專利名稱：反向射流混合加熱裂解裝置及生產(chǎn)乙烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將原料裂解制造乙烯的設(shè)備和利用該設(shè)備生產(chǎn)乙烯的方法。
目前，全世界乙烯產(chǎn)量中的99％均由管式裂解爐產(chǎn)出，原料升溫和裂解所需熱量是從管外燃?xì)馔ㄟ^管壁傳遞給管內(nèi)流動的原料。受管壁材料耐高溫性能的限定，原料裂解溫度還不夠高；受管壁傳熱強度所限，升溫過程緩慢，停留時間太長。實際產(chǎn)品產(chǎn)率較理想條件下能達(dá)到的產(chǎn)率差距還相當(dāng)大。從六十年代起，采用減小爐管直徑和縮短爐管長度，增加傳熱強度并降低停留時間，使乙烯產(chǎn)率逐步提高。八十年代設(shè)計的“毫秒裂解爐”其爐管內(nèi)徑已從開始時的254mm降低至25.4mm，停留時間從秒量級降至數(shù)十毫秒。當(dāng)采用乙烷作原料時，乙烯產(chǎn)率較常規(guī)管式爐提高5-10％；而采用重原料時，乙烯產(chǎn)率甚至可提高20-30％。如能進(jìn)一步縮短停留時間，提高裂解溫度，乙烯產(chǎn)率還可提高。然而，由于爐管內(nèi)截面積小，單管產(chǎn)量低，為了達(dá)到大的產(chǎn)量，爐管組數(shù)和根數(shù)很多，難以使原料均勻分配。還由于爐管直徑小，阻力大，且稍有結(jié)焦，裂解條件急劇惡化。因此，這種“毫秒裂解爐”難以推廣使用。目前工業(yè)大量應(yīng)用的裂解爐爐管內(nèi)徑大于50mm，以縮小爐管內(nèi)徑提高乙烯產(chǎn)率的潛力已基本挖掘殆盡。
美國專利NO 3,146,015(1997年6月7日)發(fā)明了一種新的將原料加熱到裂解溫度的方法。燃料(氫或甲烷)與水蒸汽混合后點火燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)庖詠喴羲倭飨驀姽芎聿?。液體原料剛好在喉部上游處以霧狀噴入燃?xì)饬髦校c燃?xì)饣旌喜⒄舭l(fā)，發(fā)生初步裂解?；旌衔镌诤聿肯掠螖U張管內(nèi)加速到超音速，該超音流穿過激波后，溫度急劇升高，原料進(jìn)一步裂解至淬冷區(qū)。淬冷后的氣流通過熱交換器回收有用的熱能。該方法的乙烯產(chǎn)率可較當(dāng)時的管式爐提高7％。
蘇聯(lián)專利SU 392723(1983年7月15日)發(fā)明了氧化裂解甲烷生成乙炔和乙烯的方法，將甲烷加熱到820℃與200℃的氧相混合，認(rèn)為進(jìn)入周期短不會直接點燃。富甲烷混合物通過拉伐爾噴管加速到超音速，該超音速氣流在噴管出口外與靶體相撞，在靶前形成脫體激波。激波下游氣流溫度急劇上升，甲烷被點火燃燒，溫度進(jìn)一步大幅度升高。富余的甲烷裂解生成乙炔和乙烯。
上述兩個專利中都采用了激波加熱控制停留時間。當(dāng)原料氣以超音速流過激波，氣流減速為亞音速，溫度在極短的時間內(nèi)升高，為縮短停留時間創(chuàng)造了必要條件。然而在前述的美國專利中，當(dāng)液體燃料噴入高溫燃?xì)庵校呀?jīng)被加熱裂解，隨后的激波加熱控制裂解究竟能起多大作用難以確定。在前述的蘇聯(lián)專利中，當(dāng)820℃的甲烷與200℃的氧混合時，難以防止點火燃燒。激波下游混合物溫度低于初始混合溫度。如果激波加熱升溫能點火引燃，則初始混合亦能點火。激波加熱控制停留時間的作用亦難確定。
為了克服上述兩個專利的不足，美國專利NO 5,219,530(1993年6月15日)提出新的激波加熱方法，采用過熱水蒸汽作載體氣，載體氣通過列陣噴管加速成多股超音速流。原料氣預(yù)熱后通過列陣噴管內(nèi)通道與超音速載氣流相平行地射入各股氣流中間。兩者在混合段中湍流混合形成超音速混合流。在混合過程中，原料氣要始終保持其溫度位于亞裂解溫度范圍，不發(fā)生裂解。超音速混合流通過激波后，溫度急速升高開始裂解生成所需產(chǎn)品。這種加熱方法能嚴(yán)格控制停留時間，因而可明顯提高產(chǎn)品產(chǎn)率。然而由于載體氣與燃料氣混合時，既要避免混合過程中原料氣溫度超過亞裂解溫度，又要將載體氣能量傳遞給原料氣，難度很大。為此采用了過量載體氣(水蒸汽超過96％)。當(dāng)以乙烷作原料，裂解生成乙烯時，乙烯產(chǎn)率較管式爐高出約20％。然而，耗用過量水蒸汽，導(dǎo)致運行費昂貴，阻礙它在工業(yè)上的實用。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述裝置生產(chǎn)乙烯的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的反向射流混合加熱裂解裝置，其整體呈一風(fēng)洞管狀，包括有一個燃燒室，用于產(chǎn)生高溫載體氣；一個霧化噴嘴，用于噴射水蒸汽，將載體氣調(diào)節(jié)成所需溫度；一個拉伐爾噴管，使載體氣通過該噴管時加速至超音速并進(jìn)入裂解段；一個預(yù)熱熱交換器，用于將原料氣升溫到接近開始裂解的溫度；一個原料噴射器，設(shè)有噴射孔，用于將接近開始裂解溫度的原料氣噴射至裂解段；一個水冷熱交換器，用來凍結(jié)并接受裂解產(chǎn)品；一個燃料氣穩(wěn)壓器和一個氧氣穩(wěn)定器，置于爐體外部，分別用來穩(wěn)定燃料氣和氧氣的壓力，并通過各自的臨界噴管進(jìn)入燃燒室。
所述原料噴射器上設(shè)有一排噴射孔，置于超音速載體氣流的軸線上，形成的原料氣射流與載體氣流方向互成180°。
所述原料噴射器上設(shè)有兩排噴射孔，其角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載體氣流互成(180-β)°。
所述原料噴射器與預(yù)熱熱交換器之間的距離可以調(diào)節(jié)。
本發(fā)明提供的一種利用上述裝置生產(chǎn)乙烯的方法，以高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣為載體氣，在燃燒室內(nèi)的壓力為0.5-2.0Mpa；用霧化噴嘴噴出的水蒸汽調(diào)節(jié)降低載體氣溫度，其載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流，其馬赫數(shù)Ma＝1.5-4；被預(yù)熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載體氣流中；停留所需時間后被淬冷，將所需產(chǎn)品凍結(jié)下來。
所述高溫水蒸汽是采用氫和氧混合燃燒生成。
所述水蒸汽和二氧化碳混合氣是采用甲烷和氧混合燃燒生成。
所述調(diào)節(jié)降低載體氣溫度是用霧化水。
本發(fā)明提供的上述裝置，使原料氣反向射入高焓超音速載體氣流中，互相混合后使原料氣急速上升。載體氣采用氫和氧或甲烷和氧混合燃燒生成高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣。通過噴入燃燒室中的霧狀水降低載體氣溫度，調(diào)節(jié)到所需溫度的載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流。被預(yù)熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載氣流中。原料氣射流與速音速載體氣流強烈互相干擾，混合后的混合氣降至亞音速，溫度急速升高開始裂解。停留所需時間后被淬冷，將所需產(chǎn)品凍結(jié)下來。
原料氣在預(yù)熱熱交換器9中升溫到接近開始裂解溫度后流入原料噴射器10，并通過該噴射器10上的噴射孔11反向或斜向射入裂解段8，原料氣射流與反向超音速載體氣流強烈干擾，快速混合升溫，開始裂解。停留所需時間后，混合物流先被預(yù)熱熱交換器9，繼而被水冷熱交換器12冷卻，將裂解得到的產(chǎn)品凍結(jié)下來?；旌衔锪髟诹呀舛?停留時間可通過改變原料噴射器10與預(yù)熱熱交換器9之間的距離加以調(diào)節(jié)。
請參閱圖2，該圖是原料噴射器10的截面圖。前面的敘述中提到原料氣從原料噴射器10上的噴射孔11反向或斜向射入裂解段8，這取決于原料噴射器10上的噴射孔11的設(shè)置。圖2a和圖2b顯示了噴射孔11的兩種設(shè)置。圖2a顯示的是單排噴射孔11，位于超音速載氣流的軸線上，形成的原料射流與載氣流方向正相反，互為180°。圖2b顯示的是兩排噴射孔11，這兩排噴射孔11的角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載氣流互成(180-β)°。
實施例室溫氫和氧從各自的儲氣罐分別經(jīng)過穩(wěn)壓器1和2后，控制壓力穩(wěn)定為1Mpa。氫通過喉部直徑為3.8cm的臨界噴管3，氧通過喉部直徑為5.5cm臨界噴管4，同時射入燃燒室5混合后點火燃燒。燃燒產(chǎn)生的水蒸汽的質(zhì)量流率為6.5Kg/sec。燃燒室的后部，噴入經(jīng)預(yù)熱的水蒸汽，其質(zhì)量流率5.5Kg/sec，溫度范圍為500-600K(該溫度遠(yuǎn)低于燃料燃燒后產(chǎn)生的水蒸汽的溫度，為便于敘述，分別稱為高溫水蒸汽和低溫水蒸汽)。高、低溫水蒸汽混合后的溫度為1800K，總流率為12Kg/sec；拉伐爾噴管7喉部直徑為18.5cm，水蒸汽總壓為0.6Mpa。水蒸汽在拉伐爾噴管7出口處加速到Ma＝3。以乙烷為原料，從原料噴射器10的噴射孔11斜向噴入直徑為50cm的裂解段8。原料噴射器10橢圓截面橫軸長3cm，長軸長5cm，壁厚0.5cm；噴射孔11為兩排，每排5孔，共10孔，孔直徑2cm。乙烷經(jīng)預(yù)熱交換器9加熱到亞裂解溫度(該溫度控制在小于700K)，加熱到600K，壓力為0.5Mpa，每秒可噴入3Kg乙烷。噴入量隨壓力上升而上升，隨溫度上升而下降。
本發(fā)明按68％乙烷轉(zhuǎn)化為乙烯，以工作周期為80％(年工作7000小時)計算，利用本發(fā)明可年產(chǎn)乙烯50,000噸。
權(quán)利要求
1.一種反向射流混合加熱裂解裝置，其整體呈一風(fēng)洞管狀，包括有一個燃燒室，用于產(chǎn)生高溫載體氣；一個霧化噴嘴，用于噴射水蒸汽，將載體氣調(diào)節(jié)成所需溫度；一個拉伐爾噴管，使載體氣通過該噴管時加速至超音速并進(jìn)入裂解段；一個預(yù)熱熱交換器，用于將原料氣升溫到接近開始裂解的溫度；一個原料噴射器，設(shè)有噴射孔，用于將接近開始裂解溫度的原料氣噴射至裂解段；一個水冷熱交換器，用來凍結(jié)并接受裂解產(chǎn)品；一個燃料氣穩(wěn)定器和一個氧氣穩(wěn)定器，置于爐體外部，分別用來穩(wěn)定燃料氣和氧氣的壓力，并通過各自的臨界噴管進(jìn)入燃燒室。
2.如權(quán)利要求1所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特征在于，所述原料噴射器上設(shè)有一排噴射孔，置于超音速載體氣流的軸線上，形成的原料氣射流與載體氣流方向互成180°。
3.如權(quán)利要求1或2所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特征在于，所述原料噴射器上設(shè)有兩排噴射孔，其角度β為10-90°，形成的原料氣射流與載體氣流互成(180-β)°。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的反向射流混合加熱裂解裝置，其特征在于，所述原料噴射器與預(yù)熱熱交換器之間的距離可以改變。
5.一種利用上述裝置生產(chǎn)乙烯的方法，以高溫水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合氣為載體氣，在燃燒室內(nèi)的壓力為0.5-2.0Mpa；用霧化噴嘴噴出的水蒸汽調(diào)節(jié)降低載體氣溫度，其載體氣流過拉伐爾噴管形成超音速載氣流，其馬赫數(shù)Ma＝1.5-4；被預(yù)熱到接近開始裂解溫度的原料氣在裂解段中反向射入超音速載體氣流中；停留所需時間后被淬冷，將所需產(chǎn)品凍結(jié)下來。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述高溫水蒸汽是采用氫和氧混合燃燒生成。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽和二氧化碳混合氣是采用甲烷和氧混合燃燒生成。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述霧化噴嘴噴出的水蒸汽溫度為400-700K。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)降低載體氣溫度是用霧化水。
全文摘要
一種反向射流混合加熱裂解裝置及生產(chǎn)乙烯的方法，以氫或甲烷為燃料，和氧以化學(xué)當(dāng)量比流入燃燒室，使其完全燃燒形成載體氣，由水蒸汽調(diào)節(jié)降低載體氣至所需的溫度，載體氣流通過拉伐爾噴管加速至超音速后流入裂解段。原料氣升溫到接近開始裂解溫度后流入原料噴射器射入裂解段，與反向超音速載體氣流快速混合升溫，開始裂解。停留所需時間后，混合物流被水冷熱交換器冷卻，將裂解得到的產(chǎn)品凍結(jié)下來。本發(fā)明可用于裂解制造乙烯和其它化工產(chǎn)品，其升溫快，并且不受器壁材料耐高溫性能的限制，裂解溫度可提高，乙烯產(chǎn)量較管式裂解爐大幅度提高。
文檔編號C07C5/00GK1429798SQ01145130
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月30日
發(fā)明者俞鴻儒, 林建民, 陳宏 , 單希壯 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所