专利名称：一种在高温传热或高温反应过程中强化传热的方法
技术领域：
本发明涉及高温反应或传热过程的热交换领域，更具体地说，属于一种强化传热和节能的方法。
背景技术：
传热强化技术由于其能提高热量传递速率和节能，在各个领域的过程中获得广泛的应用。它通常分为主动强化传热和被动强化传热技术，由于后者不需要从外界输入能量，在实际的工程中，更易被采用。
在高温传热或高温反应过程中，由燃料燃烧后产生的热量，经辐射传热到炉管外壁，再由炉管外壁传导至管内物料，从而使管内物料达到反应需要的温度的过程。通常，高温过程物料以气态为主，由于管内的物料流速快，雷诺数很大，故管内物流呈紊流流动状态。但由于流体具有粘性会粘附在壁面上，因此壁面处的流速接近为零。靠近壁面的一层流体仍呈层流状态，即边界层流层。再离开壁面，流速再加快，是一个过渡区。再往管子中心就出现紊流核心区。3个区域的热传递特点不同，靠近管壁边界层流层中，物流都是平行于管壁流动的，热的传递是热传导。由于气体的导热性很低，仅为金属的千分之一，因此热阻很大，相当于一层绝热层，当通过较大的热通量时，将产生很大的温度梯度。紊流核心区的物流不仅有平行于管壁的流动，还有横向流动，该区域的温度基本均匀。过渡区是上述二者共同作用的结果。
光滑炉管内物料流动会出现边界层流层，其热阻非常大，对热传导影响巨大，大大增加工艺过程的能耗。因此减少或消除边界层流层，强化管内物料的传热，成为研究的关键。
现有被动强化传热通常包括扩展传热表面(肋片或翅片)、管内插入物(内构件)、旋流(紊流)发生器等等。
CN1447088A发明是一种用圆—椭圆截面交叉缩放强化传热的方法。主要由若干圆管段、椭圆管段和圆—椭圆过渡段组成，依次周期排列，利用“场协同原理”强化传热并改善流动阻力。
CN1129799A是一种置换式防垢强化传热的梯形插入物，由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为60-90o，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，这种结构的管内插入物具有防垢、强化流体传热效果，特别适用于高粘度流体的传热效果。
CN2588312Y涉及到特别适用于管内吸收及高粘度流体热交换的强化传热的传质管，其特点是在管内壁有若干半圆或小半圆的月牙体，其表面紧贴管内壁。利用三维空间，通过分流、混合、旋转产生各种二次流，强化传热，同时可以缩小传热设备的体积。
CN2474980Y是换热设备内部强化传热或冷却的翼型纵向涡旋发生元，由一片薄而均匀的三角形翼(功能翼)和一片与内壁面相连接的的辅助体(辅助翼)折叠而成。适用于强化气体或液体的对流换热场合，能在流动阻力增加极小的情况下，提高传热效率。
上述现有技术在强化传热方面都有一定的效果，但更多地应用于高粘度的液体、低雷诺数的强化气体或液体的对流换热场合。对于像高温传热或高温反应过程中，气态的物质在的高温环境(780-920℃)，需要较短的时间(0.01-0.7s)达到反应要求的条件，以上强化传热的方法都存在适应性的问题。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种高温传热或高温反应过程中强化传热的方法。
本发明提供的方法包括在高温传热设备或高温反应器内，插入比所述设备或反应器内径小的内构件物质。
本发明可以有效改善辐射段炉管管内的温度分布，强化流体传热效果，提高热效率。
图1为蜂窝状多孔的堇青石陶瓷材料的内构件，图2为十字形的石英材料的内构件，图3为高温传热试验管内径向温度分布。
具体实施例方式
本发明提供的方法是这样具体实施的在高温反应过程(例如蒸汽裂解制乙烯工艺)的辐射段炉管内或低粘度的气体物质，需要进行高温传热的设备管内，插入与管内径相同或相当的内构件物质。
所述的高温反应过程，主要指高温蒸汽裂解制乙烯工艺过程，裂解原料为各类石油烃，反应温度780～920℃。
所述于内构件物质是无机材料，所述无机材料为玻璃、石英或陶瓷材料。其中所述陶瓷材料是堇青石或铝镁尖晶石。
所述内构件的形状为蜂窝状、实心圆柱体、空心圆柱体或多等分空心圆柱体。
所述内构件的整个体积为管内体积的5％-50％。
所述内构件可以全部充满或部分插入所述设备或反应器中。
下面的实施例将对本方法予以进一步的说明，但并不因此限制本方法。
实施例1在裂解反应辐射段炉管内插入蜂窝状多孔的堇青石陶瓷材料的内构件，内构件的结构如图1所示。以石脑油为裂解原料，在模拟裂解评价微反试验装置上进行裂解试验，该试验装置由进料系统、裂解反应系统和深冷分离系统三部分组成，整套装置由一台计算机控制操作和监测运行。裂解操作条件见表1。
在表1裂解评价试验条件下，使用热电偶在裂解反应辐射段炉管出口处，测量反应物流的出口温度；通过深冷分离和裂解气分析的气相色谱等手段，测定原料的裂解转化率，结果如表2所示。
实施例2在裂解反应辐射段炉管内插入十字形的石英材料的内构件，内构件的结构如图2所示。试验装置和裂解操作条件与实施例1相同。裂解评价试验结果如表2所示。
对比例1为说明本发明的效果，使用常规裂解反应辐射段炉管内(空管)，在与实施例1相同的条件下进行裂解试验。模拟裂解评价试验装置和分析手段与实施例1相同。所裂解评价试验反应物流的出口温度和原料的裂解转化率，如表2所示。
表2中数据表明在实施例1和实施例2中，在常规裂解辐射段炉管内插入蜂窝状多孔的堇青石陶瓷材料和石英材料的内构件，实际反应体积减小，反应停留时间相对减少的情况下，裂解评价试验反应物流的出口温度和原料的裂解转化率均高于对比例1。
实施例3在裂解反应辐射段炉管内插入蜂窝状多孔的堇青石陶瓷材料的内构件，内构件的结构如图1所示。以氮气为原料，在高温加热炉上进行高温传热试验。操作条件见表3。
在表3试验条件下，使用热电偶在加热炉管内部和管出口处，测量反应物流的径向温度分布和出口温度，结果如表4和图3所示。
实施例4在裂解反应辐射段炉管内插入十字形的石英材料的内构件，内构件的结构如图2所示。以氮气为原料，在高温加热炉上进行高温传热试验。操作条件见表3。
在表3试验条件下，使用热电偶在加热炉管内部和管出口处，测量反应物流的径向温度分布和出口温度，结果如表4和图3所示。
对比例2为说明本发明的效果，使用常规炉管(空管)，在与实施例3相同的条件下进行高温传热试验。评价试验装置和测试手段与实施例3相同。所测量反应物流的径向温度分布和出口温度，如表4和图3所示。
表4和图4中数据表明在实施例3和实施例4中，在常规炉管内插入蜂窝状多孔的堇青石陶瓷材料和石英材料的内构件，实际炉管体积减小，传热过程停留时间相对减少的情况下，反应物流的径向温度分布要优于对比例2、物流的出口温度均高于对比例2，有效地提高了传热效率。
表1、模拟裂解试验操作条件
表2、模拟裂解过程强化传热效果对比
表3、模拟高温传热试验操作条件
表4、模拟高温传热试验强化传热效果对比
权利要求
1.一种在高温传热或高温反应过程中强化传热的方法，其特征在于在高温传热设备或高温反应器内，插入比所述设备或反应器内径小的内构件物质。
2.按照权利要求1的方法，其特征在所述于内构件物质是无机材料。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于所述无机材料为玻璃、石英或陶瓷材料。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于所述陶瓷材料是堇青石或铝镁尖晶石。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于所述内构件的形状为蜂窝状、实心圆柱体、空心圆柱体或多等分空心圆柱体。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于所述内构件的整个体积为管内体积的5％-50％。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于所述内构件可以全部充满或部分插入所述设备或反应器中。
全文摘要
一种在高温传热或高温反应过程中强化传热的方法，在高温传热设备或高温反应器内，插入与管内径相同或相当的内构件物质。该方法可以有效改善传热设备或反应器炉管管内的温度分布，强化流体传热效果，提高热效率。
文档编号F28F13/02GK101063598SQ20061007619
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者崔德春, 贺振富, 王子军, 包晓东, 邵潜, 李阳 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石油化工科学研究院