[发明专利]用于裂化工艺流体中的碳氢化合物的涡轮机化学反应器及方法

说明书

化学反应器(10)和方法通过以下方式裂化工艺流体中的碳氢化合物：利用轴向推进叶轮(40)使工艺流体加速至大于1马赫的速度；通过在具有扩张的扩散器通道(72)的静态扩散器(70)中使工艺流体减速而在工艺流体中产生冲击波(90)。冲击波的下游的工艺流体的温度升高在单级内单次通过单方向的流动路径(F)中裂化夹带的碳氢化合物，无需将工艺流体再循环以另外通过同一级。在一些实施方式中，涡轮机化学反应器(110)具有与静态扩散器(70)的扩张通道配对的多个连续级的一个或更多个轴向推进叶轮(40A、40B)。连续级通过连续升高流动的工艺流体的温度裂化附加的碳氢化合物。

技术领域

本发明涉及用于裂化工艺流体中的碳氢化合物的化学反应器及方法。更具体地，本发明涉及用于裂化碳氢化合物的涡轮机化学反应器及方法。

背景技术

石油炼油厂和石油化工厂分馏或“裂化”分子量(MW)较重的碳氢化合物。在裂化之后，在石油化学工业中使用分子量较轻的碳氢化合物作为用于其他化合物的产物的原料。在已知的商业上实践的热解裂化工艺中，在低氧环境下在炉型化学反应器中施加热和压力将MW较重的碳氢化合物分馏成各种MW较轻的烯烃、比如乙烯，而不会引起燃烧。通常，MW较重的碳氢化合物被夹带在经加热的蒸汽中。含有蒸汽的或含有碳氢化合物的工艺流体流动通过化学反应器的热交换器。工艺流体在热交换器中的所被传递的温度和停留时间被控制，以将夹带的碳氢化合物裂解至所期望输出的MW较低的碳氢化合物。

使用通过热解来进行乙烯生产的示例，包括碳氢化合物和蒸汽的工艺流体在炉型化学反应器中在小于400毫秒(MS)内从1220℉被加热至1545℉。加热完成及随后被骤冷(至停止进一步的化学反应)时的速率对生产所期望的碳烃化合物混合物来说是重要的。在加热过程期间必须不存在氧气，以避免碳氢化合物燃烧。在炉型化学反应器中的反应过程中需要较大的热出入和工艺流体的相对较慢的质量流动速率。为了满足产出目标，乙烯生产厂采用多个并行热解反应器，每个热解反应器需要较大的热能输入。为了满足产量目标所需的每个附加的反应器增加了资本支出、加热工艺流体的能量消耗、工厂不动产空间。

期望的是，在碳氢化合物裂化过程期间，利用较低的生产能量输入增加工艺流体的质量流动。增加的质量流动以较少的工厂装备资本支出和不动产空间满足了生产目标。

发明内容

本文中所描述的化学反应器和方法的示例性实施方式通过以下方式裂化工艺流体中的碳氢化合物：利用轴向推进叶轮使工艺流体加速至大于1马赫的速度；并且通过使工艺流体在具有扩张的扩散器通道的静态扩散器中减速而在工艺流体中产生冲击波。与传统热解型的化学反应器相比，裂化在单级中以更快的反应速率以及更少的能量输入而发生。与传统热解型的化学反应器和过程相比，通过本发明的实施方式提供的增加的质量流动速率利用较少的工厂装备资本支出以及较低的能量使用而增加了产出。

本文中所描述的涡轮机化学反应器的壳体具有环形壳体通道，该环形壳体通道限定了从壳体入口至壳体出口的单方向的轴向流动路径。旋转的轴向推进叶轮将能量赋予工艺流体并且将工艺流体以大于1马赫的速度排放。具有扩张的扩散器通道的静态环形扩散器位于环形壳体通道中并且定向在轴向推进叶轮与壳体的出口之间。扩散器通道构造成使扩散器通道中的从叶轮的叶片排放的工艺流体减速至小于1马赫的速度。这种减速在将工艺流体从壳体的出口排放或将工艺流体排放至化学反应器中的下一连续级之前在工艺流体中产生了冲击波，从而使冲击波的下游的工艺流体的温度升高至足以裂化工艺流体夹带的碳氢化合物。在一些实施方式中，涡轮机化学反应器具有与静态扩散器的扩张通道配对的多个连续级的一个或更多个轴向推进叶轮。每个化学反应器级在从其入口至其出口的单个单方向流动路径中裂化工艺流体中的碳氢化合物，无需将工艺流体沿相反的方向再循环以另外通过同一级。单方向流动路径促进了在相对较短的、横截面积较大的环形流动路径中的裂化。在一些实施方式中，碳氢化合物利用较高的质量流动速率在小于等于10毫秒(10MS)内于单级中被裂化。在一些实施方式中，结合推进叶轮和配对的一对扩张型静态扩散器的连续级通过在每个级中连续升高工艺流体的温度而裂化附加的碳氢化合物。