FR2675499A1 - Process and device for the steam cracking of a hydrocarbon charge comprising a gas generator and a heat exchanger/reactor - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour réaliser des réactions chimiques endothermiques par passage de la charge dans un échangeur thermique sous pression et à haute température.The invention relates to a method and a device for carrying out endothermic chemical reactions by passing the charge through a heat exchanger under pressure and at high temperature.
L'invention s'applique à la mise en oeuvre d'une réaction non catalytique comme la pyrolyse de gaz contenant du méthane ou le vapocraquage d'une charge hydrocarbonée telle que du naphta ou de l'éthane, conduisant à la production d'éthylène.The invention applies to the implementation of a non-catalytic reaction such as the pyrolysis of gases containing methane or the steam cracking of a hydrocarbon feed such as naphtha or ethane, leading to the production of ethylene .
Les réactions impliquées dans ces applications mettent en jeu des quantités de chaleur qui doivent être fournies pendant un temps très court et donc il est intéressant de pouvoir disposer de réacteur susceptible de délivrer un flux thermique élevé, selon un profil de température de type carré, ou rectangulaire.The reactions involved in these applications involve quantities of heat which must be supplied for a very short time and therefore it is advantageous to be able to have a reactor capable of delivering a high thermal flux, according to a square type temperature profile, or rectangular.
Le chauffage à très haute température (par exemple 100000 et au dessus) de systèmes réactionnels tel que le vapocraquage d'hydrocarbures implique, selon l'art antérieur, des brûleurs alimentés par du fuel dans un four de type radiatif.Heating at very high temperature (for example 100,000 and above) of reaction systems such as steam cracking of hydrocarbons involves, according to the prior art, burners supplied with fuel in an oven of the radiative type.
Les tubes dans lesquels les réactifs s'écoulent, sont soumis à un échange de chaleur de type principalement radiatif, la contribution du chauffage par convection étant minimal.The tubes in which the reactants flow, are subjected to a heat exchange of mainly radiative type, the contribution of convection heating being minimal.
L'échange de chaleur radiatif implique qu'il n'y ait pas d'écran entre la source de chaleur et les tubes à chauffer. Dans ces conditions, le nombre de tubes à l'intérieur d'une chambre de brûleurs à parois multiples, ne peut être que limité. De plus, les contraintes de perte de charge et de temps de séjour imposent que la longueur des tubes individuels ne peut être ajustée à volonté afin de compenser ce nombre limité de tubes. II en résulte généralement un compromis au niveau du système de transfert thermique entre une chambre volumineuse de brûleurs et une surface totale plutôt petite d'échange de chaleur.Ce sont en fait le mécanisme de transfert thermique radiatif et l'exposition à une température très élevée (voisine de celle de la flamme) qui sont les facteurs compensateurs sur lesquels il est possible d'intervenir pour atteindre le niveau requis de l'échange thermique.The radiative heat exchange implies that there is no screen between the heat source and the tubes to be heated. Under these conditions, the number of tubes inside a multi-wall burner chamber can only be limited. In addition, the pressure drop and residence time constraints mean that the length of the individual tubes cannot be adjusted at will in order to compensate for this limited number of tubes. This generally results in a compromise in the heat transfer system between a large burner chamber and a rather small total surface area for heat exchange. These are in fact the radiative heat transfer mechanism and exposure to a very high temperature. (close to that of the flame) which are the compensating factors on which it is possible to intervene to reach the required level of heat exchange.
A l'échelle industrielle, les contraintes de construction ainsi que les contraintes économiques obligent le montage en parallèle d'un bon nombre de fours identiques pour atteindre la capacité maximale de chauffage. Par exemple, il peut s'avérer nécessaire d'utiliser dans une unité jusqu'à treize fours de pyrolyse identiques dans le cas de la pyrolyse à la vapeur de naphta pour produire 400 000 tonnes d'éthylène par an. On an industrial scale, construction constraints as well as economic constraints require the parallel installation of a good number of identical ovens to reach the maximum heating capacity. For example, it may be necessary to use up to thirteen identical pyrolysis furnaces in a unit in the case of steam pyrolysis of naphtha to produce 400,000 tonnes of ethylene per year.
Un inconvénient de la technologie décrite ci-dessus concerne l'exigence de grandeur des installations d'où un besoin d'une grande quantité d'acier de construction et d'une grande surface au sol.One drawback of the technology described above concerns the size requirement of the installations, hence the need for a large quantity of structural steel and a large floor area.
Un autre inconvénient de ce type de technologie est lié à l'exposition à une très haute température affectant la résistance à l'effort des matériaux. En effet, un tube soumis à très haute température à tendance à se dilater aussi bien axialement que transversalement. Cette dilatation transversale peut être exaltée par la pression règnant à l'intérieur des tubes d'autant plus que la pression à l'extérieur des tubes est sensiblement voisine de la pression atmosphérique. II s'en suit que l'épaisseur des tubes doit être augmentée, pour prévenir les risques de ruptures, ce qui coûte finalement plus cher.Another drawback of this type of technology is linked to exposure to a very high temperature affecting the resistance to stress of the materials. Indeed, a tube subjected to very high temperature tends to expand both axially and transversely. This transverse expansion can be exalted by the pressure prevailing inside the tubes all the more that the pressure outside the tubes is substantially close to atmospheric pressure. It follows that the thickness of the tubes must be increased, to prevent the risk of ruptures, which ultimately costs more.
Un autre inconvénient lié à l'exposition à une très haute température concerne une augmentation du cokage à l'intérieur des tubes réactionnels, ce qui nécessite des arrêts plus fréquents des installations.Another drawback linked to exposure to a very high temperature concerns an increase in coking inside the reaction tubes, which requires more frequent shutdowns of the installations.
L'invention remédie à ces inconvénients et permet d'obtenir d'excellents résultats, notamment en termes de bilan énergétique, mais aussi en termes de rendement.The invention overcomes these drawbacks and makes it possible to obtain excellent results, in particular in terms of energy balance, but also in terms of yield.
De manière plus précise, I'invention concerne un procédé de vapocraquage à partir d'un mélange gazeux d'une charge hydrocarbonée contenant de 2 à 20 atomes de carbone et de vapeur d'eau, comportant une phase de chauffage dans une zone de chauffage dans des conditions appropriées, qui délivre un effluent chaud de vapocraquage riche en éthylène et une phase de refroidissement rapide dudit effluent dans une zone de refroidissement dans des conditions appropriées et l'on récupère ledit effluent de vapocraquage refroidi, caractérisé en ce que:: - on introduit ledit mélange de préférence préalablement chauffé, dans un rapport adéquat
hydrocarbures sur vapeur d'eau à une des extrêmités d'un réacteur-échangeur de chaleur
sous pression à tubes et à calandre, et on fait circuler le mélange à l'intérieur d'une pluralité
de tubes de préférence sensiblement parallèles entre eux, contenus dans ledit réacteur
échangeur, - on effectue la phase de chauffage du mélange gazeux dans le réacteur-échangeur de
chaleur selon les étapes suivantes: a) on fait passer dans des conditions de débit appropriées une quantité d'air et une quantité
de combustible dans au moins un générateur à gaz, adapté à délivrer des gaz de chauffage
à une pression et à une température adéquates; b) on envoie lesdits gaz à une entrée de la calandre du réacteur-échangeur de chaleur à l'une
des extrêmités, de préférence côté introduction du mélange, et on fait circuler lesdits gaz
dans la calandre du réacteur-échangeur de chaleur de façon à échanger de la chaleur
indirectement avec le mélange gazeux; c) on évacue lesdits gaz de chauffage par une sortie de la calandre à l'autre extrêmité, et l'on
récupère un effluent chaud de vapocraquage riche en éthylène que l'on envoie
immédiatement dans la zone de refroidissement.More specifically, the invention relates to a process for steam cracking from a gaseous mixture of a hydrocarbon feed containing from 2 to 20 carbon atoms and water vapor, comprising a heating phase in a heating zone under appropriate conditions, which delivers a hot ethylene-rich steam cracking effluent and a rapid cooling phase of said effluent in a cooling zone under appropriate conditions and said cooled steam cracking effluent is recovered, characterized in that: - said mixture is preferably introduced beforehand, in an adequate ratio
hydrocarbons on water vapor at one end of a reactor-heat exchanger
under tube and shell pressure, and the mixture is circulated within a plurality
preferably substantially mutually parallel tubes contained in said reactor
exchanger, - the gas mixture is heated in the reactor-exchanger of
heat according to the following stages: a) an amount of air and a quantity of air are passed under appropriate flow conditions
of fuel in at least one gas generator, adapted to deliver heating gases
at adequate pressure and temperature; b) said gases are sent to an inlet of the shell of the heat exchanger-reactor to one
ends, preferably on the introduction side of the mixture, and said gases are circulated
in the shell of the heat exchanger-reactor so as to exchange heat
indirectly with the gas mixture; c) said heating gases are evacuated through an outlet from the calender at the other end, and
collects a hot ethylene-rich steam cracking effluent that is sent
immediately in the cooling zone.
Le générateur à gaz délivre des gaz sous pression qui comportent de 10 à 20% d'oxygène en volume et des produits de combustion résultant de la combustion du combustible, par le volume d'air introduit puis comprimé. On désignera donc ce mélange par le terme de gaz de chauffage. Généralement la pression de ces gaz est de 4 à 20 bar (1 bar = 105Pa) et leur température de 600 à 1400"C. The gas generator delivers pressurized gases which comprise from 10 to 20% of oxygen by volume and combustion products resulting from the combustion of the fuel, by the volume of air introduced and then compressed. This mixture will therefore be designated by the term heating gas. Generally the pressure of these gases is from 4 to 20 bar (1 bar = 105 Pa) and their temperature from 600 to 1400 "C.
Selon une caractéristique du procédé la température ainsi atteinte et plus précisément la gamme de températures la plus élevée, peut être obtenue, au moins en partie, par la combustion d'une quantité appropriée de combustible, grâce à au moins une partie des gaz de combustion qui contiennent la quantité d'oxygène requise provenant du générateur à gaz, dans une zone de post-combustion en aval du générateur à gaz. Avantageusement, cette quantité d'oxygène peut atteindre 15 à 19% en volume à la sortie du générateur à gaz. La température de ce gaz est généralement supérieure à la température d'initiation de la combustion du combustible injecté.According to a characteristic of the process, the temperature thus reached and more precisely the highest temperature range, can be obtained, at least in part, by the combustion of an appropriate quantity of fuel, thanks to at least part of the combustion gases. which contain the required amount of oxygen from the gas generator, in an afterburner downstream of the gas generator. Advantageously, this quantity of oxygen can reach 15 to 19% by volume at the outlet of the gas generator. The temperature of this gas is generally higher than the initiation temperature of the combustion of the injected fuel.
On a obtenu d'excellentes caractéristiques de fonctionnement du réacteur-échangeur de chaleur lorsque la pression des gaz assurant le chauffage des tubes réactionnels était de 6 à 10 bar et leurtempérature de 1000 à 1200"C. Excellent operating characteristics of the heat exchanger-reactor were obtained when the pressure of the gases ensuring the heating of the reaction tubes was 6 to 10 bar and their temperature from 1000 to 1200 "C.
Selon une autre caractéristique du procédé, les gaz de chauffage sont en général introduits dans la calandre à un débit massique au moins égal à deux fois celui du mélange gazeux introduit dans les tubes, par exemple de 2 à 10 fois, et de préférence de 5 à 8 fois, de façon que la chute de température des gaz à la sortie de la calandre soit au plus égale à 1 500C et de préférence comprise entre 50 et 100 C. According to another characteristic of the process, the heating gases are generally introduced into the calender at a mass flow rate at least equal to twice that of the gas mixture introduced into the tubes, for example from 2 to 10 times, and preferably from 5 at 8 times, so that the temperature drop of the gases at the outlet of the grille is at most equal to 1500C and preferably between 50 and 100 C.
Selon une autre caractéristique du procédé, le temps de séjour du mélange gazeux (hydrocarbures et vapeur d'eau) dans le réacteur-échangeur est en général de 80 à 400 ms et avantageusement de 100 à 300 ms.According to another characteristic of the process, the residence time of the gaseous mixture (hydrocarbons and water vapor) in the reactor-exchanger is generally from 80 to 400 ms and advantageously from 100 to 300 ms.
Selon une autre caractéristique du procédé, on évacue habituellement l'ensemble des gaz, c'est-à-dire les gaz de combustion à la sortie du générateur à gaz, et ceux résultant de la postcombustion qui ont circulé à travers la calandre pour chauffer les tubes réactionnels, à une température généralement comprise entre 580"C et 12500C, de préférence entre 900 et 1 0500C et sous un pression de 3 à 19 bar, de préférence 5 à 7 bar et on peut envoyer ces gaz dans un second échangeur de chaleur gaz-gaz, dans lequel on préchauffe le mélange d'hydrocarbures et de vapeur, de préférence à contre-courant du sens d'écoulement de ces gaz à une température généralement inférieure de 50 à 100"C à la température initiale de craquage de la charge, par exemple entre 500 et 650"C. According to another characteristic of the process, all of the gases are usually evacuated, that is to say the combustion gases at the outlet of the gas generator, and those resulting from the afterburning which circulated through the calender to heat the reaction tubes, at a temperature generally between 580 "C and 12500C, preferably between 900 and 10500C and under a pressure of 3 to 19 bar, preferably 5 to 7 bar and these gases can be sent in a second heat exchanger gas-gas heat, in which the mixture of hydrocarbons and steam is preheated, preferably against the flow direction of these gases at a temperature generally 50 to 100 "C below the initial cracking temperature of the load, for example between 500 and 650 "C.
Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse du procédé, on peut récupérer les gaz ayant traversé le second échangeur de chaleur, à une température de 550 à 950"C et sous une pression de 3 à 19 bar, de préférence à 700-950"C sous 4 à 10 bar pour les envoyer dans au moins une turbine de récupération de puissance capable d'alimenter des utilités pour le fonctionnement de l'unité de vapocraquage (la compression de la charge par exemple).According to another particularly advantageous characteristic of the process, the gases having passed through the second heat exchanger can be recovered, at a temperature of 550 to 950 "C and under a pressure of 3 to 19 bar, preferably at 700-950" C under 4 to 10 bar to send them to at least one power recovery turbine capable of supplying utilities for the operation of the steam cracking unit (load compression for example).
L'invention concerne aussi le dispositif pour la mise en oeuvre d'une réaction endothermique telle qu'une réaction de vapocraquage, comportant un réacteur de chauffage et un organe adapté à réaliser un quench et connecté audit réacteur de chauffage, caractérisé en ce que le réacteur de chauffage comporte en combinaison: a) un générateur à gaz (1) comportant une première entrée (3) d'air et une seconde entrée
(5) d'un combustible, adapté à délivrer par une sortie des gaz de chauffage à une
température et à une pression déterminées; b) un réacteur échangeur de chaleur (11) sous pression de forme allongée, de préférence
vertical, à tubes (12) et à calandre (14) comportant à l'une de ses extrêmités une entrée
desdits gaz reliée à la sortie du générateur à gaz et connectée à la calandre (14) du
réacteur-échangeur dans laquelle lesdits gaz circulent, et des moyens (13) d'alimentation
en un mélange gazeux approprié comportant au moins un hydrocarbure reliés à une
pluralité de tubes (12) réactionnels, lesdits tubes étant de préférence sensiblement
parallèles entre eux et de préférence sensiblement parallèles à l'axe longitudinal du
réacteur-échangeur, ladite calandre comportant des moyens de turbulence des gaz y
circulant, permettant un chauffage indirect desdits tubes, ledit réacteur-échangeur
comportant à l'autre extrêmité, une sortie (17) desdits gaz ayant circulé à travers la calandre
et des moyens d'évacuation (24, 26) d'un effluent gazeux chaud connectés auxdits tubes
réactionnels, ledit réacteur-échangeur étant connecté audit organe (27) à quench dont
une entrée est reliée aux moyens d'évacuation (26) de l'effluent gazeux chaud et dont une
sortie est connectée à des moyens (28) de collecte de 'effluent refroidi.The invention also relates to the device for carrying out an endothermic reaction such as a steam cracking reaction, comprising a heating reactor and a member adapted to produce a quench and connected to said heating reactor, characterized in that the heating reactor comprises in combination: a) a gas generator (1) comprising a first air inlet (3) and a second inlet
(5) a fuel, adapted to deliver by an outlet of the heating gases to a
temperature and pressure determined; b) an elongated pressure heat exchanger reactor (11), preferably
vertical, with tubes (12) and grille (14) having at one of its ends an inlet
of said gas connected to the outlet of the gas generator and connected to the calender (14) of the
reactor-exchanger in which said gases circulate, and supply means (13)
in a suitable gas mixture comprising at least one hydrocarbon connected to a
plurality of reaction tubes (12), said tubes preferably being substantially
parallel to each other and preferably substantially parallel to the longitudinal axis of the
reactor-exchanger, said shell comprising means for turbulence of the gases
circulating, allowing indirect heating of said tubes, said reactor-exchanger
comprising at the other end, an outlet (17) of said gases having circulated through the calender
and means for discharging (24, 26) a hot gaseous effluent connected to said tubes
reaction vessels, said reactor-exchanger being connected to said quench member (27),
an inlet is connected to the means for discharging (26) the hot gaseous effluent and one of which
outlet is connected to means (28) for collecting cooled effluent.
Le générateur à gaz comprend en général un compresseur axial (2) comportant un arbre (7) de transmission relié à la première entrée (3) d'air, une chambre (4) de combustion du combustible par l'air comprimé connectée audit compresseur et à la seconde entrée (5) de combustible et une turbine (6) de récupération de puissance connectée à l'arbre du compresseur et adaptée à refouler l'air comprimé et les gaz de combustion sous pression dans le réacteur échangeur, ladite turbine comportant en outre ladite sortie des gaz.The gas generator generally comprises an axial compressor (2) comprising a transmission shaft (7) connected to the first air inlet (3), a chamber (4) for combustion of fuel by compressed air connected to said compressor and at the second fuel inlet (5) and a power recovery turbine (6) connected to the compressor shaft and adapted to discharge compressed air and combustion gases under pressure into the exchanger reactor, said turbine comprising further said gas outlet.
Le générateur à gaz peut être l'équivalent d'un moteur à réaction d'un avion dit "Jet Engine", dont on atténue le bruit par des aménagements appropriés.The gas generator may be the equivalent of a jet engine of a so-called "Jet Engine", the noise of which is reduced by appropriate arrangements.
Selon une configuration préférée, le réacteur-échangeur de chaleur est vertical et il est adapté à une circulation à co-courant du mélange gazeux dans les tubes réactionnels et des gaz de chauffage dans la calandre, d'une extrêmité vers l'autre et de préférence du bas vers le haut.According to a preferred configuration, the reactor-heat exchanger is vertical and it is suitable for co-current circulation of the gas mixture in the reaction tubes and of the heating gases in the shell, from one end to the other and from preferably from the bottom up.
Pour augmenter la température des gaz de chauffage à l'entrée du réacteur-échangeur, il peut être utile d'interposer une chambre à post-combustion à la sortie des gaz de la turbine de récupération de puissance, généralement intégrée avec le générateur à gaz.To increase the temperature of the heating gases at the inlet of the reactor-exchanger, it may be useful to interpose a post-combustion chamber at the outlet of the gases from the power recovery turbine, generally integrated with the gas generator. .
Grâce à l'introduction de gaz à un débit massique approprié, on peut assurer une différence de température entre la température des gaz de chauffage et celle de l'effluent gazeux dans les tubes, au moins égale à 50"C et de préférence comprise entre 100 et 150"C. Thanks to the introduction of gases at an appropriate mass flow rate, it is possible to ensure a temperature difference between the temperature of the heating gases and that of the gaseous effluent in the tubes, at least equal to 50 "C and preferably between 100 and 150 "C.
Le procédé mis en oeuvre par le dispositif ci-dessus permet de réaliser le vapocraquage des molécules d'hydrocarbures à très haute température, maintenue sensiblement constante tout le long des tubes réactionnels. Par ailleurs, le temps de séjour du produit dans le réacteur échangeur est très court. Les tubes réactionnels sont en général de faible diamètre, par exemple 10 à 40 mm. La différence de pression des gaz de chauffage entre l'extérieur des tubes et l'intérieur est telle qu'elle empêche, au moins en partie la dilatation radiale des tubes, de sorte que les risques de rupture des parois des tubes sont minimisés. II s'en suit que l'épaisseur d'acier de ces parois peut être réduite.Certes, la dilatation axiale demeure, mais un joint de dilatation thermique à l'extrêmité de sortie des tubes peut en général amortir les variations d'allongement de ces derniers.The process implemented by the above device makes it possible to carry out the steam cracking of the hydrocarbon molecules at very high temperature, maintained substantially constant all along the reaction tubes. Furthermore, the residence time of the product in the exchanger reactor is very short. The reaction tubes are generally of small diameter, for example 10 to 40 mm. The difference in pressure of the heating gases between the outside of the tubes and the inside is such that it prevents, at least in part, the radial expansion of the tubes, so that the risks of rupture of the walls of the tubes are minimized. It follows that the steel thickness of these walls can be reduced. Certainly, the axial expansion remains, but a thermal expansion joint at the outlet end of the tubes can generally absorb variations in elongation of these latter.
Par ailleurs, le quench est immédiat en sortie de la zone de chauffage. II n'existe en effet pas l'équivalent du raccordement des tubes des différentes chambres comme dans les unités de l'art antérieur. Selon l'invention, le volume de tuyauterie nécessaire au transfert vers l'échangeur de quench est minimal et le profil de température de la réaction est sensiblement plus de type carré qu'il ne l'est selon l'art antérieur.In addition, the quench is immediate at the exit of the heating zone. There is in fact not the equivalent of connecting the tubes of the different chambers as in the units of the prior art. According to the invention, the volume of piping required for transfer to the quench exchanger is minimal and the temperature profile of the reaction is substantially more of the square type than it is according to the prior art.
Enfin, L'énergie mécanique récupérée au niveau des turbines de récupération de puissance est sensiblement la même que celle qui est disponible à la sortie du générateur à gaz. Elle peut être judicieusement utilisée afin de rendre le procédé très économique.Finally, the mechanical energy recovered from the power recovery turbines is substantially the same as that available at the output of the gas generator. It can be judiciously used in order to make the process very economical.
L'invention sera mieux comprise au vu de la figure ci-jointe illustrant un mode de réalisation applicable à la production d'éthylène et de propylène par pyrolyse à la vapeur de naphta combinant la récupération d'énergie mécanique par une turbine de récupération de puissance.The invention will be better understood from the attached figure illustrating an embodiment applicable to the production of ethylene and propylene by naphtha steam pyrolysis combining the recovery of mechanical energy by a power recovery turbine. .
Un générateur à gaz 1, qui peut être un moteur à réaction (Jet Engine) comprend un compresseur 2 d'air axial amené par une ligne 3 qui le comprime à environ 10 à 20 bar. La température de l'air augmente d'environ 300 à 4500C par compression. L'air comprimé passe dans une chambre de combustion 4 qui est une partie intégrante du moteur à réaction et qui est alimentée en combustible par une ligne 5. Ce combustible peut être du méthane jusqu'au fuel oil (fioule). Une combustion exothermique est initiée et se déroule à pression constante pour augmenter la température de l'air à environ 1000 à 1200"C. L'air et les produits de combustion très chauds sont ensuite détendus vers une turbine de récupération de puissance à haute pression qui conduit le compresseur d'air 2 par l'arbre de transmission 7.A gas generator 1, which may be a jet engine, comprises a compressor 2 for axial air supplied by a line 3 which compresses it to around 10 to 20 bar. The air temperature increases from around 300 to 4500C by compression. The compressed air passes through a combustion chamber 4 which is an integral part of the jet engine and which is supplied with fuel by a line 5. This fuel can be from methane to fuel oil. Exothermic combustion is initiated and takes place at constant pressure to increase the air temperature to around 1000 to 1200 "C. The air and very hot combustion products are then expanded to a high pressure power recovery turbine which drives the air compressor 2 through the drive shaft 7.
L'air et les produits de combustion quittent le générateur à gaz 1 à une pression d'environ 5 à 8 bar et à une température d'environ 700 à 800"C et sont envoyés par une ligne 8 à la sortie de la turbine 6, vers une chambre à post-combustion 9 dans laquelle du combustible est introduit par une ligne 5a. La température des fumées de combustion et de l'air (gaz de chauffage) qui peuvent encore contenir de 15 à 19% en volume d'oxygène peut atteindre environ 1100 à 1400"C. Ces gaz sont utilisés comme source de chaleur dans un réacteur-échangeur de chaleur ci-dessous et leur température peut être contrôlée par des moyens appropriés asservissant une vanne d'alimentation en combustible reliée à la post-combustion.The air and the products of combustion leave the gas generator 1 at a pressure of approximately 5 to 8 bar and at a temperature of approximately 700 to 800 "C and are sent by a line 8 to the outlet of the turbine 6 , to a post-combustion chamber 9 into which fuel is introduced via a line 5a The temperature of the combustion fumes and of the air (heating gas) which may still contain from 15 to 19% by volume of oxygen can reach about 1100 to 1400 "C. These gases are used as a heat source in a reactor-heat exchanger below and their temperature can be controlled by suitable means controlling a fuel supply valve connected to the post-combustion.
Ils sont envoyés par une ligne 10 vers l'extrêmité inférieure d'un réacteur-échangeur de chaleur 1 1 qui est vertical et de forme allongée. Ce réacteur-échangeur de type tube et calandre comprend une enceinte 50 revêtue de matériau réfractaire contenant une calandre 14 en acier normal sans alliage par exemple, adaptée à supporter une pression d'environ 20 bar. Cette calandre comprend des internes 51 adaptés à réaliser une circulation en chicane des gaz et favorisant la turbulence et le mélange de ces gaz, par exemple des internes comprenant en alternance un disque plein central et un disque percé (disc and doughnut ; G.A. Skrotzki,
Power, Juin 1954).They are sent by a line 10 to the lower end of a reactor-heat exchanger 1 1 which is vertical and elongated. This tube-and-shell type reactor-exchanger comprises an enclosure 50 coated with refractory material containing a shell 14 made of normal steel without alloy, for example, adapted to withstand a pressure of approximately 20 bar. This grille includes internals 51 adapted to achieve a gas baffle circulation and promoting turbulence and the mixing of these gases, for example internals comprising alternately a central solid disc and a pierced disc (disc and donut; GA Skrotzki,
Power, June 1954).
Le réacteur-échangeur contient par ailleurs une pluralité de tubes 12 réactionnels, un millier environ de 2,5 cm de diamètre, en acier type Incoloy, à haute teneur en nickel, sensiblement parallèles entre eux et sensiblement parallèles à l'axe du réacteur-échangeur de chaleur maintenus par des parois sensiblement transversales, I'une 40 étant flottante et l'autre 41 étant soudée à l'enceinte 50. Ces tubes sont adaptés à recevoir, grâce à une alimentation en parallèle, un mélange préchauffé à 580-650"C sous 1,5 à 3 bar, de vapeur d'eau et d'hydrocarbures, une coupe naphta par exemple, par une ligne 13 débouchant à l'extrêmité inférieure du réacteur 11, de sorte que le mélange gazeux hydrocarboné circule de bas en haut dans le réacteur-échangeur dans des conditions telles que son temps de séjour est limité à environ 100 à 300 ms.The reactor-exchanger also contains a plurality of reaction tubes 12, about a thousand 2.5 cm in diameter, made of Incoloy type steel, with high nickel content, substantially parallel to each other and substantially parallel to the axis of the reactor. heat exchanger maintained by substantially transverse walls, one 40 being floating and the other 41 being welded to the enclosure 50. These tubes are adapted to receive, thanks to a parallel supply, a mixture preheated to 580-650 "C at 1.5 to 3 bar, water vapor and hydrocarbons, a naphtha cut for example, by a line 13 opening at the lower end of the reactor 11, so that the gaseous hydrocarbon mixture circulates from below above in the reactor-exchanger under conditions such that its residence time is limited to approximately 100 to 300 ms.
Les tubes 12 sont chauffés essentiellement par convection sensiblement à la température des gaz de chauffage qui circulent dans la calandre 14 connectée à la ligne 10 d'alimentation par l'intermédiaire par exemple d'un ajutage non représenté sur la figure à la base de la calandre.The tubes 12 are heated essentially by convection substantially at the temperature of the heating gases which circulate in the calender 14 connected to the supply line 10 by means, for example, of a nozzle not shown in the figure at the base of the grille.
Ainsi, les gaz de chauffage circulent dans le même sens d'écoulement que celui du mélange gazeux dans les tubes, ce qui favorise un apport de chaleur plus important au tout début de la réaction.Thus, the heating gases circulate in the same direction of flow as that of the gaseous mixture in the tubes, which promotes a greater supply of heat at the very start of the reaction.
Le réacteur-échangeur comporte à l'une de ses extrêmités, côté évacuation de l'effluent gazeux, une chambre 29 de refroidissement, sensiblement cylindrique, étanche aux gaz de chauffage et au mélange gazeux constituant la charge. Elle est délimitée, côté extrêmité du réacteur-échangeur, par la paroi 40 circulaire flottante qui supporte les tubes réactionnels traversant cefte chambre sur une partie de leur longueur et côté calandre par une paroi 42 circulaire et flottante traversée par les tubes réactionnels. La chambre est connectée à des moyens d'introduction 5c de gaz inerte tel que CO2, N2, de la vapeur d'eau ou leur mélange qui y entre de préférence tangentiellement. Le gaz inerte peut en sortir soit tangentiellement par des moyens appropriés soit par au moins un tube 15 percé d'au moins un orifice situé de préférence à son extrêmité côté entrée des gaz de chauffage.Ce tube de préférence parallèle à l'axe du réacteur est adapté à transférer le gaz inerte, avantageusement le dioxyde de carbone récupéré en aval du dispositif, de la chambre de refroidissement dans la calandre grâce à un orifice percé dans la paroi 42 qui communique avec ledit tube. La chambre 29 est adaptée à réaliser le refroidissement des parois de la chambre, ce qui diminue les variations de volume de la chambre dues au phénomène de dilatation thermique. Elle permet, selon ce mode de réalisation particulièrement avantageux, de réaliser une prétrempe de l'effluent de 5 à 50"C par exemple, dans les tubes réactionnels refroidis par le gaz inerte, sur une longueur représentant de 1/50 à 1/10 de leur longueur et avantageusement de 1/25 à 1/15 de leur longueur.The reactor-exchanger comprises at one of its ends, on the discharge side of the gaseous effluent, a cooling chamber 29, substantially cylindrical, impervious to the heating gases and to the gaseous mixture constituting the charge. It is delimited, on the end side of the reactor-exchanger, by the floating circular wall 40 which supports the reaction tubes passing through this chamber over part of their length and on the shell side by a circular and floating wall 42 traversed by the reaction tubes. The chamber is connected to means 5c for introducing inert gas such as CO2, N2, water vapor or their mixture which preferably enters it tangentially. The inert gas can leave it either tangentially by appropriate means or by at least one tube 15 pierced with at least one orifice preferably situated at its end on the inlet side of the heating gases. This tube preferably parallel to the axis of the reactor is suitable for transferring the inert gas, advantageously the carbon dioxide recovered downstream from the device, from the cooling chamber in the calender thanks to an orifice drilled in the wall 42 which communicates with said tube. The chamber 29 is suitable for cooling the walls of the chamber, which reduces the variations in volume of the chamber due to the phenomenon of thermal expansion. According to this particularly advantageous embodiment, it allows a pre-tempering of the effluent from 5 to 50 "C for example, in the reaction tubes cooled by inert gas, over a length representing from 1/50 to 1/10 of their length and advantageously from 1/25 to 1/15 of their length.
Finalement, la possibilité d'effectuer un transfert thermique rapide très important contribue à induire un profil de température sensiblement carré tout le long de la réaction, ce qui favorise un meilleur rendement en éthylène.Finally, the possibility of carrying out a very high rapid heat transfer contributes to inducing a substantially square temperature profile throughout the reaction, which promotes a better yield of ethylene.
Les gaz de chauffage sont recueillis et évacués au sommet du réacteur-échangeur de chaleur à environ 900-1050"C et sous environ 5 à 7 bar par une ligne 17 et dirigés vers l'extrêmité supérieure d'un échangeur 18 de chaleur conventionnel gaz-gaz. Celui-ci est adapté à préchauffer à contre-courant par convection dans des tubes appropriés le mélange gazeux réactionnel d'hydrocarbures et de vapeur d'eau à 500-650"C qui est introduit grâce à une ligne d'alimentation 19 à la partie inférieure de ces tubes. Le mélange, une fois préchauffé est envoyé à l'extrêmité inférieure du réacteur-échangeur de chaleur par la ligne 13.The heating gases are collected and evacuated at the top of the reactor-heat exchanger at approximately 900-1050 "C and at approximately 5 to 7 bar by a line 17 and directed to the upper end of a conventional gas heat exchanger 18. This gas is suitable for preheating counter-current by convection in suitable tubes the gaseous reaction mixture of hydrocarbons and steam at 500-650 "C which is introduced through a supply line 19 at the bottom of these tubes. The mixture, once preheated, is sent to the lower end of the reactor-heat exchanger by line 13.
Les gaz de chauffage circulant dans la calandre de cet échangeur 18 préchauffeur quittent celui-ci à son extrêmité inférieure à une température de 700-950"C et environ 4 à 6 bar. Ils ont, à ces conditions, autant d'énergie mécanique potentielle qu'ils en auraient eue dans une configuration de turbine à gaz équivalente, c'est-à-dire à la sortie 8 de la turbine 6 de récupération de puissance. Les gaz de chauffage sont donc dirigés par une ligne 20 d'évacuation vers un récipient 21 de garde (dit KO Drum) puis sont détendus dans une turbine 22 de récupération de puissance pour en extraire l'énergie mécanique qui va être utilisée par exemple pour comprimer la charge.Les gaz détendus, sensiblement à la pression atmosphérique et à une température de 400-5500C sont amenés par une ligne 23 vers l'entrée d'une chambre à récupération de chaleur 30 permettant d'effectuer par convection un premier préchauffage de la charge hydrocarbonée et de la vapeur d'eau vers environ 350 à 450"C. The heating gases circulating in the shell of this preheater exchanger 18 leave the latter at its lower end at a temperature of 700-950 "C and approximately 4 to 6 bar. They have, under these conditions, as much potential mechanical energy they would have had in an equivalent gas turbine configuration, that is to say at the outlet 8 of the power recovery turbine 6. The heating gases are therefore directed by a discharge line 20 to a guard container 21 (called KO Drum) then are expanded in a power recovery turbine 22 to extract the mechanical energy which will be used for example to compress the load. The expanded gases, substantially at atmospheric pressure and at a temperature of 400-5500C are brought by a line 23 towards the entry of a heat recovery chamber 30 allowing to carry out by convection a first preheating of the hydrocarbon charge and of the water vapor around 350 to 450 "C.
L'effluent gazeux à la sortie des tubes réactionnels 12 du réacteur-échangeur 11 est recueilli à une température de 800 à 900"C par un collecteur 24 approprié interne et muni d'un joint 25 d'expansion. Une ligne 26 de transfert de très courte longueur est connectée à l'extrémité supérieure du réacteur-échangeur et conduit l'effluent du collecteur à un organe 27 vertical, de type conventionnel, adapté à réaliser un refroidissement rapide (quench) par une circulation à contre-courant d'eau déminéralisée et qui génère de la vapeur d'eau à très haute pression, de l'ordre de 100 bar.The gaseous effluent at the outlet of the reaction tubes 12 of the reactor-exchanger 11 is collected at a temperature of 800 to 900 "C by a suitable internal collector 24 and provided with an expansion joint. A line 26 for transfer of very short length is connected to the upper end of the reactor-exchanger and leads the effluent from the collector to a vertical member 27, of the conventional type, adapted to achieve rapid cooling (quench) by circulation against the current of water demineralized and which generates water vapor at very high pressure, of the order of 100 bar.
L'effluent refroidi est ensuite recueilli à l'extrêmité inférieure de l'organe à quench 27 par une ligne 28 qui le conduit vers des unités aval de séparation, non représentées sur la figure.The cooled effluent is then collected at the lower end of the quench member 27 by a line 28 which leads it to downstream separation units, not shown in the figure.
Le réacteur-échangeur comprend enfin des moyens de contrôle de son fonctionnement. Ils comportent un contrôleur automatique 31 relié par une ligne de transmission 32 à une sonde de température 33 disposée de préférence sur la ligne d'évacuation de l'effluent de vapocraquage 26. Le contrôleur asservit par un ligne de transmission 34 une vanne 35 d'ouverture partielle du combustible gazeux dans le générateur à gaz.The reactor-exchanger finally comprises means for controlling its operation. They include an automatic controller 31 connected by a transmission line 32 to a temperature probe 33 preferably arranged on the evacuation line of the steam cracking effluent 26. The controller controls a valve 35 by a transmission line 34 partial opening of the gaseous fuel in the gas generator.
L'exemple suivant illustre de manière non limitative le procédé et le dispositif selon l'invention et notamment la quantité d'énergie mise en jeu. Pour une production de 400 000 tonnes/an d'éthylène à partir de la pyrolyse à la vapeur d'eau de naphta, on adopte les conditions opératoires suivantes:
Rapport d'eau sur naphta 0,5
Quantité injectée de naphta 135 T/h
Energie mécanique requise en aval 60 MW
Energie excédentaire 60 MW
Générateur à gaz (GE LM 5000) 4 X 30 MW
Quantité d'air 4 x 450 T/h
Quantité de gaz de chauffage produits 4 x 460 T/h à 1 1500C et 7 bar
Température de préchauffage de la
charge 620"C à 2,5 bar
Réacteur-échangeur thermique::
type tube et calandre
Nombre 4
Nombre de tubes 1200
Diamètre extérieur 20 mm
Longueur 12m
Surface de transfert de chaleur 1150 m2 par réacteur-échangeur
Pour fournir toute la chaleur de réaction à la charge et à la vapeur d'eau (687 GJ/heure) par la chaleur sensible du gaz chaud sans combustion in situ dans le réacteur-échangeur, le débit pondéral de gaz chaud est de 1 840 T/h, pour ne pas dépasser 1 000C de perte en température du gaz chaud, ce qui se traduira par une récupération finale de puissance en excès de 60 MW.The following example illustrates, without limitation, the process and the device according to the invention and in particular the quantity of energy involved. For a production of 400,000 tonnes / year of ethylene from steam pyrolysis d naphtha water, the following operating conditions are adopted:
Water to naphtha ratio 0.5
Quantity injected with naphtha 135 T / h
Mechanical energy required downstream 60 MW
Excess energy 60 MW
Gas generator (GE LM 5000) 4 X 30 MW
Air quantity 4 x 450 T / h
Quantity of heating gas produced 4 x 460 T / h at 1 1500C and 7 bar
Preheating temperature of
load 620 "C at 2.5 bar
Reactor-heat exchanger:
tube and grille type
Number 4
Number of tubes 1200
Outside diameter 20 mm
Length 12m
Heat transfer area 1150 m2 per reactor-exchanger
To supply all the reaction heat to the charge and to the steam (687 GJ / hour) by the sensible heat of the hot gas without combustion in situ in the reactor-exchanger, the weight flow rate of hot gas is 1,840 T / h, so as not to exceed 1000C in loss of temperature of the hot gas, which will result in a final recovery of power in excess of 60 MW.
Les gaz quittent le réacteur-échangeur à environ 950"C sous 6 bar et passent dans un échangeur où ils sont refroidis à environ 890"C en fournissant 117 GJ/h de chaleur de préchauffage à la charge. Ces gaz refroidis, à une pression de 5 bar, sont détendus dans quatre turbines de récupération de puissance délivrant 30 MW chacune pour des utilités soit 419 GJ/h. Les gaz d'échappement, à 5000C environ, de ces turbines sont ensuite envoyés dans une chambre commune de récupération de chaleur où 670 GJ/h de chaleur peuvent être récupérées pour un premier préchauffage de la charge et la production de vapeur tandis que les gaz refroidis à la fin à 2000C sont évacués par une cheminée dans l'atmosphère. Le bilan thermique fait apparaître une efficacité thermique de 82% calculée ainsi:
Quantité d'énergie consommée par la combustion GJ/h
Générateur à gaz - combustion primaire 1 336
- post combustion 967
TOTAL 2 303
Quantité de chaleur absorbée
Réaction 687 Préchauffage 117 . Récupération 670
SOUS-TOTAL 1 474
Quantité de puissance mécanique récupérée
209 60 MW 209
Quantité de puissance électrique excédentaire
209 60 MW 209
SOUS TOTAL 418
1 892
TOTAL1 892 The gases leave the reactor-exchanger at approximately 950 "C at 6 bar and pass through an exchanger where they are cooled to approximately 890" C providing 117 GJ / h of preheating heat to the load. These cooled gases, at a pressure of 5 bar, are expanded in four power recovery turbines delivering 30 MW each for utilities, i.e. 419 GJ / h. The exhaust gases, at around 5000C, from these turbines are then sent to a common heat recovery chamber where 670 GJ / h of heat can be recovered for a first preheating of the load and the production of steam while the gases cooled at the end to 2000C are discharged through a chimney into the atmosphere. The heat balance shows a thermal efficiency of 82% calculated as follows:
Amount of energy consumed by combustion GJ / h
Gas generator - primary combustion 1,336
- post combustion 967
TOTAL 2,303
Amount of heat absorbed
Reaction 687 Preheating 117. Recovery 670
SUBTOTAL 1,474
Amount of mechanical power recovered
209 60 MW 209
Amount of excess electrical power
209 60 MW 209
SUB TOTAL 418
1,892
TOTAL1,892
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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1991
- 1991-04-17 FR FR9104689A patent/FR2675499B1/en not_active Expired - Fee Related
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FR2675499B1 (en) | 1995-01-27 |
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