专利名称：淬火装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于淬火热气流的装置。本发明更具体地涉及用于将来自裂解炉的裂解产品进行淬火的淬火区。
在本申请人的一个用于制备烯烃的粗柴油蒸汽裂解工厂中，认识到淬火管壁的湿润对于保持淬火管不发生由焦炭沉积导致的挂胶是必要的。发现用喷嘴导入用于冷却从辐射部分排出的热裂解气的淬火油不起作用，因为难以保持壁被完全润湿。以前的喷嘴结构包括包围淬火管的外部淬火环，用于在以120度分别排列在淬火管周围的三个喷嘴之间分配淬火油。该设计在淬火环上产生过大的热应力。后来，将其改进成三个分离的淬火喷嘴，它们都共享一个淬火油供应管线，这需要对每个喷嘴施加流动节流，以确保淬火油的良好分配。
在以前多喷嘴油注射淬火管中的节流孔板和小尺寸的喷嘴经常被淬火油中存在的焦炭颗粒堵塞。当发生这种情况时，用于润湿淬火管壁的淬火油的流动受到干扰，这导致淬火管壁的不完全润湿。焦炭会在淬火管壁的干点上形成并增长，这将最终堵塞淬火管。当发生这种情况时，整个裂解炉必须关闭以进行清洁。即使注射喷嘴没有问题，淬火管也会在油入口附近的润湿壁和干壁之间的移动边缘处出现形成焦炭堵塞。
本发明的目的是提供一种能避免上述问题的喷嘴结构。这通过使用这样的淬火喷嘴结构来实现，其中喷嘴将淬火油以切向导入淬火管，并冷却从裂解炉中的热辐射管出来的热的气态裂解产品(例如在乙烯生产中)，同时保持淬火管的内壁被淬火油润湿，这对防止焦炭在淬火管上沉积是必要的。
因此，本发明涉及一种如权利要求1所要求的装置。该装置的优选实施方案如权利要求2-7所述。本发明装置的一个具体实施方案是如权利要求8所限定的淬火区，优选实施方案如权利要求9和10所述。
该装置或喷嘴的第二个导管具有一个淬火油入口，从而不需要任何用于在数个喷嘴之间均匀分配淬火油的节流孔板。用一个喷嘴导入油，这使得该喷嘴的直径比在该装置中使用多于一个喷嘴时所需的直径大。用单个较大直径的喷嘴代替多个喷嘴(和节流孔板)，消除了由于淬火油中存在的焦炭粒子所导致的堵塞问题。通过使用内部流动阻塞装置使第一个导管装置或淬火管的内壁保持润湿，适宜地是具有特别锥形的前沿和突出端部的环的形式，其用于防止淬火油/气体界面在淬火管中沿轴向前后移动，从而消除焦炭的形成。
本发明如
图1至图10所示图1是本发明的淬火管和喷嘴的横截面图。图2是沿图1的线2-2截取的横截面图。图3-10显示插入环的几个选择的不同实施方案。
本发明的一个可能的环境是如美国专利3907661的图1所公开的裂解炉，将其引入本文作为参考。申请人的发明是对该专利或在其它类似设备中的淬火区13的设计改进。
现在参考本申请的图1，淬火管10以横截面显示，并具有淬火油入口管或喷嘴12，它以正切的方式形成淬火管10的入口。图1显示喷嘴12的直径以及淬火管10的直径，其中两个导管相交，本文所述的组合构成对上述美国专利3907661的淬火区13的改进。图2显示淬火管10的横截面，沿其纵轴向截取并向后看到喷嘴12。在淬火管10和喷嘴12的上游内(相对于气流和相应于美国专利3907661的淬火区13的进料)是插入环14，具有在平面部分14b终结的斜面部分14a，14b具有与面14c的尖锐界面。即，插入环14的平面部分14b和面14c以直角相交，形成锐缘14d。插入环14及其变形的作用是在面14c下游形成低压区16。
最简单形式的喷嘴12可以是恒定直径的管，其优选以直角进入淬火管10，且其中一个壁对淬火管10成切向。插入环14位于喷嘴12上游的短距离处，并在面14c形成低压区16。面14c与喷嘴12之间的最佳距离是使得没有液体流过锐缘14d、但能完全润湿面14c的距离。由喷嘴12注入的淬火油在淬火管10的内表面周围成环形流动(因为在足够的压力下切向注射)，填充位于面14c的低压区16。为了本发明能充分地起作用，必要的是从喷嘴12切向注入的液体具有足够的速度，以使在淬火管10内流体第一次旋转期间作用于进入流的离心力超过在该装置的该区域中由于重力场作用于进入流的离心力。换句话说，该速度必须使得U2/(Rg)＞1(1)其中U2是入口速度的平方，R是淬火管10的内半径，和g是重力加速度，它们都以一致的尺寸单位表示。U2/(Rg)的典型值是在3-20范围内。淬火油然后沿淬火管10的内壁分布，这是由于流体拖曳力通过气相作用于油上。这种在气体和油相之间的相互作用还导致在下游方向的一些动量从气体转移到淬火油。通过这种方式，面14c及其下游的淬火管10的内壁保持处于“湿”态，从而产生两相环形流动区域，这阻止焦炭的形成。面14c上游的淬火管10的部分，包括插入环14的表面14a和14b，保持“干”态，所以不会形成焦炭。插入环14的锐缘14d形成在“湿”和“干”态部分之间的突出界面。
插入环14已在本文中描述为具有平面部分(14a、14b和14c)，但还不能用弯曲的、延长的或缩短的部分构成。需要保持的关键特征是尖锐的界面14d和低压区16。图3至图10显示用于插入环14的一部分其它组合。图3使用零长度的平面部分14b，即斜面14a终结在与面14c的尖锐界面14d处。图4显示通常与淬火管轴平行的部分14b中的曲率。图5使用凹面部分14c以包含低压区16并改变锐缘14d的角度。图6显示斜面部分14a的改变的形状。图7显示保持“湿/干”界面和低压区的改进组合的一个实施方案。图8是使用“无限”斜面长度的另一个组合，即没有内部插入环14a。这基本上证明直径不同的两个淬火管怎样实施插入环14的功能。图9显示具有90度的面14a和14c的插入环14。该结构引起过度的(插入环的)前沿湍流，并导致压力下降，但可以用于一些用途中。图10是图8的更易于制造的一个实施方案。显示了凹面14c的情况，尽管还可以使用凸面或平面。
尽管本文就管或导管(圆柱形)元件方面描述了喷嘴12，但也可以是其它形状的横截面，即椭圆形、方形、矩形等。该设计的关键特征是使用切向的或大约切向的入口管，以向具有足够动量的油赋予速度，使得油在淬火管10周边流动，同时完全润湿面14c。相似地，尽管只描述了一个喷嘴，但可以使用多个喷嘴，例如与淬火管10相对的两个喷嘴，从而互相协助使淬火油在周边流动。切向入口还优选与淬火管10成直角，但也可以使用任何角度，只要油能充满面14c下面的处于淬火管10周边周围的低压区16。相似地，喷嘴12的外表面与面14c之间的距离是由使油拖出并分布入低压区16且不溢流出锐缘14d的需要所决定的。在本发明的优选实施方案中，该距离应该在喷嘴12的内直径的约20-100％范围内。
插入环14可以制成焊接在淬火管10内部的环，或可以制成淬火管的整体部分。插入环14，如图1所示，包括斜面部分14a，它优选是约7.5度，但可以倾斜到90度，或更大的角度。在两个不同的淬火管直径的情况下(图8)，斜面14a可以小到0度。斜面部分14a终结在平面或曲面部分14b，后者又终结在锐缘或面14c的界面14d上。在气流条件下，插入环14限制流动区域，使得当气体流过插入环时气体速度增加。低压区16由该增加的速度产生，这倾向于将从喷嘴12切向注入的淬火油拉入低压区16，从而润湿在该区域内的淬火管内壁和插入环表面14c。来自喷嘴12的淬火油然后被裂解炉气流输送到下游，并保持在淬火管10的壁上(从而润湿)。斜面14a的长度优选尽可能地长，以使引起的湍流最小；但是，生产(机械)极限控制可能物理尺寸。
尽管淬火管10的定向显示为水平的，但只要淬火油和气流的组合动量能保持淬火管壁润湿，淬火管10的定向可以与水平位置垂直或成一个角度地向上流或向下流。管线应该量出尺寸并定向，气体和液体流速应该使得能在面14c下游的淬火管10内产生和保持两相环流，以实现润湿壁的功能。
尽管本发明已对裂解炉中的具体应用进行描述，其它应用是可能的，例如1.将“洗涤水”流注入携带气流的管，以润湿下游管壁，以便防止或除去在工艺水洗操作中的盐沉积物(例如，加氢裂解器的水洗操作)。
2.将水或烃基腐蚀抑制剂注入带有气流的管中，以便均匀地润湿下游管壁，从而控制腐蚀(例如，将成膜胺注入吸收或蒸馏塔的顶部管线)。
3.将烃或水基液体注入带有气流的管中，以防下游管壁过热(例如，将“喷雾”或淬灭水注入催化裂解或流体结焦的顶部管线，以便保持管的温度低于其冶金操作极限)。
4.湿壁切向淬火管结构可用于在裂解炉出口处的输送线换热器(TLE)中的单个管。TLE是管壳式换热器，其中从辐射管出来的热裂解气态产品在管侧上被间接冷却或淬火，同时在壳侧产生高压流。焦炭将沉积在管侧，这将减少换热，增加TLE内的压降，并需要定期除焦和关闭裂解炉。通过使用本文公开的湿壁淬火技术(方法)来完全润湿这些TLE管的内侧，可以防止结焦，从而减少清理停工时间和生产损失。
本发明进一步通过以下实施例来说明，且本发明的范围并不限制在该具体的实施方案内。
实施例在申请人的一个工厂中使用旧淬火喷嘴设计的裂解炉通常必须每隔15天就停工，这是由于在每个裂解炉中的10个淬火通道中的一个或多个淬火喷嘴被堵塞。在申请人的实验设置中为了证明公开的本发明思想，选择通常在大多数常堵塞的裂解炉中最易发生堵塞问题的淬火通道(具有旧喷嘴设计)进行替换。喷嘴被淬火管10代替，该淬火管使用具有公称8英寸(20.3厘米)直径的Schedule 40管，并与具有4.3厘米(0.5英寸)内直径孔的喷嘴12相交。将淬火液体以约4.0米/秒的流速(13ft/秒，或74加仑/分钟)注入以约61-76米/秒(200-250ft/秒)流动的热气流中。检测的淬火通道喷嘴系统操作约1年，且其间不停工也不堵塞，但是其它喷嘴(具有旧设计)，包括在同一实验裂解炉中与实验喷嘴邻近的那些喷嘴确实因为结焦而堵塞，从而需要整个实验裂解炉停工。这证明新喷嘴设计能防止在易于堵塞的环境中发生堵塞，如在同一裂解炉中其它“旧设计”喷嘴所经历的持续堵塞问题所示。
权利要求
1.用于淬火热气流的装置，包括(i)第一种导管装置，用于将所述热气体从上游源输送到下游位置；(ii)位于所述导管装置内的流动阻塞装置，用于在所述阻塞装置紧邻下游的所述热气流中产生低压区；(iii)位于所述流动阻塞装置下游的第二种导管装置，所述第二种导管装置与所述第一种导管装置以切向和以一个角度相交，所述第二种导管装置用于将淬火流体以足够的压力切向注入所述热气流中，该压力足以引起所述淬火流体在所述第一种导管装置的内表面周边流动并充满所述热气流的低压区，并与所述流动阻塞装置的下游面接触；和(iv)在所述流动阻塞装置的所述下游面上的界面装置，用于在所述热气流和所述淬火流体之间提供尖锐界面。
2.根据权利要求1的装置，其中第二种导管装置与第一种导管装置以切向并与其垂直相交。
3.根据权利要求1或2的装置，其中所述流动阻塞装置是一个插入环，适用于置于具有其直径的所述第一种导管装置中。
4.根据权利要求1-3中任一项的装置，其中所述第一种导管是圆柱形，且所述插入环位于其内直径周边，所述插入环具有斜面，这增加所述气流方向的高度，所述斜面终结在平面部分，所述平面部分终结在与所述流动阻塞装置的下游侧的尖锐界面。
5.根据权利要求4的装置，其中斜面具有凸面或凹面曲率。
6.根据权利要求1-5中任一项的装置，其中所述流动阻塞装置由两个或更多个同心导管形成。
7.根据权利要求1-6中任一项的装置，其中所述第二种导管的外表面与所述流动阻塞装置的下游面之间的距离是所述第二种导管的内直径的20-100％。
8.与裂解炉的热气流相连的淬火区，其中该淬火区包括(a)一种淬火管，其中热气体流过该管且淬火油被注入该管中以冷却该热气体，所述淬火管包括插入环，位于所述淬火管的内直径周边上，所述插入环具有斜面，这增加气流方向的高度，所述斜面终结在平面部分，所述平面部分终结在尖锐界面；和(b)位于所述尖锐界面下游的至少一个喷嘴，所述喷嘴以对所述淬火管呈一个角度并以切向放置，以将淬火油导入所述淬火管中。
9.根据权利要求7的淬火区，其中喷嘴相对于所述淬火管垂直和切向放置。
10.根据权利要求8或9的淬火区，其中喷嘴的外表面与尖锐界面之间的距离是所述喷嘴的内直径的20-100％。
全文摘要
用于淬火热气流的装置,包括:(i)第一种导管装置,用于将所述热气体从上游源输送到下游位置;(ii)位于所述导管装置内的流动阻塞装置,用于在所述阻塞装置紧邻下游的所述热气流中产生低压区;(iii)位于所述流动阻塞装置下游的第二种导管装置,所述第二种导管装置与所述第一种导管装置以切向和以一个角度相交,所述第二种导管装置用于将淬火流体以足够的压力切向注入所述热气流中,该压力足以引起所述淬火流体在所述第一种导管装置的内表面周边流动并充满所述热气流的低压区,并与所述流动阻塞装置的下游面接触;和(iv)在所述流动阻塞装置的所述下游面上的界面装置,用于在所述热气流和所述淬火流体之间提供尖锐界面。该装置适宜地是与裂解炉的热气流相连的淬火区。
文档编号F28F13/06GK1344307SQ00805357
公开日2002年4月10日 申请日期2000年3月23日 优先权日1999年3月24日
发明者R·J·老加西亚, D·Y－K·恩根, R·A·桑波恩, L·E·斯太因 申请人:国际壳牌研究有限公司