CN201770662U - 一种基于场协同效应的裂解炉管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于乙烯裂解炉辐射段的炉管，其特征在于，炉管管壁上均匀分布有数个向内凸起的、沿轴向呈螺旋形的圆弧形导流槽，炉管在物料流动方向上依次为引导段和稳定段，引导段的螺旋角度是逐渐增大的，其角度变化范围在0～60度，引导段长度为炉管内径的5～50倍，当达到一定角度时进入稳定段，稳定段的导流槽螺旋角度是恒定的，并与引导段末端的螺旋角度相同。导流槽向内凸起的高度不超过管内径的1/6。通过分布于管壁的螺旋形导流槽使物料在管内产生径向二次流，在二次流作用下，形成有利于裂解反应进行的浓度、密度梯度，以达到降低管壁温度、提高乙烯收率、减少结焦的目的。

Description

一种基于场协同效应的裂解炉管

技术领域

本发明涉及一种用于乙烯裂解炉或其它管式裂解炉辐射段的炉管，尤其涉及一种能够改善管内物料的流动状态，强化传热、传质效果，并能够促进裂解反应，提高目标产品收率，减少结焦产生的裂解炉管。

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冶金技术研究单位的努力，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，流速慢，裂解反应速度快，但同时也容易发生结焦；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，主要从两方面入手：一是增大炉管的传热面积：如Kellogg公司开发的单管程小直径管；日本三菱公司开发的椭圆管；Lummus公司的8翅内螺旋梅花管；Exxon公司的直型梅花管。二是采用扰流措施，破坏贴近管壁的滞流层，减少传热阻力。如LG化学株式会社、中国北京化工研究院开发的内置扭曲片的乙烯裂解炉管。其最终目的是强化传热，使管内物料温度趋于均匀。

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是结焦位置，流通截面的缩小和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。

通过在管内增加扰流子的方法，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，但管内扰流子占据了管内的有效容积，且管内流动阻力显著增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于乙烯裂解炉辐射段的炉管，该炉管不仅能够改善管内的传热效果，更为重要的是，通过改善物料流动状态，使管内物料中反应物和产物按照符合热负荷需要的方式进行分布，从而提高目标产物收率、减少结焦、降低管壁温度，提高炉管寿命。

本发明的技术原理在于：乙烯裂解原料在管内流动过程中，贴近管壁处形成一个滞流薄层，在这个滞流薄层中，热量只能通过热传导方式传递，因而需要很大的温差推动力，管内的热阻主要集中在这个滞流薄层中，乙烯在裂解过程中，大分子的反应物被分解成小分子的产物，从而在局部形成密度不同的流体微团，在螺旋导流槽的作用下，物料流动形成螺旋形的二次流，螺旋流动首先在管壁附近产生，进而由于气体之间的作用带动整个流道的气体呈螺旋流动。由于二次流产生的离心作用，反应物浓度较高、密度较大的流体微团向管壁方向运动，而产物浓度较高、密度较小的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，即形成了流场、浓度场与温度场的场协同效应。同时，导流槽的凸起对贴近管壁流动的滞流层起到扰流、破坏作用，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：

一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，一根管壁上均匀分布有一条或多条向内凸起的导流槽1的裂解炉管2，导流槽1沿炉管轴向呈螺旋形分布，裂解炉管2沿物料流动方向，依次为引导段L1和稳定段L2，引导段L1长度为管内径的5～50倍，在引导段L1，螺旋角α(螺旋导流槽与炉管轴线的夹角)是逐渐、连续增大的，其变化范围在0～60度之间，进入稳定段后，螺旋角α是恒定的，并与引导段末端的螺旋角角度相同。

上述技术方案中，导流槽1的条数优选为1～16条。

上述技术方案中，导流槽1的螺旋方向可以是向左旋转的，也可以是向右旋转的，位于同一径向截面的导流槽1的螺旋角度是相同的。

上述技术方案中，导流槽截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，其弧长不超过圆或椭圆的二分之一。导流槽1管内壁凸起的高度不超过管内径的1/6。

上述技术方案中，管内壁导流槽1与管壁相连部位是光滑过渡的。

设置导流槽的目的在于：其一，在管壁上形成螺旋形流道，当裂解原料气通过时，在导流槽的作用下，产生漩涡状的二次流，在二次流的离心作用下，密度较大的反应物微团向管壁聚集，密度较小的产物微团则被迫向管中心运动，形成了有利于乙烯裂解反应的浓度分布，当贴近管壁的反应物在高温下裂解成轻组分的产物时，又被密度较大的反应物微团排挤到管子中心，如此周而复始，促进乙烯裂解反应的进行。

其二，导流槽向内突起，使沿管壁流动的滞流薄层被破坏，减小了传热阻力和结焦的生成。

导流槽螺旋角度逐渐增大的目的在于：使物料的二次流动具有一个逐渐加强的过程。在物料刚进入裂解炉管时，由于物料浓度处处一致，不需要产生强烈的二次流，而裂解反应开始后，才形成浓度差，因此需要二次流逐渐增强。另外，在物料进入阶段，较大的螺旋角会产生较强的扰流作用，破坏二次流的形成，因此，在开始阶段需要较小的螺旋角。

导流槽的数目(条数)可以是一个，也可以是多个。原则上，较多的导流槽具有较好的产生二次流的效果，但导流槽数太多，则导流槽高度太小，效果反而降低，因此，导流槽的最合适的数目在1～16个。

为了避免出现物料流动死角，管内壁导流槽与管壁相连部位是光滑过渡的。

有益效果

本发明的优势及进步在于：①通过导流槽的导流作用，形成径向的二次流，促进裂解组分的分布向有利于裂解反应进一步进行的方向进行，因而有利于提高目标产物的收率。②由于破坏了管内滞流层，减小了传热阻力，因此有利于降低管壁温度，进而可降低温差推动力，即可降低炉膛温度，减少燃料消耗。③由于管壁温度的降低，减少了结焦的生成，因而有利于延长清焦周期，而且由于滞流层的破坏，结焦即使发生，焦层也比较疏松，更容易除去。④由于管壁温度的降低，可延长炉管的使用寿命或降低对炉管材质的要求。

附图说明

图1为本发明的具有4个导流槽的炉管的正面视图。

其中，1-导流槽，2-裂解炉管，L1-导流段，L2稳定段，α-螺旋角，F-管内物料流动方向。

图2为本发明的4个导流槽的炉管的径向剖面图。

其中，1-导流槽，2-裂解炉管。

图3为本发明的具有1个导流槽的炉管的正面视图。

其中，1-导流槽，2-裂解炉管，L1-导流段，L2稳定段，α-螺旋角，F-管内物料流动方向。

图4为具有1个导流槽的炉管的径向剖面图。

其中，1-导流槽，2-裂解炉管。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体结构

图1为本发明涉及的具有4个导流槽的乙烯裂解炉管的正面视图，通过图1可直观地了解本发明专利的结构。本发明涉及的乙烯裂解炉管可单独安装于乙烯裂解炉中，也可与光滑炉管组合安装于乙烯裂解炉中。

本发明涉及的炉管结构分为引导段L1和稳定段L2，引导段螺旋角α(螺旋导流槽与管子轴线的夹角)是逐渐、连续增大的，其变化范围在0～60度之间，当增大到某一角度时进入稳定段，在管子稳定段L2，螺旋导流槽与轴线的夹角是恒定的。图2为本发明的径向剖面图，管壁结构包括导流槽1和管壁2，导流槽数可以是一个，也可以是多个，数目为1～16个，沿管壁圆周均匀分布。导流槽截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，其弧长不超过圆或椭圆的二分之一；导流槽管内壁凸起的高度不超过管内径的六分之一；管壁曲面转折处进行圆角处理，使管内壁处处都是平滑的。如图1所示，F表示管内物料流动方向。物料由上部进入炉管的引导段L1，在引导段中，开始发生裂解反应，并在导流槽1作用下，逐渐产生螺旋形二次流，由于导流槽螺旋角逐渐增大，因此产生的螺旋二次流越来越强烈，在螺旋二次流的离心作用下，物料中的重组分(主要是裂解原料组分)向管壁运动，当贴近管壁的反应物在高温下裂解成轻组分的产物时，又被密度较大的反应物微团排挤到管子中心，轻组分(主要是裂解产物)则向管中心运动，如此周而复始形成了有利于裂解反应进行的浓度分布，促进乙烯裂解反应的进行。在稳定段，如果导流槽螺旋角继续增大，则扰流作用太强，干扰二次流的生成，因此，螺旋角增大到一定角度后进入稳定段L2，螺旋角α不再变化。

实施例

根据本发明的技术原理，进行了乙烯裂解实验测试，并与光滑圆管在同一裂解炉中和相同的操作条件下进行对比测试，实验测定了出口温度、乙烯收率和管内压降。操作条件见表1，测试结果见表2，表3。

表1测试操作条件

表2测试结果1(运行初期)

项目	本发明炉管	本发明炉管	光滑圆管
				管表面温度	990℃	925℃	1015℃

出口温度	855℃	809℃	812℃
				管内压降	62kPa	57kPa	43kPa
乙烯收率	33.6％	31.2％	30.5％

表3测试结果2(运行25天)

项目	本发明炉管	光滑圆管
			管表面温度	1032℃	1095℃
出口温度	830℃	760℃
			管内压降	75kPa	86kPa
乙烯收率	30.2％	26.2％

由表2可见，在测试运行初期，由于本发明炉管的场协同效应和强化传热效果，管内外温差大幅度降低，在相同的炉膛温度下，管表面温度较光滑圆管低25℃，而管内物料出口温度高43℃，即管内外温差降低68℃，乙烯收率由30.5％提高到33.6％，相对提高10％。即，在相近管表面温度下，乙烯收率高，而且出口温度低，传热效果好(见表2第一栏与第三栏数据对比)。

在表2中，为了将管内物料在相同的温度条件下进行比较，将炉膛温度适当降低，使本发明炉管管内物料出口温度与光滑圆管管内物料出口温度接近。此时本发明炉管中乙烯收率仍高于光滑圆管。这表明，在场协同效应的作用下，由于管内的反应物浓度和温度分布适应了裂解反应的需要，因而有助于提高乙烯收率。在运行初期，本发明炉管管内流动阻力较光滑圆管增大约35％。(见表2第二栏与第三栏数据对比)。

通常，结焦状况由管表面温度、管内物料温度和管内流动阻力来评价。由表3可见，运行25天后，由于结焦的影响，光滑圆管表面温度明显上升，管内物料出口温度下降，乙烯收率下降。与光滑圆管相比，本发明炉管结焦状况明显改善，乙烯收率由26.2％提高到30.2％，相对提高15％。并且由于结焦程度大幅降低，阻力较光滑圆管为低。

由运行测试可见，本发明炉管在改善管内物料流动状况，强化传热，提高乙烯收率，减少结焦方面都有明显作用，乙烯收率有10％～15％的提高。虽然管内流动阻力较光滑圆管为大，但由于减少结焦的作用，在运行后期反而低于光滑圆管的阻力，因此在流动阻力上并不居于劣势。

Claims (6)

1.一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，一根管壁上均匀分布有一条或多条向内凸起的导流槽(1)的裂解炉管(2)，导流槽(1)沿炉管轴向呈螺旋形分布，裂解炉管(2)沿物料流动方向，依次为引导段L1和稳定段L2，引导段L1长度为管内径的5～50倍，在引导段L1上，螺旋角α是逐渐增大的，螺旋角α的角度变化范围在0～60度之间，进入稳定段后，螺旋角α是恒定的，并与引导段末端的螺旋角角度相同。

2.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽(1)的数目少于或等于16条。

3.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，位于同一径向截面的导流槽(1)的螺旋角度是相同的。

4.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽(1)截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，其弧长不超过圆或椭圆的二分之一。

5.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽(1)管内壁凸起的高度不超过管内径的1/6。

6.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，管内壁导流槽(1)与管壁相连部位为光滑过渡相连。 

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