燒室。
2.如權利要求1所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特徵在於，所述原料噴射器上設有一排噴射孔，置於超音速載體氣流的軸線上，形成的原料氣射流與載體氣流方向互成180°。
3.如權利要求1或2所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特徵在於，所述原料噴射器上設有兩排噴射孔，其角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載體氣流互成(180-β)°。
4.如權利要求1、2或3所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特徵在於，所述原料噴射器與預熱熱交換器之間的距離可以改變。
5.一種利用上述裝置生產乙烯的方法，以高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣為載體氣，在燃燒室內的壓力為0.5-2.0Mpa；用霧化噴嘴噴出的水蒸汽調節降低載體氣溫度，其載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流，其馬赫數Ma＝1.5-4；被預熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載體氣流中；停留所需時間後被淬冷，將所需產品凍結下來。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述高溫水蒸汽是採用氫和氧混合燃燒生成。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述水蒸汽和二氧化碳混合氣是採用甲烷和氧混合燃燒生成。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述霧化噴嘴噴出的水蒸汽溫度為400-700K。
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述調節降低載體氣溫度是用霧化水。
全文摘要
一種反向射流混合加熱裂解裝置及生產乙烯的方法，以氫或甲烷為燃料，和氧以化學當量比流入燃燒室，使其完全燃燒形成載體氣，由水蒸汽調節降低載體氣至所需的溫度，載體氣流通過拉伐爾噴管加速至超音速後流入裂解段。原料氣升溫到接近開始裂解溫度後流入原料噴射器射入裂解段，與反向超音速載體氣流快速混合升溫，開始裂解。停留所需時間後，混合物流被水冷熱交換器冷卻，將裂解得到的產品凍結下來。本發明可用於裂解製造乙烯和其它化工產品，其升溫快，並且不受器壁材料耐高溫性能的限制，裂解溫度可提高，乙烯產量較管式裂解爐大幅度提高。
文檔編號C07C5/00GK1429798SQ01145130
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月30日 優先權日2001年12月30日
發明者俞鴻儒, 林建民, 陳宏 , 單希壯 申請人:中國科學院力學研究所