专利名称：：一种基于场协同效应的裂解炉管的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于乙烯裂解炉或其它管式裂解炉辐射段的炉管，尤其涉及一种能够改善管内物料的流动状态，强化传热、传质效果，并能够促进裂解反应，提高目标产品收率，减少结焦产生的裂解炉管。
背景技术：
：管式裂解法是目前乙烯生产的主要方法。采用管式裂解炉生产的乙烯约占世界乙烯总产量的99%以上。一般认为，对乙烯裂解反应而言，较高的温度、较短的停留时间、较低的烃分压有利于目标产物(乙烯、丙烯)的生成和抑制副反应的发生。由于，原料裂解所需的热量通过管壁传递给裂解物料，裂解温度显然受到辐射管管壁温度的制约，而管壁温度又受到金属材料耐热性能的限制。近年来，由于乙烯生产企业和冶金技术研究单位的努力，乙烯裂解炉管耐受温度已提高到1150°C左右，但继续提高十分困难。由于物料流动过程中，物料主体以湍流方式流动，温度相对均勻，而贴近管壁处存在一个以层流方式流动滞流薄层，层流中热量主要以热传导方式通过，管内传热阻力绝大部分集中在滞流薄层中，研究表明，在光滑圆管中，管壁处温度与流体主体温度相差200300°C，导致的后果是贴近管壁处温度高，流速慢，裂解反应速度快，但同时也容易发生结焦；而主体部分温度较低，裂解反应较慢，造成目标产物收率低。为了解决上述问题，众多乙烯生产企业和科研机构对乙烯裂解炉管结构进行了改进，主要从两方面入手一是增大炉管的传热面积如Kellogg公司开发的单管程小直径管；日本三菱公司开发的椭圆管；Lummus公司的8翅内螺旋梅花管；Exxon公司的直型梅花管。二是采用扰流措施，破坏贴近管壁的滞流层，减少传热阻力。如LG化学株式会社、中国北京化工研究院开发的内置扭曲片的乙烯裂解炉管。其最终目的是强化传热，使管内物料温度趋于均勻。通过增大管内传热面积的方法虽然减小了管内的径向温差，但由于传热面同时也是结焦位置，流通截面的缩小和造成了对结焦更为敏感，因而清焦周期缩短，不利于裂解炉的运行。通过在管内增加扰流子的方法，提高了管内物料的湍流程度和对管壁的冲刷，在一定程度上缩小了管内的径向温差，有利于减弱结焦的生成，但管内扰流子占据了管内的有效容积，且管内流动阻力显著增大。
发明内容本发明的目的在于提供一种用于乙烯裂解炉辐射段的炉管，该炉管不仅能够改善管内的传热效果，更为重要的是，通过改善物料流动状态，使管内物料中反应物和产物按照符合热负荷需要的方式进行分布，从而提高目标产物收率、减少结焦、降低管壁温度，提高炉管寿命。本发明的技术原理在于乙烯裂解原料在管内流动过程中，贴近管壁处形成一个滞流薄层，在这个滞流薄层中，热量只能通过热传导方式传递，因而需要很大的温差推动力，管内的热阻主要集中在这个滞流薄层中，乙烯在裂解过程中，大分子的反应物被分解成小分子的产物，从而在局部形成密度不同的流体微团，在螺旋导流槽的作用下，物料流动形成螺旋形的二次流，螺旋流动首先在管壁附近产生，进而由于气体之间的作用带动整个流道的气体呈螺旋流动。由于二次流产生的离心作用，反应物浓度较高、密度较大的流体微团向管壁方向运动，而产物浓度较高、密度较小的流体微团向管子中心方向运动，形成了具有一定浓度梯度的浓度场。由于反应所需的热量是由管壁向管内传递的，因而靠近管壁处温度较高，有利于反应的进行，而远离管壁处温度较低，不利于反应进行，因此，螺旋形二次流的产生促进了乙烯裂解反应的进行，即形成了流场、浓度场与温度场的场协同效应。同时，导流槽的凸起对贴近管壁流动的滞流层起到扰流、破坏作用，因此减少了传热阻力，使管内流体的温度更接近于管壁温度。本发明是通过以下技术方案实现的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，一根管壁上均勻分布有一条或多条向内凸起的导流槽1的裂解炉管2，导流槽1沿炉管轴向呈螺旋形分布，裂解炉管2沿物料流动方向，依次为引导段Ll和稳定段L2，引导段Ll长度为管内径的550倍，在引导段Li，螺旋角α(螺旋导流槽与炉管轴线的夹角)是逐渐、连续增大的，其变化范围在060度之间，进入稳定段后，螺旋角α是恒定的，并与引导段末端的螺旋角角度相同。上述技术方案中，导流槽1的条数优选为116条。上述技术方案中，导流槽1的螺旋方向可以是向左旋转的，也可以是向右旋转的，位于同一径向截面的导流槽1的螺旋角度是相同的。上述技术方案中，导流槽截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，其弧长不超过圆或椭圆的二分之一。导流槽1管内壁凸起的高度不超过管内径的1/6。上述技术方案中，管内壁导流槽1与管壁相连部位是光滑过渡的。上述技术方案中，所述的裂解炉管采用耐高温合金材料分段铸造而成。设置导流槽的目的在于其一，在管壁上形成螺旋形流道，当裂解原料气通过时，在导流槽的作用下，产生漩涡状的二次流，在二次流的离心作用下，密度较大的反应物微团向管壁聚集，密度较小的产物微团则被迫向管中心运动，形成了有利于乙烯裂解反应的浓度分布，当贴近管壁的反应物在高温下裂解成轻组分的产物时，又被密度较大的反应物微团排挤到管子中心，如此周而复始，促进乙烯裂解反应的进行。其二，导流槽向内突起，使沿管壁流动的滞流薄层被破坏，减小了传热阻力和结焦的生成。导流槽螺旋角度逐渐增大的目的在于使物料的二次流动具有一个逐渐加强的过程。在物料刚进入裂解炉管时，由于物料浓度处处一致，不需要产生强烈的二次流，而裂解反应开始后，才形成浓度差，因此需要二次流逐渐增强。另外，在物料进入阶段，较大的螺旋角会产生较强的扰流作用，破坏二次流的形成，因此，在开始阶段需要较小的螺旋角。导流槽的数目(条数)可以是一个，也可以是多个。原则上，较多的导流槽具有较好的产生二次流的效果，但导流槽数太多，则导流槽高度太小，效果反而降低，因此，导流槽的最合适的数目在116个。为了避免出现物料流动死角，管内壁导流槽与管壁相连部位是光滑过渡的。有益效果本发明的优势及进步在于①通过导流槽的导流作用，形成径向的二次流，促进裂解组分的分布向有利于裂解反应进一步进行的方向进行，因而有利于提高目标产物的收率。②由于破坏了管内滞流层，减小了传热阻力，因此有利于降低管壁温度，进而可降低温差推动力，即可降低炉膛温度，减少燃料消耗。③由于管壁温度的降低，减少了结焦的生成，因而有利于延长清焦周期，而且由于滞流层的破坏，结焦即使发生，焦层也比较疏松，更容易除去。④由于管壁温度的降低，可延长炉管的使用寿命或降低对炉管材质的要求。图1为本发明的具有4个导流槽的炉管的正面视图。其中，1-导流槽，2-裂解炉管，Ll-导流段，L2稳定段，α-螺旋角，F-管内物料流动方向。图2为本发明的4个导流槽的炉管的径向剖面图。其中，1-导流槽，2-裂解炉管。图3为本发明的具有1个导流槽的炉管的正面视图。其中，1-导流槽，2-裂解炉管，Ll-导流段，L2稳定段，α-螺旋角，F-管内物料流动方向。图4为具有1个导流槽的炉管的径向剖面图。其中，1-导流槽，2-裂解炉管。具体实施例方式下面结合本发明的具体结构图1为本发明涉及的具有4个导流槽的乙烯裂解炉管的正面视图，通过图1可直观地了解本发明专利的结构。本发明涉及的乙烯裂解炉管可单独安装于乙烯裂解炉中，也可与光滑炉管组合安装于乙烯裂解炉中。本发明涉及的炉管结构分为引导段Ll和稳定段L2，引导段螺旋角α(螺旋导流槽与管子轴线的夹角)是逐渐、连续增大的，其变化范围在060度之间，当增大到某一角度时进入稳定段，在管子稳定段L2，螺旋导流槽与轴线的夹角是恒定的。图2为本发明的径向剖面图，管壁结构包括导流槽1和管壁2，导流槽数可以是一个，也可以是多个，数目为116个，沿管壁圆周均勻分布。导流槽截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，其弧长不超过圆或椭圆的二分之一；导流槽管内壁凸起的高度不超过管内径的六分之一；管壁曲面转折处进行圆角处理，使管内壁处处都是平滑的。如图1所示，F表示管内物料流动方向。物料由上部进入炉管的引导段Li，在引导段中，开始发生裂解反应，并在导流槽1作用下，逐渐产生螺旋形二次流，由于导流槽螺旋角逐渐增大，因此产生的螺旋二次流越来越强烈，在螺旋二次流的离心作用下，物料中的重组分(主要是裂解原料组分)向管壁运动，当贴近管壁的反应物在高温下裂解成轻组分的产物时，又被密度较大的反应物微团排挤到管子中心，轻组分(主要是裂解产物)则向管中心运动，如此周而复始形成了有利于裂解反应进行的浓度分布，促进乙烯裂解反应的进行。在稳定段，如果导流槽螺旋角继续增大，则扰流作用太强，干扰二次流的生成，因此，螺旋角增大到一定角度后进入稳定段L2，螺旋角α不再变化。实施例根据本发明的技术原理，进行了乙烯裂解实验测试，并与光滑圆管在同一裂解炉中和相同的操作条件下进行对比测试，实验测定了出口温度、乙烯收率和管内压降。操作条件见表1，测试结果见表2，表3。表1测试操作条件<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2测试结果1(运行初期)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3测试结果2(运行25天)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表2可见，在测试运行初期，由于本发明炉管的场协同效应和强化传热效果，管内外温差大幅度降低，在相同的炉膛温度下，管表面温度较光滑圆管低25°C，而管内物料出口温度高43°C，即管内外温差降低68°C，乙烯收率由30.5%提高到33.6%，相对提高10%。即，在相近管表面温度下，乙烯收率高，而且出口温度低，传热效果好(见表2第一栏与第三栏数据对比)。在表2中，为了将管内物料在相同的温度条件下进行比较，将炉膛温度适当降低，使本发明炉管管内物料出口温度与光滑圆管管内物料出口温度接近。此时本发明炉管中乙烯收率仍高于光滑圆管。这表明，在场协同效应的作用下，由于管内的反应物浓度和温度分布适应了裂解反应的需要，因而有助于提高乙烯收率。在运行初期，本发明炉管管内流动阻力较光滑圆管增大约35%。(见表2第二栏与第三栏数据对比)。通常，结焦状况由管表面温度、管内物料温度和管内流动阻力来评价。由表3可见，运行25天后，由于结焦的影响，光滑圆管表面温度明显上升，管内物料出口温度下降，乙烯收率下降。与光滑圆管相比，本发明炉管结焦状况明显改善，乙烯收率由26.2%提高到30.2%，相对提高15%。并且由于结焦程度大幅降低，阻力较光滑圆管为低。由运行测试可见，本发明炉管在改善管内物料流动状况，强化传热，提高乙烯收率，减少结焦方面都有明显作用，乙烯收率有10%15%的提高。虽然管内流动阻力较光滑圆管为大，但由于减少结焦的作用，在运行后期反而低于光滑圆管的阻力，因此在流动阻力上并不居于劣势。权利要求一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，一根管壁上均匀分布有一条或多条向内凸起的导流槽1的裂解炉管2，导流槽1沿炉管轴向呈螺旋形分布，裂解炉管2沿物料流动方向，依次为引导段L1和稳定段L2，引导段L1长度为管内径的5～50倍，在引导段L1上，螺旋角α是逐渐增大的，螺旋角α的角度变化范围在0～60度之间，进入稳定段后，螺旋角α是恒定的，并与引导段末端的螺旋角角度相同。2.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽1的数目少于或等于16条。3.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，位于同一径向截面的导流槽1的螺旋角度是相同的。4.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽1截面形状为向内凸起的圆弧状或椭圆弧状，弧长不超过圆或椭圆的二分之一。5.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，导流槽1管内壁凸起的高度不超过管内径的1/6。6.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，管内壁导流槽1与管壁相连部位为光滑过渡相连。7.如权利要求1所述的一种基于场协同效应的裂解炉管，其特征在于，所述的裂解炉管采用耐高温合金材料分段铸造而成。全文摘要本发明涉及一种用于乙烯裂解炉辐射段的炉管，其特征在于，炉管管壁上均匀分布有数个向内凸起的、沿轴向呈螺旋形的圆弧形导流槽，炉管在物料流动方向上依次为引导段和稳定段，引导段的螺旋角度是逐渐增大的，其角度变化范围在0～60度，引导段长度为炉管内径的5～50倍，当达到一定角度时进入稳定段，稳定段的导流槽螺旋角度是恒定的，并与引导段末端的螺旋角度相同。导流槽向内凸起的高度不超过管内径的1/6。通过分布于管壁的螺旋形导流槽使物料在管内产生径向二次流，在二次流作用下，形成有利于裂解反应进行的浓度、密度梯度，以达到降低管壁温度、提高乙烯收率、减少结焦的目的。文档编号C10G9/20GK101824333SQ20101016960公开日2010年9月8日申请日期2010年5月7日优先权日2010年5月7日发明者于洋,张慧,曾力丁,朱冬生,涂善东申请人:华东理工大学