CN201653247U - 带有强化传热元件的急冷锅炉换热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，其特征在于包括换热管(1)和强化传热元件(2)。强化传热元件(2)可以是连续扭带(5)、间隔扭带(6)、错开扭带(7)、螺旋片(9)等。本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，结构简单，在急冷锅炉出口温度一定的情况下，可以缩短换热管长度，材料消耗量减少，节省空间，整体造价降低；在急冷锅炉换热管长度一定的情况下，可以降低急冷锅炉出口温度，延长急冷锅炉运转周期，更多地回收裂解气高位热能。本实用新型既可用于新建乙烯裂解装置的各种型式急冷锅炉，又可适用于在役的各种型式急冷锅炉的扩能改造。

Description

带有强化传热元件的急冷锅炉换热管

技术领域

本实用新型涉及用于乙烯裂解技术的设备，具体涉及一种带有强化传热元件的急冷锅炉换热管。

背景技术

裂解原料在裂解炉炉管中经过高温裂解后，生成乙烯，同时得到丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等重要副产品。裂解炉出口的高温裂解气在出口高温条件下将继续进行裂解反应(二次反应)，如果停留时间过长，二次反应增加，其结果是使裂解产物中烯烃收率下降，甲烷、氢气、重质焦油增加，结焦趋势加大。若要使乙烯收率保持稳定，减少二次反应，就必须使裂解气尽快地冷却下来，终止二次反应，使裂解气处于稳定状态的温度之下。

裂解炉炉管中出来的裂解气温度为750-900℃，为了防止二次反应的发生，减少烯烃损失，裂解气进入急冷锅炉进行快速冷却，一般认为当裂解气温度降至600℃以下时，二次反应基本终止。在裂解气急冷降温过程中，放出的大量热能是利用价值很高的热源，回收后用来产生12.0MPa左右的高压蒸汽。

目前裂解气的急冷方式大多采用急冷锅炉(也称为输送线换热器)进行间壁式换热。急冷锅炉与一般换热器的不同点在于热强度高、操作条件严格、同时承受高温和高压等。目前裂解气急冷锅炉大多采用火管式锅炉，即换热管内走高温介质-800℃左右的高温裂解气，换热管外走冷却介质-350℃左右的水汽混合物。裂解气急冷锅炉从工艺上讲主要有一级急冷锅炉技术和二级急冷锅炉技术，对于气体原料有时也采用三级急冷锅炉技术，其结构主要有套管式和列管式。

众所周知，为了迅速冷却裂解炉炉管中出来的高温裂解气，就需要强化高温裂解气与水汽混合物之间的换热过程。急冷锅炉内的传热过程分为以下几个步骤，首先高温裂解气通过对流传热方式将热量传给换热管内壁(或焦层内壁)，然后通过焦层和换热管管壁的热传导将热量由换热管内壁(或焦层内壁)传递到换热管外壁，最后由换热管外壁通过沸腾传热将热量传给管外冷却介质。因为换热管外沸腾传热的给热系数远远大于管内对流给热系数，所以急冷锅炉内传热的控制因素在管内传热。根据边界层理论，当流体沿固体壁面流动时，靠近壁面有一层极薄的流体，附着在换热管壁面，这样在换热管内壁面(或焦层内壁)形成了一个层流边界层，由于在层流边界层内基本上依靠热传导进行传热，因此，它虽然很薄，但其热阻很大。因此由以上分析可知，换热管内传热的最大阻力在于换热管内壁的层流边界层，如果能够减小这一边界层的阻力，将大大强化换热管的传热，使裂解炉炉管中出来的高温裂解气迅速冷却，带有强化传热元件的急冷锅炉换热管正是依据这一原理设计的。

单相流体管内对流换热的强化传热技术很多，应根据流体流动状态的不同分别应用不同的强化传热手段。强化单相流体管内对流换热的有效措施，是应用人工粗糙壁面法和管内流体旋转法，目前用得较多、效果较显著的强化传热手段是螺纹槽管、横槽纹管、缩放管、管内加插入物等。但由于裂解气急冷锅炉具有高温、高压、易结焦的特点，所以螺纹槽管、横纹槽管和缩放管无法在急冷锅炉上采用，因此裂解气急冷锅炉的强化传热应采用管内加入强化传热元件的方法，即采用带有强化传热元件的急冷锅炉换热管。迄今为止，国内外在换热管内使用强化传热元件方面已经做了大量的研究工作，研究方法包括实验和数值计算，流体流动区域包括层流区、过渡区和湍流区，工质范围为0.7≤Pr≤100。

A.E.Bergles进行的扭带空气实验表明，在相同功率消耗条件下，扭曲度p/d的最佳数值为5。Bergles还对工质为水和乙二醇条件下，管内插入扭带的强化传热效果和摩擦阻力系数进行了实验研究，根据实验结果关联出了工质为水和乙二醇时，层流流动条件下努塞尔数和摩擦阻力系数的计算公式。Thorsen和Landis的研究结果表明，由于旋转流体切向速度分量产生的离心力会产生显著的离心对流作用，导致管子中心区域的流体与接近管子壁面处的流体之间产生混合，从而使传热得到强化。Smithberg和Landis给出了管内插入扭带的湍流对流换热半经验计算模型，后来该模型又被Thorsen和Landis加以扩展和改进，他们认为，旋转流体由于密度变化而引起的浮力效应对传热有影响。Thorsen和Landis采用内插3种不同扭曲度的扭带的管子进行了实验研究，测量了水在加热和冷却工况下的换热系数。Yasunobu和Lopez对蒸汽在内插扭带管内流动和传热进行了实验研究，实验的Re数范围为5000≤Re≤400000，采用扭带的扭曲度分别为5.9、10.0、16.0，实验结果表明内插扭带管的强化传热效果可达35％。Ponweiser和Malinovec对内插长度L为300mm，600mm和1200mm的3种扭带的管子进行了传热和阻力实验研究，从传热强化和阻力损失的角度考虑，强化传热效果最佳的是L＝300mm，扭带末端距管子出口的距离为986的内插扭带管。Saha和Gaitonde等以水为工质，在恒热流条件下对内插间隔扭带的管内层流传热和流动特性进行了实验研究，结果表明当扭带元件间距较大时，间隔扭带的强化传热效果比连续扭带差，间隔较小时，其强化传热效果可优于连续扭带。Grace对插有静态混合器管子中的传热和阻力特性进行了一系列研究，实验结果表明，插有静态混合器管子的换热系数在层流时可比光管大2.5～3倍，阻力损失比光管大7～27倍；当流体在管内做湍流流动时，插有静态混合器管子的换热系数比光管大3.26倍，但此时阻力损失比光管大得多，当Re数由5×10³增大至10⁷时，这种强化传热管的阻力损失比光管相应从150倍增大至300倍。国内研究机构对扭带强化乙烯裂解炉和其它管式炉炉管传热进行了研究，加入扭带后乙烯收率提高，炉管处理量增大、炉管结焦减少。

在管内插入金属螺旋线圈是一种有效且简易可行的传热强化方法。Kumar和Judd进行了电加热不锈钢管中内插螺旋线圈的传热实验研究，实验工质为水，通过实验得到了传热计算关联式。张永福对采用螺旋线圈强化锅炉管式空气预热器管内烟气侧传热进行了实的验研究，在实验范围内，管内对流换热系数提高了150％～270％，相应流动阻力系数增加了185％～720％。Ponweiser和Malinovec等除了进行扭带性能研究之外，还对内插长度L为300mm，600mm和1200mm的3种螺旋线圈的管子进行了传热和阻力实验研究，实验工质为空气，所有实验均在湍流区进行，实验结果表明，阻力损失受到线圈位置的显著影响，为了减小阻力损失，应将螺旋线圈尽量布置在管子的近出口处。

由于裂解气急冷锅炉换热管内插入强化传热元件的方法不仅会导致裂解气压降增加，影响烯烃收率，而且换热管和壳体之间的热膨胀差进一步加大，给机械设计带来较大困难，所以目前国内外还没有裂解气急冷锅炉换热管内插入强化传热元件的先例。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单，不需要消耗外部能量，能将裂解气迅速冷却的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管。

本实用新型的具体结构为：在急冷锅炉换热管1内分段或连续加入强化传热元件2，强化传热元件2可以是连续扭带5(指右旋扭带或左旋扭带连续加入)、间隔扭带6(指相同旋向的扭带分段加入)、错开扭带7(指相同旋向的扭带或不同旋向的扭带相互错开90°，可以分段加入，也可以连续加入)或螺旋片9(指沿换热管的轴向在管壁内表面上螺旋延伸的肋片，旋向可以相同或不同，可以分段加入，也可以连续加入)。本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，强化传热元件2可以采用以下方法插入换热管1：强化传热元件2的两端3和换热管1的内壁4采用焊接连接，或者强化传热元件2的一端3通过金属细杆8与急冷锅炉清焦法兰盖10焊接后插入换热管1；强化传热元件2分段加入时相邻扭带之间采用金属细杆8焊接连接。

通过在换热管1内加入强化传热元件2可以扰动换热管1内的裂解气，形成旋转流和二次流，增强湍流度，有效地减少和清除焦垢，提高传热系数；强化传热元件2在换热管1内扰动流体，破坏了层流边界层，加快了流体同换热管1之间的传热。

本实用新型的换热管1的材料为Cr-Mo钢，强化传热元件2的材料为Cr-Ni不锈钢或耐热钢。

强化传热元件2可以在换热管1全部长度上加入，也可以在换热管1全部长度上均匀分段加入，还可以在换热管1出口段分段或连续加入。

强化传热元件2采用错开扭带7时，右旋扭带和左旋扭带交互使用，如一个元件的后缘与后一个元件的前缘互成90°交替分段或连续加入；也可以全部采用右旋扭带或左旋扭带，但元件间错开角度，如一个元件的后缘与后一个元件的前缘互成90°交替分段或连续加入。

强化传热元件2的中心线与换热管1的中心线重合。连续扭带5、间隔扭带6、错开扭带7的外廓等于或略小于换热管1的内径，能方便地插入换热管1内部即可。

连续扭带5、间隔扭带6、错开扭带7的节距为换热管内径的3～15倍，当节距为换热管内径的5～10时，压力降和强化传热的综合效果最好。

强化传热元件的种类、加入方式、加入长度、加入位置由急冷锅炉工艺计算和机械计算确定。

连续扭带5、间隔扭带6、错开扭带7采用厚度为0.5～2mm的不锈钢或耐热钢薄金属带制造。

分段加入的扭带，相邻元件之间的距离最好为换热管内径的2～10倍。

螺旋片9的节距为换热管内径的0.5～3倍，螺旋片9与换热管1中心线的夹角为15°～90°，螺旋片9的宽度为换热管内径的1/8～1/12。

螺旋片9可以采用连续布置、间隔布置和错开布置(如左旋和右旋交替等)。

本实用新型是在裂解气急冷锅炉换热管内加上强化传热元件，流体通过强化传热元件时，强迫流体从原来的活塞流旋转起来，流体的周向流速大大增加，这将对管壁形成强烈的冲刷作用，使热阻较大的层流边界层厚度大大减薄，增大了换热管内对流给热系数，从而增加了换热管管壁的温度，这样换热管管壁上的冷凝结焦趋势也大为减小，这也将进一步提高换热管总传热系数，从而达到强化传热的目的，同时通过调整强化传热元件的布置，优化裂解气急冷锅炉压降和传热的综合性能，降低急冷锅炉制造成本，延长急冷锅炉运转周期。

采用本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，其结构简单，不需要消耗外部能量，能将裂解气迅速冷却。采用本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管可以提高换热管的金属壁温，减小急冷锅炉内的冷凝结焦趋势。在急冷锅炉出口温度一定的情况下，采用本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，可以缩短换热管长度，减少材料消耗量，节省空间，整体造价降低。在急冷锅炉换热管长度一定的情况下，采用本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，可以降低急冷锅炉出口温度，延长急冷锅炉运转周期，更多地回收裂解气高位热能。本实用新型提供的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，既可用于新建乙烯裂解装置的各种型式的急冷锅炉，又可适用于在役的各种型式急冷锅炉的扩能改造。

附图说明

图1为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种连续扭带5(右旋扭带连续加入)的纵向结构示意图。

图2为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种连续扭带5(右旋扭带连续加入)的三维图。

图3为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种间隔扭带6(右旋扭带分段加入)的纵向结构示意图。

图4为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种间隔扭带6(右旋扭带分段加入)的三维图。

图5为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种错开扭带7(不同旋向的扭带相互错开90°，连续加入)的纵向结构示意图。

图6为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种错开扭带7(不同旋向的扭带相互错开90°，连续加入)的三维图。

图7为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种错开扭带7(不同旋向的扭带相互错开90°，分段加入)的纵向结构示意图。

图8为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种错开扭带7(不同旋向的扭带相互错开90°，分段加入)的三维图。

图9为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种螺旋片9的纵向结构示意图。

图10为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种螺旋片(图9)的三维图。

图11为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种连续扭带5(右旋扭带连续加入)，通过金属细杆8与急冷锅炉清焦法兰盖10焊接后插入换热管1的纵向结构示意图。

图12为本实用新型的带有强化传热元件的急冷锅炉换热管的一种连续扭带5通过金属细杆8与急冷锅炉清焦法兰盖10焊接后插入换热管1(右旋扭带连续加入)的三维图。

具体实施方式

参阅图1～图5，急冷锅炉换热管1的内部分段或连续加入强化传热元件2，强化传热元件2可以是连续扭带5(右旋扭带或左旋扭带连续加入)、间隔扭带6(相同旋向的扭带分段加入)、错开扭带7(相同旋向或不同旋向的扭带相互错开90°，连续加入或分段加入)、螺旋片9等。不同的强化传热元件2强化传热的效果不同，扭带可以扰动换热管内整个流场，而螺旋片主要干扰换热管壁附近的流体。

对于裂解气这样的气相流体(普朗特数Pr＜1)，研究发现其管内热阻主要集中在层流底层，同时其过渡段和流体中心区的热阻也不小，因此采用扭带作为强化传热元件，可以对整个流体进行扰动，强化传热效果较好。在急冷锅炉换热管长度范围内如何配置强化传热元件，采用哪一种强化传热元件，需要通过急冷锅炉工艺计算和机械计算确定。

在急冷锅炉换热管长度范围内安装强化传热元件时，要考虑传热性能的提升与裂解气的压力降增加的矛盾，在传热性能得到优化的同时，满足“高温、短停留时间、低烃分压”原则。由于在急冷锅炉换热管入口段，传热推动力大，热强度很高，如果采用强化传热措施，容易将换热管入口烧坏，所以一级急冷锅炉和二级急冷锅炉中的第一急冷锅炉换热管入口段无需采取强化传热措施。因此，对急冷锅炉实施强化传热措施时，应在一级急冷锅炉和二级急冷锅炉中的第一急冷锅炉换热管的出口段分段或连续加入强化传热元件，这样不仅可以减小裂解气的压力降，而且急冷锅炉换热管的出口段传热推动力越来越小，采用强化传热措施可以起到最佳的效果。二级急冷锅炉中的第二急冷锅炉由于裂解气的温度已经比较低，传热温差较小，可以在满足压力降要求的前提下，在换热管全部长度范围内分段或连续安装强化传热元件。

在强化传热元件设计和安装时，要保证强化传热元件2的中心线与换热管1的中心线重合，强化传热元件2特别是扭带的外廓等于或略小于换热管1的内径，使其能方便地插入换热管1内部。

通常连续扭带5、间隔扭带6、错开扭带7的节距p为换热管内径d的3～15倍(即扭曲度p/d＝3～15)，扭曲度越大，则压力降越小，强化传热效果越差；扭曲度越小，则压力降越大，强化传热效果越好。一般扭曲度等于5～10时，压力降和强化传热的综合效果最好。在换热管的长度范围内间断地均匀放置若干个强化传热元件，比将这些元件集中放置在换热管内更能有效地提高传热速率，且产生较低的压力降，这是因为流体在换热管内反复地径向混合，来不及形成径向温度梯度，能够保持较高的有效温度差的缘故。间隔加入的扭带，相邻元件之间的距离s为换热管内径d的2～10倍(即无量纲间距s/d＝2～10)，无量纲间距越小，压力降越大，强化传热效果越好。

连续扭带5、间隔扭带6、错开扭带7采用厚度为0.5～2mm的不锈钢或耐热钢薄金属带制造，下料时金属带宽度比换热管内径略宽，将金属带两头夹住拉伸反向扭转，直到节距(旋转360°的距离)达到要求为止，由于拉伸的原因，扭带成型以后其宽度会比换热管内径略小，因此扭带可以方便地插入换热管1内部，扭带和换热管1内壁之间具有微小的间隙(小于0.4mm)。

螺旋片9利用螺旋流产生的二次流达到径向混合的目的，能够以较少的能量消耗获得同等的传热强化效果。螺旋片9的节距p为换热管内径d的0.5～3倍，螺旋片9与换热管1中心线的夹角为15°～90°，螺旋片9的宽度t为换热管内径d的1/8～1/12。

Claims (11)

1.一种带有强化传热元件的急冷锅炉换热管，其特征在于包括换热管(1)和强化传热元件(2)；强化传热元件(2)为连续扭带(5)、间隔扭带(6)、错开扭带(7)或螺旋片(9)；强化传热元件(2)的两端和换热管的内壁(4)采用焊接连接，或者强化传热元件(2)的一端通过金属细杆(8)与急冷锅炉清焦法兰盖(10)焊接后插入换热管(1)。

2.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于强化传热元件(2)在换热管(1)全部长度上加入或在换热管(1)全部长度上均匀分段加入，或者在换热管(1)出口段分段或连续加入。

3.根据权利要求2所述的急冷锅炉换热管，其特征在于强化传热元件(2)分段加入时相邻扭带之间采用金属细杆(8)焊接连接。

4.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于强化传热元件(2)采用错开扭带(7)时，右旋扭带和左旋扭带交互使用，一个元件的后缘与后一个元件的前缘互成90°交替分段或连续加入。

5.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于强化传热元件(2)采用错开扭带(7)时，全部采用右旋扭带或左旋扭带，一个元件的后缘与后一个元件的前缘互成90°交替分段或连续加入。

6.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于强化传热元件(2)的中心线与换热管(1)的中心线重合，连续扭带(5)、间隔扭带(6)、错开扭带(7)的外廓等于或略小于换热管(1)的内径，能方便地插入换热管(1)内部。

7.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于连续扭带(5)、间隔扭带(6)和错开扭带(7)的节距为换热管内径的3～15倍。

8.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于连续扭带(5)、间隔扭带(6)和错开扭带(7)的节距为换热管内径的5～10倍。

9.根据权利要求2所述的急冷锅炉换热管，其特征在于分段加入强化传热元件(2)时，相邻元件之间的距离为换热管内径的2～10倍。

10.根据权利要求1所述的急冷锅炉换热管，其特征在于螺旋片(9)的节距为换热管内径的0.5～3倍，螺旋片(9)与换热管1中心线的夹角为15°～90°，螺旋片(9)的宽度为换热管内径的1/8～1/12。

11.根据权利要求10所述的急冷锅炉换热管，其特征在于螺旋片(9)采用连续布置、间隔布置或错开布置。

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