專利名稱：用于烴的熱裂解的方法和翅片管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在存在蒸汽時使烴熱裂解的方法和翅片管，其中，進料混合物(charge mixture)通過具有螺旋形內部翅片的外加熱管。
管式爐已經證明適合用于烴(原油衍生物)的高溫熱解，在該管式爐中，烴/蒸汽混合物在高于750℃的溫度下通過由耐熱鉻-鎳-鋼合金制成的一系列單獨或彎曲管，該耐熱鉻-鎳-鋼合金具有很高的抗氧化性或除銹性(scaling)，并有很高的抗滲碳性。蛇形管包括垂直延伸的直管部分，它們通過U形管彎頭而彼此連接，或者布置成彼此平行；它們通常通過側壁燃燒器來加熱，在某些情況下也通過底部燃燒器來加熱，因此有對著燃燒器的一側(稱為亮側)以及相對于該亮側偏離90°的一側(稱為暗側，即沿管排列方向延伸的一側)。在某些情況下，平均的管金屬溫度(TMT)超過1000℃。
裂解管的使用壽命在很大程度上取決于管材料的抗蠕變性和抗滲碳性以及積炭速度。除了所使用的烴的類型，積炭速度(即在管內壁上的碳沉積層(熱解碳)的生長)的關鍵因素是在內壁區域的裂解氣溫度，它被稱為操作苛刻程度(severity)，它隱藏了系統壓力和管系統滯留時間對乙烯生產率的影響。操作的苛刻性根據裂解氣的平均出口溫度來設置(例如850℃)。在管內壁附近的氣體溫度越高于上述溫度，熱解碳層的生長越廣泛，且該層的絕熱作用使得管金屬的溫度進一步增加。盡管包含0.4％的碳、超過25％的鉻和超過20％的鎳(例如35％的鉻、45％的鎳以及合適時1％的鈮)的鉻-鎳-鋼合金(用作管材料)具有很高的防滲碳性，但是碳在氧化層的缺陷處擴散到管壁中，在該缺陷處導致較大滲碳，可能使得在0.5至3mm的壁深度中的碳含量為1％至3％。這使得管材料有較大脆化，并有在波動熱負載情況下形成裂紋的危險，特別是當爐起動和關閉時。
為了減輕在管內壁上的碳沉積(積炭)，裂解操作需要不時中斷，并借助于蒸汽/空氣混合物來燃燒熱解積炭。這需要中斷操作36小時，因此對處理的經濟性有較大的不利影響。
還由GB專利969796中已知使用具有內翅片的裂解管。盡管該類型的內翅片導致大大增加了內表面面積(例如增加10％)，同時相應提高了傳熱，但是考慮到在增大后管內表面上的摩擦，它們與光滑管相比也有明顯增大壓力損失的缺點。更高壓力損失需要更高的系統壓力，這不可避免地改變了滯留時間，并對產量有不利影響。附加因素是，具有很高碳和鉻含量的已知管材料不再能夠通過冷加工(例如冷拉)來成形。它們有這樣的缺點，即它們的可變形性大大降低，因為熱強度升高。這導致例如1050℃的較高管金屬溫度(乙烯生產希望有該較高管金屬溫度)，從而需要使用離心鑄造管。不過，因為離心鑄造管只能制造柱形壁，因此，當制造有內部翅片的管時，需要專門的成形處理，例如通過電解機械加工來除去材料，或者利用成形焊接處理。
考慮到該缺點，本發明基于提高在管形爐中提高烴的熱裂解的經濟性的問題，該管形爐有具有螺旋形內部翅片的外部加熱管。
該目的通過這樣的方法來實現，其中，在優選是離心鑄造管的翅片的緊鄰附近產生渦輪，該渦流在離翅片更大徑向距離處轉變成主要具有軸向流的芯區域流(core zone)。在具有渦流的外部區域和主要有軸向流的芯區域之間的過渡是逐漸的，例如拋物線形。
在本發明的方法中，渦流吸收在翅片側面處的脫離湍流(detaching turbulence)，因此，湍流不會在局部以連續環流的形式重新循環至翅片谷中。盡管通過螺旋通路的顆粒經過了明顯更長的距離，但平均滯留時間低于光滑管，而且，在截面上更均勻(參考圖7)。這通過具有渦旋的型面管(型面3)的總體速度比具有直翅片的管(型面2)更高而進一步證明。特別是，當在翅片區域中的渦流相對于管軸線以20°至40°角度(例如30°，優選是25°至32.5°)運行時將保證這樣。
在本發明的方法中，供熱(該供熱在亮側和暗側之間的管周邊上面必然不同)在管壁中和管內部進行補償，且熱量快速向內擴散至芯區域。這減小了在管壁處的處理氣體局部過熱的危險，結果形成熱解積炭。而且，考慮到在亮側和暗側之間的溫度補償，在管材料上的受熱降低，這延長了使用壽命。最后，在本發明的處理中，溫度還在管截面上更均勻，從而提高了烯烴的產量。原因是當在管內部沒有根據本發明的徑向溫度補償時，在熱管壁處將發生過度裂解，并將在管中心處產生裂解產品的重新組合。
而且，當為光滑管時，將形成使得傳熱大大減小的層流層(它是湍流的一個特殊情況)，當為翅片型面時，將通過翅片而在很大程度上增加內周，該內周增加超過5％，例如10％。該層流導致熱解炭的形成增加，這又使得導熱較差。這兩層一起使得需要引入更多熱量，或者需要更大的燃燒器能力。這增加來管金屬溫度(TMT)，因此縮短了使用壽命。
本發明通過使型面的內周相對于與翅片谷接觸的外接圓的周邊相差大約最多5％，例如4％或甚至3.5％而避免該問題。不過，內周也可以比外接圓小2％。換句話說，相對型面周邊等于外接圓周邊的最多1.05至0.98％。因此，在本發明的型面管的面積(即它的展開內表面面積)相對于具有外接圓直徑的光滑管的面積的相差量為光滑管面積的最多5％至-2％，或者1.05至0.98倍。
與型面內周比外接圓外周大至少10％的翅片管相比，本發明的管型面能夠有較低的管密度(kg/m)。這通過在具有相同水力直徑(因此有相同的壓力損失和相同的熱效果)的兩個管之間進行比較來證實。
本發明的型面周邊相對于外接圓周邊(相關型面周邊)的另一優點是在較低的管金屬溫度下更快速地加熱裂解氣(charge gas)。
本發明的渦流大大降低了層流層的范圍；而且，它與指向管中心的速度矢量有關，這減小了裂解基和/或裂解產品在熱管壁處的滯留時間，并減小了使它形成熱解炭的化學和催化分解。
此外，在翅片谷和翅片之間的溫度差(對于具有高翅片的內部型面管，該溫度差很小)由本發明的渦流來補償。這增加了在兩次除炭操作之間所需的時間。沒有本發明的渦流，將在翅片峰和翅片谷的基部之間形成較大溫度差。當裂解管提供有螺旋形內部翅片時，裂解產品的滯留時間(該滯留時間將引起積炭)將縮短。這取決于在不同情況中的翅片性質。
在曲線圖中上部曲線表示型面616°節距中部曲線表示型面330°節距下部曲線表示型面43個翅片有30°節距這些曲線清楚表明，在翅片谷中，假定具有4.8mm高的翅片的型面6的更高周向速度，而翅片高度為恰好2mm的本發明型面的周向速度穿透至流體流的芯部。盡管只有3個翅片的型面4的周向速度幾乎同樣高，但它不能使芯流有螺旋加速度。
根據圖2中的曲線圖所示的曲線，根據本發明的型面使得翅片谷中有螺旋加速度(曲線的上部分支)，該翅片谷覆蓋管截面的較寬區域，因此可以用于使管內的溫度均勻。而且，在翅片峰處的較低周向速度(曲線的下部分支)保證不會發生湍流和回流。
圖3表示了三個試驗管，包括它們的截面數據；這些管包括本發明的型面3。曲線圖分別表示在暗側和亮側橫過管半徑的溫度型面。對于本發明的型面3，曲線的比較揭示了在管壁和管中心之間的較低溫度差以及在管壁處的較低氣溫。
即使管式爐的蛇形管(該蛇形管通常布置成平行排)只通過在相對側的側壁燃燒器而由燃氣加熱或進行作用，且因此各管有對著燃燒器的亮側以及相對于該亮側偏離90°的暗側，但是本發明的渦流保證在管周圍(即在亮側和暗側之間)的內壁溫度波動低于12℃。平均管金屬溫度(即在亮側和暗側的管金屬溫度差)導致產生內部應力，因此降低管的使用壽命。因此，與相同直徑的光滑管(平均使用壽命為5年)相比，本發明管的平均管金屬溫度減小導致在1050℃的工作溫度下的計算使用壽命增加至大約8年，該本發明管有節距為30°的8個翅片，管內徑為38.8mm，管外徑為50.8mm，即在翅片谷和翅片峰之間的高度差為11°的2mm。
對于圖3中所示的三個型面，在亮側和暗側之間的溫度分布形成于圖5所示的曲線圖中。可以看見，與光滑管(型面0)相比，型面3的溫度曲線為較低水平，而與型面1相比，型面3的波動范圍相對更窄。
當等溫線沿螺旋形從管內壁向流芯延伸時，形成特別有利的溫度分布。
特別是，當周向速度在2至3m內，然后在管的整個長度上保持恒定時，使得溫度在截面上的分布更均勻。
為了通過相對較短的管長度獲得較高的烯烴產量，本發明的處理應當這樣，即相對于光滑管的均勻性系數(HGφ)相比，在截面上的溫度均勻性系數以及參考水力直徑的溫度均勻性系數超過1。在本文中，均勻性系數定義如下HGφ[-]HPφ＝ΔT0·dx/ΔTx·d0根據本發明的流結構(包括芯流和渦流)可以通過翅片管來獲得，在該翅片管中，在各個情況下都在管截面長度上連續的翅片的側面角(即在翅片側面和管半徑之間的外角)為16°至25°，優選是19°至21°。這種側面角(特別是)與20°至40°(例如22.5°至32.5°)的翅片節距組合將保證在翅片谷中沒有返回至翅片側面后側的翅片谷并導致在翅片谷中形成不希望的“龍卷風(twister)”的或多或少的連續渦流。而是，在翅片谷中形成的湍流與翅片側面脫離，并由渦流吸收。由翅片引起的渦旋能量加速氣體顆粒，并導致更高的總速度。這導致減小管金屬溫度，還使得管金屬溫度更均勻，同時使管截面的溫度和滯留時間更均勻。
本發明的翅片管的性質由圖6所示的管部分以及相應特征參數可知水力直徑Dh(mm)，Ri≤Dh/2側面角β翅片高度H
外接圓半徑Ra＝Ri+H以及Da＝2×Ra中心角α曲率半徑R＝Ra(因為sinα/2sinβ+sinα)外接圓周長2πRa斜角三角形中的角度γ＝180-(α+β)內徑Ri＝2R(sinγ/sinα)-R翅片高度H＝Ra-Ri型面周長UP＝2×翅片數目×πR/180(2β+α)翅片表面面積FR外接圓面積Fa＝πDa2/4內圓面積Fi＝π·Di在外接圓中的型面面積FP＝FR·翅片數目型面周長Up＝(1.05至0.98)·2πRa翅片和位于翅片之間的翅片谷可以在截面中為鏡像對稱設計，并彼此鄰接，或者形成相同曲率半徑的波形線。然后，側面角形成于在接觸點處的兩個曲率半徑的切線和管的半徑之間。在本例中，翅片相對較淺；翅片高度和側面角彼此匹配，這樣，由比率4×凈截面/型面周長而獲得的型面水力直徑大于或等于型面的內圓。因此，水力直徑是內部第三型面高度。因此，當直徑變大時，翅片高度和翅片數目增加，因此，渦流保持型面作用所需的方向和強度。
更大流速(圖2)形成于翅片之間或在翅片谷中，從而導致自清潔效果，即減少沉積的熱解炭的量。
當翅片通過堆焊或層疊焊而利用離心鑄造管制成時，在各翅片之間的管壁保持基本不變，這樣，翅片谷位于與離心鑄造管的內周相對應的公共圓上。
試驗表明，無論管的內徑如何，總共8至12個翅片足以實現本發明的流結構。
對于本發明的翅片管，在水試驗(采用和觀察相似理論，并使用用于石腦油/蒸汽混合物的雷諾數)中，傳熱系數的比值QR/QO與壓力損失的比值ΔPR/ΔPO之間的比例優選是從1.4至1.5，其中，R表示翅片管，而0表示光滑管。
與光滑管(型面0)和具有8個平行翅片的翅片管(型面1)(在該翅片管中，在翅片谷和翅片峰之間的徑向距離為4.8mm)相比，本發明翅片管(型面3)的優越性如下表中的數據所示。該翅片管都有8個翅片以及相同的外接圓。
在本文中，水力直徑定義如下Dhydr＝4×(凈截面)/內周優選是與對比光滑管的內徑相對應，然后形成均勻性系數1.425。
在水試驗中，本發明的翅片管的傳熱(QR)比光滑管高2.56倍，而壓力損失(ΔPR)只高1.76倍。
圖7比較了三種不同型面的管，包括具有8個翅片且(每種情況下)節距為30°的本發明管以及具有光滑內壁的管(光滑管)。對于各種截面，給出來水力直徑、軸向速度、滯留時間和壓力損失。
所使用的開始數據是在操作內徑為38mm(它等于水力直徑)的光滑管時的生產量。利用相似理論(相同雷諾數)，這些數據通過計算而轉變成暖水，并用作試驗基礎(參考用水試驗時的傳熱和壓力損失的比值之間的比例，并計算使用氣體時的參考均勻性系數)。
由在不同水力直徑下的相同生產量而得到不同的速度型面(相互關系)。
截面相同的型面2和3的速度比較表示了通過本發明管(型面3)而提高了速度、加速度和滯留時間。對于相同的水力直徑，由翅片引起的渦流產生沿周向方向的速度分量，這使得流體流與管壁分開，并在整個截面上引起螺旋狀升高的速度。
定向的螺旋流將熱量從管壁引導至流體流中，從而與普通非定向湍流(光滑管、型面1和2)相比將分布更均勻。顆粒的滯留時間也一樣。螺旋定向流使得顆粒在截面上分布更均勻，同時在型面側面處的加速度減小了平均滯留時間。型面3的更高壓力損失由周向速度而引起。對于型面1，是因為流體流受到相當大的限制以及在型面的較大內表面處的摩擦損失。
根據材料，本發明的翅片管例如可以通過使管的端部有彼此相對旋轉的軸向平行肋而由離心鑄造管來制造，或者通過使離心鑄造管變形(例如通過利用成形工具來進行熱鍛造、熱拉伸或冷加工，該成形工具例如外部型面與管的內部型面相對應的浮動心軸或心軸桿)。
用于管的內部成形的切割機器的各種變化形式例如由德國專利19523280可知。這些機器也適于制造本發明的翅片管。
當為熱成形時，變形溫度應當設置成這樣，即微結構晶粒在內表面區域局部破壞，并因此在后面階段在工作溫度作用下重新結晶。這樣形成細晶粒微結構，它允許鉻、硅和/或鋁快速通過奧氏體基體擴散到管的內表面上，然后在該處快速形成氧化保護層。
本發明的翅片也可以通過堆焊來制造，這時，不能在各翅片之間形成彎曲的翅片基座，而是基本保持管的內壁的初始型面。
本發明的管的內表面應當有盡可能低的粗糙度；因此可以進行光滑處理，例如進行機械拋光或電解找平。
用于乙烯廠的合適管材料是鐵和/或鎳合金，該鎳合金包含0.1％至0.5％的碳、20至35％的鉻、20至70％的鎳、直到3％的硅、直到1％的鈮、直到5％的鎢、附加的鉿、鈦、稀土元素或鋯(它們分別直到0.5％)、以及直到6％的鋁。
權利要求
1.一種用于在存在蒸汽時使烴熱裂解的方法，其中，進料混合物通過具有螺旋形內部翅片的外加熱管，其特征在于在翅片的緊鄰附近產生渦流，該渦流在離翅片更大徑向距離處轉變成主要具有軸向流的芯區域流。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述渦流吸收在翅片側面處的脫離湍流。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于氣流的周向速度在翅片谷中大于在翅片峰處的速度。
4.根據權利要求1至3中任意一個所述的方法，其特征在于在翅片處的渦流相對于管軸線以20°至40°角度運行，優選是22.5°至32.5°。
5.根據權利要求1至4中任意一個所述的方法，其特征在于在管周邊上的內壁溫度波動小于12℃。
6.根據權利要求1至5中任意一個所述的方法，其特征在于在芯區域的等溫線成螺旋形狀。
7.根據權利要求1至6中任意一個所述的方法，其特征在于在管長度的開始2至3m中形成渦流速度，然后保持恒定。
8.根據權利要求1至7中任意一個所述的方法，其特征在于在管長度的開始2至3m之后，渦流速度覆蓋整個截面。
9.根據權利要求1至8中任意一個所述的方法，其特征在于相對于光滑管的均勻性系數，在截面上的溫度均勻性系數以及參考水力直徑的溫度均勻性系數都超過1。
10.根據權利要求1至9中任意一個所述的方法，其特征在于與具有相同類型的直翅片的對比管相比，在管壁的邊界層中的流速低8至12％，在芯區域中的流速高8至12％。
11.根據權利要求1至10中任意一個所述的方法，其特征在于在從氣體進口算起的100至200cm距離處，氣體加速至使得周向速度為芯區域的軸向速度的15至20％，且該周向速度隨后保持恒定。
12.根據權利要求1至11中任意一個所述的方法，其特征在于軸向速度和周向速度的總和大于具有相同類型的直翅片的對比管的軸向速度。
13.根據權利要求1至12中任意一個所述的方法，其特征在于氣體微粒在翅片的側面進行加速。
14.一種具有多個螺旋延伸的內部翅片的翅片管，其特征在于型面的周長(Up)等于與翅片谷接觸的外接圓的+5％至-2％。
15.根據權利要求14所述的翅片管，其特征在于翅片的側面角為16°至25°。
16.根據權利要求14或15所述的翅片管，其特征在于翅片的節距角為20°至40°。
17.根據權利要求14至16中任意一個所述的翅片管，其特征在于翅片以及位于翅片之間的谷設計成在截面上鏡像對稱。
18.根據權利要求14至17中任意一個所述的翅片管，其特征在于在各種情況下翅片峰和翅片管彼此合并。
19.根據權利要求14至18中任意一個所述的翅片管，其特征在于翅片和翅片谷有相同的曲率半徑。
20.根據權利要求14或15所述的翅片管，其特征在于翅片焊接在公共圓上，且翅片谷位于公共圓上。
21.根據權利要求14至20中任意一個所述的翅片管，其特征在于有總共6至12個翅片。
22.根據權利要求14至21中任意一個所述的翅片管，其特征在于翅片管的水力直徑至少等于內圓(Ri)的直徑。
23.根據權利要求14至22中任意一個所述的翅片管，其特征在于在水試驗中，傳熱系數的比值QR/Q0與壓力損失的比值ΔPR/ΔP0的比例為1.4至1.5，其中，R表示翅片管，而0表示光滑管。
24.根據權利要求14至23中任意一個所述的翅片管，其特征在于翅片截面的曲率半徑(R)為3.5至20mm。
25.根據權利要求14至24中任意一個所述的翅片管，其特征在于翅片高度(H)為1.25至3mm。
26.根據權利要求14至25中任意一個所述的翅片管，其特征在于在型面周長(Up)內的凈截面等于外接圓(Fa)的面積的85至95％。
27.根據權利要求14至26中任意一個所述的翅片管，其特征在于型面面積(Fp)等于在外接圓和內圓之間的環形區域的40至50％。
28.一種用于制造權利要求14至27中任意一個所述的翅片管的方法，其特征在于具有軸向平行翅片的管的端部彼此相對旋轉。
29.一種用于制造權利要求14至27中任意一個所述的翅片管的方法，其特征在于內部型面通過利用成形工具進行變形而制成。
30.根據權利要求29所述的方法，其特征在于在變形過程中，微結構晶粒在內表面區域被局部破壞。
31.一種用于制造權利要求14至27中任意一個所述的翅片管的方法，其特征在于內部型面通過利用成形工具進行變形或通過堆焊而制成。
32.一種用于制造權利要求14至27中任意一個所述的離心鑄造管的方法，其特征在于內部型面通過電解除去材料而制成。
33.根據權利要求29至32中任意一個所述的方法，其特征在于型面管的內表面光滑。
34.采用一種離心鑄造管制造如權利要求15至27中任意一個所述的翅片管。
35.根據權利要求34所述的用途，其中離心鑄造管包括鎳合金，該鎳合金包含0.1％至0.5％的碳、20至35％的鉻、20至70％的鎳、高達3％的硅、高達1％的鈮、高達5％的鎢、在所有情況下都高達0.5％的鉿、鈦、稀土元素或鋯、以及高達6％的鋁。
36.根據權利要求35所述的用途，其中合金獨立地或彼此組合地包含至少0.02％的硅、0.1％的鈮、0.3％的鎢和1.5％的鋁。
全文摘要
本發明涉及一種用于在存在蒸汽時使烴熱裂解的方法，其中，進料混合物被引導通過具有螺旋形內部翅片的外加熱管，并在氣體混合物中產生渦流，以便使得管壁中和整個管截面中的溫度均勻，并防止熱解炭沉積在管內壁上。渦流逐漸引入在離翅片更大徑向距離處的、主要有軸向流的芯區域中。
文檔編號B01J19/00GK1671824SQ03817885
公開日2005年9月21日 申請日期2003年5月8日 優先權日2002年7月25日
發明者彼得·韋爾珀特, 本諾·甘澤, 迪特林德·雅各比, 羅爾夫·基希海訥爾 申請人:施密特和克萊門斯有限及兩合公司