TW201736793A - 使用熱導管之裂解氣驟冷熱交換器 - Google Patents

Abstract

若裂解氣熱交換器受到損壞，則水可進入輸送管，從而導致該輸送管破裂。可使用具有熱導管以將熱量自該裂解氣傳導至冷卻裝置(通常為水冷卻器)從而產生蒸汽的熱交換器來避免此情形。後者(冷卻裝置)與該熱裂解氣流實體分離。該等熱導管可在熱端或冷端處用翅片、肋片、突起、接腳及其類似物修飾。

Description

使用熱導管之裂解氣驟冷熱交換器

本發明係關於使用熱導管(有時稱為熱套管)以自反應器之熱區段(諸如烷烴或乙烷蒸汽裂解器或熱解鍋爐)回收熱量且將其傳遞至冷卻器單元操作，諸如用於通向裂解器之進料流的蒸汽產生器或預加熱器。乙烷或烷烴蒸汽裂解為高度吸熱過程，且自反應器回收熱量中之任何改良節省操作成本且減少溫室氣體排放。

在諸如乙烷的烷烴蒸汽裂解中，離開裂解器之裂解氣體進入輸送管且被導引至熱交換器。熱交換器通常為管殼式熱交換器，其中熱裂解氣穿過套管且冷卻介質(通常為水)流動通過殼層。在許多設計中，熱交換器在輸送管上方。亦即，熱裂解氣向上流動通過熱交換器。間或，交換器中將出現套管故障，導致水洩漏至套管中。接著水將流動至熱交換器之入口錐體(inlet cone)中。一般而言，入口錐體由金屬鑄件或金屬製品製成，且將在由前述類型之水漏泄引起之突然驟冷時發生故障。故障可允許製程氣體逸出至大氣，該製程氣體在大氣中將燃燒。此呈現潛在的安全風險，此係因為人員可能被熱氣洩漏灼傷。在此等環境下，必須關閉裂解器(熔爐)，此將不利地影響設備生產。 Vollhardt讓與給Schmidt'sche Heissdampf - Gesellschaft m.b. H之1967年2月28日發佈之美國專利3,306,351說明用於使裂解氣冷卻之熱交換器之早期設計。 Brucher讓與給Deutsche Babcock - Borsig AG之1998年9月29日發佈之美國5,813,453揭示可用於使裂解氣冷卻之一種類型的熱交換器。 自1960年代末以來，熱導管為已知的，如由1966年1月18日發佈之以Grover之名讓與給以美國原子能量委員會為代表之美利堅合眾國之美國專利3,229,759所說明。該專利教示一種包含封閉式導管、內部工作介質及芯子之熱導管。工作介質在導管之熱端處蒸發且上升至冷卻端，其在冷卻端放出熱量且冷凝。經冷凝流體沿芯子向下流動且返回至熱導管之熱端。 存在以Fectu為名的多個專利及申請案，該等專利及申請案讓與給(例如)由2012年9月12日發佈之公開美國專利申請案20130233512所說明之ECONOTHERM UK LIMITED。本專利申請案揭示在熱交換器中使用熱導管。熱氣在第一腔室中流經熱導管且該等熱導管延伸至第二腔室中，在該第二腔室中，冷卻流體流經熱導管之陣列且自其提取熱量。儘管第一腔室與第二腔室藉由板分隔開，但來自第一腔室之氣體亦流動通過第二腔室中之管道。參考文獻未教示熱流體不流動通過第二腔室之腔室。 本發明力圖提供經改良熱交換器及用於使用連接兩個分離腔室之熱導管使熱烴氣體(諸如裂解氣)冷卻之方法。

在一個實施例中，本發明提供一種與離開高溫製程之熱流體流一起使用之熱交換器，該熱交換器包含不具有共同或鄰接外表面之熱區段及冷區段，其中一或多個熱導管以10°至90°之傾斜角自熱區段之內部延伸跨越該熱區段與該冷區段之間的開放空間且延伸至冷區段中。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段與冷區段之間的溫度差不小於200℃。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段處於85 kPa至150 kPa量錶之壓力及800℃至1000℃之溫度。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中冷區段處於250℃至600℃之溫度及5 MPa至9 MPa之壓力。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中穿過熱區段之流體為裂解氣。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中冷區段中之流體為水。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管中之工作流體係選自由鈉、鉀及銫組成之群。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管具有1 cm (0.5吋)至10 cm (4吋)之外徑。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管具有長達10公尺之長度。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管具有一或多個內部毛細管及內部芯線。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段中之熱導管之端部具有耐焦化的表面。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱交換器在熱區段中之端部具有厚度為100微米至5,000微米之表面，該表面包含40重量%至60重量%的式Mn_x Cr_3-x O₄ (其中x為0.5至2)之化合物及60重量%至40重量%的Mn及Si之氧化物，該等氧化物係選自由MnO、MnSiO₃ 、Mn₂ SiO₄ 及其混合物組成之群，其限制條件為該表面含有少於5重量%之Cr₂ O₃ 。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管包含：約55重量%至65重量%之Ni；約20重量%至10重量%之Cr；約20重量%至10重量%之Co；及約5重量%至9重量%之Fe且其餘部分為微量元素中之一或多者。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳，該等組分之總和總計達100重量%。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管包含：40重量%至65重量%之Co；15重量%至20重量%之Cr；20重量%至13重量%之Ni；少於4重量%之Fe且其餘部分為一或多種微量元素；及至多20重量%之W，該等組分之總和總計達100重量%。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中該熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管包含20重量%至38重量%之鉻、25重量%至48重量%之Ni。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳且其餘部分大體上為鐵。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段與冷區段之間的熱導管之至少一部分為螺旋狀。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段與冷區段之間的熱導管之至少一部分呈「Z」之形狀。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱箱與冷箱之間的熱導管之至少一部分上存在隔熱。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱導管內部之芯子係由鎳、銅、鉬、鈮、鋁、鐵、鈷或基於此等金屬之合金及陶瓷製成。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中芯子具有50微米至約1000微米之孔徑。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中芯子具有雙模態孔徑且第二孔徑為0.5微米至50微米。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，該熱交換器在其熱端、其冷端或熱導管之兩端上具有選自由翅片、肋片、突起及接腳組成之群的表面修飾。 在另一實施例中，本發明提供上述熱交換器，其中熱區段與冷區段之間的距離為30 cm至6公尺。 在另一實施例中，本發明提供一種熱導管，該熱導管在其熱端、其冷端或兩者上具有選自由翅片、肋片、突起及接腳組成之群的表面修飾。

數值範圍 除在操作實例中或其中另有說明之外，說明書及申請專利範圍中所使用之指代成分的量、反應條件等之所有數字或表述應被理解為在所有情況下由術語「約」修飾。因此，除非相反地指出，否則以下說明書及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為近似值，該等近似值可視本發明欲獲得之特性而改變。至少，且不試圖將等效原則(doctrine of equivalents)之應用限於申請專利範圍之範疇，各數值參數至少應根據所報導之有效數位之個數且藉由應用一般捨入技術來解釋。 儘管闡述本發明之廣泛範疇的數值範圍及參數為近似值，但仍儘可能精確地報導特定實例中所闡述之數值。然而，任何數值固有地含有某些誤差，此等誤差必然由其各別測試量測值中所發現之標準差產生。 另外，應理解，本文中所述之任何數值範圍意欲包括其中包含之所有子範圍。舉例而言，「1至10」之範圍意欲包括介於所列舉之最小值1與所列舉之最大值10之間且包括所列舉之最小值1及所列舉之最大值10的所有子範圍；亦即，最小值等於或大於1且最大值等於或小於10。由於所揭示數值範圍為連續的，因此其包括最小值與最大值之間的每一值。除非另有說明，否則本申請案中所說明的各種數值範圍為近似值。 本文中所表達之所有組成範圍總計限於且實務上不超過100% (體積百分比或重量百分比)。在組合物中可存在多種組分的情況下，各組分之最大量的總和可超過100%，顯然且如熟習此項技術者容易瞭解，各組分的實際用量符合100%最大值。 通常，熱導管或套管包含密封式套管，該套管較佳地為含有工作流體及內部毛細管之金屬物以將經冷凝之工作流體自冷區段中熱導管之端部輸送至熱區段中熱導管之端部。套管材料必須具有高於熱區段中之最高預期溫度的熔點。較佳地，形成導管或套管之材料的熔化溫度將比熱區段中之最大預期溫度高至少50℃，較佳地高至少80℃。另外，套管結構且特定言之晶體結構不應在熱導管之工作溫度範圍內變化。形成導管之材料需要具有較高(良好)熱導率。另外，製造導管之材料需要為可加工成形的且可焊接的。 熱導管中之工作流體應在比熱裂解氣之最小預期溫度低至少50℃ (在一些實施例中至少80℃)之溫度下汽化。熱導管中之工作流體應在比冷卻介質之最大預期溫度高至少25℃ (在一些情況下至少50℃)之溫度下冷凝(例如，冷卻介質必須低於熱導管中之工作流體之冷凝溫度)。熱導管中之工作流體不應與製造導管之材料或製造毛細管或芯子之材料形成錯合物或汞齊。導管需要承受在工作流體汽化時該工作流體產生的壓力。最後，導管需要具有足夠的熱穩定性及機械穩定性以承受單元之操作條件。毛細管或芯子需要在工作溫度範圍內對工作流體呈惰性且在單元之使用期限內為結構穩定的。 在操作中，熱套管中之工作流體在熱區段中沸騰或蒸發，從而自熱流體帶走熱量。所得蒸氣沿熱套管向上移動至冷區段。接著蒸氣在冷區段中冷凝，從而將熱量釋放至穿過冷區段之介質。所得經冷凝液體藉由重力及毛細管力經由套管中之毛細管或芯子輸送至熱區段，該經冷凝液體在熱區段中再次蒸發。 通常，熱導管將與水平方向成10°至多達90°之角度。 在蒸汽裂解器中，出口處之裂解氣具有在800℃至1000℃，通常900℃至950℃範圍內之溫度。熱區段中之壓力將通常接近大氣壓，約85 kPa (量錶)至約150 kPa (量錶)。在冷區段中，溫度在4.5 MPa至9 MPa之壓力下可在250℃至600℃之範圍內。通常，冷區段中之流體為產生中壓蒸汽之水。 鑒於以上操作條件及用於熱導管之組分之所需物，以下組分中之一些可為適用的。鈉(熔點97.6℃，沸點892℃)可在工作介質下使用。其具有範圍介於約600℃至約1200℃之工作溫度。其他可能的工作介質包括鉀(熔點63℃及770℃之沸點)及銫(28℃之熔點及705℃之沸點)。由於此等金屬係潛在腐蝕性的，因此需要謹慎選擇導管金屬之組合物以將導管或套管腐蝕及破裂之可能減至最小。同樣，由於此等金屬與水具有極強反應性，因此需要謹慎避免工作流體與水接觸。 若將鈉用作工作流體，則其應儘可能不含氫(例如，應在密封之前自熱導管移除來自NaH之氫)。 存在適用於熱導管之多種金屬或合金。銅為適用的。其熔點為1083℃，此溫度比熱區段之預期最大溫度高約80℃。銅具有較高延展性及熱導率。 熱導管可由不鏽鋼製成，該不鏽鋼選自由以下各者組成之群：鍛造的不鏽鋼、奧氏體(austentic)不鏽鋼及HP不鏽鋼、HT不鏽鋼、HU不鏽鋼、HW不鏽鋼及HX不鏽鋼、耐熱性鋼及基於鎳之合金。熱導管可為高強度低合金鋼(HSLA)、高強度結構鋼或超高強度鋼。此類鋼之分類及組分為熟習此項技術者已知。 在一個實施例中，不鏽鋼，較佳地耐熱性不鏽鋼通常包含20重量%至38重量%之鉻。不鏽鋼可進一步包含25重量%至50重量%，最佳地25重量%至48重量%，合意地約30重量%至45重量%之Ni。不鏽鋼之其餘部分可大體上為鐵。 本發明亦可與基於鎳及/或鈷之極限奧氏體高溫合金(HTA)一起使用。典型地，合金包含主要量之鎳或鈷。典型地，基於高溫鎳之合金包含：約50重量%至70重量%，較佳地約55重量%至65重量%之Ni；約20重量%至10重量%之Cr；約20重量%至10重量%之Co；以及約5重量%至9重量%之Fe及下文提及之其餘一或多種微量元素，使組合物之總量達到100重量%。典型地，基於高溫鈷之合金包含：40重量%至65重量%之Co；15重量%至20重量%之Cr；20重量%至13重量%之Ni；少於4重量%之Fe及如下文所述之其餘一或多種微量元素；以及至多20重量%之W。該等組分之總和總計達100重量%。 在本發明之一些實施例中，鋼可進一步包含多種微量元素，該等微量元素包括至少0.2重量%至多3重量%，典型地1.0重量%，至多2.5重量%，較佳地不超過2重量%之錳；0.3重量%至2重量%，較佳地0.8重量%至1.6重量%，典型地少於1.9重量%之Si；少於3重量%，典型地少於2重量%之鈦、鈮(通常少於2.0重量%，較佳地少於1.5重量%之鈮)及所有其他微量金屬；及少於2.0重量%之量的碳。微量元素以使得鋼之組分總計100重量%之量存在。 當熱導管與裂解氣接觸時，若該熱導管具有耐焦化的表面，則其為理想的。熱導管可經處理以至少在熱區中之末端處在外表面上產生尖晶石表面。存在可產生尖晶石表面之多種處理。一種處理包含：(i)以每小時100℃至150℃之速率在包含50重量%至100重量%之氫及0重量%至50重量%之一或多種惰性氣體之還原氛圍中將熱導管鋼加熱至800℃至1100℃之溫度；(ii)接著在800℃至1100℃之溫度下使熱導管經受具有等效於30重量%至50重量%之空氣及70重量%至50重量%之一或多種惰性氣體之混合物的氧化能力之氧化環境，持續5小時至40小時之時段；及(iii)以每小時少於200℃之速率使熱導管冷卻至室溫。 應進行此處理直至至少熱導管之「熱」端上存在外表面，該外表面之厚度大於100微米，典型地100微米至5,000微米，較佳地150微米至4000微米，合意地200微米至3500微米，且大體上包含式Mn_x Cr_{3 - x} O₄ 之尖晶石，其中x為0.5至2，典型地0.8至1.2之數字。最佳地，X為1且尖晶石具有式MnCr₂ O₄ 。 典型地，尖晶石表面在熱導管之熱端處覆蓋不少於55%，較佳地不少於60%，最佳地不少於80%，合意地不少於95%之外部不鏽鋼表面。 在另一實施例中，表面尖晶石與基板不鏽鋼之間可存在氧化鉻(Cr₂ O₃ )層。氧化鉻層可具有至多100微米，通常15微米至70微米，較佳地10微米至50微米之厚度。如上文所提及，尖晶石覆蓋氧化鉻幾何表面積。可存在可僅為氧化鉻且不具有尖晶石上覆層之極小部分之表面。在此意義上，分層表面可為不均勻的。較佳地，氧化鉻層下伏於或鄰接不少於80%，較佳地不少於95%，最佳地不少於99%之尖晶石。 在另一實施例中，輸送管且視情況驟冷交換器之內表面可包含：15重量%至85重量%，較佳地40重量%至60重量%的式Mn_x Cr_{3 - x} O₄ 之化合物(其中x為0.5至2)；及85重量%至15重量%，較佳地60重量%至40重量%的Mn及Si之氧化物，該等氧化物選自由MnO、MnSiO₃ 、Mn₂ SiO₄ 及其混合物組成之群，其限制條件為該表面含有少於5重量%之Cr₂ O₃ 。 熱導管進一步包含芯子中之一或多者及一或多個毛細管通道。芯子可為不與工作流體反應之多孔金屬基板發泡體、毛氈、網狀物或紗網。可製造芯子之適合材料之一些實例包括(但不限於)鎳、銅、鉬、鈮、鋁、鐵、鈷或基於此等金屬之合金，及適用於套管之上文所提及之鋼或適用於本應用之金屬之任何組合。芯子亦可為陶瓷。通常，芯子可具有約50微米至約1000微米，典型地約300微米至700微米，在一些實施例中300微米至500微米之孔徑。在本發明之另一態樣中，合乎需要的是芯子在熱導管之熱端中具有兩個不同孔徑(亦即，雙模態孔徑)。較大孔如上文所描述。較小孔可具有0.5微米至50微米之大小。可藉由將金屬顆粒沈積於較大孔上或較大孔內來產生較小孔徑。較小孔有助於毛細管抽汲且較佳地在熱導管之熱端處。取決於熱導管之組態，較小孔亦可較佳地徑向分佈於熱導管之熱端中。 芯子滲透率隨孔徑而增加，但毛細管頭隨孔徑減小而增加。 在本發明之一些實施例中，芯吸可藉由諸如螺旋狀彈簧之間隔物自套管之側壁移位。 熱導管可具有1 cm (0.5吋)至10 cm (4吋)之外徑及長達10公尺之長度。由於熱區段與冷區段之分離，應使熱區段(熱箱)與冷區段(冷箱)之間的熱導管之至少一部分隔熱。 在一些實施例中，熱導管之內表面刻劃有毛細管條紋以將經冷凝液體輸送回至熱導管之熱端。毛細管條紋可具有與芯子中之較大孔徑相同大小之寬度。 以熟習此項技術者所熟知之方法形成熱導管。通常，在需要時，將芯子及在室溫下可為固體之工作材料置放於開口式套管中。接著抽空且密封套管。在諸如鈉之一些情況下，可在密封套管之前加熱套管以自鈉逐出氫雜質。 在圖1中，(1)及(2)指示進入及離開熱區段(3)容器之裂解氣。(4)為熱導管之熱端。(5)為熱導管浸沒於冷卻介質中之冷端，該冷卻介質通常為可或可不完全充滿容器(7)之鍋爐給水(6)。(8)指示通常為進入冷區段(7)容器之鍋爐給水的冷卻介質。(9)為通常為離開之水蒸氣(蒸汽)的冷卻介質。 熱區段或冷區段內之熱導管之精確配置允許許多配置。熱區段中裂解氣之流動可橫跨或垂直於熱導管、沿著或平行於熱導管或一組合。容器內亦可存在擋板以輔助圍繞熱導管熱端之流動分佈及/或熱傳遞。冷區段同樣可具有眾多入口及出口組態。熱導管熱端及冷端可在其外部表面上具有翅片以改良裂解氣或鍋爐水之間的熱導管之熱傳遞。熱區段容器與冷區段容器之間的熱導管之區段(10)可為豎直的或具有彎曲(「Z」)或扭曲(螺旋狀)以允許熱導管及容器之熱膨脹。在圖1中，展示冷區段在熱區段正上方，然而，熱導管可彎曲以使得兩個容器彼此偏移。 所描述性質之配置允許相對於設計解耦熱傳遞裝置之熱區段及冷區段。熱區段容器、熱端熱導管之幾何構型、擋板、翅片等可經優化以在無需冷區段之情況下自裂解氣移除熱量。裂解氣之溫度、壓力及腐蝕特性將指導設計者容器及熱導管熱端之特定材料、壁厚度及尺寸。類似評論適用於由於高溫鍋爐給水之腐蝕性質而亦具有額外需求之冷端。由於藉由熱導管將熱量自熱端有效傳遞至冷端所允許之分離，可獨立地或半獨立地優化兩者。熱導管可焊接至其穿透之容器且將處於相對均勻的溫度；此不同於習知熱量交換器之套管板片，該套管板片將在一側上具有較熱溫度且在另一側上具有較冷溫度，其產生相當大的差溫所引起之應力，從而相對於用於熱傳遞、侵蝕或腐蝕之最佳化，可能需要基於結構強度之材料選擇。歸因於溫度之尺寸變化可藉由上述之彎曲等或藉由將熱區段容器及冷區段容器中之任一者或兩者安裝於可撓性支撐件上來調節。 熱導管之熱端、冷端或兩者可分別經修飾以增加到達或來自熱導管之熱傳遞。 在一個實施例中，熱導管之端部可具有一或多個縱向翅片。該等翅片獨立地具有： i)    熱導管之熱端或冷端或兩者之長度之10%至100%的長度； ii)   選自由平行四邊形、三角形及梯形組成之群的截面， iii)  寬度介於熱導管外徑之3%至30%之基底，該基底與熱導管連續接觸或整體地為熱導管之部分； iv)  介於熱導管外徑之10%至50%的高度，及 v)   介於熱導管之總重量之3%至45%的重量。 翅片可為豎直的或可為圍繞熱導管之熱端或冷端的螺旋形。較佳地，翅片由相同金屬或與熱導管相容之金屬製成。翅片可經澆鑄為熱導管之部分或可藉由諸如焊接之適合手段接合至熱導管。 在另一實施例中，熱導管之熱端、冷端或兩者可具有環形翅片或肋片。通常，該等翅片或肋片具有： (i)   0.05至0.35，較佳地0.1至0.35之肋片高度與熱導管直徑之比率(e/D)； (ii)  小於40，較佳地2至20，最佳地4至16的連續肋片之前邊緣之間的距離與肋片高度之比率(P/e)；及 (iii) 0.5至3，較佳地1至2的肋片厚度與肋片高度之比率(t/e)。 可將肋片加工至熱套管中或澆築為熱套管之一部分或焊接至熱套管上。 在另一實施例中，熱導管之熱端或冷端或兩者可具有用複數個低剖面突起擴增之熱導管之外表面，該等突起具有： i)    幾何形狀，其具有含有相對較小體積之相對較大外表面(諸如，四面體、角錐、立方體、錐體等)； ii)   介於熱導管外徑之3.0%至15%的最大高度； iii)  基底面積，其為與熱導管接觸之表面，該基底面積不應超出熱導管之外部截面面積之0.1%至10%。 突起可具有幾何形狀，該幾何形狀具有含有相對較小體積之相對較大外表面，諸如四面體、角錐、立方體、錐體、穿過球面之部分(例如，半球面或更少)、穿過橢球之部分、穿過變形橢球之部分(例如，淚珠形)等。突起之一些適用形狀包括： ·   四面體(具有三角形底部及3個為等邊三角形之面的角錐)； ·   強森(Johnson)四角錐(具有正方形底部及為等邊三角形之側面的角錐)； ·   具有4個等腰三角形側面之角錐； ·   具有等腰三角形側面之角錐(例如，若t為四個面的角錐，則底部可不為正方形，其可為矩形或平行四邊形)； ·   球面之部分(例如，半球面或更少)； ·   橢球之部分(例如，穿過在橢圓經由其長軸或短軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分)；及 ·   淚珠形之部分(例如，穿過在非均勻變形之橢球沿形變軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分)； ·   拋物線之部分(例如，穿過在拋物線圍繞其主軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分，變形之半球面(或更少))，諸如不同類型的δ翼。 突起之形狀選擇很大程度上基於製造熱套管之容易性。一種用於在通道上形成突起之方法係藉由澆鑄在模具壁中具有突起形狀之模具中。此對於相對簡單的形狀有效。突起亦可藉由加工澆築套管之外表面，諸如藉由使用滾紋裝置(例如，滾紋輥)來製造。 突起為固體。 在另一實施例中，熱套管之熱端或冷端或兩者可具有與套管之縱軸平行之接腳陣列，該等接腳具有： i)    熱導管外徑之約12%至約50%之高度；(通常為2 cm至4.8 cm (0.80吋至1.90吋))； ii)   與套管之接觸面，其面積為熱導管之外部截面面積之0.1%至10%。 iii)  4:1至2:1之長度與直徑比 在另一實施例中，給定線性陣列內之連續接腳之間的距離為接腳之最大截面之1倍至5倍。 接腳或螺柱可具有任何截面，諸如四邊形(例如，矩形或正方形)或圓形或橢圓形。通常，接腳或螺柱將具有熱導管之外徑之12%至50%之長度，通常為2 cm至4.8 cm (0.80吋至1.90吋)。接腳之底部可覆蓋導管或套管之外部截面之0.1%至10%，較佳地1%至8%，最佳地2%至5%。接腳之長度與直徑比可為4:1至2:1，典型地4:1至3:1。在縱向陣列中，接腳之間距可為5 D (接腳之直徑)至D/10，典型地0.5 D至5 D，較佳地1 D至3 D。然而，應注意，在任何陣列中，接腳之間距不必為均勻的。舉例而言，間距在套管之中間處可更寬且朝向套管之端部更近。 其他配置展示於圖2A、圖2B及圖3中，其中相似部分具有與圖1相同之名稱。圖1讓人聯想到輸送管交換器(TLE)，其中來自一或多個鍋爐裂解線圈之裂解氣流動穿過具有多個套管之熱交換器。在一些圖式中，配置提供每線圈一個熱傳遞系統或多個分離的沸騰區段。 圖2B展示一配置，其中熱導管之熱端係由環繞套管或導管中之裂解氣流之環形空間形成。此配置具有結構性的、熱傳遞及腐蝕性的益處。此讓人聯想到超選擇交換器(USX)，其中冷卻介質為沸騰水。 圖3明顯地展示，藉由熱導管連接之熱區段及冷區段之配置可具有眾多組態，包括下文所見之重新配置。 在一些實施例中，可能需要使熱導管之冷端將其能量釋放至中間熱傳遞流體，以防止(例如)熱鈉在熱導管之冷端處之導管破裂的情況下與水接觸。

1‧‧‧裂解氣
2‧‧‧裂解氣
3‧‧‧熱區段容器
4‧‧‧熱端
5‧‧‧冷端
6‧‧‧鍋爐給水
7‧‧‧冷區段容器
8‧‧‧冷卻介質
9‧‧‧冷卻介質
10‧‧‧熱導管之區段

圖1為根據本發明之熱交換器之示意圖，其中熱區段與冷區段豎直對準但實體分離。 圖2A以及圖2B為根據本發明之熱交換器之示意圖，其中來自裂解器之裂解氣被劃分成多個液流，每一液流具有其自身的將熱量傳遞至冷卻區段之熱套管。 圖3展示具有多個熱區段但具有一個組合式冷區段之變體。 圖2A、圖2B及圖3展示在熱區段與冷區段之間的套管中具有偏移的熱套管配置之變體。

1‧‧‧裂解氣

2‧‧‧裂解氣

3‧‧‧熱區段容器

4‧‧‧熱端

5‧‧‧冷端

6‧‧‧鍋爐給水

7‧‧‧冷區段容器

9‧‧‧冷卻介質

10‧‧‧熱導管之區段

Claims (27)

1. 一種熱交換器，其與離開高溫製程之熱流體流一起使用，該熱交換器包含不具有共同或鄰接外表面之熱區段及冷區段，其中一或多個熱導管以10°至90°之傾斜角度自該熱區段之內部延伸跨越該熱區段與該冷區段之間的開放空間且延伸至該冷區段中。
2. 如請求項1之熱交換器，其中該熱區段與該冷區段之間的溫度差不小於200℃。
3. 如請求項2之熱交換器，其中該熱區段處於85 kPa至150 kPa量錶之壓力及800℃至1000℃之溫度下。
4. 如請求項3之熱交換器，其中該冷區段係處於250℃至600℃之溫度及5 MPa至9 MPa之壓力下。
5. 如請求項4之熱交換器，其中穿過該熱區段之流體為裂解氣。
6. 如請求項5之熱交換器，其中該冷區段中之流體為水。
7. 如請求項6之熱交換器，其中該熱導管中之工作流體係選自由鈉、鉀及銫組成之群。
8. 如請求項7之熱交換器，其中該等熱導管具有1 cm (0.5吋)至10 cm (4吋)之外徑。
9. 如請求項8之熱交換器，其中該熱導管具有長達10公尺之長度。
10. 如請求項7之熱交換器，其中該熱導管具有內部毛細管及內部芯子中之一或多者。
11. 如請求項10之熱交換器，其中該熱導管在該熱區段中之端部具有耐焦化的表面。
12. 如請求項11之熱交換器，其中該熱導管在該熱區段中之該端部具有厚度為100微米至5,000微米之表面，該表面包含：40重量%至60重量%的式Mn_x Cr_{3 - x} O₄ (其中x為0.5至2)之化合物；及60重量%至40重量%的Mn及Si之氧化物，該等氧化物選自由MnO、MnSiO₃ 、Mn₂ SiO₄ 及其混合物組成之群，其限制條件為該表面含有少於5重量%之Cr₂ O₃ 。
13. 如請求項12之熱交換器，其中該熱導管包含：約55重量%至65重量%之Ni；約20重量%至10重量%之Cr；約20重量%至10重量%之Co；以及約5重量%至9重量%之Fe及其餘微量元素中之一或多者。
14. 如請求項13之熱交換器，其中該熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳，該等組分之總和總計達100重量%。
15. 如請求項12之熱交換器，其中該熱導管包含：40重量%至65重量%之Co；15重量%至20重量%之Cr；20重量%至13重量%之Ni；少於4重量%之Fe及其餘一或多種微量元素；及至多20重量%之W，該等組分之總和總計達100重量%。
16. 如請求項15之熱交換器，其中該熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳。
17. 如請求項12之熱交換器，其中該熱導管包含20重量%至38重量%之鉻、25重量%至48重量%之Ni。
18. 如請求項17之熱交換器，其中該熱導管進一步包含：0.2重量%至多達3重量%之Mn；0.3重量%至2重量%之Si；少於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及少於0.75重量%之量的碳，且其餘部分大體上為鐵。
19. 如請求項11之熱交換器，其中該熱區段與該冷區段之間的該熱導管之至少一部分為螺旋狀。
20. 如請求項11之熱交換器，其中該熱區段與該冷區段之間的該熱導管之至少一部分係呈「Z」之形狀。
21. 如請求項9之熱交換器，其中該熱箱與該冷箱之間的該熱導管上存在隔熱。
22. 如請求項10之熱交換器，其中該芯子係由鎳、銅、鉬、鈮、鋁、鐵、鈷或基於此等金屬之合金及陶瓷製成。
23. 如請求項22之熱交換器，其中該芯子具有50微米至約1000微米之孔徑。
24. 如請求項23之熱交換器，其中該芯子具有雙模態孔徑，第一孔徑為300微米至700微米且第二孔徑為0.5微米至50微米。
25. 如請求項10之熱交換器，其熱端、其冷端或兩者上具有選自由翅片、肋片、突起及接腳組成之群的表面修飾。
26. 如請求項10之熱交換器，其中該熱區段與該冷區段之間的距離為30 cm至6公尺。
27. 一種熱導管，其熱端、其冷端或兩者上具有選自由翅片、肋片、突起及接腳組成之群的表面修飾。