CN217600663U - 一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，该反应器包括燃烧区、位于燃烧区下游的混合预反应区、位于混合预反应区下游的主反应区以及位于主反应区下游的急冷区。该反应器在应用时，包括以下步骤：S1：将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器，氢气燃烧产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体；S2：高温水蒸汽依次流经收缩锥形体和等径短节，与来自第一原料入口、第二原料入口的原料混合，部分原料发生裂解，然后物料进入扩大锥形体，与来自第三原料入口的原料混合并反应，反应产物进入急冷区冷却，即得目的产物。与现有技术相比，本实用新型反应器具有原料适用范围广、目的产物选择性高等特点。

Description

一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器

技术领域

本实用新型属于烯烃生产设备技术领域，涉及一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器。

背景技术

乙烯裂解炉是石油化工行业的重要设备单元，全球90％以上乙烯都是通过乙烯裂解炉生产的。现有的乙烯裂解炉由辐射室、对流室、急冷锅炉、燃烧器等组成，燃烧器安装在辐射室，燃料通过燃烧器进行燃烧产生大量的高温烟气。辐射炉管悬挂在辐射室内，高温烟气在辐射室通过辐射传热将热量传递到辐射炉管内，把管内介质加热、使原料发生裂解反应、生成低碳烯烃。此过程中高温烟气热量由管外、传递到管内、加热介质的过程，高温烟气与管内物料是不直接接触的，称为间接换热。这个过程的热量传递强度受到辐射炉管材质最高使用温度的限制，辐射炉管内由于结焦会迫使裂解炉频繁停车，辐射炉管长期处于高温下使用其寿命一般只有5～6年，裂解炉的热料率一般只有92～94％，由于原料需要在对流段换热管内进行预热、汽化，使用什么原料作为裂解原料受到一定的限制，这种传统的裂解方式通常采用乙烷、丙烷、液化气、石脑油、柴油及加氢尾油等作为裂解原料，终馏点更高、比重较大、芳烃含量较高的裂解原料或未经处理的凝析油、原油等不适宜直接作为现有裂解炉的裂解原料。

为了消除上述传统裂解炉的缺点，扩大裂解原料的来源范围，上世纪70年代以来技术人员在热载体直接加热烃类裂解制烯烃的研究方面做了大量的研究，近年来技术人员对原油直接裂解制烯烃的方法也进行了一定的探索性研究。

热载体直接加热烃类裂解是指高温热载体与裂解原料直接混合，热载体直接将热量通过与裂解原料直接接触的方式将热量传递给裂解原料，裂解原料达到发生裂解反应的温度后发生裂解反应。

CN 101875591A公开了一种烃类裂解制低碳烯烃的方法。该方法是将预热后的烃类原料与氢气、含氧气体一起引入若干个包含氢催化燃烧装置和绝热反应装置的单元；在氢催化燃烧装置中，使氢气燃烧提供能量将混合物料的温度升到进行裂解反应所需的温度；在绝热反应装置中，发生热裂解反应生成含低碳烯烃的物流；最后经急冷装置回收热量后，经分离***得到各种低碳烯烃产品。该技术采用选择性氢燃烧催化剂，将氢气、氧气和裂解原料混合物引入氢催化剂装置，使其中的氢气进行催化燃烧反应，为裂解反应提供热量。

US3161695公开了一种制取炔烃的工艺，反应器为圆管式，圆管管壁具有一定的导热性能，圆管外为环形耐高温材料，环形耐高温材料与圆管反应器外壁之间有一定的间隙，这个间隙就是燃烧室，氢、氧在此燃烧室燃烧，沿燃烧室空间上行，然后与从圆管反应器顶端进入的原料进行混合，进入圆形反应管，在管内发生裂解反应，圆形反应器的管壁具有一定的导热性能，可以为裂解反应补充一定的热量。

WO 2004/005431 A1、US7578929B2等公布的原油直接裂解技术的特点在于将原油作为裂解原料，但对原油的性质有一定的要求，同时在加工过程中需要将其中的重端组分切割出去，只是将其中适合作为裂解原料的部分送入传统的管式蒸汽裂解炉进行裂解，这一做法在一定程度上扩大了裂解原料的来源。

综上，现有技术中加热烃类裂解制取低碳烯烃的设备普遍存在原料适应范围窄、反应停留时间长、运行周期短、热效率低、温室气体排放量大、在使用时需要催化剂等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，以克服现有技术中加热烃类裂解制取低碳烯烃的设备原料适应范围窄、反应停留时间长、运行周期短、热效率低、温室气体排放量大或在使用时需要催化剂等缺陷。鉴于现有裂解技术存在的不足，本实用新型提供了一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，该反应器在应用时，采用氢氧燃烧生成高温水蒸汽，高温水蒸汽与裂解原料直接接触混合，从而将热量迅速传递给裂解原料，使裂解原料发生热裂解反应生产低碳烯烃。本实用新型反应器原料适用范围广、热效率高、无温室气体排放，可满足裂解反应所需的“高温、短停留时间、低烃分压”等条件，并可以明显提升目的烯烃的选择性，具有较长的运行周期。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，该反应器包括：

用于提供高温水蒸汽的燃烧区：其包括一端封闭的燃烧区筒体，所述燃烧区筒体设有氢氧燃烧器；

位于所述燃烧区下游的用于混合原料和高温水蒸汽的混合预反应区：其包括收缩锥形体以及等径短节，所述收缩锥形体的扩口端与所述燃烧区筒体未封闭的一端连接，所述收缩锥形体的收口端与所述等径短节的一端连接，所述收缩锥形体设有第一原料入口，所述等径短节设有第二原料入口；

位于所述混合预反应区下游的主反应区：其包括扩大锥形体，所述扩大锥形体的收口端与所述等径短节的另一端连接，所述扩大锥形体设有第三原料入口；

位于所述主反应区下游的用于使裂解反应停止的急冷区。

进一步的，所述氢氧燃烧器设有若干个，若干个氢氧燃烧器围绕所述燃烧区筒体的中心轴线等间隔布置在所述燃烧区筒体的侧壁或布置在所述燃烧区筒体封闭端的中心部位。

更进一步的，当所述氢氧燃烧器布置在所述燃烧区筒体的侧壁时，所述氢氧燃烧器喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体侧壁圆周切线形成的夹角为0～180°。

更进一步的，当所述氢氧燃烧器布置在所述燃烧区筒体封闭端的中心部位时，所述氢氧燃烧器喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体的中心轴线平行。

更进一步的，当若干个氢氧燃烧器布置在所述燃烧区筒体的侧壁时，若干个氢氧燃烧器呈多层布置。

进一步的，所述燃烧区筒体的内壁还设有耐高温隔热材料层。

更进一步的，所述耐高温隔热材料层为耐高温纤维层、耐高温砖层或耐高温浇注料层中的一种或多种组合。

进一步的，所述燃烧区筒体为双层夹套结构，在夹套内通有冷却介质。

更进一步的，所述冷却介质为水、液体烃类、甲醇或硅油。

进一步的，所述第一原料入口设有若干个，若干个第一原料入口围绕所述收缩锥形体的中心轴线等间隔布置在所述收缩锥形体的侧壁。

更进一步的，若干个第一原料入口呈多层布置，每一层设有2～4个第一原料入口。

更进一步的，所述第一原料入口垂直布置在所述收缩锥形体的侧壁。

进一步的，所述第二原料入口设有若干个，若干个第二原料入口围绕所述等径短节的中心轴线等间隔布置在所述等径短节的侧壁。

更进一步的，若干个第二原料入口呈多层布置，每一层设有2～4个第二原料入口。

更进一步的，所述第二原料入口的中心轴线与所述等径短节侧壁的夹角为10～170°。

进一步的，所述第三原料入口设有若干个，若干个第三原料入口围绕所述扩大锥形体的中心轴线等间隔布置在所述扩大锥形体的侧壁。

更进一步的，若干个第三原料入口呈多层布置，每一层设有2～4个第三原料入口。

更进一步的，所述第三原料入口的中心轴线与所述扩大锥形体侧壁的夹角为10～170°。

进一步的，所述等径短节侧壁与所述扩大锥形体侧壁的夹角为100～170°，可选为115～135°。

进一步的，所述收缩锥形体侧壁与所述燃烧区筒体侧壁的夹角为100～170°，可选为120～150°。

进一步的，所述急冷区包括换热筒体，所述换热筒体的一端与所述扩大锥形体的扩口端连接。

更进一步的，所述换热筒体设有直接冷却介质入口。

更进一步的，所述换热筒体设有间接换热器。

进一步的，所述急冷区的下游还设有用于进一步冷却裂解产物的二次冷却区。

更进一步的，所述二次冷却区设有急冷器，冷却介质通过急冷器喷入并冷却裂解产物。

等径短节中“短”仅是描述性的词汇，不是指具体长度。

本实用新型反应器用于直接加热烃类裂解制取低碳烯烃，包括以下步骤：

S1：开启氢氧燃烧器，将氢气和氧气分别同时通入氢氧燃烧器，氢气燃烧，产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体；

S2：所得高温水蒸汽依次流经收缩锥形体和等径短节，依次与来自第一原料入口、第二原料入口的裂解原料混合，部***解原料发生裂解反应，然后物料进入扩大锥形体，与来自第三原料入口的裂解原料混合并进一步反应，反应产物进入急冷区冷却，即得目的产物。

进一步的，步骤S1中，在通入氧气的同时，还通入水蒸汽，氧气与水蒸汽的混合体积比为1：(0～10)，且不为1：0。在氢氧燃烧器中，氢气通入氢氧燃烧器的中心通道，氧气与水蒸汽的混合物通入中心通道外的套管。

进一步的，步骤S1中，所述燃烧区筒体出口处高温水蒸汽的温度为1000～1500℃，可选为1200～1400℃。本实用新型通过调节通入的氧气与水蒸汽的比例，来调节燃烧区筒体出口处高温水蒸汽的温度为1000～1500℃。

进一步的，步骤S2中，所述裂解原料为乙烷、丙烷、正丁烷、液化石油气(LPG)、碳五、石脑油、柴油、加氢尾油、凝析油、渣油或原油中的一种或多种。

进一步的，步骤S2中，所述第一原料入口、第二原料入口以及第三原料入口处在通入裂解原料的同时，还通入雾化用水蒸汽(或称保护用水蒸汽)，所述雾化用水蒸汽与裂解原料的质量比为(0.1～5)：1。雾化用水蒸汽正常情况下就是指使裂解原料雾化的水蒸汽，但当刚一开始时，燃烧区筒体已经有氢氧燃烧产生的高温水蒸汽，在裂解原料还没有进入的情况，先通入水蒸汽可以保护此处的喷嘴，因此也称为保护用水蒸汽。

进一步的，步骤S2中，物料在扩大锥形体的停留时间为0.01～0.5s，可选为0.05～0.15s，主反应区出口处反应产物的温度为600～900℃。由于在扩大锥形体处发生了裂解反应，生成了大量小分子产物，反应产物摩尔数增加较多，采用扩大锥形体的目的是保证混合物在此处处于较高流速的同时，具有较小的摩擦阻力降，物料在扩大锥形体内的停留时间是由扩大锥形体的内部体积及物料在此处的流速两个因素决定的。

进一步的，步骤S2中，所述等径短节处的物料流速为50～200m/s，可选为80～120m/s。在原始设计时，根据原料的性质、原料流量、水蒸汽流量、此处的温度及压力等参数，计算出等径短节的体积，以保证流速在50-200m/s范围内。

进一步的，步骤S2中，当反应产物进入所述急冷区后，通过直接喷入冷却介质的方式或采用间接换热的方式冷却反应产物。

进一步的，步骤S2中，反应产物经所述急冷区冷却后，其温度为300～600℃。

进一步的，步骤S2中，反应产物经所述急冷区冷却后，还进入二次冷却区，二次冷却区喷入的冷却介质将反应产物进一步冷却至180～250℃。

步骤S2中，在混合预反应区的收缩锥形体，注入裂解原料，使裂解原料与高温水蒸汽进行混合，高温水蒸汽将热量直接传递给裂解原料，裂解原料中部分达到裂解反应温度的烃类发生裂解反应，形成水蒸汽、裂解原料、反应生成物组成的混合物，该混合物的温度为1000～1100℃，随后该混合物进入混合预反应区的等径短节，在等径短节的第二原料入口进一步注入裂解原料，进一步强化了物料的混合、传热、并发生部***解反应。

步骤S2中，物料进入主反应区后，在扩大锥形体的第三原料入口继续注入裂解原料，随着裂解反应的进程，小分子产物增多，混合物摩尔数迅速增加，混合物在经过扩大锥形体后的平衡温度为600～900℃，可选为750～850℃，压力为0.05～2.5MpaG。

步骤S2中，反应产物进入急冷区冷却，根据裂解原料的不同可以选择不同的冷却方法。当裂解原料比较轻时，可以采用间接换热的方式回收反应混合物的余热；当原料比较重时，可以采用直接喷入冷却介质的方式先将反应混合物冷却，然后再回收其余热的方式。通过急冷区回收热量后的反应混合物的温度在300～600℃之间，可选为350～450℃。在本领域内，通常以原料比重为参考判断原料的轻重，通常：乙烷、丙烷、LPG、石脑油都属于比较轻的原料，柴油、加氢尾油、原油属于比较重的原料，本实用新型以原料比重0.8为分界线，原料比重低于0.8可以称为轻、高于0.8可以称为重。

步骤S2中，经急冷区回收热量后的反应混合物进入二次冷却区，二次冷却区中的关键设备是急冷器，冷却介质通过急冷器喷入，冷却介质可以是水或烃类，喷入冷却介质后，反应混合物被冷却到180～250℃之间，冷却后的反应混合物进入后续分离***进行进一步低温热量回收及组分分离。

当物料离开主反应区的扩大锥形体后，其温度依然高达800℃左右，物料长时间处于此状态下会发生大量二次反应，所谓二次反应是指烯烃、二烯烃等不稳定的分子进一步发生脱氢、缩聚等反应，这样会使目的烯烃减少，因此，在主反应区出口设置急冷区的目的就是为了迅速将反应产物冷却，通常认为冷却到600-650℃以下，二次反应就可以终止了。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型反应器在应用时利用氢氧燃烧产生的高温水蒸汽直接与裂解原料相混合，在极短的时间内使原料达到裂解反应所需温度，反应停留时间与现有技术相比缩短50％以上，氢氧燃烧产生的高温水蒸汽还起到降低烃分压的作用，从而提高了目的产物的选择性；

(2)本实用新型反应器采用直接加热的方式制取低碳烯烃，热效率高，不会出现换热管内的结焦，原料的适应性更加广泛，反应器运行周期更长；

(3)本实用新型反应器采用氢氧燃烧产生的高温水蒸汽作为直接加热的载体，无温室气体和其它污染物排放；

(4)本实用新型反应器用于制取低碳烯烃，无需采用催化剂。

附图说明

图1为实施例1-3反应器的结构示意图(直接冷却)；

图2为实施例4反应器的结构示意图(间接换热)；

图3为实施例2-3热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的工艺流程图；

图4为实施例4热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的工艺流程图；

图5为实施例5中5台反应器并联使用的示意图；

图6为氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物在氢氧燃烧器中的走向示意图。

图中标记说明：

1-燃烧区、1-1-氢氧燃烧器、1-2-耐高温砖层、1-3-燃烧区筒体、2-混合预反应区、2-1-收缩锥形体、2-2-等径短节、2-3第一原料入口、2-4第二原料入口、3-主反应区、3-1-扩大锥形体、3-2-第三原料入口、3-3-主反应区出口、4-急冷区、4-1-急冷区入口、4-2-急冷区出口、4-3-直接冷却介质入口、4-4-间接冷却介质入口、4-5-间接冷却介质出口、4-6-间接换热器、4-7-换热筒体、5-二次冷却区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为克服现有技术中加热烃类裂解制取低碳烯烃的设备原料适应范围窄、反应停留时间长、运行周期短、热效率低、温室气体排放量大或在应用时需要催化剂等缺陷，本实用新型提供了一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，如图1-2所示，该反应器包括：

用于提供高温水蒸汽的燃烧区1：其包括一端封闭的燃烧区筒体1-3，所述燃烧区筒体1-3设有氢氧燃烧器1-1；

位于所述燃烧区1下游的用于混合原料和高温水蒸汽的混合预反应区2：其包括收缩锥形体2-1以及等径短节2-2，所述收缩锥形体2-1的扩口端与所述燃烧区筒体1-3未封闭的一端连接，所述收缩锥形体2-1的收口端与所述等径短节2-2的一端连接，所述收缩锥形体2-1设有第一原料入口2-3，所述等径短节2-2设有第二原料入口2-4；

位于所述混合预反应区2下游的主反应区3：其包括扩大锥形体3-1，所述扩大锥形体3-1的收口端与所述等径短节2-2的另一端连接，所述扩大锥形体3-1设有第三原料入口3-2；

位于所述主反应区3下游的用于使裂解反应停止的急冷区4。

在一些具体的实施方式中，所述氢氧燃烧器1-1设有若干个，若干个氢氧燃烧器1-1围绕所述燃烧区筒体1-3的中心轴线等间隔布置在所述燃烧区筒体1-3的侧壁或布置在所述燃烧区筒体1-3封闭端的中心部位。

更具体的实施方式中，请参见图1-2，若干个氢氧燃烧器1-1围绕所述燃烧区筒体1-3的中心轴线等间隔布置在所述燃烧区筒体1-3的侧壁，所述燃烧区筒体1-3封闭端的中心部位也设有所述氢氧燃烧器1-1。

更具体的实施方式中，布置在所述燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为0～180°；布置在所述燃烧区筒体1-3封闭端的中心部位的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体1-3的中心轴线平行。

更具体的实施方式中，当若干个氢氧燃烧器1-1布置在所述燃烧区筒体1-3的侧壁时，若干个氢氧燃烧器1-1呈多层布置。

在一些具体的实施方式中，所述燃烧区筒体1-3的内壁设有耐高温隔热材料层。

更具体的实施方式中，所述耐高温隔热材料层为耐高温纤维层、耐高温砖层1-2或耐高温浇注料层中的一种或多种组合。

更具体的实施方式中，请参见图1，所述燃烧区筒体1-3的内壁设有耐高温砖层1-2。

在一些具体的实施方式中，所述燃烧区筒体1-3为双层夹套结构，在夹套内通有冷却介质。

更具体的实施方式中，所述冷却介质为水、液体烃类、甲醇或硅油。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述第一原料入口2-3设有若干个，若干个第一原料入口2-3围绕所述收缩锥形体2-1的中心轴线等间隔布置在所述收缩锥形体2-1的侧壁。

更具体的实施方式中，若干个第一原料入口2-3呈多层布置，每一层设有2～4个第一原料入口2-3。

更具体的实施方式中，所述第一原料入口2-3垂直布置在所述收缩锥形体2-1的侧壁。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述第二原料入口2-4设有若干个，若干个第二原料入口2-4围绕所述等径短节2-2的中心轴线等间隔布置在所述等径短节2-2的侧壁。

更具体的实施方式中，若干个第二原料入口2-4呈多层布置，每一层设有2～4个第二原料入口2-4。

更具体的实施方式中，所述第二原料入口2-4的中心轴线与所述等径短节2-2侧壁的夹角为10～170°。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述第三原料入口3-2设有若干个，若干个第三原料入口3-2围绕所述扩大锥形体3-1的中心轴线等间隔布置在所述扩大锥形体3-1的侧壁。

更具体的实施方式中，若干个第三原料入口3-2呈多层布置，每一层设有2～4个第三原料入口3-2。

更具体的实施方式中，所述第三原料入口3-2的中心轴线与所述扩大锥形体3-1侧壁的夹角为10～170°。

在一些具体的实施方式中，所述等径短节2-2侧壁与所述扩大锥形体3-1侧壁的夹角为100～170°，可选为115～135°。

在一些具体的实施方式中，所述收缩锥形体2-1侧壁与所述燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为100～170°，可选为120～150°。

在一些具体的实施方式中，请参见图1或图2，所述急冷区4包括换热筒体4-7，所述换热筒体4-7的一端与所述扩大锥形体3-1的扩口端连接。

更具体的实施方式中，请参见图1，所述换热筒体4-7设有直接冷却介质入口4-3。

更具体的实施方式中，请参见图2，所述换热筒体4-7设有间接换热器4-6。

在一些具体的实施方式中，请参见图1，所述急冷区4的下游还设有用于进一步冷却裂解产物的二次冷却区5。

更具体的实施方式中，所述二次冷却区5设有急冷器，冷却介质通过急冷器喷入并冷却裂解产物。

本实用新型反应器用于直接加热烃类裂解制取低碳烯烃，包括以下步骤：

S1：开启氢氧燃烧器1-1，将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器1-1，氢气燃烧，产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体1-3；

S2：所得高温水蒸汽依次流经收缩锥形体2-1和等径短节2-2，依次与来自第一原料入口2-3、第二原料入口2-4的裂解原料混合，部***解原料发生裂解反应，然后物料进入扩大锥形体3-1，与来自第三原料入口3-2的裂解原料混合并进一步反应，反应产物进入急冷区4冷却，即得目的产物。

在一些具体的实施方式中，步骤S1中，在所述氢氧燃烧器1-1中，氢气通入氢氧燃烧器1-1的中心通道，氧气与水蒸汽的混合物通入中心通道外的套管。

在一些具体的实施方式中，步骤S1中，在通入氧气的同时，还通入水蒸汽，氧气与水蒸汽的混合体积比为1：(0～10)，且不为1：0。

在一些具体的实施方式中，步骤S1中，所述燃烧区筒体1-3出口处高温水蒸汽的温度为1000～1500℃，可选为1200～1400℃。本实用新型通过调节通入的氧气与水蒸汽的比例，来调节燃烧区筒体1-3出口处高温水蒸汽的温度为1000～1500℃。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，所述裂解原料为乙烷、丙烷、正丁烷、液化石油气(LPG)、碳五、石脑油、柴油、加氢尾油、凝析油、渣油或原油中的一种或多种。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，所述第一原料入口2-3、第二原料入口2-4以及第三原料入口3-2处在通入裂解原料的同时，还通入雾化用水蒸汽(或称保护用水蒸汽)，所述雾化用水蒸汽与裂解原料的质量比为(0.1～5)：1。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，物料在扩大锥形体3-1的停留时间为0.01～0.5s，可选为0.05～0.15s，主反应区出口3-3处反应产物的温度为600～900℃。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，所述等径短节2-2处的物料流速为50～200m/s，可选为80～120m/s。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，当反应产物进入所述急冷区4后，通过直接喷入冷却介质的方式或采用间接换热的方式冷却反应产物。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，反应产物经所述急冷区4冷却后，其温度为300～600℃。

在一些具体的实施方式中，步骤S2中，反应产物经所述急冷区4冷却后，还进入二次冷却区5，二次冷却区5喷入的冷却介质将反应产物进一步冷却至180～250℃。

以下各实施例中，氢氧燃烧器1-1在运行时，将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器1-1，氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物在氢氧燃烧器1-1中的走向示意图请参见图6，在氢氧燃烧器1-1中，氢气通入氢氧燃烧器1-1的中心通道，氧气与水蒸汽的混合物通入中心通道外的套管。

实施例1：

本实施例提供了一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，如图1所示，该反应器包括燃烧区1、氢氧燃烧器1-1、耐高温砖层1-2、燃烧区筒体1-3、混合预反应区2、收缩锥形体2-1、等径短节2-2、第一原料入口2-3、第二原料入口2-4、主反应区3、扩大锥形体3-1、第三原料入口3-2、主反应区出口3-3、急冷区4、急冷区入口4-1、急冷区出口4-2、直接冷却介质入口4-3、换热筒体4-7、二次冷却区5。

燃烧区1包括一端封闭的燃烧区筒体1-3；混合预反应区2位于燃烧区1下游，混合预反应区2包括收缩锥形体2-1以及等径短节2-2，收缩锥形体2-1的扩口端与燃烧区筒体1-3未封闭的一端连接，收缩锥形体2-1的收口端与等径短节2-2的一端连接；主反应区3位于混合预反应区2下游，主反应区3包括扩大锥形体3-1，扩大锥形体3-1的收口端与等径短节2-2的另一端连接；急冷区4位于主反应区3的下游，急冷区4包括换热筒体4-7，换热筒体4-7的一端与扩大锥形体3-1的扩口端连接，换热筒体4-7设有直接冷却介质入口4-3；二次冷却区5位于急冷区4的下游，急冷区出口4-2与二次冷却区5连接，二次冷却区5设有急冷器，冷却介质可通过急冷器喷入并冷却来自急冷区4的裂解产物。

氢氧燃烧器1-1设有5台，1台氢氧燃烧器1-1布置在燃烧区筒体1-3封闭端的中心部位，另外4台氢氧燃烧器1-1围绕燃烧区筒体1-3的中心轴线等间隔布置在燃烧区筒体1-3的侧壁。布置在燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为120°。布置在燃烧区筒体1-3封闭端的中心部位的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3的中心轴线平行。

燃烧区筒体1-3的内壁设有耐高温砖层1-2。

第一原料入口2-3设有4个，4个第一原料入口2-3围绕收缩锥形体2-1的中心轴线等间隔布置在收缩锥形体2-1的侧壁。第一原料入口2-3垂直布置在收缩锥形体2-1的侧壁。

第二原料入口2-4设有4个，4个第二原料入口2-4围绕等径短节2-2的中心轴线等间隔布置在等径短节2-2的侧壁。第二原料入口2-4的中心轴线与等径短节2-2侧壁的夹角为90°。

第三原料入口3-2设有4个，4个第三原料入口3-2围绕扩大锥形体3-1的中心轴线等间隔布置在扩大锥形体3-1的侧壁上。第三原料入口3-2的中心轴线与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为90°。

等径短节2-2侧壁与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为150°。收缩锥形体2-1侧壁与燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为120°。

本实施例急冷区4为直接急冷方式，如图1所示，急冷区入口4-1与主反应区出口3-3相连接，通过直接冷却介质入口4-3喷入冷却介质，直接冷却介质入口4-3围绕换热筒体4-7的中心轴线等间隔布置4个，冷却介质为急冷油，急冷油与反应混合物混合后，然后进入二次冷却区5进一步冷却。

实施例2：

年产10万吨乙烯单台反应器：

本实施例采用实施例1的反应器将凝析油直接加热裂解制低碳烯烃。凝析油的规格如表1所示：

表1实施例2凝析油的规格表

项目	数据
		密度(20℃)/(kg/m<sup>3</sup>)	789.7
运动粘度(40℃)/(mm<sup>2</sup>/s)	2.299
		硫含量/％	0.0143
倾点/℃	19
		残炭/％	0.05
闪点/℃	常温下闪火
		特性因数K	12.76
碳含量/％	83.18
		氢含量/％	14.85

将凝析油直接加热裂解制低碳烯烃的步骤如下：

S1：开启氢氧燃烧器1-1，将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器1-1，氢气燃烧，产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体1-3；

S2：所得高温水蒸汽依次流经收缩锥形体2-1和等径短节2-2，依次与来自第一原料入口2-3、第二原料入口2-4的裂解原料混合，部***解原料发生裂解反应，然后物料进入扩大锥形体3-1，与来自第三原料入口3-2的裂解原料混合并进一步反应，反应产物进入急冷区4，通过直接冷却介质入口4-3喷入180℃的急冷油，裂解气在急冷区4与急冷油充分混合，急冷油将高温裂解气冷却到350℃，终止裂解反应得到目的产物，目的产物进入二次冷却区5进一步冷却。通过对急冷油的喷入量进行控制来控制急冷区出口4-2处混合物的温度。

步骤S1中，氢气流量：2220kg/hr，氧气流量：15996kg/hr，水蒸汽流量：59040kg/hr。

步骤S2中，第一原料入口2-3、第二原料入口2-4以及第三原料入口3-2处在通入裂解原料的同时，还通入雾化用水蒸汽，雾化用水蒸汽与裂解原料的质量比为0.2：1。物料在扩大锥形体3-1的停留时间为0.05s，等径短节2-2处的物料流速为80m/s。

如图3所示，氢气流量：2220kg/hr，氧气流量：15996kg/hr，水蒸汽流量：59040kg/hr，氧气与水蒸汽混合后进入氢氧燃烧器1-1，在氢氧燃烧器1-1中与氢气混合进行燃烧，生成高温水蒸汽，高温水蒸汽的温度为1300℃。在混合预反应区2喷入凝析油，凝析油流量为36800kg/hr，凝析油与高温水蒸汽进行混合，高温水蒸汽将热量直接传递给凝析油，凝析油迅速升高温度至830-860℃并迅速发生裂解反应生产裂解气，在主反应区出口3-3处裂解气温度约为800℃左右。在急冷区4喷入急冷油将裂解气冷却到350℃，然后，混合物进入后续***进一步分离。

表2实施例2凝析油直接加热裂解与采用传统管式炉蒸汽裂解的产物分布比较表

产物分布(wt％)	直接加热裂解	传统蒸汽裂解
			氢气	0.98	0.92
甲烷	12.97	14.88
			乙烯	34.10	32.11
乙烷	2.86	3.80
			丙烯	17.11	16.06
丙烷	0.38	0.46
			混合碳四	11.23	9.64
混合碳五	4.86	4.21
			碳六+	15.51	17.92
合计	100.00	100.00

采用实施例1反应器在上述工艺参数下，可以年产乙烯10.02万吨、年产丙烯5.04万吨。从表2中可以看出，凝析油裂解时，采用实施例1反应器直接加热烃类裂解与采用传统蒸汽裂解技术相比，乙烯、丙烯收率分别提高6.2％及6.5％，经济效益明显。

实施例3：

年产10万吨乙烯单台反应器：

采用实施例1反应器将原油直接加热裂解制低碳烯烃。原油的规格如表3所示：

表3实施例3所用原油的规格表

项目	数据
		密度(20℃)/(kg/m<sup>3</sup>)	860.4
运动粘度(40℃)/(mm<sup>2</sup>/s)	5.8
		硫含量/％	0.031
倾点/℃	30
		残炭/％	0.22
特性因数K	11.8
		碳含量/％	85.37
氢含量/％	12.45

操作步骤如下：

S1：开启氢氧燃烧器1-1，将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器1-1，氢气燃烧，产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体1-3；

S2：所得高温水蒸汽依次流经收缩锥形体2-1和等径短节2-2，依次与来自第一原料入口2-3、第二原料入口2-4的裂解原料混合，部***解原料发生裂解反应，然后物料进入扩大锥形体3-1，与来自第三原料入口3-2的裂解原料混合并进一步反应，反应产物进入急冷区4，通过直接冷却介质入口4-3喷入180℃的急冷油，裂解气在急冷区4与急冷油充分混合，急冷油将高温裂解气冷却到350℃，终止裂解反应得到目的产物，目的产物进入二次冷却区5进一步冷却。通过对急冷油的喷入量进行控制来控制急冷区出口4-2处混合物的温度。

步骤S1中，氢气流量：2910kg/hr，氧气流量：20955kg/hr，水蒸汽流量：77320kg/hr。

步骤S2中，第一原料入口2-3、第二原料入口2-4以及第三原料入口3-2处在通入裂解原料的同时，还通入雾化用水蒸汽，雾化用水蒸汽与裂解原料的质量比为0.3：1。物料在扩大锥形体3-1的停留时间为0.06s，等径短节2-2处的物料流速为88m/s。

如图3所示，氢气流量：2910kg/hr，氧气流量：20955kg/hr，水蒸汽流量：77320kg/hr，氧气与水蒸汽混合后进入氢氧燃烧器1-1，在氢氧燃烧器1-1中与氢气混合进行燃烧，生成高温水蒸汽，高温水蒸汽的温度为1300℃。在混合预反应区2喷入原油，原油流量为48250kg/hr，原油与高温水蒸汽进行混合，高温水蒸汽将热量直接传递给原油，原油迅速升高温度至850-890℃并迅速发生裂解反应生产裂解气，在主反应区出口3-3处裂解气温度约为790℃左右。通过直接冷却介质入口4-3喷入的急冷油温度为195℃，裂解气在急冷区4与急冷油充分混合，混合后温度为350℃，可通过对喷入急冷油量进行控制来控制急冷区出口4-2处混合物的温度。然后，混合物进入后续***进一步分离。

表4实施例3原油直接加热裂解与采用传统管式炉蒸汽裂解的产物分布比较表

产物分布(wt％)	直接加热裂解	传统蒸汽裂解
			氢气	0.67	0.64
甲烷	8.67	10.15
			乙烯	25.91	24.35
乙烷	2.36	2.98
			丙烯	15.06	14.12
丙烷	0.34	0.38
			混合碳四	11.28	10.24
混合碳五	5.91	5.61
			碳六+	29.80	31.53
合计	100.00	100.00

采用实施例1反应器在上述工艺参数下，可以年产乙烯10.02万吨、年产丙烯5.81万吨。从表4中可以看出，原油裂解时，采用实施例1反应器直接加热烃类裂解与采用传统蒸汽裂解技术相比，乙烯、丙烯收率分别提高6.4％及6.65％，经济效益明显。

实施例4：

年产5万吨乙烯反应器：

本实施例所用反应器与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中反应器的急冷区4的换热筒体4-7设有1台间接换热器4-6，如图2所示，急冷区入口4-1与主反应区出口3-3相连接，间接换热器4-6为双套管急冷换热器，采用双套管结构，换热管直径为Φ51mm，换热管数量为198根，冷却介质为水，冷却介质自间接冷却介质入口4-4进入、汽水混合物自间接冷却介质出口4-5引出。

本实施例将典型石脑油采用直接加热裂解制低碳烯烃。石油脑的规格见表5。

表5实施例4石脑油的规格表

项目	石脑油
		相对密度(20/4℃)	0.69
ASTM蒸馏
		IBP	40℃
50vol％	85℃
		EBP	170℃
PONA wt％
		烷烃	≥70
其中正构烷烃	≥30
		烯烃	≤1
环烷烃	≤25
		芳烃	≤6

操作步骤如下：

S1：开启氢氧燃烧器1-1，将氢气、以及水蒸汽和氧气的混合物分别同时通入氢氧燃烧器1-1，氢气燃烧，产生的高温水蒸汽进入燃烧区筒体1-3；

S2：所得高温水蒸汽依次流经收缩锥形体2-1和等径短节2-2，依次与来自第一原料入口2-3、第二原料入口2-4的裂解原料混合，部***解原料发生裂解反应，然后物料进入扩大锥形体3-1，与来自第三原料入口3-2的裂解原料混合并进一步反应，反应产物进入急冷区4，经过换热后混合物的温度降低到375℃，反应终止得到目的产物，然后混合物进入后续二次冷却区5进一步冷却。

步骤S1中，氢气流量：1256kg/hr，氧气流量：9120kg/hr，水蒸汽流量：30060kg/hr。

步骤S2中，第一原料入口2-3、第二原料入口2-4以及第三原料入口3-2处在通入裂解原料的同时，还通入雾化用水蒸汽，雾化用水蒸汽与裂解原料的质量比为0.2：1。物料在扩大锥形体3-1的停留时间为0.05s，等径短节2-2处的物料流速为90m/s。

步骤S2中，急冷区4的冷却介质为水，水的温度为310℃、压力为120Mpa，间接冷却介质出口4-5引出的汽水混合物，其中蒸汽与水的质量比为1:9；混合物在急冷区出口4-2的温度为375℃。

其中氢气流量：1256kg/hr，氧气流量：9120kg/hr，水蒸汽流量：30060kg/hr，如图4所示，氧气与水蒸汽混合后进入氢氧燃烧器1-1，在氢氧燃烧器1-1中与氢气混合进行燃烧，生成高温水蒸汽，高温水蒸汽的温度为1400-1450℃。在混合预反应区2喷入石脑油，石脑油流量为20440kg/hr，石脑油与高温水蒸汽通过混合预反应区2进行混合，高温水蒸汽将热量直接传递给石脑油，石脑油迅速升高温度至860-900℃并迅速发生裂解反应生成裂解气，在主反应区出口3-3处裂解气温度约为810℃左右。

然后，裂解气进入间接换热器4-6，经过间接换热器4-6后，裂解气的余热被回收用于发生高压蒸汽，同时裂解气被冷却到380℃左右，之后裂解气进入二次冷却区5，在此通过油急冷器喷入急冷油将裂解气冷却到220℃，然后送到后续***进行进一步热量回收及组分分离。

采用本实施例反应器在上述工艺参数下，可以年产乙烯5万吨、年产丙烯2.53万吨。从表6中可以看出，石脑油裂解时，采用本实施例反应器直接加热烃类裂解与采用传统蒸汽裂解技术相比，乙烯、丙烯收率分别提高6.4％及7.8％，经济效益明显。

表6实施例4石油脑直接加热裂解与采用传统管式炉蒸汽裂解的产物分布比较

产物分布(wt％)	直接加热裂解	传统蒸汽裂解
			氢气	1.08	1.03
甲烷	14.89	16.11
			乙烯	30.58	28.73
乙烷	2.55	2.93
			丙烯	15.49	14.37
丙烷	0.27	0.32
			混合碳四	10.73	9.77
混合碳五	3.95	3.61
			碳六+	20.46	23.13
合计	100.00	100.00

实施例5：

年产20万吨乙烯的直接加热裂解单元：

如图5所示，将实施例4中的反应器并联使用，5台一组，可以形成年产20万吨的裂解反应单元，其中可以4台反应器在线、1台反应器处于烧焦或备用状态。对于年产乙烯100万吨乙烯装置，采用5个这样的裂解反应单元(相当于六台传统的乙烯裂解炉)就可以满足实际生产的需要，实现直接加热裂解生产低碳烯烃装置的大型化。

实施例6：

将实施例3中的反应器并联使用，2台一组，可以很容易地形成年产乙烯20万吨的裂解反应单元。对于120万吨乙烯装置，采用7个这样的裂解反应单元就可以满足实际生产的需要，实现直接加热裂解生产低碳烯烃装置的大型化。

实施例7：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将燃烧区筒体1-3的内壁耐高温砖层1-2改为水夹套结构，夹套间通入循环冷却水，达到保护燃烧区筒体1-3内壁的作用。

实施例8：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“布置在燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为120°”改为“布置在燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为180°”。

实施例9：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“布置在燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为120°”改为“布置在燃烧区筒体1-3侧壁的氢氧燃烧器1-1在运行时，其喷出的火焰的中心线与燃烧区筒体1-3侧壁圆周切线形成的夹角为0°”。

实施例10：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“等径短节2-2侧壁与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为150°”改为“等径短节2-2侧壁与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为100°”。

实施例11：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“等径短节2-2侧壁与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为150°”改为“等径短节2-2侧壁与扩大锥形体3-1侧壁的夹角为170°”。

实施例12：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“收缩锥形体2-1侧壁与燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为120°”改为“收缩锥形体2-1侧壁与燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为100°”。

实施例13：

与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将“收缩锥形体2-1侧壁与燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为120°”改为“收缩锥形体2-1侧壁与燃烧区筒体1-3侧壁的夹角为170°”。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，该反应器包括：

用于提供高温水蒸汽的燃烧区(1)：其包括一端封闭的燃烧区筒体(1-3)，所述燃烧区筒体(1-3)设有氢氧燃烧器(1-1)；

位于所述燃烧区(1)下游的用于混合原料和高温水蒸汽的混合预反应区(2)：其包括收缩锥形体(2-1)以及等径短节(2-2)，所述收缩锥形体(2-1)的扩口端与所述燃烧区筒体(1-3)未封闭的一端连接，所述收缩锥形体(2-1)的收口端与所述等径短节(2-2)的一端连接，所述收缩锥形体(2-1)设有第一原料入口(2-3)，所述等径短节(2-2)设有第二原料入口(2-4)；

位于所述混合预反应区(2)下游的主反应区(3)：其包括扩大锥形体(3-1)，所述扩大锥形体(3-1)的收口端与所述等径短节(2-2)的另一端连接，所述扩大锥形体(3-1)设有第三原料入口(3-2)；

位于所述主反应区(3)下游的用于使裂解反应停止的急冷区(4)。

2.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述氢氧燃烧器(1-1)设有若干个，若干个氢氧燃烧器(1-1)围绕所述燃烧区筒体(1-3)的中心轴线等间隔布置在所述燃烧区筒体(1-3)的侧壁或布置在所述燃烧区筒体(1-3)封闭端的中心部位。

3.根据权利要求2所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，当所述氢氧燃烧器(1-1)布置在所述燃烧区筒体(1-3)的侧壁时，所述氢氧燃烧器(1-1)喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体(1-3)侧壁圆周切线形成的夹角为0～180°。

4.根据权利要求2所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，当所述氢氧燃烧器(1-1)布置在所述燃烧区筒体(1-3)封闭端的中心部位时，所述氢氧燃烧器(1-1)喷出的火焰的中心线与所述燃烧区筒体(1-3)的中心轴线平行。

5.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述燃烧区筒体(1-3)的内壁还设有耐高温隔热材料层。

6.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述燃烧区筒体(1-3)为双层夹套结构，在夹套内通有冷却介质。

7.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述第一原料入口(2-3)设有若干个，若干个第一原料入口(2-3)围绕所述收缩锥形体(2-1)的中心轴线等间隔布置在所述收缩锥形体(2-1)的侧壁；

所述第二原料入口(2-4)设有若干个，若干个第二原料入口(2-4)围绕所述等径短节(2-2)的中心轴线等间隔布置在所述等径短节(2-2)的侧壁；

所述第三原料入口(3-2)设有若干个，若干个第三原料入口(3-2)围绕所述扩大锥形体(3-1)的中心轴线等间隔布置在所述扩大锥形体(3-1)的侧壁。

8.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述急冷区(4)包括换热筒体(4-7)，所述换热筒体(4-7)的一端与所述扩大锥形体(3-1)的扩口端连接，所述换热筒体(4-7)设有直接冷却介质入口(4-3)或间接换热器(4-6)。

9.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述等径短节(2-2)侧壁与所述扩大锥形体(3-1)侧壁的夹角为100～170°。

10.根据权利要求1所述的一种热载体直接加热烃类裂解制取低碳烯烃的反应器，其特征在于，所述收缩锥形体(2-1)侧壁与所述燃烧区筒体(1-3)侧壁的夹角为100～170°。

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