一种乙烯裂解炉用热交换管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于裂解炉领域，涉及一种乙烯裂解炉用热交换管，能有效强化传热、抑制管壁结焦，提高烯烃收率，提高乙烯裂解炉能效。
【背景技术】
[0002]乙烯工业是石油化学工业的龙头和核心，各国普遍将其视为国家产业链布局的重要环节。管式裂解炉是用于烃类裂解制乙烯及其联产品的一种重要的生产设备，目前世界乙烯产量的99%均由管式裂解炉生产。裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%_60%。改善裂解选择性、提高乙烯收率是决定乙烯装置能效的根本因素。
[0003]高温、短停留时间和低烃分压有利于目的产物的生成。然而，炉管长期在高温裂解条件下工作，极易发生渗碳、局部过热、材质劣化、高温蠕变及热疲劳等失效破坏，给石化行业烯烃装置的长周期安全运行带来了极大隐患。裂解炉管接受的热量来自于炉膛内火焰和烟道气的辐射、对流以及反射墙和辐射墙的二次辐射。由于炉管近壁区存在流动边界层，速度较低，温度梯度较大，对管内的传热影响明显。这一温度差异又易造成高温管壁处的过度裂解、结焦，而管中心低温处物料的裂解不足，影响烯烃收率。因此，进一步强化乙烯裂解炉管的传热性能，减小温度梯度，使管内的裂解原料在较短的时间内达到反应所需的温度，是提高裂解效率、降低裂解炉能耗的一项重要手段。
[0004]本领域的技术人员已研制了不同结构的乙烯裂解炉管。例如，中国发明专利CN99118875.6公开的一种包括内置扭曲片的热交换管。这类炉管主要通过增加传热面积改善传热效果。虽然进一步改善了裂解反应，但是由于物料通道位于炉管中央，裂解物料流经扭曲片后产生整体涡流，导致压力降增加，对裂解反应有所影响，且容易堵塞。此外，由于裂解物料在裂解炉管内的流速快、冲击力大，因此扭曲片承受着振动激励、容易遭受磨损、脱落。另一类裂解炉管，例如中国实用新型专利CN201420770154.4所公开的8字形截面的1-1-1型辐射炉管以及中国发明专利CN201420771203.6所公开的椭圆形截面的辐射炉管。这类方法需要对整根炉管进行加工，制造成本较高。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明在热交换管内加装中国发明专利号CN200610152587.3所公开的中空立交盘静态混合元件，仅在炉管近壁区诱导流体流动。通过增加流动边界层的湍动程度，迫使流体从初始的柱塞流动状态改变为旋转运动，破坏流动边界层的发展。
[0006]本发明使用的中空立交盘静态混合器，由多个圆弧状曲面交替连接，可在近壁区产生径向流动，减小壁面处速度和温度梯度之间的夹角，促进传热，减小近壁面的温度梯度。
[0007]本发明内装的中空立交盘静态混合器壁面各处都是光滑过渡的曲面，没有使物料可能产生死区的部位。因此，结焦倾向减小，换热效果好。
[0008]本发明涉及的热交换管，将中空立交盘静态混合器沿轴向安装在结焦严重的高温管段;该热交换管与乙烯裂解炉管集成一体。
[0009]特别是，所述中空立交盘静态混合器的厚度为乙烯裂解炉管直径的1/20?1/15;所述中空立交盘静态混合器的轴向长度与乙烯裂解炉管的内径比值在2?3之间。
[0010]特别是，所述中空立交盘静态混合器与热交换管管壁之间呈圆角过渡。
[0011]特别是，所述的中空立交盘静态混合器沿轴向安装2个以上，相邻静态混合器的间距控制在10mm以上。
[0012]本发明所述的热交换管仅对近壁区的流体产生诱导作用，利用涡流的旋转、剪切作用破坏壁面边界层，提高其湍动程度。因此不会导致整体裂解物料流速的降低，也不会造成近壁区与中心区物料流速的差别。
[0013]本发明所述的热交换管中，壁面局部所诱导的涡流随流动的进行发生卷吸、聚并，在下游逐渐形成大尺度涡流，促进近壁面流体和主流体的换位流动与混合，进一步改善下游温度分布，提高裂解深度，增加烯烃收率。
[0014]本发明所述的热交换管，换热效果的改善使热交换管的内壁温度下降，结焦倾向减小，这将进一步改善换热效果。
[0015]本发明内装的中空立交盘静态混合器所占空间有限，且壁面附近流体速度较慢，对内构件内部的圆弧状曲面冲刷撞击力度低，因此这种结构不容易损坏，使用性能稳定可靠，工作寿命长。
[0016]【附图说明】。
[0017]附图1是内装中空立交盘的热交换管示意图。
[0018]附图2是中国发明专利号CN200610152587.3公开的如权利要求1所述的中空立交盘静态混合器，图中中空立交盘有6段波纹组成;箭头表示物料流向。
[0019]附图3示出了管式裂解炉炉管中各节热交换管的一个布局实施的示意图。
[0020]附图4是蒸汽裂解制乙烯实施例流程图。
[0021]附图5是采用计算流体力学数值模拟获得的努塞尔数Nu随Re的变化趋势，比较了加装中空立交盘的新型热交换炉管与光滑炉管的传热性能。
【具体实施方式】
[0022]本发明采用实验方法和计算流体力学数值模拟进行下列具体实施例，并结合附图对本说明做进一步的详细说明。本领域的技术人员可以理解，所指出的实施例仅仅是为了方便对本发明进行说明，本发明并不仅仅局限于下列各实施例。在本发明思想的指引下，本领域的技术人员可对本发明进行各种结构调整、补充及替换。然而，这不会超出本发明的精神和范围。
[0023]实施例1:蒸汽裂解实验
采用小型管式裂解炉进行石脑油蒸汽裂解实验，裂解炉管出口段内置3段如权利要求1所述的热交换管，相邻间距为150mm，实验用裂解管直径54mm。原料油进料速度4ml/min，水4ml/min。原料油与水在预热室进一步加热后达到600°C左右，进入辐射段炉管(800°C-860°C)发生裂解反应，生成乙烯及其联产品。为减少副反应造成的产品损失，裂解气体产物在急冷器中迅速冷却，并通过气液分离器进行分离。气相产物利用气相色谱分析组成，液相产物通过液液萃取得到未反应的油相的质量(实验流程如图4所示)。实验结果表明，与光滑炉管相比，加入权利要求1所述的裂解炉管，在裂解室设定为820°C时，乙烯和丙烯的总收率提高2.67%。
[0024]实例2:乙烯裂解强化炉管与光滑炉管流体力学数值模拟结果比较
裂解炉管尺寸为:内径10mm，总长度21.75m。操作条件为:进口温度873K，管壁温度为1108K。以不可压缩空气为流动介质，流动雷诺数控制在2.5 X 13?3.0 X 104。计算比较乙烯裂解强化炉管与光滑炉管的传热效果。强化传热效果如图5所示。可见在相同操作条件下，相比与光滑炉管，加装新型热交换管的裂解炉管Nu最大可提高14.73%左右，体现了其强化传热性能。
[0025]以丙烷为进口原料，总流量为:4.80kg/s，其中水蒸气稀释比0.4;进口温度873k;出口压力202.65KPa，管壁温度1108k。计算结果表明相比于光滑炉管，新型热交换管显著改变了出口产物分布，丙烷转化率提高5.48%，烯烃选择性提高0.113%;中空立交盘对管内流场的重新分布使得乙烯的收率降低0.16%，但丙烯收率大幅上升3.78%，烯烃总收率上升
0.13%o
[0026]用结焦前驱体C2H2和重组分产物浓度来量化衡量结焦严重程度。在相同操作条件下，与光滑炉管相比，加装如权利要求1所述的热交换管的裂解炉管出口处C2H2的浓度降了
0.41%，重组分浓度下降了0.23%。表明了新型炉管对于裂解过程抑制结焦的显著作用。
【主权项】
1.一种热交换管，其特征在于内装数个中国发明专利号CN200610152587.3所述中空立交盘静态混合器。2.根据权利要求1所述的热交换管，其特征在于可用于列管式乙烯裂解炉炉管的强化传热。3.根据权利要求1所述的热交换管，其特征在于安装在结焦严重的高温管段，并且相邻中空立交盘静态混合器间距控制在10mm以上；一根裂解炉管上中空立交盘静态混合器的安装数量不宜过多。4.根据权利要求1所述的热交换管，各中空立交盘静态混合器安装时不旋转任何角度，即任何后续静态混合器通过平移一定距离均可与第一个静态混合器完全重合(经过变径位置处除外)。
【专利摘要】本发明涉及一种用于乙烯裂解炉的热交换管，管内安装中国专利号CN200610152587.3所公开的中空立交盘静态混合器。结合裂解过程，在裂解炉管内按一定规律布置数个中空立交盘静态混合器，流体经过中空立交盘后，受扰动在近壁区产生涡流及横向运动，破坏了流体边界层的流动状态，减薄了边界层厚度，强化了近壁区与中心区域的物质与热量交换，达到强化传热和抑制结焦的目的，从而延长乙烯裂解炉装置的操作周期。
【IPC分类】F28F13/06, F28F1/00, C10G9/20
【公开号】CN105509530
【申请号】CN201610033666
【发明人】宗原, 赵玲, 柏德鸿, 刘兆彦
【申请人】华东理工大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年1月19日