<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
'rparal et procédé pour Io c..\!t..tgfJ d0 l':.\t1ro. fluido*"
EMI1.2
La présente invention est relative Jt un appareil ot à un procéd6 pour le chauffage de matières fluide@ passant par un conduit. L'invention se rapporte plus partiwllèro.. 1 un rel1 et à un proc4dd pour la aise en G4uvr. do procédés d conversion d'hy<*roctrbuTtt< qui co=pr.:"¯.nt le chauffage d'un hydrocarbure jusqu'A une température élevée et son "intion à cette tmpt:r&tro <l<f vec pendant une courte période de réaction.
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
;veet d'autant plu' grand que 10 d L\r.1tro mt plus p<*tit. cefe::d,ant, y,f y un J.!t.:\v3nl"'qe inhérent do cette ;xiJlut icn est. '1\1111 faut pr.5'.'oir un :' grM:J T'ombre de tulea, ce qui ménc à ur.C C(\'T'plCXltt5 croissante de la . strt.ctt,re Je support du" tubes do 1 '.aj,ji iroil de c!,sn: f.mJ. En outro, l (,i\.t plus do COl,.;de3 do reltour "t <] 1;lpizX kL Lt ? :]1,:1.\ire, tous cas !.1,'t.".rs aay-.;nta.^.t la c<,i't de l'.\.To\r<11 11,. ,:1.:\\;[f:1>Jo.
Le psr¯:l.t^e do 1.i 1 ;;;t.i :-t: t'c'i 1.,i;,tr;+ te!!'-ro\turc5 du at el 1.> tube à ')"<! vilrisr .i<?c,;j;t.il>1,, .' ].1'T;..11 le #"t,a1 a cneorc S..!tl.1flt de rE9iriar.ec eet encore .1.J'Jr.I'.';' p.l1" 1,1 for# circulaire du t::L4 qt 8 relation avec lea dl!P03Jtlfs pr.ncipaux érettant de la chaleur raycnnanto dans le fcur, Ccat aii:Ji que lorsqu'on Co.\"l!tO un tube circul.iiro ou une r.iaq6c do ttsLes <!cp'.1is l'un ou .} 1". doux c61éz , un ar!.--..a do flux thcrm:.,t:e ^on uniforf-c existe 1autc.\lr do 14 pl:r 1F:lr 10 du tuLo..1 t l tro ',;:x0-?1", d"3 un appareil de chauffage con81tnt en une n,Frie de ti;icJ aynt:
inz section ..\t'l'''r.s...er.10 circulaires aitué entre deux parois t,iral141es de chauf- 'a'1o, la rapport du flux rixiraun au flux ccyon de la paroi du tube >f'Out 'v.1r1.r de 1,2 3 2,O ou plus, suivant la distance entre centres
EMI2.2
j".déo tlltoll. Il est. Ainai évident qu'un gradient de température en ''.>rlaultera autour de la périphérie du tube circulaire ét que le taux de flux moyen pour le tube sera régi par la température maximum correspondant aux taux de flux maxima. De ce fait, toute améliora- . tien quolconque dans la distribution du flux permettrait un taux
EMI2.3
de flux moyan plue elc\'6 pour la ntCnw ta:r.pLrature maximum du métal du tube.
Un but principal de la présente invention est de prévoir un four et. de. tubes pour celui-ci , dans lesquels un schéma ou allure du flux thermique plus uniforme existe autour de la périphérie du tube la chaleur rayonnate provenant du four est absorbée plus efficacement par le tube; l'aire en coupe transversale du tube est supérieure à celle d'un tube circulaire ayant le même rapport
EMI2.4
sûrface/volume.Ceci augmente la capacité de débit de l'appareil de 'chauffage et/ou réduit les températures du métal du tube. ainsi que
<Desc/Clms Page number 3>
.la longueur ou le nombre des tubes nécessaires. D'autres buts et a- vantages de l'invention apparaîtront de la description suivante.
Les buts de l'invention ,ainsi que ses avantages-, sont atteints en prévoyant un ou des tubes d'une section transversale oblongue , ayant des côtés larges, disposés dans le four. La chambre du four comporte des moyens d'émission de chaleur et les cotés lar- ges du tube font face à ces moyens d'émission de chaleur. Les moyens chauffants sont de préférence des brâieurs du type rayonnant prévus sur les parois apposées de la chambre, et le tube oblong à ses cô- tés larges opposés, qui font face aux beâleurs, Les sections trans- versales préférées des tubes sont les sections transversales cour- bes, ovales ou elliptiques. Cependant, la section transversale des tubes ne doit pas nécessairement être courbe.
C'est ainsi qu'un tube d'allure générale rectangulaire, présentant quatre côté plats et recevant de la chaleur rayonnée dans le four depuis des brûleurs suivant ses deux cOtés longs ou larges peut être employé. En vue d'une efficacité ma@@@um, le tube eblerg présertart des @@tés lar- ges opposés reçoit de la chalar rayonnante directe depuis ses deux côtés larges, au-dessus et en dessous de son axe de symétrie longitudinal et certains des brûleurs sont disposés pour fournir de la chaleur rayonnante directe à l'endroit de cette ligne de symétrie, sensiblement transversalement à l'axe principal de la section oblongue.
L'épaisseur de paroi lu tube est de préférence pratiquement uniforme et le périmètre de ce tube suivant les cotés longs ou larges est plat ou rendu convexe vers l'extérieur pour éliminer les dépressions vers l'intérieur.
Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, le tube est elliptique et est disposé entre deux parois parallèles allongées qui comportent des brûleurs , les côtés larges du tube faisant face à ces parois et à ces brûleurs. Le terme "oblong" tel qu'utilisé ici, se réfère à des sections transversales de tube, qui ont une excentricité supérieure à 1, c'est-à-dire un axe princi- . pal et un petit axe inégaux , ce terme englobant les formes dans
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
teS(LlZl,.c:5 un .,- -"''''''':;;-''''''''''''' ..... ,....,. ¯ ¯.........¯ : '¯'n e>..f, ""'1-bP7 ou sont pratiquement plats. L'axe principal est de préférence d'au moins trois ou quatre fois plus grand que le petit axe.
Des tubes ayant une section oblongue suivant la présente invention ont un rapport plus élevé surface/volume interne que des tubes de secticr. transversale circulaire ayant la même aire surperficielle. Ce plus, un tube oblong , ayant le même rapport surface/
EMI4.2
volume 0c1 q.i';n tube circulaire aura une aire transversale plus éievéa. L23 ,....;-.;:0,<;,-, Je cec: sent illustrés par les exemples sui- vants.
A - Un tube circulaire ayant¯un diamètre de 2 pouces aura une aira transversale de 3,14 pouces carrés et une aire circonféren- tielle de 6,23 pcuces carrés par pouce de tube. De ce fait, le rapport surface/volume sera de 2. Un tube ovale ayant un rapport grand axe/petit axe de 3,5/1 et un petit axe de 1,4 pouce aura une aire transversale de 5,35 pouces carrés et une aire circonférentiel
EMI4.3
je 1à,Jî/ po......C2 -:}!":: 3 par tL:C2 de ":-:: , 3.",": ;:n '"apport S.1w.CE% volume de 2. L'aire transversale du tube ovale est de 1,7 fois celle du tube circulaire. En conséquence, 59 tubes ovales pourraient remplacer 100 tubes ronds , tout en maintenant la même surface et le même volume pour ces tubes.
De la sorte, pour une opération d'une même rigueur, pour la même durée de séjour et pour les mêmes tempé- ratures maxima du métal du tube, le nombre des tubes ou passages parallèles peut être réduit de 100 à 59 lorsqu'on utilise des tubes ovales suivant la présente invention. Cette réduction dans le nombre des tubes pour la méme capacité de four réduit de façon importante le coût et la complexité mécanique du four.
B - Un tube oblong , lorsqu'il est chauffé depuis ses deux côtés larges aura une répartition du flux et de la température plus uniforme suivant sa périphérie qu'un tube circulaire, en vertu du fait que le tuba oblong présentera une plus grande partie de sa surface à un plus petit angle d'incidence au plan radiant que le tube circulaire. Le rapport du flux maxime au flux moyen pour le '
<Desc/Clms Page number 5>
tube diminuera au fur et à mesure que l'excentracice du tube augmente, en devenant égal à l'unité pour une excentricité infinie (tube composé de deux plaques parallèles, parallèles aux parois chauffées).
Il est ainsi évident que, pour une répartition du flux plus uniforme obtenue avec un tube oblong,le taux de flux moyen sera plus élevé que pour un tube circulaire, tout en maintenant encore la mené température maximum du métal des tubes. Un tube ovale chauffé des deux côtés, parallèlement à l'axe principal, présente une très bonne répartition de chaleur aurour de sa périphérie. Cela signifie que des tubes ovales peuvent tre espacés très étroitement les uns des autres sans préjudice peur la distribution de chaleur. Ceci n'est cependant pas le cas avec -les tubes ronds qui doivent être espacés de manière que le rapport du flux maximum au flux moyen tout autour de la périphérie du tube ne devienne pas excessif.
L'effet ou avantage net est qu'avec des tube ovales, l'espacement entre les tubes peut être très proche , ce qui a pour résultat des dimensions netterent plus petites de la chambre de chauf- fage pour la même capacité de four.
Si on considère l'exemple de la section A décrite ci-dessus, on obtient la comparaison suivante :
EMI5.1
<tb>
<tb> sour <SEP> A <SEP> Four <SEP> 3
<tb> Type <SEP> de <SEP> tube <SEP> rond <SEP> ovale
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> tubes <SEP> 100 <SEP> 59
<tb> Espacement <SEP> entre <SEP> les <SEP> tubes
<tb> centre <SEP> centre, <SEP> ;
- <SEP>
<tb> distance <SEP> entre <SEP> diamètres <SEP> des <SEP> tubes <SEP> 3,0
<tb> centre <SEP> .% <SEP> centre,distance
<tb> entre <SEP> grands <SEP> axes <SEP> 1,1
<tb> Flux <SEP> maximum/flux <SEP> moyen <SEP> 1,1 <SEP> 1,02
<tb> Diamètre <SEP> des <SEP> tubes <SEP> 2 <SEP> pouces <SEP> 1,4x4,9 <SEP> pouces
<tb> Longueur <SEP> du <SEP> four,pieds <SEP> 100x2x3,0= <SEP> 50 <SEP> 59x4,9x1,1- <SEP> 26
<tb> 12 <SEP> @ <SEP> 12
<tb> coût <SEP> relatif <SEP> de <SEP> la <SEP> chambre <SEP> de
<tb> chauffage <SEP> 1 <SEP> 0,53
<tb>
Il est évident de la discussion précédente que l'utilisa- tion de tubes oblongs présentant un rapport grand axe/petit axe
<Desc/Clms Page number 6>
supérieur à l.dane un appareil de chauffage permettra d'augmenter les températures des fluides,
de diminuer le nombre des tubes né- cessaires et d'augmenter la capacité ou encore de réduire les températures du métal des tubes, ce qui aura pour résultat une-sécurité améliorée et une réduction du coût de l'appareil de chauffage.
Le four de la présente invention peut être utilisé pour n'importe quel service de chauffage désiré et, en particulier, pour la mise en oeuvre de réactions de conversions chimiques qui exigent une température élevée, une courte durée de séjour et une vitesse massique relativement élevée. Une utilisation particulière pour le nouveau four de la présente invention se fait dans la mise en oeuvre d'un cracking à haute température, utilisant une alimentation d'hydro- carbures. L'alimentation ou matière à chauffer est contenue dans les conduits ou tubes du four et ces tubes sont chauffés par chaleur rayonnante. Pour obtenir le chauffage des tubes nécessaires à la mise en oeuvre de la présente invention, on peut disposer sur les paroïs du four une série de brûleurs à chaleur rayonnante.
En utilisant une série de brûleurs de ce genre, la précision et le contrôle étroit de la chaleur peuvent être obtenus par un simple réglage de l'admission de combustible aux brûleurs.
Le four de la présente invention comprend une zone de préchauffage par convexion et une zone de conversion ou de cracking à rayonnement. Les conditions opératoires spécifiques du four dépendent des caractéristiques de la charge d'alimentation et des produits désirés. La longueur, les dimensions internes, le volume et la forme périphérique des tubes oblongs dans la section rayonnante sont choisis pour assurer le transfert de chaleur , la durée de séjour et la chute de pression que l'on désire. Les tubes peuvent être disposés verticalement ou horizoatsalement dans la chambre de chauffage, deux tubes ou plus étant reliés se série par des coudes pour former un serpentin. Deux ou plusieurs de bas serpentins peuvent former un ensemble de serpentins.
Les tubes mont disposés dans le four dans un ou des plans d'allure générale parallèle auxcôtés qui - se
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
.-.¯¯ ¯ ... - ..¯¯.¯, .,=¯ ruz;.' - - > ¯¯ -..¯- = ¯ .¯-- ¯ ;--:-:-=-- - -..t '.r-;:::;' --:--. -...:.:-;- r¯::1..-.,.... ".:"-:-::..:>'¯-:.':'''i: :;-;.- :::..
-font face de la chambre de chauffage, les côtés larg 9-des -, - - .......:: ....---:....- - ..."...' ..,: ou leur axe principal étant sensiblemezc pàralmia5 i. , c=1= bzz la chambre de chauffage. Une série de brûleurs sont localisés sur les parois susdites et sont dirigés vers les côtés larges des tubes .
Certains des brûleurs peuvent être dirigés sur la paroi elle-même afin de la chauffer jusqu'à incandescence de manière qu'elle émette une chaleur rayonnante. Chaque ensemble de serpentins peut comporter sa propre zone de préchauffage par convection et sa propre sortie vers l'appareil de refroidissement.
L'invention sera mieux comprise encore grâce à la description suivante, donnée à titre non limitatif et avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue en élévation d'un appareil formant four de chauffage, que l'on peut utiliser dans la présente invention, une partie de la paroi latérale ayant été rompue pour montrer la construction interne de ce four.
La figure 2 est une vue en élévation terminale du four, une partie de la paroi latérale ayant été rompue pour montrer une section suivant la ligne 2-2 de la figure 1.
La figure 3 est une vue en plan partielle ,en coupe, de la disposition d'un tube elliptique dans le four, cette vue étant prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2.
La figure 4 montre une section transversale agrandie d'm tube elliptique tel qu'utilisé pour les réalisations des figures 1 à 3.
La fig ure 5 montre la coupe transversale d'un tube essentiellement elliptique, dont les deux cotes sont sensiblement plana.
Le procédé et l'appareil de la présente invention peuvent utiliser, comme alimentation, une matière choisie pour donner des produits chimiques particuliers.
Des charges d'alimentation convenables sont les hydrocarbures qui peuvent être craqués thermiquement pour donner des produits plus légers. Des alimentations que l'on peut citer sont
<Desc/Clms Page number 8>
EMI8.1
¯.l'éthâne, le propylene, le-propane, le butane, le' pentane et des' meianged uc5 ,L-aG-., '--z - -:i 1: - L -. 1--z .a-ils et les huiles brutes.
Une utilisation particulière du procédé et de l'appareil se fait dans le cracking de fractions de pétrole, bouillant dans la gamme de 80 F à 750 F, en vue de produire des oléfines. Les charges préférées sont des fractions de naphtas de pétrole, ayant des points d'ébullition initiaux de l'ordre de 90 à 150 F et des pointsd'ébul- lition finals de l'ordre de 220 à 400 F. Cependant, si on utilise des gas-oils, leurs points d'ébullition vont de 300-400 F à 600- 700 F. L'alimentation est craquée sélectivement pour donner des olé fines, en particulier de l'éthylène, en un rendement élevé.
Lorsqu'un procédé de cracking d'hydrocarbures doit être réalisé, par exemple dans la production d'éthylène, l'alimentation hydrocarburée peut être diluée avec de la vapeur d'eau à un rapport en poids vapeur/alimentation de 0,1 à 2,0, de préférence de 0,3 à 1,0, et en particulier, pour les naphtas, de 0,4 à 0,8.
Dans le procédé de la présente invention, la tampérature de réaction du fluide est amenée à s'élever de façon continue depuis l'entrée au eerpentin de réaction, c'est-àdire dans la section de rayonnement du four, jusqu'à la sortie du serpentin de réaction.
L'élévation de température est plus rapide an début tandis que les réactifs sont en train d'être chauffés jusqu'au niveau de tempéra- ture auquel les vitesses de réaction deviennent importantes, et en- suite à une allure plus basse d'augmentation à travers le restant de la zone de réaction, du fait de la nature endothermique des réac- tions de cracking. La température des réactifs à l'entrée de la zone de:: réaction peut être d'environ 1000 à 1200 F et elle s'élève à une valeur , à la sortie, d'environ 1500 à 1750 F.
Le procédé de la présente invention peut être mis en oeu- vre pour obtenir des conversions chimiques sélectives d'hydrocarbu- res spécifiques. L'alimentation hydrocarburée peut être au départ en phase liquide on en phase vapeur. L'hydrocarbure est normalement
<Desc/Clms Page number 9>
en phase vapeur dans la zone de réaction. L'alimentation sera géné-
EMI9.1
/l=';.$.,1..3;=é li"'" .- .-' 1""¯i f,=(lÉ$1 ralement préchauffée dans la zone de préchauffage depuis envjcon , 4, , ... -:,¯f; i7 ':d'¯' . ,¯,=..¯.. , -<;., la température,ambiante, par exemple 70 à 80 F: -jusquià une tempé- "":":? '"c .."' ' .... 4 "":
7' rature inférieure à celle à laquelle une réaction importante se . -' /2=4'-1... , '", 7 . :'.."'.- <1 ., <g";g.iE,)3iÇ produit, par exemple 1100 à 12000Y;, 'Durant la phase de préchauffage, ..' ' ;¯, - ¯1 ..,. .: bÉl(tq suivant la gamme d'ébullition.de l'alimentation, e1-c';;1être ..;,., ,¯ . ¯ . - bzz partiellement ou totalement vaporisée. Dans les procédés où on utili- se de la vapeur, on ajoute la vapeur à l'alimentation avant l'introduction de celle-ci dans la zone de réaction. A titra d'exemple, la vapeur peut être ajoutée en des points de la section de préchauffage, où l'alimentation est vaporisée à 70-90%. La vapeur, lorsqu:.' elle est ajoutée de cette manière, agit pour vaporiser totalement l'alimentation en réduisant la pression partielle d'hydrocarbure.
La vapeur agit également pour maintenir une basse pression partielle d'hydrocarbure dans la zone de réaction.
EMI9.2
Le procédé est pa=trculiérement applicable au cracking thermique de fractions de naphtas de pétrole dans un four réacteur contenant une section de préchauffage par convection et une section de réaction à chaleur rayonnante. La température d'entrée à la section à chaleur rayonnante sera d'environ 1000 à 1200 F et la température de sortie depuis la section à chaleur rayonnante sera d'environ 1500 à 1750 F. Letaux d'alimentation est tel que la vitesse massique de l'alimentation à travers les serpentins rayonnants dans le four peut être d'environ 15 à 35 livres par seconde par pied..
EMI9.3
..' p : 1- - .., - 1; .:: carré d'aire transversale interne, de préférence de 18 à 26 livres par seconde par pied carré d'aire transversale interne du tube de
EMI9.4
<]=;l'é; - .-* réaction. La vitesse massique , lorsqu'on utilise de la vapeur, est basée sur la circulation totale de la vapeur et des hydrocarbures.
La durée de séjour de l'alimentation dans la section rayonnante du serpentin de cracking peut être de 0,10 à 0,75/seconde,
EMI9.5
.->=-,-, :=.¯ij=, .'' de préférence de 0,15 à 0,40 seconde. Aux hautes tempéra(ùrés,çtili- sées , les réactions de cracking se développent très rapidement.
EMI9.6
. i--: ¯..¯.,- :::' ¯ .-=a':=?a
<Desc/Clms Page number 10>
Pour empêcher un dépôt important de coke il est désirable de re- froidir rapidement ls gaz produits effluents depuis la température de sortie de la zone rayonnante de 1500 à 1750 F jusqu'à une tem- pérature à laquelle les réactions de cracking s'arrêtent pratique- ment. Ceci est réalisé en faisant passer l'effluent à travers un appareil de refroidissement.
La durée de séjour dont il est question ici est la durée de séjour des réactifs dans la zone de réaction, 'est-à-dire la zone de chauffage rayonnant.
Le four comprend une zone à chaleur rayonnante contenant das brûleurs radiants qui fournissent une haute température sur la surface à chauffer à un flux thermique moyen élevé de 20.000 à 35.CDO Unités Thermiques Britanniques/heure/pied carré, de préférence à 22.000-28.000 Unités. Ceci peut donner une température maximum de tabe allant jusqu'à environ 1950 F. La section rayonnante du four contient des serpentins ou tubes qui peuvent avoir une pression d' entrée de 30 à 75 livres par pouce carré (pression absolue) et une pression de sortie de 20 à 45 livres par pouce carré (pression absolue), la pression d'entrée étant de préférence de 40 à 50 livres et la pression de sortie de 25 à 35 livres.
La chute de pression à travers le serpentin est faible et peut être de 10 à 30 livres par pouce carré, de préférence de 10 à 20 livres par pouce carré. La pression partielle de sortie d'hydrocarbure peut être de 5 à 20 livres par pouce carré (pression absolue), de préférence de 10 à 15 livres. Les tubes et les conduits oblongs contenant le fluide à chauffer peuvent avoir une longueur de 60 à 210 pieds, chaque conduit pouvant contenir 2 à 8 tubes de 20 à 45 pieds de longueur, reliés par des coudes de 180 et les tubes doivent avoir une dimension interne variant sur une large gamme, leur-petit axe pouvant par exemple avoir une longueur de 0,3 à 2 pouces, tandis que leur grand axe peut avoir une longueur de 1 à 12 pouces, pourvu que, pour le tube particulier employé, le grand axe soit supérieur au petit axe.
L'épaisseur de paroi de tube peut être la même que celle des tubes circulaires courants utilisés dans les zones rayonnantes, par exemple
<Desc/Clms Page number 11>
une épaisseur de 0,3 à 0,7 pouce. Lesconduits ont de préférence une longueur d'environ 20 pieds à 150 pieds et ils sont constitués de trois à cinq tubes de 30 pieds à 40 pieds de longueur, reliés par des coudes de 180 . qui forment un serpentin se disposant d'une maniè= re générale parallèlement aux parois et aux brûleurs du four. Dans une forme de réalisation de l'invention, les serpentins ont une lon- gueur d'environ 90 pieds et comprennent 3 tubes d'une longueur d'en- viron 30 pieds reliés par deux coudas le 180 .
Le grand axe du tube oblong est de préférence trois ou quatre éois plus long que le petit axe, avec un volume interne, par pouce linéaire, qui est égal à un tube circulaire de la même longueur ayant un diamètre interne de 1 à 5 pouces.Les tubes peuvent être disposésverticalement ou horizon- talement dans le four.
Les résultats améliorés obtenus par les tubes ovales de la présente invention peuvent être constatés grce aux exemples suivants, dans lesquels on compare un four courant à tubes circu- laires avec un four comportant des tubes ovales. Pour les mêmes con- ditions à l'intérieur du tube, à savoir la durée de séjour , la rigueur de l'opération et, de ce fait , le rendement d'éthylène, le four à tubes ovales présente l'avantage de fonctionner à des tempé- ratures de métal de tube sensiblement plus basses , comme on peut le voir du tableau suivant.
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb>
*'-' <SEP> Four <SEP> Four <SEP> B
<tb>
EMI12.2
type cou- - - - . ¯
EMI12.3
<tb>
<tb> rant <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯
<tb> Type-de <SEP> tube <SEP> circulaire <SEP> ovale
<tb> Charge <SEP> d'alimentation <SEP> naphta <SEP> de <SEP> Koweit
<tb> Poid <SEP> moléculaire <SEP> ---------108-----------Rapport <SEP> vapeur/naphta <SEP> 0,6 <SEP> 0,6
<tb> Diamètre <SEP> du <SEP> serpentin <SEP> , <SEP> pouces <SEP> 2,0 <SEP> 1,4 <SEP> x <SEP> 4,9
<tb> Température <SEP> de <SEP> gaz <SEP> de <SEP> sortie, <SEP> F <SEP> 1. <SEP> 600 <SEP> 1.
<SEP> 600
<tb>
EMI12.4
Flux thermique moyen,uB/hre/pied2 25.000 25.000
EMI12.5
<tb>
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> transfert <SEP> de <SEP> chaleur
<tb> global, <SEP> UTB/hre/pied2/ F <SEP> 90 <SEP> 90
<tb> Chute <SEP> moyenne <SEP> de <SEP> température, <SEP> F
<tb> (film <SEP> + <SEP> métal) <SEP> 277 <SEP> 277
<tb> Rapport <SEP> du <SEP> flux <SEP> maximum <SEP> au <SEP> flux <SEP> moyen <SEP> 1,3 <SEP> 102
<tb> Flux <SEP> maximum <SEP> 32.500 <SEP> 25.500
<tb> Chute <SEP> maximum <SEP> de <SEP> température, <SEP> F <SEP> 361 <SEP> 283
<tb> Température <SEP> maximum <SEP> de <SEP> paroi <SEP> de <SEP> tube, <SEP> F <SEP> 1.961 <SEP> 1.883
<tb>
A titre de variante, pour un fonctionnement au même niveau de température, le four comportant des tubes ovales opérera avec une durée de séjour moindre et produira un rendement plus élevé ,
comme on peur le voir'd'après le tableau suivant.
<Desc/Clms Page number 13>
EMI13.1
¯ j.,,¯-. -... - '." .- - ---- Four A r'oui 4 '-..- .. - - .- "':'Il '.::: .. -:.- "'>"", 1"" "'- ' de type
EMI13.2
<tb>
<tb> courant
<tb> Type <SEP> de <SEP> tube <SEP> circulaire <SEP> ovale
<tb> Charge <SEP> d'alimentation <SEP> Naphta <SEP> de <SEP> koweit
<tb> Poid <SEP> moléculaire <SEP> ---------108------- <SEP> --- <SEP>
<tb> Rapport'vapeur/ <SEP> naphta <SEP> 0,6 <SEP> 0,6
<tb> Diamètre <SEP> du <SEP> serpentin, <SEP> pouces <SEP> 2,0 <SEP> 1,4 <SEP> x <SEP> 4,9
<tb> Température <SEP> de <SEP> sortie <SEP> du <SEP> serpentin, F <SEP> 1.650 <SEP> 1. <SEP> 690
<tb> Température <SEP> du <SEP> métal <SEP> du <SEP> tube, <SEP> F <SEP> 1.
<SEP> 900 <SEP> 1.900
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> transfert <SEP> de <SEP> chaleur
<tb>
EMI13.3
glohal, t'TB/hre/pied2/'' 90 90
EMI13.4
<tb>
<tb> Rapport <SEP> du <SEP> flux <SEP> maximum <SEP> au <SEP> flux <SEP> moyen <SEP> 1,3 <SEP> 1,02
<tb>
EMI13.5
Flux maximum,7B/hre/pied2 25.000 25.000
EMI13.6
<tb>
<tb> Flux <SEP> moyen, <SEP> UTB/hre/pied2 <SEP> 19.200 <SEP> 24.500
<tb> Durée <SEP> de <SEP> séjour, <SEP> seconde <SEP> 0,20 <SEP> 0,16
<tb> Rendement <SEP> maximum <SEP> d'éthylène,% <SEP> en <SEP> poids <SEP> 29 <SEP> 31,2
<tb>
Pour obtenir ,.ne houte sélectivité vis-à-vis des oléfines avec une conversion élevée, il faut une pression partielle relati- vement basse d'hydrocarbure. la pression totale de sortie du four peut être de 25 à 30 livres par poucecarré (pression absolue).
Avec une pression totale de sortie de four de 25 à 30 livres par pouce carré, la pression partielle d'hydrocarbure à la sortie est déter- minée par la quantité de vapeur de dilution utilisée par quantité unitaire d'hydrocarbure et par le poids moléculaire de l'effluent hydrocarburé.
Le rapport en poids vapeur/hydrocarbure peut être de
0,1 à 2,0, de préférence d'environ 0,3 à 1,0. Dans un procédé de cracking d'un naphta pour obtenir de l'éthylène à une pression to- tale de sortie d'environ 25 livres par pouce carré (pression abso- lue) et avec un rapport en poids vapeur/ hydrocarbure de 0,5, la pression partielle d'hydrocarbure à la sortie du serpentin sera d'en- # viron 14,0 livres parpouce carré (pression absolue).
Les tubes de l'invention trouvent une application dans toute une série de fours. L'appareil représenté par les figures
<Desc/Clms Page number 14>
1 et 2 annexées constitue une illustration de l'une des formes de réalisation de four que l'on peut envisager.
Le four des figures 1 et 2 est constitué d'une section de chauffage A et d'une section de préchauffage B. Une chambre 17 nt et un ensemble de tubes 3 à 6 constitue la chambre de chauffage A.
La paroi du four, constituée par une enveloppe externe 14, un bloc isolant intermédiaire 15 et une paroi interne formée de briques réfractaires 16, définit la charbre 17. La paroi interne 16 de la chambre 17 est construite en un matériau réfractaire capable de résister ,% la chaleur à laquelle cette paroi peut être soumise dans une installation particulière quelconque. La chambre 17 est ouverte à son sommet pcur des moyens d'accès à la section de préchauffage 3 peur les produits de combustion engendrés par les brûleurs 18 lo- calisés dans les parois du four. La section de préchauffage B conpor- te des tubes ccurants de préchauffage 7 , de section transversale circulaire, qui communiquent avec les tubes 3 à 6.
Les tubes 7 forment la section de chauffage par convention du four et récupèrent la chaleur qui pourrait siron être gaspillée.
Une cheminée 13 est prévue pour faciliter l'échappement des produits de combustion vers l'atmosphère. Des orifices de dis- tribution peuvent également être localisés dans chacun des tubes individuels 3 à 6 pour réaliser une chute de pression et faciliter ainsi une distribution uniforre de la circulation à travers les tu- bes respectifs. L'enveloppe métallique 14 forme la paroi externe du four et la structure complète est 'montée sur des pieds 22. Des élé- mests structuraux 20 et 21 forment l'ossature en acier qui supporte les parois du four.
Les brâleurs 18 peuvent être alimentés d'une manière cou- rante par un gaz naturel ou un autre gaz combustible, ou encore par d'es combustibles finement dispensés , par des collecteurs ou des canalisations individuelles menant à chaque brûleur ,ces accessoires n'ayant pas été représentés.
Le type particulier de brûleur à chaleur rayonnante et
<Desc/Clms Page number 15>
- les détails associés à celui-ci ne doivent pas être décrits car ils sont bien connus et sont courants en pratique. On peut employer n'importe quel type de brûleur à chaleur rayonnante, qui fournira pratiquement toute la chaleur par rayonnement.
En fonctionnement, la matière fluide à chauffer ou à craquer dans le four est introduite par le conduit 1 vers les tubes de préchauffage 7 . Depuis les tubes de préchaufage 7 , le fluide circule vers le collecteur d'alimentation2 je la section à rayonne- ment, depuis lequel ce fluide circule finalement vers le tubes de chauffage 3 à 6. La matière fluide est @@@@@@ préchauffée jusqu'à une température qui se situe juste en dessous de celle à laquelle on désire traiter ou faire réagir la matière. En outre, dans des procédés de cracking d'hydrocarbures, on peut introduire de la vapeur dans les tubes 7 par les conduits 54, pour aider à la vaporisation de l'alimentation et pour contrôler la pression partielle d'hydrocarbure dans la section à rayonnement.
Comme on peut le voir sur la figre 4, les tubes -ou conduits élliptiques 3 à 6 ont, en section transversale, un grand axe ou axe principal Y d'environ 4 pouces, et un petit axe X, de préférence d'environ 0,75 pouce, ces mesures étant prises depuis l'extérieur du tube. Les parois du tube ont une épaisseur uniforme qui est de préférence de l'ordre de 1/4 de pouce. Les tubes, en sec- tion transversale, ont des côtés périphériques longs ou larges X' et
X" situés à l'opposé, l'un de l'autre, et un profil étroit lors- qu'on regarde ces tubes depuis lés côtés Y' ou Y". Ces tubes reçoi- vent la matière fluide préchauffée à faire réagir et forment des ser- pentins qui définissent des parcours à travers lesquels le fluide circule.
Les tubes 3 à 6 sont disposés verticalement dans la sec- tion de chauffage 17 et le grand axe des tubes elliptiques est sensiblement parallèle aux parois réfractaires opposées 16 situées de part et d'autre des tubes. Les brûleurs sont disposés dans les limites des plans horizontaux supérieur et inférieur des tubes de
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
-, sorte que les grands c8tés â' et X* de ces tubes font face,a,l= brûleurs. En outre, le grand axe Y des tubes elliptiques se situe dans un plan sensiblement transversal au plan passant par des brûleurs opposés 18 prévus sur les parois qui se font face.
La figure 3 montre en particulier l'un des tubes 5c disposé à équidistance de brûleurs opposés 18 , les grands cotés du tube, faisant face aux brûleurs , et la chaleur rayonnante provenant de deux des brûleurs frappant les portions centrales des grands côtés sensiblement transversalement au grand axe du tube elliptique. es brûleurs additionnels prévus dans la chambre complètent la chaleur rayonnante directe provenant des deux brûleurs montrés sur cette figure 3 et-- fournissent la chaleur rayonnante directe aux grands cotés courbes écartés de la portion centrale suivant des angles qui sont plus proches de la transversale par rapport à ces cotés courbes.
En pratique, les tubes ont une longueur d'environ 28 pieds et sont reliés en série par deux coudes de 180 pour former un serpentin unique d'une longueur totale d'environ 90 pieds. Les serpentins sont supportés au sommet et guidés à la base du four d'une manière courante. Les tubes d'admission de chaque ensemble formant serpentin ,c'est-à-dire 3a, 4a, 5a et 6a , sont reliés à un collecteur d'admission d'alimentation 2 au sommet de la chambre de chauffage, et les tubes de sortie 3c, 4c, 5c et 6c sont reliés à un collecteur de sortie ci! produit 11 prévu à la base du four.
Le plan de l'ensemble formant serpentin et , de façon correspondante, les plus longs côtés des tubes sont, d'une façon générale , parallè-
EMI16.2
les aux deux côtés se--faJ.sant--face - de la chambre de chauffage et disposés à équidistance de ces côtés , côtés dans lesquels sont localisés les brûleurs 18, voir=figure 2 et 3 .
Quatre serpentins, par exemple 3,4, 5 et 6 peuvent être reliés à un seul collecteur supérieur 2 et à un seul collecteur inférieur 11 et peuvent former un ensemble constituant serpentin.. Suivant la quantité de produit que l'on désire, on peut concevoir un four particulier pouvant contenir autant d'ensembles formant serpen-
<Desc/Clms Page number 17>
tins que nécessaire, pourvu que des serpentins supplémentaires n'empêchent pas la chaleur rayonnante directe de frapper les longs côtés de/tubes. En outre, un ensemble formant serpentin peut con- tenir moins de quatre serpentins ou plus de quatre. Un four peut contenir de 1 à 20 ensembles formant serpentins, de préférence de
4 à 10 ensembles de ce genre.
Chaque ensemble formant serpentin peut être pourvu de son propre serpentin de préchauffage par convection. Une unité ou dispositif de refroidissement devrait être couplé près des collec- teurs de sortie du serpen@@@ e la section rayonnante pour assurer une réduction rapide de la température du gaz effluent provenant de cette section rayonnante. Le conduit 12 est en communication avec l'appareil de refroidissement, non représenté, qui peut être d'une construction courante.
Une forme de réalisation préférée du procédé de la pré- sente invention sera décrita avec référence à l'appareil représenté par les figures 1 à 4 des dessins. Une fraction de naphta de pétrole, bouillant dans la gamme de 9C à 375 F, est alimentée par le conduit
1 dans la section de préchauffage par convection 7, dans laquelle elle est chauffée depuis environ la température ambiante jusqu'à une température d'environ 1000 F. De la vapeur ,à un rapport vapeur/ hydrocarbure d'environ 0,4 à 0,8 en poids, est introduite dans la section de préchauffage 7 en un point où l'alimentation de naphta est vaporisée à environ 90% Le mélange préchauffé d'hydrocarbure et de vapeur , se trouvant à environ 1000-1100 f, est ensuite ali- menté par le collecteur 2 dans les conduits d'admission des serpen- tins elliptiques 3 à 6.
L'alimentation est chauffée dans les serpen- tins depuis environ 1000 F jusqu'à une température de sortie des serpentins d'environ 1650 F. Sous les conditions signalées, la pres- sion partielle d'hydrocarbure à la sortie du serpentin est d'environ
12 à 14 livres par pouce carré (pression absolue). La durée de séjour du fluide dans la section rayonnante du four est d'environ 0,20 à
0,25 seconde. La pression d'admission du serpentin de rayonnement
<Desc/Clms Page number 18>
est d'environ 45 livres par pouce oerré (pression absolue) et la ¯ . pression de sortie du serpentin pour les gaz effluents est d'envi- ron 25 livres par pouce carré (pression absolue).
Les gaz effluents chauds sont alimentés par le conduit 12 à une température d'envi- ron 1650 F à un appareil de refroidissement, à une vitesse de gaz d'environ 1000 pieds/seconde.
En se référant maintenant à la figure 5, on y a représen- té une autre configuration oblongue encore pour un tube que l'on peut employer suivant la présente invention. Le tube de la figure 5 a une section transversale oblongue dont le long coté est parallèle à la ligne a'-a", tandis qu'un court côté est parallèle à la ligne b'-b". La section transversale ncn circulaire du tube comporte une paroi de tube d'une épaisseur sensiblement uniforme. La section transversale de la paroi du tube 'orme un anneau présentant deux longs côtés opposés qui sont parallèles au grand axe de ce tube oblong et à la ligne a'-a".
Bien que la description précédente se soit principalement rapportée à des dispositifs de chauffage pour la pyrolyse d'hydrocarbures et la production d'oléfines, il n'est évidemment pas envi- sagé que l'invention soit limitée à une telle application particu- lière. Il sera bien évident pour les spécialistes en ce domaine que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre du présent brevet.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
'rparal and method for Io c .. \! t..tgfJ d0 l':. \ t1ro. fluido * "
EMI1.2
The present invention relates to an apparatus and a process for the heating of fluid materials passing through a duct. The invention relates more partiwllèro .. 1 a rel1 and a proc4dd for ease in G4uvr. do methods of converting hy <* roctrbuTtt <which co = pr.: "¯.nt the heating of a hydrocarbon to a high temperature and its" intion at this time: r & tro <l <f vec for a short time reaction period.
<Desc / Clms Page number 2>
EMI2.1
; veet as much larger as 10 d L \ r.1tro mt plus p <* tit. cefe :: d, ant, y, fy un J.! t.: \ v3nl "'qe inherent to this; xiJlut icn est.' 1 \ 1111 must pr.5 '.' have a: 'grM: J T' shade of tulea, which leads to ur.CC (\ 'T'plCXltt5 increasing from the. strt.ctt, re Je support du "tubes do 1' .aj, ji iroil from c!, sn: f.mJ. In outro, l (, i \ .t plus do COl,.; de3 do surrounding "t <] 1; lpizX kL Lt?:] 1,: 1. \ ire, anyway! .1, 't.". rs aay - .; nta. ^. t la c <, i't de l '. \. To \ r <11 11 ,.,: 1.: \\; [f: 1> Jo.
The psr¯: lt ^ e do 1.i 1 ;;; ti: -t: t'c'i 1., i;, tr; + te !! '- ro \ turc5 du at el 1.> tube to ') "<! vilrisr .i <? c,; j; t.il> 1 ,,.' ] .1'T; .. 11 the # "t, a1 a cneorc S ..! Tl.1flt of rE9iriar.ec and again .1.J'Jr.I '.'; ' p.l1 "1.1 for # circular of t :: L4 qt 8 relation with the main lea dl! P03Jtlfs emitting heat radiating in the heart, Ccat aii: Ji that when Co. \" l! tO a circul.iiro tube or a r.iaq6c do ttsLes <! cp'.1is one or.} 1 ". soft c61éz, un ar! .-- .. a do flux thcrm:., t: e ^ on uniforf-c exists 1autc. \ lr do 14 pl: r 1F: lr 10 du tuLo..1 tl tro ',;: x0-? 1 ", d" 3 a heater containing in one n, Frie de ti; icJ aynt:
inz section .. \ t'l '' 'rs..er.10 circular aitué between two walls t, iral141es of heating-' a'1o, the ratio of the rixiraun flow to the ccyon flow of the tube wall> f'Out 'v.1r1.r of 1.2 3 2, O or more, depending on the distance between centers
EMI2.2
j ".deo tlltoll. It is. Ainai obvious that a temperature gradient in ''.> rlaulter around the periphery of the circular tube and that the average flow rate for the tube will be governed by the maximum temperature corresponding to the rates of maximum flux. Therefore, any improvement whatsoever in the distribution of the flux would allow a
EMI2.3
of average flux elc \ '6 for the ntCnw ta: maximum r.pLrature of the metal of the tube.
A main object of the present invention is to provide an oven and. of. tubes therefor, in which a more uniform heat flow pattern or pattern exists around the periphery of the tube the radiated heat from the furnace is absorbed more efficiently by the tube; the cross-sectional area of the tube is greater than that of a circular tube having the same ratio
EMI2.4
safe surface / volume. This increases the flow capacity of the heater and / or reduces the temperatures of the tube metal. as well as
<Desc / Clms Page number 3>
. the length or number of tubes required. Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description.
The objects of the invention, as well as its advantages, are achieved by providing one or more tubes of oblong cross section, having wide sides, disposed in the furnace. The furnace chamber comprises heat emitting means and the wide sides of the tube face these heat emitting means. The heating means are preferably heaters of the radiating type provided on the affixed walls of the chamber, and the oblong tube at its opposite wide sides, which face the heaters. Preferred cross sections of the tubes are the cross sections. curved, oval or elliptical. However, the cross section of the tubes need not necessarily be curved.
Thus a tube of rectangular general appearance, having four flat sides and receiving heat radiated into the furnace from burners along its two long or wide sides can be used. In view of ma @@@ um efficiency, the eblerg tube presertart of the opposite wide tees receives direct radiating chalar from its two wide sides, above and below its longitudinal axis of symmetry and some burners are arranged to provide direct radiant heat at the location of this line of symmetry, substantially transversely to the main axis of the oblong section.
The wall thickness of the tube is preferably substantially uniform and the perimeter of this tube along the long or wide sides is flat or made outwardly convex to eliminate inward depressions.
In a preferred embodiment of the invention, the tube is elliptical and is disposed between two elongated parallel walls which include burners, the wide sides of the tube facing these walls and these burners. The term "oblong" as used herein refers to cross sections of tube, which have an eccentricity greater than 1, i.e., a main axis. pal and a minor axis unequal, this term encompassing the forms in
<Desc / Clms Page number 4>
EMI4.1
teS (LlZl, .c: 5 un., - - "'' '' '' ': ;; -' '' '' '' '' '' '' ....., ....,. ¯ ¯ ......... ¯: '¯'ne> .. f, ""' 1-bP7 or are nearly flat. The principal axis is preferably at least three or four times as large than the minor axis.
Tubes having an oblong section according to the present invention have a higher internal surface area / volume ratio than section tubes. circular transverse having the same superficial area. This plus, an oblong tube, having the same surface /
EMI4.2
volume 0c1 q.i '; n circular tube will have a higher transverse area. L23, ....; -.;: 0, <;, -, I cec: are illustrated by the following examples.
A - A circular tube having a diameter of 2 inches will have a transverse aira of 3.14 square inches and a circumferential area of 6.23 square chips per inch of tube. Therefore, the surface area to volume ratio will be 2. An oval tube having a major axis / minor axis ratio of 3.5: 1 and a minor axis of 1.4 inch will have a cross sectional area of 5.35 square inches and a circumferential area
EMI4.3
I 1à, Jî / po ...... C2 -:}! ":: 3 by tL: C2 of": - ::, 3. ",":;: n '"contribution S.1w.CE% volume of 2. The cross-sectional area of the oval tube is 1.7 times that of the circular tube, therefore 59 oval tubes could replace 100 round tubes, while maintaining the same area and volume for these tubes.
In this way, for an operation of the same rigor, for the same residence time and for the same maximum temperatures of the metal of the tube, the number of tubes or parallel passages can be reduced from 100 to 59 when using oval tubes according to the present invention. This reduction in the number of tubes for the same furnace capacity significantly reduces the cost and mechanical complexity of the furnace.
B - An oblong tube, when heated from its two wide sides will have a more uniform flow and temperature distribution along its periphery than a circular tube, by virtue of the fact that the oblong tuba will exhibit a greater portion of its surface at a smaller angle of incidence to the radiant plane than the circular tube. The ratio of the maximum flux to the average flux for the '
<Desc / Clms Page number 5>
tube will decrease as the tube's eccentricity increases, becoming equal to unity for infinite eccentricity (tube composed of two parallel plates, parallel to the heated walls).
It is thus evident that, for a more uniform distribution of the flow obtained with an oblong tube, the average flow rate will be higher than for a circular tube, while still maintaining the maximum temperature of the metal of the tubes. An oval tube heated on both sides, parallel to the main axis, has a very good heat distribution around its periphery. This means that oval tubes can be spaced very closely from one another without prejudice to heat distribution. This, however, is not the case with the round tubes which must be spaced so that the ratio of the maximum flow to the average flow all around the periphery of the tube does not become excessive.
The net effect or advantage is that with oval tubes the spacing between the tubes can be very close resulting in significantly smaller heating chamber dimensions for the same furnace capacity.
If we consider the example of section A described above, we obtain the following comparison:
EMI5.1
<tb>
<tb> sour <SEP> A <SEP> Four <SEP> 3
<tb> Type <SEP> of <SEP> tube <SEP> round <SEP> oval
<tb> Number <SEP> of <SEP> tubes <SEP> 100 <SEP> 59
<tb> Spacing <SEP> between <SEP> the <SEP> tubes
<tb> center <SEP> center, <SEP>;
- <SEP>
<tb> distance <SEP> between <SEP> diameters <SEP> of the <SEP> tubes <SEP> 3.0
<tb> center <SEP>.% <SEP> center, distance
<tb> between <SEP> large <SEP> axes <SEP> 1.1
<tb> Maximum <SEP> flow / average <SEP> flow <SEP> 1.1 <SEP> 1.02
<tb> Diameter <SEP> of the <SEP> tubes <SEP> 2 <SEP> inches <SEP> 1.4x4.9 <SEP> inches
<tb> Length <SEP> of the <SEP> oven, feet <SEP> 100x2x3.0 = <SEP> 50 <SEP> 59x4.9x1.1- <SEP> 26
<tb> 12 <SEP> @ <SEP> 12
<tb> cost <SEP> relative <SEP> of <SEP> the <SEP> room <SEP> of
<tb> heating <SEP> 1 <SEP> 0.53
<tb>
It is evident from the foregoing discussion that the use of oblong tubes exhibiting a major axis / minor axis ratio
<Desc / Clms Page number 6>
greater than l.dane a heater will increase the temperatures of the fluids,
to decrease the number of tubes required and to increase the capacity or to reduce the temperatures of the metal of the tubes, which will result in improved safety and a reduction in the cost of the heater.
The furnace of the present invention can be used for any desired heating service and, in particular, for carrying out chemical conversion reactions which require a high temperature, a short residence time and a relatively high mass rate. . A particular use for the novel furnace of the present invention is in carrying out high temperature cracking, using a feed of hydrocarbons. The feed or material to be heated is contained in the ducts or tubes of the furnace and these tubes are heated by radiant heat. To obtain the heating of the tubes necessary for implementing the present invention, a series of radiant heat burners can be placed on the walls of the furnace.
By using a series of such burners, precision and tight heat control can be achieved by simply adjusting the fuel inlet to the burners.
The furnace of the present invention comprises a convection preheating zone and a radiation conversion or cracking zone. The specific operating conditions of the furnace will depend on the characteristics of the feedstock and the desired products. The length, internal dimensions, volume and peripheral shape of the elongated tubes in the radiant section are chosen to provide the heat transfer, residence time and pressure drop that is desired. The tubes can be arranged vertically or horizontally in the heating chamber, two or more tubes being connected in series by elbows to form a coil. Two or more of the low coils can form a set of coils.
The tubes mounted arranged in the furnace in one or more planes of general appearance parallel to the sides which are
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
.-. ¯¯ ¯ ... - ..¯¯.¯,., = ¯ ruz ;. ' - -> ¯¯ - .. ¯- = ¯ .¯-- ¯; -: -: - = - - - .. t '.r -; :::;' -: -. -...:.: -; - r¯ :: 1 ..-., .... ".:" -: - :: ..:> '¯ - :.': '' 'i:: ; -; .- ::: ..
- face the heating chamber, the sides width 9-des -, - - ....... :: ....---: ....- - ... "... ' ..,: or their main axis being sensiblemezc pàralmia5 i., c = 1 = bzz the heating chamber A series of burners are located on the aforesaid walls and are directed towards the wide sides of the tubes.
Some of the burners can be directed at the wall itself in order to heat it up to incandescent so that it emits radiant heat. Each set of coils may have its own convection preheating zone and its own outlet to the cooling apparatus.
The invention will be better understood still from the following description, given without limitation and with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 is an elevational view of a heating furnace apparatus which can be used in the present invention, part of the side wall having been broken off to show the internal construction of this furnace.
Figure 2 is an end elevational view of the furnace, part of the side wall having been broken off to show a section taken on line 2-2 of Figure 1.
Figure 3 is a partial plan view, in section, of the arrangement of an elliptical tube in the oven, this view being taken along line 3-3 of Figure 2.
Figure 4 shows an enlarged cross section of an elliptical tube as used for the embodiments of Figures 1 to 3.
Fig ure 5 shows the cross section of a substantially elliptical tube, the two sides of which are substantially planar.
The method and apparatus of the present invention may utilize, as the feed, a material selected to provide particular chemicals.
Suitable feedstocks are hydrocarbons which can be thermally cracked to give lighter products. Power supplies that can be mentioned are
<Desc / Clms Page number 8>
EMI8.1
¯. Ethane, propylene, propane, butane, 'pentane and' meianged uc5, L-aG-., '--Z - -: i 1: - L -. 1 - z .a-they and crude oils.
A particular use of the process and apparatus is in cracking petroleum fractions, boiling in the range of 80 F to 750 F, to produce olefins. Preferred feeds are petroleum naphtha fractions, having initial boiling points of the order of 90 to 150 F and final boiling points of the order of 220 to 400 F. However, if one uses of gas oils, their boiling points range from 300-400 F to 600-700 F. The feed is selectively cracked to give fine olees, particularly ethylene, in high yield.
When a hydrocarbon cracking process is to be carried out, for example in the production of ethylene, the hydrocarbon feed can be diluted with water vapor to a vapor / feed weight ratio of 0.1 to 2. 0, preferably 0.3 to 1.0, and in particular, for naphthas, 0.4 to 0.8.
In the process of the present invention, the reaction temperature of the fluid is caused to rise continuously from the inlet to the reaction vessel, i.e. in the radiation section of the furnace, to the outlet. of the reaction coil.
The temperature rise is more rapid in the beginning as the reagents are being heated to the temperature level at which the reaction rates become important, and then to a slower rate of rise at. through the remainder of the reaction zone, due to the endothermic nature of cracking reactions. The temperature of the reagents at the entrance to the reaction zone can be about 1000 to 1200 F and increases to a value of about 1500 to 1750 F at the outlet.
The process of the present invention can be carried out to achieve selective chemical conversions of specific hydrocarbons. The hydrocarbon feed may be initially in the liquid phase or in the vapor phase. Hydrocarbon is normally
<Desc / Clms Page number 9>
in the vapor phase in the reaction zone. The power will be gener-
EMI9.1
/l=';.$.,1..3;=é li "'" .- .-' 1 "" ¯if, = (lÉ $ 1 rally preheated in the preheating zone from envjcon, 4,, .. . - :, ¯f; i7 ': d'¯'., ¯, = .. ¯ .., - <;., Ambient temperature, for example 70 to 80 F: -up to a temperature- "": ":? '" c .. "' '.... 4" ":
7 'erase less than that at which a significant reaction occurs. - '/ 2 = 4'-1 ...,' ", 7.: '.."' .- <1., <G "; g.iE,) 3iÇ produces, for example 1100 to 12000Y ;, ' During the preheating phase, .. ''; ¯, - ¯1 ..,.: BÉl (tq depending on the boiling range of the feed, e1-c ';; 1be ..;,., Partially or totally vaporized bzz In processes where steam is used, the steam is added to the feed before it is introduced into the reaction zone. For example, steam can be added at points in the preheating section, where the feed is vaporized at 70-90%. The vapor, when added in this manner, acts to completely vaporize the feed. reducing the partial pressure of hydrocarbon.
The steam also acts to maintain a low partial pressure of hydrocarbon in the reaction zone.
EMI9.2
The method is particularly applicable to the thermal cracking of petroleum naphtha fractions in a reactor furnace containing a preheating section by convection and a reaction section with radiant heat. The inlet temperature to the radiant heat section will be approximately 1000 to 1200 F and the outlet temperature from the radiant heat section will be approximately 1500 to 1750 F. The feed rate is such that the mass velocity of the feed through the radiant coils in the furnace can be about 15 to 35 pounds per second per foot.
EMI9.3
.. 'p: 1- - .., - 1; . :: square of internal cross-sectional area, preferably 18 to 26 pounds per second per square foot of internal cross-sectional area of the tube.
EMI9.4
<] =; the; - .- * reaction. The mass velocity, when using steam, is based on the total flow of steam and hydrocarbons.
The residence time of the feed in the radiating section of the cracking coil can be 0.10 to 0.75 / second,
EMI9.5
.-> = -, -,: =. ¯ij =,. '' Preferably from 0.15 to 0.40 seconds. At high temperatures (ùres, used, cracking reactions develop very quickly.
EMI9.6
. i--: ¯..¯., - ::: '¯ .- = a': =? a
<Desc / Clms Page number 10>
To prevent heavy deposition of coke it is desirable to rapidly cool the effluent product gases from the outlet temperature of the radiating zone of 1500 to 1750 F to a temperature at which cracking reactions practically cease. - is lying. This is done by passing the effluent through a cooling apparatus.
The residence time referred to here is the residence time of the reactants in the reaction zone, ie the radiant heating zone.
The furnace includes a radiant heat zone containing radiant burners which provide a high temperature on the surface to be heated at a high average heat flux of 20,000 to 35CDO British Heat Units / hour / square foot, preferably 22,000-28,000 Units . This can give a maximum tabe temperature of up to about 1950 F. The radiant section of the furnace contains coils or tubes which can have an inlet pressure of 30 to 75 pounds per square inch (absolute pressure) and a pressure of. outlet from 20 to 45 pounds per square inch (absolute pressure), the inlet pressure preferably being 40 to 50 pounds and the outlet pressure 25 to 35 pounds.
The pressure drop across the coil is small and can be 10 to 30 pounds per square inch, preferably 10 to 20 pounds per square inch. The hydrocarbon outlet partial pressure can be 5 to 20 pounds per square inch (absolute pressure), preferably 10 to 15 pounds. Tubes and oblong conduits containing the fluid to be heated may be 60 to 210 feet in length, each conduit accommodating 2 to 8 tubes 20 to 45 feet in length, connected by 180 elbows and the tubes should be one dimension internal varying over a wide range, for example their minor axis may be 0.3 to 2 inches long, while their major axis may be 1 to 12 inches long, provided that for the particular tube employed the major axis is greater than the minor axis.
The tube wall thickness can be the same as that of common circular tubes used in radiating areas, for example
<Desc / Clms Page number 11>
a thickness of 0.3 to 0.7 inch. The conduits are preferably about 20 feet to 150 feet long and are made of three to five tubes 30 feet to 40 feet in length, joined by 180 elbows. which form a coil disposed generally parallel to the walls and to the burners of the oven. In one embodiment of the invention, the coils are about 90 feet long and include 3 tubes about 30 feet long connected by two elbows the 180.
The major axis of the elongated tube is preferably three or four years longer than the minor axis, with an internal volume, per linear inch, which is equal to a circular tube of the same length having an internal diameter of 1 to 5 inches. The tubes can be placed vertically or horizontally in the oven.
The improved results obtained by the oval tubes of the present invention can be seen from the following examples, in which a common circular tube furnace is compared with a furnace having oval tubes. For the same conditions inside the tube, namely the residence time, the rigor of the operation and, therefore, the ethylene yield, the oval tube furnace has the advantage of operating at significantly lower tube metal temperatures, as can be seen from the following table.
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb>
* '-' <SEP> Four <SEP> Four <SEP> B
<tb>
EMI12.2
neck type - - - -. ¯
EMI12.3
<tb>
<tb> rant <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯
<tb> Type-of <SEP> tube <SEP> circular <SEP> oval
<tb> Load <SEP> Power <SEP> Naphtha <SEP> from <SEP> Kuwait
<tb> Molecular <SEP> weight <SEP> --------- 108 ----------- Ratio <SEP> vapor / naphtha <SEP> 0.6 <SEP> 0, 6
<tb> Coil <SEP> diameter <SEP> <SEP>, <SEP> inches <SEP> 2.0 <SEP> 1.4 <SEP> x <SEP> 4.9
<tb> Temperature <SEP> of <SEP> gas <SEP> of <SEP> outlet, <SEP> F <SEP> 1. <SEP> 600 <SEP> 1.
<SEP> 600
<tb>
EMI12.4
Average heat flux, uB / hr / ft2 25,000 25,000
EMI12.5
<tb>
<tb> Coefficient <SEP> of <SEP> transfer <SEP> of <SEP> heat
<tb> global, <SEP> UTB / hre / foot2 / F <SEP> 90 <SEP> 90
<tb> Average <SEP> drop <SEP> of <SEP> temperature, <SEP> F
<tb> (film <SEP> + <SEP> metal) <SEP> 277 <SEP> 277
<tb> Ratio <SEP> of the <SEP> stream <SEP> maximum <SEP> to the <SEP> stream <SEP> average <SEP> 1.3 <SEP> 102
<tb> Maximum <SEP> stream <SEP> 32,500 <SEP> 25,500
<tb> Maximum <SEP> drop <SEP> of <SEP> temperature, <SEP> F <SEP> 361 <SEP> 283
<tb> Maximum <SEP> temperature <SEP> of <SEP> wall <SEP> of <SEP> tube, <SEP> F <SEP> 1.961 <SEP> 1.883
<tb>
As a variant, for operation at the same temperature level, the furnace comprising oval tubes will operate with a shorter residence time and produce a higher efficiency,
as we can see from the following table.
<Desc / Clms Page number 13>
EMI13.1
¯ j. ,, ¯-. -... - '. ".- - ---- Four A r'oui 4' -..- .. - - .-" ':' Il '. ::: .. -: .- "' > "", 1 "" "'-' of type
EMI13.2
<tb>
<tb> current
<tb> Type <SEP> of <SEP> tube <SEP> circular <SEP> oval
<tb> Load <SEP> Power <SEP> Naphtha <SEP> from <SEP> Kuwait
<tb> Molecular <SEP> weight <SEP> --------- 108 ------- <SEP> --- <SEP>
<tb> Steam report / <SEP> naphtha <SEP> 0.6 <SEP> 0.6
<tb> Coil <SEP> diameter <SEP>, <SEP> inches <SEP> 2.0 <SEP> 1.4 <SEP> x <SEP> 4.9
<tb> Temperature <SEP> of <SEP> outlet <SEP> of the <SEP> coil, F <SEP> 1.650 <SEP> 1. <SEP> 690
<tb> Temperature <SEP> of the <SEP> metal <SEP> of the <SEP> tube, <SEP> F <SEP> 1.
<SEP> 900 <SEP> 1.900
<tb> Coefficient <SEP> of <SEP> transfer <SEP> of <SEP> heat
<tb>
EMI13.3
glohal, t'TB / hr / ft2 / '' 90 90
EMI13.4
<tb>
<tb> Ratio <SEP> of the <SEP> stream <SEP> maximum <SEP> to the <SEP> stream <SEP> average <SEP> 1.3 <SEP> 1.02
<tb>
EMI13.5
Maximum flow, 7B / hr / ft2 25,000 25,000
EMI13.6
<tb>
<tb> Average <SEP> flow, <SEP> UTB / hr / ft2 <SEP> 19,200 <SEP> 24,500
<tb> Duration <SEP> of <SEP> stay, <SEP> second <SEP> 0.20 <SEP> 0.16
<tb> Maximum <SEP> yield <SEP> of ethylene,% <SEP> in <SEP> weight <SEP> 29 <SEP> 31.2
<tb>
In order to achieve high olefin selectivity with high conversion, a relatively low hydrocarbon partial pressure is required. total furnace outlet pressure can be 25 to 30 pounds per square inch (absolute pressure).
With a total furnace outlet pressure of 25 to 30 pounds per square inch, the partial pressure of the outlet hydrocarbon is determined by the amount of dilution vapor used per unit amount of hydrocarbon and by the molecular weight of. the hydrocarbon effluent.
The vapor / hydrocarbon weight ratio can be
0.1 to 2.0, preferably about 0.3 to 1.0. In a process of cracking naphtha to obtain ethylene at a total outlet pressure of about 25 pounds per square inch (absolute pressure) and with a vapor / hydrocarbon weight ratio of 0.5 , the partial pressure of hydrocarbon exiting the coil will be about 14.0 pounds per square inch (absolute pressure).
The tubes of the invention find application in a whole series of furnaces. The apparatus represented by the figures
<Desc / Clms Page number 14>
1 and 2 appended constitutes an illustration of one of the embodiments of the oven which can be envisaged.
The furnace of Figures 1 and 2 consists of a heating section A and a preheating section B. A chamber 17 nt and a set of tubes 3 to 6 constitutes the heating chamber A.
The wall of the furnace, consisting of an outer casing 14, an intermediate insulating block 15 and an inner wall formed of refractory bricks 16, defines the frame 17. The inner wall 16 of the chamber 17 is constructed of a refractory material capable of withstanding, % the heat to which this wall may be subjected in any particular installation. The chamber 17 is open at its top by means of access to the preheating section 3 for the combustion products generated by the burners 18 located in the walls of the furnace. The preheating section B contains preheating heating tubes 7, of circular cross section, which communicate with the tubes 3 to 6.
The tubes 7 form the heating section by convention of the furnace and recover the heat which could possibly be wasted.
A chimney 13 is provided to facilitate the escape of the combustion products to the atmosphere. Dispensing orifices can also be located in each of the individual tubes 3 to 6 to provide a pressure drop and thereby facilitate an even distribution of the circulation through the respective tubes. The metal casing 14 forms the outer wall of the furnace and the complete structure is mounted on legs 22. Structural elements 20 and 21 form the steel frame which supports the walls of the furnace.
The burners 18 can be supplied in a common manner with natural gas or another combustible gas, or else by finely dispensed fuels, by collectors or individual pipes leading to each burner, these accessories not having not been represented.
The special type of radiant heat burner and
<Desc / Clms Page number 15>
- the details associated therewith need not be described as they are well known and are common in practice. Any type of radiant heat burner can be used, which will provide virtually all of the heat by radiation.
In operation, the fluid material to be heated or to be cracked in the oven is introduced through line 1 to the preheating tubes 7. From the preheating tubes 7, the fluid circulates to the supply manifold 2 i the radiating section, from which this fluid finally circulates to the heating tubes 3 to 6. The fluid material is preheated @@@@@@@@@@@@ up to a temperature which is just below that at which it is desired to treat or react the material. Further, in hydrocarbon cracking processes, steam can be introduced into tubes 7 through conduits 54, to aid in the vaporization of the feed and to control the partial pressure of hydrocarbon in the radiation section. .
As can be seen in Fig. 4, the elliptical tubes or conduits 3 to 6 have, in cross section, a major axis or major Y axis of about 4 inches, and a minor X axis, preferably of about 0 , 75 inch, these measurements being taken from the outside of the tube. The walls of the tube have a uniform thickness which is preferably on the order of 1/4 inch. The tubes, in cross section, have long or wide peripheral sides X 'and
X "located opposite each other, and a narrow profile when viewed from the Y 'or Y sides". These tubes receive the preheated fluid material to be reacted and form serpentines which define paths through which the fluid circulates.
The tubes 3 to 6 are arranged vertically in the heating section 17 and the major axis of the elliptical tubes is substantially parallel to the opposed refractory walls 16 located on either side of the tubes. The burners are placed within the limits of the upper and lower horizontal planes of the
<Desc / Clms Page number 16>
EMI16.1
-, so that the large sides â 'and X * of these tubes face, a, l = burners. In addition, the major axis Y of the elliptical tubes is located in a plane substantially transverse to the plane passing through opposed burners 18 provided on the walls which face each other.
FIG. 3 shows in particular one of the tubes 5c arranged equidistant from opposite burners 18, the long sides of the tube facing the burners, and the radiant heat coming from two of the burners striking the central portions of the large sides substantially transversely to the major axis of the elliptical tube. The additional burners provided in the chamber complement the direct radiant heat from the two burners shown in this figure 3 and - provide direct radiant heat to the large curved sides spaced from the central portion at angles which are closer to the transverse to to these curved sides.
In practice, the tubes are about 28 feet long and are connected in series by two 180 feet elbows to form a single coil with a total length of about 90 feet. The coils are supported at the top and guided at the base of the furnace in a common fashion. The inlet tubes of each coil assembly, i.e. 3a, 4a, 5a and 6a, are connected to a supply inlet manifold 2 at the top of the heating chamber, and the inlet tubes output 3c, 4c, 5c and 6c are connected to an output collector ci! product 11 provided at the base of the oven.
The plane of the coil assembly and correspondingly the longer sides of the tubes are generally parallel.
EMI16.2
the two sides facing the heating chamber and arranged equidistant from these sides, sides in which the burners 18 are located, see = figures 2 and 3.
Four coils, for example 3, 4, 5 and 6 can be connected to a single upper manifold 2 and to a single lower manifold 11 and can form a coil constituting assembly. Depending on the quantity of product that is desired, it is possible to design a particular oven that can contain as many sets forming serpen-
<Desc / Clms Page number 17>
tins as necessary, provided that additional coils do not prevent direct radiant heat from hitting the long sides of / tubes. Further, a coil assembly may contain less than four coils or more than four. A furnace can contain from 1 to 20 coil assemblies, preferably
4 to 10 sets of this kind.
Each coil assembly may be provided with its own convection preheating coil. A cooling unit or device should be coupled near the outlet manifolds of the radiant section to ensure rapid reduction in the temperature of the effluent gas from that radiant section. The conduit 12 is in communication with the cooling apparatus, not shown, which may be of standard construction.
A preferred embodiment of the method of the present invention will be described with reference to the apparatus shown in Figures 1 to 4 of the drawings. A fraction of petroleum naphtha, boiling in the range of 9C to 375 F, is fed through the conduit
1 in the convection preheating section 7, where it is heated from about room temperature to a temperature of about 1000 F. Steam, at a steam / hydrocarbon ratio of about 0.4 to 0, 8 by weight, is introduced into the preheating section 7 at a point where the naphtha feed is vaporized at about 90%. The preheated mixture of hydrocarbon and vapor, at about 1000-1100 f, is then supplied. connected by the manifold 2 in the intake ducts of the elliptical coils 3 to 6.
The feed is heated in the coils from about 1000 F to an outlet temperature of the coils of about 1650 F. Under the conditions reported, the partial pressure of hydrocarbon at the outlet of the coil is about
12 to 14 pounds per square inch (absolute pressure). The residence time of the fluid in the radiant section of the furnace is approximately 0.20 to
0.25 seconds. The inlet pressure of the radiation coil
<Desc / Clms Page number 18>
is about 45 pounds per inch (absolute pressure) and ¯. Coil outlet pressure for the effluent gas is approximately 25 pounds per square inch (absolute pressure).
The hot effluent gases are fed through line 12 at a temperature of about 1650 ° F to a cooling apparatus, at a gas velocity of about 1000 feet / second.
Referring now to Figure 5, there is shown yet another oblong configuration for a tube which may be employed in accordance with the present invention. The tube of Figure 5 has an oblong cross section with the long side parallel to line a'-a ", while a short side is parallel to line b'-b". The ncn circular cross section of the tube has a tube wall of substantially uniform thickness. The cross section of the tube wall forms a ring with two opposing long sides which are parallel to the long axis of this elongated tube and to the line a'-a ".
Although the foregoing description has mainly referred to heaters for the pyrolysis of hydrocarbons and the production of olefins, it is obviously not intended that the invention be limited to such a particular application. It will be obvious to specialists in this field that many variants can be envisaged without thereby departing from the scope of the present patent.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.