CN101228410A - 具有耐磨损管板内衬的管束式热交换器 - Google Patents

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Abstract

具有耐磨损管板内衬的管束式热交换器(RW)。由热裂化设备的裂化炉高速逸出的裂化气体虽然停留时间短但含有焦炭颗粒，其严重腐蚀RW的气体进入侧的管底。理想的状态是，在管底和冷却器管进口区域上安装一个抵御高温腐蚀的金属内层。建议在具有冷却管(1)的热裂化设备中使用具有耐磨损管底内衬的管束热交换器(RW)，待冷却气体流经冷却管并且冷却管的端部通过每个管底而固定。冷却管配有冷却剂流经的外壳，其中，气体进入面的管底(2)在其进入RW的气体所涌向的面上至少部分地由材料层覆盖，其位于单独或两相邻排列并且在外棱角上相互碰撞而插入管板的套的端面上(图1)，其由一种耐热金属材料构成。

Description

具有耐磨损管板内衬的管束式热交换器
本发明涉及一种用于热裂化设备、具有耐磨损管板内衬的管束式热交换器(RW)。
这种RW在通过热裂化生产乙烯的乙烯设备中被置于裂化炉传送管道的流出侧，称为裂化气体的冷却器(转移线热交换器，TLE)。
裂化气体冷却器必须满足极高的结构和材料特性要求。通过碳氢化合物的热解，如原油、LPG、乙烷或氢裂化残留物(尾油、蜡)从裂化炉流出的热反应混合物(至大约850℃)必须在裂化气体冷却器中迅速冷却以避免无用的副反应。裂化气体冷却器即RW，作为废热锅炉，其中，通过壳侧流过的给水的气化可以产生高压蒸汽。
在这个过程中，裂化炉中产生了焦炭沉淀，该沉淀必须在一定间隔内(60-80天)通过由空气氧化而被除去。为了除去焦炭，在降低炉的燃烧效率时通过裂化炉的管道通入空气/蒸汽混合物，用其将含碳的沉淀物烧掉。这时焦炭颗粒也散开了，其与脱焦炭化气体经裂化气体通道穿过裂化气体冷却器传输至脱焦炭化管道。
由裂化炉高速流出的裂化气体即脱焦炭化气体通常通过传输管道由裂化气体冷却器底部进入轴向排列的气体进入室并且与下部的管底相碰，以便在流过后通过裂化气体冷却器的热交换管道进入下一过程。
裂化气体虽然停留时间短但含有焦炭颗粒，其在裂化气体速度高时有强烈的腐蚀作用。为了迅速冷却裂化炉中产生的热反应混合物必须尽可能迅速地通过裂化炉和冷却管之间的管道。由于通过有条件的短暂构型，通常从传输管道到冷却器直径扩张的气体进入空间将气体流同焦炭颗粒几种在管板和冷却器管道的中间区域，并被强烈的腐蚀。由此导致的承压内壁的减落使得维修的费用必须提高，这种壁厚减落因此导致相关的停工期，使生产停止。
解决类似问题可以从不同方式灼烧，其建立在使用陶瓷、耐火材料作为内衬、模制件或涂层：
由EP-A-0567674可以了解这样的热交换器，其可以冷却碳气化设备中产生的合成气体，在该设备中带有陶瓷涂层的气体进入侧的管板由单独或并列布置在彼此碰撞的外部边缘上的方形扣眼构成，其中每个扣眼具有一个圆锥状的开口，该开口在伸入一个热交换器管中的管节处变窄。这种解决方法在各方形元件之间不产生气闭。这种方法在烯烃设备的裂化气体冷却器中在中间区域产生焦炭并且破坏材料。另外所使用扣眼的末端在管中形成轮廓边缘，这在向裂化气体冷却器中通入高流速气体时引起强烈的涡流从而导致额外的腐蚀。
在DE-C-4404068中公开了一种使用由耐火体构成的陶瓷衬里。其可以是例如六角形的并且具有孔，通过这些孔在管底的背面可以强有力的焊接钉或钩子。耐火套以这种方式挂在管板上。这种设计并不能达到无缝的涂装。
此外熟知的方法是在一个反应器中装配含一个抗腐蚀耐火涂层的冷却管(参看US4124068)，以避免管道失灵的危险和冷却水在高温下侵入周围的反应混合物中。
在DE19534823A1中提出，在气体进入侧用化学固化的耐腐蚀防火产品涂在管底，其中捣碎适量的涂层至少以可加工的形式进行涂敷并接下来烧成防火质量的涂层。
这些应用的共同之处在于，其将陶瓷亦即非金属材料同金属设备材料，通常是钢接合。在实践中表明，由于不同的材料特性，如热膨胀系数，以及不同的可塑性(脆性的/可延展的)在加工、装配和修复过程中陶瓷构件与金属构件的接合耗费较高并且常常存在许多问题。此外，在插入陶瓷扣眼时产生涡流问题，亦即因此在流动方向观看到的扣眼的后端上通过那里出现的棱边而对材料造成特别的负荷。与DE19534823的实施例相反，它表现出，防火质量的涂层仅涂在管底中心的核心区域是行不通的，因为不同材料特性的协同作用使管底表面不同，导致在过渡区域，即在防火物质的外棱边上产生特殊的问题，大致通过自身剥落或在边缘通过涡流而强烈腐蚀。此外，在涂防火产品的涂层过程中只有管底被如此地保护。然而，其优点在于至少保护了在流动方向上观察的各自冷却管的前部分。这个只有通过使用扣眼或套筒才能实现。
试图解决核心区域较边缘区域大的流动和载荷问题，其已经通过在进入室内的圆锥形设备(参考US-PS3552487)或通过扩散形回转装置而内装装置(参看DE-PS2160372)来尝试解决。
此外，建议既考虑均衡进入室的流量又保护管板免受腐蚀，使RW装配有弯曲成环的棒，其中环沿顶端朝向气体入口的锥面表面排列(参看，EP0377089A1)。
因此，应当使核心流动区域中由高速流动气体夹带的焦炭颗粒减速并且沿径向向外部引导，以便焦炭颗粒不再引发管底部和管道的腐蚀磨损。另一方面，可以将这种构造同非理想的压力差结合并且通过相应停留时间的增加同产量损失结合。
本发明采用另一条途径，通过管底和冷却管进入区域的金属内衬实现一种有效的磨损保护。进入侧管底和在冷却管中的磨损有必要定期检查剥落和对裂化气体冷却器进行修复，在这方面人们在过去这样应对，通过堆焊使管板再次达到必要壁厚并且分批更换冷却管。这种方法十分昂贵，并且由于材料仅仅具有与原有使用时相同的特性，所以使用材料的抵抗能力同样并不令人满意。
可以确定的是，在气体进入区域的材料损失并不单单是通过机械磨损还有通过高温腐蚀(易燃)和形成腐蚀产物的机械磨损(氧化铁)协同作用造成的。
本发明的任务还在于在管底和冷却管进入区域涂上有强耐高温腐蚀的金属内衬，其在其它方面具有与设备材料相似的材料特性(韧性、热膨胀系数)。同时部分内衬不应具有负作用。此外，内衬应当容易涂上并且还应当容易去除或替换。
这个任务通过在含冷却管(1)的热裂化设备中使用有耐磨损管底内衬的管束热交换器(RW)解决，冷却气体流经冷却管并且其末端通过每个管底固定。冷却管配有冷却剂流经的外壳，其中气体进入侧的管底(2)在其由流入RW内的气体所涌向的一侧上至少部分地由材料层覆盖，其位于上单独两相邻排列并且在外棱角上相互碰撞而插入的管端套的端面上(图1)，其特征在于，插套由一种耐热金属材料构成。
插套(图2)原则上构造简单，即在最简单的情况下由管(4)和平板(5)构成。管在一端装有平板，其中板平面与管的纵轴成90度角。换句话说，管垂直于平板。平板(图3)是有孔的，以便进入的气体可以穿过平板流入管道中。在一个简单的实施形式中，平板具有一个钻孔。钻孔优选与管道的内径相似或相同。插套的生产通过切削、浇注成为焊接构造或通过冷变形实现。
优选平板与管横截面中点中心地对齐。管纵轴穿过板平面中心。有意义的方式是所谓的钻孔位于板平面中心。
平板自身具有可塑造构型，使平板的外棱角同邻近套的平板外棱角互相碰撞，以致进入册的管底至少部分被全平面或无缝地覆盖(图1)。
平板的合适几何构型取决于单个冷却管相互排列的几何比例。通过相互排列构成一个封闭的较大平面的合适几何形状单个平面为三角形平面，特别是等腰三角形，四角形平面，特别是矩形，当然也可以是菱形或六边形，特别是等角或等边的。如果管束的管道如此排列就可以在俯视图上构成格网，其中管总是标记为交叉点并且这些格子是正方形的。因此优选套平板是正方形的。
有利的方式是套管具有与冷却管内径相同或略微小于冷却管内径的外径。只有在这种情况下，含管道的插套能够恰好插入冷却管。实践证明，插套管道的理想长度在50到200mm范围内，特别合适的管道长度为70至150mm。特别理想的长度为100至120mm，因为其与运转条件下最受负荷的冷却管管段相对应。
插套的管道和平板的材料厚度适合于RW其余尺寸和运转条件。通常，理想的管壁厚大约为1mm。平板的优选厚度为2mm至10mm。
如以前提及的，在气体进入区域尤其是在管板收强负荷的中间区域通过高温腐蚀(易燃)和形成的腐蚀产物的机械磨损(氧化铁)的协同作用引起材料损失。由于迄今为止在该专业领域刚起步，所以尚处于新的认识，材料损失是由于单独或至少大多数机械磨损造成的。这个问题阻碍了专家对有利于陶瓷或耐火级别的涂刷的金属涂层的使用，尤其是因为过去常用焊接方法是耗力昂贵的并且不能获得希望值长的使用寿命。
本发明依据对金属材料如下的认识：它在给定过程条件下足够耐高温腐蚀，表面没有持续形成永久腐蚀产物并足够抵抗纯机械磨损负荷。因为还优选使用耐高温腐蚀的金属合金，特别是含大量铬的钢材和镍基合金。由于其在上述过程条件下的稳定性，优选用奥氏体钢来生产插套。
为了达到良好的气体流动性，套的入口处制造为圆锥形或倒圆(6)。
为了使在通入冷却管套的后端不产生在冷却管中引起涡流和材料损失的棱边，与平板相对的管末端接触插套(7)。
按照本发明使用的插套的另一优势在于生产插套的金属材料的可塑性。这就允许用简单可行的方法如通过碾压无缝固定连接套和冷却管。碾压的替换方式也可以使用液压对接的方法。
插套的材料特性允许实现薄壁套，这样可以使与端面相对的管端上形成的棱边减到最小。此外，通过一个薄的与冷却管固定连接的套使热交换的阻碍很小并且不影响RW在该位置的冷却效率。
与已知的现有技术相比，本发明具有如下优势：
-工件即插套与陶瓷相比十分牢固，因此不需要特殊的防碰撞或跌落保护。
-冷却管和套不必如陶瓷那样有如此高的尺寸精确性要求。其理由在于，只要通过碾压或液压对接就可以在冷却管和套管道之间产生固定连接。因此，这种方法也可以特别用于修理或改进已有的具有通过磨损使内径增大的冷却管的旧冷却器。在这种已经损坏的冷却器中由于材料损失需要更大扩张但用所使用的材料已不能办到。之后插套在碾压或液压对接时如同类似的没有预先损坏的冷却管，或多或少地进一步扩张。
-低生产成本，因为常见的材料和方法，自动化的批量生产。
-在一个待修复的冷却器中只需要很少的预加工，例如喷砂，然而不需要进一步的表面处理和管道封闭，例如通过捣碎适量的涂层(stampfmasse)。
-装配成本很低，因为所使用的工具是标准工具。
-安装时间相对较短，因为不需要装配锚固、拧紧或诸如此类的，同时不需要焊接和烘烤，例如通过捣碎适量的涂层(stampfmasse)
-十分重要的还有插套的插卸简单快速而无损害冷却器的危险。为此优选在平板和管道之间用一个合适的工具(例如，内管割刀、铣刀、钻孔器)安装到一个分离层。在平板分离出后推动冷却管与套管道之间的销钉，这些可以手工操作实现。
-插套的平板可以在其边缘倾斜，即在形成构成所有面的外棱角的边缘处，但并不与邻近插套的边缘相碰的地方倾斜，以便在插套的平板和管底之间不形成尖锐的棱边。
按照本发明的RW的应用并不仅限于热裂化设备。跟确切地说，其还可以运用于其它过程，在这些过程中，根据过程的条件对于材料有相似的需要，例如回转层炉膛的流出侧以及燃烧涡轮。
按照本发明的RW可以根据所有的需要构型构造，例如，固定盘热交换器、浮头式热交换器、U形管热交换器。在裂化设备中通常使用固定盘热交换器。
图1表示穿过管底(2)和这里2个通过一个管道焊接(3)与底部平板连接的示范性冷却管(1)的横截面图。在冷却管中均插入由套管道(4)和套平板(5)构成的套。邻近管道(1)的套平板有一个共有的碰撞边缘(8)。在边缘上其配合地相互碰撞。这样可以将管底(2)完全覆盖。进入的裂化气体不会碰到管底而是碰到插套平板的端面。
图2为插套的纵剖面。图3为套的俯视图。套由套管道(4)和套平板(5)构成。明显可见圆形的进入区域(6)以及接触管底(7)。
附图标记列表
(1)冷却管
(2)管底
(3)管道焊入
(4)套管道
(5)套平板
(6)圆形进入区域
(7)接触的管端
(8)碰撞边缘

Claims (13)

1.在具有冷却管(1)的热裂化设备中使用有耐磨损管底内衬的管束热交换器(RW)，冷却气体流经冷却管并且每个管底在其末端接有冷却管，冷却管配有冷却剂流经的外壳，其中气体进入面的管底(2)在其上至少部RW中流入气体的进入面由材料层覆盖，其在正面上单独或两相邻排列并且在外棱角上管末端插入的套中处于互相碰撞状态，其特征在于，插套由一种耐热金属材料构成。
2.如权利要求1的RW，其特征在于，通常插套由一个管道(4)构成，该管道在末端配有一个平板(5)，平板与管的纵轴成90度角并且有孔，以便进入的气体可以穿过平板(5)流入管道(4)中。
3.如权利要求2的RW，其特征在于，平板(5)中心对齐于管横截面。
4.如上述权利要求的RW，其特征在于，平板(5)具有可塑构型，使平板的外棱角同邻近套的平板外棱角互相碰撞(8)，以致进入侧的管底至少部分被无缝覆盖。
5.如上述权利要求2至4中任一项的RW，其特征在于，平板(5)是矩形的，优选正方形。
6.如上述权利要求2至5中任一项的RW，其特征在于，套管道(4)具有与冷却管内径相同或略小于冷却管(1)内径的外径。
7.如上述权利要求2至6中任一项的RW，其特征在于，插套管道(4)的长度为50至200mm范围内，优选70至150mm，特别优选100至120mm。
8.如上述权利要求2至7中任一项的RW，其特征在于，插套管道(4)的管壁厚为1mm。
9.如上述权利要求2至8中任一项的RW，其特征在于，插套平板(5)的厚度为2mm至110mm。
10.如上述权利要求2至9中任一项的RW，其特征在于，插套由奥氏体钢构成。
11.如上述权利要求2至10中至少一项的RW，其特征在于，与平板(5)相对的管端接触插套。
12.如上述权利要求2至11中任一项的RW，其特征在于，插套通过碾压或液压扩张而与各自的冷却管(1)牢固连接。
13.如权利要求1的使RW装配有材料层的方法，其特征在于，由管(4)和平板(5)构成的套插入热交换器管道中并且套的插入管道(4)通过碾压或液压对接而与各自的热交换器管道(1)牢固连接。
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