专利名称：一种设置强化传热构件的急冷锅炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油化工乙烯裂解炉中配套的急冷换热设备。
背景技术：
烃类裂解原料在管式裂解炉辐射段炉管中进行高温裂解反应，产生的高温裂解气 的温度可高达800 900°C。为了防止二次反应的发生，减少烃类损失，高温裂解气需要进 入急冷区域进行快速冷却，同时回收热能产生高压蒸汽。众所周知，急冷锅炉是乙烯裂解装 置急冷区域中使用的重要换热设备，通常包括换热管和壳层，其换热部分分为壳程和管程， 其中管程内流动高温介质，即800°C 900°C高温裂解气混合物；壳程内流动冷却介质，即 350°C左右的饱和水混合物。急冷锅炉的冷却过程大致如下来自辐射段炉管的高温裂解气 混合物经急冷锅炉入口进入换热管管程内，从裂解炉汽包来的低温水经壳层入口进入换热 管壳程，通过间壁换热，急冷后的裂解气混合物经过急冷锅炉出口流出急冷锅炉，换热后的 冷却介质以饱和水汽混合物的形式通过壳体的出口流出急冷锅炉。一般而言，高温裂解气在急冷锅炉管程内冷却的过程总是伴有结焦现象的发生。 一是由于入口的高温裂解气混合物温度很高，而且部分气体在换热管壁附近有较长时间的 停留，其中的不饱和烃和重质烃进一步缩合和分解，从而促使焦炭的生成；二是由于随着高 温裂解气的不断冷却，高沸点组分冷凝在管程的壁面上，缓慢的进行脱氢缩聚反应，逐渐重 质化，相继变为焦油状或焦炭状的物质。因此，在管程的壁面，很容易形成焦炭层。急冷锅 炉管程内结焦的标志是管表面温度上升、急冷锅炉出口温度上升、裂解炉管压力降增大，达 到一定值后将不得不停工清焦。所以，急冷锅炉的结焦也是限制裂解装置运行周期的因素 之一。许多研究表明，急冷锅炉中的结焦大都在裂解气温度高于600°C的区域发生，当裂 解气温度达到600°C以下结焦的发生明显减少。减少和阻止结焦最主要的方法就是缩短 停留时间和增加结焦区域的气体流速，也就是缩短结焦前兆体和重组分在管壁附近高温聚集。传统的急冷锅炉设计一般要求具有如下性能(1)高质量流速裂解气体很快的 通过急冷锅炉，以避免重组分和二次反应产物在管壁上沉积并结焦，一般而言，急冷锅炉裂 解气侧的质量流速为50 120kg/(m2. s) ； (2)高压力水急冷锅炉中水侧的水和蒸汽压力 高，这样在换热过程中就可以使管壁温度不致降到裂解气的露点温度以下，从而引起结焦。 一般而言，水侧的压力在8 12Mpa之间；(3)短停留时间这与高质量流速相一致，停留时 间短一方面减少裂解气二次反应的发生从而减少烃类损失，另一方面能够减少结焦的发生 从而延长急冷锅炉的在线时间；(4)低压力降降低烃分压有利于提高裂解炉的选择性，通 常裂解气压缩机入口压力为一定值，因此急冷锅炉的压力降低有利于降低辐射段出口的压 力，从而提高裂解的选择性，通常，急冷锅炉末期的压降在0. OlMpa左右。管式裂解炉配套使用的急冷锅炉，大致包括套管式急冷锅炉、管壳式急冷锅炉、线 性急冷锅炉等型式。为满足上述急冷锅炉设计的要求，在其入口的设计中，一般要避免入口部分流动“死区”的出现，减少裂解气在入口部分的停留时间，强化入口部分的均勻分配功 能等。在其换热部分的设计中，一般都采用内径较小的直管结构，既可增大换热面积，又可 减少停留时间和降低压降。采用直管结构的急冷锅炉在工业应用过程中，由于其热强度很大，其换热过程往 往随着使用的进行渐渐无法满足要求，达到应用极限后就要停下机械清焦。一般而言，现在 急冷锅炉的在线时间大概在6个月到12个月之间，每运行这么长时间就要停炉进行水力或 机械清焦。综上所述，由于急冷锅炉的运行周期和裂解炉的运行周期是互为牵连的，急冷锅 炉的运行情况的好坏，直接影响乙烯装置的运行周期和急冷锅炉的寿命。延长急冷锅炉的 运行周期，不仅可以为最大限度的延长裂解炉的运行周期提供保证，而且也能够减少急冷 锅炉的升温降温过程，从而提高急冷锅炉寿命。近年来，能源与材料费用的持续增长大大地推动了强化传热技术的研究。采用有 效的强化传热技术可以提高换热管内流体的换热效率，对于余热回收利用和节约能源有着 积极的作用。目前，管式换热器的强化传热技术主要是通过传热面的形状或者管内加入构 件来增加流体湍流程度和扩展传热面积，来提高传热效率，实现节能的目的。下面就目前广 泛使用的技术进行简单介绍，内凸肋结构管应用广泛，包括螺旋槽管和横纹管，管壁上的横 纹能在有相变和无相变的传热中明显提高了管内外的传热系数；内翅片管是通过特殊的焊 接工艺和设备加工而成，流体在管内的换热过程为单相强制对流换热，翅片的焊接和加工 对于传热的影响都很大；管内插入物在低雷诺数或者高粘度流体传热工况下，管内插件对 于强化气体、低雷诺数流体或者高粘度流体的传热会起到很好的效果；缩放管是依次交替 的多节渐缩段和渐扩段构成，缩放管通过壁面缩放，使流体压力发生周期性的变化产生剧 烈的漩涡冲刷流体边界层，减薄边界层，增加传热系数。尽管管式换热器的强化传热技术种 类很多，应用也很广泛，但是现有这些技术也面临一些困惑，主要是加工制造难度大、费用 成本高。由于急冷锅炉中流体具有高质量流速、高温、高压、易结焦等特点，如何将现有的 强化传热技术应用于急冷锅炉中，从而有效提高换热效率、减少结焦、延长在线运行周期， 一直未见报道。本发明的目的在于将现有强化传热技术应用于乙烯裂解装置的急冷锅炉， 进而提供一种延长在线时间的急冷锅炉。
发明内容
本发明的目的是提供一种带强化传热构件的急冷锅炉。本发明的急冷锅炉是在现有急冷锅炉的换热管内设置强化传热构件，优选设置扭 曲片管，从而强化急冷锅炉的传热过程，减少结焦，延长急冷锅炉的在线时间。具体的，本发明的急冷锅炉包括换热管和壳层，在所述的急冷锅炉的换热管中设 置强化传热构件；且所述的强化传热构件设置在所述急冷锅炉壳程流体中汽相占所述流体 的体积百分比小于5%的位置或者所述急冷锅炉管程流体温度高于520°C的位置。一般而言，由裂解炉引出的裂解气在急冷锅炉入口处的温度最高，随着裂解气沿 着急冷锅炉的管程前进，裂解气的温度逐渐下降，急冷锅炉的壳程中高压水逐渐汽化。因 此，在本发明的急冷锅炉中，是将所述强化传热构件设置在管程入口处与所述急冷锅炉壳
4程流体中汽相占所述流体的体积百分比约为5%的位置或者所述急冷锅炉管程流体温度约 为520°C的位置之间。这样，可以通过加入强化传热构件如扭曲片管强化这部分换热管内的 传热过程，以及减缓这部分换热管的结焦；同时，由于壳程的高压水在其汽化5%之前，壳 程的传热阻力相对较大，通过加入强化传热构件如扭曲片管可以强化传热过程以增加总的 传热系数。在本发明的具体实施时，设置强化传热构件的位置可通过急冷锅炉管程裂解气温 度分布曲线，找到管程裂解气流温度或者壳程流体液相汽化率相应的位置，再结合考虑方 便清焦过程的人工操作以及强化传热构件需要安装在直管段处的特点，确定强化传热构件 的加入位置。具体的，根据管程裂解气流量、压力以及温度可得到管程裂解气流在急冷锅炉 中需要壳程水汽混合物带走的全部热量，通过热量衡算，得到壳程高压水汽化率与管程裂 解气温度的对应关系；再根据急冷锅炉管程裂解气温度与裂解气停留时间的变化曲线、以 及管程裂解气流量、压力和温度得到该温度时管程裂解气流在该急冷锅炉的管程的停留时 间和管程气流的线速度，最后得到所需位置。通常在裂解炉和急冷锅炉的参数确定的情况 下，急冷锅炉管程裂解气的温度变化与裂解气停留时间的曲线也是确定的。图4列出了在 工艺条件相同情况下，几种不同急冷锅炉的温度变化曲线。一般的，急冷锅炉壳程流体中汽相占所述流体的体积百分比约为5%的位置或者 所述急冷锅炉管程流体温度约为520°C的位置在距离管程入口处约120D以内的位置；因 此，在本发明的急冷锅炉中，优选将所述强化传热构件设置在距离管程入口处20D至1IOD 之间。优选的，将强化传热构件设置在距离管程入口处约30D至70D的位置，D为急冷锅 炉换热管的内径。在本发明的急冷锅炉的具体实施中，通常在每根换热管中都分别设置强化传热构 件。在本发明的急冷锅炉中，所述的强化传热构件优选使用扭曲片管。更优选所述的 扭曲片管包括内置的扭曲片，所述扭曲片沿扭曲片管的轴向至少部分地设置在该管的内 部，且所述的扭曲片与扭曲片管一体制成。如CN1260469A所公开的热交换管。CN1260469A 全文引入本说明书中作为参考。在本发明的具体实施中，优选所述的扭曲片管的扭曲比为2 20，扭曲角度为 90° 180°。在本发明的另一个优选实施方案中，所述的扭曲片管的扭曲比为2 12，更优选 为3 6。在本发明的急冷锅炉中，使用具有较大扭曲比的扭曲片管是由于在裂解炉急冷锅 炉机械清焦期间可能有焦块跌落，如果扭曲片管的扭曲比较小，则这种焦块的跌落可能会 导致急冷锅炉管程堵住，加大扭曲比可以降低这种情况发生的可能性；而且，扭曲比加大同 时增加了传热面积，也能够强化传热的过程。使用具有较小扭曲角度的扭曲片也是出于同 样的考虑。在本发明中所述扭曲片是指扭曲片扭曲180°的轴向长度与扭曲片管的内径的比值。在本发明的具体实施中，可在急冷锅炉的每根换热管中各加入数个上述扭曲片管，如1-6个。优选在每根换热管中仅仅加入一个扭曲片管。这主要是由于设置扭曲片管的位置 靠近管程入口处，在管程入口处裂解气温度较高，在入口处管外流体发生相变过程，其传热 阻力集中在换热管内，强化这部分管内的传热过程不仅仅对传热有益处，而且有助于减少 结焦过程的发生。更重要的是，仅仅加入一个扭曲片管保证了在机械清焦期间能够从上面 和下面进行机械清焦，这样就能够保证急冷锅炉的绝大部分能够被机械清焦所达到，避免 了无法彻底机械清焦而导致的急冷锅炉运行周期降低。优选本发明的急冷锅炉中使用的扭曲片管的材质与换热管的材质相同。在具体使 用时，可通过焊接的方法连接在所述换热管中。本发明对于急冷锅炉的型式没有特别的限制，可以在现有的各种型式的急冷锅炉 中设置强化传热构件，如在乙烯裂解装置中使用的传统型急冷锅炉、浴缸型急冷锅炉、线性 急冷锅炉，也可以用于双套管式急冷锅炉、半螺旋管式急冷锅炉、U型管式急冷锅炉等。在 上述的所涉及的急冷锅炉中设置强化传热构件的位置没有太大的区别，根据其温度变化曲 线选择合适的位置即可。本发明提供的另一种急冷锅炉，是将强化传热构件设置在急冷锅炉每根换热管距 离管程入口约20D 110D之间。优选在所述的急冷锅炉的每根换热管距离管程入口约30D 70D处设置扭曲片管。本发明的另一个目的是提供上述急冷锅炉在烃类裂解炉配套急冷换热中的应用。本发明的急冷锅炉具有的有益效果如下1、本发明的急冷锅炉，通过设置强化传热构件，强化了换热管的传热效果，延缓了 急冷锅炉的结焦，从而延长了急冷锅炉的在线时间。2、将本发明的急冷锅炉应用于乙烯裂解装置，由于其有效延长了在线运行周期， 所以，为最大限度的延长裂解炉的运行周期提供了保证。3、由于本发明的急冷锅炉的在线时间延长，从而减少了急冷锅炉的升降温以及清 焦的次数，从而有效提高了急冷锅炉的寿命。
图1是线性急冷锅炉应用扭曲片管的示意图。图2、3是扭曲片管的剖面和横截面示意图。图4是几种急冷锅炉的裂解气温度与停留时间的曲线图。其中，1为套管型急冷锅 炉，2为快速急冷型锅炉，3为浴缸型急冷锅炉，4为传统型急冷锅炉。
具体实施例方式下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发 明的范围在权利要求书中提出。在本发明的实施例中使用的扭曲片管是按照CN1260469A公开的热交换管制造的 具有不同扭曲比和扭曲角度的扭曲片管，且扭曲片管的材质与急冷锅炉的材质完全相同。在本发明中，S0R是指运行初期，E0R是指运行末期。
在本发明的实施例和对比例中所涉及的浴缸型急冷锅炉的温度变化曲线使用图4 中曲线3。对比例1以不设置扭曲片管的浴缸型急冷锅炉为例，将其应用于一台乙烯生产能力为10 万吨/年的裂解炉。急冷锅炉的尺寸和参数见表1，工艺参数见表2。裂解炉原料为加氢尾 油(以下简称HVG0)。表1急冷锅炉的结构参数 实施例1本实施例是使用与对比例1相同的浴缸型急冷锅炉，在一台乙烯生产能力为10万 吨/年的裂解炉中配备本发明的急冷锅炉，其尺寸和参数见表1，工艺参数见表2。裂解炉 原料为HVG0。表2急冷锅炉的工艺参数 根据图4中所示浴缸型急冷锅炉温度变化曲线以及管程裂解气流量、压力以及温 度计算得到壳程高压水汽化5%时的温度值，推算出该温度对应的管程裂解气流在该急冷 锅炉的管程的停留时间；再根据裂解气流量、压力以及温度得到裂解气流的线速度，最后可 知壳程高压水的汽化率为5 %的位置为距离管程入口约80D处，考虑清焦以及操作方便的 原因将扭曲片管设在距离管程入口处2300mm处。与对比例1相比，在相同的工艺条件下，加入扭曲片管后的急冷锅炉在线时间延 长约40%，而且其运行末期的换热量有所增加，这说明其内部的结焦比对比例1要少。对比例2本对比例是一台乙烯生产能力为10万吨/年的裂解炉，其配备的急冷锅炉为浴缸 型急冷锅炉，其尺寸和参数见表3，工艺参数见表4。裂解炉原料为石脑油(以下简称NAP)。表3急冷锅炉的结构参数 表4急冷锅炉的工艺参数
实施例2本实施例是一台乙烯生产能力为10万吨/年的裂解炉，配备的浴缸型急冷锅炉为 本发明的急冷锅炉，其尺寸和参数见表3，工艺参数见表4。裂解炉原料为NAP。根据图4中所示温度变化曲线以及管程气流量、压力以及温度可以计算得到壳程 高压水汽化5%时的温度值，推算出该温度时管程裂解气流在该急冷锅炉的管程的停留时 间，从而能够根据气流的线速度计算可知在距离管程入口约90D处壳程高压水的汽化率为 5%，考虑清焦以及操作方便的原因将扭曲片管设在距离管程入口处2300mm处。与对比例2相比，加入扭曲片管后的急冷锅炉在线时间延长约50%，而且其运行 末期的换热量有所增加，这说明其内部的结焦比对比例2要少。对比例3本对比例是一台乙烯生产能力为10万吨/年的裂解炉，其配备的急冷锅炉为浴缸 型急冷锅炉，其尺寸和参数见表5，工艺参数见表6。裂解炉原料为NAP。与对比例2相比，加入扭曲片管后的急冷锅炉在线时间略有延长，但与实施例3相 比，其在线时间较短，这说明其内部的结焦情况比对比例2要好，但要差于实施例3。实施例3本实施例是一台乙烯生产能力为10万吨/年的裂解炉，其配备的浴缸型急冷锅炉 为本发明的急冷锅炉，其尺寸和参数见表5，工艺参数见表6。裂解炉原料为NAP。根据图4中所示浴缸型急冷锅炉温度变化曲线可以得到520°C时管程气流在该急 冷锅炉的管程的停留时间，从而能够根据管程气流的线速度计算该位置。可知在距离管程 入口约115D处管程内流体温度约为520°C，考虑清焦以及操作方便的原因将扭曲片管设在 距离管程入口处1600mm处。与对比例2相比，加入扭曲片管后的急冷锅炉在线时间延长约40%，这说明其内 部的结焦情况比对比例2要好。与对比例3相比，实施例3的急冷锅炉在线时间延长约 15%，这说明其内部的结焦情况比对比例3要好。表5急冷锅炉的结构参数
表6急冷锅炉的工艺参数
权利要求
一种急冷锅炉，包括换热管和壳层，其特征在于所述的急冷锅炉的换热管中设置强化传热构件；且所述的强化传热构件设置在所述急冷锅炉壳程流体中汽相占所述流体的体积百分比小于5％的位置或者所述急冷锅炉管程流体温度高于520℃的位置。
2.根据权利要求1所述的急冷锅炉，其特征在于所述的强化传热构件为扭曲片管。
3.根据权利要求2所述的急冷锅炉，其特征在于所述的扭曲片管包括内置的扭曲片， 所述扭曲片沿扭曲片管的轴向至少部分地设置在该管的内部，且所述的扭曲片与扭曲片管 一体制成。
4.根据权利要求2或3所述的急冷锅炉，其特征在于所述的扭曲片管的扭曲比为2 20，扭曲角度为90° 180°。
5.根据权利要求4所述的急冷锅炉，其特征在于所述的扭曲片管的扭曲比为2 12， 更优选为3 6。
6.根据权利要求1-5之一所述的急冷锅炉，其特征在于在所述的急冷锅炉每根换热 管中设置1-6个所述扭曲片管，优选设置1个。
7.根据权利要求6所述的急冷锅炉，其特征在于所述的扭曲片管的材质与换热管的 材质相同。
8.一种急冷锅炉，包括换热管和壳层，其特征在于在所述的急冷锅炉的每根换热管 距离管程入口 20D 110D处设置强化传热构件。
9.根据权利要求8所述的急冷锅炉，其特征在于在所述的急冷锅炉的每根换热管距 离管程入口 30D 70D处设置强化传热构件。
10.权利要求1-9之一所述的急冷锅炉在烃类裂解炉配套急冷换热中的应用。全文摘要
本发明公开了一种设置强化传热构件的急冷锅炉。本发明的急冷锅炉包括换热管和壳层，在所述的急冷锅炉的换热管中设置强化传热构件；且所述的强化传热构件设置在急冷锅炉壳程流体中汽相占所述流体的体积百分比小于5％的位置或者所述急冷锅炉管程流体温度高于520℃的位置。本发明的急冷锅炉应用于乙烯裂解装置中，能够强化急冷锅炉的传热效果，延缓急冷锅炉的结焦，从而延长急冷锅炉的在线时间。
文档编号C07C11/04GK101893396SQ200910084549
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者刘俊杰, 周丛, 周先锋, 张兆斌, 张利军, 杜志国, 王国清 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司北京化工研究院