带有内部有翼片的U形辐射线圈的高温分解炉

本发明涉及一种用于加热生产流体的烧制的加热器，例如生产加 热器。更具体地说，本发明涉及一种此类的烧制的加热器，包括至少 一个辐射部，在此通过其中的管件流动的生产流体最好由燃烧炉提供 的辐射能量间接加热。根据本发明使用的方法和设备尤其适用于和有 利于通常为液态或通常为气态的芳香族和/或脂肪族液态烃如乙烷、丙 烷、石脑油或气油的高温分解，以产生乙烯以及其他副产品如乙炔， 丙烯、丁二烯等。相应地，本发明将在液态烃高温分解范畴中描述和 解释，尤其是蒸汽裂化产生乙烯。

蒸汽裂化是目前使用最广泛的用于生产轻烯烃如乙烯、丙烯和丁 二烯的方法。乙烯、丙烯和丁二烯是用于制造高分子聚合材料的基本 的结构块化学材料以及商业上重要的化学中间物。在可以预计的将来 仍会持继对这些基本的结构块石化产品的需求。在用蒸汽裂化产生的 产品中，乙烯的需求量最大，而且分离和净化的成本最高。因此就非 常需要改进乙烯的生产或精选。蒸汽裂化涉及通常在一烧制的管状反 应器中进行的一热裂化反应。乙烯的反应器精选最好经过较短的停留 时间以及较低地液态烃局部压力。液态烃的进给原料从乙烷至真空煤 气油，而且反应在有稀度蒸汽存在的情况下进行。复杂的反应和管状 反应器在公开的专业领域和许多专利中广泛地进行过讨论。

液态烃的蒸汽裂化通过将蒸发的或基本蒸发形式的原料与大量稀 度蒸汽混合而提供至一裂化炉中进行。通常使反应混合物通过多个平 行的线圈或管件，多个平行的线圈或管件穿过裂化炉的一对流部，其 中热燃烧气体使原料和稀度蒸汽的温度升高。每个线圈或管件则穿过 裂化炉的一辐射部，其中许多燃烧炉提供给反应物所需的反应温度并 产生所需的反应的热量。

在所有的蒸汽裂化生产中一个主要的关注对象是焦炭的。当液态 烃原料经受在一蒸汽裂化炉中的高温状况时，焦炭沉积趋于形成在形 成裂化线圈的管状部件的内壁上。这种焦炭沉积与通过管壁流入反应 物蒸汽中的热量相冲突，结果产生较高的管件金属温度，最终到达管 件金属材料的极限。另外，焦炭沉积与反应物混合物的流动相冲突， 由于降低的管件横截面产生较高的压降。

以前改进乙烯精选的最佳方法是减少线圈体积同时保持热量传递 表面积。这通过用许多具有比大直径管较大的面积/体积比的小直径管 代替大直径的螺旋线圈而进行。这些管通常具有最大约7.6厘米(3英 寸)的内直径，一般为约3.0厘米至6.4厘米(1.2至2.5英寸)。

需要较短的停留时间导致使用较短的线圈，通常长度在几年间从 超过45米(150英尺)逐渐降至20米至27米(60-90英尺)，而且 最好为9米至12米(30-40英尺)。由于线圈的长度减小，就必须 努力减小管件直径以减小热流量以及管件金属温度。目前的裂化线圈 通常由高合金(25％铬，35％镍，以及添加剂)奥氏体不锈钢构成， 并在1030至1150℃(1900-2100°F)范围中的最大的管金属温度下 工作。

尽管显著改进了裂化炉的设计，此方法仍由产生沉积在线圈内部 中的一副产品焦炭的事实而限制。焦炭做为一绝缘体并增大线圈的管 金属温度。当管金属温度到达材料的最大容量时必须停止生产并对炉 除焦。这通常通过使一包含空气和蒸汽的混合物在高温下通过线圈而 进行。焦炭通过燃烧和腐蚀/脱落的组合而去除。其他的避免使用空气 的除焦技术也可以用于工业中。在此情况下焦炭主要通过腐蚀/脱落和 汽化作用而去除。不论使用何种除焦技术，某些脱落的焦炭为大块形 状。当管直径降低时，在除焦之前或其过程中大块焦炭堵塞线圈的可 能性增大。除焦通常花费12至48小时，这取决于许多因素，包括： 燃烧炉的设计，裂化的原料，除焦前的工作时间，以及使用的裂化严 重程度。

工业上已广泛寻求降低管金属温度(以及除焦率，或使要使用的 线圈停留较短的时间)的技术。一些设计者已采取大量的入口管脚线 圈以降低出口管上的热流量(如EP 0305799A1)。其它的技术试图通 过向反应物原料中添加小浓度的特定元素而防止在管中形成绝缘焦炭 层。

吸热较高的裂化反应的热传递可以由类似的方程Q＝UXAXΔT表 示。U是热传递系数，是管内气体速度的函数。较高的速度增大U， 则减小所需的ΔT(温差)，从而减小一给定的生产流体温度的管金属 温度。但是当速度增大时，压降增大，从而增大线圈的平均液态烃局 部压力。最终压力效应超过减少的停留时间效应，并进一步在速度减 小中增大乙烯的反应器精选。这样表示了U的一最大实际值。

整体面积(A)可以通过使用许多小直径管而增大，这在工业上 已很盛行，使得反应器的管的内直径在2.5厘米至3.8厘米(1.0至1.5 英寸)之间。由于制造限制这代表了一最小的实际直径，而且在这些 直径之下焦炭在管内的积累效果很严重。

在通常的热传递领域中增大内表面以改进热传递的原理是公知 的。但是将此原理应用在高温炼焦方面如蒸汽裂化中很困难。

但是，改进热传递以降低蒸汽裂化炉中的管金属温度有许多种。 一个例子(US 4,342,242)使用一特别设计的另外为圆形管横截面的 纵向插头。插头具有一中心体以及与线圈内部相接触的向外延伸的叶 片。在此公开文本中插头只位于燃烧炉中整个管状线圈的一部分中。 另一个例子(GB969，796)使用增大内部面积的内部圆形槽或翼片。 内部轮廓很光滑可以避免应力集中和流量扰动。在此公开文本中所述 的特殊管使得有四个通道通过辐射部并具有相对大的9.525厘米(3.75 英寸)的内直径。

此圆形内槽或有翼的管轮廓的各种变化已在商业上应用于特定的 线圈设计中。在一次美国化学工程师学会会议上发表的一篇文章(“特 制燃烧炉设计的蒸汽改良器和蒸汽裂化器”，T.A.Wells，1988年 ALCHE全国春季会议，Louisiana州新奥尔良，1988年3月6日至10 日)公开了在一单独的管通道设计中的一种伸长的内表面管。较长线 圈的入口管脚(EP 0305 799A1)以及为此设计的命名为SRT V(Energy Progress，1988年Vol.8，No.3，P160-168)的一参考文献使用了内部 伸长的表面。在后两种情况下商业应用基于内直径约为2.5至3.8厘米 (1.0至1.5英寸)而且其中具有圆形内部槽或翼片的管部通过燃烧炉 辐射部只有一个单独的通道。另一篇参考文献(“USC超级U高温 分解方法”，David J.Brown，John R.Brewer and Colin P.Bowen， AICHE全国春季会议，Florida州奥兰多，1990年3月)发表了关于 在入口管脚上带有内部翼片的管的数据。此文献表明在出口管脚上设 置翼片是有益的，但没有给出需要怎样的工作或设计参数以成功地证 明或使用出口管脚上的翼片。

但是此时尚没有表明一伸长的内部表面设计可以用于通常做成U 形管的两通道线圈中。这些两通道线圈通常总长为15米至27米(50 至90英寸)，而内直径在3.8厘米至6.4厘米(1.5至2.5英寸)的范 围中。两通道线圈可以短至13米(40英寸)。一个问题是不能使一 内部有翼的管足够长以形成完整的U形管。

一内部有翼的管可以只用于U形管的入口一半，就象在EP 0 305 799A1中所述只将内部翼片、柱栓或插头用于燃烧炉的入口管-而不 是出口。此文献公开了位于出口管中的插头可以起在高温分解过程中 用于形成的焦炭的成长的核心。但是最高的管金属温度在出口端产生， 这样有翼的管的优点不会应用到最需要的地方。可以将有翼的管应用 于线圈的出口管脚，但是带有来自入口管脚的焦炭块会变松而堆积在 有翼的部分的开始的危险。最后，工业上常规的方法是一弯曲的有翼 的管部会容易堵有从线圈的入口管脚脱落的焦炭。

根据蒸汽裂化炉中的热传递中的公知缺陷需要一种增加管内的热 传递的装置，以减小炼焦，管金属温度并改进乙烯精选。尤其是，它 会非常希望具有一两通道线圈或U形管的设计，使用一些具有增大的 内部表面积的装置，以降低在管全长范围的管金属温度。

本发明针对一种用于加热一生产流体的烧制的加热器，它提供增 强的内部热量传递表面以减小在U形管的入口管脚和出口管脚的管金 属温度，同时不易被焦炭堵塞。加热器包括一具有多个设置在其中的 U管的辐射部室，一将生产流体导入U管中的入口装置，一使U管的 外表面经受辐射热量的燃烧炉装置，一冷却和收集来自每个U管的生 产流体的出口装置，其特征在于，U管的长度上设有内部的通常为纵 向的翼片，其中U形管通过将一个或多个管状部相连而形成；而且至 少U形管状部相连而形成；而且至少U形管的同口管脚设有内部通常 为纵向的翼片，在一个实施例中U形管的整个长度上设有内部的通常 为纵向的翼片。

下面参照附图、说明书和权利要求将可以更好地理解本发明的这 些以及其他特征、方面和优点。

图1表示一蒸汽裂化炉的三维图，示出一典型的内部设置。

图2示出一整体的U形炉管。

图3示出有翼的U形炉管的一剖视图。

本发明描述了一种用于如热一生产流体的烧制加热器。更具体地 本发明涉及一种用于加热一生产流体的烧制加热器，由于加热的结果 而产生的化学反应使其易形成焦炭。本发明的一特定实施例是用于制 造烯烃的石化工业中的一蒸汽裂化炉。

参见图1，进给蒸汽9在进入辐射部入口分配器12之前通过一个 或多个入口管9进入对流部10，在入口管9中蒸汽由温度最好在从约 1500°F至约2400°F的热燃烧气体最好预热至从约800°F至约1500°F。 预热后的进给蒸汽从辐射部入口分配器12进入位于辐射部室16中并 在辐射箱领域中公知的U形管14(以下称为U管)中。

辐射部室16通常衬有隔热的耐火材料以保存热能。

辐射部室包括多个U管。U管的端部与一个或多个将生产流体导 入U管中的进给入口分送器12相连，U管的端部称为入口管脚20。 每个U管称为出口管脚的相对端连到出口管座26上，用于在生产流 体已被加热并且热裂化反应已进行后收集生产流体。生产流体的温度 通常以从约1300°F至约2000°F的温度离开U管的出口管脚。从此处 生产流体经过冷却生产流体的急冷交换器27，从而停止热裂化反应。 在图1未示出的另一实施例中，每个U管的出口管脚直接与分别的急 冷交换器相连以冷却生产流体。而每个分别的急冷交换器的出口则与 一出口管座相连。这样一种结构在本领域中称为一紧耦合传送管交换 器。在图1中未示出的另一实施例中，每个U管的出口管脚连到一急 冷点，在此生产流体直接与一蒸发以冷却生产流体的一急泠流体接 触。

为了本发明的目的，当从如图2的一二维图中看去时U管有些类 似字母“U”形。一限定特征是U管有效地以两个通路通过辐射室。U 管包括一入口管脚20、一出口管脚22以及一连接入口管脚20和出口 管脚22的弧形或弯曲部21。在其他的实施例中出口管脚可以由一个 或多个分支部构成。在其他的优选实施例中入口管脚20可以由多于一 个的分支部构成。在本领域中有许多公知的方法将多个U管设置在一 辐射室中。本领域的专业技术人员可以在选择布局时考虑空间布置、 炉子的位置、入口管座和出口装置的位置以及U管自身上的热应力。 在某些布局中每个分别的U管位于一个平面中。在其他布局中U管弯 出平面。所有这些布局都认为是实现本发明目的的U管。

辐射部室包含多个燃烧炉28，用于使U形管的外表面经受辐射 热量。可以使用许多本领域中公知的燃烧炉，包括原煤气炉或预混炉。 最近的设计还额外使用许多废气再循环技术，以为了环保因素减少形 成NOX。燃烧空气可以来自周围的空气、预热的空气或来自涡轮排出 的气体。

U管的整个长度最好是20米至27米(60至90英尺)。由于很 难在所需的20米至27米(60至90英尺)长度范围中制造内部有翼 的管，需要用至少一个中间焊接部将两部分连接起来。如在US 4,827, 074中所述，中间焊接部是公知的加速沉积焦炭的一潜在原因。在一 优选实施例中此潜在焦炭沉积在U管中最小，其中一个中间焊接部位 于U管的弧形部的底部，并且将U管设置成焊接部由相邻的管挡住直 接辐射。在另一实施例中焊接区可以由隔绝材料包住。

可以使用或者公知的冷弯或者导热弯曲技术将内部有翼的管在U 管底部弯成所需的半径。

如果U管通过连接两个或多个管部形成或形成为一整体件，最好 有翼U形管的整个长度设有内部的通常纵向的翼片。另一个实施例可 以将翼片只设置在出口管脚上。在还一个实施例中翼片设置在U管的 弧形部和出口管脚中。

图3示出了设有翼片的一U管的一横截面。外管直径50位于1.75 英寸至4.5英寸(4.4厘米至11.4厘米)的范围中，最好是2.0至3.0 英寸(5厘米至7.6厘米)。限定成在翼底54和翼顶56之间的距离的 翼片高度52位于约0.05英寸至约0.4英寸(0.13厘米至1厘米)的范 围中，最好是0.1英寸至0.2英寸(0.25厘米至0.5厘米)。在一个实 施例中翼底半径和翼顶半径相对。限定成通过管中心从翼底到翼底的 距离的内直径62位于从约1.25英寸至3.0英寸(3.2厘米至7.6厘米) 的范围中，最好从1.5至2.5英寸(3.8厘米至6.4厘米)，最好从2.0 英寸至2.5英寸(5厘米至6.4厘米)。必要地提供改进的热传导而不 会有太大的压降并且还不会堵塞的翼片高度和内直径的比例最好在从 0.05至0.20的范围中，更好地是位于从0.07至0.14的范围中。

通常纵向的翼片可以是在U管的整个长度上是直的，或者是类似 于一筒中来复线的螺旋形。后一种纵向翼片设置也称为螺旋纵向翼 片。

当需要多个一个部分以形成U形管时，翼片最好在每个连接处对 齐以减小焦炭颗粒落入翼片边缘之间的可能性。

实例

进行了一个试验方案以确定是否可以克服所需的缺陷，并且是否 可以将增大的内表面区的优点实施到一U管蒸汽裂化炉设计中。

在一出售的蒸汽裂化炉的四分之一部分中安装有二十二个内部有 翼的U管(总共88个U管)。原料炉是从天然气分离装置中回收的 工业乙烷(98％的乙烷)。这样在炉中U管的主要部分保持为常规的 圆形截面管，而同时根据本发明管的四分之一具有直的纵向翼片。这 样提供了在有翼的管与常规的圆形截面(裸)管之间性能的直接对比。 图3可以用于描述在有翼的管的试验的四分之一部分中的U管的翼设 置。U管的外直径50是2.75英寸。U管的内直径62是20英寸。有12 个翼片。翼片高度52是0.16英寸。翼底半径58和翼顶半径60都是0.16 英寸。翼片高度与内直径的比例是0.08。

由于很难使内部有翼的管位于所需的65英尺(20米)长度，需 要一中间焊接部。此中间焊接部位于每个U管的底部上，在此它由相 邻的管挡住直接辐射。翼片在此连接部对齐。

U形线圈的弯曲部不易堵塞，这在现有技术中已提及。在12个 月的试验方案中没有观察到突然增大的压降。

内部有翼片的管降低了管金属温度。试验线圈使焦油沉积在相同 的蒸汽裂化炉以相同的原料比常规圆形横截面(裸)管慢许多。

                          表1

                       压降

             (辐射入口-辐射出口)

工作日期                          ΔP，巴

                  裸(常规)管                有翼的管

0.5                  0.28                     0.28

2.5                  0.43                     0.36

4.5                  0.52                     0.38

8                    0.75                     0.38

11                   0.83                     0.38

15                   0.90                     0.40

21                   1.48                     0.50

表1示出与工作的天数有关的U形线圈的压降，工作天数是自从 最后一次除焦的日期。压降越高，形成的焦炭的厚度越大。此表将裸 (常规)管与有翼的管进行比较。从数据中可以看出，在工作过程中 裸管比有翼的管压降增大的更显著，表明在裸管中焦炭厚度更大。而 且显著较低的有翼管的压降明显表示在运行过程中没有堵塞产生。

                        表2

                    管金属温度

工作日期                      管金属温度，℃

                    裸(常规)管             有翼的管

0.5                   1016                   1004

2.5                   1031                   1003

4.5                   1037                   1007

8                     1048                   1016

11                    1050                   1022

15                    1041                   1018

21                    1056                   1028

平均                  1040                   1014

图2示出用一红外高温计测量的也为生产日期函数的最大管金属 温度。如前所述降低最大管金属温度至关重要。在有翼片的管与常规 (裸)管整个运转过程中管金属温度很低，平均约26摄氏度(47华 氏度)之低。

另外内部有翼片的管需要比常规的圆形横截面的管更少的时间用 于脱焦。对于乙烷裂化常规的(裸)管需要8至10小时的范围用于脱 焦，但有翼的管需要4至5小时。

当不希望限制在一特定的工作原理中时，由本发明所述构造的有 翼的U管在每个翼片处在焦炭层中为断裂区做准备，这样小块的焦炭 在脱焦过程中特别容易从管内侧中脱落或分离。同常规的裸管相比这 具有两个非常重要和意想不到的效果。首先，这使得除焦过程很短， 从而使很快就能使炉子投入完全的生产工作中，这样对操作者提供了 显著的经济效益。第二，断裂区最好只形成相对较小的焦炭颗粒，它 们不会堵塞或堵住管件，即使管件直径较小在1.2至2.5英寸的范围中 并且甚至“U”的弯曲或弧部在通道的U管中也是如此。

根据本发明操作一带有内部有翼的U管的炉子的一优选方式是焦 炭层积累不是很大，以有利于小块焦炭的脱落。最好平均焦炭厚度不 超过约为翼片高度的1.5倍。在一操作高温分解炉中焦炭厚度可以由 本领域的专业技术人员从炉子的工作数据以及原料的裂化特性常识中 估计出。基于测量的管金属温度公布、辐射室内管的测量的压降、焦 炭的已知的或测量的密度以及导热率计算出焦炭厚度。本领域的专业 技术人员可以使用在已知的流体流动和热传导方程中的上述测量参考 估计出在一操作炉中的焦炭厚度并相应地安排好除焦过程。

尽管参照特定优选的实施例详细描述了本发明，但也可以有其它 的实施例。因此，本发明的宗旨和范围不限于此处优选实施例的描述。