CZ439499A3 - Process for preparing olefins and apparatus for making the same - 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.A heated heating element for heating the working fluid uses U-tubes with an enlarged inner surface for conducting heat to reduce the metal temperature of the tubes a coke coating and thus decreasing clogging ability coke. The heated heating element comprises a compartment housing radiators with a plurality of U-tubes in the radiator compartment. Trubkytvaru U are formed by joining one or more tubular parts and they are provided with internal generally longitudinal ribs. Way olefin production includes pyrolysis of preheated hydrocarbon the raw material in the U-tube system, cooling it and isolating it at least one olefin from the decomposed mixture.

Description

ŽEBROVÁNÍMZEBROVÁNÍM

Oblast technikyTechnical field

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.The present invention relates to a heated heating element for heating a working fluid, for example a processing heating element. More specifically, it relates to a heated heating element of the type comprising at least one emitter compartment in which the working fluid flowing through the tubes is indirectly heated, preferably by the thermal energy supplied by the burners. The methods and apparatus used in accordance with the present invention are particularly well suited and preferred for the pyrolysis of normally liquid or normally gaseous aromatic and / or aliphatic hydrocarbon feedstocks such as ethane, propane, petroleum or gas oil for the production of ethylene and other products such as acetylene, propylene , butadiene, etc. Accordingly, the present invention will be described and explained in connection with the pyrolysis of hydrocarbons, particularly in the context of steam pyrolysis for the production of ethylene.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

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 • »Steam pyrolysis is the predominant commercial method for producing light olefins such as ethylene, propylene and butadiene. Ethylene, which is the basic production of bulk bulk major propylene and butadiene, are chemicals, building blocks used in polymeric materials, and commercial intermediates. Demand for these basic petrochemicals should continue to increase in the near future. Of the steam pyrolysis products mentioned above, ethylene production is the most expensive to separate and purify. Increasing profitability or selectivity in production is therefore highly desirable. Steam pyrolysis involves a thermal fission reaction, which is usually carried out in a heated tubular reactor. The reaction selectivity for ethylene is better at a short residence time and low hydrocarbon partial pressures. Hydrocarbon compounds ranging from ethane to vacuum gas oil are fed and the reaction is carried out in the presence of dilute steam. Complex reactions • »

* β * • · * • · · * 9 ·* β * 9

-2a trubkový reaktor jsou značně diskutovány jak ve veřejné literatuře, tak v četných patentech.The -2a tube reactor is extensively discussed in both public literature and numerous patents.

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.The steam pyrolysis of hydrocarbons has been made more efficient by supplying the feedstock to the appropriate turns of the pyrolysis furnace in gaseous or predominantly gaseous form as an admixture of a considerable amount of diluted steam. A common procedure is to pass the reaction mixture through a plurality of parallel threads or tubes that pass through the convection section of the pyrolysis furnace where the hot combustion gases raise the temperature of the feedstock and the diluted steam. Each thread or tube further passes through a pyrolysis furnace emitter section where a plurality of burners supply the heat required to raise the temperature of the reactants to a desired value, thereby causing the desired reaction.

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.The primary factor influencing the steam pyrolysis process is the formation of coke. When hydrocarbonaceous feedstocks are exposed to thermal radiation conditions common to steam pyrolysis furnaces, coke deposits tend to form on the inner walls of the tubular members forming the pyrolysis threads. Such coke deposits adversely affect the thermal flow through the walls of the tubes into the stream of reactants, resulting in an increase in the temperature of the metal of the tubes, approaching the limit of the pipe metallurgy. In addition, coke deposits adversely affect the flow of the reaction mixture, resulting in a higher pressure drop due to reduced pipe cross-section.

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.Reducing the winding volume while maintaining the heat transfer surface has proven to be an optimal way to increase selectivity for ethylene. This was achieved by replacing large diameter spiral windings with a plurality of smaller diameter pipes characterized by a greater surface to volume ratio than large diameter pipes. The tubes usually have an inside diameter of up to 7.6 cm, most often in the range of 3.0 cm to 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 φφφThe desire to observe a short residence time has led to the use of shorter threads, the usual length of which has been gradually reduced over the years from the original 45 m to 20 m - 27 m and more recently up to 9 m 12 m. reduce the heat flow and hence the temperature of the metal tubes. Current pyrolysis threads are usually produced • • ♦ · · · · ·

Λ Φ φ · · · φ φ φ · · φΛ 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.-3ζ high-alloy (25% Cr, 35% Ni, plus additives) austenitic stainless steels and are operated at the highest metal tube temperatures in the range of 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.Despite significant developments in the design of pyrolysis furnaces, this process is still limited by the fact that it produces coke as a by-product that settles on the inner walls of the threads. The coke acts as an insulator, increasing the temperature of the metal of the threading tubes. When the metal temperature of the tubes reaches the maximum bearing capacity of the material, it is necessary to stop production and remove the coke from the furnace. This usually involves passing the mixture of air and steam through the coils at high temperature. The coke is removed by a combination of heating and erosion / flaking effect. Other coke removal methods that exclude the use of air are also used in the industry.

V tomto případě je koks eroze/odlupování a zplynování.In this case, the coke is erosion / peeling and gasification.

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.Irrespective of the coke removal method used, some parts of the coke are peeled off in the form of large pieces. Since the diameter of the tubes used has decreased, the likelihood of thread clogging before or during coke removal has increased. The coke removal process usually takes 1248 hours, depending on various factors such as the furnace design, the raw material being processed, the operating time before coke removal, and the difficulty of the pyrolysis used.

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.The technology of lowering the metal temperature of the pipes (and hence the degree of coke deposition, possibly allowing the use of windings with a shorter residence time) has been widely sought in the industry. Some designers have resorted to a winding with a plurality of inlet arms, reducing the heat flow in the outlet pipes (see e.g. EP 0 305 799 A1). Others have attempted to prevent the formation of an insulating layer of coke inside the tubes by adding small concentrations of specific elements to the reactive feedstock.

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.Heat transfer to a highly endothermic fission reaction can be described using the known equation Q = U.A.AT. The heat transfer coefficient U is a function of the gas velocity inside the pipe. Higher velocities result in an increase in U and thus a decrease in the desired ΔΤ (temperature difference), thereby lowering the metal temperature of the tubes to a given temperature of the working fluid. However, as the velocities increase, the pressure drop increases, resulting in an increase in the average hydrocarbon partial pressure in the winding. Finally, the pressure effect outweighs the effect of reducing the residence time and further increasing the velocity already reduces the reaction selectivity for ethylene. This represents the maximum fair value of 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 průměruThe total area (A) can be increased by using a large number of small diameter pipes. This development has been followed in industry, resulting in reactors with internal diameter tubes

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.2.5 cm - 3.8 cm. These values represent a minimum practically usable diameter with respect to production possibilities, and for smaller diameters the effect of coke formation becomes extreme.

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.The general principle of increasing the surface area of the inner surface to improve heat transfer is well known in the general field of heat transfer. However, it is difficult to apply this principle to the high temperature coke formation process, such as steam pyrolysis.

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.However, this method of improving heat transfer in order to reduce the metal temperature of the tubes in steam pyrolysis furnaces has been proposed in several variations. One example (US 4,342,242) employs specially designed longitudinal tube inserts of otherwise circular cross-section. The insert is formed by a central body from which lamellas protrude outwards, which touch the inside of the winding. In this particular description, the insert is located only over a portion of the entire length of the furnace winding. Another example (GB 969,796) utilizes internally curved channels or ribs which enlarge the inner surface. The inner profile was smooth to avoid stress concentration and flow disturbances. The typical tubes mentioned in this description passed four times through the emitter compartment and had a relatively large inner diameter of 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 • · · · · · • ·Variations of these rounded internal channels or ribbed internal profiles have been used commercially in particular winding constructions. A study presented at the American Institute of Chemical Engineers Meeting ("TA Wells Specialty Furnace Design Steam Reformers and Steam Crackers, presented at the AIChE Spring National Meeting in New Orleans, Louisiana, 6-10 March 1988) describes the use of a type of tube with enlarged surface in one-way construction. Input arm • · · · · · · · ·

«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."Fl" of longer windings (EP 0 305 799 A1) and a reference to this construction in the literature, designated SRT V (Energy Progress vol. 8, no. 3, pp. 160-168 (September 1988) utilize an enlarged inner surface.

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.In both cases, commercial use was based on tubes with an inner diameter of 2.5 cm - 3.8 cm, where the rounded inner ducts or ribs passed through the furnace section of the furnace only once. Another reference in the literature ("USC Super U Pyrolysis Concept by David J. Brown, John R. Brewer, and Colin P. Bowen, presented at the AIChE Spring National Meeting, Orlando, Florida, March 1990) presents data on internal finned pipe fins . This reference contemplates that it may be beneficial to provide fins of the outlet conduit, but does not provide any suggestion of what working or design parameters should be required to successfully demonstrate or allow the use of fins in the outlet conduit.

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.However, the applicability of an enlarged inner surface structure to two-way windings, which are generally U-shaped tubes, has not yet been shown. These two-way threads typically have a total length of 15 m - 27 m and an inside diameter of 3.8 cm - 6.4 cm. Two-way threads may have a minimum length of 13 m. A particular problem is that there is no possibility of making a sufficiently long internal ribbed pipe to form the entire U-shaped pipe.

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.The inner fin tube may only be used for the inlet half of the U-shaped tubes as described in EP 0 305 799 A1, where the internal fins, supports or liners are used only in the furnace inlet piping, not the outlet.

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.In this reference, it is assumed that the liners placed in the outlet pipe will be the core for the formation of a coke layer formed during pyrolysis. Unfortunately, the highest metal pipe temperature is reached near the end of the outlet pipe, so that the beneficial effect of the fin pipe is not applied where it is most needed. The use of fin pipes in the outlet conduit is possible, but carries some risk that the coke particles from the inlet conduit may be released and trapped at the beginning of the fin section. Finally, the usual experience in the art suggests that a curved ribbed tube will be susceptible to clogging by coke released from the winding inlet arm.

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.In light of the known shortcomings of heat transfer in steam pyrolysis furnaces, there is a need for a method of increasing heat transfer within the tubes to reduce coke deposition, the metal temperature of the tubes, and improve selectivity for ethylene. It will be particularly desirable to design a two-way winding or U-shaped tube utilizing some method of increasing the inner surface to reduce the metal temperature of the tubes along their length.

Vynález má odstranit uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky.The present invention is intended to overcome these drawbacks of the prior art.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

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.The present invention relates to a heated heating element for heating the working fluid, which is characterized by an enlarged inner surface for conducting heat to reduce the temperature of the metal inlet and outlet of the U-shaped tubes and at the same time not susceptible to coke clogging. The heated heater comprises a housing of the emitter section with a plurality of U-shaped tubes disposed therein, an inlet for introducing working fluid into the U-shaped tubes, burners for exposing the outer surface of the U-shaped tubes to radiation, an outlet for cooling and collecting the working fluid from the U-tubes. the U-shaped tubes are formed by joining one or more tubular members, and at least the exit arms of the U-shaped tubes are provided with internal generally longitudinal ribs. In another embodiment of the invention, the U-shaped tubes are provided with internal generally longitudinal ribs over their entire length.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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 • · · • · tThese and other features, aspects, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following figures, description, and appended claims. Figure 1 is a three-dimensional drawing of a steam pyrolysis furnace showing a typical internal configuration. Fig. 2 shows a separate U-shaped tube

-Ίpro zmíněnou pec. Obr.3 znázorňuje příčný řez žebrové trubky tvaru U pro danou pec.-Ίfor the furnace. Fig. 3 shows a cross-section of a U-shaped fin tube for a given furnace.

Příklady provedení vynálezu /EXAMPLES OF THE INVENTION

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. /The present invention describes a heated heating element for heating a working fluid. In particular, the invention relates to a heated heating element for heating a working fluid that is prone to coke deposition due to chemical reactions resulting from heating. A typical embodiment of the invention is a steam pyrolysis furnace used in the petrochemical industry for the production of olefins. /

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.Referring to Fig. 1, the flowing feedstock 9 enters the convection compartment 10 through one or more inlet ducts 9, which are preferably preheated to a temperature of 800 ° F to 1500 ° F by hot combustion gases having a temperature of 1500 ° F to 2400 ° F. before entering the inlet manifold 12 in the emitter compartment. From the inlet manifold 1 / in the emitter compartment, preheated feedstock enters U 14-shaped tubes (hereinafter referred to as U-tubes) which are located within the housing of the emitter compartment 16, also known in the art as a radiation box.

Pouzdro oddílu/ zářiče 16 je obvykle obaleno tepelně izolujícím ohnivzdorným materiálem z důvodu zachování tepelné energie. /The housing of the compartment / emitter 16 is usually wrapped with a heat insulating refractory material to conserve thermal energy. /

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 ♦ · · »»♦ • · ♦ · ·· ···The emitter clay contains a plurality of U-tubes. The ends are connected to one or more feed ratchets 12 which supply the working fluid to the inlet arms 20. The opposite end of each outlet arm 22 is connected to the outlet collection of the working fluid after the thermal fission reaction has been heated. The working clearance temperature of the U-tube outlet arm is generally at 1300 ° F to 2000 ° F. From there, the working fluid of the exchanger 27, where it cools down to stop the thermal fission reactions ii, not shown in Fig. 1, the outlet pipe is directly connected to a separate extinguisher. • 9 9 ♦ · »· · · ·

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

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.The present invention describes a heated heating element for heating a working fluid. In particular, the invention relates to a heated heating element for heating a working fluid that is prone to coke deposition due to chemical reactions resulting from heating. A typical embodiment of the invention is a steam pyrolysis furnace used in the petrochemical industry for the production of olefins.

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.Referring to Fig. 1, the flowing feedstock 9 enters the convection compartment 10 through one or more inlet conduits 9, which are preferably preheated to a temperature of 426 ° C to 816 ° C by hot combustion gases, preferably having a temperature of 816 ° C to 1316 ° C, previously before entering the inlet manifold 12 in the emitter compartment. From the inlet manifold 12 in the emitter compartment, preheated feedstock enters U-shaped tubes 14 (hereinafter referred to as U-tubes), which are housed within the housing of the emitter compartment 16, also known in the art as a radiation box.

Pouzdro oddílu zářiče 16 je obvykle obaleno tepelně izolujícím ohnivzdorným materiálem z důvodu zachování tepelné energie.The housing of the emitter compartment 16 is usually wrapped with a heat insulating refractory material to conserve thermal energy.

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 · · · • ·The emitter compartment housing includes a plurality of U-tubes. The ends of the U-tubes that are connected to one or more feed inlet manifolds 12 that supply the working fluid to the U-tubes are called inlet arms 20. The opposite end of each of the U-tubes, called the outlet arm 22, is connected to the outlet header. 26, for collecting the working fluid after it has been heated and the thermal fission reaction has taken place. The temperature of the working fluid when leaving the U-tube outlet arm is typically in the range of 706 ° C to 1093 ° C. From there, the working fluid is fed to the quench exchanger 27 where the working fluid is cooled and thus the thermal fission reactions are stopped. In another embodiment, not shown in Fig. 1, the outlet arm of each of the U-tubes is directly connected to a separate quench exchanger to cool the working fluid. The output of each separate arc exchanger is then connected to the output header. Such an arrangement is known in the art as a heat exchanger 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.-X · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· with tightly coupled transfer pipe. In another embodiment, also not shown in Fig. 1, the outlet arm of each of the U-tubes is connected to a quenching point where the working fluid is brought into direct contact with the quenching liquid that is vaporized, thereby cooling the working fluid.

i ii 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.-8 • 9 exchanger for cooling the working fluid. The output of each separate quench exchanger is then connected to the output header. Organize like that. is known in the art as a closely coupled transfer burner. In another embodiment, also not recovered in Figs. 1, g, the outlet arm of each of the U-tubes is connected to a quenching point where the working fluid is brought into direct contact with the quenching liquid that is vaporized, thereby cooling working 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.The U-tube designation used for the purposes of the present invention is based on the fact that the tubes are U-shaped when viewed in a front elevation, as in Figure 2. A characteristic feature of the U-tubes is that they perform a double passage through the emitter compartment. The U-tubes comprise an inlet arm 20, an outlet arm 22, and a curved portion 21 connecting the inlet arm 20 to the outlet arm 22. In other embodiments, the outlet arm may be one or more branched portions. In other preferred embodiments, the inlet arm 20 may be more than one branched pipe. A variety of methods for arranging a plurality of U-tubes in the emitter compartment are known in the art. Those skilled in the art take into account the spatial arrangement, the location of the burners, the location of the inlet and outlet means, and the thermal load of the U-tubes themselves when choosing the arrangement. In some arrangements, each of the U-tubes lies in its own plane. In other arrangements, the U-tubes may be bent from the plane. All of these solutions are referred to as U-tubes for purposes of the present invention.

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.The housing of the emitter compartment comprises a plurality of burners 28 for exposing the outer surface of the U-tubes to thermal radiation. A variety of burners known in the art can be used, including raw gas burners or gas mixtures. The latest designs utilize a variety of flue gas recirculation methods to reduce NO _X production for environmental protection. The source of combustion air may be ambient air, preheated air or gas turbine exhaust.

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.The total length of the U-tubes is preferably 20 m - 27 m. Since the manufacture of tubes with internal ribs of the required length of 20 m - 27 m φ φ φφφφ is difficult, it may be necessary to connect two sections using at least one middle weld. As described in U.S. Pat. No. 4,827,074, intermediate welds are a known potential source of increased coke deposition. In one preferred embodiment, this potential deposition is minimized in the case of single-center U-tubes at the lowest point of the curved portion. The U-tubes and U-tubes are designed such that the weld is shielded from direct radiation from adjacent tubes. Another embodiment provides for wrapping the weld area with insulating material.

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.Internal finned tubes can be successfully bent to the radius required at the bottom of the U-tube using known cold bending or heat-induction techniques.

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.Whether the U-tubes are formed by joining two or more tubular parts or are a single piece, the ribbed U-tubes are preferably provided with internal generally longitudinal ribs over their entire length. According to another embodiment, only the outlet arm is provided with the ribs. According to another possible embodiment, the ribs are provided with a curved section of the U-tube and an outlet arm.

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.Giant. 3 is a cross-sectional view of a ribbed U-tube. The outer diameter of the tube 50 is in the range of 4.4 cm to 11.4 cm, preferably 5 cm to 7.6 cm. The height of the rib 52, defined as the distance between the lowest point of the heel of the rib 54 and the apex of the rib 56, is in the range of 0.13 cm to 1 cm. The number of ribs distributed along the inner surface of the tubes is in the range of 8 to 24, preferably 10 to 18. The radius of the heel of the rib 58 and the radius of the top of the rib 60 are in the range of 0.13 cm to 1.2 cm, preferably 0.25 cm to 0. 5 cm. In one embodiment, the radius of the rib heel coincides with the radius of the rib apex. The inner diameter 62, defined as the length of the connecting line of two opposing rib heels, guided through the center of the tube, is in the range of 3.2 cm to 7.6 cm, preferably 3.8 cm to 6.4 cm, and particularly preferably 5 cm to 6.4 cm. The ratio of the rib height to the inner diameter necessary to provide improved heat transfer, which does not cause excessive pressure drop and, at the same time, does not cause clogging is preferably in the range of 0.05 to 0.20 and particularly preferably in the range of 0.07 to 0.14.

-10Obecně podélná žebra mohou být po celé délce U-trubky přímá, nebo spirálovitá, podobně jako je tomu u žlábkování hlavně pušky.In general, the longitudinal ribs may be straight or spiral along the entire length of the U-tube, as is the case with the rifle barrel.

Posledně zmíněné uspořádání je též zmiňováno jako spirálová podélná žebra.The latter arrangement is also referred to as spiral longitudinal ribs.

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.In cases where the U-shaped tube consists of more than one part, the ribs are preferably aligned at each joint to reduce the likelihood of trapping coke particles at the rib edges.

PříkladyExamples

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.In order to determine whether the expected limitations could be overcome, a test program was developed, and the benefits of an enlarged inner surface could be applied to design a U-tube furnace for steam pyrolysis.

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.Twenty-two internal finned U-tubes were installed in a quarter of a commercial steam pyrolysis furnace (with a total of 88 U-tubes). The raw material was industrial ethane (98% ethane) obtained by separation methods from natural gas. Thus, most U-tubes of conventional circular cross-section remained in the furnace and a quarter of the tubes were provided with straight longitudinal ribs according to the invention. This provided a direct comparison of the performance of the fin pipes compared to conventional (plain) round cross-section pipes. Fig. 3 can be used to explain the arrangement of the ribs of the U-tubes of the test quarter of the ribs. The outer diameter of the 50 U-tubes was 7 cm. The internal diameter of the 62 U-tubes was 5.1 cm. The tubes were provided with 12 ribs. The height of the rib 52 was 0.4 cm. The radius of the heel of the rib 58 was equal to the radius of the apex of the rib 60 and was equal to 0.4 cm. The ratio of rib height to inner diameter was 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.Since it was difficult to produce tubes with internal ribs of the required length of 20 m, it was necessary to use one middle weld. This intermediate weld was located at the bottom of each U-tube, where it was shielded from direct heat radiation by adjacent tubes. The ribs were aligned in this connection.

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.The curved portion of the U-shaped windings was not susceptible to blocking, as indicated in the original solution. No sudden pressure drops were observed during the 12 month test program.

• · ··· ·• · ··· ·

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.Tubes with internal fins lowered the metal temperature of the tubes. In the test winding, coke deposits accumulated at a much slower rate than conventional (smooth) round tubes when used in the same furnace for steam pyrolysis and for the same feedstock used.

TABULKA 1 Pokles tlaku (vstup zářiče - výstup zářiče)TABLE 1 Pressure drop (emitter input - emitter output)

Dny provozu ΔΡ (bar)Days of operation bar (bar)

Hladké (běžné) trubky Žebrové trubkySmooth (normal) pipes Ribbed pipes

0,5 0.5 0,28 0.28 0,28 0.28 2,5 2.5 0,43 0.43 0,36 0.36 4,5 4,5 0,52 0.52 0,38 0.38 8 8 0,75 0.75 0,38 0.38 11 11 0,83 0.83 0,38 0.38 15 15 Dec 0,90 0.90 0,40 0.40 21 21 1,48 1.48 0,50 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.Table 1 shows the pressure drop in U-shaped threads as a function of the number of days since the start of operation, which corresponds to the number of days since the last coke removal. The higher the pressure drop occurs, the greater the thickness of the coke layer formed. The table compares plain (normal) tubes with finned tubes. As can be seen from the above data, the pressure drop increases significantly when using smooth pipes compared to finned pipes, suggesting a greater layer thickness of coke on smooth pipes. The significantly lower pressure drop across the fin pipes clearly indicates that they have not clogged during operation.

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

-12TABULKA 2-12TABLE 2

Teplota kovu trubekTemperature of metal pipes

Dny provozu Days of operation Teplota kovu trubek (°C) Tube metal temperature (° C) 0,5 0.5 Hladké (běžné) trubky 1016 Smooth (normal) pipes 1016 Žebrové trubky 1004 Ribbed tubes 1004 2,5 2.5 1031 1031 1003 1003 4,5 4,5 1037 1037 1007 1007 8 8 1048 1048 1016 1016 11 11 1050 1050 1022 1022 15 15 Dec 1041 1041 1018 1018 21 21 1056 1056 1028 1028 Průměr Diameter 1040 1040 1014 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.Table 2 shows the maximum metal tube temperature measured by the infrared pyrometer again, depending on the number of days since the start of operation. As mentioned above, it is critical to reduce the maximum metal temperature of the pipes. The pipe metal temperature during the whole operation was considerably lower for ribbed pipes than for conventional pipes by an average of 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 • · • · ·In addition, the internal fin finned tubes required much less coke removal time than conventional circular cross-sectional tubes. In ethane pyrolysis, coke removal was achieved in conventional (plain) pipes within 8-10 hours, while the fin pipes reached this state within 4-5 hours. Without wishing to focus on the exact theory of operation, it appears that the finned U-tubes designed and described in the present invention provide fractional zones in the coke layer at the location of each of the ribs, ensuring that small coke particles tend to to peel or tear off the coke from inside the pipe. This results in two very significant and unexpected effects compared to conventional plain tubes. Firstly, the coke removal process is shortened, allowing the boiler to reach full functionality in a shorter time, which is a significant economic benefit to the operator. Secondly, the fractionation zones allow only relatively small coke particles to be formed which • • • · ·

« «««

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.do not cause clogging or blocking of pipes, even small diameter pipes in the range of 3.0 to 6.4 cm, and even curved or curved sections of “U” on two-way U-pipes.

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.The main benefit of operating a U-tube boiler provided with U-shaped internal fins according to the present invention is that there is no overcoating of the coke in order to peel off small coke particles. Preferably, the average thickness of the coke layer should not exceed 1.5 times the rib height. The thickness of the coke layer in the operating pyrolysis boiler can be estimated by one skilled in the art on the basis of the boiler operating data and the knowledge of the cracking characteristics of the feedstock. The thickness of the coke layer is calculated based on the measured temperature profiles of the tube metal, the measured pressure drop for the tubes within the emitter housing, based on the known or measured density and thermal conductivity of the coke. A person skilled in the art can estimate the thickness of the coke layer in the working boiler on the basis of the aforementioned measured parameters of known fluid flow and heat conduction equations and schedule work to remove coke accordingly.

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.Although the present invention has been described in some detail with reference to particular preferred embodiments, other embodiments are possible. Therefore, the idea and scope of the invention should not be limited to the preferred embodiments contained herein.

Claims (29)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 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.A heater for heating a working fluid, comprising a radiator housing means provided with a plurality of two-way tubes disposed therein, comprising at least one inlet arm connected in flow with at least one outlet arm and a curved tubular flow means between the inlet arm and an outlet arm, wherein each outlet arm is provided with internal generally longitudinal ribs, means for introducing working fluid into the inlet arm, means for exposing the outer surface of the two-way tubes to heat radiation, outlet means for cooling and collecting the working fluid from the outlet arm. 2. Topný článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry.Heating element according to claim 1, characterized in that the inlet arm is provided with internal generally longitudinal ribs. 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.Heating element according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that the curved tubular means providing the flow between the inlet arm and the outlet arm is provided with internal generally longitudinal ribs. 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.4. A heater for heating a working fluid, comprising means of a housing of the emitter compartment having a plurality of U-tubes disposed therein, input means for introducing the working fluid into the U-tubes, means for exposing the outer surface of the U-tubes to heat radiation. an outlet means for cooling and collecting the working fluid from each of the U-tubes, wherein the U-tubes are provided with internal generally longitudinal ribs along their entire length. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 4, characterized in that the inner diameter of the U-tube is in the range of 3.2 cm to 7.6 cm. 6. Topný článek podle nároku 5, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je v rozmezí 3,8 cm až 6,4 cm.Heating element according to claim 5, characterized in that the inner diameter of the U-tube is in the range of 3.8 cm to 6.4 cm. I ♦ ·· ·♦ ·· • ♦ · · · · · · • · · · · · • · · ···«·· • · · · ······· · · · ·I · · · · · · · · · · · · I I 7. Topný článek podle nároku 6, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je v rozmezí 5 cm až 6,4 cm.Heating element according to claim 6, characterized in that the inner diameter of the U-tube is in the range of 5 cm to 6.4 cm. 8. Topný článek podle alespoň jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že vnitřní průměr U-trubky je konstantní.Heating element according to at least one of Claims 1 to 7, characterized in that the inner diameter of the U-tube is constant. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 8, characterized in that the U-tubes are provided with 8 to 24 generally longitudinal ribs distributed around the inner surface of the U-tubes. 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.Heating element according to claim 9, characterized in that the U-tubes are provided with 10 to 18 generally longitudinal ribs distributed around the inner surface of the U-tubes. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 10, characterized in that the U-tubes are formed by joining two or more tubular parts. 12. Topný článek podle nároku 11, vyznačující se tím, že žebra jsou nezbytně zarovnána v místě každého spoje.Heating element according to claim 11, characterized in that the fins are necessarily aligned at the location of each joint. 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.Heating element according to at least one of claims 11 or 12, characterized in that the U-tube is formed of two tubular parts and a separate joint by welding two tubular parts together, and wherein the weld is substantially shielded from direct thermal radiation. 14. Topný článek podle nároku 13, vyznačující se tím, že samostatný spoj je proveden v nejnižším bodě U.Heating element according to claim 13, characterized in that the separate connection is made at the lowest point U. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 14, characterized in that the total length of each of the U-tubes is in the range of 13 m to 27 m. 16. Topný článek podle nárok 15, vyznačující se tím, že celková délka každé z U-trubek je v rozmezí 15 m až 27 m.Heating element according to claim 15, characterized in that the total length of each of the U-tubes is in the range of 15 m to 27 m. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 16, characterized in that the ratio of the rib height to the inner diameter is in the range 0.05 to 0.20. φ φ · · φ · φφ · φφφφ Φφφφ φφφ φ ΦΦΦΦΦ • φ φ φ · φ φ φφφφφφφ · · · · · · φ φ φ φ φ ΦΦΦΦΦ φ φ φ -X-zfe ·^:··^: ··'-X-zfe · ^: ·· ^: ·· ' 18. Topný článek podle nároku 17, vyznačující se tím, že poměr výšky žebra ku vnitřnímu průměru je v rozmezí 0,07 až 0,14.Heating element according to claim 17, characterized in that the ratio of the rib height to the inner diameter is in the range of 0.07 to 0.14. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 18, characterized in that the internal generally longitudinal ribs have a peak height in the range of 0.13 cm to 1 cm. 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.Heating element according to at least one of Claims 1 to 19, characterized in that the internal generally longitudinal fins have a radius of apex in the range of 0.13 cm to 0.65 cm. 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.Heating element according to at least one of claims 1 to 20, characterized in that the internal generally longitudinal ribs necessarily have the same radius of the heel and the radius of the apex. 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.22. A process for producing olefins, comprising preheating the hydrocarbonaceous feedstock, introducing the preheated feedstock into a plurality of radiation coils, heating the radiation coils with a plurality of burners to pyrolyze the hydrocarbonaceous feedstock, collecting the decomposed hydrocarbonaceous feedstock from the radiation winding, cooling the decomposed hydrocarbonaceous feedstock. at least one olefin of the decomposed hydrocarbon feedstock, wherein each of the radiation turns comprises at least one inlet arm connected in flow with at least one outlet arm and a curved tubular means providing flow between the inlet arm and the outlet arm, each outlet arm having internal generally longitudinal ribs . 23. Způsob výroby olefinů podle nároku 22, vyznačující se tím, že vstupní rameno je opatřeno vnitřními obecně podélnými žebry.The process for producing olefins according to claim 22, characterized in that the inlet arm is provided with internal generally longitudinal ribs. 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.Method for producing olefins according to at least one of claims 22 or 23, characterized in that the curved tubular means providing flow between the inlet arm and the outlet arm is provided with internal generally longitudinal ribs. ·· · · · ··· · · · · 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.25. A process for producing olefins according to claim 22, comprising preheating the hydrocarbonaceous feedstock, introducing the preheated feedstock into a plurality of radiation coils, heating the radiation coils with a plurality of burners to pyrolize the hydrocarbonaceous feedstock, collecting the decomposed hydrocarbonaceous feedstock from the radiation winding. recovering at least one olefin from the decomposed hydrocarbon feedstock, purifying the coke radiation winding accumulated here as a result of thermal fission reactions, wherein the radiation threads comprise a connected inlet arm and an U-shaped outlet arm, and provided with internal generally longitudinal ribs, and the coke removal process is started before the coke accumulated inside reaches a thickness sufficient to cause large coke particles to detach from the pipe surface and lead to clogging of the descending parts radiation winding during the coke removal process. 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.The process for producing olefins according to claim 25, wherein the coke removal process is initiated before the average thickness of the coke layer exceeds 1.5 times the rib height. 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.Process for the production of olefins according to at least one of Claims 22 to 26, characterized in that the radiation turns used are defined by at least one of Claims 5 to 21. 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 21.28. In a heated heating element for heating the working fluid, comprising a housing of the emitter compartment with a plurality of U-tubes disposed therein, an inlet header for introducing the working fluid into the U-tubes, and a plurality of burners 21. trubek tepelnemu zářeni, použiti U-trubek opatřených jejich délce vnitřními obecně podélnými žebry.heat radiating tubes, using U-tubes provided with their length by internal generally longitudinal ribs. 29. Použití U-trubek podle nároku 28, vyznačující se použité U-trubky jsou definovány alespoň jedním z nárokůUse of U-pipes according to claim 28, characterized in that the U-pipes used are defined by at least one of the claims