管道系统的制作方法

专利名称：管道系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及管道系统(piping)，且更具体而言涉及用于裂化炉的管道系 统。所述管道系统可具有特定的几何结构。本发明还延伸至具有这种特定 几何结构的管道系统的各种其它的用途。
背景技术：
裂化炉(cracking furnace)具体地在乙烯的生产中使用。在乙烯的蒸汽裂 化过程(steam cracking process)中，将烃原料用蒸汽稀释，然后通过将其经过 炉中的管子(通常称为"炉盘管(furnace coil)")而迅速地加热至高温。高温 使得烃原料分解。然后，使输出的蒸汽骤冷以防止产物的再结合，所述输 出的蒸汽含有来自热解管(pyrolysis tube)中热解反应的烃的广泛混合物再加 上原料的未反应组分。然后可将经冷却的蒸汽通过一 系列的蒸馏和其它分 离操作进行处理，其中分离了裂化操作的各种产物。
已知的裂化炉有许多问题。由于流经炉中管子的原料和蒸汽的停留时 间非常短(几十秒)，炉子和管子必须保持在非常高的温度下以便实现必需的 快速加热以实现热解。因此，需要大量的燃料以加热炉子。
此外，炉子中的管子的非常高的温度导致焦碳沉积在管子内侧上。这 种焦化特别不受欢迎，因为管子内侧上的焦炭层的存在减少了从炉子到原 料的传热，并因此影响产率。这还增加热解管中的压降，虽然通常认为该 因素不如对传热的影响显著。
如果焦炭沉积足够严重，通常必需使炉子周期性地停止使用(通常每 20~60天)以允许对管子除焦(例如通过蒸汽清洗)。由于各个炉子占据了非 常大的资本投资，因而期望将这种停工期保持为最小。

发明内容
根据本发明，提供了一种裂化炉，其具有至少一个穿过该炉子的热解 管，其中所述热解管形成为使得其具有至少一部分(portion)，该部分的中心线在三维上弯曲。
已经发现，当流体流过中心线在三维上弯曲的管道部分时，其沿着管
道"打漩(swirl)"(即，其运动的分量环绕管道的中心线)。该"旋流(swirl flow)" 与常规流动相比具有许多优点。
利用旋流，改进了管道的横截面上的混合。另外，由于这种混合，跨 越管道的流动的速度分布与常规管道中的流动相比更加均匀(或者更钝)，并 且旋流流体往往起到冲刷管道壁的柱塞作用。此外，与直的管道相比，靠 近管道壁的流动速度增加，使得边界层厚度降低，这在本质上改善了从管 壁至管道内流体的传热。
当应用于炉中的热解管时，改进的混合特别地合适，因为其在流动的 中心部分(core)内的流体中以及在管壁处的流体和中心部分内的流体之间提 供了显著的质量、动量和热量传递。因此，改进了从热解管壁到其中流动 的原料的传热。这种改进的传热能够实现最终产品的更高产率，或者能够 用较少的炉燃料消耗来实现相同的产率。在经常的情形，即传热为炉子的 产能限制因素的情况中，这种改进的传热还有效地增加炉子的产能。
此外，旋流可减少焦化。上述改进的传热允许用较低的热解管壁温度 进行热解反应，而这种降低的温度将导致减少的焦化。此外，壁附近较高 的流动速度减少了任何焦炭沉积的机会(因为焦炭更可能被旋流冲走)，并且 还往往除去任何已沉积在管壁上的焦炭。由于焦炭沉积的减少将增加炉子 需要除焦之前可以使用的时长，从而增加炉子的生产率，因此旋流在热解 管中的用处是极其显著的。
优选地，热解管的内表面为基本上光滑的，且可例如用低摩擦涂层涂 覆，这种涂层是已知的。优选避免表面凹凸如膛线(rifling)，因为这会导致 润湿周长长度的增加并因此倾向于增加流阻。已知常规热解管(直的或者仅 在二维上弯曲的)具有膛线并且这可促进靠近管子内表面的旋流。然而，这 是相对局部的近壁效应，其使得中心部分处的流动交叉混合在中心部分即 便有也是非常少的。因此，未获得本发明的改进的传热优点。在直的或者 二维弯曲的有膛线的管子中，中心线相应地为直的或者沿着二维曲线。
在优选的形式中，热解管形成为使得其具有至少一部分，该部分的中 心线形成为多圈螺旋。如果管子的中心线形成为多圈螺旋(其在三维上弯 曲)，则旋流将沿着管子持续，并且将持续获得优点。旋流在中心线在三维上弯曲的管区域(section)中迅速地建立。上述旋流 的优点可在某些情况下通过中心线在短距离上在三维上弯曲的热解管部分 而实现。然而，如果管子然后回复为具有直的中心线的普通区域，则旋流 将逐渐消失并为普通的流动所替代。因此，优选地，大部分热解管在其穿 过炉子时具有在三维上弯曲的中心线。例如，炉内超过50%，优选地超过 75% ，更优选超过90%程度的管子可具有三维弯曲的中心线。
热解管部分可形成为使得其螺旋角度恒定，并且从筒化热解管制造的 观点来看，这可能是期望的。
然而，曲率还可以沿着热解管部分的长度变化。例如，该管部分可具 有多个部分，各部分具有不同的螺旋曲率。变化的曲率可能是期望的，因 为其能使得流动状态沿着管子改变。例如，可能期望进入到炉子中的管子 中的流动状态(其中原料较冷并且尚未裂化)不同于管子从炉子出来时的流 动状态(其中原料已裂化并且较热)。使用不同的曲率将允许流动状态改变。
变化的曲率还允许热解管部分在宽的流动状态范围内良好运行。流动 状态可例如基于原料的类型，随着具有不同密度、粘度等的不同类型而改 变。对于流动状态的特定集合，可优化该管部分的特性以实现最佳的可能 结果；然而，如果流动状态不符合该特定集合，则该管部分可次优地运行。 相反，如果曲率沿着该管部分的长度变化，则可能其一些区域将在给定的 流动状态集合下运行良好(即使其它区域运行地不太好)，而这将允许该管部 分在更大的流动状态范围内使用。热解管仅部分具有弯曲的中心线也是可 以的；例如，"U，，形热解管可具有一个直管和一个中心线在三维上弯曲的 管，并且这两个管通过二维弯头(bend)连接。
考虑到该管部分的中心线为螺旋线，如果螺旋角和螺旋幅度(helix amplitude)恒定则曲率恒定。另一方面，如果要改变曲率，则这可通过螺旋 角的变化和/或螺旋幅度的变化而实现。
当然，除了曲率之外，该管部分的其它特征也可沿其长度而变化。这 些特征包括该管部分的横截面积和其横截面形状，所述横截面积可为恒定 的或者可为变化的。
在本说明书中，螺旋的幅度指从平均位置(mean position)至侧向末端 (lateral extreme)的位移程度。因而，在热解管部分具有螺旋中心线的情况下， 该幅度是螺旋中心线的全部侧向宽度的 一半。螺旋的幅度较大可能是期望的。例如，该幅度可大于该管部分的内径。 然而，为了紧凑，该幅度优选地等于或者大于该管部分的内径。
在特别优选的形式中，以低幅度螺旋形成该管部分。所谓"低幅度螺 旋"指该部分形成为使得其中心线沿着基本上螺旋的路径，并且螺旋的幅 度等于或者小于该区域的内径的 一半。
以这种方式形成为低幅度螺旋的管子是特别有利的，因为其提供了旋 流的优点但是不占据比直管大很多的体积，并且因此可代替直管使用。如 果管子要用于现有的具有直管的炉子的改装，则这是特别有益的，因为直 管可简单地用低幅度螺旋管代替。
这种类型的具有低幅度螺旋几何结构的管道系统，除了裂化炉中的热 解管之外，还可用于很多应用，并且这些应用和可通过使用低幅度螺旋几 何结构而获得的优点中的若干将描述于后。


现在，将仅以实例的方式并且参照附图来描述本发明的优选的实施方
式，在附图中
图l为现有技术裂化炉的示意性横截面视图； 图2为根据本发明的第一个实施方式的裂化炉的示意性横截面视图； 图3为具有低幅度螺旋几何结构的一段长度的管道系统的视图； 图4为使用低幅度螺旋几何结构的一排热解管的视图；和
图5a和5b为使用低幅度螺旋几何结构其它布局的裂化炉的示意性横
截面视图。
具体实施例方式
在图1中，现有技术裂化炉用标记IO表示。燃烧器u布置在炉子的 底部以对其加热。热的燃烧产物通过烟道14离开炉子，并且它们可用于预 热热解反应中所使用的原料和蒸汽。
热解管在炉子的底部(如标记20所示)处进入炉子。该热解管向上延伸 通过炉子(标记22)，并且在管子的这部分中发生热解反应。管子从炉子出来 (标记24),并将热解反应的产物和任何未反应的原料带往骤冷装置。
将该管子形成为大体直的管道。管子中的弯头为简单的平面直角弯头，其中该管道的中心线仅在二维上弯曲。
实际上，会有很多的热解管通过炉子，但为清楚起见，仅示出了单个管子。
在一些现有技术布局中，在炉内热解管具有"U"形或"M"形或"W，， 形结构，并且被称为U盘管、M盘管或者W盘管。在所有的情况下，形成 "U"或"M"或"W"形状的弯头在一个平面内。
图2显示类似的炉子，其中，与图1的炉子的那些部分相对应的部分 具有相同的标记。此外，为了清楚起见，仅示出一个管子。
此处，热解管30形成有在三维上弯曲的中心线。具体而言，其形成为 纵轴从炉子的底部延伸至顶部的螺旋线。(当以侧视图显示热解管的螺旋线 时，其显现为正弦波形状。)
应理解，这是一个示意图，并且热解管可采用不同于图中所示形式的 各种形式。
由于热解管30形成有在三维上弯曲的中心线，因此热解管中的原料和 蒸汽的混合物在其沿着热解管流动时打漩。这将导致原料和蒸汽的改进的 混合，并且还将改进从热解管壁进入和穿过混合物的传热。因而，与如果 流动未打旋相比，热解管壁可处于较低的温度，这容许较低的燃烧器燃料 消耗。这种较低的壁温还将延长炉管的寿命并且允许在一些情况下使用较 便宜的合金和所要使用的管制造技术。
此外，较低的热解管壁温和增加的近壁流动速度均降4氐了沉积在热解 管壁上的焦炭的量，并且沉积的任何焦炭由于近壁的较快流动而更可能从 管壁除去。
这种焦化的减少特别地有利，因为其确保维持良好的传热特性。这还 减少了将炉子停止使用而进行除焦的需求。
在图2中，管子进入炉子之前的区域显示为直的；然而，该区域也可 形成有在三维上弯曲的中心线，并且该区域可沿着其长度为螺旋形。
图2中的热解管的螺旋区域30显示为相当类似于盘簧的形状。然而， 这使得热解管的"封套(envelope)"相对地宽，并且还显著地增加了管子的 长度(并因此增加停留时间)。
在一些情况下，这些特征可能是不期望的，并且因此优选将螺旋区域 形成为低幅度螺旋，其中管子形成为使得其中心线沿着基本上螺旋的路径，并且螺旋的幅度等于或者小于管子内径的 一半。
本文中所用的术语"螺旋的幅度"指中心线从平均位置到侧向末端的 位移程度。因而，该幅度为螺旋中心线的全部侧向宽度的一半。
在这种类型的低幅度螺旋区域中，其中螺旋的幅度小于管子内径的一
半，沿着管子的内腔有"瞄准线(line of sight)"。虽然在瞄准线处的流动可大 致沿着直的路径，但已经发现其通常具有旋流分量。
螺旋区域的"相对幅度"定义为幅度除以内径。由于螺旋管的幅度小 于或者等于管子内径的一半，因此这意味着相对幅度小于或者等于0.5。可 优选小于或者等于0.45、 0.40、 0.35、 0.30、 0.25、 0.20、 0.15、 0.1或者0.05 的相对幅度。较小的相对幅度提供了对可用侧向空间的更好使用，因为管 子总的来说不比具有相同截面积的普通直管宽太多。较小的相对幅度还导 致较宽的"瞄准线"，为沿着管子插入压力计或者其它设备提供了更多空间 (这在清洗管子时可能是有用的)。然而，非常小的相对幅度可在某些情况下 导致减少的二次运动和混合。
较高的雷诺数时，可使用较小的相对幅度同时将旋流引导至令人满意 的程度。这通常意味着，对于给定的内径，当流速高时，可使用低的相对 幅度，同时仍足以引起旋流。
螺旋角(或者螺距(pitch)，其中所述螺距为螺旋一圏的长度，并且可用 管子的内径进行限定)也是影响流动的相关因素。当用相对幅度时，可根据 条件优化螺旋角。螺旋角优选地小于或者等于65° ，更优选小于或者等于 55° 、 45。 、 35。 、 25。 、 20。 、 15。 、 10。或者5° 。
一般来说，对于较高的雷诺数，螺旋角可较小，同时实现令人满意的 旋流，当较低的雷诺数时，将需要较高的螺旋角以产生令人满意的旋流。 在低幅度螺旋情况下，对于较快的流动(具有较高的雷诺数)使用较高的螺旋 角通常将是不期望的，因为可能有靠近壁的死滞流体区。因此，对于给定 的雷诺数(或者雷诺数范围)，优选地选择尽可能低的螺旋角，以产生令人满 意的旋流。在某些实施方式中，螺旋角小于20。。
一段长度的具有低幅度螺旋几何结构的管道系统示于图3中。该管道 系统100具有圆形截面、外径De、内径D,和壁厚T。该管子盘绕成恒定幅 度A(从平均位置到侧端测量)、恒定螺距P、恒定螺旋角6和掠宽(swept width)W的螺旋。该管道系统1含于纵向延伸的假想的封套中并且具有等于螺旋的掠宽W的宽度。封套120可被认为具有也可称为螺旋旋转轴的 中心纵轴130。所图示的管道系统1具有直的轴130, ^旦是应理解中心轴可 为弯曲的，或者实际上可根据需求而采取任何形状。该管道系统具有沿着 中心纵轴130周围的螺旋路线的中心线140。
可看到，幅度A小于管子内径D！的一半。通过将幅度保持低于该尺寸， 管道系统所占据的侧向空间以及管道系统的总长可保持较小，而同时该管 道系统的螺旋结构促进了流体沿着该管道结构的旋流。这还提供了沿着该 管道系统的较宽的内腔，这允许仪器、设备等穿越该管道系统。
图4显示了一排热解管，全部形成为低幅度螺旋管。应理解，在实践 中，热解管将以这种方式形成排，以用少的停留时间得到较大的吞吐量， 同时还允许到原料的足够的传热以允许发生热解。
图4中所示的热解管为"U"形类型。各个管子具有在二维上弯曲的入 口部分40、出口部分42和"U"形弯头部分44。入口部分40具有短部分 直管46，其后为也在二维上弯曲的"U"形弯头区域48。这进入三维弯曲 部分50，该部分50在其下游末端处连^^到"U，，形弯头部分44。第二个三 维弯曲部分50将流体带往出口部分42，其具有"U"形弯头区域52和之 后的短部分直管54。 二维弯曲的"U"形弯头区域48、 52和"U"形弯头 部分44为了便于制造和安装而在二维上弯曲，并且这不是必要的。
在图1中，热解管在底部处进入炉子，并且在顶部出来。图5a和5b 为热解管30的其它布局的示意图。在各种情况下，中心线140(如图3中所 述)为螺旋形。在图5a中，热解管从炉子的顶部进入，向下延伸至底部，弯 曲折回，延伸至炉子的顶部并且出来。因而管子为大体的"U"形。在这种 情况下，图3中所述的螺旋旋转轴130为"U"形的。
在图5b中，管子30没有立即在炉子的顶部处出来，而是作了另一个 向下再向上的回路，并且在炉子的顶部出来。因而，该管子为大体的"W" 形的。在这种情况下，图3中所述的螺旋旋转轴130为"W"形的。当然， 管子的具体布局将取决于特定的需求，并且应理解，可根据特定的需求而 使用其它形状的热解管，以及其它进出炉子的位置。
低幅度螺旋几何结构的使用不限于裂化炉中的热解管。具有低幅度螺 旋几何结构的管道系统(其可具有沿着其长度变化的特性)还可在很多过程 中使用，所述过程为涉及通过管道的流体的运动或者运送、管道内流体的混合、管道内进出流体的传热和传质的过程、管道内发生沉积或者污染的 过程以及管道内发生化学反应的过程。这种应用可适用于作为单相的气体 或者液体或者作为多相混合物的任意组合的气体、液体或者固体的混合物。 这种管道系统的使用可具有显著的经济影响。
例如，旋流可提供减少的湍流并且提供相关的降低的压降，这在合适 的条件下能够降低泵送成本。
在烃通过管线的分配(distribution)中这可为显著的，包括原油气生产过 程。例如，陆上或者海上使用的石油生产提升管(riser)和流送管(flowline)可 包括至少一部分，该部分具有低幅度螺旋几何结构。低幅度螺旋几何结构 改进了提升管或者流送管中的流动动力学，因为其减少了通过流送管或者 提升管的流动湍流，并因此减少了压力损失。
流送管或者提升管可为基本上垂直的、基本上水平的、或者具有弯曲 的几何结构，包括S形或者垂曲线(catenary)形。流送管或者提升管可为刚 性或者柔性的，或者这两者的任意组合。所述流送管或者提升管可用各种 材料的任意组合构造，并且可包括加强环(strengthening ring)。
类似地，用于油、气、水或者地热井内向下钻进用途的生产管道系统 (production tubing)可使用低幅度螺旋几何结构。井的至少 一部分包含具有低 幅度螺旋几何结构的生产管道系统。好处包括流动湍流的减少和降低的压 力损失。
而且，用于输送烃的管线可使用低幅度螺旋几何结构，并且将享有如 下好处降低的流动湍流和降低的压力损失。当然，用于输送其它流体例 如饮用水、废水和污物、浆料、粉末、食品或者饮料产品、或者实际上任 何单相或者多相流体的管线也可具有低幅度螺旋几何结构并且享有相同的好处。
降低的压降特别有利的另 一领域是用于水电应用的压力水管(penstock) 和引流管(draft tube)情况。降低的压力损失带来增加的发电输出，并且在装 置的寿命期间即使小的压降降低也可为功率输出带来非常大的增加。
降低的压降对发电厂和其它工厂中的蒸汽分布也是重要的。这对于需 要将压力保持在可能的最低水平以改进产率的化学反应的进行也是重要 的，所述化学反应包括在真空下进行的过程，如通过热解生产烯烃(如上 详述的)以及从乙苯生产苯乙烯。管道内的混合在包括化学、食品、药品、水和石油工业的许多工业中 是重要的。通常重要的是，少量的活性化学品均匀地分布在大量的其它材 料中。在一些情况下，这被称为定量给料。实例为向多种材料和食品添加 抗氧化剂，以及向饮用水中添加氯或者碱。低幅度螺旋由于其提供本质上 良好的混合，因而可降低为确保足够浓度以实现期望目的所需的活性化学 品的量，并且可确保添加剂局部上没有不可接受的高(或者低)浓度。
当需要将两个或者多个大的流体流集合在一起并且确保它们不再分离 时，混合也是重要的。此外，当将流体维持作为稳定的混合相(以防止不需 要的相分离)有利时，混合也是重要的。这在其中气体的分离产生了腾涌
(slugging)的原油气的生产中是重要的，所述腾涌降低了管线能力并且提升
了运行费用。实际上，在石油生产提升管和流送管、用于向下钻进用途的 生产管道系统、以及输送烃和其它流体的管线中使用低幅度几何结构的进
一步的主要好处是降低了腾涌流(slug flow)。管线中改进的相混合也是显著
的，因为其往往将气体或者空气保持在流体中，而不是使其聚集在管道的
高位置处并且可能引起气阻(airlock)。
者矿物输送中，混合对于防止固体沉降出来也是重要的。这种沉降的减少(以 及矿物和/或烃沉淀的减少)对于石油生产提升管和流送管、以及用于向下钻 进用途的生产管道系统也是有意义的。在水电应用中沉降的减少也是重要 的。此外，在石油生产提升管和流送管、以及用于向下钻进用途的生产管 道系统中，改善的混合降低了水放空(drop-out)的风险。
作为例子，用于化学品定量给料，以及食品、化学品、石化和药物加 工的静态混合器可使用低幅度螺旋几何结构。好处将包括增加交叉混合、 和减少由沉降或者沉淀引起的堵塞。此外，如上所述，低幅度螺旋几何结 构还将提供降低的混合器压力损失。而且，由于沿着低幅度螺旋部分有"瞄 准线"内腔，并且没有在常规混合器中常见的挡板或者叶轮，因而更加易 于清洁。这些好处将导致维护和磨损的减少。
而且，在发电站、制冷冷箱、空气分离冷箱等中的热交换器中，可使 用低幅度螺旋几何结构获得的改进的混合(特别是热混合)和降低的压力损 失特别地有利。
低幅度螺旋管道系统还可用于确保反应前各组分的完全混合。这将确保反应发生地更完全并且材料被有效地使用。通常，这涉及在将气体或者 液体反应物通过催化剂之前，混合该气体或者液体反应物。然而，具体地 设想这可用于在将燃料和空气送往内燃机之前对所述燃料和空气进行混 合。这会改善内燃过程的效率并且降低未燃烧或者部分燃烧的燃料以及进 入大气中的细小固体物的量。这最后的改进还将减少对在公路运输中所使
用的内燃机下游的催化式排气净化器(catalytic converter)的需求并因此改进
该催化式排气净化器的性能。
由于低幅度螺旋管道系统确保管道内的螺旋(旋流)流动并且产生较4屯 的速度分布，因此可改进管道内去往流体和来自流体的传热的速率和均匀 性。在普通的流动中，管道中央处的流体比靠近管壁的流体移动得明显地 快，因此如果对管道加热，则近壁的流体将被加热到比靠近管道中央的流 体高的温度。
然而，由于旋流具有较钝的(并因此较均匀的)速度分布，不太可能使部 分流体过热或者欠热，导致不想要的效果。低幅度螺旋管道系统允许以管 道内部和外部之间较低的温差传递相同的热量。
当将组分添加到流体中并且以某种方式(例如加热)处理时，这可具有特 别的好处。差的混合时，混合物中快速通过的部分为欠处理的，而混合物 中緩慢通过的部分为过度处理的；然而，在低幅度螺旋几何结构提供的非 常良好的混合时，这可以避免，并且获得较均匀的处理。
总的来说，在例如烯烃裂化炉、用于精炼热裂化装置或者减粘裂化炉 的预热炉的炉子，烯烃装置中的输送管线换热器，发电站中的热交换器中、 用于工业制冷单元的冷箱、用于空气分离单元和制冷单元的冷箱中，这可 具有重大的经济效益。
轮趋向于更好地运行，并且因此在水电应用中低幅度螺旋部分的使用可以 这种方式改善效率。水电应用范围内的旋流的额外优点包括减少的气穴现 象和降低的管道应力。
此外，由低幅度螺旋管道系统产生的旋流的"柱塞(plunger)"方面可为 管道中发生的这些过程提供显著的经济效益，所述管道中细粒子或者其它 固体颗粒在管道的内壁上的沉积产生了对于传热的阻碍，或者污染了流经 该管道的流体，或者减少了通过该管道的流体的流动。这种细粒子或者其它固体颗粒可存在于流体中，或者可由于流体的各组分之间的化学反应而产生。
低幅度螺旋管道系统的使用显著地减少管道内壁上的这种固体沉积， 由此与弄脏的管道相比，延长其清洁前的运行寿命、降低必需的热量、以 及减少压降。这种影响可以为经济上有意义的情况的实例为液体管线中的 固体输送，以及上面所详细讨论的通过热解的烯烃生产。在其它炉子例如 用于精炼过程的预热炉中产生类似的效果。
而且，钝的速度分布和"柱塞"方面在药物和食品加工中普遍的批量 处理情况下是极其有用的。由于该钝的速度分布，各批次的轴向分散可减 少并且比常规布局早得多地获得峰值浓度。如果批次规模小，则这些特征 特别有利。此外，"柱塞流动"有助于在切换至第二组分之后，将微量的第 一组分从管道壁除去，这有助于降低批量处理中污染的可能性。可至少减 少洗净系统所需的时间，以及进行该清洗所需的流体的量。
管道或者管子中发生化学反应时，使用低幅度螺旋管道系统还可具有 材料上的经济意义。改进的混合和更均匀的传热的组合将改进产率并促进 反应(包括燃烧)的完成。改进产率还将减少下游分离成本。这将为重要的实 例过程包括烯烃生产和类似的气相反应，例如甲苯裂化形成苯、以及1-丁 烯转变为丁 二烯。当这种反应涉及从每分子原料生产大于一分子的产物时，
反应器和其下游管路(pipework)中通过使用低幅度螺旋管道系统可实现的较 低压降提供源于较低的平均压力的额外优点，因为其将降低产物分子再结 合形成原料或者其它不想要的副产物的可能性。此外，在用于化学品、石 化、和药物应用的反应器中使用低幅度螺旋几何结构可导致反应器管子中 的降低的沉积，这在石化工业中是特别重要的。
改进的混合和更均匀的传热还将促进燃烧反应的完成而无需大量的过 量空气(超过反应的化学计量比所需要的量)。这对于必须确保完全反应以防 止对环境和人类健康有害的化学品和/或颗粒逃逸到大气中的焚烧装置或者 废物处理炉是特别重要的。这可以通过将还是热的燃烧气体在送往大气之 前通过形成为低幅度螺旋的管道系统的区域而防止并确保完全燃烧。通过 炉子的旋流的产生将增加燃烧的速率和效率，以及废物的除去。
当与含有两种或者多种不同相的流一起使用时，低幅度螺旋部分还可 用于"在线"分离具有不同密度的流体的混合物。由于离心作用，螺旋流动产生的旋流倾向于将混合物的较高密度的组分朝着管壁转移，而将较低 密度的组分朝着中心线转移。通过合适的布置，可排出较高(或较低)密度组 分，而使剩余组分以增加的浓度存在。该过程可使用进一步类似的在线静 态分离器重复。该分离可用于从液体除去气体，并且因此尤其可用于帮助 降低石化工业中的腾涌。
类似于此的方法可用于增加或者降低流动的流体中的颗粒的浓度。这 通过将流体从管子中心线附近或者从靠近管壁处排除而实现。
此外，由低幅度螺旋部分引起的旋流可用于将颗粒物质从流中除去。 这在例如进气管中是特别重要的。在非常多的需要空气的情况下，并且尤 其在需要空气燃烧和/或冷却的交通工具上使用进气管。尤其是直升机进气 管通常需要灰尘分离器，以防止灰尘到达发动机，但是低幅度螺旋几何结 构产生的旋流可用于从空气流分离灰尘，而无需单独的过滤器。
而且，已发现低幅度螺旋部分可1起的旋流在该区域下游的直管中继续
一段距离。因而，低幅度螺旋管道系统区域可插入到结构体例如弯头、T-或者Y-接头、岐管、和/或导管截面的变化的上游，其中低幅度螺旋部分产 生的旋流抑制流动分离、停滞和流动不稳定性，对泵送成本以及管道中的 腐蚀和磨损有利。弯头、接头等处旋流的特别好处为降低的流动分离，导 致降低的压力损失，降低的沉降和沉淀，降低的气穴现象和增加的流动稳 定性。位于弯头之前的低幅度螺旋几何结构管道还将减少管道弯头内的颗 粒侵蚀，这对于发电站的燃料供应可为特别有利的。
因此，技术人员将清楚，具有低幅度螺旋几何结构的管道系统可在很 多情况中提供许多优点。
权利要求
1. 一种裂化炉，其具有至少一个穿过该炉的热解管，其中所述热解管形成为使得其具有至少一部分，该部分的中心线在三维上弯曲。
2. 权利要求l的裂化炉，其中所述热解管形成为使得其具有至少一部 分，该部分的中心线形成为多圈螺旋。
3. 权利要求1或2的裂化炉，其中所述中心线的曲率基本上恒定。
4. 权利要求1或2的裂化炉，其中所述中心线的曲率沿着所述热解管 部分的长度变化。
5. 权利要求2到4中任一项的裂化炉，其中所述螺旋部分形成为低幅度螺旋。
6. 陆上或者海上用石油生产提升管和流送管，其中使用低幅度螺旋几 何结构。
7. 用于油、气、水或者地热井内向下钻进用的生产管道系统，其中使 用低幅度螺旋几何结构。
8. 用于输送烃、饮用水、废水和污物、浆料、粉末、食品或者饮料产 品、或者任何单相或者多相流体的管线，其中使用低幅度螺旋几何结构。
9. 用于化学品定量给料，以及食品、化学品、石化产品和药物加工的 静态混合器，其中使用低幅度螺旋几何结构。
10. 包含在平面弯头或者类似物上游的一段长度的低幅度螺旋几何结 构管道的弯头、接头等，所述低幅度螺旋几何结构管道在所述弯头周围产 生旋流。
11. 用于水电应用的压力水管和引流管，其中使用低幅度螺旋几何结构。
12. 用于化学品、石化产品、炼油、药物和其它加工工业应用的反应 器，其中使用低幅度螺旋几何结构。
13. 在发电站、化学品加工单元、炼油厂、其它加工工业应用、制冷 冷箱、和空气分离冷箱中的热交换器，其中使用低幅度螺旋几何结构。
14. 用于废物处置的焚烧装置和炉子，其中使用低幅度螺旋几何结构。
15. 其中存在不同密度流体的混合物的流动的在工业过程中使用的静 态分离器，使用低幅度螺旋几何结构。
16. 进气管，其中使用低幅度螺旋几何结构。
17. 用于内燃机的进气管，其中使用低幅度螺旋几何结构。
全文摘要
本发明涉及用作裂化炉中的热解管的管道系统。该管子形成为使得其具有至少一部分，该部分的中心线在三维上弯曲，以在管子中引发旋流。优选地，将该管子形成为螺旋，更优选为低幅度螺旋。本发明还延伸至具有低幅度螺旋几何结构的管道系统的各种其它应用。
文档编号B01J8/06GK101454075SQ200780016920
公开日2009年6月10日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月10日
发明者威廉·塔利斯, 科林·G·卡罗, 菲利普·L·伯奇 申请人:螺旋技术有限公司