ES2348448T3 - Horno de craqueo. - Google Patents
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Abstract
Método para el craqueo de una alimentación de hidrocarburo, que comprende hacer pasar la alimentación, que comprende un hidrocarburo y un gas diluyente, en particular vapor de agua, a través de un serpentín de craqueo en una cámara de combustión en condiciones de craqueo, en el que el serpentín comprende, como mínimo, una sección de salida y, como mínimo, una sección de entrada y en el que la sección de salida de dicho serpentín está mas apantallada térmicamente que la sección de entrada de dicho serpentín, en el que la cámara de combustión comprende, como mínimo, un carril de secciones de salida de los serpentines, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada de los serpentines y, como mínimo, dos carriles de quemadores, en el que el, como mínimo, un carril de secciones de salida está situado entre los, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada y los carriles de secciones de entrada están situados entre los, como mínimo, dos carriles de quemadores.
Description
La presente invención se refiere a un horno para el
craqueo (térmico) de una alimentación de hidrocarburo en fase de
vapor en presencia de vapor de agua. Además, la presente invención
se refiere a un método para el craqueo (térmico) de una
alimentación de hidrocarburo en fase de vapor en presencia de un
gas diluyente, en particular de vapor de agua.
Los hornos de craqueo son el corazón de una planta de
etileno. En estos hornos, alimentaciones que contienen uno o más
tipos de hidrocarburos se convierten en un gas producto craqueado
mediante el craqueo de los hidrocarburos. Ejemplos típicos de
alimentaciones de hidrocarburos son etano, propano, butanos,
naftas, querosenos y gasoil atmosférico y al vacío.
Los procesos para la conversión de hidrocarburos a
temperatura elevada son conocidos desde hace varias décadas. El
documento US 2.182.586, publicado en 1939, describe un proceso y un
reactor para la conversión pirolítica de un aceite de hidrocarburo
líquido. Se utiliza una tubería de reacción única dispuesta
horizontalmente (la publicación se refiere a "tubos", pero éstos
están conectados en una conexión de flujo en serie y, por lo tanto,
en realidad forman un solo tubo), lo que da como resultado tiempos
de residencia relativamente largos, que son comunes en el proceso
de craqueo térmico de aceites de hidrocarburo líquido para mejorar
la calidad de los carburantes para la automoción, tales como la
reducción de viscosidad (“visbreaking”). No se menciona la
utilización de la calefacción descrita para un proceso tal como de
craqueo en fase de vapor o para el craqueo de una alimentación de
vapor. Al contrario, se evitan el craqueo excesivo y la formación
excesiva de gas.
El documento US 2.324.553, publicado en 1943, muestra
otro calentador para la conversión pirolítica de hidrocarburos, en
el que la tubería de reacción está formada por "tubos" conectados
en serie, que se colocan horizontalmente en el calentador. En el
proceso descrito, el aceite se hace pasar a través del tubo a una
temperatura inferior a una temperatura activa de craqueo.
El documento US 6.488.839 B1 se refiere a un proceso de
craqueo en fase de vapor para una materia prima que contiene, como
mínimo, un 80% de hidrocarburos C2-C4 en un horno en el que las
tuberías tienen unas dimensiones específicas. No hay ninguna
mención de apantallamiento de la sección de salida respecto a la
sección de entrada de las tuberías.
El documento US 3.641.190 se refiere a un método para
la eliminación del coque de los tubos en un horno de craqueo. El
documento US 3.641.190 no dice nada sobre el apantallamiento de la
sección de salida de estos tubos durante el craqueo de una
alimentación que comprende un hidrocarburo y un gas diluyente.
El documento WO 97/28232 describe un horno de craqueo
para el craqueo térmico de una alimentación de hidrocarburo líquida
en una tubería espiral. Se dice que el horno tiene una sensibilidad
reducida para la formación de coque y un tiempo de residencia de
líquido aumentado. No se da a conocer la utilización de la
instalación para el craqueo en fase de vapor.
El documento US 2.089.292 se refiere a un aparato de
craqueo dual de dos etapas para aceites hidrocarbonados, que
comprende tubos catalíticos.
El craqueo en fase de vapor es una forma específica de
craqueo térmico de hidrocarburos en presencia de vapor de agua con
cinética de proceso y otras características de proceso específicas.
En la presente memoria descriptiva, la alimentación de hidrocarburo
se craquea térmicamente en fase de vapor en presencia de vapor de
agua. El craqueo se lleva a cabo con una intensidad mucho mayor que
la aplicada en el craqueo moderado de aceites de hidrocarburos
líquidos para mejorar la calidad del líquido. Los hornos de craqueo
de vapor comprenden, como mínimo, una cámara de combustión
(conocida también como una sección radiante), que comprende una
serie de quemadores para calentar el interior. Una serie de tubos
de reacción (conocidos como tubos de craqueo o serpentines de
craqueo) a través de los que puede pasar la alimentación, están
dispuestos a través de la cámara de combustión. El vapor que se
alimenta a los tubos se calienta a una temperatura tan elevada que
tiene lugar la rápida descomposición de las moléculas, lo que
produce las olefinas ligeras deseadas, tales como etileno y
propileno. Típicamente, la mezcla de alimentación de hidrocarburo y
vapor de agua entra en los tubos de reacción como un vapor a 600°C.
En los tubos, se calienta la mezcla habitualmente a unos 850°C por
el calor liberado por combustible que arde en los quemadores. Los
hidrocarburos reaccionan en los tubos de calefacción y se
convierten en un producto gaseoso, rico en olefinas primarias tales
como etileno y propileno.
En los hornos de craqueo, los tubos de reacción se
pueden organizar verticalmente en una o más pasadas. En la técnica,
también se utiliza el término serpentín de craqueo. Uno o más
serpentines de craqueo, que pueden ser idénticos o no idénticos,
pueden estar presentes para formar la sección de reactor radiante
total de una cámara de combustión. Convencionalmente, los tubos de
craqueo de etileno se disponen en la cámara de combustión en un
carril, en el que el carril se calienta a ambos lados por
quemadores.
Un carril de este tipo puede estar en una disposición
denominada en línea, por la que todos los tubos del reactor se
organizan, esencialmente, en el mismo plano vertical.
Alternativamente, los tubos en un carril de este tipo pueden estar
en una disposición denominada escalonada por la que los tubos están
dispuestos en dos planos esencialmente verticales paralelos por lo
que los tubos están colocados en un espaciado triangular entre sí.
Un triángulo de este tipo puede tener lados iguales (es decir,
espaciado triangular equilátero) o lados desiguales, lo que se
denomina espaciado extendido.
Ejemplos de dicha configuración de espaciado extendido
son espaciado triangular isósceles, espaciado triangular de ángulo
recto y cualquier otro espaciado triangular no equilátero. Un
ejemplo de un horno de este tipo con un espaciado extendido es GK6®
(véase la figura 1) que muestra un espaciado triangular isósceles
no equilátero en una disposición de serpentín de doble carril. En
el horno GK6, el conjunto de dos carriles se calienta a ambos lados
por quemadores -5-situados en la parte inferior y/o en las paredes
laterales. Las secciones de entrada (que se extienden desde las
entradas -4-) y salida (que se extienden desde las salidas -3-) se
calientan esencialmente igual por los quemadores -5-.
Se ha descubierto que esto conduce a condiciones de
craqueo menos óptimas. Se cree que esto es debido a una
distribución de calor no muy ventajosa. El proceso de craqueo es un
proceso endotérmico y requiere la introducción de calor en las
alimentaciones. Para el rendimiento (selectividad) del proceso de
craqueo es deseable aprovechar al máximo la introducción de calor a
la sección de entrada del serpentín de craqueo (tubo). Por tanto,
los presentes inventores han buscado una manera de alterar la
introducción de calor en los tubos de craqueo.
Además, se ha descubierto que la utilización de un
horno conocido para el craqueo (térmico) de un vapor de
hidrocarburos en presencia de vapor de agua, para formar de este
modo etileno, propileno y uno o más diferentes alquenos (también
llamados olefinas), conduce a condiciones menos favorables para la
estabilidad mecánica de la disposición de los serpentines de
craqueo.
Los presentes inventores se han dado cuenta que, debido
al hecho de que las secciones de entrada a un lado del carril
escalonado tienen diferentes condiciones de temperatura y
condiciones de distribución de calor que las secciones de salida al
otro lado del carril escalonado, existe condiciones diferentes de
estrés térmico y de fluencia térmica entre las secciones de entrada
y las secciones de salida. La fluencia (“creep”) es la expansión
irreversible que se produce cuando un metal se calienta. La
fluencia es el resultado de tensiones térmicas dentro del metal
debido al calentamiento. La tensión térmica (causada por la
expansión térmica) es el fenómeno reversible cuando se calienta
cualquier material. Ambos fenómenos deben ser tenidos en
consideración en el diseño del serpentín y provocan las
restricciones mencionadas anteriormente en el diseño mecánico del
serpentín de craqueo.
Por lo tanto, una disposición escalonada de serpentines
de este tipo se considera habitualmente menos adecuada en hornos de
craqueo en fase de vapor para convertir gases de hidrocarburos
ligeros, tales como etano. En el craqueo en fase de vapor de etano,
debido a la naturaleza rígida de los depósitos de carbono en el
interior del serpentín, un desequilibrio demasiado elevado en las
tensiones térmicas y fluencia térmica puede causar el plegado de
tubo o incluso la ruptura del serpentín. Sin embargo, incluso con
una disposición en línea aplicada convencionalmente en la técnica
de craqueo de etano, una disposición de este tipo requiere un
sistema de soporte curvado complicado en la parte de entrada,
salida y parte inferior, necesario para compensar el estrés térmico
y la fluencia térmica. Esto es también el caso del craqueo en fase
de vapor de hidrocarburos más pesados, en el que podría ser
adecuada una disposición escalonada suficientemente extendida con
un sistema de soporte curvado diseñado correctamente con parámetros
de ajuste variables. Sin embargo, se requiere la atención continua
del operador para ajustar la configuración del sistema de soporte
en caso de diferentes condiciones de funcionamiento y durante la
vida operativa del horno, dado que las dimensiones del serpentín y
la fuerza cambian como consecuencia de la fluencia a lo largo del
tiempo.
Se ha descubierto que la introducción de calor, en un
método para el craqueo (en fase de vapor) de un hidrocarburo puede
modificarse mediante el diseño de las secciones de entrada y de
salida de los serpentines de craqueo de una manera específica.
Además, se ha descubierto que se puede mejorar la
estabilidad térmica de los serpentines mediante el diseño del horno
craqueo, en particular de las secciones de entrada y de salida de
los serpentines de craqueo de la cámara de combustión del horno de
una manera específica.
Por consiguiente, la presente invención se refiere a un
método para el craqueo de una alimentación de hidrocarburo, que
comprende hacer pasar una alimentación que comprende un
hidrocarburo y un gas diluyente, en particular vapor de agua, a
través de, como mínimo, un serpentín de craqueo (en la solicitud de
prioridad referido también como tubo de craqueo) en una cámara de
combustión en condiciones de craqueo, en el que el serpentín
comprende, como mínimo, una sección de salida y, como mínimo, una
sección de entrada y en el que la sección de salida de cada
serpentín está mas apantallada térmicamente que la sección de
entrada de dicho serpentín, en el que la cámara de combustión
comprende, como mínimo, un carril de secciones de salida de los
serpentines, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada de
los serpentines y, como mínimo, dos carriles de quemadores, en el
que el, como mínimo, un carril de secciones de salida está situado
entre los, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada y los
carriles de secciones de entrada están situados entre los, como
mínimo, dos carriles de quemadores.
En el método de craqueo en fase de vapor según la
presente invención, la alimentación compuesta por vapor e
hidrocarburos se alimenta habitualmente al serpentín como vapor o
gas. Tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva, a
- menos
- que se especifique lo contrario, el término "vapor" y
- respectivamente
- "vaporoso", incluye "gas" y
- respectivamente
- "gaseoso".
Además, la presente invención se refiere a un nuevo
horno de craqueo, adecuado para el craqueo de hidrocarburos, en
particular en un método según la presente invención.
En consecuencia, la presente invención se refiere
además a un horno de craqueo en fase de vapor (para el craqueo en
fase de vapor de una alimentación de hidrocarburo), que comprende,
como mínimo, un cámara de combustión dotada de una pluralidad de
serpentines de craqueo, comprendiendo dichos serpentines, como
mínimo, una sección de entrada y, como mínimo, una sección de
salida, comprendiendo dicha cámara de combustión, como mínimo, un
carril de secciones de salida de serpentines de craqueo, como
mínimo, dos carriles de secciones de entrada de serpentines de
craqueo y, como mínimo, dos carriles de quemadores, en el que el,
como mínimo, un carril de secciones de salida se encuentra entre
los, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada y los
carriles de secciones de entrada se encuentran entre los, como
mínimo, dos carriles de quemadores.
Habitualmente, los carriles de quemadores están
esencialmente paralelos entre sí. Habitualmente, los quemadores
están montados en la parte inferior y/o en las paredes laterales
y/o en la parte superior de la cámara de combustión.
La figura 1 muestra esquemáticamente un horno
convencional de craqueo (GK6®).
La figura 2A muestra un perfil de flujo de calor típico
de un horno de GK6® y un perfil en circunstancias similares para un
horno según la presente invención (simulado por SPYRO®).
La figura 2B muestra la temperatura del proceso a lo
largo del serpentín de un horno de GK6® y un perfil bajo
circunstancias similares para un horno según la presente invención
(simulada por SPYRO®).
La figura 2C muestra la temperatura de la pared del
serpentín a lo largo de la longitud del serpentín.
La figura 3A muestra una intersección de la vista
superior de un horno de craqueo según la presente invención con una
disposición de tipo espina de pez.
La figura 3B muestra una intersección de la vista
frontal del horno de la figura 3A. La figura 4 muestra una
disposición alternativa del mismo tipo de serpentín y disposición
de los serpentines que en la figura 3, pero con un espaciado
triangular de ángulo recto entre las secciones de serpentín
individuales.
La figura 5A muestra la vista superior de un horno
según la presente invención, en el que los serpentines tienen un
diseño de serpentín divido de dos pasadas.
La figura 5B muestra una vista 3-D de un serpentín
único tal como el del horno de la figura 5A.
La figura 5C muestra una vista lateral del serpentín
único de la figura 5B.
La figura 5D muestra una vista frontal del serpentín de
la figura 5B.
La figura 6A muestra un horno con un serpentín de 4
pasadas.
La figura 6B muestra un serpentín tal como el del horno
de la figura 6A.
La figura 7 muestra un horno según la presente
invención, en el que las secciones de salida están en una
configuración escalonada.
La figura 8A muestra un horno según la presente
invención con un diseño de serpentín 4-1 altamente simétrico en
tres carriles en la intersección de la vista superior.
La figura 8B muestra otro horno con un diseño de
serpentín 4-1 simétrico (intersección de vista superior).
La figura 8C muestra una intersección de vista frontal
de un horno según la figura 8A y 8B.
De forma general, son conocidos los serpentines de
craqueo adecuados (también referidos como tubos de craqueo). Los
serpentines pueden estar formados por uno o más conductos
cilíndricos tubulares, preferentemente con un corte transversal
circular u oval. Los conductos pueden estar conectados mediante la
conexión de dispositivos tales como, sin que constituyan
limitación, tubos de conexión y codos para proporcionar un número
de pasadas, por ejemplo, tal como se muestra en la figura 3B y en
figura 6B. Un serpentín de craqueo puede estar formado por una
pluralidad de conductos tubulares unidos entre sí, por ejemplo, con
"forma de m" o "forma de w", en los que los tramos exteriores
representan secciones de entrada que se montan en una sección de
salida única, representada por el tramo central de la w/m. Ejemplos
particularmente adecuados, en los que los tubos se unen entre sí
para formar un serpentín craqueo se muestran en la figura 5D y en
la figura 8 (en forma de w). En la técnica, dichos serpentines de
craqueo son conocidos comúnmente como diseños de "serpentín
dividido" (“split coil”).
Habitualmente, los serpentines tienen cada uno, como
mínimo, una entrada y, como mínimo, una salida. La entrada del
serpentín es un conducto a través del cual, durante su utilización,
la alimentación entra en el serpentín de craqueo y con ello,
habitualmente, en la cámara de combustión; la salida es el conducto
a través del cual, durante su utilización, el producto deja el
serpentín de craqueo y con ello, habitualmente, la cámara de
combustión. La salida puede estar conectada con otros equipos de
procesamiento tales como, sin que constituyan limitación,
intercambiadores de calor y/o enfriadores de contacto directo.
La sección de entrada de un serpentín es la primera
parte (en la dirección longitudinal) del serpentín que está dentro
la cámara de combustión, que comienza en la entrada del serpentín
en la cámara de combustión. Puede extenderse hasta el principio de
la sección de salida. En particular, es la parte que está menos
apantallada térmicamente que la sección de salida. En una
realización preferente, la sección de entrada es la parte del
serpentín que apantalla térmicamente a la sección de salida del
serpentín, cuando el horno está en funcionamiento.
La sección de salida de un serpentín es la última parte
(en la dirección longitudinal) del serpentín que está dentro la
cámara de combustión, que termina en la salida del serpentín que
sale de la cámara de combustión. En particular, es la parte que
está más apantallada térmicamente que la sección de entrada. Puede
extenderse hasta el final de la sección de entrada o hasta una
sección intermedia que conecta la sección de entrada y la sección
de salida (tal como codos de retorno, tal como se describirá a
continuación).
Habitualmente, una pluralidad de tubos de craqueo está
conectada entre sí para formar una trayectoria de flujo paralelo
para la alimentación. De este modo, en contraste con un diseño en
el que los "tubos" están conectados en serie y en el que la
alimentación entra en un primer "tubo", se convierte parcialmente y
después entra en un "tubo" posterior, el presente diseño permite
que la composición de la corriente en la entrada de cada tubo sea
esencialmente la misma para cada tubo. Esto permite un periodo de
residencia corto y con ello una productividad elevada. Si se desea,
durante su utilización, se puede alimentar de este modo una
pluralidad de tubos de craqueo desde un único contenedor o conducto
que se divide en varias corrientes de alimentación, alimentando
cada uno la entrada de un tubo de craqueo y/o la corriente de
producto que abandona la pluralidad de tubos a través de la salida
puede combinarse de nuevo en un conducto único o un contenedor.
En la presente memoria descriptiva, el término que una
entidad (por ejemplo, una sección de serpentín) está "apantallada
térmicamente" se define como el impedimento de que el calor se
transfiera a la entidad. En particular, este término se utiliza en
la presente memoria descriptiva para indicar la medida en la que se
impide que el calor generado por los quemadores durante el
funcionamiento del horno de craqueo se transfiera a la entidad
apantallada. Con respecto a que las secciones de salida de los
serpentines están más apantalladas térmicamente que las secciones
de entrada de los serpentines, esto significa en particular que la
transferencia de calor en los serpentines de craqueo en la sección
de salida del serpentín se desplaza a favor de la transferencia de
calor en los serpentines de craqueo en la sección de entrada del
serpentín, durante el funcionamiento de los quemadores, en
comparación con una configuración de serpentín en la que no se
produce dicho apantallamiento o que se produce en menor cantidad.
En la presente memoria descriptiva, el término
esencialmente de forma vertical se utiliza para indicar que una
entidad (por ejemplo, un tubo de serpentín o parte del mismo, un
carril, una pared, etc.), como mínimo, durante su utilización está
en un ángulo de más de 45° con una superficie horizontal
(típicamente la parte inferior de la cámara de combustión), en
particular en un ángulo de más de 80°, preferentemente en un ángulo
de aproximadamente 90°.
En la presente memoria descriptiva, el término
esencialmente horizontal se utiliza para indicar que una entidad
(por ejemplo, un tubo de serpentín o parte del mismo, un carril,
una pared, etc.), como mínimo, durante su utilización, está en un
ángulo de menos de 45° con una superficie horizontal (típicamente
la parte inferior de la cámara de combustión), en particular en un
- ángulo
- de menos de 10°, preferentemente en un ángulo de
- aproximadamente 0°.
- En
- la presente memoria descriptiva, el término
esencialmente paralelo (utilizado en sentido geométrico) se utiliza
para indicar que una entidad (por ejemplo, un tubo o parte del
mismo, un carril, una pared, etc.), como mínimo, durante su
utilización, está en un ángulo de menos de 45° con otra entidad a
la que la entidad se dice que es esencialmente paralela, en
particular en un ángulo de menos de 10°, preferentemente en un
ángulo de aproximadamente 0°.
El término "aproximadamente" y similares, tal como se
utilizan en la presente memoria descriptiva, están definidos para
incluir una desviación de hasta un 10%, más particularmente de
hasta un 5%.
Un proceso según la presente invención y,
respectivamente, un horno según la presente invención pueden
ofrecer varias ventajas.
En particular, la sección de salida de un serpentín
está apantallada térmicamente de los quemadores por la sección de
entrada, lo que es beneficioso, por las razones que se explican con
detalle a continuación. Debido al aumento en la carga térmica de la
sección de entrada, que se produce a expensas de la carga térmica
de la sección de salida de un serpentín de craqueo, se necesita
menos tiempo de residencia para llegar a una cierta conversión de
la alimentación. Esto permitirá que el diseñador de horno aplique
un diseño de residencia en el serpentín más corto cuando construya
un horno en la aplicación de la presente invención. Debido al menor
tiempo de residencia, la cinética de la reacción favorece la
formación de los productos deseados, tales como etileno a expensas
de la formación de subproductos no deseados. Por consiguiente, son
necesarias menos cantidades de alimentación para producir una
cantidad determinada del producto deseado, por ejemplo de etileno.
El apantallamiento puede contribuir a una reducción en
la formación de coques en la sección de salida del serpentín, lo
que es un factor limitante en el tiempo de paso de corriente en el
horno.
Como consecuencia, el horno puede funcionar más tiempo
antes de que sea necesario detener la operación de craqueo del
horno para permitir la eliminación del coque del horno. De forma
alternativa, en lugar de extender la operación del horno, se puede
aumentar la capacidad del horno.
Los presentes inventores han descubierto que el
apantallamiento de las secciones de salida por las secciones de
entrada, opcionalmente en combinación con otros factores (tal como
se describe a continuación), contribuye a una mayor estabilidad
mecánica de los serpentines, también a temperatura elevada, en
particular cuando se utilizan en condiciones comunes para el
craqueo en fase de vapor, tales como la calefacción de los
serpentines a una temperatura, aproximadamente, de 850°C o más (es
decir, la temperatura en la superficie externa de la pared del
serpentín). La temperatura puede incluso aumentar hasta,
aproximadamente, 1100°C o más, en particular cuando el horno se
está acercando al final de las condiciones de funcionamiento y se
hace necesaria una operación de eliminación del coque del horno.
Habitualmente, una temperatura de los serpentines tan elevada está
relativamente cerca del punto de fusión del material del que están
hechos los serpentines (tales como material de níquel cromo de alta
aleación). En particular, en estas condiciones de elevada
temperatura la fluencia causada por el estrés térmico se convierte
en un factor importante, complicando el diseño de una disposición
de serpentines robusta en un horno de craqueo convencional. Los
cambios de temperatura en el metal, tan pequeños como 10°C, son ya
parámetros de diseño importantes a estas temperaturas tan elevadas.
Sin fundamentarse en ninguna teoría, se contempla que
dado que las secciones de entrada están cerca de los quemadores, se
aumenta la temperatura de la pared del serpentín en la sección de
entrada. Con una temperatura más elevada de la sección de entrada,
la fluencia así como la expansión térmica de la sección de entrada
aumenta y estará más cerca de la fluencia y la expansión térmica de
la sección de salida de los serpentines (en la que la temperatura
de la pared es habitualmente superior que en la sección de
entrada). Debido a la diferencia en la fluencia y/o la expansión
térmica entre las secciones de entrada y las secciones de salida se
reduce la deformación del serpentín radiante durante el
funcionamiento.
Preferentemente, dichos carriles de secciones de
entrada de los serpentines, secciones de salida de los serpentines
y quemadores se posicionan en la cámara de combustión
geométricamente esencialmente paralelos entre sí.
Preferentemente, las secciones de salida y las
secciones de entrada de los tubos se colocan geométricamente
esencialmente paralelas entre sí y se posicionan de forma
esencialmente vertical, como mínimo durante su utilización.
Se entenderá que en particular las secciones
intermedias, o parte de las mismas (tales como los codos de retorno
-8-, véase la figura 8C) de los serpentines que conectan la sección
o secciones de entrada y salida pueden colocarse esencialmente de
- forma no vertical.
- Preferentemente,
- los serpentines de craqueo están
- dispuestos
- en una configuración escalonada, en particular una
- configuración escalonada no extendida o extendida.
Habitualmente, los carriles de quemadores están
esencialmente paralelos entre sí. Los quemadores están montados
habitualmente en la parte inferior, paredes laterales o parte
superior de la cámara de combustión. De este modo, todos los
quemadores pueden colocarse bien en la parte inferior, las paredes
laterales o en la parte superior, o bien los quemadores pueden
estar presentes en la parte inferior y paredes laterales, en la
parte inferior y en la parte superior, paredes laterales y parte
superior o bien los quemadores podrán estar presentes en las
paredes laterales, en la parte inferior y en la parte superior.
En un horno preferente, como mínimo, varios quemadores
están posicionados en la parte inferior y/o en la parte superior.
Los serpentines de craqueo pueden disponerse
adecuadamente en una disposición escalonada o escalonada extendida
de modo que se obtiene un elevado grado de simetría en el diseño
del serpentín.
Además de mejorar el apantallamiento y/o mejorar la
estabilidad térmica, es posible tener más capacidad de craqueo por
volumen de cámara de combustión, debido a que está permitido
reducir el espacio entre los tubos y la configuración de tres o más
carriles. En particular, se prevé que puede obtenerse un aumento de
capacidad del 10 al 20% en el mismo volumen de cámara de combustión
en comparación con un horno de diseño convencional.
Además, se ha descubierto que un horno según la
presente invención muestra una buena estabilidad mecánica también
cuando está expuesto a variaciones de temperatura grandes. Como
resultado, son necesarios soportes de tubo mucho más simples y
menos sensibles al operador, para asegurar los tubos a una pared de
la cámara de combustión.
En particular, un horno en el que las secciones de
entrada están esencialmente de forma simétrica respecto a las
correspondientes secciones de salida, podrá dotarse de serpentines
de craqueo que no necesitan ser soportados con guías en la parte
inferior (cuando las entradas/salidas están en la parte superior de
la cámara de combustión o cerca de la misma) y respectivamente en
la parte superior (cuando las entradas/salidas están en la parte
inferior de la cámara de combustión o cerca de la misma). De este
- modo,
- muy convenientemente los serpentines en la cámara de
- combustión
- pueden estar respectivamente con sust entación o
- colocación libre (“free-hanging” o “free-standing”).
Para buena simetría mecánica (y con ello mayor
estabilidad térmica), la cámara de combustión comprende
preferentemente serpentines craqueo que son de los denominados
serpentines divididos, es decir, serpentines de craqueo que
comprenden varias secciones de entrada por sección de salida, en
los que las secciones de entrada se posicionan (aproximadamente)
simétricamente respecto a las secciones de salida.
Estos serpentines divididos se seleccionan
preferentemente de serpentines que comprenden un número par de
secciones por sección de salida, en la que una parte
(preferentemente la mitad) de las secciones de salida forman el
primer carril de secciones de salida y otra parte (preferentemente
la otra mitad) de las secciones de salida forman el segundo carril
de secciones de salida, estando los carriles en lados opuestos del
carril de secciones de entrada.
Ejemplos preferentes de serpentines divididos son
serpentines de craqueo que comprenden 2 secciones de entrada y 1
sección de salida (disposición de 2-1, (tal como el serpentín con
forma más o menos de m o de w) y serpentines de craqueo que
comprenden 4 secciones de entrada y 1 sección de salida
(disposición de 4-1).
En el diseño de serpentín dividido que se aplica en la
presente invención, se reduce la flexión de los serpentines,
provocada por la diferencia en la expansión y la fluencia entre las
secciones de entrada y las secciones de salida, en parte debido al
efecto de apantallamiento tal como se ha descrito anteriormente, en
parte debido a la rigidez del diseño mecánico que es causada por el
serpentín, en el que para cada serpentín individual los extremos de
entrada se encuentran en los dos carriles exteriores y la sección
de salida de este serpentín está localizada en el carril interior
lo que da como resultado un diseño de serpentín altamente
simétrico. Por lo tanto, un sistema de este tipo puede funcionar
muy bien sin un sistema de guías para los serpentines de craqueo,
que típicamente se utiliza en la técnica para guiar el serpentín de
craqueo hacia la parte inferior (en el caso de que la
entrada/salida están en la parte superior o cerca de la misma) o la
parte superior (en el caso de que la entrada/salida están en la
parte inferior o cerca de la misma).
El serpentín dividido está diseñado preferentemente de
modo que, como mínimo, se le dota de dos secciones de entrada de
forma esencialmente uniforme en lados opuestos de cada sección de
la salida, con lo que se lleva a cabo un diseño de serpentín
esencialmente simétrico (tal como se muestra en cualquiera de las
figuras 8A y 8B, que se describirán a continuación en detalle)
La presente invención es muy adecuada para su
utilización en el craqueo de una alimentación de hidrocarburo en
presencia de vapor de agua, es decir, craqueo en fase de vapor.
Se puede llevar a cabo muy adecuadamente un método
según la presente invención, mediante la mezcla de la alimentación
de hidrocarburos con vapor de agua y la conducción de éstos a
través de los tubos en el horno mencionado anteriormente.
Se ha descubierto que según la presente invención, se
pueden craquear alimentaciones de hidrocarburos muy bien, si se
desea a una densidad de calor mayor, que en un horno conocido. En
particular, la presente invención se utiliza muy ventajosamente en
la producción de etileno, propileno, butadieno y/o sustancias
aromáticas como posibles coproductos.
La alimentación de hidrocarburos que va a ser craqueada
puede ser cualquier alimentación de hidrocarburos gaseosos,
vaporosos o líquidos, o una combinación de los mismos. Entre los
ejemplos de alimentaciones adecuadas se incluyen etano, propano,
butanos, naftas, querosenos, gasoils atmosféricos, gasoils al
vacío, destilados pesados, gasoils hidrogenados, condensados de gas
y las mezclas de cualquiera de los mismos. La presente invención es
especialmente adecuada para craquear un gas seleccionado de etano,
propano y mezclas de hidrocarburos gaseosos. La presente invención
es muy adecuada además para craquear alimentaciones más pesadas
vaporizadas, tales como LPG, nafta y gasoil.
Además, se ha descubierto que un horno puede funcionar
según la presente invención a una densidad de calor mucho mayor en
relación a un horno de craqueo en fase de vapor conocido en la
técnica. Esto es particularmente ventajoso para los costes de
capital utilizados, dado que para la misma capacidad, pueden
reducirse las dimensiones de la cámara de combustión o como
alternativa para las mismas dimensiones, puede ser obtenida una
producción de etileno mucho mayor (u otro producto), reduciendo de
este modo el número de hornos necesario para alimentar una planta
de vapor de craqueo en fase de vapor de escala mundial. Por
ejemplo, se prevé que en una planta de craqueo en fase de vapor de
escala mundial basada en materia prima de nafta, con una capacidad
anual de etileno de 1,4 millones de toneladas, el número de hornos
utilizando la técnica convencional (tales como GK6) sería, como
mínimo, 9 (8 en funcionamiento, 1 en reposo). Se prevé que 7 hornos
según la presente invención sean suficientes para la misma
capacidad anual de etileno (6 en funcionamiento, 1 en reposo). Se
ha descubierto que un horno según la presente invención puede
funcionar con una diferencia de temperatura relativamente baja a lo
largo de la sección de salida y, por lo tanto, tiene un grado de
isotermicidad relativamente elevado. En un proceso convencional en
un horno convencional, típicamente, el aumento de temperatura del
gas a lo largo del último tubo de la sección de salida del
serpentín en un proceso de craqueo es de 60-90°C, aproximadamente,
mientras que en un proceso similar llevado a cabo en un horno según
la presente invención el aumento de la temperatura es habitualmente
menor, típicamente 50-80°C, aproximadamente. De este modo, la
presente invención permite una reducción de 10°C, aproximadamente,
en el aumento de la temperatura, lo que es energéticamente
ventajoso.
De este modo, la temperatura de proceso promedio puede
ser relativamente elevada, permitiendo un tiempo de residencia
relativamente corto, para producir una conversión de la
alimentación específica, en comparación con un horno comparable sin
sección de salida apantallada. Por ejemplo, el tiempo de residencia
para un horno de GK6® es típicamente 0,20-0,25 s, mientras que en
un proceso comparable utilizado en un horno según la presente
invención el tiempo de residencia podrá reducirse a 0,17-0,22 s,
aproximadamente. De este modo, la presente invención permite una
reducción en el tiempo de residencia para lograr una conversión
determinada del 15%, aproximadamente, en comparación con un horno
de GK6®.
Se ha descubierto además que en un horno según la
presente invención, respectivamente con un método según la presente
invención, es factible una selectividad de reacción muy buena,
mostrando una tendencia relativamente baja a formar subproductos
indeseados.
Se muestra en la figura 2A un perfil de flujo de calor
típico de un horno de GK6® y un perfil en circunstancias similares
para un horno según la presente invención (simulados por PYRO®, una
herramienta de simulación que se utiliza mucho en la industria de
etileno para simular hornos de craqueo). Según la presente
invención, se ha calculado que el aumento de capacidad del
serpentín en este ejemplo (comparado con GK6®) es aproximadamente
del 10-15% en productividad, 40% en periodo de funcionamiento y
1-3% en la selectividad de olefinas cuando se craquea nafta de
amplia gama a la misma intensidad o conversión de craqueo.
Además, se ha descubierto que un horno según la
presente invención puede funcionar con una baja tendencia de
formación de coque dentro del serpentín de craqueo, en comparación
con algunos hornos conocidos, especialmente en el extremo de salida
del serpentín de craqueo. Por lo tanto, la presente invención
permite una elevada disponibilidad del horno, dado que pueden
aumentarse los intervalos entre las sucesivas sesiones de
mantenimiento para eliminar el coque.
En un horno según la presente invención, las secciones
de salida de los serpentines se posicionan ventajosamente en la
cámara de combustión en, como mínimo, un carril, y este, como
mínimo, un carril está entre un primer carril de quemadores y un
segundo carril de quemadores. Por razones prácticas,
preferentemente los carriles son esencialmente paralelos.
Tal como se ha indicado anteriormente, es muy adecuado
un horno en el que las secciones de entrada de los serpentines
actúan como apantallamiento térmico o estabilizador mecánico para
las secciones de salida, tal como en un horno de craqueo en el que
las secciones de entrada se posicionan entre las secciones de
salida y los quemadores. Se ha descubierto que esta configuración
es muy eficiente, con respecto a la distribución de calor, la
simetría y/o en la consecución de un perfil térmico deseable a lo
largo de la longitud de los serpentines.
Por consiguiente, la presente invención se refiere a un
horno de craqueo que comprende una cámara de combustión, en la que
están presentes, como mínimo, un carril de secciones de salida de
los serpentines, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada
de serpentines y, como mínimo, dos carriles de quemadores, cámara
de combustión en la que el, como mínimo, un carril de secciones de
salida (S) se encuentra entre los, como mínimo, dos carriles de
secciones de entrada (E) y los carriles de secciones de entrada se
encuentran (secciones de entrada que actúan como un apantallamiento
térmico durante el craqueo) entre el carril de, como mínimo, una
sección de salida y los, como mínimo, dos carriles de quemadores
(Q). De este modo, viéndose desde la parte superior o inferior de
la cámara de combustión, esta configuración puede representarse
como una configuración de Q-E-S-E-Q.
En las figuras 3, 4, 5, 6, 7 y 8 se muestran ejemplos
de realizaciones muy adecuadas. Todos estos ejemplos muestran una
configuración con la entrada y salida de los serpentines en la
parte superior del horno o cerca de la misma y los quemadores
dispuestos de forma opuesta a los extremos de entrada/salida de los
tubos, en la parte inferior y las paredes laterales. Cabe señalar
que también es posible hacer funcionar un horno que está rotado en
relación a la configuración que se muestra, en particular un horno
en el que los extremos de entrada/salida de los tubos están en la
parte inferior del horno o cerca de la misma. En este caso, los
quemadores de la parte inferior se sustituyen preferentemente por
quemadores situados en la parte superior o cerca de la misma.
De forma ventajosa, la disposición de las secciones de
salida y secciones de entrada puede configurarse en una disposición
similar a espina de pez. Con una realización de este tipo, se ha
descubierto que es posible un apantallamiento y simetría mecánica
muy eficaces.
La figura 3 muestra un horno craqueo con una
configuración de tipo espina de pez. En esta figura, cada serpentín
de craqueo comprende una entrada (-4-, figura 3A) y una salida
(-3-, figura 3A). Los serpentines de craqueo se configuran
esencialmente de forma vertical en un conjunto de tres carriles.
Las secciones de entrada/salida individuales están dispuestas en un
espaciado triangular isósceles mutuamente cara a cara.
Alternativamente, las secciones entrada/salida individuales pueden
estar dispuestas en un espaciado triangular equilátero, o
alternativamente en un espaciado triangular de ángulo recto (figura
4) o de forma alternativa, en cualquier forma de espaciado
triangular escaleno o no escaleno. En la figura 3, se muestran los
quemadores -5-en la parte inferior (quemadores de la parte
inferior -5a-) y las paredes laterales (quemadores de pared lateral
-5b-), aunque los quemadores podrán colocarse sólo en la parte
inferior -12-o sólo en las paredes laterales -9-. En general, si
los quemadores laterales están presentes en un horno de la presente
invención, estos se colocan preferentemente en la mitad superior de
las paredes laterales en el caso de que la entrada y salida están
en la parte superior o cerca de la misma y en posiciones en la
mitad inferior de las paredes laterales en el caso de que la
entrada y la salida se encuentran en la parte inferior o cerca de
la misma.
En la figura 3 (en la que la figura 3A muestra una
intersección de la vista superior y la figura 3B una intersección
de la vista frontal), el serpentín de craqueo -2-tiene su entrada
-4-y salida -3-en la parte superior -11-de la cámara de
combustión -1-o cerca de la misma. Las secciones de entrada del
serpentín (-6-, figura 3B) empiezan típicamente en la entrada y se
extienden, en la presente realización, hasta la parte del serpentín
en la que la sección de entrada está conectada a un codo de retorno
(-8-, figura 3B) fuera del plano formado por las secciones de
entrada, lejos de los quemadores hacia la línea de centro del
horno. Las secciones de salida (-7-, figura 3B) empiezan
típicamente al final del codo de retorno (-8-, figura 3B). En
principio, la sección de salida se puede extender hasta la posición
en la que termina la sección de entrada. Más particularmente, se
considera sección de salida a la parte del serpentín entre la
salida y la parte del serpentín en el que el serpentín se dobla
fuera del plano formado por el extremo de la salida del serpentín.
Se obtiene una mejor estabilidad mecánica debido al
hecho de que en una disposición de carriles paralelos
(geométricamente) de tres o más carriles formada por las secciones
del serpentín de craqueo, las secciones de entrada y salida son más
isotérmicas que con una disposición de uno o dos carriles.
La figura 4 muestra una configuración alternativa del
mismo tipo de serpentín y ensamblaje de serpentín que en la figura
3, pero con un espaciado triangular de ángulo recto entre las
secciones individuales del serpentín. La principal diferencia con
la figura 3 es la disposición de los serpentines, estando ahora
cada serpentín esencialmente perpendicular a las líneas con los
quemadores.
La figura 5 muestra otro diseño muy ventajoso, siendo
la principal diferencia en comparación con las figuras 3 y 4 el
diseño de los serpentines, que ahora es un serpentín dividido de
dos pasadas. Los serpentines tienen dos entradas -4-(flujo
dividido) y una salida -3-. La figura 5A muestra una vista superior
de este horno. Figura 5B muestra una vista 3D de un serpentín único
en un horno de este tipo. Las figuras 5C y 5D muestran
respectivamente una vista lateral y una vista frontal de un
serpentín único. En la vista frontal (figura 5D), la apariencia del
tubo (serpentín) es más o menos de tipo m o w. En el caso de una
forma de tipo m, los quemadores se colocan preferentemente en los
lados (en la mitad inferior de éstos) y/o en la parte superior, en
lugar de en la parte inferior.
La figura 6 muestra un horno con un serpentín de 4
pasadas. En éste, se obtiene la mejor estabilidad térmica por un
mayor nivel de isotermicidad y el apantallamiento se lleva a cabo
particularmente por la parte del serpentín de –a-a –d-y la
sección apantallada comprende particularmente la parte del
serpentín de –d-a –g-. Se ha descubierto que un horno con un
serpentín de 4 pasadas, por ejemplo, tal como el que se muestra en
la figura 6, es especialmente adecuado para el craqueo de una
materia prima que requiera un tiempo de residencia relativamente
largo para conseguir una conversión determinada, por ejemplo, para
el craqueo de etano.
Se muestran en la figura 8 dos ejemplos de un diseño de
serpentín 4-1 altamente simétrico en una disposición de tres
carriles aplicando la presente invención (en la que las figuras 8A
y 8B muestran una intersección de la vista superior de dos
realizaciones y figura 8C muestra una intersección de la vista
frontal, que es aplicable a ambas realizaciones de la figura 8A y
la figura 8B). En la figura 8A, las secciones individuales de los
serpentines se colocan en un triángulo isósceles mutuamente cara a
cara mediante la cual las secciones de entrada están posicionadas
no sólo simétricas respecto a la sección de salida sino también
respecto a la línea central (a lo largo del carril de las secciones
de salida). La figura 8B da la misma disposición de serpentín de
4-1, pero con un espaciado triangular escaleno entre los tubos
individuales.
En la figura 8, los serpentines de craqueo -2-tienen
cuatro entradas -4-y una salida -3-(en la parte superior -11-de
la cámara de combustión -1-o cerca de la misma). Las secciones de
entrada de cada serpentín empiezan típicamente en la entrada y se
extienden, en esta realización, hasta la parte del serpentín en el
que el serpentín está conectado a un codo de retorno que se plega
fuera del plano formado por los tubos de entrada, lejos de los
quemadores hacia la línea central del horno.
Las secciones de salida (-7-, véase la figura 8C)
empiezan típicamente al final del codo de retorno -8-.
En principio, la sección de salida se puede extender
hasta la posición en la que termina la sección de entrada. Más
particularmente, se considera que la sección de salida es la parte
del serpentín entre la salida del serpentín y el final del codo de
retorno.
Entonces, el tramo entre la sección de salida y la
sección de entrada se conoce como el codo de retorno -8-.
En la figura 8C la sección de entrada -6-se sitúa
entre los quemadores -5-y las secciones de entrada -7-, para
apantallar térmicamente de forma parcial las secciones de salida
-7-.
Se ha descubierto que una distribución (principalmente)
simétrica de las secciones de entrada en lados opuestos de las
secciones de salida es beneficiosa con respecto a la resistencia
contra la deformación perjudicial de los tubos, como resultado del
estrés térmico y puede extender el tiempo de vida de los
serpentines.
Como resultado, los serpentines de craqueo pueden estar
presentes en la cámara de combustión sin estar soportados (guiados)
hacia la parte inferior (en el caso de que la entrada y la salida
no están dispuestas en la parte inferior, sino que dejan la cámara
de combustión a través de la parte superior o cerca de la parte
superior), o respectivamente hacia la parte superior (en el caso de
que la entrada y la salida están presentes en la parte inferior o
cerca de la parte inferior). De este modo, los serpentines pueden
colgar libremente o respectivamente situarse libremente en la
cámara de combustión, sin estar sujetos a una guía inferior o
respectivamente a una guía superior.
El técnico en la materia sabrá cómo construir un
aparato con dimensiones adecuadas, en base a las enseñanzas de la
presente memoria descriptiva y a los conocimientos generales
comunes.
En principio, el diseño de un aparato de la presente
invención puede basarse en criterios utilizados comúnmente para
diseñar un horno de craqueo, los ejemplos de estos criterios son
distancias entre serpentines, entre quemadores y entre quemadores y
serpentines, serpentines de entradas/salida, salidas para gases de
combustión, diseño de la cámara de combustión, quemadores y otras
partes.
Los quemadores que queman combustible gaseoso son
especialmente adecuados.
Los quemadores pueden colocarse en cualquier lugar
dentro de la cámara de combustión, a lo largo de la parte inferior
y/o de las paredes laterales.
Se han logrado muy buenos resultados con un horno de
craqueo en el que los quemadores se colocan en la parte inferior de
la cámara de combustión y la sección o secciones de salida del
serpentín se extienden a lo largo de la parte superior de la cámara
de combustión o, como mínimo, a través de una pared lateral, cerca
de la parte superior. Opcionalmente, están presentes quemadores
adicionales en las paredes laterales, preferentemente, como mínimo,
en la mitad superior.
Además, se han descubierto que es ventajoso que los
quemadores estén presentes (radialmente) frente a cada lado de los
dos carriles exteriores que contienen las secciones de la salida de
los serpentines presentes en la cámara de combustión.
Esto conduce a una distribución de temperatura más
isotérmica a lo largo de la longitud de cada serpentín.
Para un patrón simétrico de combustión en la anchura de
la cámara de combustión, en un horno según la presente invención,
es aún más preferente que cada carril opuesto de quemadores durante
el craqueo genere aproximadamente la misma cantidad de calor.
Análogamente, en un método según la presente invención es
preferente que durante el craqueo, cada carril opuesto o conjunto
de carriles opuestos de quemadores tengan características de diseño
mecánicas y de proceso iguales o similares.
Como serpentines de craqueo (tubos de craqueo), pueden
utilizarse los conocidos en la técnica. Por ejemplo, un diámetro
interior adecuado se elige dentro del intervalo de 25-120 mm,
dependiendo de la calidad de la materia prima y el número de
pasadas por serpentín. Los serpentines de craqueo se disponen
preferentemente de forma esencialmente vertical en la cámara de
combustión (es decir, los serpentines se disponen preferentemente
de modo que un plano a lo largo de los tubos es esencialmente
perpendicular a la parte inferior de la cámara de combustión). Se
pueden proporcionar serpentines con características tales como, sin
que constituyan limitación, superficie interna extendida, que
mejora el coeficiente de transferencia de calor interna. Ejemplos
de estas características son conocidos en la técnica y están
disponibles comercialmente.
Las entradas para la alimentación en los serpentines
comprenden preferentemente un cabezal de distribución y/o un
dispositivo venturi de flujo crítico. Ejemplos adecuados de los
mismos y formas adecuadas para utilizarlos son conocidos en la
técnica.
Las secciones de salida se pueden organizar
adecuadamente en una configuración en línea (véase, por ejemplo,
las figuras 3, 4, 5 y 6), en la que las salidas están a lo largo de
una sola línea a lo largo de la cámara (típicamente en la línea
central de la cámara o paralelas a las misma) o en una
configuración escalonada (por ejemplo, la figura 7). La
configuración escalonada puede ser una configuración completamente
escalonada (es decir, en la que se disponen las tres secciones de
salida consecutivas en un patrón triangular con lados iguales
(longitud de a, b y c idéntica; véase, por ejemplo, la figura 7),
conocida también como espaciado triangular equilátero o en una
configuración escalonada extendida (es decir, en la que se disponen
las secciones de salida en un espaciado triangular isósceles
formado por los lados a, b y c (tal como se indica en la figura 7)
en la que el lado c es diferente a los lados a y b y en la que los
lados a y b son iguales, o en un patrón triangular escaleno formado
por lados a, b, c (tal como indica en la figura 7) en el que cada
uno de los lados a, b, c (tal como los indicados en la figura 7)
del triángulo extendido difieren en la longitud de los otros lados.
Se ha descubierto que una configuración en línea es muy
adecuada para un apantallamiento muy eficaz de las secciones de
salida.
En un horno de craqueo según la presente invención, se
selecciona preferentemente la proporción espaciado/diámetro
exterior en el intervalo de 1,5 a 10, más preferentemente en el
intervalo de 2 a 6. En este contexto, el espaciado es la distancia
entre las líneas centrales de dos tubos adyacentes en el mismo
plano ("c" en la figura 7).
Habitualmente, un proceso de craqueo según la presente
invención se lleva a cabo en la ausencia de catalizadores. En
consecuencia, los tubos de craqueo en un horno según la presente
invención están en general libres de material catalítico (tal como
un lecho catalítico).
En general, la presión de funcionamiento en el
serpentín de craqueo es relativamente baja, en particular menos de
10 bar, preferentemente menos de 3 bar. La presión a la salida está
preferentemente en el intervalo de 1,1-3 bar, más preferentemente
en el intervalo de 1,5-2,5 bar. La presión en la entrada es
superior a la de la salida y está determinada por la diferencia de
presión. La diferencia de presión entre la entrada y la salida del
o de los tubos de craqueo es de 0,1 a 5 bar, preferentemente de 0,5
a 1,5 bar.
Habitualmente, la alimentación de hidrocarburo se
mezcla con vapor de agua. La proporción en peso de alimentación de
hidrocarburo a peso de vapor de agua podrá elegirse dentro de
límites amplios, dependiendo de la alimentación utilizada. En la
práctica, la proporción es habitualmente como mínimo de 0,2,
aproximadamente, en particular entre aproximadamente 0,2 y
aproximadamente 1,5. Para el craqueo de etano es preferente un
valor menor de, aproximadamente, 0,5 (en particular de,
aproximadamente, 0,4). Para alimentaciones de hidrocarburos más
pesados, se utiliza típicamente una proporción más elevada. Son en
particular preferentes: una proporción de aproximadamente, 0,6 para
naftas, una proporción de, aproximadamente, 0,8 para AGO (gasoil
atmosférico) y para HVGO (gasoil al vacío con hidrógeno) y una
proporción de, aproximadamente, 1 para VGO (gasoil al vacío).
La alimentación de hidrocarburo, típicamente mezclado
con vapor de agua de dilución, se alimenta preferentemente al o a
los serpentines, después de ser calentada a una temperatura mayor
de 500°C, más preferentemente a una temperatura de 580-700°C, aún
más preferentemente una temperatura en el intervalo de 590-680°C.
En el caso de que se utilice un suministro líquido (o al menos
- parcialmente),
- este precalentamiento habitualmente produce la
- vaporización de la fase líquida.
- En
- el serpentín o los serpentines de craqueo, la
alimentación se calienta preferentemente de modo que la temperatura
en la salida es de hasta 950°C, más preferentemente a una
temperatura de salida en el intervalo de 800-900°C. En los tubos de
craqueo los hidrocarburos se craquean para producir un gas que se
enriquece en compuestos insaturados, tales como etileno, propileno,
otros compuestos parafínicos y/o compuestos aromáticos. El producto
craqueado deja la cámara de combustión a través de las salidas y, a
continuación, se dirige hacia el o los intercambiadores de calor,
en los que se enfría, por ejemplo, a una temperatura de menos de
600°C, típicamente en el intervalo de 450-550°C. Como un
subproducto de la refrigeración puede generarse vapor de agua en
circulación natural con un depósito de vapor.
Ejemplos
Un proceso de craqueo fue simulado para un horno según
la presente invención y un horno de GK6 utilizando SPYRO® (véase la
tabla 1 para las condiciones). Las figuras 2A-2C muestran los
perfiles de flujo de calor, la temperatura del proceso a lo largo
del serpentín y de la pared del tubo a lo largo del serpentín.
La aplicación de la presente invención en la que las
dimensiones del serpentín del horno según la presente invención son
las mismas que las del horno GK6 y, de este modo, todos los
parámetros de proceso, tales como el caudal, intensidad de craqueo,
etc. se mantienen igual, el periodo de operación (máximo tiempo de
operación sin necesidad de apagar la instalación para
mantenimiento) se amplía de 60 a 80 días. Los resultados se tabulan
en la columna "Igualdad". Al mantener las mismas dimensiones de
serpentín y aplicar la presente invención por la que todos
parámetros de proceso se mantienen igual excepto capacidad, y por
la cual se aumenta la capacidad para mantener el mismo periodo de
operación que con el GK6, da como resultado un aumento de la
capacidad de 40·103 a 45·103 Kg (de 40 a 45 toneladas métricas), de
este modo una producción del 12,5% más de etileno que con GK6. Los
resultados se tabulan en la columna "Capacidad". La aplicación de
la presente invención a un horno que contiene serpentines que están
diseñados para procesar la misma cantidad de alimentación, operando
a la misma intensidad y diseñándose para tener el mismo periodo de
operación en esta operación, todos en comparación con el GK6, da
como resultado un aumento de rendimiento de etileno del 27,7 al
28,1% en peso sobre la alimentación de hidrocarburo, ahorrando de
este modo un 1,4% de materia prima para la misma cantidad de los
principales productos etileno y propileno.
Tabla 1
- Invención
- GK-6
- Igualdad Capacidad Selectividad
- Caudal total
- t/h 40 40 45 40
- Tª de pared final de operación
- °C 1100 1100 1100 1100
- Final de operación
- días 60 80 60 60
- Rendimiento de CH4
- % en peso seco 15,7 15,7 15,7 15,6
- Rendimiento de C2H4
- % en peso seco 27,7 27,7 27,7 28,1
- Rendimiento de C3H6
- % en peso seco 14,1 14,1 14,1 14,3
- Periodo de operación relativo
- % 100% +13% 100% 100%
- Capacidad relativa
- % 100% 100% +13% 100%
- Selectividad relativa
- % 100% 100% 100% +1,40%
Claims (17)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Método para el craqueo de una alimentación de hidrocarburo, que comprende hacer pasar la alimentación, que comprende un hidrocarburo y un gas diluyente, en particular vapor de agua, a través de un serpentín de craqueo en una cámara de combustión en condiciones de craqueo, en el que el serpentín comprende, como mínimo, una sección de salida y, como mínimo, una sección de entrada y en el que la sección de salida de dicho serpentín está mas apantallada térmicamente que la sección de entrada de dicho serpentín, en el que la cámara de combustión comprende, como mínimo, un carril de secciones de salida de los serpentines, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada de los serpentines y, como mínimo, dos carriles de quemadores, en el que el, como mínimo, un carril de secciones de salida está situado entre los, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada y los carriles de secciones de entrada están situados entre los, como mínimo, dos carriles de quemadores.
-
- 2.
- Método, según la reivindicación 1, en el que los serpentines se disponen verticales y paralelos entre sí.
-
- 3.
- Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la alimentación se hace pasar a través de los serpentines en un flujo paralelo a, como mínimo, una parte de los serpentines.
-
- 4.
- Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la alimentación de hidrocarburo, que incluye el gas diluyente (vapor de agua) se calienta a una temperatura por encima de la temperatura de vaporización antes de entrar en el serpentín de craqueo o en el serpentín de craqueo.
-
- 5.
- Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la alimentación comprende un hidrocarburo seleccionado del grupo que comprende etano, propano, butanos, naftas, querosenos, gasoils atmosféricos, gasoils al vacío, destilados pesados, gasoils hidrogenados, condensados de gas y mezclas de los mismos.
-
- 6.
- Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se forma, como mínimo, un producto que se selecciona del grupo que comprende etileno, propileno y butadieno.
-
- 7.
- Horno de craqueo para el craqueo en fase de vapor de una alimentación de hidrocarburo, que comprende una cámara de combustión provista con una pluralidad de serpentines de craqueo,
comprendiendo dicha cámara de combustión un carril de secciones de salida de serpentines, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada de serpentines y, como mínimo, dos carriles de quemadores, en el que el, como mínimo, un carril de secciones de salida se encuentra entre los, como mínimo, dos carriles de secciones de entrada y los carriles de secciones de entrada se encuentran entre los, como mínimo, dos carriles de quemadores. -
- 8.
- Horno de craqueo, según la reivindicación 7, en el que los carriles son paralelos entre sí.
-
- 9.
- Horno de craqueo, según la reivindicación 7 u 8, en el que las secciones de salida y las secciones de entrada se colocan verticalmente, como mínimo, durante su utilización.
-
- 10.
- Horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7-9, en el que las secciones de entrada y respectivamente las secciones de salida en un carril están dispuestas en una configuración en línea o escalonada cara a cara entre sí y en una configuración escalonada con respecto a las secciones de salida y respectivamente a las secciones de entrada presentes en el carril o carriles paralelos adyacentes de secciones de salida y respectivamente de secciones de entrada.
-
- 11.
- Horno de craqueo, según la reivindicación 10, en el que la disposición de las secciones es un espaciado triangular equilátero, un espaciado triangular isósceles, un espaciado triangular de ángulo recto o un espaciado triangular escaleno.
-
- 12.
- Horno de craqueo según la reivindicación 11, en el que los tubos no están guiados hacia la parte inferior.
-
- 13.
- Horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, en el que el, como mínimo, varios de los quemadores están ubicados en la parte inferior y/o la parte superior de la cámara de combustión y/o en las paredes laterales de la cámara de combustión y en el que las salidas de los serpentines se extienden a lo largo de la parte superior de la cámara de combustión.
-
- 14.
- Horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7-13 en el que, como mínimo, parte de los serpentines de craqueo están dispuestos en una configuración que permite el flujo paralelo de la alimentación a través de cada uno de los serpentines, durante su utilización.
-
- 15.
- Horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7-14, en el que los serpentines se seleccionan de
-serpentines que comprenden dos secciones de entrada dispuestas para permitir el flujo paralelo durante su utilización y una sección de salida en una comunicación fluida con las secciones de entrada; y -serpentines que comprenden cuatro secciones de entrada dispuestas para permitir el flujo paralelo durante su utilización y una sección de salida en una comunicación fluida con las secciones de entrada. -
- 16.
- Horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7-15, en el que las secciones de salida están dispuestas en una configuración en línea o en una configuración escalonada, y en el que el espaciado/diámetro exterior se selecciona en el intervalo de 1,5 a 10, preferentemente en el intervalo de 2 a 6.
-
- 17.
- Utilización de un horno de craqueo, según cualquiera de las reivindicaciones 7-16, para el craqueo de un hidrocarburo.
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