CN106052456A - 一种乙烯裂解炉用传热强化热交换管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管式裂解炉的新型强化传热热交换管，该新型热交换管按照一定间距安装数对中国专利号CN200610152587所公开的中空立交盘和扭曲片静态混合器的组合，合适数量的新型热交换管安装在易发生结焦的高温管段。管内流体经过中空立交盘时，受扰动在近壁区产生涡流及横向运动，引导近壁区流体和部分中央区流体交叉换位，能有效破坏边界层强化壁面传热；扭曲片静态混合器使原来轴向流动的流体发生大尺度的旋转换位流动，提高切向速度，加剧流体内部不同尺度漩涡的破碎和聚并，使得传热和混合过程更加充分。通过两种内构件组合，分别提高近壁面和管中心区域的传热和传质效率，实现裂解炉的高效和节能运行。

Description

一种乙烯裂解炉用传热强化热交换管

技术领域

本发明属于乙烯裂解炉管传热强化技术领域，具体涉及一种可用于乙烯裂解炉的新型传热强化热交换管。该热交换管将两类传热强化元件进行组合，可促进裂解炉管内管壁及管中心区域的整体强化传热，有效抑制管壁结焦，提高烯烃收率，实现乙烯裂解炉的节能和高效运行。

背景技术

乙烯工业的规模和水平是衡量国家化工实力的重要标志，提高乙烯装置的生产能力和运行水平对石化行业意义重大。目前，热裂解仍然是世界各国生产乙烯的主流工艺。石脑油、加氢尾油等原料在高温条件下，流经管式裂解炉发生裂解反应，制得乙烯、丙烯等基础化工原料。乙烯生产中裂解炉能耗巨大，占过程总能耗的65%以上。提高裂解炉内能量利用效率是实现乙烯装置节能运行的有效方法。

甲烷等燃料在乙烯裂解炉炉膛内燃烧放热，通过对流和辐射的方式将热量传给炉管，管内的油汽吸收热量后发生一系列复杂的断链、脱氢以及异构化、缩合成环等二次反应。粘性底层中，流体分层流动，流速低。由于热量传递主要依靠各流层间的分子热运动，其传热效率远低于边界层外湍流中漩涡剧烈的聚并和破碎所引起的热量交换。因此，减缓、抑制结焦的方法可以通过强化壁面湍动、减薄流动边界层，以此降低热阻，促使炉膛内放出的热量可以充分地被管内油汽吸收，而不是集中在管壁附近，可以使物料能在较短的时间内加热至反应所需的温度，实现提高裂解效率、进一步提高裂解炉能效的目标。

本领域的专业技术人员为实现裂解炉管的传热强化，采用减小管径、优化管程数和炉管布置方式等方法，已成功开发出各类分支变径管（4-1型，2-1型等）^[1]。并在此基础上，进一步摆脱传统圆直管结构的束缚，开发出一系列异形管。如凯洛格公司的梅花形炉管^[2]，卢姆斯公司的内肋条型、外钉头型式的炉管^[3]，艾克森石油公司的内波纹型炉管^[4]等。这些异形管相对于普通炉管，传热效率和烯烃收率均有较大程度的提升。然而由于异形管的加工制造过程较为复杂，成本过高，限制了其在传统裂解炉的改造和工业上的应用。在普通炉管上安装静态混合元件进可以解决上述难题。选择合适的位置，按照一定的组合规则安装数个强化元件，可重新分布管式反应器内的流场结构，形成对裂解反应有利的温度、浓度和速度分布，以满足高能效的目的。

发明内容

本发明专利所公开的乙烯裂解炉用传热强化热交换管包括的混合元件有：中国发明专利ZL200610152587.3公开的中空立交盘以及扭曲片静态混合器。内置扭曲片静态混合器可促进管内流体整体旋转运动，延长停留时间，增大换热面积。但是，从客观上来说，扭曲片作用范围主要集中在管中心附近区域，对于近壁区域流体湍动程度的提高和温度梯度的消除作用有限；此外，扭曲片不断改变油汽的流动方向，势必会造成较大的阻力损失，造成的动力输送成本较大，且长时运行后，扭曲片会受到冲刷磨损。中国专利号ZL200610152587.3所公开的中空立交盘元件将空间曲面薄片依次顶-顶、底-底相连构成首尾环接，可引导近壁区流体和部分中央区流体交叉换位，产生径向流动，减小了壁面处速度和温度梯度之间的夹角，促进传热；同时，径向流对边界层的剪切破坏，有助于改善近壁区域温度均匀性，可在炉管近壁区诱导物料产生成对的纵向涡，依靠纵向涡在壁面附近的旋转与剪切作用，提高近壁面区域流体湍动程度，减小温度梯度，减薄边界层，以较高的效率强化壁面传热。

本发明专利将中国专利号ZL200610152587.3所公开的中空立交盘与扭曲片静态混合器进行合理组合，在乙烯裂解管内形成含有壁面纵向涡流、整体大尺度旋转的复杂流动。近壁区的涡流可以破坏边界层，消除或减缓近壁面流体温度梯度；整体的大涡流动可以加速整体混合，促使更加充分的传热和混合过程，实现以较低的压力损失获得较高的传热强化效果的目标。

本发明专利所公开的乙烯裂解炉用传热强化热交换管，其中中空立交盘壁面各处都是光滑过渡的曲面，没有使物料可能产生死区的部位，其结焦倾向减小，换热效果好；扭曲片静态混合器的长度与宽度之比为2:1，厚度1-2mm。裂解原料流经扭曲片内构件时被切割成上下两个部分，两部分流体分别沿着扭曲片两侧发生强制旋转流动，转动过程中产生径向分速度对近壁区域的边界层也有一定的剪切作用。

根据本发明专利所公开的新型传热强化热交换管，将中空立交盘和扭曲片静态混合器组合形式沿轴向安装在结焦严重的高温管段；中空立角盘及扭曲片静态混合器均与乙烯裂解炉管管壁之间呈圆角过渡；数对静态混合器组合与乙烯裂解炉管集成一体。

特别是，所述两种静态混合器的厚度均为乙烯裂解炉管直径的1/20~1/15；所述中空立交盘静态混合器的轴向长度与乙烯裂解炉管的内径比值在1~1.5之间；所述扭曲片静态混合器的轴向长度与乙烯裂解炉管的内径比值在2~3之间，扭曲片长径比为2：1。

特别是，所述的乙烯裂解传热强化热交换管应沿轴向安装1对以上中空立交盘静态混合器和扭曲片的组合形式，组合内中空立交盘和扭曲片之间的间距应在500mm以上，相邻两热交换管的间距控制在1000mm以上。

特别是，所述同一传热强化热交换管内安装中空立交盘与扭曲片时，无需旋转角度；各段热交换管之间也无需旋转角度。

本发明所述的新型乙烯裂解传热强化热交换管仅安装在炉管上结焦严重的高温管段。由于裂解炉管内热交换管段安装数量不多，且主要作用区域集中在高温管段，因此不会造成整体裂解物料流速的降低，对处理能力影响不大。

附图说明：

附图1是内装中空立交盘和扭曲片静态混合器的可用于乙烯裂解炉传热强化的热交换管。(内装中空立交盘及扭曲片静态混合器的新型传热强化热交换管)

附图2是中国专利号CN99118875.6公开的中空立交盘，图中所示的中空立交盘有6段波纹组成；箭头表示物料流向，其中双箭头表示物料由近壁区流向中心区域，单箭头表示来流撞击中空立交盘曲面顶端。(中空立交盘结构)

附图3表示管式裂解炉的炉管中各节热交换管的一个布局实施的示意图。(管式裂解炉中各节热交换管布局示意图)

附图4是实施例中相同操作条件下，在r/D＝0.495处，加装新型热交换管的乙烯裂解管和光滑管内气体温度沿轴向分布图。其中r表示径向截面上某点到管中心的距离，z表示炉管上距离进口的轴向距离，D表示炉管直径。(r/D＝0.495处，新型裂解管和光滑管内气体温度沿轴向分布)

附图5是实施例中在相同操作条件下，r/D＝0.4825处，加装新型热交换管的乙烯裂解管和光滑炉管内气体温度沿轴向分布图。(r/D＝0.4825处，新型裂解管和光滑管内气体温度沿轴向分布)

附图6是实施例中在相同操作条件，加装新型热交换管的乙烯裂解管和光滑炉管内气体温度沿中心轴线分布图。(新型裂解炉管和光滑炉管内气体温度沿中心轴线分布)

附图7是实施例中在z/D＝166.66截面处，加装新型热交换管的乙烯裂解管和光滑炉管温度梯度沿径向分布图。(z/D＝166.66截面处(中空立交盘下游)，新型裂解管及光滑炉管温度梯度沿径向分布图)

附图8是实施例中在z/D＝332.85截面处，加装新型热交换管的乙烯裂解管和光滑炉管温度梯度沿径向分布图。(z/D＝332.85截面处(扭曲片下游)，新型裂解管和光滑炉管温度梯度沿径向分布图)

具体实施方式

本发明采用计算流体力学方法进行下列具体实施例，并结合附图对本说明做进一步的详细说明。本领域的技术人员可以理解，所指出的实施例仅仅是为了方便对本发明进行说明，本发明并不仅仅局限于下列各实施例。在本发明思想的指引下，本领域的技术人员可对本发明进行各种结构调整、补充及替换。然而，这不会超出本发明的精神和范围。

加装新型热交换管的乙烯裂解管与光滑炉管内反应及传热数值模拟结果比较：

模拟计算中所用裂解炉管尺寸为：内径10mm，壁厚1mm，总长度10m。1段内含中空立交盘及扭曲片静态混合器的热交换管安装在结焦较严重的高温管段，沿来流方向上按照中空立交盘在前，扭曲片在后的方式安装；光滑炉管为圆直管。操作条件为：进口温度873K，管壁温度为1108K。以丙烷为进口原料，总流量为：10.19kg/（m².s），其中水蒸气稀释比0.4；进口温度873k；出口压力101.325KPa。中空立交盘安装在裂解管上z/D=166.18的轴向位置处，扭曲片和中空立交盘相隔3323.8mm。

结果表明，在相同工艺、裂解管长度下，相比于光滑炉管，加装新型热交换管后出口产物分布显著改变，丙烷转化率提高了2.66%；中空立交盘和扭曲片对管内流场的重新分布使得乙烯的收率提高1.28%，丙烯收率小幅下降0.58%，但烯烃总收率提高0.35%。

以加装新型热交换管的裂解管和光滑管在近壁面相同位置和中心轴线上的温度分布来反映传热强化效果。在r/D=0.495处，新型裂解管和光滑管中心线上温度沿轴向分布如图4所示，在中空立交盘（z/D=166.66）和扭曲片（z/D=332.85）均出现一温度突变，中空立交盘近壁面处温度和光滑管相同位置处相比降低2℃左右，扭曲片处温度降低约1.8℃；如图5所示，由于混合元件对边界区域的作用范围有限，到r/D=0.4825处，光滑管和新型裂解管内气体温度沿轴向分布的差别减小；如图6所示，新型裂解管和光滑管内气体未进入中空立交盘内构件前管中心轴线上温度几乎重合。在强化元件的安装位置，均对当地的温度产生一定的扰动。图7和图8所示为z/D=166.66截面和z/D=332.85截面处，新型裂解管和光滑炉管温度梯度沿径向分布情况。两图表明，中空立交盘和扭曲片对温度梯度都有一定的削弱作用，但前者削弱了近壁面温度梯度，后者对减小中心区域的温度梯度更有效。从传热的角度，进一步证明了两者的结合能实现近壁面和中心区域的综合强化，也为出口产物收率的提高提供了解释。

参考文献

[1]ZdenekBelohlav, Petr Zamostny, Tomas Herink. The kinetic model ofthermal cracking for olefins production [J]. Chemical engineering andprocessing, 2003, 42: 461-473.

[2]王松汉. 乙烯装置技术[M]，中国石化出版社，1994:154-155.

[3]Lummus公司，乙烯裂解炉管[P]，EP0305799,1989-03-081.

[4]Exxon Research Engineering Corp. Apparatus for heating fluids andTubes for Disposal Therein. GB 969 796, 1964.

Claims (3)

1.一种内装两类传热强化元件组合的新型乙烯裂解炉用传热强化热交换管，其特征在于在一段乙烯裂解炉炉管内安装由中国专利号ZL200610152587.3所述中空立交盘和扭曲片静态混合器构成的组合元件。

2.根据权利要求1所述的新型乙烯裂解炉用传热强化炉管，其特征在于在结焦严重的高温管段至少安装一段由中国专利号ZL200610152587.3所述的中空立交盘及扭曲片静态混合器组合而成的热交换管；同一组合内相邻传热强化元件间距在500mm以上，每段热交换管之间的轴向距离大于1000mm；并且，每段热交换管内强化元件组合对数、每根裂解炉管内热交换管数不宜过多。

3.根据权利要求1、2所述的热交换管内，两类传热强化元件安装时均不旋转任何角度，即任何后续组合内的同类元件通过平移一定距离都可和其它组合内的元件完全重合（经过变径位置处除外）。