CN110709490A - 用于烃加工的传热管 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种传热管，其包括内和外表面；以及第一和第二混合元件，所述混合元件安置在位于所述管的内表面上的螺旋形行中，并且向内朝向所述管的中心纵轴突出。相邻的混合元件是通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的间隙弧距离分开的。所述螺旋形行相对于所述管的中心纵轴具有大约15度‑大约85度的角度(θ)。所述管的内直径是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小。

Description

用于烃加工的传热管
发明人：David B.Spicer；Bharath Krishnamoorthi
优先权
本申请要求2017年5月5日提交的美国临时申请No.62/502249的优先权和权益，并且该文件通过引用并入本文。
发明领域
本公开涉及用于烃加工的传热管及其用途，所述传热管包括乙烯炉辐射盘管。
发明背景
蒸汽裂化是一种由烃给料来生产烯烃(例如乙烯、丙烯和丁二烯)的商业方法。使用从乙烷到真空瓦斯油的范围的烃给料，并且反应可以在稀释蒸汽存在下进行。乙烯、丙烯和丁二烯是用于制造大量聚合物材料的基本构建块化学品和商业上重要的化学中间体。对于这些基本构建块石化品的需要预期将在可预见的未来持续增长。
烃的蒸汽裂化通常是通过将烃给料和稀释蒸汽的混合物与裂化炉中合适的盘管接触来进行。所述混合物(通常作为蒸气)送过若干个盘管(由一个或多个管制成)。这些盘管中的一个或多个通过裂化炉的对流段(对流盘管)，然后通过辐射段(辐射盘管)，其提供了足够的温度来促进烃裂化。燃烧器提供了所需的热量来将所述混合物带到期望的反应温度和促进形成一种或多种烯烃(例如乙烯)。
蒸汽裂化的一个特性是含碳材料(称作“焦炭”)的沉积物的聚集，例如在辐射段的内部上聚集。这些焦炭沉积物干扰了热量流过管壁进入反应物料流(因为焦炭是绝缘体)，这导致了较高的管金属温度。最终，管温度可以达到所述管的冶金学温度限度。高运行温度导致辐射盘管寿命降低和焦炭累积速率增加。所述管内侧上的焦炭沉积物还增加了横跨辐射盘管的压降。较高的压力导致期望的产物的收率下降(主要归因于较低的选择性裂化，其在较高的压力发生)。焦炭累积可以直接或者间接观察到，例如通过横跨传热管的更大的压降或者更高的辐射管金属温度(处于基本上恒定的盘管出口温度)所指示的。
当所述管金属温度达到蒸汽裂化方法过程中的材料最大运行温度或者横跨辐射盘管的压降达到给定炉设计的最大可承受值时，所述方法终止，然后对盘管“除焦”。在此时焦炭的形成可以已经达到一定厚度例如在所述管内0.25”-0.35”(0.635cm-0.89cm)。一种典型的除焦方法导致了12-72小时的非生产反应器时间。除焦通常是通过将包括空气和蒸汽的混合物在高温下送过反应器盘管来进行的。焦炭是通过燃烧和烧蚀/散裂(spalling)的组合来除去的。还可以使用避免使用空气的其他的除焦技术，其中焦炭主要是通过烧蚀/散裂和气化来除去的。
对于乙烯的反应器选择性受到反应器中短的烃停留时间(例如低于大约0.5秒)和低的烃分压的青睐。已经研究了具有降低的内直径(例如4英寸内直径[大约10cm]或者更小)的辐射管来增加管的内表面积与体积比，来增加使用过程中从管到烃给料的传热。该增加的内表面积与体积比提供了烃给料在管内降低的停留时间(0.5秒或者更小)，其促进了乙烯形成选择性。高选择性盘管也可以使用管内直径2.25”(大约5.7cm)或者更小，和停留时间0.25秒或者更小。工业上的特别高选择性盘管使用管内直径是1.65”(大约4.4cm)或者更小和停留时间0.10-0.15秒。
美国专利No.5950718(其通过引用并入本文)描述了一种传热管，其具有连接到管的内表面上的混合元件的连续螺旋布置。所述混合元件促进了流过所述管的湍流和改进了传热系数。美国专利No.7799963(其通过引用并入本文)描述了一种传热管，其具有螺旋形混合元件几何形状，而非连续螺旋形，所述混合元件包括间断的螺旋，具有“无凸起”巷道，其沿着所述管的中心纵轴延伸。美国专利No.8231837(其通过引用并入本文)描述了传热管，其具有多个沿着内表面在若干个突出行内圆周延伸的突出部。不过，在蒸汽裂化方法过程中持续形成焦炭，和因此在炉运行终点处横跨辐射管的压降仍然是一个问题。
需要这样的传热管，其配置来保持或者改进有利的传热特性，来促进乙烯形成，而不导致较高的压降。
概述
已经发现焦炭在较小直径管内的聚集导致在甚至传热管中高于预期的压降，所述传热管例如辐射管，其具有通过位于成对的混合元件之间的间隙形成的至少一个通路、通道或者巷道(称作“无凸起巷道”)，所述通路或者通道通常基本上平行于所述管的中心长轴(和当存在大于一个无凸起巷道时彼此平行)。不受限于任何理论，据信焦炭聚集发生在无凸起巷道中，并且当焦炭层厚度接近于该无凸起巷道的宽度一半时加速。已经进一步发现对于商业炉中典型的运行持续时间和典型的焦炭厚度来说，保持所述无凸起巷道的尺寸大于大约0.5英寸(大约1.27cm)明显降低了结焦条件压降。
因此，本发明的某些方面涉及一种传热管，其包括内表面和外表面。所述传热管进一步包括第一螺旋形行，其包括两个或者更多个混合元件，所述混合元件布置于所述管的内表面上，并且向内朝向所述管的中心纵轴突出。相邻的混合元件是通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的间隙弧距离分开的。所述第一螺旋形行相对于所述管的中心纵轴具有大约15度-大约85度的角度(θ)。所述管的内直径是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小。
其他方面涉及一种热裂化烃给料的方法，其包括将烃给料引入传热管和在热裂化条件下裂化所述烃给料。所述管具有第一螺旋形行，其包括两个或者更多个混合元件，所述混合元件布置于所述管的内表面上，并且向内朝向所述管的中心纵轴突出。所述管的内直径是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小。相邻的混合元件是通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的间隙弧距离分开的。所述第一螺旋形行相对于所述管的中心纵轴具有大约15度-大约85度的角度(θ)。
再其他方面涉及焦炭层在裂化过程中沉积到管的内表面上。布置于混合元件上的焦炭层可以具有高度(t)和布置于所述管的内表面上的焦炭层处于高度(t’)处，其中所述(t)值是(t’)值的大约70％-大约100％。
附图简要描述
图1示意性显示了一种蒸汽裂化炉。
图2是传热管沿着平行于所述管的中心纵轴的横截面的截面图。
图3是传热管沿着垂直于所述管的中心纵轴的横截面的截面图。
详述
该描述和所附的权利要求书的传热管(所规定的传热管)适于用作乙烯炉辐射盘管(辐射管)的传热管。该传热管可以具有例如大约1.85英寸(4.7cm)或者更小，例如大约1.8英寸(4.57cm)或者更小的内直径，和位于紧邻所述管的内表面(例如连接或者附接到所述管的内表面)和以间断的螺旋形几何形状安置的多个混合元件。两个相邻的混合元件的端部之间的间隙(称作弧距离)是大约0.5英寸(1.27cm)或者更大，例如大约0.6英寸(1.52cm)或者更大。某些形式的所规定的传热管具有3个混合元件/螺旋形行长度(一个完整的螺旋圈)。所规定的传热管通常提供了增加的传热系数(与常规的传热管相比)，并且不导致由于混合元件之间的间隙中焦炭形成引起的高压降。在所规定的传热管中，在消除横跨辐射管有利的低的压降之前，0.3英寸(0.76cm)厚的焦炭层可以沉积在所述管内。这转而提供了这样的裂化管，其配置来促进乙烯形成和保持或者改进所规定的传热管的有利的传热特性，而不导致较高的压降。要注意的是所述压降是横跨辐射盘管的整个长度测量的。这些改进为蒸汽裂化方法提供了在需要开始(例如来自于过多的结焦)来以除焦模式运行所述炉之前，更长的热解模式运行持续时间。
所规定的管可以用于热裂化烃给料的方法中，例如蒸汽裂化方法中。该描述和所附的权利要求书所规定的方法(所规定的方法)可以包括将烃给料引入传热管和在热裂化条件下裂化该烃给料。所述管可以具有第一螺旋形行，其包括两个或者更多个混合元件，该混合元件布置于所述管的内表面上和向内朝向所述管的中心纵轴突出。所述管的内直径可以是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小。所规定的方法可以包括将烃给料与所述第一螺旋形行的第一混合元件和所述第一螺旋形行的第二相邻的混合元件接触。所规定的方法中的某些包括将烃给料与所述管的内表面相邻流动和流过所述第一混合元件的第一端和所述第二相邻的混合元件的第一端之间的区域，所述区域通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的弧距离来限定。这可以包括例如将烃给料在整个传热管中分布来选择性提供穿过所述管的流动路径，以使得焦炭可以累积到至少大约0.25英寸(0.635cm)，例如至少大约0.3英寸(0.76cm)的高度，但是同时可以保持适当的乙烯形成参数。已经发现所规定的方法增加了传热管的有用的寿命，增加了热裂化方法的持续时间(运行时长)，和降低了对于除焦的必要性。
蒸汽裂化设备和方法
图1是根据本公开一种实施方案的蒸汽裂化炉100。如图1所示，蒸汽裂化炉100包括辐射燃烧室102，对流段104和烟道气排出口106。燃料气经由管道108和控制阀110提供到燃烧器112，其将辐射热提供到烃给料，该烃给料布置来在烃给料流过一个或多个盘管时通过它的热裂化产生期望的产物。所述燃烧器产生了热烟道气，其流过对流段104和然后流过烟道气排出口106。
烃给料经由管道114和阀116流到对流盘管118，并且通过与流过对流段104的热烟道气间接接触来预热。阀116配置来调控引入到对流盘管118中的烃给料的量。对流盘管118可以包括多个热交换管120。给料114也可以流过多个平行供料管道122和相应的平行对流盘管(未示出)。图1显示了总共4个供料管道。在其他实施方案中，蒸汽裂化炉包括2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18或者更多个供料管道。
稀释蒸汽是经由稀释蒸汽管道124通过阀126提供到对流盘管128，来通过与烟道气间接传热来预热。阀126配置来调控引入对流盘管128中的稀释蒸汽的量。对流盘管128可以包括多个热交换管130。稀释蒸汽124也可以流过多个平行的稀释蒸汽管道132和相应的平行对流盘管(未示出)。多个管道132中的稀释蒸汽管道的数目可以对应于多个管道122中的供料管道的数目。
预热的稀释蒸汽和预热的烃供料在管道134中或者与之紧邻来合并。所述烃给料和蒸汽的混合物经由管道134再次引入对流段104来预热对流盘管136中的混合物。对流盘管136可以包括多个热交换管138。用于混合的给料和蒸汽的多个对流盘管(未示出)可以对应于多个管道122中的供料管道的数目来提供。所述烃给料和蒸汽的混合物通常在对流盘管136中预热，例如预热到大约750°F-大约1400°F，例如大约1200°F(649℃)-大约1350°F(732℃)的温度。
跨接管线140配置来将烃给料和蒸汽的预热的混合物提供到辐射段102中的辐射盘管142来热裂化所述烃。辐射盘管142包括一个或多个传热管144。传热管(一个或多个)144可以具有多个混合元件(未示出)，其布置于所述管(一个或多个)的内表面上。炉100可以包括多个辐射盘管(未示出)。所述多个辐射盘管中的辐射盘管的数目可以对应于或者大于多个管道122中的供料管道的数目。例如通过单个对流盘管供给的辐射盘管的数目可以是1至高到40。离开对流盘管136的加热的混合物的温度通常设计处于或者接近其中开始明显热裂化的点处。
烃给料可以包含一种或多种相对低分子量烃(轻质给料)，特别是在这样的方面，其中期望C2不饱和物(乙烯和乙炔)的相对高收率。轻质给料通常包括基本上饱和的烃分子，其具有小于5个碳原子，例如乙烷、丙烷及其混合物(例如乙烷-丙烷混合物或者”E/P”混合物)。对于乙烷裂化来说，通常是至少大约75wt％浓度的乙烷。
烃给料可以包括高分子量烃(“重质给料”)。重质给料的例子包括一种或多种的蒸汽裂化瓦斯油和渣油，瓦斯油，加热油，喷气燃料，柴油，煤油，焦化器石脑油，蒸汽裂化石脑油，催化裂化石脑油，加氢裂化产物，重整产物，残油重整产物，费托液体，费托气体，蒸馏物，原油，常压管式炉底部物，真空管式炉料流(包括底部物)，瓦斯油冷凝物，来自于精炼厂的重质非直馏烃料流，真空瓦斯油，重质瓦斯油，原油污染的石脑油，常压渣油，重质渣油，C4/渣油混合物，石脑油/渣油混合物，瓦斯油/渣油混合物，和原油。所述烃给料的名义(nominal)最终沸点可以是大约600°F(316℃)或者更大，例如大约750°F(399℃)或者更大，例如大约850°F(455℃)或者更大，例如大约950°F(510℃)。名义最终沸点表示99.5wt％的特定样品已经达到它的沸点时的温度。
所述烃给料和蒸汽的预热混合物经由跨接管线140提供到布置于所述炉的辐射段102中的辐射盘管142。该烃给料和蒸汽的预热的混合物穿过辐射盘管例如辐射盘管142的流速可以是大约250英尺/秒(大约76米/秒)-大约600英尺/秒(183米/秒)，例如大约400英尺/秒(122米/秒)-大约500英尺/秒(152米/秒)。要注意的是这些值对应于不存在焦炭时辐射盘管中的气体速度。随着焦炭厚度增加产生了更高的速度。辐射盘管例如辐射盘管142的长度可以是大约30英尺(大约9.1米)-大约300英尺(大约91米)，例如大约35英尺(大约11米)-大约200英尺(大约61米)。在一些实施方案中，辐射盘管例如辐射盘管142的长度可以是大约35英尺(大约11米)-大约45英尺(大约14米)。
在某些方面，烃给料和蒸汽的混合物包含的蒸汽量是大约10wt％-大约90wt％，基于该混合物的重量，并且该混合物的其余部分包括烃给料。在至少一种实施方案中，烃给料和蒸汽的混合物是通过将离开对流盘管118的预热的烃与离开对流盘管128的预热的蒸汽合并来产生的，例如以大约0.1-大约1kg蒸汽/kg烃的比率，例如大约0.2-大约0.6kg蒸汽/kg烃的比率合并。
蒸汽裂化条件可以包括将烃给料和蒸汽的混合物暴露于大于或等于400℃，例如大约400℃-大约900℃的温度(在辐射出口测量的)，和大于或等于大约0.1bar的压力，并且裂化停留时间是大约0.01秒-大约5秒，例如大约0.1秒-大约0.5秒。
在至少一种实施方案中，烃给料包括重质给料，并且烃给料和蒸汽的混合物包括大约0.2-大约1kg蒸汽/kg烃。蒸汽裂化条件可以包括下面中的一种或多种：(i)混合物温度是大约760℃-大约880℃；(ii)辐射盘管内的压力是大约1-大约5bar，或者(iii)裂化停留时间是大约0.10-大约2秒。辐射盘管流出物的温度可以是大约760℃-大约880℃，例如大约790℃。
在至少一种实施方案中，所述烃给料包括轻质给料，并且所述混合物包括大约0.2-大约0.5kg蒸汽/kg烃。该蒸汽裂化条件可以包括下面中的一种或多种：(i)混合物温度是大约760℃-大约1100℃；(ii)辐射盘管内的压力是大约1-大约5bar，或者(iii)裂化停留时间大约0.10-大约2秒。对于乙烷或者丙烷供料来说，辐射盘管流出物的温度可以是大约760℃-大约1100℃，例如大约900℃。
在辐射段102中已经实现了期望的热裂化程度之后，将辐射盘管流出物156快速冷却。例如辐射盘管流出物156提供到一个或多个骤冷级146。骤冷方法是公知的，并且骤冷级146可以是任何已知的骤冷方法例如转移管线交换器(TLE)，其中辐射盘管流出物156是间接冷却的，或者是骤冷管件，骤冷油(未示出)通过其直接注入辐射盘管流出物156中。可以并联使用多个骤冷级(未示出)，并且级146对应于多个管道122中的供料管道的数目。
足够的冷却提供在骤冷级146中来确保骤冷的辐射盘管流出物148的温度适于供给到下游分离装置。例如初级分馏器(未示出)可以接收温度是大约288℃(550°F)-大约315℃(600°F)的骤冷的辐射盘管流出物。
传热管
图2是一种形式的所规定的传热管的内表面的截面图，并且适于用作传热管144。该截面图是沿着平行于所述管的中心纵轴的横截面。传热管200具有内圆周(c)，其当所述横截面是基本上圆形时，通过下面的等式1与内直径(d)(图2未示出)相关。
等式(1) c＝πd
传热管200包括螺旋形行201，其相对于传热管200的中心纵轴(A)以角度(θ)布置于内表面208上。角度(θ)通常是大约15度-大约85度。螺旋形行201的行长度(R)表示绕着传热管200的中心纵轴(A)行进360度的圈(一个完整的圈)的螺旋形行201的段长度。对于具有基本上圆形横截面的管来说，行长度(R)与角度和内直径(d)(未示出)相关，并且通过下面的等式2给出。
等式(2) R＝πd/sinθ
为了清楚起见，图2中的任何行长度(R)的底部连接到相邻的行长度的顶部上，以使得螺旋形行201沿着内表面208绕着中心纵轴(A)旋转来连续形成螺旋(或者螺线)。
螺旋形行201具有两个或者更多个混合元件202，其布置于内表面208上和向内朝向中心纵轴(A)突出。每个混合元件202具有第一端204和第二端206。所述第一混合元件的第一端204是通过间隙弧距离(g)与第二相邻的混合元件的第二端206分开的，从而形成了单个混合元件202沿着螺旋形行201间断的螺旋形几何形状。间隙弧距离(g)是沿着内表面208，从所述第一元件的第一端204与内表面接合处到所述第二相邻元件的第二端206与内表面接合处测量的。间隙弧距离(g)是在螺旋形行201的方向上测量的。
每个混合元件202具有元件弧长度(L)，其表示沿着内表面208从所述元件第一端204与内表面接合处到同一元件第二端206与内表面的接合处测量的混合元件的弧长度。元件弧长度(L)是在螺旋形行201的方向上测量的。
在一种实施方案中，给定行中的混合元件202可以具有不同的元件弧长度(L)和/或间隙弧距离(g)。
优选单个混合元件202的元件弧长度(L)是相等的，并且混合元件之间的间隙弧距离(g)也是相等的。对于基本上圆形横截面的优选的管来说，在螺旋形行201的一个完整的圈中单个混合元件202的数目(n)通过下面的等式3-5与间隙弧距离(g)、行长度(R)、元件弧长度(L)和角度(θ)相关。
等式(3)
Figure BDA0002299786760000101
等式(4)
Figure BDA0002299786760000102
等式(5)
Figure BDA0002299786760000103
如可以理解的，螺旋形行201的一圈中混合元件的数目(n)可以变化。在一种优选的实施方案中，混合元件的数目(n)是三(3)。
“无凸起巷道”是平行于本公开的传热管的中心纵轴的区域，其中所述螺旋形行的混合元件的间隙弧距离对齐来促进烃给料流过所述管，并且在给料流过所述管时减少了给料“凸起”到混合元件中。也就是说，给料沿着没有任何混合元件阻碍的无凸起巷道流动。例如间隙弧距离(g)可以沿着中心纵轴(A)对齐来形成区域(ZB)，其是“无凸起巷道”，即，这样的通路，在其中沿着紧邻所述管的内表面的通路通道不存在混合元件，所述通路或者通道在所述管的基本上整个纵向长度上延伸。例如区域(ZB)沿着传热管的中心纵轴(A)不具有任何混合元件202，其提供巷道，来用于烃给料和/或蒸汽与管200的表面208相邻来无受阻地流动。
混合元件例如混合元件202可以通过任何已知的方法(包括焊接)粘附或者附接到管的内表面例如内表面208上。美国专利No.7799963(其通过引用并入本文)描述了合适的方法例如等离子体粉末焊接(PPA焊接)。对于PPA焊接来说，管是通过旋转驱动设备(其可绕着它的轴旋转)来水平支撑的。将焊接炬与支撑臂相连接，所述支撑臂插入所述管中并且保持平行于纵向管轴(A)(参见例如美国专利7799963的图8)。粉末材料通过管来供给到所述焊接炬，其在所述管的内表面上形成珠。在所述焊接炬间歇形成具有通过交叠形成的珠的螺旋形混合元件时，所述管沿着纵向管轴(A)旋转和移动。可以调节所述管的转速、焊接炬的数目、水平移动速度等来形成本公开的不同的混合元件构造。将焊接炬支撑臂在固定的管内旋转的PPA焊接方法在本发明中也是可以预期的。
图3是一种形式的具有基本上圆形横截面的所规定的传热管的截面图。这种形式的管可以类似于(或者等同于)图2的传热管，并且同样的特征是用同样的附图标记表示的，但是从垂直于所述管的中心纵轴的横截面观察。如图3所示，传热管200具有内表面208和与内表面208相对的外表面304。传热管200也具有内直径(d)，其是通过内表面208的第一侧300和内表面208的与所述第一侧300相对的第二侧302之间沿着穿过所述管中心轴的直线的距离来定义的。混合元件202具有高度(h)。混合元件202的高度(h)可以是例如大约1mm-大约10mm，例如大约1mm-大约5mm，和可以与其他混合元件的高度独立地选择。
第一混合元件的第一端204是与第二(相邻)混合元件的第二端206通过间隙弧距离(g)分开的。间隙弧距离(g)是沿着内表面208在第一混合元件的第一端204与内表面208接合之处和第二(相邻)混合元件的第二端206与内表面208接合之处之间测量的。间隙弧距离(g)是在螺旋形行的方向上测量的(图3未示出)。
混合元件202具有元件弧长度(L)，其表示沿着内表面208从所述元件第一端204与内表面接合处到同一元件第二端206与内表面接合处测量的混合元件的弧长度。元件弧长度(L)是在螺旋形行的方向上测量的(图3未示出)。
内直径(d)通常是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小，例如大约1.8英寸(4.57cm)或者更小，例如大约1英寸(2.54cm)-大约1.8英寸(4.57cm)，例如大约1.62英寸(4.11cm)或者1.82英寸(4.62)，和间隙弧距离(g)是大约0.5英寸(1.27cm)或者更大，例如大约0.6英寸或者更大，例如大约0.5英寸(1.27cm)-大约1.5英寸(3.8cm)，例如大约0.63英寸(1.6cm)。
再次参见图3，焦炭层306可以在高度(t’)处变成沉积到内表面208上，以及在高度(t)处沉积到混合元件202上。在至少一种实施方案中，高度(t)是在混合元件的中点处垂直于混合元件表面和垂直于所述管的内表面测量的。类似地，高度(t’)是在两个相邻的混合元件之间的间隙的中点处垂直于所述管表面测量的。当间隙弧距离(g)是根据本公开设定时，高度(t)可以是在两个相邻的混合元件之间的间隙中点处垂直于所述管表面测量的高度(t’)的至少大约70％，例如85％，90％或者95％。
已经发现除了间隙弧距离(g)是大约0.5英寸(1.27cm)或者更大之外，还具有内直径(d)是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小，例如大约1.8英寸(4.57cm)或者更小的传热管提供了保持的传热系数(与在混合元件之间具有间隙的传热管相比)，而不引起由于所述混合元件之间的间隙中焦炭形成导致的高压降。
还已经发现在消除了所述管端部处有利的低压降之前，在所述管内可以发生0.3英寸(0.76cm)厚(例如t和/或t’值是0.3英寸或者更大)的焦炭层的沉积，其提供了具有较长的运行时长(也称作“运行时间”)的蒸汽裂化方法，而无需终止蒸汽裂化方法来进行除焦方法。不受限于理论，这些内直径和弧距离尺寸允许例如沿着所述管的中心纵轴(A)存在着“无凸起巷道”，虽然形成了例如0.25英寸(0.635cm)厚或者更大，例如0.3英寸(0.76cm)厚的焦炭层。
本公开的范围不限于间隙弧距离(g)仅仅是0.6英寸和焦炭层是0.3英寸厚。这些是典型的焦炭厚度，用于热解模式运行的运行时长的典型的商业持续时间(运行时长)(例如在除焦模式运行变成必需前，蒸汽裂化模式的持续时间)。如果除焦之间期望的运行时长导致焦炭层厚于0.3英寸，则所述间隙弧距离(g)应当增加相应量来应对新的焦炭层厚度和保持期望的“无凸起巷道”压降性能。
对比例1：作为对比例，将具有内直径(d)是2.25英寸(5.71cm)，四个混合元件，混合元件之间的间隙弧距离(g)大于0.5英寸(1.27cm)，和长度是大约70英尺(大约21.3m)的传热管在蒸汽裂化条件下用于蒸汽裂化方法。对于具有大于大约0.2英寸(0.5cm)厚的焦炭层但是仍然保持了混合元件之间的形状和间隙距离的管计算了预测的压降。在蒸汽裂化条件下裂化了26天后，还预测了横跨管入口和出口测量的实际的压降。也在蒸汽裂化条件下预测了所述管金属温度。对于这种直径、长度和停留时间的管，还预测了传热和选择性。
对比例2：作为第二对比例，将具有内直径(d)是1.62英寸(4.11cm)，四个混合元件和间隙弧距离(g)小于0.5英寸(1.27cm)的传热管在蒸汽裂化条件下用于蒸汽裂化方法。对于具有大于大约0.2英寸(0.5cm)厚的焦炭层但是仍然保持了混合元件之间的形状和间隙距离的管计算了预测的压降。令人惊讶地，在在蒸汽裂化条件下仅仅二十二(22)天裂化后，横跨管入口和出口测量的实际压降比预测高了13psi(34％)。所述管金属温度和压降是与对于具有连续(不间断)混合元件(即，在混合元件之间没有间隙弧距离或者其中不存在“无凸起巷道”)的类似直径传热管所预测的那些相同的。
这样的传热管也处于本发明范围内，其进一步包括第二、第三、第四等螺旋形行，其含有布置于所述管的内表面上的两个或者更多个混合元件。每个行相对于所述管中心轴布置的角度可以与至少另一个行相同，但是这不是必需的。例如第二螺旋形行可以以与第一螺旋形行相对于所述管的中心纵轴的相同角度(θ)布置，或者第二螺旋形行可以以第二角度(θII)布置，其不同于所述第一螺旋形行的角度(θ)。第二角度(θII)通常是大约15度-大约85度，相对于所述管的中心纵轴。第一螺旋形行和第二螺旋形行之间的纵向距离可以是大约20毫米(mm)-大约400mm。第一螺旋形行的混合元件可以具有第一元件弧长度(L1)和第二螺旋形行可以具有第二元件弧长度(L2)。弧长度(L1)和(L2)可以是基本上相同的或者不同的。在具有一个或多个另外的混合元件的螺旋形行的某些方面，所述行的混合元件基本上不干涉另一行的无凸起巷道。
除焦
除焦模式可以在不期望的厚度的焦炭层在所规定的传热管中形成(例如，通过横跨所述管内体积的不期望的大压降所证实的)后进行。除焦可以在任何焦炭层厚度进行。例如当焦炭层的(t)值和/或(t’)值是大约0.2英寸(0.5cm)或者更大，例如大约0.25英寸(0.635cm)或者更大，例如大约0.3英寸(0.762cm)或者更大时可以进行除焦。
可以使用常规除焦技术，但是本发明不限于此。例如可以使用蒸汽-空气除焦，也可以仅仅用蒸汽来除焦。可以使用在线除焦，也可以使用离线除焦。现在将更详细地描述所规定的传热管的蒸汽-空气除焦，但是本发明不限于此。
蒸汽-空气除焦可以通过将蒸汽-空气混合物流过设计用于除焦的盘管来进行，同时连续运行所述燃烧器(虽然降低了热量输出)。炉中的全部盘管可以在除焦间隔过程中除焦(例如全部在相同的时间间隔过程中除焦)。在足够的除焦后，将除焦的炉盘管从除焦方法切换到第二蒸汽裂化方法。当不期望量的焦炭再次累积在炉盘管中时，可以重复除焦。
除焦可以包括(i)用空气流取代到对流盘管的烃给料流，(ii)将蒸汽流持续送到对流盘管，和将所述空气与蒸汽合并来产生预热的空气-蒸汽混合物，(iii)将该预热的空气/蒸汽除焦混合物通过跨接管线从对流盘管送到辐射盘管，和将除焦流出物导离所述辐射盘管。
再次参见图1，可以进行除焦模式，其中对流盘管136，跨接管线140和辐射盘管142在除焦模式运行过程中全部经历了除焦。除焦包括用空气或者其他方便的氧化剂代替管道114中的烃给料。用于除焦的空气的量可以用阀116调控。蒸汽流保持在管道124中。用于除焦的蒸汽的量可以使用阀126调控。预热的空气和预热的蒸汽在管道134之中或者与之紧邻来合并，来生产除焦混合物。除焦在对流盘管136、跨接管线140和辐射盘管142中进行，来生产除焦流出物，其经由转移线管线156转移到骤冷级146。除焦除去了对流盘管136、跨接管线140和辐射盘管142中的至少一部分的焦炭沉积物，主要是通过累积的焦炭的受控燃烧来进行。除焦方法持续除焦时间间隔时间，直到管道中经历除焦的累积的焦炭的量处于或者小于期望的量。在除焦过程中剩余的累积焦炭的量可以直接或者间接监控，例如，如横跨辐射盘管的较少的压降或者除焦流出物料流中较低浓度的CO2所指示的。在除去足够的焦炭后，除焦的管道可以从除焦模式切换成蒸汽裂化模式。
除了弧距离(g)是大约0.5英寸(1.27cm)或者更大，例如大约0.6英寸(1.52cm)或者更大之外，所规定的传热管当用于蒸汽裂化炉时，和特别是用于蒸汽裂化炉的辐射段时，典型还具有内直径(d)是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小，例如大约1.8英寸(4.57cm)或者更小。所规定的传热管(i)与常规传热管(包括在混合元件之间具有间隙的那些)相比，在热解模式过程中有益地保持了更大的传热系数值，和(ii)在混合元件之间的间隙中由焦炭形成的压降小于常规传热管所表现出的压降。在所述管端部有利的低压降明显减少或者消除之前，在所规定的传热管内可以发生0.3英寸(0.76cm)厚(例如t和/或t’值是0.3英寸(0.76cm)或者更大)的焦炭层的沉积。所述传热管的有利的传热特性得以保持或者甚至改进，而不表现出较大的压降，和有利地增加了乙烯收率。这些改进提供了具有更长的运行时长的蒸汽裂化方法，并且不那么需要中断蒸汽裂化模式来以除焦模式运行。
本文所述的全部文件通过引用并入本文，包括任何优先权文件和/或测试程序，只要它们不与本文不一致。如从前述一般描述和具体实施方案中显然可见的，虽然已经显示和描述了本发明的形式，但是在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。因此，不意在由此限制本发明。同样，就美国法律的目的而言，术语“包含”被认为与术语“包括”是同义的。同样无论何时当组成、要素或者要素的组前面带有连接词“包含”时，应理解我们还预期了在所述组成、一种或多种要素的记载前面带有“基本由……组成”、“由……组成”、“选自由……组成的组”或者“是”的相同的组成和要素的组，反之亦然。

Claims (24)

1.一种传热管，其包括：
内表面和外表面；和
第一螺旋形行，其包括两个或者更多个混合元件，所述混合元件布置于所述管的内表面上并且向内朝向所述管的中心纵轴突出，其中相邻的混合元件是通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的间隙弧距离分开的；所述第一螺旋形行相对于所述管的中心纵轴具有大约15度-大约85度的角度(θ)；和所述管的内直径是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小。
2.权利要求1的管，其进一步包括在高度(t)布置于所述混合元件上和在高度(t’)布置于所述管的内表面上的焦炭层，其中所述(t)值是所述(t’)值的大约70％-大约100％。
3.权利要求1或者2的管，其中沿着所述第一螺旋形行的一个完整的圈的混合元件数目是3。
4.权利要求1-3任一项的管，其进一步包括第二螺旋形行，其包括两个或更多个混合元件，所述混合元件布置于所述管的内表面上并且向内朝向所述管的中心纵轴突出，所述第二螺旋形行相对于所述管的中心纵轴以角度(θII)布置，(θII)是大约15度-大约85度，并且(θ)值不同于(θII)值。
5.权利要求4的管，其中所述第一螺旋形行的混合元件的元件弧长不同于所述第二螺旋形行的混合元件的元件弧长。
6.权利要求1-4任一项的管，其进一步包括在内表面上的区域(ZB)，在其中不存在在所述管的整个纵向长度延伸的混合元件。
7.权利要求4-6任一项的管，其中所述第一螺旋形行和所述第二螺旋形行之间的纵向距离是大约20毫米-大约400毫米。
8.权利要求1-7任一项的管，其中所述混合元件的高度独立地是大约1毫米-大约5毫米。
9.一种蒸汽裂化炉，其包括权利要求1-8任一项的管。
10.一种热裂化烃给料的方法，其包括：
将烃给料引入传热管和在热裂化条件下裂化该烃给料，所述管包括第一螺旋形行，其包括两个或者更多个混合元件，所述混合元件布置于所述管的内表面上并且向内朝向所述管的中心纵轴突出，其中所述管的内直径是大约1.85英寸(4.7cm)或者更小；相邻的混合元件是通过大约0.5英寸(1.27cm)或者更大的间隙弧距离分开的；和所述第一螺旋形行相对于所述管的中心纵轴具有大约15度-大约85度的角度(θ)。
11.权利要求10的方法，其中所述管进一步包括在内表面上的区域(ZB)，在其中不存在在所述管的整个纵向长度延伸的混合元件。
12.权利要求10或者11的方法，其中沿着所述第一螺旋形行的一个完整的圈的混合元件的数目是3。
13.权利要求10-12任一项的方法，其中焦炭层在裂化过程中沉积在所述管的内表面上。
14.权利要求13的方法，其中所述焦炭层在高度(t)布置于所述混合元件的至少一个上和在高度(t’)布置于所述管的内表面上，其中所述(t)值是(t’)值的大约70％-大约100％。
15.权利要求14的方法，其中所述(t)值是0.25英寸(0.635cm)或者更大。
16.权利要求14或者15的方法，其中(t)是大约0.25英寸(0.635cm)或者更大，和在热裂化过程中沿着所述管的压降小于含有大约0.25英寸(0.635cm)或者更大的焦炭的类似的对比管的压降，和其中该对比管的相邻的混合元件是通过小于大约0.5英寸(1.27cm)的弧距离分开的。
17.权利要求10-16任一项的方法，其进一步包括在热裂化条件下将蒸汽引入所述传热管中。
18.权利要求10-17任一项的方法，其进一步包括将所述烃给料预热到大约1200°F(649℃)-大约1400°F(760℃)的温度。
19.权利要求10-18任一项的方法，其中将烃给料引入传热管中是以大约250英尺/秒(76.2米/秒)-大约500英尺/秒(152米/秒)的速率进行的，其中所述速度是在不存在焦炭的辐射管的出口处测量的。
20.权利要求10-19任一项的方法，其中所述烃给料在传热管中的停留时间是大约0.1秒-大约0.5秒。
21.权利要求10-20任一项的方法，其中所述热裂化条件包括将烃给料加热到大约760℃-大约1100℃的温度。
22.权利要求10-21任一项的方法，其进一步包括当(t)值是大约0.25英寸(0.635cm)或者更大时，将所述管除焦。
23.权利要求10-22任一项的方法，其进一步包括使用蒸汽将所述管除焦。
24.权利要求10-23任一项的方法，其进一步包括使用空气将所述管除焦。
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