專利名稱：具有螺旋翅片的裂化管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在用于制造乙烯等的熱裂化反應(yīng)器中的裂化管，更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種裂化管，在所述裂化管的內(nèi)表面上裝有用于攪拌其中的流體的翅片，所述裂化管適合于最大程度地抑制壓力損失，同時(shí)有效地促進(jìn)熱量傳輸?shù)狡渲械牧黧w上。
背景技術(shù)：
通過加熱裂化碳?xì)浠衔?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(yīng)是通過將碳?xì)浠衔锊牧蠚夂驼羝氲皆O(shè)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(shí)將混合物加熱到反應(yīng)溫度范圍而執(zhí)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(gè)(直)管。
為了有效地執(zhí)行熱裂化反應(yīng)，在短時(shí)間周期內(nèi)沿管路的徑向向內(nèi)到其中央部分的方向?qū)⒃谒錾吖軆?nèi)部以高速流動(dòng)的流體加熱到反應(yīng)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(shí)間內(nèi)在高溫下加熱所述氣體的話，會(huì)產(chǎn)生過量的碳?xì)浠衔?甲烷、游離碳等)的輕質(zhì)餾分，或者裂化產(chǎn)物將經(jīng)歷例如縮聚反應(yīng)，從而降低期望產(chǎn)物的產(chǎn)量。加速的結(jié)焦(管內(nèi)壁上的游離碳的沉積)也將導(dǎo)致降低熱傳導(dǎo)系數(shù)，從而增加頻繁執(zhí)行除焦的需要。
因此實(shí)際上要在裂化蛇管的管內(nèi)表面上提供翅片作為用于攪拌管內(nèi)流體的元件。所述翅片的攪拌使得高速下流動(dòng)的流體產(chǎn)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(shí)間內(nèi)完成所述反應(yīng)，同時(shí)避免由于過度裂化而產(chǎn)生輕質(zhì)餾分。此外，管熱傳導(dǎo)系數(shù)方面的提高可降低管的溫度，從而產(chǎn)生提高管的使用壽命的效果。
圖12到14示出了裂化管上的翅片的研發(fā)示例(JP-A No.1997-241781)。
圖12示出了在相對(duì)于管軸線的恒定傾斜角下螺旋地連續(xù)延伸的翅片1。
圖13對(duì)應(yīng)于離散地形成的圖12的連續(xù)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(cuò)布置。
這些示例在攪拌管內(nèi)流體方面都具有較大效果，并且在將熱量傳導(dǎo)到管內(nèi)流體方面高度有效，同時(shí)由于流體的較大壓力損失而增大了管內(nèi)部流體的內(nèi)部壓力，從而伴有裂化操作在較低產(chǎn)量下產(chǎn)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(chǎn)生攪拌管內(nèi)部流體的充分作用并且不能獲得期望的熱傳導(dǎo)性能。
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是在保持促進(jìn)管內(nèi)流體的熱傳導(dǎo)效果的同時(shí)最大可能程度地抑制壓力損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種裂化管，所述裂化管具有形成在其內(nèi)表面上并且相對(duì)于管的軸線傾斜的用于攪拌管內(nèi)部流體的翅片，所述翅片被離散地布置在一個(gè)或多個(gè)螺旋軌跡上，所述管內(nèi)表面具有這樣的區(qū)域，其中在從管的一個(gè)軸向端到其另一個(gè)軸向端的管整個(gè)軸向長度上不存在翅片。
這種結(jié)構(gòu)的管適合于使得管內(nèi)部的流體的壓力損失最小化，同時(shí)允許螺旋翅片高效地將熱量傳導(dǎo)到內(nèi)部流體。


圖1是本發(fā)明裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的布置圖案的實(shí)施例。
圖2是本發(fā)明裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的布置圖案的另一個(gè)實(shí)施例。
圖3是本發(fā)明裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的布置圖案的另一個(gè)實(shí)施例。
圖4是本發(fā)明裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的布置圖案的另一個(gè)實(shí)施例。
圖5是本發(fā)明裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的布置圖案的另一個(gè)實(shí)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(shí)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(yàn)確定的測(cè)試管的熱傳導(dǎo)特性的圖表。
圖10是示出了通過試驗(yàn)確定的測(cè)試管的壓力損失特性的圖表。
圖11是用于總體示出測(cè)試蛇管的結(jié)構(gòu)的視圖。
圖12是傳統(tǒng)裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的圖案。
圖13是傳統(tǒng)裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的另一種布置圖案。
圖14是傳統(tǒng)裂化管的內(nèi)表面的展開圖，用于示出形成在管內(nèi)表面上的翅片的另一種布置圖案。
具體實(shí)施例方式
下面將參照示出的實(shí)施例詳細(xì)地描述本發(fā)明的裂化管。
圖1是管的內(nèi)表面的展開圖，示出了本發(fā)明所涉及的螺旋翅片的布置的實(shí)施例。
沿相對(duì)于管的軸向方向x在預(yù)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(diǎn)劃線示出了其中翅片沿軸向方向布置的區(qū)域ZA和其中不存在翅片的非翅片部分2的區(qū)域ZB。
在圖1的實(shí)施例中，沿每圈螺旋布置有四個(gè)翅片。表示螺旋的各個(gè)圈的螺旋線上的相應(yīng)翅片1、以及相應(yīng)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(nèi)表面的展開圖，示出了本發(fā)明所涉及的螺旋翅片的布置的其他實(shí)施例。
圖2示出了沿在傾斜角θ方面不同的連續(xù)螺旋軌跡形成的螺旋翅片。管路的區(qū)域I中的螺旋的傾斜角θI大于其區(qū)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(gè)區(qū)域ZA和ZB中。
圖3示出了提供了兩個(gè)螺旋軌跡的一個(gè)實(shí)施例。在相同的傾斜角θ下沿各個(gè)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(qū)域ZA中，非翅片部分21、22被布置在區(qū)域ZB中。
圖4示出了這樣一個(gè)實(shí)施例，其中沿兩個(gè)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(qū)域ZA中，而所有的或一些非翅片部分21、22被布置在區(qū)域ZB中。
圖5示出了這樣一個(gè)實(shí)施例，其中沿四個(gè)螺旋軌跡S1到S4形成螺旋翅片，并且沿各個(gè)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(yīng)的四個(gè)螺旋軌跡S1到S4上的翅片11到14的組被布置在區(qū)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(qū)域ZB中。區(qū)域ZA中的這些翅片11到14沿波形(由點(diǎn)劃線示出)被布置。
因此，依照?qǐng)D2到圖5的所有實(shí)施例，管內(nèi)表面具有區(qū)域ZB，在區(qū)域ZB中，從管的一個(gè)軸向端到其另一個(gè)軸向端的管的整個(gè)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(yīng)翅片之間的中心-中心距離的翅片間距。根據(jù)管的內(nèi)徑D適當(dāng)?shù)卮_定這些數(shù)值。
在具有例如約30到150mm的內(nèi)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(jù)螺旋的傾斜角θ和螺旋條數(shù)N，增大或減小間距p以用于調(diào)節(jié)(p＝E/N，其中E為螺旋線導(dǎo)程)。
翅片的高度H(從管內(nèi)表面的突出部分的高度)為例如管內(nèi)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(jù)管的內(nèi)徑D和沿每圈螺旋線分隔開的翅片的數(shù)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(gè)實(shí)施例，其中四個(gè)翅片被布置在一圈螺旋線上。假設(shè)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(shù)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(nèi)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(shí)允許螺旋翅片促進(jìn)對(duì)于管內(nèi)流體的熱傳導(dǎo)。如果該數(shù)值太小的話，促進(jìn)熱傳導(dǎo)的效果將被降低，而如果該數(shù)值過大的話，將導(dǎo)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(gè)示例。
管50由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備(未示出)水平地支撐并且可圍繞其軸線x旋轉(zhuǎn)。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(dòng)。
通過導(dǎo)管53將粉末(用于堆焊的材料)供應(yīng)到焊炬51，所述粉末在管內(nèi)表面上形成珠。通過管50的旋轉(zhuǎn)和焊炬51的水平移動(dòng)(沿管軸線的方向)間歇地執(zhí)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(gè)焊炬51如所示的那樣被安裝的情況下，沿兩個(gè)螺旋軌跡形成翅片。
可通過改變管50的旋轉(zhuǎn)速度、所安裝的焊炬51的數(shù)量、其水平移動(dòng)的速度、間歇施加等離子弧的周期等適當(dāng)調(diào)節(jié)所要形成的翅片的數(shù)量、傾斜角θ、間距p、翅片區(qū)域ZA的數(shù)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(gè)長度上，或者布置在管路的適當(dāng)部分處，例如，被布置在管路入口端附近的區(qū)域、其中間區(qū)域以及其出口端附近的區(qū)域的至少一個(gè)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(biāo))。另外，可適用于在所述管可應(yīng)用于其中的環(huán)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(jìn)一步描述本發(fā)明。
示例1制備測(cè)試管T1到T5并且檢查膜傳熱系數(shù)h(W/m2/K)和壓力損失dP(Pa)。
T1是本發(fā)明所涉及的測(cè)試管，而T2到T5是比較示例的測(cè)試管。表1示出了關(guān)于這些測(cè)試管的細(xì)節(jié)。
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(nèi)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(nèi)表面的圓周長度)。
試驗(yàn)條件如下所述測(cè)試流體空氣流體溫度(入口端)室溫雷諾數(shù)20000-60000壓力損失測(cè)量部分1000mm。
圖9(膜傳熱系數(shù)h)和圖10(壓力損失dP)中示出了測(cè)量結(jié)果。每個(gè)測(cè)量結(jié)果都是相對(duì)于測(cè)試管T5在20000雷諾數(shù)下其數(shù)值取作1.0(參考值)示出的。
圖9和圖10示出了本發(fā)明的測(cè)試管T1在傳熱特性方面可與具有連續(xù)螺旋翅片的測(cè)試管T2和具有離散螺旋翅片的測(cè)試管T3相當(dāng)，而在壓力損失方面可與測(cè)試管T4相當(dāng)。
然而，如稍后所述的，測(cè)試管T2和T3在壓力損失方面大于測(cè)試管T1，并且導(dǎo)致較低產(chǎn)量。
另一方面，測(cè)試管T4在傳熱特性方面劣于測(cè)試管T1，因此除較低產(chǎn)量以外還具有可能結(jié)焦的問題。
測(cè)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(yōu)于本發(fā)明的測(cè)試管T1，但是在傳熱特性方面很差并且還具有與測(cè)試管T4類似的產(chǎn)量和結(jié)焦的問題。
相反，本發(fā)明的測(cè)試管T1適合于確保最小化壓力損失，同時(shí)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(chǎn)乙烯的反應(yīng)器所使用的條件執(zhí)行熱流體分析，以便于確定所述蛇管內(nèi)流體的壓力損失和乙烯及丙烯的產(chǎn)量。
圖11中所示的蛇管包括這樣的管(直管部分)，所述管的內(nèi)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(cè)到下游側(cè)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(cè)試管T6到T9的結(jié)構(gòu)。
測(cè)試管T6是本發(fā)明所涉及的測(cè)試管，而測(cè)試管T7到T9是比較示例的測(cè)試管。至于翅片在管(直管部分)上的布置，測(cè)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(gè)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(xù)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(duì)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(gè)蛇管、蒸氣在420kg/h的流速下流過一個(gè)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(jié)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(chǎn)量。
表3

表4

(注)*絕對(duì)壓力表3示出了T6在管溫度方面與T7和T8可相當(dāng)，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(dāng)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(chǎn)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(chǎn)量較低。
工業(yè)應(yīng)用性形成在本發(fā)明裂化管內(nèi)表面上的螺旋翅片的布置使得所述管將所述管內(nèi)的流體的壓力損失最小化，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的乙烯及丙烯產(chǎn)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(chǎn)乙烯等的熱裂化爐的裂化管。
權(quán)利要求
1.一種裂化管，所述裂化管具有形成在其內(nèi)表面上并且相對(duì)于管的軸線傾斜的用于攪拌管內(nèi)部流體的翅片，所述裂化管的特征在于，所述翅片被離散地布置在一個(gè)或多個(gè)螺旋軌跡上，所述管內(nèi)表面具有這樣的區(qū)域，其中在從管的一個(gè)軸向端到其另一個(gè)軸向端的管的整個(gè)軸向長度上不存在翅片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂化管，其特征在于，所述翅片具有15到85度的傾斜角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裂化管，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(shù)量)，以及假定管內(nèi)表面的圓周長度為C(C＝πD，其中D為管的內(nèi)徑)，兩者之比TW/C為0.3到0.8。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂化管，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(chǎn)生乙烯等的熱裂化爐中的一種裂化管(50)，具有形成在其內(nèi)表面上并且相對(duì)于管的軸線傾斜的用于攪拌管內(nèi)部流體的翅片(1)。所述翅片被離散地布置在一個(gè)或多個(gè)螺旋軌跡上，并且所述管內(nèi)表面具有這樣的區(qū)域(Z
文檔編號(hào)F27D27/00GK1711340SQ200380103179
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者乾正弘, 濱田薰, 大坪憲司 申請(qǐng)人:株式會(huì)社久保田