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化工工艺 第二节 烃类管式炉.ppt

化工工艺 第二节 烃类管式炉

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2019-06-12 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《化工工艺 第二节 烃类管式炉ppt》,可适用于工程科技领域

第二节裂解原料和管式炉裂解热裂解特点:高温吸热量大低烃分压短停留时间避免二次反应的发生反应产物是复杂的混合物热裂解的供热方式如下所示:直接供热法:工艺复杂裂解气质量低成本过高。其裂解工艺一直没有很大发展!工业上烃类裂解生产乙烯的主要过程为:原料热裂解裂解气预处理(包括热量回收、净化、气体压缩等)裂解气分离产品乙烯、丙烯及联产物等。一、原料烃组成对裂解结果的影响影响裂解结果的因素:原料特性裂解工艺条件裂解反应器型式裂解方法等原料特性是最重要的影响因素!(一)原料烃的族组成、含氢量、芳烃指数、特性因数裂解产物分布的影响(二)几种烃原料的裂解结果比较(一)特性参数原料烃的族组成、含氢量、芳烃指数、特性因数产物分布的影响族组成(简称PONA值) 定义:是指原料烃分子中所含各族烃的质量百分比    P烷族烃  N环烷族烃    O烯族烃  A芳香族烃从表作一比较在管式裂解炉的裂解条件下原料愈轻乙烯收率愈高。随着烃分子量增大NA含量增加乙烯收率下降液态裂解产物收率逐渐增加。  表组成不同的原料裂解产物收率裂解原料乙烷丙烷石脑油抽余油轻柴油重柴油原料组成特性PPPNPNPNAPNA主要产物收率(质量)乙烯*丙烯丁二烯混合芳烃其它包括乙烷循环裂解原料的PONA值常常被用来判断其是否适宜作裂解原料的重要依据。表介绍我国几个产地的轻柴油馏分族组成。我国轻柴油作裂解原料是较理想的。    表我国常压轻柴油馏分族组成  族组成(质量)大庆~℃胜利~℃任丘~℃大港~℃P烷族烃正构烷烃异构烷烃环烷族烃其中一环二环三环以上A芳烃其中一环二环三环以上原料氢组成定义:是指原料烃分子中氢原子的质量百分比不包含溶解的H 烃类裂解过程也是氢在裂解产物中重新分配的过程。原料含氢量对裂解产物分布的影响规律大体上和PONA值的影响一致。     表各种烃和焦的含氢量 可以看出碳原子数相同时含氢量:物质分子式含氢量(质量)甲烷乙烷丙烷丁烷烷烃CHCHCHCHCnHnn(n)×环戊烷环己烷CHCH苯甲苯萘蒽CHCHCHCH焦碳CaHbCn~~烷烃>环烷烃>芳烃。 含氢量高的原料裂解深度可深一些产物中乙烯收率也高。 对重质烃类的裂解按目前的技术水平原料含氢量控制在大于(质量)气态产物的含氢量控制在(质量)液态产物含氢量控制在稍高于~(质量)时就容易结焦阻塞炉管和急冷换热设备。图给出了不同含氢量原料裂解时产物收率。从图中可以看出:含氢量P>N>A  液体产物收率P<N<A乙烯收率P>N>A  容易结焦倾向P<N<A芳烃指数(BMCI)定义:BMCI=TV×d-   TV=(TTTTT)TV体积平均沸点KT、T…分别代表恩氏蒸馏馏出体积为…时的温度K基准:nCH的BMCI=芳烃的BMCI=因此BMCI值越小乙烯收率越高当BMCI﹤时才能做裂解原料。特性因素K  K=(T立)d   T立=(      )   T立立方平均沸点   xivI组分的体积分率   TiI组分的沸点k。 小结:原料烃参数对裂解结果的影响 )当PONA增大乙烯收率增大)当氢含量增大乙烯收率增大)当BMCI减小乙烯收率增大)当K增大乙烯收率增大。(二)几种烃原料的裂解结果比较 这里列举了乙烷、丙烷、石脑油、轻柴油、重柴油作原料的裂解产物(表)。      表不同原料的裂解产物分布(单程)原料乙烷丙烷石脑油轻柴油原料规格~℃~℃裂解条件辐射管出口温度℃辐射管出口压力kpa水蒸气油(质量)裂解产物组成(质量)    HCHCHCHCHCHCC燃料油  由表可见原料不同裂解产物组成是不同的裂解条件也有差异。适宜的裂解条件是:①最大可能的乙烯收率②合适的裂解周期以保证年开工率。 按生产单位乙烯所需的原料及联产品数量来比较见表。    表生产吨乙烯所需原料量及联副产物量     *B、T、X为苯、甲苯、二甲苯指标乙烷丙烷石脑油轻柴油需原料量t联产品t其中丙烯t丁二烯tB、T、X* 从表比较可得: )原料由轻到重相同原料所得乙烯收率下降。 )原料由轻到重裂解产物中液体燃料油增加产气量减少。 )原料由轻到重联产物量增大为降低乙烯成本必然考虑联产物的回收和综合利用由此增加了装置和投资。二、操作条件对裂解结果的影响(一)衡量裂解结果的几个指标(二)裂解温度的影响(三)停留时间的影响(四)烃分压和稀释剂的影响(五)动力学裂解深度函数KSF(一)衡量裂解结果的几个指标 转化率(X)  转化率=                             选择性(S)  选择性=                                                 =                                  收率和质量收率(Y)  收率=                                    质量收率=                                       Y=X×S  X:单程转化率总转化率  Y:单程收率总收率产气率  产气率=气体总质量原料质量*  简化的动力学图示如下所示: 乙烯继续脱氢生成乙炔的二次反应与一次反应的竞争主要取决于kk的比值及随温度的变化关系。kk的比值越大一次反应越占优势。k=exp(RT)(s)   k=×exp(RT)(s)k=×exp(RT)(s)一次反应的活化能大于二次反应升高温度有利于提高kk的比值(见图)也即有利于提高一次反应对二次反应的相对速度提高乙烯收率。 对于另一类二次反应即氢缩合反应与一次反应的竞争也有同样规律。  CHCH→液体产物   r=kCHCH   k=×exp(RT)(smol)  CHCH→液体产物   r=kCHCH   k=×exp(RT)(smol)  CH→液体产物   r=kCH   k=×exp(RT)(smol) 它们的活化能均比一次反应的活化能小升高温度有利于一次反应。但提高温度一次反应和二次反应的绝对速度均加快焦的绝对生成量会增加。所以在升高温度的同时必须相应减少停留时间以减少焦的生成。(三)停留时间的影响定义:物料从反应开始到达某一转化率时在反应器内经历的时间特点:非等温非等容平均停留时间  近似式:t=VR(βv'V’原料)式中:V’原料原料气(包括水蒸气)在平均反应温度和平均反应压力下的体积流量msβv'最终体积增大率。  βv'=                             表现停留时间表现停留时间:t=VRV 式中:V气态反应物(包括惰性稀释剂)的实际容积流率msVR反应器容积m。停留时间的影响 由于存在二次反应故每一种原料在某一特定温度下裂解时都有一个得到最大乙烯收率的适宜停留时间。如图所示停留时间过长乙烯收率下降。由于二次反应主要发生在转化率较高的裂解后期如能控制很短的停留时间减少二次反应的发生就可以增加乙烯收率。温度停留时间效应 裂解温度和停留时间对提高乙烯收率来说是一对相互依赖、相互制约的因素。图和表都说明了温度停留时间效应对乙烯收率的影表温度停留时间效应对石脑油产物分布关系出口温度,℃~~~~停留时间,s产物分布(质量)CHCHCHCHCCHCHC=C=CH作为一般规律提高温度缩短停留时间有如下效应:)正构烷烃裂解时能得到更多的乙烯而丙烯以上的单烯烃收率有所下降。)能抑制芳烃的生成减少液体产物和焦的生成。 工业上可利用温度停留时间的影响效应来调节产物中乙烯丙烯的比例以适应市场变化的需要。近年来各国裂解技术都采用了高温、短停留时间的操作条件压力对反应速度和反应选择性的影响(动力学分析)在一般情况下压力对反应速度常数k的影响可以忽略不计。压力主要是通过浓度去影响反应速度。r裂=k裂cr聚=k聚crr缩=k缩cAcB 烃分压P降低则浓度c降低反应速度下降。降低压力对一次反应和二次反应的反应速度都降低。但是反应级数不同时对反应速度的影响也不同。降低压力对二级和高级反应(二次反应)的影响比对一级反应(一次反应)的影响大得多。因此降低烃分压可以增大一次反应对二次反应的相对反应速度有利于提高乙烯收率减少焦的生成。 故无论从热力学或动力学分析降低分压对增产乙烯抑制二次反应的发生都是有的。降低烃分压可以增大一次反应对二次反应的相对反应速度有利于提高乙烯收率减少的生成。在裂解气中加入稀释剂可以降低烃分压。通常在原料其中加入稀释剂(惰性气体或水蒸气)来降低烃分压。这是因为:裂解是在高温下进行的如果系统在减压下操作当某些管件连接不严密时可能漏入空气不仅会使裂解原料和产物部分氧化而造成损失更严重的是空气与裂解气能形成爆炸混合物而导致爆炸减压操作对后续分离部分的压缩操作也不利要增加能耗。在裂解反应中工业上采用水蒸汽作为稀释剂的优点是什么?(在裂解反应中为什么工业上采用水蒸汽作为稀释剂?)工业上常用水蒸气作稀释剂是因为:)水蒸气的热容量大对炉管温度起稳定作用可以保护炉管)水蒸气易与产物分离水蒸气与产物不起反应对裂解气的质量无影响(对比氮气))水蒸气还可以抑制原料中的硫对合金钢裂解炉管的腐蚀作用保护裂解炉管)水蒸气还有清焦作用。水蒸气在高温下能与裂解炉管中沉积的焦炭发生如下反应:CHOHCO)水蒸气对金属表面起一定的氧化作用使金属表面的铁、镍形成氧化物薄膜减轻了铁和镍对烃类气体分解生炭的催化作用。  但是水蒸气的加入量不是越多越好。加入过量水蒸气使炉管处理能力下降增加炉子的热荷也增加了水蒸气的冷凝量和急冷剂用量并造成大量废水。水蒸气的加入量随裂解原料的不同而异一般以防止结焦延长操作周期为前提。裂解原料越重越易结焦水蒸气的用量也越大三、管式炉裂解的工艺流程图(一)管式裂解炉(二)裂解气急冷与换热器(三)裂解炉的结焦与清焦(四)裂解工艺流程  (五)管式炉裂解的优缺点第二节管式炉裂解热裂解特点:高温吸热量大低烃分压短停留时间避免二次反应的发生反应产物是复杂的混合物热裂解的供热方式如下所示:直接供热法:工艺复杂裂解气质量低成本过高。其裂解工艺一直没有很大发展!工业上烃类裂解生产乙烯的主要过程为:原料热裂解裂解气预处理(包括热量回收、净化、气体压缩等)裂解气分离产品乙烯、丙烯及联产物等。从炉型和炉管工艺特性的变化可以看到裂解技术的进步:)实现了高温、短停留时间、低烃分压的原理为了在短停留时间内使原料能迅速升到高温进行裂解反应必须有高热强度的辐射炉管因此采用双面辐射的单排管能最大限度的接收辐射热量。最初使用的SRTI型裂解炉炉管是均径的。 采用均径炉管的主要缺点:①反应初期通热量小②采用均径炉管不适用于体积增大的反应(后部阻力大烃分压大)③停留时间长有利于二次反应乙烯收率降低④容易结焦操作周期缩短。 SRTⅡ型炉采用变径炉管克服了上述缺点。管径排列为管径先细后粗。小管径有利于强化传热(传热面积增大)使原料迅速升温缩短停留时间。 管裂后部管径变粗有利于减少△P降低烃分压减少二次反应的发生二次反应的焦量也减少不会很块阻塞管道和炉管因而延长操作周期提高乙烯收率。显然达到同样的出口温度时SRTⅡ型比SRTⅠ型的停留时间要短烃分压小因而SRTⅡ型比SRTⅠ型得乙烯收率提高(质量)。 SRTⅢ型吸收SRTⅡ型的经验进一步缩短停留时间。为此将管组后部减为程这一改进的关键是开发了新的管材HP,炉管耐热温度更高因而提高了炉管的表面热强度加大了热通量使裂解原料更进一步升温进一步提高了乙烯收率。SRTⅢ型炉的对流段预热管布置更合理)充分利用了低温位的热源以加热原料、锅、高压蒸气等使烟出口温度从SRTⅡ型的~℃降到~℃加热炉的热效率提高。近年来鲁斯公司又推出了SRTIV、SRTV、SRTVI型等其炉型结构与SRTⅢ型差异不大但在工艺流程上采用了燃气透平从而大大降低了能耗。SRTⅣ、Ⅲ型都采用计算机控制使裂解炉工矿更稳定能在最佳工艺条件下作能保持裂解炉的最该生产能力。)更合理的炉型结构①辐射室底部侧壁均有均匀分布的加热烧嘴使炉管周边温的分布更均匀炉管上下温差较小②炉管能上下自由伸长缩短不因温度效应而变形③炉管吊装件埋在上部隔热层内避免高温辐射④炉顶上部预留空间利于检修换管不占地面⑤在裂解管出口上方即接装急冷换热器使裂解气更快急冷以减少二次反应发生的机会。凯洛格毫秒裂解炉和分区裂解炉()凯洛格毫秒裂解炉(MilliSecondFurnace)(简称MSF)毫秒裂解炉停留时间为~s秒为一般裂解炉停留时间的~。毫秒裂解炉的乙烯收率较高。以石脑油为例当以石脑油为裂解原料时乙烯单程收率提高到~(质量)而短时间裂解炉(SRT型裂解炉)乙烯单程收率只有左右。  毫秒裂解炉的特点:①管径细热通量大裂解温度高②阻力降小(单管程)③烃分压低④停留时间短⑤乙烯收率高。表给出了毫秒裂解炉与短时间停留炉在相同裂解温度时乙烯和燃料油收率比较。表乙烯单程收率比较 毫秒裂解炉的缺点是炉管多流量不容易平均分配。 采用猪尾管来分配流量效果较好()分区域裂解炉 分区域炉的设计依据:反应前后期所需热量不同前大后小供热要符合裂解过程的供热规律。分区域炉(也称“多区域裂解炉”)项目石脑油轻柴油重柴油短停留时间炉毫秒炉短停留时间炉毫秒炉短停留时间炉毫秒炉CH燃料油四、裂解技术展望裂解技术在继续开发中主要以以下问题为目标:①扩大重质原料的应用和裂解炉对原料改变的适用性②减小能耗、降低成本③新的裂解技术研究。(一)扩大重质原料的应用和裂解炉对原料改变适用性(二)减小能耗、降低成本  采用燃气透继续提高炉子热效率提高炉子热效率除了改进炉体结构、烧嘴布置、合理布置换热方式外降低排烟温度、减少散热损失也是重要的。目前排烟温度已降低到℃左右如果烧嘴位置良好空气过剩系数少燃料雾化效率高化学燃烧完全则排烟带走的热量就会减少。充分利用对流段的热量是降低排烟温度的有效方法。减少炉子散热损失的方法是从炉墙着手采用冷空气加强技术等可将炉体的散热损失从总热负荷的降低至。(三)新的裂解技术研究这方面引人注目的成果有:()开发耐高温的裂解管材。()催化裂解。

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