CZ439499A3 - Způsob výroby olefínů a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Abstract

Zahřívaný topný článek pro zahřívání pracovní tekutiny využíváU-trubek opatřených zvětšenýmvnitřnímpovrchem pro vedení tepla za účelem snížení teploty kovu trubek a pokrývání koksem a tedy snižujícímnáchylnost k ucpávání koksem. Zahřívaný topný článek obsahuje pouzdro oddílu zářiče s množstvímU-trubek v oddílu zářiče. Trubkytvaru U jsou tvořeny spojenímjednoho nebo více tubulámích dílů a jsou opatřeny vnitřními obecně podélnými žebiy. Způsob výroby olefinů zahrnuje pyrolýzu předehřáté uhlovodíkové suroviny v soustavě U-trubek,její ochlazení a izolaci alespoň jednoho olefínu z rozložené směsi.

Description

ŽEBROVÁNÍM

Oblast techniky

Předložený vynález se týká zahřívaného topného článku pro zahřívání pracovní tekutiny, například zpracovatelských topných článků. Přesněji řečeno se týká zahřívaného topného článku takového typu, který obsahuje alespoň jeden oddíl zářiče, ve kterém je pracovní tekutina protékající trubkami nepřímo zahřívána, přednostně tepelnou energií dodávanou hořáky. Způsoby a zařízení užité v souladu s předloženým vynálezem jsou zvláště dobře vhodné a výhodné pro pyrolýzu normálně tekutých nebo normálně plynných aromatických a/nebo alifatických uhlovodíkových surovin, jakými jsou etan, propan, ropa nebo plynový olej pro výrobu etylénu a dalších produktů jako acetylen, propylen, butadien aj . Předložený vynález bude tedy popsán a vysvětlen v souvislosti s pyrolýzou uhlovodíků, zejména v souvislosti s parní pyrolýzou pro výrobu etylénu.

Dosavadní stav techniky

Parní pyrolýza je převládající komerční metodou pro výrobu lehkých olefinů jakými jsou etylén, propylen a butadien. Etylén, které jsou základními výrobě velkoobjemových významnými chemickými propylen a butadien jsou chemikálie, stavebními prvky používanými při polymerních materiálů a komerčně meziprodukty. V blízké budoucnosti by měla poptávka po těchto základních petrochemikáliích dále vzrůstat. Ze zmíněných produktů vyráběných parní pyrolýzou je výroba etylénu nejnákladnější z hlediska jeho oddělení a vyčištění. Zvýšení výnosnosti či selektivity při výrobě je tedy vysoce žádoucí. Parní pyrolýza zahrnuje termální štěpnou reakci, která se obvykle provádí v zahřívaném trubkovém reaktoru. Reakční selektivita pro etylén je lepší při krátké době zdržení a při nízkých parciálních tlacích uhlovodíku. Jsou přiváděny uhlovodíkové sloučeniny v rozmezí od etanu až po vakuový plynový olej a reakce je prováděna za přítomnosti zředěné páry. Komplexní reakce • »

* β * • · * • · · * 9 ·

-2a trubkový reaktor jsou značně diskutovány jak ve veřejné literatuře, tak v četných patentech.

Parní pyrolýza uhlovodíků byla zefektivněna dodáváním suroviny do vhodných závitů pece pro pyrolýzu v plynné nebo převážně plynné podobě jako příměs značného množství zředěné páry. Běžný postup spočívá v průchodu reakční směsi množstvím paralelních závitů či trubek, které procházejí konvekčním oddílem pece pro pyrolýzu, kde horké spalované plyny zvyšují teplotu suroviny a zředěné páry. Každý závit či trubka dále prochází oddílem zářiče pece pro pyrolýzu, kde množství hořáků dodává teplo potřebné ke zvýšení teploty reakčních složek na požadovanou hodnotu a vyvolá tak požadovanou reakci.

Prvořadým činitelem, ovlivňujícím proces parní pyrolýzy je tvorba koksu. Když jsou uhlovodíkové suroviny vystaveny podmínkám tepelného záření, běžným u pecí pro parní pyrolýzu, mají usazeniny koksu sklon tvořit se na vnitřních stěnách tubulárních členů, tvořících závity pro pyrolýzu. Takovéto usazeniny koksu nepříznivě ovlivňují tepelné proudění stěnami trubek dovnitř proudu reakčních složek, což má za následek zvyšování teploty kovu trubek, blížící se až hranici možností metalurgie trubek. Kromě toho usazeniny koksu nepříznivě ovlivňují proudění reakční směsi, což má za následek vyšší pokles tlaku v důsledku snížení průřezu trubek.

Jako optimální způsob zvýšení selektivity pro etylén se ukázalo snížení objemu vinutí při současném zachování povrchu pro přenos tepelného záření. Toho bylo dosaženo záměnou točitých závitů velkého průměru velkým množstvím trubek menšího průměru, charakterizovaných větším poměrem povrchu ku objemu, než tomu bylo u trubek o velkém průměru. Trubky mají obvykle vnitřní průměr do 7,6 cm, nejčastěji pak v rozsahu 3,0 cm až 6,4 cm.

Přání dodržet krátkou dobu zdržení vedlo k použití kratších závitů, jejichž obvyklá délka byla postupně během let zkrácena z původních 45 m na 20 m - 27 m a v nedávné době až na 9 m 12 m. Vzhledem ke snížení délky závitů bylo nutné zmenšit průměr trubek ve snaze snížit proudění tepla a tím i teploty kovu trubek. Současné závity pro pyrolýzu jsou obvykle vyráběny • Φ · φ φ ♦ · φ φ ♦ · · φφφ φφφ

Λ Φ φ · · · φ φ φ · · φ

-3ζ vysokopříměsových (25% Cr, 35% Ni, plus aditiva) austenitických nerezavějících ocelí a jsou provozovány při nejvyšších teplotách kovu trubek v rozsahu 1030 - 1150 °C.

Přes významný vývoj v konstrukci pecí pro pyrolýzu je stále tento proces omezen skutečností, že vytváří jako vedlejší produkt koks, který se usazuje na vnitřních stěnách závitů. Koks působí jako izolátor, čímž zvyšuje teplotu kovu trubek tvořících závity. Když teplota kovu trubek dosáhne maximální únosné meze materiálu, je nutné zastavit výrobu a provést odstranění koksu z pece. To obvykle představuje prohánění směsi složené ze vzduchu a páry skrze závity za vysoké teploty. Koks je odstraněn kombinací účinku zahřátí a eroze/odlupování. V průmyslu jsou též používány další způsoby odstranění koksu, které vylučují použití vzduchu.

V tomto případě je koks eroze/odlupování a zplynování.

primárně odstraněn účinkem Nezávisle na použitém způsobu odstranění koksu jsou některé části koksu odloupnuty ve formě velkých kusů. Protože se snížil průměr používaných trubek, zvýšila se pravděpodobnost ucpání závitů před nebo během odstraňování koksu. Proces odstranění koksu obvykle trvá 1248 hodin v závislosti na nej různějších faktorech jakými jsou: konstrukce pece, zpracovávaná surovina, doba provozu před odstraněním koksu a náročnost použité pyrolýzy.

Technologie snižující teplotu kovu trubek (a tím míry usazování koksu, případně dovolující použití vinutí s kratší dobou zdržení) byla v průmyslu velmi vyhledávána. Někteří konstruktéři se uchýlili k vinutí s velkým množstvím vstupních ramen, snižujícímu tepelné proudění ve výstupních trubkách (viz např. EP 0 305 799 Al). Jiní se pokusili zamezit tvorbě izolující vrstvy koksu uvnitř trubek přidáním malých koncentrací specifických prvků do reagující suroviny.

Přenos tepla do vysoce endotermické štěpné reakce může být popsán pomocí známé rovnice Q = U.A.AT. Koeficient přenosu tepla U je funkcí rychlosti plynu uvnitř trubky. Vyšší rychlosti mají za následek zvýšení U a tedy snížení požadovaného ΔΤ (rozdíl teplot), čímž se snižuje teplota kovu trubek na danou teplotu pracovní tekutiny. Nicméně se vzrůstem rychlostí se zvyšuje pokles tlaku což má za následek zvýšení průměrného parciálního tlaku uhlovodíku ve vinutí. Nakonec tlakový efekt převáží efekt snížení doby zdržení a další vzrůst rychlosti již snižuje reakční selektivitu pro etylén. Tato skutečnost představuje maximální reálnou hodnotu U.

Celková plocha (A) může být zvětšena použitím velkého množství trubek malého průměru. Tento vývoj byl v průmyslu sledován, výsledkem byly reaktory s trubkami o vnitřním průměru

2,5 cm - 3,8 cm. Tyto hodnoty představují vzhledem k výrobním možnostem minimální prakticky použitelný průměr, pro průměry menší se navíc stává efekt tvorby koksu extrémním.

Obecný princip zvýšení plochy vnitřního povrchu pro zlepšení přenosu tepla je dobře znám z obecného oboru přenosu tepla. Aplikování tohoto principu na proces tvorby koksu, probíhající za vysokých teplot, jakým je parní pyrolýza, je však obtížné.

Nicméně byl tento způsob zlepšení přenosu tepla za účelem snížení teploty kovu trubek v pecích pro parní pyrolýzu v několika obměnách navržen. Jeden z příkladů (US 4,342,242) využívá specielně navržené podélné vložky trubky jinak kruhového průřezu. Vložka je tvořena centrálním tělesem, z něhož směrem ven vyčnívají lamely, které se dotýkají vnitřku vinutí. V tomto konkrétním popise je vložka umístěna pouze v části celé délky vinutí pece. Další příklad (GB 969,796) využívá vnitřně zaoblených kanálů či žeber, která zvětšují vnitřní povrch. Vnitřní profil byl hladký z důvodu vyvarování se soustředění napětí a poruch proudění. Typické trubky zmíněné v tomto popise procházely čtyřikrát oddílem zářiče a měly relativně velký vnitřní průměr 9,525 cm.

Obměny těchto zaoblených vnitřních kanálů či žebrových vnitřních profilů byly komerčně využity v konkrétních konstrukcích vinutí. Studie předložená na American Institute of Chemical Engineers Meeting („Specialty Furnace Design Steam Reformers and Steam Crackers podle T. A. Wellse, prezentovaná na AIChE Spring National Meeting v New Orleans, Louisiana, 6.-10. března 1988) popisuje využití druhu trubek se zvětšeným vnitřním povrchem v jednocestné konstrukci. Vstupní rameno • · · · · · • ·

«fl ·* • · · · • · * · •flfl *·· fl · • ·· delších vinutí (EP O 305 799 Al) a odkaz na tuto konstrukci v literatuře, označený SRT V (Energy Progress sv. 8, č. 3, str. 160-168, září 1988) využívají zvětšeného vnitřního povrchu.

V obou uvedených případech bylo komerční využití založeno na trubkách o vnitřním průměru 2,5 cm - 3,8 cm, kde zaoblené vnitřní kanály či žebra procházely oddílem zářiče dané pece pouze jednou. Další odkaz v literatuře („USC Super U Pyrolysis Concept podle Davida J. Browna, Johna R. Brewera a Colina P. Bowena, představený na AIChE Spring National Meeting, Orlando, Florida, březen 1990) předkládá údaje o trubkách s vnitřním žebrováním vstupního potrubí. Tento odkaz uvažuje o tom, že by mohlo být přínosné opatřit žebry výstupní potrubí, ale neposkytuje žádný návrh, jaké pracovní či konstrukční parametry by měly být požadovány za účelem úspěšného předvedení či umožnění použití žeber ve výstupním potrubí.

Doposud však nebyla ukázána použitelnost konstrukce se zvětšeným vnitřním povrchem u dvoucestných vinutí, která jsou obvykle tvořena trubkami tvaru U. Tyto dvoucestné závity mají obvykle celkovou délku 15 m - 27 m a vnitřní průměr v rozmezí 3,8 cm - 6,4 cm. Dvoucestné závity mohou mít nejmenší délku 13 m. Určitým problémem je skutečnost, že neexistuje možnost vyrobit dostatečně dlouhou trubku s vnitřním žebrováním, která by tvořila celou trubku tvaru U.

Trubka s vnitřním žebrováním může být použita pouze pro vstupní polovinu trubek tvaru U, jak je popsáno v patentovém spise EP 0 305 799 Al, kde je použito vnitřních žeber, podpěrek či vložek pouze ve vstupním potrubí pece, nikoli ve výstupním.

V tomto odkazu je uveden předpoklad, že vložky umístěné ve výstupním potrubí budou jádrem pro vznik vrstvy koksu vznikající během pyrolýzy. Nejvyšší teploty kovu trubky je bohužel dosaženo v blízkosti konce výstupního potrubí, takže příznivý efekt žebrové trubky není aplikován tam, kde je nejvíce zapotřebí. Použití žebrových trubek ve výstupním potrubí je možné, ale nese určité riziko, že částice koksu ze vstupního potrubí se mohou uvolnit a zachytit na začátku žebrového úseku. A konečně obvyklá « v * · « · zkušenost z oboru naznačuje, že zahnutá trubka s žebrováním bude náchylná k ucpání koksem, uvolněným ze vstupního ramene vinutí.

Ve světle známých nedostatků přenosu tepla v pecích pro parní pyrolýzu vzniká potřeba existence způsobu zajišťujícího zvýšení přenosu tepla uvnitř trubek za účelem snížení usazování koksu, teploty kovu trubek a zlepšení selektivity pro etylén. Zvláště žádoucí pak bude navržení konstrukce dvoucestného vinutí či trubek tvaru U, využívajících určitého způsobu zvětšení vnitřního povrchu za účelem snížení teploty kovu trubek po celé jejich délce.

Vynález má odstranit uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Předložený vynález se týká zahřívaného topného článku pro zahřívání pracovní tekutiny, který se vyznačuje zvětšeným vnitřním povrchem pro vedení tepla za účelem snížení teploty kovu vstupu a výstupu trubek tvaru U a zároveň není náchylný k ucpávání koksem. Zahřívaný topný článek obsahuje pouzdro oddílu zářiče s množstvím trubek tvaru U zde rozmístěných, vstup pro zavedení pracovní tekutiny do trubek tvaru U, hořáky pro vystavení vnějšího povrchu trubek tvaru U tepelnému záření, výstup pro chlazení a sběr pracovní tekutiny z trubek tvaru U, kde trubky tvaru U jsou tvořeny spojením jednoho nebo více tubulárních dílů, a alespoň výstupní ramena trubek tvaru U jsou opatřena vnitřními obecně podélnými žebry. V dalším příkladu provedení vynálezu jsou trubky tvaru U opatřeny vnitřními obecně podélnými žebry po celé své délce.

Přehled obrázků na výkresech

Tyto a další rysy, aspekty a výhody předloženého vynálezu se stanou srozumitelnějšími po shlédnutí následujících obrázků, popisu a připojených patentových nároků. Obr.l představuje trojrozměrný nákres pece pro parní pyrolýzu, znázorňující typické vnitřní uspořádání. Obr.2 znázorňuje samostatnou trubku tvaru U • · · • · t

-Ίpro zmíněnou pec. Obr.3 znázorňuje příčný řez žebrové trubky tvaru U pro danou pec.

Příklady provedení vynálezu /

Předložený vynález popisuje zahrávaný topný článek pro zahřívání pracovní tekutiny. Vynález se konkrétně týká zahřívaného topného článku pro zahřívá/ní pracovní tekutiny, který je náchylný k usazování koksu v důsledku chemických reakcí, které vznikají na základě zahřívání. Typickým příkladem provedení vynálezu je pec pro parní pyrolýzu používaná v petrochemickém průmyslu pro výrobu olefinů. /

Podle Obr.l vstupuje proudící surovina 9_ do konvekčního oddílu 10 skrze jedno či více vstupních potrubí 9, které je předehříváno přednostně na /teplotu 800°F až 1500°F horkými spalovanými plyny, které maj/ přednostně teplotu 1500°F až 2400°F, dříve než vstoupí do vstupnáho rozdělovače 12 v oddílu zářiče. Ze vstupního rozdělovače 1/ v oddílu zářiče vstupuje předehřátá surovina do trubek tvarul U 14 (dále zmiňovaných jako U-trubky) , které jsou umístěny uvríitř pouzdra oddílu zářiče 16, v oboru též známém jako radiační box.

Pouzdro oddílu/ zářiče 16 je obvykle obaleno tepelně izolujícím ohnivzdorným materiálem z důvodu zachování tepelné energie. /

Ílu zářiče obsahuje množství U-trubek. Zakončení jsou připojeny k jednomu či více napájecím račům 12, které přivádějí pracovní tekutinu do bývají vstupní ramena 20. Opačný konec každé 'r výstupní rameno 22, je připojen k výstupnímu sběr pracovní tekutiny poté, co byla zahřáta íěn tepelná štěpná reakce. Teplota pracovní uštění výstupního ramene U-trubky se obvykle íu 1300°F až 2000°F. Odtud je pracovní tekutina ášecího výměníku 27, kde dochází k ochlazení z a tím k zastavení tepelných štěpných reakcí, ii, které není zobrazeno na Obr.l, je výstupní -trubek přímo připojeno k samostatnému zhášecímu • · ·· ···· • · · • 9 9 ♦ · · »»♦ • · ♦ · ·· ···

Příklady provedení vynálezu

Předložený vynález popisuje zahřívaný topný článek pro zahřívání pracovní tekutiny. Vynález se konkrétně týká zahřívaného topného článku pro zahřívání pracovní tekutiny, který je náchylný k usazování koksu v důsledku chemických reakcí, které vznikají na základě zahřívání. Typickým příkladem provedení vynálezu je pec pro parní pyrolýzu používaná v petrochemickém průmyslu pro výrobu olefinů.

Podle Obr.l vstupuje proudící surovina _9 do konvekčního oddílu 10 skrze jedno či více vstupních potrubí 9, které je předehříváno přednostně na teplotu 426°C až 816°C horkými spalovanými plyny, které mají přednostně teplotu 816°C až 1316°C, dříve než vstoupí do vstupního rozdělovače 12 v oddílu zářiče. Ze vstupního rozdělovače 12 v oddílu zářiče vstupuje předehřátá surovina do trubek tvaru U 14 (dále zmiňovaných jako U-trubky), které jsou umístěny uvnitř pouzdra oddílu zářiče 16, v oboru též známém jako radiační box.

Pouzdro oddílu zářiče 16 je obvykle obaleno tepelně izolujícím ohnivzdorným materiálem z důvodu zachování tepelné energie.

Pouzdro oddílu zářiče obsahuje množství U-trubek. Zakončení U-trubek, které jsou připojeny k jednomu či více napájecím vstupním rozdělovačům 12, které přivádějí pracovní tekutinu do U-trubek, se nazývají vstupní ramena 20. Opačný konec každé z U-trubek, zvaný výstupní rameno 22, je připojen k výstupnímu sběrači 26, pro sběr pracovní tekutiny poté, co byla zahřáta a byla uskutečněn tepelná štěpná reakce. Teplota pracovní tekutiny při opuštění výstupního ramene U-trubky se obvykle pohybuje v rozsahu 706°C až 1093°C. Odtud je pracovní tekutina přiváděna do zhášecího výměníku 27, kde dochází k ochlazení pracovní tekutiny a tím k zastavení tepelných štěpných reakcí. V dalším provedení, které není zobrazeno na Obr.l, je výstupní rameno každé z U-trubek přímo připojeno k samostatnému zhášecímu výměníku pro ochlazování pracovní tekutiny. Výstup z každého samostatného zhášecího výměníku je pak připojen k výstupnímu sběrači. Takovéto uspořádání je v oboru známé jako výměník ft · · · • ·

-X • · • · · · · · · · · · • a · ····· a · « · ft · ······ «· · · ·· • ····*·♦ ·· ·· s těsně spřaženým přenosovým potrubím. V dalším provedení, které rovněž není zobrazeno na Obr.l, je výstupní rameno každé z U-trubek připojeno ke zhášecímu bodu, kde je pracovní tekutina přiváděna do přímého styku se zhášecí kapalinou, která je vypařována, čímž dochází k ochlazení pracovní tekutiny.

i i

• · • · » · · ·

-8• 9 výměníku pro ochlazování pracovní tekutiny. Výstup z každého samostatného zhášecího^^yýměníky^je pak připojen k výstupnímu sběrači. Takovéto usporádaňt. je v oboru známé jako výměník s těsně spřaženým přenosovým poňřubím. V dalším provedení, které rovněž není zot/razeno na Obr.l, g,e výstupní rameno každé z U-trubek připojeno ke zhášecímu bodu, kde je pracovní tekutina přiváděna do přímého styku se zhášecí kapalinou, která je vypařována, čímž dochází k ochlazení pracovní tekíttiny.

Označení U-trubky, použité pro účely tohoto vynálezu, vychází ze skutečnosti, že trubky mají tvar písmene „U, jsou-li zobrazeny v nárysu, jako tomu je na Obr.2. Význačnou charakteristikou U-trubek je, že uskutečňují dvojí průchod oddílem zářiče. U-trubky jsou tvořeny vstupním ramenem 20, výstupním ramenem 22 a zakřivenou či zahnutou částí 21, spojující vstupní rameno 20 s výstupním ramenem 22. V dalších provedeních může být výstupní rameno tvořenou jednou nebo více rozvětvenými částmi. V dalších přednostních provedeních může být vstupní rameno 20 tvořeno více než jednou rozvětvenou trubkou. V oboru jsou známy rozmanité způsoby uspořádání množství U-trubek v oddílu zářiče. Odborníci znalí problematiky berou při volbě uspořádání v úvahu prostorové rozmístění, umístění hořáků, umístění vstupního sběrače a výstupních prostředků a tepelné zátěže vlastních U-trubek. U některých uspořádání leží každá z U-trubek ve vlastní rovině. V dalších uspořádáních mohou být U-trubky z roviny vyhnuty. Všechna tato řešení jsou pro účely tohoto vynálezu označována jako U-trubky.

Pouzdro oddílu zářiče obsahuje množství hořáků 28 pro vystavení vnějšího povrchu U-trubek tepelnému záření. Může být použito množství rozličných hořáků známých v oboru, včetně hořáků na surový plyn či směs plynů. Nejnovější konstrukce využívají nejrůznějších způsobů recirkulace kouřových plynů pro snížení tvorby NO_X z důvodu ochrany životního prostředí. Zdrojem spalovaného vzduchu může být okolní vzduch, předehřátý vzduch nebo výfuk plynové turbiny.

Celková délka U-trubek je přednostně 20 m - 27 m. Protože výroba trubek s vnitřním žebrováním požadované délky 20 m - 27 m φ φ φφφφ je obtížná, může nastat nutnost spojení dvou úseků pomocí alespoň jednoho středního svaru. Jak je popsáno v patentovém spise US 4,827,074, střední svary jsou známým potenciálním zdrojem zvýšeného usazování koksu. V jednom z přednostních provedení je toto potenciální usazování minimalizováno v případě U-trubek s jedním středním svarem ve nejnižším bodě zakřivené části „U a U-trubky jsou navrženy tak, že svar je odstíněn od přímého záření sousedních trubek. Jiné provedení navrhuje obalení oblasti svaru izolačním materiálem.

Trubky s vnitřním žebrováním mohou být úspěšně ohýbány na poloměr požadovaný ve spodní části U-trubky s použitím známých metod ohýbání za studená či tepelně indukčních technik.

Ať už jsou U-trubky tvořeny spojením dvou nebo více tubulárních dílů, či jsou tvořeny dílem jediným, jsou žebrové U-trubky přednostně opatřeny vnitřními obecně podélnými žebry po celé své délce. Podle jiného provedení je žebry opatřeno pouze výstupní rameno. Podle dalšího možného provedení je žebry opatřena zakřivená část U-trubky a výstupní rameno.

Obr. 3 představuje příčný řez U-trubky opatřené žebrováním. Vnější průměr trubky 50 se pohybuje v rozmezí 4,4 cm až 11,4 cm, přednostně 5 cm až 7,6 cm. Výška žebra 52, definovaná jako vzdálenost nejnižšího bodu paty žebra 54 a vrcholu žebra 56, se pohybuje v rozmezí 0,13 cm až 1 cm. Počet žeber rozmístěných podél vnitřního povrchu trubek je v rozmezí 8 až 24, přednostně 10 až 18. Poloměr paty žebra 58 a poloměr vrcholu žebra 60 se pohybuje v rozmezí 0,13 cm až 1,2 cm, přednostně 0,25 cm až 0,5 cm. V jednom provedení se poloměr paty žebra shoduje s poloměrem vrcholu žebra. Vnitřní průměr 62, definovaný jako délka spojnice dvou protilehlých pat žeber, vedená středem trubky, nabývá hodnot v rozmezí 3,2 cm až 7,6 cm, přednostně 3,8 cm až 6,4 cm a zvláště přednostně 5 cm až 6,4 cm. Poměr výšky žebra ku vnitřnímu průměru nezbytný k zajištění zlepšeného přenosu tepla, nezpůsobující nadměrný pokles tlaku a zároveň nezpůsobující náchylnost k ucpávání je přednostně v rozsahu od 0,05 do 0,20 a zvláště přednostně v rozsahu 0,07 až 0,14.

-10Obecně podélná žebra mohou být po celé délce U-trubky přímá, nebo spirálovitá, podobně jako je tomu u žlábkování hlavně pušky.

Posledně zmíněné uspořádání je též zmiňováno jako spirálová podélná žebra.

V případech, kdy je trubka tvaru U tvořena více než jedním dílem, jsou žebra přednostně v každém spoji zarovnána za účelem snížení pravděpodobnosti zachytávání částic koksu na hranách žeber.

Příklady

Za účelem zjištění, zda mohou být zdolána očekávaná omezení, byl vypracován zkušební program, a výhody zvětšeného vnitřního povrchu mohly být aplikovány pro navržení U-trubkové pece pro parní pyrolýzu.

Bylo instalováno dvacet dva U-trubek s vnitřním žebrováním do čtvrtiny komerční pece pro parní pyrolýzu (s celkovým počtem 88 U-trubek). Surovinou byl průmyslový etan (98% etan) získaný separačními metodami ze zemního plynu. V peci tedy zůstala většina U-trubek běžného kruhového průřezu a čtvrtina trubek byla opatřena přímými podélnými žebry podle vynálezu. To poskytlo přímé srovnání výkonu žebrových trubek v porovnání s běžnými (hladkými) trubkami kruhového průřezu. Obr.3 může být použit pro vysvětlení uspořádání žeber U-trubek testované čtvrtiny žebrových trubek. Vnější průměr 50 U-trubek byl 7 cm. Vnitřní průměr 62 U-trubek byl 5,1 cm. Trubky byly opatřeny 12 žebry. Výška žebra 52 byla 0,4 cm. Poloměr paty žebra 58 byl shodný s poloměrem vrcholu žebra 60 a byl roven 0,4 cm. Poměr výšky žebra ku vnitřnímu průměru byl 0,08.

Protože bylo obtížné vyrobit trubky s vnitřním žebrováním požadované délky 20 m, bylo nutné použít jednoho středního svaru. Tento střední svar byl umístěn v dolní části každé z U-trubek, kde byl odstíněn od přímého tepelného záření pomocí přilehlých trubek. Žebra byla v tomto spoji vyrovnána.

Zahnutá část vinutí tvaru U nebyla náchylná k blokování, jak bylo naznačeno u původního řešení. Během 12 měsíčního zkušebního programu nebyly pozorovány žádné náhlé poklesy tlaku.

• · ··· ·

Trubky s vnitřním žebrováním snížily teplotu kovu trubek. Ve zkušebním vinutí se hromadily usazeniny koksu mnohem pomaleji než u běžných (hladkých) trubek kruhového průřezu při použití ve stejné peci pro parní pyrolýzu a pro stejnou použitou surovinu.

TABULKA 1 Pokles tlaku (vstup zářiče - výstup zářiče)

Dny provozu ΔΡ (bar)

Hladké (běžné) trubky Žebrové trubky

0,5	0,28	0,28
2,5	0,43	0,36
4,5	0,52	0,38
8	0,75	0,38
11	0,83	0,38
15	0,90	0,40
21	1,48	0,50

Tabulka 1 ukazuje pokles tlaku v závitech tvaru U v závislosti na počtu dní od začátku provozu, což odpovídá počtu dní od posledního odstranění koksu. Čím vyšší pokles tlaku nastane, tím větší je tloušťka vytvořené vrstvy koksu. Tabulka srovnává hladké (běžné) trubky s trubkami žebrovými. Jak je z uvedených údajů patrné, pokles tlaku významně roste v případě použití hladkých trubek v porovnání s trubkami žebrovými, což svědčí o větší tloušťce vrstvy koksu u hladkých trubek. Výrazně nižší pokles tlaku u trubek žebrových jasně svědčí o tom, že během provozu nedošlo k jejich ucpání.

• · · · 4 · • * · · • · « · · · • · • 4 ··

-12TABULKA 2

Teplota kovu trubek

Dny provozu	Teplota kovu trubek (°C)
0,5	Hladké (běžné) trubky 1016	Žebrové trubky 1004
2,5	1031	1003
4,5	1037	1007
8	1048	1016
11	1050	1022
15	1041	1018
21	1056	1028
Průměr	1040	1014

Tabulka 2 ukazuje maximální teplotu kovu trubek měřenou infračerveným pyrometrem opět v závislosti na počtu dní od začátku provozu. Jak bylo zmíněno výše, je kriticky důležité snížit maximální teplotu kovu trubek. Teplota kovu trubek byla v průběhu celého provozu u žebrových trubek výrazně nižší než u trubek běžných, a to průměrně o 26 °C.

Kromě toho bylo pro trubky s vnitřním žebrováním zapotřebí mnohem méně času pro odstranění koksu, než tomu bylo u běžných trubek kruhového průřezu. Při pyrolýze etanu bylo u běžných (hladkých) trubek dosaženo odstranění koksu v rozmezí 8-10 hodin, zatímco žebrové trubky dosáhly tohoto stavu již během 4-5 hodin. Aniž bychom se chtěli zaměřovat na přesnou teorii provozu, zdá se, že žebrové U-trubky navržené a popsané v tomto vynálezu zajišťují frakční zóny ve vrstvě koksu v místě každého z žeber, které zabezpečují to, že malé částice koksu mají tendenci se během procesu odstranění koksu odloupnout či odtrhnout od vnitřku trubky. To má za následek dva velice významné a neočekávané efekty v porovnání s běžnými hladkými trubkami. Za prvé dochází ke zkrácení procesu odstranění koksu, čímž je umožněno dosažení plné funkčnosti kotle během kratší doby, což je významným ekonomickým přínosem pro provozovatele. Za druhé frakční zóny dovolují tvorbu pouze relativně malých částic koksu, které • · • · ·

« «

nezpůsobují ucpávání či blokování trubek, a to ani trubek malých průměrů v rozmezí 3,0 až 6,4 cm a dokonce ani zahnutých či zakřivených částí „U u dvoucestných U-trubek.

Hlavním přínosem provozu kotle s U-trubkami opatřenými vnitřním žebrováním tvaru U podle předloženého vynálezu je skutečnost, že nedochází k nadměrné tvorbě vrstvy koksu s účelem zajistit odlupování malých částic koksu. Přednostně by průměrná tloušťka vrstvy koksu neměla překročit 1,5 násobek výšky žebroví. Tloušťka vrstvy koksu v pracujícím kotli pro pyrolýzu může odborník znalý problematiky odhadnout na základě provozních údajů kotle a na základě znalosti krakovacích charakteristik suroviny. Tloušťka vrstvy koksu je vypočtena na základě měřených teplotních profilů kovu trubek, měřeného poklesu tlaku pro trubky uvnitř pouzdra zářiče, na základě známé nebo měřené hustoty a tepelné vodivosti koksu. Odborník znalý problematiky může na základě shora uvedených měřených parametrů známých rovnic proudění tekutin a vedení tepla odhadnout tloušťku vrstvy koksu v pracujícím kotli a naplánovat podle toho práce pro odstranění koksu.

Ačkoli byl předložený vynález popsán poněkud podrobně s odkazem na konkrétní přednostní provedení, jsou další provedení možná. Proto by neměly být myšlenka a rámec vynálezu omezeny pouze na přednostní provedení zde obsažená.

Claims (29)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Topný článek pro zahřívání pracovní tekutiny, vyznačující se tím, že obsahuje prostředek pouzdra zářiče opatřený množstvím v něm rozmístěných dvoucestných trubek, zahrnujících alespoň jedno vstupní rameno propojené z hlediska proudění s alespoň jedním výstupním ramenem a zahnutým tubulárním prostředkem zajišťujícím proudění mezi vstupním ramenem a výstupním ramenem, kde každé výstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry, prostředek pro zavedení pracovní tekutiny do vstupního ramene, prostředek pro vystavení vnějšího povrchu dvoucestných trubek tepelnému záření, výstupní prostředek pro chlazení a sběr pracovní tekutiny z výstupního ramene.
2. 2. Topný článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry.
3. 3. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zahnutý tubulární prostředek zajišťující proudění mezi vstupním ramenem a výstupním ramenem je opatřen vnitřními obecně podélnými žebry.
4. 4. Topný článek pro zahřívání pracovní tekutiny, vyznačující se tím, že obsahuje prostředek pouzdra oddílu zářiče mající množství U-trubek v něm rozmístěných, vstupní prostředek pro zavedení pracovní tekutiny do U-trubek, prostředek pro vystavení vnějšího povrchu U-trubek tepelnému záření, výstupní prostředek pro chlazení a sběr pracovní tekutiny z každé z U-trubek, kde U-trubky jsou po celé délce opatřeny vnitřními obecně podélnými žebry.
5. 5. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je v rozmezí 3,2 cm až 7,6 cm.
6. 6. Topný článek podle nároku 5, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je v rozmezí 3,8 cm až 6,4 cm.

   I ♦ ·· ·♦ ·· • ♦ · · · · · · • · · · · · • · · ···«·· • · · · ······· · · · ·
7. 7. Topný článek podle nároku 6, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je v rozmezí 5 cm až 6,4 cm.
8. 8. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je konstantní.
9. 9. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že U-trubky jsou opatřeny 8 až 24 obecně podélnými žebry rozmístěnými kolem vnitřního povrchu U-trubek.
10. 10. Topný článek podle nároku 9, vyznačující se tím, že U-trubky jsou opatřeny 10 až 18 obecně podélnými žebry, rozmístěnými kolem vnitřního povrchu U-trubek.
11. 11. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že U-trubky jsou tvořeny spojením dvou nebo více tubulárních dílů.
12. 12. Topný článek podle nároku 11, vyznačující se tím, že žebra jsou nezbytně zarovnána v místě každého spoje.
13. 13. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 11 nebo 12, vyznačující se tím, že U-trubka je vytvořena ze dvou tubulárních dílů a samostatného spoje svařením dvou tubulárních dílů dohromady, a kde svar je podstatně odstíněn od přímého tepelného záření.
14. 14. Topný článek podle nároku 13, vyznačující se tím, že samostatný spoj je proveden v nejnižším bodě U.
15. 15. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 14, vyznačující se tím, že celková délka každé z U-trubek je v rozmezí 13 m až 27 m.
16. 16. Topný článek podle nárok 15, vyznačující se tím, že celková délka každé z U-trubek je v rozmezí 15 m až 27 m.
17. 17. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 16, vyznačující se tím, že poměr výšky žebra ku vnitřnímu průměru je v rozmezí 0,05 až 0,20.

    φ φ · · φ · φφ · φφφφ Φφφφ φφφ φ ΦΦΦΦΦ • φ φ φ · φ φ φφφφφφ

    -X-zfe ·^:··^: ··'
18. 18. Topný článek podle nároku 17, vyznačující se tím, že poměr výšky žebra ku vnitřnímu průměru je v rozmezí 0,07 až 0,14.
19. 19. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 18, vyznačující se tím, že vnitřní obecně podélná žebra mají výšku vrcholu v rozmezí 0,13 cm až 1 cm.
20. 20. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 19, vyznačující se tím, že vnitřní obecně podélná žebra mají poloměr vrcholu v rozmezí 0,13 cm až 0,65 cm.
21. 21. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 20, vyznačující se tím, že vnitřní obecně podélná žebra mají nezbytně shodný poloměr paty a poloměr vrcholu.
22. 22. Způsob výroby olefinů, vyznačující se tím, že zahrnuje předehřátí uhlovodíkové suroviny, zavedení předehřáté suroviny do velkého množství radiačních závitů, ohřev radiačních závitů množstvím hořáků za účelem pyrolýzy uhlovodíkové suroviny, sběr rozložené uhlovodíkové suroviny z radiačního vinutí, chlazení rozložené uhlovodíkové suroviny, získání alespoň jednoho olefinu z rozložené uhlovodíkové suroviny, kde každý z radiačních závitů obsahuje alespoň jedno vstupní rameno propojené z hlediska proudění s alespoň jedním výstupním ramenem a zahnutým tubulárním prostředkem zajišťujícím proudění mezi vstupním ramenem a výstupním ramenem, kde každé výstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry.
23. 23. Způsob výroby olefinů podle nároku 22, vyznačující se tím, že vstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry.
24. 24. Způsob výroby olefinů podle alespoň jednoho z nároků 22 nebo 23, vyznačující se tím, že zahnutý tubulární prostředek zajišťující proudění mezi vstupním ramenem a výstupním ramenem je opatřen vnitřními obecně podélnými žebry.

    ·· · · · ·
25. 25. Způsob výroby olefinů podle nároku 22, vyznačující se tím, že zahrnuje předehřátí uhlovodíkové suroviny, zavedení předehřáté suroviny do velkého množství radiačních závitů, ohřev radiačních závitů množstvím hořáků za účelem pyrolýzy uhlovodíkové suroviny, sběr rozložené uhlovodíkové suroviny z radiačního vinutí, chlazení rozložené uhlovodíkové suroviny, získání alespoň jednoho olefinu z rozložené uhlovodíkové suroviny, vyčištění radiačního vinutí od koksu, nahromaděného zde v důsledku tepelných štěpných reakcí, kde radiační závity obsahují spojené vstupní rameno a výstupní rameno, tvořící tvar U, a opatřené vnitřními obecně podélnými žebry, a u něhož je proces odstranění koksu zahájen dříve, než vrstva koksu nahromaděného uvnitř dosáhne tloušťky dostačující k zapříčinění odtržení velkých částic koksu od povrchu trubky a vedoucí k ucpání sestupných částí radiačního vinutí během procesu odstranění koksu.
26. 26. Způsob výroby olefinů podle nároku 25, vyznačující se tím, že proces odstranění koksu je zahájen dříve, než průměrná tloušťka vrstvy koksu přesáhne 1,5 násobek výšky žeber.
27. 27. Způsob výroby olefinů podle alespoň jednoho z nároků 22 až 26, vyznačující se tím, že použité radiační závity jsou definovány alespoň jedním z nároků 5 až 21.
28. 28. V zahřívaném topném článku pro zahřívání pracovní tekutiny, který obsahuje pouzdro oddílu zářiče s množstvím U-trubek v něm rozmístěných, vstupní sběrač pro zavedení pracovní tekutiny do U-trubek, a množství hořáků pro vystavení vnějšího povrchu Upo celé tím, že 5 až 21.

    trubek tepelnemu zářeni, použiti U-trubek opatřených jejich délce vnitřními obecně podélnými žebry.
29. 29. Použití U-trubek podle nároku 28, vyznačující se použité U-trubky jsou definovány alespoň jedním z nároků