一种加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备
技术领域
本实用新型涉及化工领域，特别涉及一种加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备。
背景技术
低碳烃类轻质能源等小分子烃类主要来自石油烃的高温裂解。高反应温度和短停留时间有利于获得尽可能高的轻质烃类产率，也有利于减少二次副产物的生成，这就要求在极短的时间内向裂解反应供给大量热量。
从传热的角度，现有的热裂解可分为直接加热裂解和间接加热裂解，前者指热源不经传热介质将热量直接传入反应体系，后者则需通过传热介质(反应管壁)向反应体系传递热量。
间接加热裂解的典型代表是采用管式裂解炉的蒸汽裂解技术，作为蒸汽裂解技术的核心，管式裂解炉技术经过长期的不断改进，性能已近完善。
大量的研究已表明，裂解反应温度的提高显著提高轻质烃类(特别是低碳烯烃)的收率。为了进一步地提高裂解收率，发展出了直接加热的裂解设备。
然而，现有的直接加热裂解设备，裂解反应的压力较低，为0.1-0.5MPa，较低的压力造成设备容积处理量小，对于大规模乙烯装置设备的投资大幅增加。并且，制备低碳烃类的深冷、分离步骤之前将裂解气压缩，也就是需要较高压力，这样增加了工艺压缩机的设备投资和能耗，生产效率低。
因此，需要提供一种加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备，以至少部分解决现有技术中存在的问题。
实用新型内容
在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本实用新型提供一种加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备，包括：
至少一个反应装置，所述反应装置包括：
燃烧室，所述燃烧室用于燃料和氧气的燃烧，以产生温度为2500～3000℃的烟气，
裂解室，所述裂解室位于所述燃烧室的下方并与所述燃烧室流体连通，所述裂解室沿轴向方向构造为变径结构，并且所述裂解室的内径小于所述燃烧室的内径，以使得裂解原料在所述裂解室内与来自所述燃烧室的所述烟气混合换热并在预定压力下反应预定时间，生成裂解产物；以及
换热装置，所述换热装置位于所述反应装置的下方并与所述裂解室流体连通，所述换热装置用于冷却所述裂解产物。
根据本实用新型的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备，提高了反应的温度和压力的同时大幅度降低了反应时间，有效提高了轻质烃类的收率。
进一步地，所述变径结构为文丘里结构或锥筒结构。
进一步地，所述换热装置的水平截面为圆形，至少三个所述反应装置沿圆环形间隔设置在所述换热装置的上方；或者
所述换热装置的水平截面为方形，至少两个所述反应装置以直线排布的方式间隔设置在所述换热装置的上方。
进一步地，所述设备还包括急冷装置，所述急冷装置设置在所述反应装置和所述换热装置的连接处，并与所述换热装置流体连通，所述急冷装置的数量与所述反应装置的数量对应，所述急冷装置用于将所述裂解产物急冷降温。
进一步地，所述换热装置的内部设置有至少一个沿所述换热装置的高度方向延伸的换热器，以减少内部气流的返混、回收余热并将所述裂解产物降温至200～300℃。
进一步地，所述设备还包括：
燃料输入管口，所述燃料输入管口位于所述燃烧室的上方并与所述燃烧室连通；
裂解原料输入管口，所述裂解原料输入管口与所述裂解室流体连通；以及
蒸汽调温管口，所述蒸汽调温管口与所述燃烧室流体连通。
进一步地，所述反应装置的侧壁由内至外包括隔热层和/或冷却层。
附图说明
本实用新型实施方式的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施方式及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中，
图1为根据本实用新型的第一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备的结构示意图；
图2为图1中的反应装置的结构示意图；
图3为根据本实用新型的第一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备的俯视示意图；
图4为根据本实用新型的第二种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备的俯视示意图；
图5为根据本实用新型的一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法的流程示意图；
图6为根据本实用新型的另一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法的流程示意图；以及
图7为根据本实用新型的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法的工艺流程框图；
附图标记说明：
100：加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备
1：反应装置 11：燃烧室
12：裂解室13：冷却层
2：换热装置 21：换热器
3：燃料输入管口 4：裂解原料输入管口
5：急冷装置 6：蒸汽调温管口
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本实用新型实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本实用新型实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。
本实用新型的第一种实施方式提供一种加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备100，请参考图1，包括至少一个反应装置1和换热装置2。其中，换热装置2位于反应装置1的下方并与裂解室12流体连通。
反应装置1进一步包括燃烧室11和裂解室12。燃烧室11用于燃料和氧气的燃烧，以产生温度为2500～3000℃的烟气；裂解室12位于燃烧室11的下方并与燃烧室11流体连通，裂解室12沿轴向方向构造为变径结构，并且裂解室12的内径小于燃烧室11的内径，以使得裂解原料在裂解室12内与来自燃烧室11的烟气混合换热并在预定压力下反应预定时间生成裂解产物。换热装置2用于冷却裂解产物。
根据本实用新型的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备100，提高了反应的温度和压力的同时大幅度降低了反应时间，有效提高了轻质烃类的收率。
为了进一步提高设备中气体的运行速度，缩短反应时间，裂解室12的变径结构优选为文丘里结构，具体为裂解室12的内径从上到下先减小再增大。或者，裂解室12的变径结构可以为锥筒结构，具体为裂解室12的内径从上到下逐渐减小。
具体请参考图1和图2，燃烧室11的顶部设置有与燃烧室11连通的燃料输入管口3，燃料输入装置(未示出)将燃料和氧气通过燃料输入管口3输入燃烧室11进行燃烧，产生温度为2500～3000℃的烟气，烟气进入裂解室12。燃烧过程中，控制氧气和燃料的当量比保持为能够完全燃烧或者欠氧燃烧。
裂解室12的侧壁上设置有与裂解室12流体连通的裂解原料输入管口4，裂解原料输入装置(未示出)将预加压并预热后的裂解原料通过裂解原料输入管口4雾化喷入裂解室12。
裂解原料通过预热换热器或预热加热炉预热至200～400℃，通过预加压装置加压为0.5～4.0MPa。
来自燃烧室11的烟气和加温加压的雾化裂解原料在裂解室12中迅速混合，并在压力为0.5～4.0MPa、温度为800～1200℃的条件下反应0.05到0.2秒，生成裂解产物。
反应装置1和换热装置2的连接处设置有与换热装置2流体连通的急冷装置5，急冷装置5的数量与反应装置1的数量对应。具体地，每一个反应装置1和换热装置2的连接处设置两个急冷装置5。急冷装置5的数量可以根据需要设置，例如在未示出的实施方式中，每一个反应装置1和换热装置2的连接处也可以设置一个、三个或四个急冷装置5。急冷装置5向换热装置2内喷入急冷水，以将裂解产物急冷降温至400～500℃，终止二次反应。
继续参考图1，换热装置2中设置有若干沿换热装置2的高度方向延伸的换热器21，用于对经过急冷的裂解产物导流以减少内部气流的返混、回收余热并将裂解产物降温至200～300℃。若干个换热器21之间互相平行设置。换热器21优选为导流换热管束，更优选为水冷换热屏。换热器21上具有清洁器。清洁器优选为吹灰器或振打器。换热装置2优选为废热锅炉，回收余热并进行废热利用。
下面请参考图2，反应装置1的侧壁由内至外依次包括隔热层(未示出)和冷却层13。冷却层13构造为在侧壁的夹层中设置冷却水盘管或列管。或者冷却层13构造为水夹套。隔热层(未示出)优选为耐火隔热材料制成。在一种可选实施方式中，反应装置1的侧壁仅由隔热层组成。
反应装置1的侧壁上还设置有与燃烧室11流体连通的蒸汽调温管口6，蒸汽调温装置(未示出)将高温蒸汽通过蒸汽调温管口6输入燃烧室11，用于维持燃烧室11内的温度在预定范围。
下面请参考图3，换热装置2的水平截面为圆形，若干个反应装置1沿环形间隔设置在换热装置2的上方。具体地，反应装置可以沿一个圆环形排布，也可以沿两个或多个同心排布的圆环排布，每一个圆环上的相邻的两个反应装置1之间的圆心角相等。换句话说，每两个相邻的反应装置1之间的弧长可以均相等。
如图3中所示，图示实施方式的排布方式为：八个反应装置1以换热装置2的轴线为轴心围成第一个环形，八个反应装置1构成第一个环形的内接正八边形的顶点；四个反应装置1以换热装置2的轴线为轴心围成第二个环形，四个反应装置1构成第二个环形的内接正四边形的顶点。其中，两个环形同心。此外，第一个环形的半径可以为第二个环形半径的两倍。
此外，燃料输入管口3、裂解原料输入管口4和蒸汽调温管口6中管线前端均设有流量均分器(未示出)；在燃料输入管口3的顶部设有火焰视频燃烧检测系统(未示出)；裂解室12和换热装置2中均设有热电偶温度监控器(未示出)。
图4为本实用新型的第二种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备100，基本结构与本实用新型的第一种实施方式相类似，区别在于换热装置2的水平截面为方形，若干个反应装置1以直线排布的方式间隔设置在换热装置2的上方。具体地，四个反应装置1呈“一”字形设置在换热装置2的上方，每两个相邻的反应装置1之间的间隔相等。
图5为根据本实用新型的一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法的流程示意图，图6为根据本实用新型的另一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法的流程示意图，图7为该方法工艺流程框图。该方法在加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备100上实施。
图5所示实施方式的方法包括：
S1，将裂解原料加压为3.5～4.0MPa，预热为200～400℃。
裂解原料的预热由预热换热器或预热加热炉完成，加压由预加压装置完成。裂解原料为轻烃(如液化石油气、液化天然气、乙烷丙烷或丁烷)、石脑油或轻柴油馏分中的至少一种。
S2，将燃料和氧气输入燃烧室11进行燃烧，产生温度为2500～3000℃的烟气，烟气进入裂解室12。
燃料和氧气优选为预先加压。燃烧过程中，使氧气和燃料的当量比保持为能够完全燃烧或者欠氧燃烧。
烟气的温度通过控制燃料的流量进行调节。优选地，烟气的温度受到从蒸汽调温管口6输入的蒸汽和燃料的流量的双重调节。
燃料为气体燃料或液体燃料。其中，气体燃料为乙烷、丙烷、天然气、富氢瓦斯中的至少一种；液体燃料为汽油、柴油或乙醇中的至少一种。
S3，将步骤S1中的裂解原料雾化喷入裂解室12，与烟气混合换热并升温至800～1200℃，在压力为3.5～4.0MPa的条件下反应预定时间，生成裂解产物。
其中，预定时间大于0.05秒且小于0.2秒。
裂解产物中具有轻质烃类、二氧化碳、水和氢气等成分，其中二氧化碳和水等其它组分能够降低轻质烃类的分压，有助于裂解反应的正向进行，提高产率。
S4，将裂解产物急冷降温至400～500℃。
具体来说，急冷装置5向换热装置2内喷入雾化的急冷水，对裂解产物进行急冷降温，以终止裂解产物的二次反应。
S5，所述换热装置对所述裂解产物进行换热，以使得所述裂解产物降温至200～300℃。
S6，对裂解产物依次进行脱二氧化碳和冷却，得到裂解气。
脱二氧化碳工序一般在3.5MPa以上的压力下进行，根据实际压力再考虑压缩工序。脱二氧化碳工序中脱出裂解产物中的二氧化碳、酸性气体和水。例如，当压力大于3.5MPa时，即裂解产物的压力为3.5-4.0MPa，无需将裂解产物再次压缩，可直接进行脱二氧化碳工序。
S7，分离裂解气中的轻质烃类组分。
分离出的轻质烃类组分中具有乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷等成分。剩余组分中具有氢气、一氧化碳等成分，可用于回收利用，例如可以当作燃烧室11的燃料。
根据本实用新型的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法，在加压直接加热裂解制备轻质烃类的设备100上实施，裂解室12内的高压和裂解室12的变径结构相结合，使得裂解产物在裂解室12中的运行速度非常快，裂解产物能够以近音速的速度进入换热装置2，大幅度降低了反应时间，比现有技术降低0.1秒左右，并且裂解反应的温度比现有技术高200℃左右，提高了轻质烃类的收率。此外，压力大于3.5MPa时后续工艺中可能还无需再增加压缩步骤，生产效率高。
根据本实用新型的另一种实施方式的加压直接加热裂解制备轻质烃类的方法中，参考图6，步骤S1中裂解反应在0.5-3.5MPa的压力下进行，使得裂解产物的压力小于3.5MPa，需要对裂解产物进行压缩后再执行脱二氧化碳步骤。
此时，步骤S5和步骤S6之间还需要执行步骤S8，压缩裂解产物，使得裂解产物的压力大于3.5MPa。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本实用新型已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。
