Піч для виробництва олефіну

1. Піч для виробництва олефіну, яка має пічний змійовик, яка відрізняється тим, що пічний змійовик виконано у вигляді труби з геометричною віссю (40), яка проходить по суті по спіральній траєкторії, причому амплітуда (А) змійовика є рівною половині внутрішнього діаметра (DI) труби або не C2 2 96729 1 3 переваг над прямими трубами. "Низькоамплітудна спіраль" означає, що труба такої форми має центральну лінію, що проходить суттєво спіральним шляхом, і амплітуда спіралі не перевищує половини внутрішнього діаметра трубопроводу. Коли рідина входить у ділянку трубопроводу, яка має форму такої спіралі, закручення потоку відбувається майже негайно. Закручений потік має переваги над звичайним потоком. Можуть бути знижені турбулентність і пов'язані з цим втрати тиску (і енергії). Крім того, в результаті змішування по перетину профіль швидкості потоку у поперечнику труби є більш однорідним або більш округленим порівняно з потоком у звичайній трубі, причому закручена рідина має тенденцію діяти як поршень, очищаючи стінки труби. Було виявлено, що закручений потік взагалі формується поперек труби по усій ширині через декілька діаметрів труби після входження у низькоамплітудну спіраль. Крім того, вторинний рух і змішування по поперечному перетину, пов'язані з закрученням потоку, забезпечують суттєву передачу маси, моменту і тепла у рідині у серцевині і між рідиною на стінках труби і рідиною усередині серцевини. Термін "амплітуда спіралі" тут означає значення максимального зміщення убік центральної лінії від середнього положення. Отже, амплітуда становить половину бічної ширини спіральної центральної лінії. Поперечний перетин трубопроводу звичайно залишається суттєво постійним уздовж труби, але може бути змінений залежно від бажаних конкретних характеристик. У низько-амплітудному спіральному трубопроводі такого типу, де амплітуда спіралі є меншою за половину внутрішнього діаметра труби, є "лінія прямої видимості" уздовж просвіту трубопроводу. Хоча по лінії прямої видимості потік може потенційно проходити прямою лінією, було виявлено, що він має закручений компонент. У цьому описі термін "відносна амплітуда" спірального трубопроводу означає амплітуду, поділену на внутрішній діаметр. Оскільки амплітуда спірального трубопроводу не перевищує половини внутрішнього діаметру труби, це означає, що відносна амплітуда не перевищує 0,5. Бажаними є відносні амплітуди, що не перевищують 0,45, 0,40, 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15, 0,1 або 0,05. Менші відносні амплітуди забезпечують краще використання наявного бічного об'єму, а трубопровід є взагалі не набагато ширшим за нормальну пряму трубу з такою ж площею поперечного перетину. Менші відносні амплітуди забезпечують також ширшу "лінію прямої видимості" і більше місця для встановлення датчиків тиску або іншого обладнання уздовж трубопроводу. Однак, дуже малі відносні амплітуди у деяких випадках призводять до зниження вторинного руху і змішування. З вищими числами Рейнольдса можна використовувати менші відносні амплітуди з збереженням достатнього закручення потоку. Взагалі це означає, що при даному внутрішньому діаметрі, який забезпечує високу швидкість потоку, можна використовувати низьку відносну амплітуду, достатню для створення закрученого потоку. Кут спіралі (або шаг, тобто довжина одного оберту спіра 96729 4 лі, яка може бути визначена через внутрішній діаметр труби) є також важливим фактором впливу на потік. Як і відносна амплітуда, кут спіралі може бути оптимізова-ний згідно з обставинами, зокрема, в'язкістю, густиною і швидкістю рідини, що проходить трубопроводом. Бажано, щоб кут спіралі не перевищував 65°, більш бажано, не перевищував 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10° або 5°. Взагалі для забезпечення задовільного закручення потоку при вищих числах Рейнольдса кут спіралі може бути меншим, а при нижчих числах Рейнольдса цей кут має бути більшим. Великий кут спіралі для швидших потоків (з вищими числами Рейнольдса) є взагалі небажаним, оскільки у цьому випадку поблизу стінок можуть виникати кишені застійної рідини. Отже, при даному числі Рейнольдса (або у межах чисел Рейнольдса), для забезпечення достатнього закручення кут спіралі бажано вибирати найнижчим з можливих. У деяких втіленнях, кут спіралі є меншим 20°. На фіг. зображено відрізок труби з низькоамплітудною спіральною геометрією. Ця труба 1 має круглий поперечний перетин, зовнішній діаметр DE, внутрішній діаметр DI і товщину стінки Т. Труба закручена у спіраль постійної амплітуди (від середини до крайньої точки) і має постійний крок Р, постійний кут спіралі [тета] і ширину W розмаху труби 1, зображені в уявній обвідній оболонці 20 меж, розташованому поздовжньо, і має ширину, що дорівнює ширині W розмаху спіралі. Уявна обвідна оболонка 20 можна розглядати як такий, що має центральну повздовжню вісь 30, яку можна розглядати як вісь спірального обертання. Труба 1 має пряму вісь 30, але зрозуміло, що центральна вісь може бути кривою або мати будь-яку форму згідно з вимогами. Труба має геометричну вісь 40, яка проходить спіральним шляхом навколо центральної повздовжньої осі 30. Можна бачити, що амплітуда є меншою за половину внутрішнього діаметра DI. При амплітуді нижче цього значення бічний об'єм, який займає труба і загальна довжина труби можуть бути відносно малими, причому спіральна форма труби сприяє закрученню потоку рідини уздовж труби. Цим також забезпечується відносно широкий просвіт уздовж труби, що дозволяє просувати уздовж труби інструменти, пристрої тощо. Використання низько-амплітудного спірального трубопроводу може бути корисним у багатьох процесах, пов'язаних з переміщенням транспортуванням рідини через труби, змішуванням рідини у трубах, нагріванням і масообміном з труби або усередину труби, у процесах, при яких у трубах відбувається накопичення відкладень або забруднення, і у процесах, в яких у трубі відбуваються хімічні реакції. Таке застосування поширюється на гази або рідини як єдині фази, або як багатофазні суміші газів, рідин і твердих речовин у будь-яких комбінаціях. Застосування таких трубопроводів може мати значний економічний ефект. Зниження турбулентності і пов'язане з цим зниження тиску, які забезпечуються закрученням потоку за певних умов дозволяє знизити витрати на прокачування. 5 Це може мати велике значення при розподіленні гідрокарбонів трубопровідними лініями у процесах, що включають видобуток нафти і газу. Прикладами можуть бути роздільні колони виробництва бензину і лінії для потоків, як берегові, так і прибережні, які можуть включати щонайменше одну секцію з низько-амплітудною спіральною геометрією. Низько-амплітудна спіральна геометрія покращує динаміку потоку у колоні або лінії потоку, зменшуючи турбулентність у них і знижуючи втрату тиску. Лінія потоку або роздільна колона можуть бути, по суті, вертикальними, горизонтальними або скривленими, маючи, наприклад, S-форму або форму катенарію. Лінія потоку або роздільна колона можуть бути жорсткими або гнучкими, або бути будь-якою комбінацією цих варіантів. Лінія потоку або роздільна колона можуть бути побудовані з застосуванням будь-якої комбінації матеріалів і можуть мати зміцнювальні кільця. Подібним чином насосно-компресорні колони для низхідних газових, нафтових, водяних свердловин або геотермальних джерел можуть бути трубами з низько-амплітудною спіральною геометрією. Щонайменше частина джерел можуть мати насосно-компресорні колони з низько-амплітудною спіральною геометрію. Отримані переваги включають зменшення турбулентності потоку і зниження втрати тиску. Крім того, у трубопроводах для транспортування гідрокарбонів можуть бути використані труби з низько-амплітудною спіральною геометрію, які знизять турбулентність потоку і втрати тиску. Труби з низько-амплітудною спіральною геометрією можуть бути використані і принести такі ж переваги у трубопроводах для транспортування інших рідин, наприклад, питної води, стічних вод і каналізаційних вод, шламу, порошкових матеріалів, харчових продуктів або напоїв, або будь-яких однофазних або багатофазних рідин. Зниження падіння тиску є особливо цінним у таких установках, як турбінні водоводи і всмоктувальні труби гідросилових установок. Зниження втрат тиску дає підвищення вихідної потужності, і навіть незначне зниження падіння тиску може давати дуже значне підвищення вихідної потужності протягом терміну експлуатації обладнання. Зниження падіння тиску є також важливим в вузлах розподілення пари на електростанціях і інших промислових виробництвах. Воно є важливим у процесах, пов'язаних з хімічними реакціями, де підтримання тиску на найнижчому можливому рівні є необхідним для поліпшення виходу, включаючи процеси, що проходять у вакуумі, наприклад, виробництво олефінів піролізом і виробництво стиролу з етилу бензолу. Змішування у трубах є важливим у багатьох галузях, включаючи хімічну, харчову, фармацевтичну, водяну і нафтову промисловість. Часто важливим є рівномірне розподілення невеликої кількості активної хімічної речовини у великій масі іншого матеріалу. У деяких випадках цей процес є відомий як дозування. Прикладами можуть бути додання антиоксиданту до різних матеріалів і харчових продуктів і додання хлору або луг до питної води. Низько-амплітудна спіраль завдяки власти 96729 6 вому їй доброму змішуванню, може знизити кількість активного хімічного матеріалу, необхідного для отримання концентрації, достатньої для реалізації певного метода і може забезпечити локальну відсутність неприйнятно високої (або низької) концентрації добавок. Змішування є важливим там, де потрібно об'єднувати два або більше потоків рідини таким чином, щоб вони не залишались розділеними. Змішування є важливим там, де потрібно утримувати рідину як стабільну змішану фазу (для відвернення небажаного розділення фаз). Це є необхідним у виробництві сирої нафти і газу, де відділення газу створює закупорювання, яке знижує пропускну здатність трубопроводів і підвищує експлуатаційні витрати. Використання низькоамплітудної спіральної геометрії знижує закупорювання у роздільних колонах виробництва бензину і лінях потоку, у насосно-компресорних колонах для свердловин і у трубопроводах для транспортування гідрокарбонів і інших рідини. Поліпшення змішування є також важливим у трубопроводах, оскільки допомагає утримувати газ або повітря у рідині і відвертає їх накопичення у високих місцях труби і створення повітряних пробок. Змішування є також важливим у транспортуванні твердих речовин рідиною, як це роблять при транспортуванні відходів або мінералів у трубопроводах у процесі видобутку мінералів для запобігання осадженню твердих речовин. Таке зниження седиментації (і відкладення мінералів і/або гідрокарбонів) має значення також у роздільних колонах виробництва бензину і лінях потоку і у трубах для свердловин. Зниження седиментації є важливим також у гідросилових установках. Крім того, у роздільних колонах виробництва бензину і лінях потоку і у трубах для свердловин поліпшення змішування знижує ризик втрати води. У статичних міксерах для хімічного дозування і процесах обробки харчових продуктів, хімічних матеріалів, продуктів нафтохімії і фармацевтичних продуктів також може знайти застосування низькоамплітудна спіральна геометрія. Перевагами є покращене перехресне змішування і зниження блокування відкладеннями. Крім того, як уже відзначалось, низько-амплітудна спіральна геометрія також знижує втрати тиску при змішуванні. Наявність "лінії прямої видимості" через просвіт уздовж низько-амплітудної спіральної секції і відсутність дефлекторів і лопастей, які є у звичайних міксерах, полегшує чищення. Це спрощує обслуговування і знижує знос. Покращеного змішування (зокрема, теплового змішування) і зниження втрати тиску можна досягти використанням низько-амплітудної спіральної геометрії, що дасть особливо високий ефект у теплообмінниках електростанцій, холодильних камерах, холодильних камерах з повітряною сепарацією тощо. Низько-амплітудні спіральні трубопроводи можуть бути застосовані для забезпечення повного змішування компонентів перед реакцією. Цим забезпечується більш повне завершення реакції і більш ефективне використання матеріалів. Змішування газоподібних або рідинних реагентів звичайно проводять перед проведенням їх 7 над каталізатором. Однак, варто відзначити, що таке змішування палива і повітря можна проводити перед подачею суміші у двигун внутрішнього згоряння. Це поліпшує процес внутрішнього згоряння і знижує кількість незгорі-лого або частково згорілого палива і твердих часток, що викидаються в атмосферу. Таке удосконалення також знижує вимоги і, отже, поліпшує функціонування каталітичного конвертера, розташованого після двигуна внутрішнього згоряння транспортного засобу. Оскільки низько-амплітудний спіральний трубопровід створює спіральний (закручений) потік у трубах і забезпечує більш округлений профіль швидкості, швидкість потоку і однорідність теплопередачі до і від рідини у трубі можуть бути поліпшені. У нормальному потоці, рідина поблизу центра труби рухається значно швидше, ніж рідина поблизу стінки, і тому, якщо труба нагрівається, рідина поблизу стінок нагрівається більше, ніж рідина поблизу центра. Однак, оскільки закручений потік має більш округлений (і тому більш однорідний) профіль швидкості, недогрівання або перегрівання рідини і супроводжуючі небажані явища є менш імовірними. Низько-амплітудний спіральний трубопровід дозволяє передавати таку ж кількість тепла з нижчою диференціальною температурою між внутрішньою і зовнішньою частинами труби. Це дає особливі переваги, коли до рідини додають певний компонент і обробляють його подібним чином (наприклад, нагріванням). При поганому змішуванні частина суміші, яка рухається швидко, отримає недостатню обробку, а більш повільна частина отримає надлишкову обробку; краще змішування, яке забезпечується низькоамплітудною спіральною геометрією, дозволяє уникнути цього і забезпечує більш однорідну обробку. Це може дати значний економічний ефект у печах, наприклад, печах крекінгу олефінів, печах попереднього нагрівання очисного термічного крекінгу або легкого крекінгу, у лінійних обмінниках олефінових виробництв, теплообмінниках електростанцій, холодильних камерах промислових рефрижераторних блоків, холодильних камерах вузлів сепарації повітря і взагалі у рефрижераторах. Округлений профіль швидкості дає переваги у гідросилових установках. Турбіни працюють краще з округленим профілем швидкості і тому використання низько-амплітудних спіральних елементів у гідросилових агрегатах може підвищити їх коефіцієнт корисної дії. Крім того закручений потік у гідросилових установках знижує кавітацію і зменшує напруження у трубі. "Поршнева" дія закрученого потоку, що створюється низько-амплітудним спіральним трубопроводом, може принести значні економічні переваги у випадках, коли відкладення тонких або інших твердих часток на внутрішньому боці стінки створює бар'єр для теплопередачі, або забруднює або послаблює потік рідини через трубу. Такі відкладення можуть бути присутніми у рідині або можуть бути створені хімічною реакцією між компонентами рідини. 96729 8 Можна сподіватись, що застосування низькоамплітудних спіральних трубопроводів значно знижуватиме такі тверді відкладення на внутрішніх стінках труби, подовжуватиме інтервали часу перед чищенням, зменшуватиме необхідну кількість тепла і знижуватиме падіння тиску. Економічний ефект може бути особливо значним при транспортуванні твердих матеріалів у рідинних трубопроводах, а також у виробництві олефінів піролізом, де відкладення коксу у змійовиках печі потребує їх виймання для чищення (звичайно кожні 20-60 днів)л Подібні явища властиві іншим печам, наприклад, печам попереднього нагрівання у процесах крекінгу. Округлений профіль швидкості і "поршнева" дія є особливо корисними у процесах групової обробки, звичайних у фармацевтиці і обробці харчових продуктів. Округлений профіль швидкості може знизити аксіальну дисперсію пакетів і забезпечити досягнення пікової концентрації значно швидше, ніж у звичайних пристроях. Це є особливо цінним, якщо групи є малими. Крім того, "поршневий потік" допомагає видалити залишки попередніх компонентів з стінок труби після переходу на інший компонент, і знизити можливість забруднення при груповій обробці. Час промивання усієї довжини труби зменшується, і також знижується кількість рідини, необхідна для промивання. Використання низько-амплітудних спіральних трубопроводів може також принести економію матеріалів, коли у трубі або трубах проходять хімічні реакції. Поліпшене змішування разом з більш однорідною теплопередачею підвищують вихід і сприяють завершенню реакції (включаючи згоряння). Підвищення виходу знижує витрати на подальшу сепарацію. Приклади процесів, в яких це може бути важливим, включають виробництво олефінів і подібні реакції газової фази, зокрема, крекінг толуолу для отримання бензолу, і перетворення бутену-1 у бутадієн. У випадках, коли такі реакції пов'язані з більш, ніж однією молекулою продукту на кожну молекули вихідного матеріалу, зниження падіння тиску у реакторі і подальших трубопроводах, якого можна досягти, застосовуючи низько-амплітудний спіральний трубопровід, дає додаткові переваги завдяки нижчому середньому тиску, оскільки знижується можливість рекомбінації молекул продукту з утворенням вихідної сполуки або інших небажаних співпродуктів. Крім того, використання низько-амплітудної спіральної геометрії у реакторах нафтохімічної і фармацевтичної галузей може знизити відкладення карбону у трубах реактора, що є особливо важливим у нафтохімії. Поліпшене змішування і більш однорідна теплопередача також сприяють реакціям згоряння без подачі додаткового повітря (більше, ніж потрібно стехіометрією реакцій). Це є особливо важливим для сміттєспалювання або у печах для спалювання відходів, де необхідно забезпечувати повне завершення реакції для запобігання викидів у довкілля реагентів і/або часток, шкідливих для здоров'я людини. Цього можна уникнути і досягти повного згоряння проведенням гарячих газів згоряння через секцію трубопроводу, виконану як 9 низько-амплітудну спіраль, перед виведенням їх в атмосферу. Проведення закрученого потоку через піч підвищує швидкість і повноту згоряння і видалення відходів. При використанні з потоками, що включають дві або більше різних фаз, низько-амплітудна спіральна секція може бути використана для сепарації "у лінії" суміші рідин з різними густинами. Закручення, що створюється спіральним потоком, відцентровою дією зміщує компоненти вищої густини у напрямку стінок труби, а компоненти нижчої густини до центральної лінії. Належними засобами компоненти вищої (або нижчої) густини можуть бути виведені, з створенням підвищеної концентрації компонентів, що залишились. Цей процес може бути повторений за допомогою подальших вбудованих у лінію статичних сепараторів. Таку сепарацію можна застосувати для видалення газів з рідин і можна використати для зниження закупорювання в обладнанні нафтохімічної галузі. Подібне рішення може бути застосоване для підвищення або зниження концентрації часток у потоці рідини. Для цього можна відбирати рідину з зони поблизу центральної лінії або з зони поблизу стінок. Крім того, закручений потік, що створюється низько-амплітудною спіральною секцією, може бути використаний для видалення часток з потоку. Це є особливо важливим, наприклад, у повітрезабірниках, які широко застосовуються там, де потрібно отримувати велику кількість повітря, зокрема, у транспортних засобах, де повітря є необ 96729 10 хідним для згоряння і/або охолодження. Для повітрезабірників гелікоптерів, зокрема, потрібні пилосепаратори для відвернення проникнення пилу у двигун, і закручений потік, що створюється низькоамплітудною спіральною геометрією, може бути використаний для сепарації пилу з повітряного потоку без застосування сепараційних фільтрів. Крім того, було виявлено, що закручений потік, створений низько-амплітудною спіральною секцією, продовжується на деякій відстані далі у прямий трубі. Отже, секція низько-амплітудного спірального трубопроводу може бути встановлена перед такими структурами, як вигини, Т- або Yрозгалуження, колектори і/або зміни поперечного перетину каналу, де закручений потік, створений низько-амплітудною спіральною секцією, перешкоджає сепарації потоку, стагнації і виникненню нестабільності потоку і завдяки цьому знижує витрати на прокачування і зменшує корозію і знос у трубах. Особливою перевагою застосування закрученого потоку на згині, з'єднанні тощо є зниження сепарації потоку, зниження втрати тиску, зниження седиментації і відкладень, зниження кавітації і підвищення стабільності потоку. Низькоамплітудна спіральна геометрія труби перед згинами також знижує абразивну ерозію у згинах труби, що є особливо цінним для подачі палива до електростанцій. Зрозуміло, що трубопровід з низько-амплітудною спіральною геометрією може принести багато переваг у численних ситуаціях. 11 96729 12 13 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 96729 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601