[發明專利]一種基于場協同效應的裂解爐管

無效

• 申請號: 201010169607.4
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101824333A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 曾力丁;涂善東;朱冬生;張慧;于洋
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C10G9/20
• 分類號: C10G9/20
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 談順法

技術領域

本發明涉及一種用于乙烯裂解爐或其它管式裂解爐輻射段的爐管，尤其涉及一種能夠改善管內物料的流動狀態，強化傳熱、傳質效果，并能夠促進裂解反應，提高目標產品收率，減少結焦產生的裂解爐管。

背景技術

管式裂解法是目前乙烯生產的主要方法。采用管式裂解爐生產的乙烯約占世界乙烯總產量的99％以上。一般認為，對乙烯裂解反應而言，較高的溫度、較短的停留時間、較低的烴分壓有利于目標產物(乙烯、丙烯)的生成和抑制副反應的發生。由于，原料裂解所需的熱量通過管壁傳遞給裂解物料，裂解溫度顯然受到輻射管管壁溫度的制約，而管壁溫度又受到金屬材料耐熱性能的限制。近年來，由于乙烯生產企業和冶金技術研究單位的努力，乙烯裂解爐管耐受溫度已提高到1150℃左右，但繼續提高十分困難。

由于物料流動過程中，物料主體以湍流方式流動，溫度相對均勻，而貼近管壁處存在一個以層流方式流動滯流薄層，層流中熱量主要以熱傳導方式通過，管內傳熱阻力絕大部分集中在滯流薄層中，研究表明，在光滑圓管中，管壁處溫度與流體主體溫度相差200～300℃，導致的后果是貼近管壁處溫度高，流速慢，裂解反應速度快，但同時也容易發生結焦；而主體部分溫度較低，裂解反應較慢，造成目標產物收率低。

為了解決上述問題，眾多乙烯生產企業和科研機構對乙烯裂解爐管結構進行了改進，主要從兩方面入手：一是增大爐管的傳熱面積：如Kellogg公司開發的單管程小直徑管；日本三菱公司開發的橢圓管；Lummus公司的8翅內螺旋梅花管；Exxon公司的直型梅花管。二是采用擾流措施，破壞貼近管壁的滯流層，減少傳熱阻力。如LG化學株式會社、中國北京化工研究院開發的內置扭曲片的乙烯裂解爐管。其最終目的是強化傳熱，使管內物料溫度趨于均勻。

通過增大管內傳熱面積的方法雖然減小了管內的徑向溫差，但由于傳熱面同時也是結焦位置，流通截面的縮小和造成了對結焦更為敏感，因而清焦周期縮短，不利于裂解爐的運行。

通過在管內增加擾流子的方法，提高了管內物料的湍流程度和對管壁的沖刷，在一定程度上縮小了管內的徑向溫差，有利于減弱結焦的生成，但管內擾流子占據了管內的有效容積，且管內流動阻力顯著增大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于乙烯裂解爐輻射段的爐管，該爐管不僅能夠改善管內的傳熱效果，更為重要的是，通過改善物料流動狀態，使管內物料中反應物和產物按照符合熱負荷需要的方式進行分布，從而提高目標產物收率、減少結焦、降低管壁溫度，提高爐管壽命。

本發明的技術原理在于：乙烯裂解原料在管內流動過程中，貼近管壁處形成一個滯流薄層，在這個滯流薄層中，熱量只能通過熱傳導方式傳遞，因而需要很大的溫差推動力，管內的熱阻主要集中在這個滯流薄層中，乙烯在裂解過程中，大分子的反應物被分解成小分子的產物，從而在局部形成密度不同的流體微團，在螺旋導流槽的作用下，物料流動形成螺旋形的二次流，螺旋流動首先在管壁附近產生，進而由于氣體之間的作用帶動整個流道的氣體呈螺旋流動。由于二次流產生的離心作用，反應物濃度較高、密度較大的流體微團向管壁方向運動，而產物濃度較高、密度較小的流體微團向管子中心方向運動，形成了具有一定濃度梯度的濃度場。由于反應所需的熱量是由管壁向管內傳遞的，因而靠近管壁處溫度較高，有利于反應的進行，而遠離管壁處溫度較低，不利于反應進行，因此，螺旋形二次流的產生促進了乙烯裂解反應的進行，即形成了流場、濃度場與溫度場的場協同效應。同時，導流槽的凸起對貼近管壁流動的滯流層起到擾流、破壞作用，因此減少了傳熱阻力，使管內流體的溫度更接近于管壁溫度。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于場協同效應的裂解爐管，其特征在于，一根管壁上均勻分布有一條或多條向內凸起的導流槽1的裂解爐管2，導流槽1沿爐管軸向呈螺旋形分布，裂解爐管2沿物料流動方向，依次為引導段L1和穩定段L2，引導段L1長度為管內徑的5～50倍，在引導段L1，螺旋角α(螺旋導流槽與爐管軸線的夾角)是逐漸、連續增大的，其變化范圍在0～60度之間，進入穩定段后，螺旋角α是恒定的，并與引導段末端的螺旋角角度相同。

上述技術方案中，導流槽1的條數優選為1～16條。

上述技術方案中，導流槽1的螺旋方向可以是向左旋轉的，也可以是向右旋轉的，位于同一徑向截面的導流槽1的螺旋角度是相同的。

上述技術方案中，導流槽截面形狀為向內凸起的圓弧狀或橢圓弧狀，其弧長不超過圓或橢圓的二分之一。導流槽1管內壁凸起的高度不超過管內徑的1/6。

上述技術方案中，管內壁導流槽1與管壁相連部位是光滑過渡的。