專利名稱：脈沖式空氣除焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及烴類裂化工藝，更具體講，涉及對于需周期除焦的烴反應(yīng)系統(tǒng)的高效維修。
長鏈分子的烴類裂化成為汽油或其他有用的短鏈烴有相當(dāng)多量的副反應(yīng)產(chǎn)物生成，最值得注意是沉積的碳質(zhì)或焦炭。反應(yīng)中所生成的焦炭的影響是嚴(yán)重的，特別是在火加熱的管式爐反應(yīng)器中進(jìn)行裂化反應(yīng)的情況。
反應(yīng)過程中，副產(chǎn)物焦炭成為沉積物，特別是在反應(yīng)器管內(nèi)成為一層。焦炭沉積使壓力降升高，并阻礙通過管壁的傳熱，從而使工藝過程受害。因此必須按周期除焦，使壓力降和傳熱恢復(fù)到正常水平。
除焦的方法通常借助于燃燒法(即水蒸汽-空氣除焦)、水蒸汽反應(yīng)或采用機(jī)械法除焦。水蒸汽-空氣除焦是在水蒸汽主體中通入少量空氣，通常在開始階段用1-2%，并分階段漸增至約20%(空氣對水蒸汽，重量比)，將此混合氣通入污染的工藝管道內(nèi)，將管內(nèi)壁的焦炭燒掉。水蒸汽反應(yīng)除焦則與此不同，需要向高溫度的管內(nèi)通入水蒸汽，使之與焦炭反應(yīng)。美國專利US4376694即為水蒸汽反應(yīng)除焦之一例。最后，機(jī)械法除焦利用物理裝置使焦炭破松并將之從工藝管道內(nèi)清出，通常采用高壓噴水，即約700-1000巴的高壓水。
在上述各方法中，水蒸汽-空氣除焦可能是最高效的，但為達(dá)到高效要密切監(jiān)控整個過程以保持適當(dāng)?shù)娜紵俾?。若燃燒速率太慢，除焦作業(yè)時間過長，致使停工時間過久。另方面，若燃燒速率太快，則溫度會過高，甚至將工藝管道燒毀、燒穿。
在常見的水蒸汽-空氣除焦法中，監(jiān)控燃燒速率的方法是經(jīng)常測定除焦排出氣中二氧化碳濃度。在常見的直接火管反應(yīng)器進(jìn)行除焦時，用肉眼來監(jiān)視爐膛中的管子防其過熱，和/或利用高溫計來觀測管子溫度。
本發(fā)明目的是提供一種除焦方法，該方法可在短時間完成，從而縮短停工時間。
本發(fā)明目的還包括提供一種除焦方法，該方法可以自動監(jiān)控到最大限度地燃燒，同時不致?lián)p壞反應(yīng)器，從而減輕了操作人員的工作。
本發(fā)明涉及在烴反應(yīng)系統(tǒng)中將被焦炭污染的烴反應(yīng)通道除焦的方法，該方法包括以下步驟(a)將烴類進(jìn)料中止;
(b)向通往該反應(yīng)通道的水蒸汽主體中注入空氣脈沖(脈動的空氣)，以燃燒焦炭，所述空氣脈沖具有足夠的濃度使得在限定的時間內(nèi)使焦炭猛烈燃燒，從而使該反應(yīng)器部件的升溫不超過其設(shè)計溫度，燃燒產(chǎn)生排出氣體;
(c)將向該反應(yīng)通道內(nèi)注入的空氣中止一段時間，使燃燒減緩，并使在燃燒時被加熱的反應(yīng)器部件降低溫度;
(d)按順序重復(fù)上述(b)和(c)步驟，直至所述(b)步驟的排出氣體中二氧化碳含量低于約0.2%(體積);
(e)重新開始將烴原料進(jìn)料。
還可以在過程中附加連續(xù)監(jiān)測除焦時產(chǎn)生的排出氣體中二氧化碳含量的步驟，其監(jiān)測可以用的傳感裝置例如有比重計、紅外分析儀，或其他裝置。
采用上述方法許可在水蒸汽中使用較高重量濃度的空氣，即約在20-50%(重量)的范圍。由于空氣濃度提高，使燃燒猛烈到要使管子嚴(yán)重過熱的程度，但由于空氣脈沖方式使空氣中止，使燃燒和產(chǎn)生熱得以減緩或停止。在停了一個短時間之后，下一個空氣脈沖又注入主體水蒸汽中，使焦炭燃燒恢復(fù)或再開始。以此開/停程序重復(fù)多次，直至除焦完成。
在特定的環(huán)境條件下，空氣脈沖的頻率和脈沖中水蒸汽中空氣的濃度隨著反應(yīng)器通道的幾何形狀和所加工原料之特性而變化。對于該除焦過程而言，水蒸汽中空氣的濃度一般要增高，以保證焦炭的快速和完全燃燒。對于空氣脈沖的頻率應(yīng)加以調(diào)整，防止管材金屬受到破壞性的溫度劇變。
此外，本方法借助于脈沖方式燃燒從而以交變方式加熱和冷卻焦炭和管材金屬，于是產(chǎn)生使焦炭從管壁上碎裂而下的趨勢，因此進(jìn)一步加速了除焦過程。
燃燒速率是由二氧化碳傳感裝置來確定，例如用RANAREX比重計或直接讀值的二氧化碳分析儀如紅外分析儀。比重計是測定排出氣體相對于空氣的比重，因此感測到排出氣中二氧化碳的濃度，因為二氧化碳的分子量相對于空氣是更高。紅外線二氧化碳分析儀則是直接測出氣流(例如該排出氣體)中的二氧化碳含量。由所述二氧化碳含量和空氣注入速率來確定焦炭燃燒速率。
所述二氧化碳傳感裝置通過一條取樣管線與該除焦排出氣體直接連接。該傳感裝置產(chǎn)生一種電信號，用以在其二氧化碳含量下降到規(guī)定值時中止脈沖。按適用情況安排自動裝置，用以控制在一次脈沖中注入的空氣總量，或控制空氣脈沖的頻率?？諝饬康倪x擇或頻率取決于用以調(diào)節(jié)空氣流量所選用的機(jī)械裝置。
例如，對于烴裂解成為乙烯和其他烯類化合物的火加熱管式爐，其按本發(fā)明的除焦是以脈沖方式注入空氣，按相對于水蒸汽流量的一定的重量濃度，歷經(jīng)一段時間以開始燃燒這些焦炭。在此段時間的末尾，全部或部分中止注入空氣，使燃燒減慢或熄滅，以免將管子溫度升到超過其設(shè)計溫度。在中斷空氣脈沖的末尾，把下一個空氣脈沖的空氣注入到主體水蒸汽中，將此開/停循環(huán)重復(fù)多次，直到在空氣脈沖期間排出氣體中二氧化含量低于約0.2%(體積)為止，這時表示在排出氣體中已實質(zhì)上不含二氧化碳。
空氣流開通和中止的時間長短，以及該過程中的空氣濃度是由所述二氧化碳傳感裝置確定，并且通常是隨著除焦過程的進(jìn)行而變化。然后將空氣流開通一段時間，使該通道得到“最后空氣清焦處理”(air polish)。
以下所述用于說明本發(fā)明的附圖并非用于限定本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明中所用反應(yīng)爐的示意圖。
圖2是本發(fā)明除焦方法中排出氣比重的記錄圖。
圖3是本發(fā)明除焦方法中在除焦階段由置于下游的比重計測得的排出氣體比重記錄圖。
圖4是本發(fā)明除焦方法中，在除焦階段沿工藝管道長度方向不同點的溫度記錄圖。
圖5是隨著空氣脈沖的時間變化的溫度以及焦炭燃燒朝向和越過一個熱電偶的溫度記錄圖。
參照附圖1，示出本發(fā)明的火加熱管式爐(1)的情況，其為用于將烴裂解成為乙烯和其他烯類化合物。不言而喻，本發(fā)明可用于任何需周期除焦的適當(dāng)裂化爐或烴反應(yīng)系統(tǒng)。
火加熱管式爐(1)有對流段(2)和裂化段(3)。爐(1)包括一組或多組工藝管道(4)，烴類通過一條進(jìn)料管線(6)而通過這工藝管道，并因為加熱而裂化成為產(chǎn)品氣體，并且有碳質(zhì)沉積物副產(chǎn)物，此處稱為焦炭。在反應(yīng)過程中由管道22送入水蒸汽作為稀釋劑。通過傳熱介質(zhì)將熱量供至爐(1)的裂化段(3)的工藝管道(4)的外面，傳熱介質(zhì)經(jīng)由入口(8)送入，從出口(10)送出。當(dāng)產(chǎn)品氣體從工藝管道(4)通過并由產(chǎn)品氣出口(12)送出，通過一個或多個驟冷/熱交換器(14)和(16)。然后產(chǎn)品氣經(jīng)管線(18)送至下一個加工設(shè)備，例如驟冷塔和分離裝置(未示出)。
為了實施本發(fā)明，在烴進(jìn)料管線(6)上設(shè)置閥門(20)用以中斷烴進(jìn)料。烴進(jìn)料中止后，將脈沖空氣由空氣管(24)注入水蒸汽管(22)中的主體水蒸汽中。由設(shè)于空氣管(24)上的閥門(26)控制空氣流通過(24)進(jìn)入(22)的相對量和通入時間。另一種方式是在空氣流中止時，由一個氮氣管(未示出)將氮氣流注入主體水蒸汽中，替代空氣。
在除焦過程中，由下游閥門(34)控制排出氣體和焦炭碎屑的流向使之不去到產(chǎn)品分離系統(tǒng)(未示出)。當(dāng)烴進(jìn)料閥門(20)關(guān)閉時，將通往下游加工系統(tǒng)(未示出)的閥門(34)也關(guān)閉，將除焦排出閥門(36)打開，將除焦排出物沿排料管線(38)送至爐(1)的裂化段(3)的工藝管道(4)之外，使焦炭碎屑燃燒，或者任選送至除焦筒(40)，其上帶有氣體排出口(42)。因為不可將空氣導(dǎo)入分離系統(tǒng)，通向該加工系統(tǒng)的閥門(34)是關(guān)閉的，排出閥門(38)是打開的，使得在烴進(jìn)料中止和將空氣引入主體水蒸汽中以進(jìn)行除焦時，使該等排出物不去到該分離系統(tǒng)。為進(jìn)料、水蒸汽、空氣、工藝過程和排出物閥門(20)、(21)、(26)、(34)、(36)設(shè)置自動操作，從而成為自動化的除焦系統(tǒng)。
另外，通過一條取樣管線(30)將二氧化碳傳感裝置(28)，例如量程為約0.6-1.2的比重計或任何可連續(xù)讀出數(shù)值的二氧化碳分析儀，與除焦排出物直接連通。最好將取樣管線(30)在排出物閥門(36)的下游連接到排出管線(38)上，從而只是在除焦過程中進(jìn)行取樣。最好該二氧化碳傳感裝置(28)是以連續(xù)方式測定排出氣體中的二氧化碳含量。所用二氧化碳傳感裝置(28)是發(fā)出電信號，用以確定該脈沖或除焦循環(huán)的終點，并且，若適當(dāng)，有可能控制空氣脈沖期間注入本體水蒸汽中的空氣量和/或控制空氣脈沖的頻率。當(dāng)測到排出氣體中二氧化碳含量低于0.2%(體積)，表示不再發(fā)生燃燒，亦即已沒有可燃燒的焦炭了，這時可以重新開始裂化過程。
另一方式，二氧化碳傳感裝置(28a)的取樣管線(30a)可以接到產(chǎn)品管線(18)上，或從靠近爐(1)的某點接出，例如在產(chǎn)品氣體/出口(12)處，或是在熱交換器(14)和(16)之間的位置。雖然把傳感裝置在靠近爐(1)之處安裝能夠有更好的信號響應(yīng)，但在溫度較低的較下游位置取樣則安裝簡便。
應(yīng)用上述構(gòu)成的本發(fā)明除焦方法是在裂化操作已進(jìn)行一段時間，并在爐(1)的金屬管(4)的壁上結(jié)了焦炭之后來實施的。結(jié)了焦使壓力降升高和使通過管壁的傳熱情況變壞。用本發(fā)明方法進(jìn)行除焦，不需把爐子停下來或冷卻下來。
本發(fā)明方法在啟動時先用閥門(20)將烴進(jìn)料中止，將產(chǎn)品閥門(34)關(guān)閉，打開除焦閥門(36)。通過將空氣閥門(26)打開和關(guān)閉，從空氣管道(24)將空氣脈沖通入管道(22)中的主體水蒸汽中。然后，將水蒸汽和脈沖空氣在對流段中加熱至約900°F，最高達(dá)約1400°F。在最優(yōu)選方案中，空氣的相對量即主體水蒸汽中空氣的濃度以及脈沖的持續(xù)時間通過所用的機(jī)械裝置而自動固定住。來自二氧化碳傳感裝置(28)的信號用于中止量脈沖過程和在需要時啟動“最后空氣清焦處理”(air polish)，如后文所述。
在空氣脈沖期間，在主體水蒸汽中空氣的濃度調(diào)控到約20-50%(重量)，并與該脈沖的持續(xù)時間大致上成反比變化，即主體水蒸汽中空氣濃度越高，持續(xù)時間越短。一般，脈沖的持續(xù)時間要足夠長以使焦炭發(fā)生猛烈燃燒，但又不要太長以免金屬的工藝管道(4)或其他反應(yīng)器部件升到預(yù)計的設(shè)計溫度。當(dāng)使用的水蒸汽中空氣濃度約40%(重量)時，優(yōu)選的持續(xù)時間估計為約10-50秒。
此外，在閥門(26)處使空氣中斷一段時間，是使燃燒減緩甚至熄滅，使之不產(chǎn)生熱量，并使工藝管道的溫度下降。使空氣流中斷的持續(xù)時間般要短于空氣脈沖時間，亦即約5-30秒。然而，此持續(xù)時間要控制到確保能防止管子損壞和使工藝過程能高效進(jìn)行。
上述的空氣量和持續(xù)時間來自于小型試驗裝置的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過實驗來確定工業(yè)生產(chǎn)裝置上應(yīng)用的最佳值。
實施例用小型裂解試驗裝置(BSU)，進(jìn)行了5小時的丙烷裂解操作之后，采用上述的本發(fā)明方法進(jìn)行脈沖空氣除焦，共進(jìn)行了3次試驗。
應(yīng)用一臺RANAREX密度計(量程0.3-1.3)直接連接到裂化管的出口(12)處。如圖2所示，排出氣體的比重迅速上下變化，表示在空氣脈沖中注射和中止注射的同時，瞬即發(fā)生二氧化碳量的上下變化，就象把一個電門通或斷的效果那樣。與此相似，如圖3于遠(yuǎn)處于下游位置的RANAREX密度計(28)所記錄的數(shù)據(jù)所示，當(dāng)以交替方式把空氣脈沖換為氮氣時，亦即以氮氣替換方式達(dá)到通或不通空氣的變化，其排出氣體比重或二氧化碳濃度也同樣是上下地變化響應(yīng)。
所用的空氣脈沖時間基本上是45秒通45秒斷，這是按現(xiàn)時情況選取的，因為這樣的上游和下游RANAREX密度計以及溫度計的示值上下變化指示了這個可在每次空氣脈沖循環(huán)中使燃燒達(dá)最大量的持續(xù)時間。在整個燃燒過程中采用固定的空氣在水蒸汽中濃度，即40%(重量)。雖然可以安排自動化操作，這些脈沖操作是用人工控制的。以瞬時間由空氣切換到氮氣而注入主體水蒸汽中，導(dǎo)致排出氣比重從1.08(二氧化碳量最高時，21%)變化到0.966(氮的數(shù)值)。該信號還要下降到稍低于氮的數(shù)值，這是因為在切斷空氣之后還繼續(xù)發(fā)生一些水蒸汽-碳之間的反應(yīng)。
在采用此空氣脈沖技術(shù)時，都利用沿管長置放的表面熱電偶(TI)來測定沿整個管道(4)燃燒的進(jìn)程。如圖4所示，在通常開始結(jié)焦的管(4)中點的TI顯示出首個溫度突升，沿管(4)設(shè)置的另一些TI顯示出燃燒位置朝向出口而推進(jìn)時，溫度按序升高(50-150°F)。
因為管(4)具有通常的升溫曲線，燃燒速率隨著趨向于管子出口(12)而顯著加快。因此，隨著除焦位置沿管(4)推向前，燃燒時間或空氣脈沖會漸縮短。
在出口(12)處位于工藝物料流內(nèi)部的TI顯示出，當(dāng)燃燒是在管(4)中部在除焦過程開始處(焦炭最初沉積位置)溫度實際上無變化。隨著燃燒位置推進(jìn)向前，管子出口溫度(TOT)越來越受漸接近的燃燒前沿的影響，并且最終的上下變動超過管子金屬溫度(TMT)。在工藝過程一側(cè)測到關(guān)鍵管子出口溫度位置，設(shè)置一電位計，以便迅速探知過程排出氣溫度的變化(見圖5)。當(dāng)燃燒位置是在管內(nèi)遠(yuǎn)在后方時，水蒸汽的貯熱作用、所用24點長圖式記錄儀的慢速響應(yīng)、以及由于電熱控制器的自動切斷作用幾方面綜合以來，足以掩蓋工藝過程一側(cè)的溫度變化(TOT)。
由此種脈沖式燃燒對管(4)引致的溫度變化不需范圍太寬，即約200°F。在管子大約1800°F的操作溫度，未發(fā)生金屬冶金性質(zhì)的問題。
溫度變化的某些“蠕動”效應(yīng)是不可免的，有要能比常規(guī)除焦有更多焦炭碎裂。若所結(jié)的焦特別厚重，并且碎裂塊又足夠大而導(dǎo)致堵塞，會發(fā)生有害現(xiàn)象。但在通常情況下，若發(fā)生碎裂加劇現(xiàn)象將會使除焦過程加速，從而是有利的。在此實施例中，如所有空氣和水蒸汽除焦過程一樣，也發(fā)現(xiàn)有焦炭碎裂，但未觀察到碎裂的量有何區(qū)別。
在除焦完成后，比重計給出的信號固定在空氣的數(shù)值。此時空氣脈沖法結(jié)束，并繼續(xù)通空氣約10分鐘，進(jìn)行管(4)的“最后空氣清焦處理”。在圖2中記有這些比重數(shù)據(jù)。其中在經(jīng)過5小時的丙烷裂解后，進(jìn)行約20分鐘除焦而完成。所用管子是40英尺長、內(nèi)徑1/4和3/8英寸鍛造的蛇管，其結(jié)焦速率高于它所模擬的工業(yè)用蛇管，有可能與其表面積對處理量之比(約19)成比例關(guān)系。使用本發(fā)明的脈沖空氣系統(tǒng)，與常規(guī)的操作相比，為完成除焦所需的時間更短。
雖然對本發(fā)明已結(jié)合特定實施方案作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的精神和不超過本發(fā)明范圍情況下作出各種變化和改動。
權(quán)利要求
1.在烴類反應(yīng)系統(tǒng)中，對于受焦炭污染的烴類反應(yīng)通道進(jìn)行清焦的方法，包括以下步驟(a)將烴類進(jìn)料中止；(b)向通往該反應(yīng)通道的水蒸汽主體中注入空氣脈沖，即脈動的空氣，以燃燒焦炭，所述空氣脈沖具有足夠的濃度使得在限定的時間內(nèi)使焦炭猛烈燃燒，從而使該反應(yīng)器部件的升溫不超過其設(shè)計溫度，燃燒產(chǎn)生排出氣體；(c)將向該反應(yīng)通道內(nèi)注入的空氣中止一段時間，使燃燒減緩，并使在燃燒時被加熱的反應(yīng)器部件降低溫度；(d)按順序重復(fù)上述(b)和(c)步驟，直至所述(b)步驟的排出氣體中二氧化碳含量低于約0.2%(體積)；(e)重新開始將烴原料進(jìn)料。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括在除焦過程中連續(xù)監(jiān)測排出氣體的操作。
3.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)的主體水蒸汽中空氣的濃度為約20-50%(重量)。
4.權(quán)利要求3的方法，其中步驟(b)的主體水蒸汽中空氣的濃度在整個除焦過程中是漸下降的。
5.權(quán)利要求3的方法，其中步驟(b)的空氣脈沖持續(xù)時間為約10-50秒。
6.權(quán)利要求5的方法，其中該空氣脈沖的持續(xù)時間在整個除焦過程中是漸減少的。
7.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(c)的空氣中斷持續(xù)時間為約5-30秒。
8.權(quán)利要求7的方法，其中的中斷持續(xù)時間在整個除焦過程中是漸增加的。
9.權(quán)利要求1的方法，還包括這樣的步驟，在步驟(d)的二氧化碳含量下降到低于0.2%(體積)之后，將空氣通過該通道一段時間，進(jìn)行最后空氣清焦處理。
10.權(quán)利要求1的方法，其中在該通道中的燃燒在進(jìn)行下一個空氣脈沖之前是熄滅的。
11.權(quán)利要求1的方法，其中在該排出氣體中二氧化碳的含量是應(yīng)用比重計測量其密度與空氣密度之比而測定的。
12.權(quán)利要求1的方法，其中該排出氣體中的二氧化含量是通過直接式儀器測定的。
13.權(quán)利要求12的方法，其中測定二氧化碳含量的直接式儀器是紅外分析儀。
14.權(quán)利要求1的方法，還包括這樣的操作，即在將烴類進(jìn)料中止后，將該排出氣體導(dǎo)至用于分離烴類反應(yīng)產(chǎn)生氣體的分離系統(tǒng)之外的地方。
15.權(quán)利要求14的方法，其中該排出氣體是導(dǎo)至該反應(yīng)器的燃燒室中，以使一切碎裂焦炭和來自水蒸汽-碳反應(yīng)的少量一氧化碳和氫燃燒掉。
全文摘要
一種為烴類反應(yīng)過程的通道進(jìn)行清焦的方法，該方法不需將反應(yīng)器停工或冷卻。所包括的步驟為中止烴類進(jìn)料；向主體水蒸汽中引入一系列空氣脈沖，該等脈沖為限定的持續(xù)時間，將焦炭燒掉，直至將焦炭清除；然后重新開始烴類進(jìn)料。
文檔編號C10G9/16GK1085593SQ93118038
公開日1994年4月20日 申請日期1993年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月5日
發(fā)明者D·A·鄧肯 申請人:史東及韋伯斯特工程公司