Dimensionarea serpentinei unui cuptor de piroliză

1. Introducere

Toată cantitatea de etenă necesară industrei petrochimice se obţine prin piroliză. Orientativ etena contribuie cu cca. 2/3 la tonajul monomerilor de bază ai produselor polimerice, iar produsele polimerice, la rândul lor, constituie cca. 70% din produsele de bază ale petrochimiei.

Piroliza se găseşte în concurenţă cu procesele de cracare, îndeosebi cu procesul de cracare catalitică, pentru producţia de propenă, butenă şi butadienă şi cu procesul de reformare catalitică pentru producţia de hidrocarburi aromatice. Mai mult de 3/4 din consumul de propenă al industriei petrochimice provine din procesele de piroliză.

Mecanismul reacţilor de piroliză şi caracteristicile lor cinetice şi termodinamice sunt similare reacţiilor de cracare termică. S-a arătat că prin reacţiile în lanţ ,prin mechanism radicalilor liberi se reuşeşte să se prevadă, cu o precizie apreciabilă, compoziţia produselor rezultate din piroliza oricărei hidrocarburi.

În unele cazuri s-au observat totuşi abateri remarcabile, care, în general cresc cu masa moleculară şi complexitatea structurală a hidrocarburilor.

În piroliză reacţia principală constă în scindarea moleculelor de hidrocarburi alcalinice în alcani şi olefine. Aceasta este urmată de uhn complex de reacţii successive şi paralele de cracare, dehidrogenare, polimerizare etc.

În ansamblu, procesul de piroliză este unul dintre cele mai complexe din industria de prelucrare a hidrocarburilor cu capacităţi de alimentare cu materie primă până la cca. 2.0 Mt/an şi o producţie de etenă până la 0.7Mt/an, cuprinde un număr şi o varietate considerabilă de operaţii termice, catalitice, de compresie şi fracţionare între temperaturi de -1000C şi 8500C, cu debite de gaze până la 150 000 m3/h şi presiuni până la 35 bari; se realizează fracţionări fine cu purităţi până la 99.9% etc.

Capacitatea de producţie a instalaţiilor de piroliză mai noi variază între 200 000 şi 700 000 t/an etenă, cu o medie de cca. 300 000 t/an.

Procesul de piroliză prin încălzire în cuptoare tubulare este singurul care s-a aplicat industrial de mai bine de 5 decenii, deşi în ultimii 10-20 ani au fost încercate la scara pilot, în instalaţii de demonstraţie şi în prototipuri, alte procedee de încălzire a materiei prime, precum şi procese de conversie catalitică din gazul de sinteză sau methanol.

Deşi din punct de vedere termodinamic, cinetic şi al mecanismului de reacţie, reacţiile de piroliză sunt similare celor de cracare termică, totuşi procesele de piroliză industrială diferă de cracările termice prin obiectivul urmărit, materiile prime utilizate şi produsele obţinute, prin condiţiile de lucru şi prin instalaţiile în care se realizează procesul.

Se urmăreşte în primul rând obţinerea etenei. Împreună cu aceasta, în funcţie de material primă şi de condiţiile de lucru, se produc proporţii variabile de gaze H2+C1, alcani C2-C4, olefine C2-C4, o fracţie de benzină C5-2000C bogată în aromatice şi un produs rezidual 2000C+.

Materiile prime constau din: etan, propan, n-butan şi amestecuri ale acestora: benzine primare (nafta): rafinatul liber de aromatice al benzinelor de RC; benzine hidrogenate proveninâd din procesele de cracare termică (reducere de vâscozitate, cocsare) motorine DA şi motorine DV, ca atare sau dezaromatizate şi desulfurizate parţial prin hidratare. În unele din procesele de piroliză neconvenţionale se urmăreşte piroliza ţiţeiului şi a produselorreziduale rezultate din prelucrarea acestuia; în altele se producea etenă prin reacţii catalitice.

Materia primă se caracterizează prin conţinutul de componenţi puri, în cazul alimentării cu C2, C3, C4, sau cu amestecuri ale acestora. Pentru materiile prime lichide (benzine sau motorine) se determină usual densitatea, curba de distilare, compoziţia PONA, proprietăţile spectrale şi unii indici de caracterizare.

Definirea temperaturii şi a timpului de reacţie impun unele precizări. Temperatura variază în lungul unei serpentine de reacţie date după o curbă determinată de viteza de masă, de fluxul termic specific şi de natura materiei prime. Pentru o curbă de încălzire şi o serpentină dată, timpul de reacţie variază cu natura materiei prime şi cu raportul abur/materie primă.

În ceea ce priveşte presiunea este importantă valoarea căderii de presiune prin zone de reacţie a serpentinei şi valorile presiunilor parţiale ale hidrocarburilor, măsurate prin produsul între presiunea totală şi fracţiile molare ale hidrocarburilor în amestec cu aburul.

Reacţiile de piroliza se efectuează în tuburile zonei de radiaţie a cuptoarelor (în flux staţionar, în prezenţa aburului, în condiţii neizoterme şi neadiabatice) la presiuni de 2-4.5 bar, la temperaturi de 7500C-8500C şi cu timpi de reacţie medii de 0.05 la 0.5s în cazul materiilor prime lichide şi 0.5-1.2 s pentru etan.

Între pimele materii prime, cele mai commune sunt etanul şi propanul, singure sau în amestecprecum şi n- butanul. Amestecurile de gaze pot conţine proporţii reduse de propenă şi butane.