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具有螺旋翅片的天津石油裂化管廠的制作方法技術領域

具有螺旋翅片的天津石油裂化管廠的制作方法技術領域

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  • 時間:2019-04-18 21:55:58
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專利名稱:具有螺旋翅片的天津石油裂化管廠的制作方法技術領域:本發明涉及用在用于制造乙烯等的熱裂化反應器中的天津石油裂化管廠,更具體地說,本發明涉及這樣一種天津石油裂化管廠,在所述天津石油裂化管廠的內表面上裝有用于攪拌其中的流體的翅片,所述天津石油裂化管廠適合于最大程度地抑制壓力損失,同時有效地促進熱量傳輸到其中的流體上。背景技術:通過加熱裂化碳氫化合物(石腦油、天然氣、乙烷等)的材料氣體而制造諸如乙烯、丙烯等烯烴。熱裂化反應是通過將碳氫化合物材料氣和蒸汽引入到設置在從外部供以熱量的加熱爐中的裂化蛇管中、并且在混合物在高速下流過所述蛇管時將混合物加熱到反應溫度范圍而執行的。通常,裂化蛇管包括通過彎曲連接成Z字形組件的多個(直)管。為了有效地執行熱裂化反應,在短時間周期內沿管路的徑向向內到其中央部分的方向將在所述蛇管內部以高速流動的流體加熱到反應溫度范圍并且避免在高溫下加熱到最大可能程度是重要的。如果在長時間內在高溫下加熱所述氣體的話,會產生過量的碳氫化合物(甲烷、游離碳等)的輕質餾分,或者裂化產物將經歷例如縮聚反應,從而降低期望產物的產量。u=1548955987,594184969&fm=11&gp=0.jpg加速的結焦(管內壁上的游離碳的沉積)也將導致降低熱傳導系數,從而增加頻繁執行除焦的需要。因此實際上要在裂化蛇管的管內表面上提供翅片作為用于攪拌管內流體的元件。所述翅片的攪拌使得高速下流動的流體產生湍流,并且可被迅速地加熱到更高溫度。因此,可在縮短的時間內完成所述反應,同時避免由于過度裂化而產生輕質餾分。此外,管熱傳導系數方面的提高可降低管的溫度,從而產生提高管的使用壽命的效果。圖12到14示出了天津石油裂化管廠上的翅片的研發示例(JP-A No.1997-241781)。圖12示出了在相對于管軸線的恒定傾斜角下螺旋地連續延伸的翅片1。圖13對應于離散地形成的圖12的連續螺旋翅片。螺旋軌跡上的翅片1和非翅片部分2是在每圈螺旋中翅片和非翅片部分交替的交錯布置。這些示例在攪拌管內流體方面都具有較大效果,并且在將熱量傳導到管內流體方面高度有效,同時由于流體的較大壓力損失而增大了管內部流體的內部壓力,從而伴有裂化操作在較低產量下產生乙烯、丙烯等的缺陷。圖14示出了交替布置在平行于管軸線的多條線上的翅片1和非翅片部分2。然而,平行于管軸線布置的翅片不能產生攪拌管內部流體的充分作用并且不能獲得期望的熱傳導性能??紤]到上述問題,本發明的目的是在保持促進管內流體的熱傳導效果的同時最大可能程度地抑制壓力損失。發明內容為了實現上述目的,本發明提供了一種天津石油裂化管廠,所述天津石油裂化管廠具有形成在其內表面上并且相對于管的軸線傾斜的用于攪拌管內部流體的翅片,所述翅片被離散地布置在一個或多個螺旋軌跡上,所述管內表面具有這樣的區域,其中在從管的一個軸向端到其另一個軸向端的管整個軸向長度上不存在翅片。這種結構的管適合于使得管內部的流體的壓力損失最小化,同時允許螺旋翅片高效地將熱量傳導到內部流體。 圖1是本發明天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的布置圖案的實施例。圖2是本發明20g高壓鍋爐管的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的布置圖案的另一個實施例。圖3是本發明天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的布置圖案的另一個實施例。圖4是本發明天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的布置圖案的另一個實施例。圖5是本發明天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的布置圖案的另一個實施例。圖6是用于示出圖3中所示的翅片的布置的視圖。圖7是截面圖,示出了圖1中所示的實施例的管。圖8是用于示出以堆焊珠的形式形成螺旋翅片的堆焊法的視圖。圖9是示出了通過試驗確定的測試管的熱傳導特性的圖表。圖10是示出了通過試驗確定的測試管的壓力損失特性的圖表。圖11是用于總體示出測試蛇管的結構的視圖。圖12是傳統天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的圖案。圖13是傳統天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的另一種布置圖案。圖14是傳統天津石油裂化管廠的內表面的展開圖,用于示出形成在管內表面上的翅片的另一種布置圖案。具體實施例方式下面將參照示出的實施例詳細地描述本發明的天津石油裂化管廠。圖1是管的內表面的展開圖,示出了本發明所涉及的螺旋翅片的布置的實施例。沿相對于管的軸向方向x在預定的傾斜角θ下布置的螺旋軌跡離散地形成翅片1。所述螺旋軌跡由傾斜虛線表示,而螺旋的連接由豎直虛線表示。水平點劃線示出了其中翅片沿軸向方向布置的區域ZA和其中不存在翅片的非翅片部分2的區域ZB。在圖1的實施例中,沿每圈螺旋布置有四個翅片。表示螺旋的各個圈的螺旋線上的相應翅片1、以及相應非翅片部分2沿平行于管軸線的方向被布置。圖2到圖5是管的內表面的展開圖,示出了本發明所涉及的螺旋翅片的布置的其他實施例。圖2示出了沿在傾斜角θ方面不同的連續螺旋軌跡形成的螺旋翅片。管路的區域I中的螺旋的傾斜角θI大于其區域II中的螺旋的傾斜角θII。翅片1和非翅片部分2被布置在平行于管軸線的各個區域ZA和ZB中。圖3示出了提供了兩個螺旋軌跡的一個實施例。在相同的傾斜角θ下沿各個螺旋軌跡S1和S2離散形成翅片。翅片11和非翅片部分21被形成在螺旋軌跡S1上,翅片12和非翅片部分22被形成在螺旋軌跡S2上,翅片11、12被布置在區域ZA中,非翅片部分21、22被布置在區域ZB中。圖4示出了這樣一個實施例,其中沿兩個螺旋軌跡S1和S2形成螺旋翅片,并且沿軌跡S1的翅片在尺寸上不同于沿軌跡S2的翅片。沿螺旋軌跡S1的翅片11比沿螺旋軌跡S2的翅片12長。翅片11、12被布置在區域ZA中,而所有的或一些非翅片部分21、22被布置在區域ZB中。圖5示出了這樣一個實施例,其中沿四個螺旋軌跡S1到S4形成螺旋翅片,并且沿各個螺旋軌跡S1到S4的翅片11到14沿管的圓周方向被布置在略微不同的間隔下。相應的四個螺旋軌跡S1到S4上的翅片11到14的組被布置在區域ZA中,而這些軌跡S1到S4上的非翅片部分21-24的組被布置在區域ZB中。區域ZA中的這些翅片11到14沿波形(由點劃線示出)被布置。因此,依照圖2到圖5的所有實施例,管內表面具有區域ZB,在區域ZB中,從管的一個軸向端到其另一個軸向端的管的整個軸向長度上不存在翅片。圖6是用于示出圖3中所示的翅片的布置的視圖。θ處所示的是螺旋翅片的傾斜角,p處所示的是作為沿管軸線的方向的相鄰螺旋線上的相應翅片之間的中心-中心距離的翅片間距。根據管的內徑D適當地確定這些數值。在具有例如約30到150mm的內徑D的管的情況下,傾斜角θ可大約為15到85度,而間距p大約為20到400mm。根據螺旋的傾斜角θ和螺旋條數N,增大或減小間距p以用于調節(p=E/N,其中E為螺旋線導程)。翅片的高度H(從管內表面的突出部分的高度)為例如管內徑的約三十分之一到十分之一。翅片的長度L例如約為5到100mm,并且是例如根據管的內徑D和沿每圈螺旋線分隔開的翅片的數量確定的。圖7是垂直于管軸線的平面中的螺旋翅片的截面圖,并且示出了這樣一個實施例,其中四個翅片被布置在一圈螺旋線上。假設一翅片具有圓弧長度(如在平面上投影)w,并且在一圈螺旋線上的翅片數量為n。因此翅片的總圓弧長度TW為TW=w×n。順便提及的是,翅片的總圓弧長度TW與管內表面的圓周長度C(C=πD)的比,即,R(R=TW/C)最好約為0.3到0.8,以便于確保最小化壓力損失,同時允許螺旋翅片促進對于管內流體的熱傳導。如果該數值太小的話,促進熱傳導的效果將被降低,而如果該數值過大的話,將導致過度的壓力損失。通過諸如等離子體粉末焊接(PTA焊接)的堆焊方法可將螺旋翅片有效地形成為珠。圖8示出了焊接操作的一個示例。管50由旋轉驅動設備(未示出)水平地支撐并且可圍繞其軸線x旋轉。焊炬51被固定于支撐臂52,所述支撐臂52被控制得平行于管軸線并且可沿管的軸向向前或向后移動。通過導管53將粉末(用于堆焊的材料)供應到焊炬51,所述粉末在管內表面上形成珠。通過管50的旋轉和焊炬51的水平移動(沿管軸線的方向)間歇地執行等離子體焊接,以便于形成包括通過堆焊形成的珠的螺旋翅片。在兩個焊炬51如所示的那樣被安裝的情況下,沿兩個螺旋軌跡形成翅片??赏ㄟ^改變管50的旋轉速度、所安裝的焊炬51的數量、其水平移動的速度、間歇施加等離子弧的周期等適當調節所要形成的翅片的數量、傾斜角θ、間距p、翅片區域ZA的數量和寬度(圖6中的投影圖像的圓弧長度)等。螺旋翅片被布置在從管的入口端到其出口端的管路的整個長度上,或者布置在管路的適當部分處,例如,被布置在管路入口端附近的區域、其中間區域以及其出口端附近的區域的至少一個中。用于形成螺旋翅片的材料是與管相同類型的耐熱合金,諸如25Cr-Ni(SCH22)、25Cr-35Ni(SCH24)或耐熱鎳鉻鐵合金(商標)。另外,可適用于在所述管可應用于其中的環境中使用的其他耐熱合金也是適用的。下面將參照具體示例進一步描述本發明。示例1制備測試管T1到T5并且檢查膜傳熱系數h(W/m2/K)和壓力損失dP(Pa)。 T1是本發明所涉及的測試管,而T2到T5是比較示例的測試管。表1示出了關于這些測試管的細節。表1 (注)*圓弧長度比R=(沿每圈螺旋線的翅片在垂直于管軸線平面上投影的圓弧長度的總和)/(管內表面的圓周長度);**將T4的圓弧長度比確定為(翅片厚度的總和)/(管內表面的圓周長度)。試驗條件如下所述測試流體空氣流體溫度(入口端)室溫雷諾數20000-60000壓力損失測量部分1000mm。圖9(膜傳熱系數h)和圖10(壓力損失dP)中示出了測量結果。每個測量結果都是相對于測試管T5在20000雷諾數下其數值取作1.0(參考值)示出的。圖9和圖10示出了本發明的測試管T1在傳熱特性方面可與具有連續螺旋翅片的測試管T2和具有離散螺旋翅片的測試管T3相當,而在壓力損失方面可與測試管T4相當。然而,如稍后所述的,測試管T2和T3在壓力損失方面大于測試管T1,并且導致較低產量。另一方面,測試管T4在傳熱特性方面劣于測試管T1,因此除較低產量以外還具有可能結焦的問題。測試管T5是不具有翅片的光滑表面管,因此在壓力損失方面優于本發明的測試管T1,但是在傳熱特性方面很差并且還具有與測試管T4類似的產量和結焦的問題。相反,本發明的測試管T1適合于確保最小化壓力損失,同時保持期望的傳熱特性。示例2接下來,使用圖11中所示的W形蛇管并且模擬用于生產乙烯的反應器所使用的條件執行熱流體分析,以便于確定所述蛇管內流體的壓力損失和乙烯及丙烯的產量。圖11中所示的蛇管包括這樣的管(直管部分),所述管的內徑為63.5mm、壁厚度為6.4mm、長度為9.6mm,并且所述管分別提供了沿所述順序從上游側到下游側布置的第一通路、第二通路、第三通路和第四通路。表2示出了測試管T6到T9的結構。測試管T6是本發明所涉及的測試管,而測試管T7到T9是比較示例的測試管。至于翅片在管(直管部分)上的布置,測試管T6與圖1中所示的相同,T7如圖13中所示的,T8如圖12中所示的。T9是沒有翅片的示例。表2 (注)*翅片A圖1的布置中的離散螺旋翅片(4個翅片/每圈螺旋線),傾斜角為60度,翅片高度為3.5mm、間距為115.2mm。 **翅片B圖13的布置中的離散螺旋翅片,傾斜角為60度,翅片高度為3.5mm、間距為115.2mm。 ***翅片C如圖12所示延伸的連續螺旋翅片,傾斜角為60度,翅片高度為3.5mm、間距為115.2mm。分析條件為1.98kg/cm2的蛇管出口處的流體壓力(絕對壓力)、600℃的蛇管入口溫度以及830℃的蛇管出口溫度。石腦油在840kg/h的流速下流過一個蛇管、蒸氣在420kg/h的流速下流過一個蛇管。表3示出了蛇管的第一到第四通路的溫度。表4示出了分析的結果,即,蛇管入口和出口處的壓力和溫度、壓力損失和乙烯及丙烯產量。表3 表4 (注)*絕對壓力表3示出了T6在管溫度方面與T7和T8可相當,并且比T9低大約20℃。這意味著T6到T8在傳熱效率方面可相當并且可在較低溫度下操作。表4示出了T6在壓力損失方面小于T7和T8并且在乙烯及丙烯產量方面出色。盡管壓力損失較小,但是T9在傳熱效率方面較差,因此乙烯及丙烯產量較低。工業應用性形成在本發明天津石油裂化管廠內表面上的螺旋翅片的布置使得所述管將所述管內的流體的壓力損失最小化,同時由于所述翅片的攪拌作用使得管保持高傳熱特性。因此所述管實現了改進的乙烯及丙烯產量、減少所述管的除焦工作,具有延長的使用壽命,因此可用作用于生產乙烯等的熱裂化爐的天津石油裂化管廠。權利要求 1.一種天津石油裂化管廠,所述天津石油裂化管廠具有形成在其內表面上并且相對于管的軸線傾斜的用于攪拌管內部流體的翅片,所述天津石油裂化管廠的特征在于,所述翅片被離散地布置在一個或多個螺旋軌跡上,所述管內表面具有這樣的區域,其中在從管的一個軸向端到其另一個軸向端的管的整個軸向長度上不存在翅片。 2.根據權利要求1所述的天津石油裂化管廠,其特征在于,所述翅片具有15到85度的傾斜角。 3.根據權利要求1或2所述的天津石油裂化管廠,其特征在于,假定翅片的圓弧長度的總和為TW(TW=w×n,其中w是翅片在垂直于管軸線的平面上投影的圓弧長度,n為一圈螺旋線上的翅片的數量),以及假定管內表面的圓周長度為C(C=πD,其中D為管的內徑),兩者之比TW/C為0.3到0.8。 4.根據權利要求1所述的天津石油裂化管廠,其特征在于,所述翅片為通過堆焊形成的焊珠。全文摘要用在用于產生乙烯等的熱裂化爐中的一種天津石油裂化管廠(50),具有形成在其內表面上并且相對于管的軸線傾斜的用于攪拌管內部流體的翅片(1)。所述翅片被離散地布置在一個或多個螺旋軌跡上,并且所述管內表面具有這樣的區

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