专利名称：具有螺旋翅片的裂化管的制作方法
技术领域：
本发明涉及用在用于制造乙烯等的热裂化反应器中的裂化管，更具体地说，本发明涉及这样一种裂化管，在所述裂化管的内表面上装有用于搅拌其中的流体的翅片，所述裂化管适合于最大程度地抑制压力损失，同时有效地促进热量传输到其中的流体上。
背景技术：
通过加热裂化碳氢化合物(石脑油、天然气、乙烷等)的材料气体而制造诸如乙烯、丙烯等烯烃。热裂化反应是通过将碳氢化合物材料气和蒸汽引入到设置在从外部供以热量的加热炉中的裂化蛇管中、并且在混合物在高速下流过所述蛇管时将混合物加热到反应温度范围而执行的。
通常，裂化蛇管包括通过弯曲连接成Z字形组件的多个(直)管。
为了有效地执行热裂化反应，在短时间周期内沿管路的径向向内到其中央部分的方向将在所述蛇管内部以高速流动的流体加热到反应温度范围并且避免在高温下加热到最大可能程度是重要的。如果在长时间内在高温下加热所述气体的话，会产生过量的碳氢化合物(甲烷、游离碳等)的轻质馏分，或者裂化产物将经历例如缩聚反应，从而降低期望产物的产量。加速的结焦(管内壁上的游离碳的沉积)也将导致降低热传导系数，从而增加频繁执行除焦的需要。
因此实际上要在裂化蛇管的管内表面上提供翅片作为用于搅拌管内流体的元件。所述翅片的搅拌使得高速下流动的流体产生湍流，并且可被迅速地加热到更高温度。因此，可在缩短的时间内完成所述反应，同时避免由于过度裂化而产生轻质馏分。此外，管热传导系数方面的提高可降低管的温度，从而产生提高管的使用寿命的效果。
图12到14示出了裂化管上的翅片的研发示例(JP-A No.1997-241781)。
图12示出了在相对于管轴线的恒定倾斜角下螺旋地连续延伸的翅片1。
图13对应于离散地形成的图12的连续螺旋翅片。螺旋轨迹上的翅片1和非翅片部分2是在每圈螺旋中翅片和非翅片部分交替的交错布置。
这些示例在搅拌管内流体方面都具有较大效果，并且在将热量传导到管内流体方面高度有效，同时由于流体的较大压力损失而增大了管内部流体的内部压力，从而伴有裂化操作在较低产量下产生乙烯、丙烯等的缺陷。
图14示出了交替布置在平行于管轴线的多条线上的翅片1和非翅片部分2。然而，平行于管轴线布置的翅片不能产生搅拌管内部流体的充分作用并且不能获得期望的热传导性能。
考虑到上述问题，本发明的目的是在保持促进管内流体的热传导效果的同时最大可能程度地抑制压力损失。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种裂化管，所述裂化管具有形成在其内表面上并且相对于管的轴线倾斜的用于搅拌管内部流体的翅片，所述翅片被离散地布置在一个或多个螺旋轨迹上，所述管内表面具有这样的区域，其中在从管的一个轴向端到其另一个轴向端的管整个轴向长度上不存在翅片。
这种结构的管适合于使得管内部的流体的压力损失最小化，同时允许螺旋翅片高效地将热量传导到内部流体。
图1是本发明裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的布置图案的实施例。
图2是本发明裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的布置图案的另一个实施例。
图3是本发明裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的布置图案的另一个实施例。
图4是本发明裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的布置图案的另一个实施例。
图5是本发明裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的布置图案的另一个实施例。
图6是用于示出图3中所示的翅片的布置的视图。
图7是截面图，示出了图1中所示的实施例的管。
图8是用于示出以堆焊珠的形式形成螺旋翅片的堆焊法的视图。
图9是示出了通过试验确定的测试管的热传导特性的图表。
图10是示出了通过试验确定的测试管的压力损失特性的图表。
图11是用于总体示出测试蛇管的结构的视图。
图12是传统裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的图案。
图13是传统裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的另一种布置图案。
图14是传统裂化管的内表面的展开图，用于示出形成在管内表面上的翅片的另一种布置图案。
具体实施例方式
下面将参照示出的实施例详细地描述本发明的裂化管。
图1是管的内表面的展开图，示出了本发明所涉及的螺旋翅片的布置的实施例。
沿相对于管的轴向方向x在预定的倾斜角θ下布置的螺旋轨迹离散地形成翅片1。所述螺旋轨迹由倾斜虚线表示，而螺旋的连接由竖直虚线表示。水平点划线示出了其中翅片沿轴向方向布置的区域ZA和其中不存在翅片的非翅片部分2的区域ZB。
在图1的实施例中，沿每圈螺旋布置有四个翅片。表示螺旋的各个圈的螺旋线上的相应翅片1、以及相应非翅片部分2沿平行于管轴线的方向被布置。
图2到图5是管的内表面的展开图，示出了本发明所涉及的螺旋翅片的布置的其他实施例。
图2示出了沿在倾斜角θ方面不同的连续螺旋轨迹形成的螺旋翅片。管路的区域I中的螺旋的倾斜角θI大于其区域II中的螺旋的倾斜角θII。翅片1和非翅片部分2被布置在平行于管轴线的各个区域ZA和ZB中。
图3示出了提供了两个螺旋轨迹的一个实施例。在相同的倾斜角θ下沿各个螺旋轨迹S1和S2离散形成翅片。翅片11和非翅片部分21被形成在螺旋轨迹S1上，翅片12和非翅片部分22被形成在螺旋轨迹S2上，翅片11、12被布置在区域ZA中，非翅片部分21、22被布置在区域ZB中。
图4示出了这样一个实施例，其中沿两个螺旋轨迹S1和S2形成螺旋翅片，并且沿轨迹S1的翅片在尺寸上不同于沿轨迹S2的翅片。沿螺旋轨迹S1的翅片11比沿螺旋轨迹S2的翅片12长。翅片11、12被布置在区域ZA中，而所有的或一些非翅片部分21、22被布置在区域ZB中。
图5示出了这样一个实施例，其中沿四个螺旋轨迹S1到S4形成螺旋翅片，并且沿各个螺旋轨迹S1到S4的翅片11到14沿管的圆周方向被布置在略微不同的间隔下。相应的四个螺旋轨迹S1到S4上的翅片11到14的组被布置在区域ZA中，而这些轨迹S1到S4上的非翅片部分21-24的组被布置在区域ZB中。区域ZA中的这些翅片11到14沿波形(由点划线示出)被布置。
因此，依照图2到图5的所有实施例，管内表面具有区域ZB，在区域ZB中，从管的一个轴向端到其另一个轴向端的管的整个轴向长度上不存在翅片。
图6是用于示出图3中所示的翅片的布置的视图。θ处所示的是螺旋翅片的倾斜角，p处所示的是作为沿管轴线的方向的相邻螺旋线上的相应翅片之间的中心-中心距离的翅片间距。根据管的内径D适当地确定这些数值。
在具有例如约30到150mm的内径D的管的情况下，倾斜角θ可大约为15到85度，而间距p大约为20到400mm。根据螺旋的倾斜角θ和螺旋条数N，增大或减小间距p以用于调节(p＝E/N，其中E为螺旋线导程)。
翅片的高度H(从管内表面的突出部分的高度)为例如管内径的约三十分之一到十分之一。翅片的长度L例如约为5到100mm，并且是例如根据管的内径D和沿每圈螺旋线分隔开的翅片的数量确定的。
图7是垂直于管轴线的平面中的螺旋翅片的截面图，并且示出了这样一个实施例，其中四个翅片被布置在一圈螺旋线上。假设一翅片具有圆弧长度(如在平面上投影)w，并且在一圈螺旋线上的翅片数量为n。因此翅片的总圆弧长度TW为TW＝w×n。
顺便提及的是，翅片的总圆弧长度TW与管内表面的圆周长度C(C＝πD)的比，即，R(R＝TW/C)最好约为0.3到0.8，以便于确保最小化压力损失，同时允许螺旋翅片促进对于管内流体的热传导。如果该数值太小的话，促进热传导的效果将被降低，而如果该数值过大的话，将导致过度的压力损失。
通过诸如等离子体粉末焊接(PTA焊接)的堆焊方法可将螺旋翅片有效地形成为珠。图8示出了焊接操作的一个示例。
管50由旋转驱动设备(未示出)水平地支撑并且可围绕其轴线x旋转。焊炬51被固定于支撑臂52，所述支撑臂52被控制得平行于管轴线并且可沿管的轴向向前或向后移动。
通过导管53将粉末(用于堆焊的材料)供应到焊炬51，所述粉末在管内表面上形成珠。通过管50的旋转和焊炬51的水平移动(沿管轴线的方向)间歇地执行等离子体焊接，以便于形成包括通过堆焊形成的珠的螺旋翅片。
在两个焊炬51如所示的那样被安装的情况下，沿两个螺旋轨迹形成翅片。
可通过改变管50的旋转速度、所安装的焊炬51的数量、其水平移动的速度、间歇施加等离子弧的周期等适当调节所要形成的翅片的数量、倾斜角θ、间距p、翅片区域ZA的数量和宽度(图6中的投影图像的圆弧长度)等。
螺旋翅片被布置在从管的入口端到其出口端的管路的整个长度上，或者布置在管路的适当部分处，例如，被布置在管路入口端附近的区域、其中间区域以及其出口端附近的区域的至少一个中。
用于形成螺旋翅片的材料是与管相同类型的耐热合金，诸如25Cr-Ni(SCH22)、25Cr-35Ni(SCH24)或耐热镍铬铁合金(商标)。另外，可适用于在所述管可应用于其中的环境中使用的其他耐热合金也是适用的。
下面将参照具体示例进一步描述本发明。
示例1制备测试管T1到T5并且检查膜传热系数h(W/m2/K)和压力损失dP(Pa)。
T1是本发明所涉及的测试管，而T2到T5是比较示例的测试管。表1示出了关于这些测试管的细节。
表1
(注)*圆弧长度比R＝(沿每圈螺旋线的翅片在垂直于管轴线平面上投影的圆弧长度的总和)/(管内表面的圆周长度)；**将T4的圆弧长度比确定为(翅片厚度的总和)/(管内表面的圆周长度)。
试验条件如下所述测试流体空气流体温度(入口端)室温雷诺数20000-60000压力损失测量部分1000mm。
图9(膜传热系数h)和图10(压力损失dP)中示出了测量结果。每个测量结果都是相对于测试管T5在20000雷诺数下其数值取作1.0(参考值)示出的。
图9和图10示出了本发明的测试管T1在传热特性方面可与具有连续螺旋翅片的测试管T2和具有离散螺旋翅片的测试管T3相当，而在压力损失方面可与测试管T4相当。
然而，如稍后所述的，测试管T2和T3在压力损失方面大于测试管T1，并且导致较低产量。
另一方面，测试管T4在传热特性方面劣于测试管T1，因此除较低产量以外还具有可能结焦的问题。
测试管T5是不具有翅片的光滑表面管，因此在压力损失方面优于本发明的测试管T1，但是在传热特性方面很差并且还具有与测试管T4类似的产量和结焦的问题。
相反，本发明的测试管T1适合于确保最小化压力损失，同时保持期望的传热特性。
示例2接下来，使用图11中所示的W形蛇管并且模拟用于生产乙烯的反应器所使用的条件执行热流体分析，以便于确定所述蛇管内流体的压力损失和乙烯及丙烯的产量。
图11中所示的蛇管包括这样的管(直管部分)，所述管的内径为63.5mm、壁厚度为6.4mm、长度为9.6mm，并且所述管分别提供了沿所述顺序从上游侧到下游侧布置的第一通路、第二通路、第三通路和第四通路。表2示出了测试管T6到T9的结构。
测试管T6是本发明所涉及的测试管，而测试管T7到T9是比较示例的测试管。至于翅片在管(直管部分)上的布置，测试管T6与图1中所示的相同，T7如图13中所示的，T8如图12中所示的。T9是没有翅片的示例。
表2
(注)*翅片A图1的布置中的离散螺旋翅片(4个翅片/每圈螺旋线)，倾斜角为60度，翅片高度为3.5mm、间距为115.2mm。
**翅片B图13的布置中的离散螺旋翅片，倾斜角为60度，翅片高度为3.5mm、间距为115.2mm。
***翅片C如图12所示延伸的连续螺旋翅片，倾斜角为60度，翅片高度为3.5mm、间距为115.2mm。
分析条件为1.98kg/cm2的蛇管出口处的流体压力(绝对压力)、600℃的蛇管入口温度以及830℃的蛇管出口温度。石脑油在840kg/h的流速下流过一个蛇管、蒸气在420kg/h的流速下流过一个蛇管。
表3示出了蛇管的第一到第四通路的温度。
表4示出了分析的结果，即，蛇管入口和出口处的压力和温度、压力损失和乙烯及丙烯产量。
表3
表4
(注)*绝对压力表3示出了T6在管温度方面与T7和T8可相当，并且比T9低大约20℃。这意味着T6到T8在传热效率方面可相当并且可在较低温度下操作。
表4示出了T6在压力损失方面小于T7和T8并且在乙烯及丙烯产量方面出色。尽管压力损失较小，但是T9在传热效率方面较差，因此乙烯及丙烯产量较低。
工业应用性形成在本发明裂化管内表面上的螺旋翅片的布置使得所述管将所述管内的流体的压力损失最小化，同时由于所述翅片的搅拌作用使得管保持高传热特性。因此所述管实现了改进的乙烯及丙烯产量、减少所述管的除焦工作，具有延长的使用寿命，因此可用作用于生产乙烯等的热裂化炉的裂化管。
权利要求
1.一种裂化管，所述裂化管具有形成在其内表面上并且相对于管的轴线倾斜的用于搅拌管内部流体的翅片，所述裂化管的特征在于，所述翅片被离散地布置在一个或多个螺旋轨迹上，所述管内表面具有这样的区域，其中在从管的一个轴向端到其另一个轴向端的管的整个轴向长度上不存在翅片。
2.根据权利要求1所述的裂化管，其特征在于，所述翅片具有15到85度的倾斜角。
3.根据权利要求1或2所述的裂化管，其特征在于，假定翅片的圆弧长度的总和为TW(TW＝w×n，其中w是翅片在垂直于管轴线的平面上投影的圆弧长度，n为一圈螺旋线上的翅片的数量)，以及假定管内表面的圆周长度为C(C＝πD，其中D为管的内径)，两者之比TW/C为0.3到0.8。
4.根据权利要求1所述的裂化管，其特征在于，所述翅片为通过堆焊形成的焊珠。
全文摘要
用在用于产生乙烯等的热裂化炉中的一种裂化管(50)，具有形成在其内表面上并且相对于管的轴线倾斜的用于搅拌管内部流体的翅片(1)。所述翅片被离散地布置在一个或多个螺旋轨迹上，并且所述管内表面具有这样的区域(Z
文档编号F27D27/00GK1711340SQ200380103179
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月12日 优先权日2002年11月15日
发明者乾正弘, 滨田薰, 大坪宪司 申请人:株式会社久保田