CN1671824A - 用于烃的热裂解的方法和翅片管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在存在蒸汽时使烃热裂解的方法，其中，进料混合物被引导通过具有螺旋形内部翅片的外加热管，并在气体混合物中产生涡流，以便使得管壁中和整个管截面中的温度均匀，并防止热解炭沉积在管内壁上。涡流逐渐引入在离翅片更大径向距离处的、主要有轴向流的芯区域中。

Description

用于烃的热裂解的方法和翅片管
本发明涉及一种用于在存在蒸汽时使烃热裂解的方法和翅片管，其中，进料混合物(charge mixture)通过具有螺旋形内部翅片的外加热管。
管式炉已经证明适合用于烃(原油衍生物)的高温热解，在该管式炉中，烃/蒸汽混合物在高于750℃的温度下通过由耐热铬-镍-钢合金制成的一系列单独或弯曲管，该耐热铬-镍-钢合金具有很高的抗氧化性或除锈性(scaling)，并有很高的抗渗碳性。蛇形管包括垂直延伸的直管部分，它们通过U形管弯头而彼此连接，或者布置成彼此平行；它们通常通过侧壁燃烧器来加热，在某些情况下也通过底部燃烧器来加热，因此有对着燃烧器的一侧(称为亮侧)以及相对于该亮侧偏离90°的一侧(称为暗侧，即沿管排列方向延伸的一侧)。在某些情况下，平均的管金属温度(TMT)超过1000℃。
裂解管的使用寿命在很大程度上取决于管材料的抗蠕变性和抗渗碳性以及积炭速度。除了所使用的烃的类型，积炭速度(即在管内壁上的碳沉积层(热解碳)的生长)的关键因素是在内壁区域的裂解气温度，它被称为操作苛刻程度(severity)，它隐藏了系统压力和管系统滞留时间对乙烯生产率的影响。操作的苛刻性根据裂解气的平均出口温度来设置(例如850℃)。在管内壁附近的气体温度越高于上述温度，热解碳层的生长越广泛，且该层的绝热作用使得管金属的温度进一步增加。尽管包含0.4％的碳、超过25％的铬和超过20％的镍(例如35％的铬、45％的镍以及合适时1％的铌)的铬-镍-钢合金(用作管材料)具有很高的防渗碳性，但是碳在氧化层的缺陷处扩散到管壁中，在该缺陷处导致较大渗碳，可能使得在0.5至3mm的壁深度中的碳含量为1％至3％。这使得管材料有较大脆化，并有在波动热负载情况下形成裂纹的危险，特别是当炉起动和关闭时。
为了减轻在管内壁上的碳沉积(积炭)，裂解操作需要不时中断，并借助于蒸汽/空气混合物来燃烧热解积炭。这需要中断操作36小时，因此对处理的经济性有较大的不利影响。
还由GB专利969796中已知使用具有内翅片的裂解管。尽管该类型的内翅片导致大大增加了内表面面积(例如增加10％)，同时相应提高了传热，但是考虑到在增大后管内表面上的摩擦，它们与光滑管相比也有明显增大压力损失的缺点。更高压力损失需要更高的系统压力，这不可避免地改变了滞留时间，并对产量有不利影响。附加因素是，具有很高碳和铬含量的已知管材料不再能够通过冷加工(例如冷拉)来成形。它们有这样的缺点，即它们的可变形性大大降低，因为热强度升高。这导致例如1050℃的较高管金属温度(乙烯生产希望有该较高管金属温度)，从而需要使用离心铸造管。不过，因为离心铸造管只能制造柱形壁，因此，当制造有内部翅片的管时，需要专门的成形处理，例如通过电解机械加工来除去材料，或者利用成形焊接处理。
考虑到该缺点，本发明基于提高在管形炉中提高烃的热裂解的经济性的问题，该管形炉有具有螺旋形内部翅片的外部加热管。
该目的通过这样的方法来实现，其中，在优选是离心铸造管的翅片的紧邻附近产生涡轮，该涡流在离翅片更大径向距离处转变成主要具有轴向流的芯区域流(core zone)。在具有涡流的外部区域和主要有轴向流的芯区域之间的过渡是逐渐的，例如抛物线形。
在本发明的方法中，涡流吸收在翅片侧面处的脱离湍流(detaching turbulence)，因此，湍流不会在局部以连续环流的形式重新循环至翅片谷中。尽管通过螺旋通路的颗粒经过了明显更长的距离，但平均滞留时间低于光滑管，而且，在截面上更均匀(参考图7)。这通过具有涡旋的型面管(型面3)的总体速度比具有直翅片的管(型面2)更高而进一步证明。特别是，当在翅片区域中的涡流相对于管轴线以20°至40°角度(例如30°，优选是25°至32.5°)运行时将保证这样。
在本发明的方法中，供热(该供热在亮侧和暗侧之间的管周边上面必然不同)在管壁中和管内部进行补偿，且热量快速向内扩散至芯区域。这减小了在管壁处的处理气体局部过热的危险，结果形成热解积炭。而且，考虑到在亮侧和暗侧之间的温度补偿，在管材料上的受热降低，这延长了使用寿命。最后，在本发明的处理中，温度还在管截面上更均匀，从而提高了烯烃的产量。原因是当在管内部没有根据本发明的径向温度补偿时，在热管壁处将发生过度裂解，并将在管中心处产生裂解产品的重新组合。
而且，当为光滑管时，将形成使得传热大大减小的层流层(它是湍流的一个特殊情况)，当为翅片型面时，将通过翅片而在很大程度上增加内周，该内周增加超过5％，例如10％。该层流导致热解炭的形成增加，这又使得导热较差。这两层一起使得需要引入更多热量，或者需要更大的燃烧器能力。这增加来管金属温度(TMT)，因此缩短了使用寿命。
本发明通过使型面的内周相对于与翅片谷接触的外接圆的周边相差大约最多5％，例如4％或甚至3.5％而避免该问题。不过，内周也可以比外接圆小2％。换句话说，相对型面周边等于外接圆周边的最多1.05至0.98％。因此，在本发明的型面管的面积(即它的展开内表面面积)相对于具有外接圆直径的光滑管的面积的相差量为光滑管面积的最多5％至-2％，或者1.05至0.98倍。
与型面内周比外接圆外周大至少10％的翅片管相比，本发明的管型面能够有较低的管密度(kg/m)。这通过在具有相同水力直径(因此有相同的压力损失和相同的热效果)的两个管之间进行比较来证实。
本发明的型面周边相对于外接圆周边(相关型面周边)的另一优点是在较低的管金属温度下更快速地加热裂解气(charge gas)。
本发明的涡流大大降低了层流层的范围；而且，它与指向管中心的速度矢量有关，这减小了裂解基和/或裂解产品在热管壁处的滞留时间，并减小了使它形成热解炭的化学和催化分解。
此外，在翅片谷和翅片之间的温度差(对于具有高翅片的内部型面管，该温度差很小)由本发明的涡流来补偿。这增加了在两次除炭操作之间所需的时间。没有本发明的涡流，将在翅片峰和翅片谷的基部之间形成较大温度差。当裂解管提供有螺旋形内部翅片时，裂解产品的滞留时间(该滞留时间将引起积炭)将缩短。这取决于在不同情况中的翅片性质。
在曲线图中：
上部曲线表示：型面6：16°节距
中部曲线表示：型面3：30°节距
下部曲线表示：型面4：3个翅片有30°节距
这些曲线清楚表明，在翅片谷中，假定具有4.8mm高的翅片的型面6的更高周向速度，而翅片高度为恰好2mm的本发明型面的周向速度穿透至流体流的芯部。尽管只有3个翅片的型面4的周向速度几乎同样高，但它不能使芯流有螺旋加速度。
根据图2中的曲线图所示的曲线，根据本发明的型面使得翅片谷中有螺旋加速度(曲线的上部分支)，该翅片谷覆盖管截面的较宽区域，因此可以用于使管内的温度均匀。而且，在翅片峰处的较低周向速度(曲线的下部分支)保证不会发生湍流和回流。
图3表示了三个试验管，包括它们的截面数据；这些管包括本发明的型面3。曲线图分别表示在暗侧和亮侧横过管半径的温度型面。对于本发明的型面3，曲线的比较揭示了在管壁和管中心之间的较低温度差以及在管壁处的较低气温。
即使管式炉的蛇形管(该蛇形管通常布置成平行排)只通过在相对侧的侧壁燃烧器而由燃气加热或进行作用，且因此各管有对着燃烧器的亮侧以及相对于该亮侧偏离90°的暗侧，但是本发明的涡流保证在管周围(即在亮侧和暗侧之间)的内壁温度波动低于12℃。平均管金属温度(即在亮侧和暗侧的管金属温度差)导致产生内部应力，因此降低管的使用寿命。因此，与相同直径的光滑管(平均使用寿命为5年)相比，本发明管的平均管金属温度减小导致在1050℃的工作温度下的计算使用寿命增加至大约8年，该本发明管有节距为30°的8个翅片，管内径为38.8mm，管外径为50.8mm，即在翅片谷和翅片峰之间的高度差为11°的2mm。
对于图3中所示的三个型面，在亮侧和暗侧之间的温度分布形成于图5所示的曲线图中。可以看见，与光滑管(型面0)相比，型面3的温度曲线为较低水平，而与型面1相比，型面3的波动范围相对更窄。
当等温线沿螺旋形从管内壁向流芯延伸时，形成特别有利的温度分布。
特别是，当周向速度在2至3m内，然后在管的整个长度上保持恒定时，使得温度在截面上的分布更均匀。
为了通过相对较短的管长度获得较高的烯烃产量，本发明的处理应当这样，即相对于光滑管的均匀性系数(HGφ)相比，在截面上的温度均匀性系数以及参考水力直径的温度均匀性系数超过1。在本文中，均匀性系数定义如下：
HGφ[-]HPφ＝ΔT0·dx/ΔTx·d0
根据本发明的流结构(包括芯流和涡流)可以通过翅片管来获得，在该翅片管中，在各个情况下都在管截面长度上连续的翅片的侧面角(即在翅片侧面和管半径之间的外角)为16°至25°，优选是19°至21°。这种侧面角(特别是)与20°至40°(例如22.5°至32.5°)的翅片节距组合将保证在翅片谷中没有返回至翅片侧面后侧的翅片谷并导致在翅片谷中形成不希望的“龙卷风(twister)”的或多或少的连续涡流。而是，在翅片谷中形成的湍流与翅片侧面脱离，并由涡流吸收。由翅片引起的涡旋能量加速气体颗粒，并导致更高的总速度。这导致减小管金属温度，还使得管金属温度更均匀，同时使管截面的温度和滞留时间更均匀。
本发明的翅片管的性质由图6所示的管部分以及相应特征参数可知
水力直径Dh(mm)，Ri≤Dh/2
侧面角β
翅片高度H
外接圆半径Ra＝Ri+H以及Da＝2×Ra
中心角α
曲率半径R＝Ra(因为sinα/2sinβ+sinα)
外接圆周长2πRa
斜角三角形中的角度γ＝180-(α+β)
内径Ri＝2R(sinγ/sinα)-R
翅片高度H＝Ra-Ri
型面周长UP＝2×翅片数目×πR/180(2β+α)
翅片表面面积FR
外接圆面积Fa＝πDa2/4
内圆面积Fi＝π·Di
在外接圆中的型面面积FP＝FR·翅片数目
型面周长Up＝(1.05至0.98)·2πRa
翅片和位于翅片之间的翅片谷可以在截面中为镜像对称设计，并彼此邻接，或者形成相同曲率半径的波形线。然后，侧面角形成于在接触点处的两个曲率半径的切线和管的半径之间。在本例中，翅片相对较浅；翅片高度和侧面角彼此匹配，这样，由比率4×净截面/型面周长而获得的型面水力直径大于或等于型面的内圆。因此，水力直径是内部第三型面高度。因此，当直径变大时，翅片高度和翅片数目增加，因此，涡流保持型面作用所需的方向和强度。
更大流速(图2)形成于翅片之间或在翅片谷中，从而导致自清洁效果，即减少沉积的热解炭的量。
当翅片通过堆焊或层叠焊而利用离心铸造管制成时，在各翅片之间的管壁保持基本不变，这样，翅片谷位于与离心铸造管的内周相对应的公共圆上。
试验表明，无论管的内径如何，总共8至12个翅片足以实现本发明的流结构。
对于本发明的翅片管，在水试验(采用和观察相似理论，并使用用于石脑油/蒸汽混合物的雷诺数)中，传热系数的比值QR/QO与压力损失的比值ΔPR/ΔPO之间的比例优选是从1.4至1.5，其中，R表示翅片管，而0表示光滑管。
与光滑管(型面0)和具有8个平行翅片的翅片管(型面1)(在该翅片管中，在翅片谷和翅片峰之间的径向距离为4.8mm)相比，本发明翅片管(型面3)的优越性如下表中的数据所示。该翅片管都有8个翅片以及相同的外接圆。
                 型面   0     1     3
  在9950mm处在中心的流体温度Tm[℃]   843.6     848.1     843.0
  在9950mm处在边缘的流体温度Tr[℃]   888.9     894     874.8
  在9950mm处的温度范围ΔT＝Tr-Tm[℃]   45.3     45.9     31.8
  相对于光滑管H的均匀性系数Ht＝ΔTg/ΔTk   1     0.9869281     1.4245283
  水力直径dh[m]   0.0380     0.0256     0.0344
  参考基于光滑管的水力直径的均匀性系数Htφ∶Htφ＝ΔT0·dx/ΔTx·d0   1     0.8477193     1.3420556
  H的级别   2     2     1
在本文中，水力直径定义如下：
Dhydr＝4×(净截面)/内周
优选是与对比光滑管的内径相对应，然后形成均匀性系数1.425。
在水试验中，本发明的翅片管的传热(QR)比光滑管高2.56倍，而压力损失(ΔPR)只高1.76倍。
图7比较了三种不同型面的管，包括具有8个翅片且(每种情况下)节距为30°的本发明管以及具有光滑内壁的管(光滑管)。对于各种截面，给出来水力直径、轴向速度、滞留时间和压力损失。
所使用的开始数据是在操作内径为38mm(它等于水力直径)的光滑管时的生产量。利用相似理论(相同雷诺数)，这些数据通过计算而转变成暖水，并用作试验基础(参考用水试验时的传热和压力损失的比值之间的比例，并计算使用气体时的参考均匀性系数)。
由在不同水力直径下的相同生产量而得到不同的速度型面(相互关系)。
截面相同的型面2和3的速度比较表示了通过本发明管(型面3)而提高了速度、加速度和滞留时间。对于相同的水力直径，由翅片引起的涡流产生沿周向方向的速度分量，这使得流体流与管壁分开，并在整个截面上引起螺旋状升高的速度。
定向的螺旋流将热量从管壁引导至流体流中，从而与普通非定向湍流(光滑管、型面1和2)相比将分布更均匀。颗粒的滞留时间也一样。螺旋定向流使得颗粒在截面上分布更均匀，同时在型面侧面处的加速度减小了平均滞留时间。型面3的更高压力损失由周向速度而引起。对于型面1，是因为流体流受到相当大的限制以及在型面的较大内表面处的摩擦损失。
根据材料，本发明的翅片管例如可以通过使管的端部有彼此相对旋转的轴向平行肋而由离心铸造管来制造，或者通过使离心铸造管变形(例如通过利用成形工具来进行热锻造、热拉伸或冷加工，该成形工具例如外部型面与管的内部型面相对应的浮动心轴或心轴杆)。
用于管的内部成形的切割机器的各种变化形式例如由德国专利19523280可知。这些机器也适于制造本发明的翅片管。
当为热成形时，变形温度应当设置成这样，即微结构晶粒在内表面区域局部破坏，并因此在后面阶段在工作温度作用下重新结晶。这样形成细晶粒微结构，它允许铬、硅和/或铝快速通过奥氏体基体扩散到管的内表面上，然后在该处快速形成氧化保护层。
本发明的翅片也可以通过堆焊来制造，这时，不能在各翅片之间形成弯曲的翅片基座，而是基本保持管的内壁的初始型面。
本发明的管的内表面应当有尽可能低的粗糙度；因此可以进行光滑处理，例如进行机械抛光或电解找平。
用于乙烯厂的合适管材料是铁和/或镍合金，该镍合金包含0.1％至0.5％的碳、20至35％的铬、20至70％的镍、直到3％的硅、直到1％的铌、直到5％的钨、附加的铪、钛、稀土元素或锆(它们分别直到0.5％)、以及直到6％的铝。

Claims (36)

1.一种用于在存在蒸汽时使烃热裂解的方法，其中，进料混合物通过具有螺旋形内部翅片的外加热管，其特征在于：在翅片的紧邻附近产生涡流，该涡流在离翅片更大径向距离处转变成主要具有轴向流的芯区域流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述涡流吸收在翅片侧面处的脱离湍流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：气流的周向速度在翅片谷中大于在翅片峰处的速度。
4.根据权利要求1至3中任意一个所述的方法，其特征在于：在翅片处的涡流相对于管轴线以20°至40°角度运行，优选是22.5°至32.5°。
5.根据权利要求1至4中任意一个所述的方法，其特征在于：在管周边上的内壁温度波动小于12℃。
6.根据权利要求1至5中任意一个所述的方法，其特征在于：在芯区域的等温线成螺旋形状。
7.根据权利要求1至6中任意一个所述的方法，其特征在于：在管长度的开始2至3m中形成涡流速度，然后保持恒定。
8.根据权利要求1至7中任意一个所述的方法，其特征在于：在管长度的开始2至3m之后，涡流速度覆盖整个截面。
9.根据权利要求1至8中任意一个所述的方法，其特征在于：相对于光滑管的均匀性系数，在截面上的温度均匀性系数以及参考水力直径的温度均匀性系数都超过1。
10.根据权利要求1至9中任意一个所述的方法，其特征在于：与具有相同类型的直翅片的对比管相比，在管壁的边界层中的流速低8至12％，在芯区域中的流速高8至12％。
11.根据权利要求1至10中任意一个所述的方法，其特征在于：在从气体进口算起的100至200cm距离处，气体加速至使得周向速度为芯区域的轴向速度的15至20％，且该周向速度随后保持恒定。
12.根据权利要求1至11中任意一个所述的方法，其特征在于：轴向速度和周向速度的总和大于具有相同类型的直翅片的对比管的轴向速度。
13.根据权利要求1至12中任意一个所述的方法，其特征在于：气体微粒在翅片的侧面进行加速。
14.一种具有多个螺旋延伸的内部翅片的翅片管，其特征在于：型面的周长(Up)等于与翅片谷接触的外接圆的+5％至-2％。
15.根据权利要求14所述的翅片管，其特征在于：翅片的侧面角为16°至25°。
16.根据权利要求14或15所述的翅片管，其特征在于：翅片的节距角为20°至40°。
17.根据权利要求14至16中任意一个所述的翅片管，其特征在于：翅片以及位于翅片之间的谷设计成在截面上镜像对称。
18.根据权利要求14至17中任意一个所述的翅片管，其特征在于：在各种情况下翅片峰和翅片管彼此合并。
19.根据权利要求14至18中任意一个所述的翅片管，其特征在于：翅片和翅片谷有相同的曲率半径。
20.根据权利要求14或15所述的翅片管，其特征在于：翅片焊接在公共圆上，且翅片谷位于公共圆上。
21.根据权利要求14至20中任意一个所述的翅片管，其特征在于：有总共6至12个翅片。
22.根据权利要求14至21中任意一个所述的翅片管，其特征在于：翅片管的水力直径至少等于内圆(Ri)的直径。
23.根据权利要求14至22中任意一个所述的翅片管，其特征在于：在水试验中，传热系数的比值QR/Q0与压力损失的比值ΔPR/ΔP0的比例为1.4至1.5，其中，R表示翅片管，而0表示光滑管。
24.根据权利要求14至23中任意一个所述的翅片管，其特征在于：翅片截面的曲率半径(R)为3.5至20mm。
25.根据权利要求14至24中任意一个所述的翅片管，其特征在于：翅片高度(H)为1.25至3mm。
26.根据权利要求14至25中任意一个所述的翅片管，其特征在于：在型面周长(Up)内的净截面等于外接圆(Fa)的面积的85至95％。
27.根据权利要求14至26中任意一个所述的翅片管，其特征在于：型面面积(Fp)等于在外接圆和内圆之间的环形区域的40至50％。
28.一种用于制造权利要求14至27中任意一个所述的翅片管的方法，其特征在于：具有轴向平行翅片的管的端部彼此相对旋转。
29.一种用于制造权利要求14至27中任意一个所述的翅片管的方法，其特征在于：内部型面通过利用成形工具进行变形而制成。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：在变形过程中，微结构晶粒在内表面区域被局部破坏。
31.一种用于制造权利要求14至27中任意一个所述的翅片管的方法，其特征在于：内部型面通过利用成形工具进行变形或通过堆焊而制成。
32.一种用于制造权利要求14至27中任意一个所述的离心铸造管的方法，其特征在于：内部型面通过电解除去材料而制成。
33.根据权利要求29至32中任意一个所述的方法，其特征在于：型面管的内表面光滑。
34.采用一种离心铸造管制造如权利要求15至27中任意一个所述的翅片管。
35.根据权利要求34所述的用途，其中：离心铸造管包括镍合金，该镍合金包含0.1％至0.5％的碳、20至35％的铬、20至70％的镍、高达3％的硅、高达1％的铌、高达5％的钨、在所有情况下都高达0.5％的铪、钛、稀土元素或锆、以及高达6％的铝。
36.根据权利要求35所述的用途，其中：合金独立地或彼此组合地包含至少0.02％的硅、0.1％的铌、0.3％的钨和1.5％的铝。
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