一种基于场协同效应的裂解炉管制造技术

本实用新型专利技术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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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200 300°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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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5 50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。上述技术方案中，导流槽1的条数优选为1 16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。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1 16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 本专利技术的优势及进步在于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。附图说明图1为本专利技术的具有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为本专利技术的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为本专利技术的具有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。具体实施方式以下结合附图说明本专利技术的具体结构图1为本专利技术涉及的具有4个导流槽的乙烯裂解炉管的正面视图，通过图1可直 观地了解本专利技术专利的结构。本专利技术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。本专利技术涉及的炉管结构分为引导段Ll和稳定段本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾力丁，于洋，涂善东，朱冬生，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]