CN102911708A - 一种乙烯裂解炉旋流进料装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于乙烯裂解炉旋流进料方法及其装置，提供了一种猪尾管与裂解炉管的连接结构，其特征在于，乙烯裂解炉进料猪尾管与裂解炉管切向连接，且猪尾管进料方向与裂解炉管物料进料之间一夹角，其角度在10～75度之间。猪尾管与裂解炉管相连的进料口为1～16个，当进料口数目大于1时，各进料口沿管壁均匀分布在同一径向截面上。通过采用该旋流进料方法，可使裂解原料在裂解炉管内形成强烈的螺旋流动，产生有利于裂解反应进行的物料分布，达到强化管内传热、提高乙烯收率、减少结焦的目的。

Description

一种乙烯裂解炉旋流进料装置

技术领域

本发明涉及一种乙烯裂解炉旋流进料装置，包括单口和多口旋流进料装置，具体涉及一种进料猪尾管与裂解炉管具有新型连接结构的旋流进料装置。

背景技术

管式裂解法是目前乙烯生产的主要方法。采用管式裂解炉生产的乙烯约占世界乙烯总产量的99％以上。一般认为，对乙烯裂解反应而言，较高的温度、较短的停留时间、较低的烃分压有利于目标产物(乙烯、丙烯)的生成和抑制副反应的发生。由于原料裂解所需的热量通过管壁传递给裂解物料，裂解温度显然受到辐射管管壁温度的制约，而管壁温度又受到金属材料耐热性能的限制。近年来，由于乙烯生产企业和研究单位的努力，乙烯裂解炉管耐受温度已提高到1150℃左右，但继续提高十分困难。

由于物料流动过程中，物料主体以湍流方式流动，温度相对均匀，而贴近管壁处存在一个以层流方式流动滞流薄层，层流中热量主要以热传导方式通过，管内传热阻力绝大部分集中在滞流薄层中，研究表明，在光滑圆管中，管壁处温度与流体主体温度相差200～300℃，导致的后果是贴近管壁处温度高，裂解反应速度快，但同时也加快了结焦反应的发生；而主体部分温度较低，裂解反应较慢，造成目标产物收率低。

为了解决上述问题，众多乙烯生产企业和科研机构对乙烯裂解炉管结构进行了改进，主要从以下两方面入手：

其一是增大炉管的传热面积：主要技术有：Kellogg公司开发的应用于毫秒炉的单管程小直径管；日本三菱公司开发的椭圆管；Lummus公司的内翅片管(EP0305799，1989)；Exxon公司的直型梅花管(US 011902，1998)等。

其二是强化管内扰流，破坏贴近管壁的滞流层，同时形成螺旋二次流，以减少传热阻力。主要技术有：日本久保田株式会社的具有螺旋翅片的裂化管(JP014403，2003)；中国石化集团、中科院金属所、中石化北京化工研究院的整体铸造内置扭曲片的换热管(CN 1260469A，1999)；LG化学株式会社的管内插入扭片(KR 00387，2002)等。

这些管内强化传热技术的推广应用，均在不同程度上达到了减缓结焦、提高产品收率、降低管壁温度的目的。

但通过增大管内传热面积的方法虽然减小了管内的径向温差，但由于传热面同时也易发生结焦，流通截面的缩小造成了对结焦更为敏感，因而清焦周期缩短，不利于裂解炉的运行。

而通过在强化管内扰流的方法，提高了管内物料的湍流程度和对管壁的冲刷，在一定程度上缩小了管内的径向温差，有利于减弱结焦的生成；同时形成了有利于反应向正方向进行的螺旋二次流，相对于增加管内传热面积，是一种更为有效的强化传热方式，但管内扰流子占据了管内的有效容积，同时管内流动阻力显著增大。另外，管内螺旋扰流结构普遍加工困难，难以推广应用。如上述中国石化集团、中科院金属所、中石化北京化工研究院的整体铸造内置扭曲片的换热管，采用真空冶炼熔模精铸工艺制造，加工长度受到限制，且需分段与光滑炉管进行焊接，焊接部位较多，降低了炉管的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装方便、强化效果好的裂解炉强化传热装置，乙烯裂解炉旋流进料装置。

通常，乙烯裂解炉管排入口具有限流装置，主要的结构形式有锥形管和猪尾管。猪尾管是连接进气总管和裂解炉管的进料端的柔性管道，其形状通常为U形。其作用主要有两个：一是消除裂解炉管的轴向热应力；二是平衡各裂解炉管的阻力，防止裂解炉管内结焦引起管内阻力发生变化，导致各管排物料流量不一致，从而导致炉管超温而损坏。由于猪尾管的管径远小于裂解炉管，阻力较大，因而裂解炉管内结焦引起的阻力变化不至于改变各炉管的阻力分配。

通常，猪尾管与裂解炉管的连接方式有两种：一是轴向连接，通过一个大小头，小端与猪尾管相连，大端与炉管相连；另一种是法向连接，猪尾管从裂解炉管壁处与裂解炉管相垂直连接。本发明的技术原理在于：通过一种新的猪尾管与裂解炉管的连接结构，利用猪尾管内物料的高速流动，在裂解炉管内形成强烈的螺旋流。通常，猪尾管内径为裂解炉管的1/3～1/5，因而猪尾管内接近出口处的物料流速为裂解炉管内物料流速的10倍以上，可达到数百米每秒。猪尾管内物料从切向进入裂解炉管，并与裂解炉管轴向呈一定角度，由于物料的初始流动方向和裂解炉管壁的约束，物料在裂解炉管内形成了强烈的螺旋流动。由于螺旋流产生的离心作用，密度较大的反应物流体微团向管壁方向运动，而密度较小的生成物流体微团向管子中心方向运动，形成了具有一定浓度梯度的浓度场。由于反应所需的热量是由管壁向管内传递的，因而靠近管壁处温度较高，有利于反应的进行，而远离管壁处温度较低，不利于反应进行，因此，螺旋形二次流的产生促进了乙烯裂解反应的进行。同时，高速的螺旋流动对管壁产生强烈的冲刷，减薄了滞流层，因此减少了传热阻力，使管内流体的温度更接近于管壁温度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种裂解炉旋流进料装置，其特征在于，所述的旋流进料装置包括单口旋流进料装置和多口旋流进料装置；

所述的单口旋流进料装置包括一根带有进料口3的猪尾管1与裂解炉管2连通，猪尾管1与裂解炉管2切向连接，在猪尾管1与裂解炉管2的连接处，猪尾管1的物料沿裂解炉管2的柱面切向进入裂解炉管2(使得猪尾管中的物料沿裂解炉管管壁进入进而形成螺旋流)，且猪尾管1的进料方向与裂解炉管2的物料流动方向呈锐角夹角θ，θ为10～75°；

所述的多口旋流进料装置包括一根猪尾管1延伸出一根径向环绕裂解炉管2环形分布管4，环形分布管4带有至少两根支管5与裂解炉管2连通，环形分布管4与支管5的连接时平滑的，支管5与裂解炉管2切向连接，在连接处支管5的物料沿裂解炉管2的柱面切向进入裂解炉管2(使得支管5的物料沿裂解炉管管壁进入进而形成螺旋流)，且分支管5的进料方向与裂解炉管2的物料流动方向呈锐角夹角θ，θ为10～75°，分支管5的各进料口3均匀分布在裂解炉管2管壁的同一径向截面上。

上述方案中，进料口3优选为为1～16个。

所述的猪尾管1中的物料进料方向与裂解炉管2的物料流动方向所呈的夹角θ为20～45°。

有益效果

本发明的优势及进步在于：①乙烯裂解炉进料猪尾管与裂解炉管切向连接，在乙烯裂解炉进料猪尾管与裂解炉管的连接部位，进料猪尾管内壁与裂解炉管内壁相内切，可利用猪尾管内物料高速流动的动能，在裂解炉管内产生强烈的螺旋流动，螺旋流对管壁的高速冲刷破坏了物料贴近管壁处的滞流层，减小了传热阻力，因此有利于降低管壁温度，减少结焦，进而可降低温差推动力，即可降低炉膛温度，减少燃料消耗；同时能够延长炉管的使用寿命。②由于螺旋流的产生，裂解炉管内的物料形成了有利于裂解反应进行的浓度分布，因而能够提高乙烯等目标产物的收率。③本技术发明实施方便，不改变裂解炉管结构，旋流进料部分可以整体铸造成型，也可以现场焊接加工。既能适用于新建装置，也能用于旧装置技术改造，同时，由于旋流进料部分位于炉膛之外，温度较低，因而对材质的要求也较低，实施更为方便。

附图说明

图1为单口旋流进料装置的正面视图，其中1为猪尾管，2为裂解炉管，θ为猪尾管进料方向与裂解炉管物料流动方向的夹角。

图2为单口旋流进料装置径向剖面图，剖切方向见图1中A-A。其中1为猪尾管，2为裂解炉管，3为进料口。

图3为单口旋流进料装置正面剖视图，剖切方向见图2中B-B，其中1为猪尾管，2为裂解炉管，3为进料口。

图4为具有四个分支的多口旋流进料装置正面视图。其中1为猪尾管，2为裂解炉管，3为进料口，4为环形分布管，5为支管。

图5为具有四个分支的多口旋流进料装置底部视图。其中1为猪尾管，2为裂解炉管，4为环形分布管，5为支管。

图6为裂解炉管内物料流动迹线图。分别为(A)法向进料、(B)单口旋流进料、(C)四口旋流进料的物料流动迹线图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体结构。

图1至图3为本发明涉及的乙烯裂解炉单口旋流进料装置。图1为单口旋流装置正面视图。通过图1可直观地了解本发明的结构。为了清楚地表示猪尾管1与裂解炉管2的位置关系，在图1中A-A位置进行旋转剖，剖视图见图2。由图2可见，猪尾管1的内壁与裂解炉管2的内壁在连接位置是相一致的。为了显示进料口结构，在图2中B-B位置进行了剖切，剖视图见图3，图3可见了进料口3内部结构和形状。

图4和图5为本发明涉及的具有四个分支的乙烯裂解炉多口旋流进料装置。图4为具有四个分支的多口旋流进料装置正面视图。由图4可见，猪尾管1通过一环形分布管4分为四个支管5，支管5与裂解炉管相连，同样，支管5的内壁也是与裂解炉管内壁柱面相切的。为了清楚的显示猪尾管1与分布管4、分布管4与支管5的连接结构，图5给出了具有四个分支的旋流进料装置底部视图。由图5可见，支管5与裂解炉管2也是切向连接的。

图6为法向进料(A)、单口旋流进料(B)、四口旋流进料(C)的物料流动迹线。由图6可见，法向进料不产生旋流，但在入口处有强烈的扰流作用，持续距离较短。单口旋流进料和四口旋流进料均产生强烈的旋流作用。

实施例

根据本发明的技术原理，进行了乙烯裂解实验测试，本发明涉及的无分支单口旋流进料、四口旋流进料与相同尺寸规格的常规的径向连接的裂解炉管在同一裂解炉中和相同的操作条件下进行对比测试。

表1不同进料方式的物料温度和乙烯收率

从表1的测试结果可知，具有本发明涉及的旋流进料装置在管壁温度基本相同的条件下，物料出口温度高于常规法向进料裂解炉管，受益物料温度的提高和温度分布的改善，乙烯收率也得到明显提高。这说明旋流进料方法和装置在改善管内传热、降低管壁温度、提高乙烯收率上发挥了明显的作用，而且，四口旋流进料方式强化传热作用更优于单口旋流进料。相对于传统的法向进料方式，单口旋流进料和四口旋流进料其乙烯收率分别提高1.37和1.73个百分点。

Claims (3)

1.一种裂解炉旋流进料装置，所述的旋流进料装置包括单口旋流进料装置和多口旋流进料装置，其特征在于：

所述的单口旋流进料装置包括一根带有进料口3的猪尾管1与裂解炉管2连通，猪尾管1与裂解炉管2切向连接，在猪尾管1与裂解炉管2的连接处，猪尾管1的物料沿裂解炉管2的柱面切向进入裂解炉管2，且猪尾管1的进料方向与裂解炉管2的物料流动方向呈锐角夹角θ，θ为10～75°；

所述的多口旋流进料装置包括一根猪尾管1延伸出一根径向环绕裂解炉管2环形分布管4，环形分布管4带有至少两根支管5与裂解炉管2连通，环形分布管4与支管5的连接是平滑的，支管5与裂解炉管2切向连接，在连接处，猪尾管1中经支管5的物料沿裂解炉管2的柱面切向进入裂解炉管2，且猪尾管1中的物料进料方向与裂解炉管2的物料流动方向呈锐角夹角θ，θ为10～75°，支管5的各进料口3均匀分布在裂解炉管2管壁的同一径向截面上。

2.如权利要求1所述的裂解炉旋流进料装置，其特征在于，所述的进料口3的个数为1～16个。

3.如权利要求1所述的裂解炉旋流进料装置，其特征在于，所述的猪尾管1中的物料进料方向与裂解炉管2的物料流动方向所呈的夹角θ为20～45°。

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