CN100338182C - 一种单程变径炉管的裂解炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单程变径炉管的裂解炉，涉及一种裂解炉，尤其涉及用于石油裂解生产烯烃的裂解炉。该裂解炉包括：炉体，高压汽包，对流段，炉管，燃烧器，燃烧室，废热锅炉；所述的炉管为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。本发明比现有单程等径炉管有更长的运行周期，有高于两程炉管的乙烯收率。本发明用于乙烯生产装置中。
Description
技术领域：
本发明涉及一种裂解炉，尤其涉及用于石油裂解生产烯烃的裂解炉。
背景技术：
在乙烯装置中，裂解炉是核心设备(见图1)。为了尽可能缩短裂解反应的停留时间，同时又提高裂解深度，裂解炉的辐射盘管(炉管)向短长度、小直径的方向发展，双程盘管被广泛采用，单程辐射管业已用于工业装置。
辐射盘管的设计是决定裂解选择性，提高裂解产品烯烃收率和提高对不同裂解原料适应性的关键。改进辐射盘管的结构，成为管式裂解炉技术发展中最核心的部分。20多年来，相继出现了单排分支变径管、混排分支变径管、不分支变径管、单程等径管等不同结构的辐射盘管。
为使原料消耗大大降低、维持适当的运转周期和具有较好的原料适应性，目前大多数公司均采用两程(18～24m)分支变径或两程变径高选择性炉管，将停留时间控制在0.15～0.25s。第一程采用小直径炉管，利用它比表面积大的特点达到快速升温的目的，第二程采用较大直径的炉管以降低对结焦敏感性的影响。所采用的两程高选择性辐射段炉管有1-1型(U型)、2-1型、4-1型、5-1型、6-1型、8-1型等炉管。高选择性炉管最短停留时间小于0.1s的单程小直径炉管(毫秒炉管)，由于它的比表面积最大，升温速度快，裂解温度最高，因此选择性最高。
20世纪八、九十年代以来，随着百万吨级乙烯装置的问世，与之相匹配的大型裂解炉技术也得到很大发展，目前世界上已经建设了几十台单炉乙烯年生产能力达到10万吨以上的大型裂解炉，最大达18万吨/年(液体原料)。大型裂解炉的优势是：(1)可节省约10％左右的投资；(2)由于炉子台数减少，便于管理和维修；(3)占地面积亦可相应减少。
裂解炉大型化与其他装置和设备的大型化有所不同，提高裂解炉的能力是通过增加辐射段炉管数量来实现的。但是辐射段炉管增加后，裂解炉辐射段长度相应也增加。如何能够在不增加炉膛长度的情况下提高裂解炉的能力，是实现大型化的一条途径。
单程炉管(毫秒炉管)由于它的表面积最大、升温速度快、裂解温度最高，因此裂解选择性最高。但其缺点是结焦速度快，运行周期短。
1-1型(U型)两程炉管具有较大的比表面积，其第二程炉管采用的管径比第一程炉管大，结焦速度要小于单程炉管，运行周期比单程炉管要长。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是：
为了克服毫秒炉单程等径炉管结焦速度快、1-1型两程炉管选择性较差的缺点，并保留各自的优点，本发明综合1-1型两程炉管和现有单程炉管的优点，设计出单程变径炉管。
本发明的技术方案是：
一种单程变径炉管的裂解炉，该裂解炉包括：炉体1，高压汽包2，对流段3，炉管4，燃烧器5，燃烧室6，废热锅炉7；所述的炉管4为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。
炉管的变径至少可以采用下述两种方式，但不限于这两种方式。
一种变径方式是：所述的炉管4由出口段管子21和进口段管子23连接而成，两段管子分别为等径管，出口段管子21的内径大于进口段管子23的内径，两段管子之间由变径段22连接。示意图见图4。
所述炉管4的进口段管子23上还可以有一个弧形段24，该弧形段由两个相反的弧形组成，使进口段管子23分为两个直段，两个直段的轴线不在一条直线上，但保持平行。其作用是当炉管受热时，弧形段可以缓冲管子的热膨胀，吸收管子的热应力；还可以使炉管更好的排列。示意图见图5。
另一种变径方式是：所述的炉管4是一根变径管，管子进口端的内径最小，自进口端到出口端，管子内径逐渐变大，管子出口端的内径最大。示意图见图6。
通常情况下，炉管4的出料端内径与进料端内径之比的范围是：大于1，且小于等于1.36。例如1.05，1.1，1.15，1.2，1.25，1.3，但不包括等于1。
炉管4进料端内径范围是29mm至45mm。
例如进料端内径是35mm，40mm。
炉管4出料端内径范围是37mm至48mm。
例如出料端内径是40mm，45mm。
炉管中还可以采用强化传热元件，以增强传热效果。例如使用中国专利CN1260469A中公开的扭曲片管，或其他公知的常规强化传热元件，都可以引入本发明。
炉管的壁厚一般每一段为等厚的，但在特殊情况下，特别是由于加工过程的因素，壁厚也可能沿轴向有变化。进口段炉管与出口段炉管的壁厚可以一样，也可以不一样。因进口段炉管内径较小，往往其壁厚也薄一些。
单程变径炉管的停留时间在单程等径炉管与1-1型两程炉管之间，一般为0.1s～0.15s。它可以与线性急冷锅炉相配并可配置与之相适应的供热方式。
本发明的炉体1，高压汽包2，对流段3，燃烧器5，燃烧室6，废热锅炉7等其余部件是常规的，炉管的排列方式也是常规的，可以根据具体应用条件选择各种形式组合、替换，例如选择中国专利CN87204914U中公开的技术，或采用本领域普通技术人员所公知的其他形式。
本发明的有益效果是：
本发明比现有单程等径炉管有更长的运行周期，有高于两程炉管的乙烯收率。此种炉管构型具有运转周期适中、裂解选择性高、辐射段炉膛小的优点。
附图说明：
图1是裂解炉示意图。
图2是现有技术——单程等径炉管示意图。
图3是现有技术——单程等径带折弯炉管示意图。
图4是单程变径炉管示意图。
图5是单程变径带折弯炉管示意图。
图6是渐变式单程变径炉管示意图。
具体实施方式：
以下描述仅表示本发明的具体实施方式，只是为了进一步对本发明进行说明，而并不对本发明进行限制。
实施例1：
一种单程变径炉管的裂解炉，该裂解炉包括：炉体1，高压汽包2，对流段3，炉管4，燃烧器5，燃烧室6，废热锅炉7；所述的炉管4为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。该炉管从下端进料，上端出料，炉管为上下两段连接而成，炉管全长10m，两段管子的分段点在距下端5m处，变径段长150mm，上下段管长之比为1∶1。两段管子分别为等径管，进口段管子的内径为33mm，出口段管子的内径为41mm，出料端内径与进料端内径之比是1.24。进口段管子有一个弧形段24，即带一个折弯，该折弯是两个连在一起而方向相反的弯头，使进口段管子23分为两个直段，两个直段的轴线不在一条直线上，相距450mm。本裂解炉共有400根炉管，分为10个组，每个组有40根炉管。本实施例与图3的现有技术主要区别在于炉管是变径的
实施例2：
一种单程变径炉管的裂解炉，与实施例1的区别在于：本裂解炉共有440根炉管，分为10个组，每个组有44根炉管。
实施例3：
一种单程变径炉管的裂解炉，该裂解炉包括：炉体1，高压汽包2，对流段3，炉管4，燃烧器5，燃烧室6，废热锅炉7；所述的炉管4为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。该炉管从下端进料，上端出料，炉管为上下两段连接而成，炉管全长10m，两段管子的分段点在距下端5m处，变径段长150mm，上下段管长之比为1∶1。两段管子分别为等径管，进口段管子的内径为38mm，出口段管子的内径为41mm，出料端内径与进料端内径之比是1.079。进口段管子有一个弧形段，即带一个折弯，该折弯是两个连在一起而方向相反的弯头，使进口段管子分为两个直段，两个直段的轴线不在一条直线上，相距450mm。炉管带有强化传热元件，所用的强化传热元件是中国专利CN1260469A中公开的。
实施例4：
一种单程变径炉管的裂解炉，与实施例3的区别在于：进口段管子的内径为43mm，出口段管子的内径为46mm，出料端内径与进料端内径之比是1.07。
实施例5：
一种单程变径炉管的裂解炉，与实施例3的区别在于：进口段管子的内径为40mm，出口段管子的内径为43mm，出料端内径与进料端内径之比是1.075，炉管全长11.5m，两段管子的分段点在正中处。
实施例6：
一种单程变径炉管的裂解炉，该裂解炉包括：炉体1，高压汽包2，对流段3，炉管4，燃烧器5，燃烧室6，废热锅炉7；所述的炉管4为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。该炉管从下端进料，上端出料，炉管为上下两段连接而成，炉管全长10m，两段管子的分段点在距下端5m处，变径段长150mm，上下段管长之比为1∶1。两段管子分别为等径直管，进口段管子的内径为33mm，出口段管子的内径为41mm，出料端内径与进料端内径之比是1.24。本实施例与图2的现有技术主要区别在于炉管是变径的。
实施例7：
一种单程变径炉管的裂解炉，与实施例6的区别在于：进口段管子的内径为33mm，出口段管子的内径为43mm，出料端内径与进料端内径之比是1.3。
实施例8：
一种单程变径炉管的裂解炉，与实施例6的区别在于：进口段管子的内径为29mm，出口段管子的内径为39mm，出料端内径与进料端内径之比是1.345。
本发明的实施例应用数据见以下各表：
表1 裂解炉数据
| 炉管构型 | 现有技术单程等径管 | 实施例1 | 实施例2 |
| 组数 | 10 | 10 | 10 |
| 炉管根数/组 | 36 | 40 | 44 |
| 总炉管数/炉 | 360 | 400 | 440 |
| 管内径 mm | 41 | 33/41 | 33/41 |
| 管外径 mm | 51 | 41/51 | 41/51 |
| 管壁厚 mm | 5 | 4/5 | 4/5 |
| 管长 m | 10 | 5/5 | 5/5 |
| 内表面积 m2(进/出段) | 463.70 | 464.95207.34/257.61 | 511.44228.07/283.37 |
| 外表面积 m2(进/出段) | 576.80 | 578.05257.61/320.44 | 635.86283.37/352.49 |
| 管体积 m3(进/出段) | 4.7529 | 4.35101.7105/2.6405 | 4.78601.8815/2.9045 |
| 比表面积m2/m3 | 97.56 | 106.86 | 106.86 |
| 管截面积 m2(进/出段) | 0.4753 | 0.3421/0.5281 | 0.3763/0.5809 |
| 管间距 mm | 102 | 92 | 92 |
| 管间距/管外径 | 2.00 | 2.24/1.80 | 2.24/1.80 |
| 排管长 m | 2×18.36 | 2×18.40 | 2×20.24 |
| 炉膛长 m | 2×18.76 | 2×18.80 | 2×20.64 |
| 炉膛体积 m3 | 2×469 | 2×470 | 2×516 |
| 炉膛体积比 ％ | 100 | 100.2 | 110 |
表2 裂解实验数据
| 方案 | 现有技术单程等径管 | 实施例1 | 实施例2 |
| 强化传热管 | 有 | 有 | 有 |
| 烃进料量 t/h.炉 | 70 | 70 | 70 |
| t/h.组 | 7.000 | 7.000 | 7.000 |
| t/h.根 | 0.1944 | 0.1750 | 0.1750 |
| 稀释比 wt/wt | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 裂解温度 | 862 | 857.7 | 853.5 |
| 停留时间 | 0.1385 | 0.1280 | 0.1404 |
| 炉管压降SOREOR | 0.01640.0250 | 0.0210.040 | 0.01770.0522 |
| 运转周期 (天) | 25 | 35.9 | 47.5 |
| 燃料用量 | 5020.8 | 4801 | 4625.9 |
| 燃料用量比 ％ | 100 | 95.64 | 92.13 |
| 乙烯收率 | 27.5 | 27.5 | 27.5 |
| 烧焦方式 | 分管 | 分管/全炉 | 分管/全炉 |
| 采用的强化传热管 | 推荐在下半程每根炉管上加两节扭曲片管，在上半程每根炉管上加两节扭曲片管以强化传热 | ||
| 供热方式 | 100％底部烧嘴供热 | ||
表3 裂解炉及实验数据
| 方案 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |||
| 第一程炉管(上)外径 mm | 48 | 53 | 50 | |||
| 内径 mm | 38 | 43 | 40 | |||
| 第一程炉管(下)外径 mm | 51 | 56 | 53 | |||
| 内径 mm | 41 | 46 | 43 | |||
| 第一程炉管变径位置 | 1/2 | 1/2 | 1/2 | |||
| 布管高度 m | 10.0 | 10.0 | 11.5 | |||
| 烃进料量 公斤/时/组管 | 173.96 | 198.81 | 198.81 | |||
| 稀释比 | 0.50 | 0.50 | 0.50 | |||
| 运行阶段 | SOR | EOR | SOR | EOR | SOR | EOR |
| 表观停留时间 秒 | 0.1228 | 0.1102 | 0.1351 | 0.1227 | 0.1370 | 0.1238 |
| 辐射段热负荷 GJ/时 | 253.13 | 248.41 | 252.07 | 246.55 | 253.17 | 248.27 |
| 炉膛平均烟气温度 ℃ | 1190 | 1212 | 1218 | 1238 | 1196 | 1214 |
| 最高管壁平均温度(计算值) ℃ | 1013 | 1076 | 1033 | 1090 | 990 | 1049 |
| 辐射段入口温度 ℃ | 600 | 620 | 600 | 620 | 600 | 620 |
| 压力 Mpa(G) | 0.1221 | 0.1473 | 0.1143 | 0.1329 | 0.1259 | 0.1520 |
| 辐射段出口温度 ℃ | 875 | 883 | 872 | 878 | 871 | 878 |
| 压力 Mpa(G) | 0.0977 | 0.1073 | 0.0965 | 0.1052 | 0.0978 | 0.1073 |
| 炉管压降 MPa | 0.0244 | 0.0400 | 0.0178 | 0.0277 | 0.0281 | 0.0447 |
| TLE入口温度 ℃ | 847 | 854 | 844 | 850 | 847 | 854 |
| 压力 Mpa | 0.0930 | 0.1000 | 0.0930 | 0.1000 | 0.0930 | 0.1000 |
| 运转周期 天 | 56 | 45 | 69 | |||
| 运转周期控制因素 | 壁温 | 壁温 | 压降 | |||
从实施例1和实施例2的实验数据可以看出，在乙烯收率相同的条件下，本发明的运转周期明显延长，同时燃料用量有所下降。
对于不同的原料和不同的规模，可以有不同的炉管排布方式，在裂解炉设计中可以灵活应用。
Claims (8)
1.一种单程变径炉管的裂解炉，该裂解炉包括：炉体(1)，高压汽包(2)，对流段(3)，炉管(4)，燃烧器(5)，燃烧室(6)，废热锅炉(7)；其特征是：所述的炉管(4)为单程立式炉管，该炉管出料端的内径大于进料端的内径。
2.根据权利要求1所述的裂解炉，其特征是：所述的炉管(4)由出口段管子(21)和进口段管子(23)连接而成，两段管子分别为等径管，出口段管子(21)的内径大于进口段管子(23)的内径，两段管子之间由变径段(22)连接。
3.根据权利要求2所述的裂解炉，其特征是：所述炉管(4)的进口段管子(23)有一个弧形段(24)，该弧形段使进口段管子(23)分为两个直段，两个直段的轴线不在一条直线上，但保持平行。
4.根据权利要求1所述的裂解炉，其特征是：所述的炉管(4)为变径管，管子进口端的内径最小，自进口端到出口端，管子内径逐渐变大，管子出口端的内径最大。
5.根据权利要求1至4之一所述的裂解炉，其特征是：所述炉管(4)出料端内径与进料端内径之比的范围是：大于1，且小于等于1.36。
6.根据权利要求5所述的裂解炉，其特征是：所述炉管(4)进料端内径范围是29mm至45mm。
7.根据权利要求5所述的裂解炉，其特征是：所述炉管(4)出料端内径范围是37mm至48mm。
8.根据权利要求1至4之一所述的裂解炉，其特征是：所述炉管(4)中采用强化传热元件。
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