一种超声波急冷装置及裂解急冷工艺的制作方法

本发明属于石油化工裂解技术领域，具体涉及一种超声波急冷装置，以及利用该超声波急冷装置进行的裂解急冷工艺。

背景技术：

裂解，又称热解、热裂、热裂解或高温裂解，系指有机化合物受热分解和缩合生成相对分子质量不同的产品的过程。裂解与干馏及烷烃的裂化反应有相似之处，同属于热分解反应。工业上，裂解反应可用于合成化工产品，比如二氯乙烯裂解可生成聚氯乙烯(pvc)；此外，也可用于将生物质能或废料转化为低害或可以利用的物质，例如制取合成气。

裂解装置是有机化工行业的核心设备，它将长链的有机物分解为小分子物质，通过精馏分离，得到不同种类的化学品，提供给下游工业装置。在裂解工艺中，裂解原料在裂解装置中经过高温裂解后会产生裂解气，其组分主要含有目标产品h2、c2h4、c3h6、混合c4、芳烃(c6-c8)等，另外还含有苯乙烯、茚类、二烯烃等成分。高温裂解气需要经过废热锅炉冷却，再经急冷器进一步冷却后，将裂解气的温度降到200-300℃之间；并将经急冷器冷却后的裂解气依次经过汽油分馏塔油冷和急冷水塔水冷后进一步冷却至常温，在冷却过程中分馏出裂解气中的重组分，如轻、重燃料油、裂解汽油、水分等，并进一步回收热量，这个环节称为裂解气的急冷处理。

急冷步骤是热裂解工艺中较为重要的一个环节，其作用是使高温裂解反应器中反应完成的物料快速冷却到反应温度以下温度，以降低二次反应，提高目标产物收率，同时副产高压蒸汽。目前，急冷的方法主要有两种，其一是直接急冷，即用急冷剂(油或水)与裂解气直接接触，急冷下来的油、水密度相差不大，存在分离困难，污水量大，不能回收高品位的热量的缺陷；其二是间接急冷；其目的是回收高品位的热量，产生高压水蒸气作动力能源以驱动裂解气、乙烯、丙稀的压缩机，汽轮机及高压水阀等机械，同时终止二次反应。

急冷器是裂解装置中重要的设备，广泛用于降温和终止反应过程。现有急冷器的壳程多为筒体，其内装有热水，利用水的汽化潜热来吸收管程物料放出的热量，以达到冷却物料的目的。急冷器内部的管程多为直管结构，经裂解炉反应器出来的物料直接进入急冷器管程，并在管程中进行冷却后引出急冷器，完成物料的急冷过程。但在实际生产中，进入急冷器管程中的高温物料会由于温度骤降而发生冷凝，导致物料会粘附在管程的内壁上，并随着时间的推移，管程内粘附物质经逐步累积，常导致管程中的物料流动不畅，并进而引起压降升高。如果不及时采取措施进行清理，最终将完全堵塞急冷器，不得不停炉进行检修。由于急冷器的稳定运行在乙烯等工艺生产中起到相当重要的作用，一旦失效，将严重影响装置的正常运行，甚至停炉。

目前，各个乙烯工厂的急冷器普遍存在急冷器管程逐渐结焦，导致压降升高，进而影响乙烯的收率；甚至，当急冷器结焦严重的堵塞管程，不得不停炉进行空气烧焦和人工水力清焦。但是，由于急冷器烧焦温度较低，空气烧焦常无法有效清除焦层，通常情况下，烧焦两个周期就必须进行水力清焦。而人工水力清焦则需要完全停止裂解炉的运行，并拆卸急冷器封头，利用高压水对急冷器进行物理清焦，不仅费时费工，影响裂解装置的正常使用及生产，还增加了装置的能耗及物耗，严重影响整个工艺的经济效益。

为了解决上述问题，中国专利cn1183225c公开了一种用于急冷热裂解炉流出物的急冷器，其具有一个在裂解炉管和急冷器管之间的入口连接器，且急冷器的管以隔开管的环状形式排列，成形的连接器的流动通道一开始减速然后加速气体；由于其截面变化是平稳的，避免了死空间，使压力损失最小。但该急冷器虽然减小了压力损失，但其缺陷却与传统急冷器基本相同，即依然无法改变传统急冷器内部容易结焦的问题。又如中国专利cn201648323u公开了一种接触式油急冷器，该油急冷器属于用于冷却高温裂解气的直接接触式换热设备，通过保护套管和隔板将裂解气管与外管之间的环形空间分为两部分，内侧的环形空间主要作为蒸汽的流道，外侧的环形空间则主要作为急冷油的流道，急冷油进入支管后以切线方向进入保护套管与外管之间的流道内，蒸汽和急冷油分别先进入各自的环管内再经过支管进入其各自的流道内。该急冷器可以使几股物料能快速均匀混合，充分传热，但是依然与无法解决急冷器内部容易结焦的问题。

由于急冷器的运行周期直接关系到裂解工艺的运行周期，急冷器的运行周期越长，停炉烧焦的次数就越少，裂解装置的有效生产时间越长，吨乙烯的能耗越低，装置的经济技术性就会越好。在当今传统能源日趋减少，碳排放问题越来越受到人们的重视的时候，具有节能效果的可减少烧焦的急冷器，在节省能源消耗，减少环境污染，降低生产成本方面都有重要的现实意义。因此，如何在不改变急冷器主体结构和增加少量设备投资的情况下，有效改善急冷器易结焦的问题，以确保急冷器的连续运作，是当前多数乙烯生产装置面临的问题，更具有重要的实际意义。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种超声波急冷装置，以解决现有技术中裂解急冷器易结焦影响其工作效率的问题；

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种裂解急冷工艺。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种超声波急冷装置，包括急冷器本体，所述急冷器本体内部设置有管程，用于高温裂解产物进行热交换实现急冷；且所述急冷器本体的急冷器外壁与所述管程的侧壁之间形成容纳急冷介质的壳程；

所述超声波急冷装置还包括设置于所述急冷器外壁处的超声波分布器，以及与所述超声波分布器顺次连接的超声波换能器和超声波发生器。

所述超声波分布器与所述超声波换能器之间设置有冷却器。

所述超声波换能器与所述超声波分布器的安装夹角为45°-135°，并优选75°-105°。

所述超声波分布器设置于所述急冷器外壁处对应于所述管程的入口位置处。

所述超声波分布器选自适宜于超声波传导的铝、铁、镍、铜、铬金属中的一种或是几种的合金钢。

所述超声波分布器具有与所述急冷器外壁相适配的结构，实现与所述急冷器外壁的无缝硬性连接，所述超声波分布器的厚度为1-90mm。

所述超声波发生器频率为10khz-220khz。

本发明还公开了一种基于所述超声波急冷装置进行的裂解急冷工艺，包括将裂解炉产生的高温裂解产物通入所述裂解急冷装置进行急冷处理的步骤，以获得降温至400-600℃的裂解物料。

所述高温裂解产物包括石油烃类热裂解产物。

本发明还公开了一种热裂解工艺，即包括按照所述的裂解急冷工艺对所述高温裂解产物进行急冷处理的步骤。

本发明所述超声波急冷装置，在现有急冷器结构的基础上，通过在所述急冷器的外壁处设置顺次连接的超声波发生器-超声波换能器-超声波分布器，利用超声波发生器发出均匀声强的超声波，并经过超声波换能器转换为机械能，并在超声波分布器的作用下，使超声波高效且均匀的传导到急冷器的管程上，利用超声波的电极化以及其电极化所伴随着弥散作用，当给电介质施加特定频率的超声波时，由于电介质内部正负电荷的相对位移，会产生电偶极子，这现象称为电极化。当给导电介质施加特定频率的超声波时，可在导电材料中传播时引起感应电场，将导致正负电荷在介质表面重新排布，并对流经表面的物料离子或颗粒产生感应力，对部分粒子产生排斥力，对相同电荷的粒子产生弥散作用，其产生的弥散作用可有效阻碍高温物料中焦炭的聚集，减少管程内侧管壁的结焦层，提高急冷器的传热效率。

本发明所述超声波急冷装置将超声波技术与急冷技术结合，形成超声波与急冷器的组合装置，既具有普通急冷器的功能，同时解决了急冷设备入口易结焦问题，且效果显著，可广泛应用于石油化工热裂解工艺，高温的裂解产物得到快速降温，中断“二次反应”，能够使传统急冷器的运转周期提高20-60％，可延长急冷器的运转周期，提高急冷器的效率，增加裂解炉的有效生产时间，提高裂解产物的产量，可减少停工次数，从而减少开工、停工及清焦过程中的大量燃料消耗，降低了生产及维护成本，有效增加经济效益；同时，所述急冷器可有效减少副反应的发生，可以提高乙烯等主要产品的收率，保持产生的乙烯、丙烯等目标产物的高收率状态，不再继续反应生成其他副产品，从而提高装置的技术指标，具有良好的社会效益；同时，本发明所述装置的内部结构设计合理，便于制造，便于安装，便于检维修；且超声波发生器结构独立，可通过固定架连接在急冷操作的各种场合，接入方式简单，应用灵活。

本发明所述超声波急冷装置在不改变传统急冷器的工作模式下，仅对现有急冷器进行设备改造，在急冷器外适当的位置增加超声波发生、分布及传导装置，并传送一定频率的声波，就可以实现连续的工作过程，不产生额外的三废，属于“绿色环保工艺”，对社会的发展而言可节省资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约装置的投资，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。该方法及装置便于安装，可用于石油烃类热裂解的场合，尤其适合石油加工热处理。

本发明所述的裂解急冷工艺基于所述的超声波急冷装置进行，与不添加超声波急冷装置(空白组)，进行了急冷器的运行周期对比评价实验，试验过程采用，超声波频率22khz，超声波声强0.21w/cm²。急冷器的运行周期比较：(空白组)的急冷器运行20小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度就达到596℃，接近上限600℃，不得不停车清理；相同工艺条件下，加载超声波的急冷器(采用本发明所述的装置和工艺)的运行24小时，出口温度为595℃，停车清理，运行周期较空白组提高20％；与现有技术相比，本发明所述急冷工艺的连续运行周期更高，可提高10-30％。本发明所述急冷工艺可用于石油的热交换过程中，也可用于其他烃类的热交换工艺中，尤其适合气液两相物料的热交换过程。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为本发明所述超声波急冷装置的结构示意图；

图2为本发明所述超声波急冷装置纵向剖面的结构示意图；

图中附图标记表示为：1-急冷器本体，2-超声波发生器，3-超声波换能器，4-冷却器，5-超声波分布器，6-壳程，7-管程，8-急冷器外壁。

具体实施方式

如图1-2所示的结构，本发明所述的超声波急冷器装置，包括急冷器本体1，所述急冷器本体1内部设置有多个管程7，用于高温裂解产物进行热交换实现急冷；而且所述急冷器本体1的急冷器外壁8与所述管程7的侧壁之间形成容纳急冷介质的壳程6，所述管程7内流通的所述高温裂解产物与所述壳程6内流动的急冷介质进行热交换，实现对所述高温裂解产物的急冷。本发明所述的超声波急冷器装置中，所述急冷介质选用水。

本发明所述的超声波急冷器装置中，进入所述管程7的管程物料为反应后的高温裂解产物，主要包括乙烯、丙烯和焦油等，高温裂解产物的温度为790℃-860℃，通过急冷器内的管程7时，与壳程6内的水介质发生热交换，管程7内的高温裂解产物被降温至400℃-600℃，壳程7内的水则受热转化为蒸汽。作为优选的结构，本发明所述超声波急冷器装置中，所述急冷器本体1呈长圆柱体或长方体结构。

为了减少所述急冷器的结焦现象，所述超声波急冷装置还包括设置于所述急冷器外壁8处的超声波分布器5，以及与所述超声波分布器5顺次连接的超声波换能器3和超声波发生器2。所述超声波发生器2发出的超声波经所述超声波换能器3转换为机械能，并经由所述超声波分布器5的均匀传导，超声波在导电材料中传播时引起的感应电场，导体表面电荷发生重新排布，对部分粒子产生排斥力，使裂解产物中的焦炭弥散，不易聚集在管壁上，从而维持急冷器的换热效率，延长其运转周期。

优选的，每个所述超声波分布器5与其对应的超声波换能器3之间设有冷却器4。为了避免急冷器的热传导损坏换能器，在所述超声波换能器3与所述超声波分布器5之间可安装冷却器4，该冷却器可以是翅片结构，也可以是其他构型，其作用为降低急冷器对换能器的热传导，以防止换能器过热，降低其效能。

作为优选的结构，所述超声波换能器3与所述超声波分布器5的安装夹角为45°-135°，并更优选75°-105°，即通过分布器释放的超声波与急冷器内管程上的物料流向呈45°-135°。实验研究表明，超声波换能器与分布器的夹角为＜45°或＞135°时，超声波的反射效应大幅增加，将导致能量衰减严重，不利于超声波感生电极化的作用。

优选的，所述超声波分布器5设置于所述急冷器外壁8处对应于所述管程7的入口位置处。由于所述急冷器本体1内设置有多个管程7，因此，也相应的设置多组所述超声波分布器5，所述超声波分布器5同时在多个管程上经历超声波作用，进一步使裂解产物中的焦炭弥散，不易聚集在管壁上，解决急冷器易结焦的问题。

本发明所述超声波分布器5为金属材质，具有较高的刚性要求；分布器的材质适宜于超声波的传导，不易衰减，可以是铝、铁、镍、铜、铬其中的一种或是几种的合金钢，优选为铁。

本发明所述超声波分布器5可以是平面或曲面结构，且其外表面优选为曲面结构，以保证所述超声波分布器5与急冷器外壁8保证无缝硬性连接，可用法兰压紧式连接或焊接，焊接材料的材质应该与分布器的金属材质相同。且所述超声波分布器5的厚度为1-90mm，优选厚度在15-50mm。

本发明所述超声波急冷器装置中，所述超声波换能器3为圆柱形或圆锥形，优选超声波换能器3的端面为平面或曲面。

所述超声波换能器3与所述超声波发生器2的连接方式为焊接或法兰连接，并控制所述超声波发生器2的频率为10khz-220khz。

实际应用时，所述超声波发生器2可安装在防爆控制柜内，超声波发生器2与超声波换能器3相连接，所述超声波换能器3是磁致伸缩换能器、压电陶瓷换能器，超声波换能器为公知的各种类型。

对于工业适用的可靠稳定的超声波发生器2与超声波换能器3，最大的输出功率只能达到4kw左右，实际应用中，能长周期稳定运行的额定功率只有3kw左右，要延长超声波作用时间的场合，可设置多组超声波工作，可以获得理想的提高效率的效果。

本发明所述裂解急冷工艺，以所述的超声波急冷装置予以实施，高温裂解反应产物通过急冷器的管程7入口进入所述急冷装置，急冷后裂解反应产物通过急冷器的管程7的出口离开急冷器，热水由急冷器的壳程6入口进入所述急冷器，热水与管程中的高温裂解反应产物换热，热水吸收高温裂解气的热量后转化为高温高压蒸汽，由急冷器的壳程出口离开急冷器，管程的高温裂解气的温度由800℃左右降温至550℃左右，即进入急冷器的管程入口的高温物料与进入壳程的低温物料进行顺向传热，同时在多个管程上经历超声波作用，超声波发生器2将电能通过超声波换能器3转换为机械能的超声波，然后通过超声波分布器5释放给急冷器内的多个管程7内的物料，通过超声波的电极化效应，其产生的弥散作用可有效阻碍高温物料中焦炭的聚集，减少管程内侧管壁的结焦层，提高急冷器的传热效率以强化传热，并延长急冷器的运转周期。

实验例

1、中试试验

为了对比分布器的效果，在某裂解中试装置上进行实验验证，裂解某种液体乙烯原料，分别采用如图1-2所示的本发明超声波急冷装置(实验组1)、未加载超声波的普通急冷器(空白组)和加载超声波但不接分布器(对比组1)进行了实验评价。

试验工艺条件为：裂解反应温度820℃，稀释比0.5，停留时间，0.32s，空白组与对比组1和对比组2所用急冷器的材质、规格尺寸均相同，其中，对比组1不接分布器，直接将换能器采取法兰压紧方式与壳程连接；对比组2采用的分布器为碳钢结构，厚度为5mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m²，分布器采用法兰压紧方式与壳程连接，超声波频率22khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.2w/cm²。

经中试试验测定，各实验组的结果如下：

实验组1：急冷器运行24小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

空白组；急冷器运行20小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度就达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

对比组1：急冷器运行21小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理。

中试试验效果显示，本发明的超声波急冷器装置具有延长运转周期的效果，尤其是在接入分布器之后，能够明显提高塔板效率20％，从而提高裂解装置的经济性。

2、超声波换能器与超声波分布器的夹角的影响

为了对比超声波换能器与超声波分布器的不同夹角对精馏塔分离的效果，在某裂解中试装置上进行实验验证，裂解某种液体乙烯原料，分别采用未加载超声波的普通急冷器(空白组)、加载超声波夹角45°(实验组2，采用本发明实施例1装置，超声波换能器与分布器的夹角为45°)和加载超声波夹角90°(实验组3，超声波换能器与分布器的夹角为90°)工艺下进行了实验评价。

试验工艺条件为：裂解反应温度820℃，稀释比0.5，停留时间，0.32s，试验过程采用的分布器为碳钢结构，厚度为5mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m²，分布器采用法兰压紧方式与管程连接，超声波频率22khz，超声波声强0.21w/cm²。

经中试试验测定，各实验组的结果如下：

空白组：急冷器运行20小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度就达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

实验组2：急冷器运行24小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

实验组3：急冷器运行22小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理。

中试试验效果显示，本发明的超声波急冷器装置采用合适的角度传导超声波可以达到最佳的效果，尤其是在超声波换能器与分布器的夹角为45°时，较实验组3能够延长运转周期10％，从而提高裂解装置的经济性。

3、超声波分布器不同材质效果对比

为了对比不同材质的所述超声波分布器的效果影响，在某裂解中试装置上进行实验验证，裂解某种液体乙烯原料，采用本发明实施例急冷装置(如1-2)和方法，分别在不锈钢分布器(实验组4)和碳钢分布器(实验组5)2种条件下进行了实验评价。

试验工艺条件为：裂解反应温度820℃，稀释比0.5，停留时间0.32s，试验过程采用的分布器厚度为5mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m²，分布器采用法兰压紧方式与管程连接，超声波频率22khz，换能器与分布器的夹角为45°，超声波声强0.21w/cm²。

经中试试验测定，各实验组的结果如下：

实验组4：急冷器运行23.1小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

实验组5：急冷器运行24.6小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理。

本发明的超声波急冷装置，中试试验效果显示，采用碳钢材质分布器的急冷器运行周期较长，较实验组4延长6％的运行周期。

4、不同厚度超声波分布器的影响

为了对比分布器的不同厚度对急冷器运转周期的影响，在某裂解中试装置上进行实验验证，裂解某种液体乙烯原料，分别在5mm分布器(实验组6)和15mm分布器(实验组7)2种条件下进行了实验评价。

试验工艺条件为：裂解反应温度820℃，稀释比0.5，停留时间0.32s，试验过程采用的分布器材质为碳钢，分布器为曲面，分布器面积为0.2m²，分布器采用法兰压紧方式与管程连接，超声波频率22khz，换能器与分布器的夹角为45°，超声波声强0.21w/cm²。

经中试试验测定，各实验组的结果如下：

实验组6：急冷器运行24.1小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理；

实验组7：急冷器运行26.5小时，因为结焦严重，换热效率下降，出口温度达到598℃，接近上限600℃，不得不停车清理。

本发明的超声波急冷装置，中试试验效果显示，实验组7的急冷器运行周期较长，较实验组6延长10％的运行周期。

经中试试验效果可知，本发明的超声波急冷器装置，具有更高厚度分布器的急冷器塔板效率更高，分离效果更好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。