（化学工程专业论文）乙烯裂解炉炉管强化传热研究.pdf

中文摘要 本文对于在裂解炉管中分段加入带有扭曲片的整铸管的强化传热方法进 行了实验研究及模拟计算。 冷模实验结果表明：在扭曲片管中心区域，高雷诺数下的无量纲速度分 布小于低雷诺数下的数值，轴向速度沿管径的分布比圆管内的平坦些；近壁 区域，高雷诺数下的无量纲速度分布高于低雷诺数下的数值，速度梯度比圆 管内的大。加装扭曲片管后会增加管压降，但相对整个管长来说，物料压力 沿着管长方向的变化仍是均匀的。 考察了石脑油在不同裂解条件下，应用扭曲管后对裂解炉管壁温度、废 热炉出口温度及乙烯收率的影响，实验结果表明：加装扭曲片管后，裂解炉 辐射段炉管管壁温度( t m t ) 下降2 0 以上，主要产品收率变化不大，废热 炉出口温度较低且变化趋势平缓。 基于网格生成方法划分扭曲片管的计算区域，以此进行模拟计算得到了 最佳扭曲比及平均阻力系数与雷诺数的关系，计算结果与实验结果吻合。 关键词：扭曲片裂解炉乙烯模拟计算强化传热 a bs t r a c t an e wp r o c e s so fi n t e n s i f y i n gh e a tt r a n s f e rb yp l a c i n gs e v e r a ls e c t i o n so f s h o r ts p e c i a l l yf o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c e sw a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e da n d a n a l o gc o m p u t e di nt h et h e s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ti nc e n t r a la r e au | u 。o f h i g hr ew a s l e s st h a ni to fl o w e rr ea n da x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i n gw a ss m o o t h e rt h a ni ti n c i r c i n a lt u b e ，w h i l ei nn e a rw a l la r e a ，u u 。o fh i g hr ew a sb i g g e rt h a ni to f l o w e rr ea n dv e l o c i t yg r a d sw a sb i g g e rt h a ni ti nc i r c i n a lt u b e 心i nt u b e i n c r e a s e dw h i l ef o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c ew a si n s t a l l e d ，w h e r e a sp r e s s u r e d i s t r i b u t i n gw a s s t i l le v e na l o n gt h ed i r e c t i o no ft u b a ll e n g hf o rt h ew h o l et u b e t h ee f f e c t so ff o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c eo nt m to fc r a c k i n gf u r n a c e ， o u t l e tt e m p e r a t u r eo ft l e ，a n dt h ey i e l do fe t h y l e n ea td i f f e r e n tc o n d i t i o no f n a p h t h ac r a c k e dw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt m td e c r e a s e db y2 0 c m o r e ，t h e y i e l do fl e a d i n gp r o d u c tc h a n g e dl e s s ，o u t l e tt e m p e r a t u r eo ft l ew a s l o w e ra n di h ev a r i a t i o n a lt r e n do fi tw a ss m o o t h b a s e do ng r i d d i n gp a r t i t i o n ，t h ec a l c u l a t e da r e ao ff o r g e dt u b ew i t ht w i s t e d s l i c ew a sp a r t i t i o n e d b yt h i sm e a n st h eo p t i m a lya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n fa n dr e w e r eo b t a i n e d t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n sa g r e e d w e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：t w i s t e ds l i c e ，c r a c k i n gf u r n a c e ，e t h y l e n e ，a n a l o g c o m p u t a t i o n ，i n t e n s i f i e dh e a tt r a n s f e r 符号说明 大写英文字母 a d k m t m s q 心 r r e s t u 小写英文字母 b h q r t x y 希腊字母 f 下标 o 1 符号说明 导热面积，聊2 管径，m m 导热系数，j ( m 寸研 角动量，船m 轴动量，蟾m 传热量， 压降，励 管半径，m m 雷诺数 旋流数，m m - 。 热流体温度，口 管内当地速度，m s 管壁厚度，m m 对流传热系数，j ( m 寸 二) 阻力系数 y 方向上的导热量， 距离壁面的距离，m m 冷流体温度， 管长，m 扭曲比 局部阻力系数 来流的 外壁的 4 8 符号说明 内壁的 冷的 热的 各部分 扭曲片 壁面 合并的 平均轴向的 切向的 4 9 2 c h。 s w 刚 钾e 独创性声鹞 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研冗工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁盎叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：玄1 土盾l 签字日期： ) d d6 年乎月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位话又的规定。 特授权一苤叠蠢鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检 索，并录用影印、缩e ，或扫描等复制手殷保存，汇编以供套闻翮供阊：同管兰榜 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：专、1 辜伞 导师签 签字日期：7 蚰6 年舍月) 、7 曰签字日期：沁y g 年参月乃 | i 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 强化传热技术概述 热量传递问题普遍存在于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域以及航 空、电子、核能等高科技领域。对流换热的应用极为广泛，对它的研究也就不断 地深入和发展。为了降低换热设备的重量，减少换热设备的体积，节能降耗，应 力求强化传热过程。强化传热研究的主要任务是提高热量传播的速率以达到用更 经济的设备来传递规定的热量，或是用更有效的冷却途径来保护高温部件的安全 运行，或是用高的热效率来实现能源的合理利用【l - 3 1 。正因为如此，强化传热不 仅在工业生产中有着十分广泛的应用，而且起着重大的有时甚至是关键性的作 用，一直是现代热科学中十分引人注目的研究领域。 关于传热强化技术的最早文献可以追溯到1 8 6 1 年焦耳发表的关于冷凝器水 侧换热强化的实验报告，在此之后的近百年里，由于工业生产对传热强化的要求 。不是十分迫切，因而这方面的研究进展缓慢。从二十世纪5 0 年代中期以后，面 对能源短缺，为降低成本减少能耗，人们对传热强化研究的兴趣越来越关注。从 上世纪7 0 年代末开始，传热强化研究开始蓬勃发展，在强化传热机理实验，数 值研究和应用等方面发表了大量文献，一批新型的、高效和实用的强化传热技术 申请了专利，这种繁荣的研究景象一直持续至今。目前传热强化已成为传热学研 究和发展中的一个极为重要的组成部分每年可检索到的有关文献稳定在4 0 0 多篇，约占传热研究文献总数的1 0 以上。 每种强化传热技术都有与之相对应的强化传热机理，例如，翅片被认为是在 低换热系数一侧的流体中扩展了传热表面积、扰流和旋流元件、机械搅动和表面 振动等可被统一认为是改变了流体的流动特征，从而加强了传热介质之间的掺混 或混合程度，或者在湍流对流换热中破坏了边界层，但由于影响因素纷繁复杂， 涉及的应用范围十分广泛，技术和评价准则多种多样，传热强化的技术研究通常 是针对某种具体强化方式作各种参数下的性能实验和计算分析，并归纳出适用于 第一章文献综述 一定范围的经验公式以供工程设计使用。在对流换热强化中，研究人员通常是针 对某种具体的强化技术，如扰流和旋流元件睁9 1 ，扭曲管壁 1 0 - 1 2 】，搅拌和振动【1 3 】等，并在可实现的范围内变动其中的参数，如扰流元件的高度、直径和形状、 旋流元件的角度、数目和布置间距等，以便最大可能地覆盖具有不同特征的流态， 然后，依靠数值计算或实验来获得强化性能，以期认识它们各自的适用场合( 是 用于高粘度还是低粘度流体、层流还是湍流等) 。顾维藻掣1 1 ，b e r g l e s 2 l 和w e b b 1 5 】 较为详细和系统地探讨了各种强化技术的机制、特点、性能和适用场合。 目前国际上已研究和开发出上百种的传热强化技术，但所研究和应用的强化 传热技术存在一个普遍问题，即传热强化的同时，阻力损失也增加很多，因此阻 碍了很多强化技术的普遍应用。我国学者和科研技术人员在强化传热方面做了大 量的工作【1 6 3 6 1 ，特别是近年来在理论和机理研究的基础上发展了一些新的强化技 术，如纤毛肋强化管 3 7 - 3 9 1 、液体诱导振动弹性管柬f 联m 】等。过增元和其他学者在 传热传质控制和强化的基础研究工作中，提出了传递过程控制和强化的新概念和 新方法【4 3 - 4 4 1 ，成为第三代传热传质技术的理论基础之一。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国经济发展迅速，而能源生产的发展相对要滞后得 多，面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求， 节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来也取得了显著的成绩。1 9 8 0 年到2 0 0 0 年，中国经济年平均增长9 7 ，而能源消耗的年增长仅为4 6 ，节 能降耗年平均达5 f 4 5 】。九五期间，我国每万元国内生产总值( g d p ) 能耗( 1 9 9 0 年价) 由1 9 9 5 年的3 9 7 吨标准煤下降到2 0 0 0 年的2 7 7 吨标准煤。累计节约和 少用能源达4 1 亿吨标准煤，主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降，按“九 五 期间直接节能量计算，节约的能源价值约6 6 0 亿元，节约和少用能源相当于 减排二氧化硫8 2 0 万吨，二氧化碳( 碳计) 1 8 亿吨【划。尽管如此，当前中国在 能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比，还存在较大差距，能源节约还 有很大的潜力。 纵观其发展，传热强化的研究自始至终有着明确的目标和广泛的应用背景， 表现出高速度、实用性以及不断迎接高技术发展的挑战等三个突出特点h 7 - 4 8 1 。现 代科学技术的飞速发展和能源的严重短缺对传热强化不断提出新的要求，使得研 究深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，甚至成为某些高新科技中的关 2 第一章文献综述 键。随着世界能源出现短缺和人们环保意识的增强，节能已成为经济可持续发展 的重大需求。我国的节能技术的应用远落后于发达国家，实用的高效强化传热技 术，在工业应用中具有广阏的前景，强化传热技术在石油、化工和能源等领域的 应用，将带来巨大的经济和社会效益。 1 2 强化传热的原理 对于导热现象，可采用傅立叶定理( f o u r i e r sl a w ) 描述： qd t i = 一庀 a d y 式中：q 1 方向的导热量 a 垂直于y 方向的导热面积 k _ 物质的导热系数 孚温度梯度 砂 负号表示传热方向和温度梯度方向相反 从傅立叶定理可以看出：增大导热量可以通过增大导热系数k 、传热面积a 和增大温度梯度来实现。对于裂解炉辐射段炉管而言，由于炉管材质确定后，物 质的导热系数k 就已经确定，因此，早期的强化传热技术基本是通过增大另外两 相的值得以实现。 对于间壁冷热流体的传热可以分为三部分，若热流体的温度为t ，冷流体的 温度为t ，t 。和t w 分别为热壁和冷壁的温度，l l c 和h h 分别为冷流体和热流体的对流 传热系数，k 为管壁的导热系数，b 为管壁的厚度，三部分的传热方程分别为： 热流体通过对流传热将热量传递给热管壁，其传热量为： q 。吐q 咿刮= 竿= 竿 ( 1 - 2 ) 忽4允4 壁层的热传导，其传热量为： q = 鲁q 眠小孕= 等 ( 1 3 ) l , 。k a 。 第一章文献综述 通过对流传热将热量由冷壁传递给冷流体，其传热量为： q 3 = 啦( t w - t ) = 1 w l - - t = 竿( 1 - 4 ) h h 4h , a 2 对于稳态传热的圆管，有q = q 严q z = q 3 ，由式2 - 2 、2 - 3 、2 _ 4 得： q = 半将= t * ( 1 - 5 ) + + 一一+ + 一 办。a lk a 。魂4吃4i r a 。h h a 2 总的传热量可以表示为： q = k 幸a 木( 丁一f ) 比较式( 1 5 ) 与( 1 - 6 ) 有： l么b a a 一= + + 一 k 魂彳l c 4 。吃4 对圆管内表面有：鲁= 妾、 生：拿、a a 2 ，于是： a md m 1 i d ，b d ，i 一= 上+ 二+ k | j z l 盔砜恐 ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) 以上式中：a l 、a 2 、a m 、a 分别为管外壁换热面积、管内壁换热面积、当量 换热面积、对应与k 的换热面积。 按照普兰特边界层流动理论，当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴在壁面的 一层极薄的流体，将附着在壁面不滑脱，即是说靠近壁面的流体的流速为零，在 流体流动主体和壁面之间存在一个流动边界层，这个边界层虽然很薄，但实际情 况已经证明，它的传热阻力却非常大，只要通过边界层，热量就可以迅速传递到 主体物流中心，因此减薄边界层可以有效的增加传热。 对一个表面没有结焦和结垢的炉管而言，由于总传热系数k 已经确定，强 化传热由于受到管材耐温等级本身的限制，不可能无限增加。但是，由于有裂解 炉管内壁处边界层的存在，势必会在裂解过程中会不断的有焦逐渐沉积并附着在 裂解炉辐射段炉管的内表面形成一层致密的焦层，这种焦层的热阻和边界层的热 阻样较大，增大了式( 1 8 ) 中的第二项，因此强化传热就成为可能，我们可以通 过减薄结焦层的厚度，增大热传导系数，从而减少结焦的可能，达到强化传热的 4 第一章文献综述 目的。 1 3 裂解炉管构型概述 裂解炉辐射段反应炉管构型对烃类裂解制乙烯的技术水平影响很大。根据前 人的研究结果可知，高温、短停留时间和低烃分压有利于生成乙烯、丙烯等目的 产物的反应。而要达到上述条件，关键是要采用合适的反应炉管构型。因此，自 6 0 年代以来，从事乙烯裂解技术开发的公司均投入大量的人力和物力，致力于 高选择性裂解炉管构型的开发。他们将裂解化学机理、传热学、流体力学、材料 学与工程技术结合在一起，推出了一代又一代裂解炉管构型，使裂解选择性不断 提高。其总趋势是通过适当缩小管径来提高比表面积和采用变径、分枝管、提 高材料耐温等级及采用各种强化传热手段以提高裂解温度，减少反应炉管长度和 提高质量流速来缩短裂解反应停留时间，降低炉管出口压力和炉管阻力降来降低 烃分压，从而达到提高裂解选择性的目的。 管式裂解炉的发展经历了几个不同的阶段，早期的管式裂解炉为水平管式裂 解炉，1 9 6 4 年l u m m u s 公司推出了第一台立管式双面辐射的管式裂解炉，这种 管式裂解炉的推出，使得裂解炉辐射段炉管的受热均匀性大大改善，而且使裂解 温度大幅度提高，停留时间大为缩短，基本上具有了现代先进裂解炉的基础。从 那时开始，工程技术人员在不同的时期因为当时的具体情况而在裂解炉的设计和 改进上也相应采取了不同的策略，6 0 年代裂解炉技术的改进主要是提高产率和 选择性，7 0 年代由于油价上涨，重点转移到了高能量和效率上，8 0 年代的技术 改进是缩短反应停留时间，提高装置效率，9 0 年代，裂解炉设计的重点又转移 到降低投资上。各从事裂解技术研究和开发的单位为了适应所处时期的需要，推 出了各种各样的炉型。 各公司推出的裂解炉管构型结构不尽相同，但可以分为多程等径管、多程分 枝变径管、二程分枝变径管、不分枝变径管及单程小直径管等几大类，高选择性 炉管的裂解温度控制在8 5 0 c 一9 0 0 。c ( 石脑油原料) ，停留时间0 3 s 以下。裂解反 应炉管大多采用光滑圆管，通过改变管径、管程数， 每程炉管的根数等组合方 式来改善辐射传热，其结构今后还会有所改进，但总的来说其潜力已经不大。因 此从8 0 年代中期以来，许多公司又研究推出了采用不同结构的异形管，或在圆 第一章文献综述 管内外增加强化传热构件来提高炉管传热速率的新型炉管构型，这些新炉管有些 在工业上已经应用，并获得了良好的效果。如l u m m u s 公司在1 9 8 7 年推出的 s rt - _ v f 型炉，就是将二程分枝变径8 1 型炉管的第一程炉管由圆管改为螺旋梅 花形状的炉管，结果不但增加了第一程炉管的传热面积，也改善了炉管内物料的 对流传热，目前，国外已有9 套装置采用此种构型的裂解炉炉管，乙烯能力达到 7 0 0 万吨年f 4 9 。据介绍，此种构型的炉管可使通过管内壁的热流量增加3 3 ， 管内壁温度可以降低1 0 。c ，而炉管的阻力降仅增加0 0 7 5 m p a ，这就为提高炉 管的处理量、缩短停留时间和提高裂解的选择性提供了基础。k e l l o g g 公司在8 0 年代末期推出的新型毫秒炉也是将单程小直径圆形炉管改为内壁为8 翅的梅花 螺旋形炉管，结果不但改善了裂解选择性，增加了炉管的处理量，也使裂解炉的 运转周期由7 1 4 天延长到2 0 天以上【5 0 】。这种新型毫秒裂解炉已在世界上多套 装置上采用，我国兰州石化公司在乙烯装置改扩建的新增乙烯裂解炉中，也应用 了此种新型毫秒炉管；e x x o n 公司在他们开发的超低停留时间l r t - 2 炉上也采用 了梅花螺旋形管，对提高运转周期、强化传热提高炉管处理量，其效果是很明显 的【5 。此外，l u m m u s 公司还推出了在辐射段炉管的前段炉管内增设内肋条，管 外增加钉头的强化传热炉管专利，可以使生产能力提高1 0 。近几年，k u b o t a 公司推出的m e r t 炉管在9 0 年代市场占有率较大，从1 9 9 6 年开始到2 0 0 0 年， 已经在日本、韩国等地的4 4 台裂解炉上使用此种炉管。据他们提供的数据，该 炉管与光管相比，传热系数提高2 0 - - 5 0 ，内表面积增加2 ，压降增大2 3 5 倍，相同裂解深度下，装置的运行周期为光管的2 倍。 我国对裂解炉管构型的研究起步较晚，从1 9 8 4 年开始，中国石化公司组织 北京石化工程公司、北京化工研究院、化工机械研究院共同开发了两程分枝变 径的2 一l 型及4 1 型炉管结构的c b l 型裂解炉，并在辽化、齐鲁、抚顺、吉化、 中原、天津、燕化先后建成并投产了年产乙烯2 0 、3 0 、4 5 、4 0 、6 0 万吨年的 c b l i 、i i 、型工业裂解炉9 台和利用c b l 裂解炉技术改造了数台裂解 炉，新近与l u m m u s 公司合作开发的我国目前单台炉生产能力最大的裂解炉2 台l o 万吨乙烯年的大型裂解炉已经顺利投产，目前正在进行1 5 1 8 万吨乙烯 年的特大型裂解炉的开发，其技术水平达到了世界同期裂解炉的先进水平。 目前国外用于裂解炉辐射段炉管强化传热的方法中，有些方法已经在工业生 6 第一章文献综述 产中应用，但大面积应用的方法还没有，主要原因是国外目前开发的裂解炉辐射 段炉管的强化传热技术存在诸如炉管的制造难度增加从而增加炉管的制造费用、 使用强化传热炉管后造成炉管的压降增加过大、随着强化传热炉管使用的时间的 增加炉管内的结焦不易清除干净等问题，因此我们希望能够开发出一种强化传热 技术，使得在强化裂解炉管传热的同时，炉管的压降增加较小、炉管的结焦趋势 也能够得到一定的缓解。这样在强化传热时，炉管的运行周期相应的会有所延长， 裂解产物的选择性也有一定程度的提高，这也正是从事裂解技术开发的工程技术 所追求的目标。 1 4 裂解炉强化传热的研究进展 1 4 1 提高管壁温度强化传热 通过提高炉膛温度也可以达到增大冷热流体温差，从而提高传热速率的目 的。因此多年来，各乙烯公司与冶金技术研究单位合作开发了多种耐温等级不断 提高的炉管，使炉管最高管壁温度从1 0 4 0 c 提高到1 0 7 0 、1 1 0 0 ，直到目前 的1 1 2 5 ，使炉管的热强度不断提高。但受到炉管材料耐温等级的限制，现在 管壁的温度提升已经非常慢。 1 4 2 椭圆管 日本三菱公司在其公司的裂解炉m t c f 上应用了椭圆管。椭圆管裂解炉管 并不是严格几何形状意义的椭圆管，而是和椭圆形状稍有差别的扁圆管。对于同 样大小的截面积来讲，椭圆形管的比表面积较圆形炉管的比表面积大，而且由于 椭圆形管的短轴垂直于热源而长轴面向热源，可以增加辐射到达量，增加传热。 椭圆管结构见图l 一1 。 椭圆形管的周向热强度分布比较均匀，外壁温度和管内物流的温度也较圆管 为好，原料的处理量比圆管大。但由于管截面是椭圆形，因此对管材的要求较高， 同时在制作上也较为复杂。这种炉管曾经在工业生产中应用，但由于以上原因未 能在工业上大面积推广，现在工业生产中已经不使用这种炉管。 7 第一章文献综述 图1 1 椭圆管的结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f e l l i p t i c a lt u b e 1 4 3 小直径管和分支变径管 小直径管由于比表面积较大，物料在管内的升温速度较快，因此使物料在这 种炉管中的裂解过程能够较好符合高温和短停留时间的要求，有利于提高目的产 物的选择性和收率，目前工业生产中应用较多，如k e l l o g g 公司在该公司开发的 毫秒炉上使用的就是单程小直径管，比表面积达到1 0 0 - - - 1 6 0 m 2 m 3 。小直径管虽 然能够提高裂解选择性，但由于管径过小，在工艺上也存在一些问题，这主要表 现在：压力降增大，动力消耗增大；小的管径的结焦敏感性增大，在同样的结焦 厚度情况下，会因为管径小而缩短炉子的操作周期，增加清焦次数，在线烧焦技 术的控制也较为复杂。单纯的小直径管的运转周期只有7 1 4 天，这是小直径管 推广应用的主要障碍。 利用小直径管作为辐射段炉管的结果是：裂解的目的产物的选择性和收率较 使用大管径炉管为高，但炉子的运转周期较大管径炉管的运转周期短。 为了克服小直径运转周期短的缺点，工程技术人员在裂解炉的设计中采用分 第一章文献综述 枝变径管的技术。分枝变径管是在原料转化率较低、需要大量吸热的部位，比如 2 1 型炉管的第一程，采用直径较小的炉管，增加比表面积，增加传热，在此阶 段，由于转化率较低，二次反应较少，结焦也较少，而在转化率较高的部位，如 2 1 型炉管的第二程，采用较大直径的炉管，降低炉管对结焦的敏感性，这样可 以有效的延长单纯使用小直径管的裂解炉的运转周期，同时也能获得较高的裂解 目的产物的收率。 1 4 4 梅花管和内螺旋梅花管 由于小直径管存在一些不尽如人意的问题，因此一些公司又使用梅花管和内 螺旋梅花管方法强化辐射段炉管传热。现在已经在工业上应用的梅花管和内螺旋 梅花管有：l u m m u s 公司的8 翅内螺旋梅花拔制炉管，k e l l o g g 公司的内螺旋梅 花管以及e x x o n 公司的直型梅花管。内螺旋梅花管的结构见图l - 2 。 梅花管能够有效的增大了传热面积，同时也可以改善炉管内物料的对流传 热，象l u m m u s 公司是在其开发的s r t - v f 型炉辐射段炉管的第一程采用这种炉 管，据称这种结构可以使传热增加3 3 ，炉管的内壁温度降低1 0 ，而炉管的 压降仅增加0 0 7 5 m p a 。裂解炉的生产能力比不使用这种炉管的同类炉子相比， 处理量可以提高1 0 。目前国外已有9 套使用这种炉管结构的裂解炉，乙烯年生 产能力达到7 0 0 万吨。 k e l l o g g 公司为了改善毫秒炉因为使用小直径管而造成运转周期短的缺点， 在其新型裂解炉上首先采用了内壁为8 翅的内螺旋梅花管，采用这种新型炉管 后，有效的增加了传热，同时使裂解炉的运转周期由原来的7 1 4 天增加到2 5 天。 1 9 8 9 年以后，这种炉管广泛的应用于其新设计的装置中。 梅花管和内螺旋梅花管虽然能够强化辐射段炉管的传热，增大炉子的处理 量，有效的延长裂解炉的运转周期，但这种炉管的管壁较厚，势必增加炉管材料 的消耗量，这样使得炉管的造价有较大的增长，制造难度也有所增加。 1 4 5 内肋条、外钉头强化传热管 l u m m u s 公司除了在s r t - v f 型炉上使用梅花形状的拔制炉管外，还推出了 在管内增设内肋条，管外增加钉头的强化传热炉管的专利，开发了另外一种新型 的蒸汽裂解炉，该新型炉将导热构件( 肋条、钉头) 设置在管子入口段，加入导 9 第一章文献综述 热构件后，增加了入口段的热流量，改善了轴向的温度分布，这种炉型的生产能 力可以提高1 0 ，而乙烯收率没有明显的变化。这种炉管的结构见图i - 3 。 0 图i - 2 梅花管示意匪图l o 内肋条、外钉头强化传热管 f i gr - 2s c h e m e o f c l u b s f i g i - 3s c h e m eo f i n t e 日a a c o s t a l 、e x o t e r l c l m l l n e a d r o b e 这种强化传热方式由于所加的肋条和钉头容易损坏，外钉头也只能用于入口 段管，因此只停留在专利技术阶段而没有工业应用。 146 翅片管强化传热 利用翅片管进行强化传熟应用较多比如现在在裂解炉对流段炉管多使用管 外带有翅片的炉管咀增加传热面积和增大对流传热系数进行强化传热。翅片管在 管外应用的实例较多，日本久保公司生产的管外带有翅片的炉管就是如此，可阻 达到传热快，提高裂解装置生产能力的目的，国内也有这方面的报道。 但由于存在安装的问题，到目前为止，在炉管内表面安装翅片进行强化传热 的报道较少专利u s 4 4 2 5 9 4 2 报道了在管内加入径向翅片增加管内表面强化传 热的技术，但没有见到有关工业应用的报道可能是因为在炉管内部翅片的焊接 存在困难。 第一章文献综述 1 4 7 螺旋板强化传热 专利j p l l 0 2 3 1 8 0 报道在乙烯和液化石油气蒸发器中用的有一个u 型弹簧与 热交换管内的螺旋板的另一段相连接，在流体经过管子流动时，产生涡流强化传 热。该装置可避免螺旋板和管内壁之间生成缝隙，因此可以避免流体的溢流。华 南理工学院也设计了一种用于废气余热锅炉等的带螺旋板的强化传热管，该强化 传热加工和安装简单，加工费占管材的1 0 左右，管材可以是铜、铝、不锈钢等。 1 4 8 扰流子或者扭曲带强化传热 利用扰流子进行强化传热的技术报道较多，主要是国内的一些研究单位进 行。专利c n 2 1 4 4 8 0 7 ( 中国石化总公司) 报道了在乙烯裂解炉辐射段炉管内加 装单叶旋转片进行强化传热的技术，该技术是将旋转片插入管体中，管体的外表 面加工成纵向直肋，采用该技术可以显著的提高换热能力，提高生产能力，或者 在生产能力不变的前提下，缩小炉管长度和炉子体积。 上海机械学院也有类似技术的报道，他们的技术特点是在垂直于轴心线的横 截面积呈矩形或近似矩形，所述矩形的长边等于或略小于烟管或换热管的内径， 用薄金属制造的纽带式扰流子的扭曲度为4 - 1 0 ，可提高换热效率1 5 。 1 4 9m e r t 强化传热技术 k u b o t a 公司推出的m e i u 炉管( 图1 4 ) 在2 0 世纪9 0 年代市场占有率较大， 从1 9 9 6 年开始到2 0 0 0 年，已经在日本、韩国等地的4 4 台裂解炉上使用此种炉 管。据他们提供的数据，该炉管与光管相比，传热系数提高2 0 - - - - 5 0 ，内表面积 增加2 ，相同裂解深度下，装置的运行周期为光管的2 倍，但是压降增大2 3 5 倍。 第一章文献综述 圈1 4 m e r t 炉管 f i g1 4 m e r t t u b e 141 0 各种强化传热方法的分析 裂解物料在工业光滑圆管内的流动状态基本为柱塞流，临近管壁会有一层 热阻较大的滞流层，减少滞流层的厚度即可达到提高传热系数的目的。如果将圆 管结构改变为内梅花螺旋管线，在炉管内加一扭曲片，使物料在炉管内呈螺旋线 方向前进，不仅增加了流体的流速，而且还可以使管壁附近的滞流层变薄，从而达 到提高传热系数的目的。 在保持炉管体积不变的前提下，适当缩小炉管的直径以扩大比表面积和在管 内外加肋片和钉头、翅片等均可以达到扩大传热面积的目的。目前乙烯裂解炉上 广泛采用的变径管、小直径管以及内梅花异形管、管内加内肋、管外加钉头的炉 管的专利即是通过扩大传热面积来达到提高传热速率的具体例证。 传热速率方程中k 值由管外流体向管外壁传热、管外壁向管内壁传热、管 内壁向管内流体传热三部分确定，炉膛的状态和炉管的材质确定后，提高k 值 就只能靠提高管内壁向流动流体的传热系数来实现。 通过上述两种途径结合使用来达到强化传热的目的如l u m m u s 公司在 s r t - v f 型炉管的第一程采用螺旋梅花拔制炉管以及k e l l o g g 公司和e x x o n 公司 推出的8 翅梅花螺旋炉管以及北京化工研究院与化工机械研究院提出的在管内 加扰流片的炉管均是通过既改变了流体的流动状况。又增加了传热面积来达到强 化传热的目的，但他们均是在第一程全程、半程或全部采用这种结构的。 从上面的对各种强化传热的简单介绍中可以看出，目前乙烯工业中普遍采用 第一章文献综述 的小直径管、分枝变径管、内梅花管和螺旋梅花管以及椭圆管等都是通过增大传 热面积a 来增加传热的，内梅花管和螺旋梅花管在增大传热面积的同时，还强 迫管内的物料旋转，使物料的混合更为充分，相应的增大了传热系数。小直径管 在增加有效传热面积的同时，也增大了炉管内外物料的温差。国内研究较多的使 用扰流子进行强化传热的技术则是强迫管内的物料的横向流动，试图减薄靠近管 壁的流动边界层，从而达到强化传热的目的。 辐射段强化传热的方式虽然不同，但都是为了通过增加传热从而达到提高裂 解炉的处理量，提高裂解过程中目的产物的选择性，延长裂解炉运转周期等目的。 上述各方法中有的虽然取得了一定的效果，但都存在一定的缺点，受到各种客观 因素的限制。比如，炉管管径的减小会提高炉管对结焦的敏感性，对压降影响较 大，会缩短裂解炉的运转周期；炉管内外物料的温差由于受到炉管材料的耐温等 级的限制，不可能无限度的增加：梅花管和内螺旋梅花管虽然对使用小直径管的 裂解炉的运转周期短的缺点有所改善，但由于制造炉管使用的材料较一般的光滑 管多，而且制造工艺也较一般的光滑管复杂，在裂解末期，会因为结焦而使炉管 的有效管径变小，有效管壁变厚，压降合热阻均有所增加；椭圆管能够有效的增 加传热面积，但也受到制造工艺复杂的限制。 1 5 本文研究内容 北京化工研究院和中科院金属所合作设计了管内带有扭曲片的精密整铸管 并对其进行了初步的实验研究，结果发现，这种新型的强化传热技术和其它强化 传热的方法相比，有以下好处： ( 1 ) 只在辐射段的很小一部分上加入扭曲片，和其它在整个管程或半个管程 上使用强化传热管的方法相比，增加的阻力降要小得多。 ( 2 ) 由于扭曲片管只占整体炉管的- - d , 部分，因此使得本方法比其他方法的 制造成本增加要低得多。 考虑到这种新型强化传热技术可能具有广阔的应用价值和市场前景，本文拟 对加入扭曲片管的裂解炉管进行进一步的强化传热实验，主要研究内容包括： ( 1 ) 进行扭曲片管内的冷模实验，分析管内传热效果及阻力特性。 ( 2 ) 进行加入扭曲片管的乙烯裂解炉强化传热实验，考察扭曲片管对乙烯裂 第一章文献综述 解炉的影响效果。 ( 3 ) 对扭曲片管内流体流动状况及各参数的变化进行模拟计算并进行验证。 1 4 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 本研究采用的强化传热方法是在裂解炉的辐射段炉管中分段加入几 小段带有扭f h l 片的整铸管，迫使管内的流体产生径向的扰动，这样管内的 流体会对炉管管壁产生一定的剪切作用，使靠近管壁的流动边界层减薄， 使得传热系数增大，从而起到强化传热的作用，扭曲片管如图2 1 、图2 2 所示。 扭曲片管为分段加入法，与整根炉管或整程炉管均采用强化传热管有 较大差别。不同点主要为： 纩。i飞 气 火! a + - a i a r l 斗 a 图2 - 1 扭曲片管示意图 f i g 2 - 1s c h e m eo ff o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c e ( 1 ) 是只用了改交流体的流动状况来达到强化传热这一目的。 ( 2 ) 仅在辐射段炉管的某个的部位加入一小段或几小段强化传热构件， 此构件只占整个管程的很小一部分，而其他方法则是在炉管的一程或半程 上全部采用。 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 圈2 - 2 扭曲片管实物图 f i g2 2p r a c t i c a ls c h e m eo f f o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c e 21 实验部分 211 扭曲片管中的冷模实验 本文首先进行了扭曲片管内的冷模实验通过对圊管及圆管内加装扭曲片所 产生的管内衰减旋流的矢量速度、轴向平均速度及压降的授4 定，以研究扭曲片管 强化传热效果咀及该种炉管的阻力特性，并从实验的角度探索管内衰减旋流的规 律性以及管内强化传热的原理，为求取定量模型的数据参数提供依据。 2111 实验装置 本实验为流体力学冷模实验以常温常压下的空气为流动介质研究 管内强化传热效果。实验装置流程示意图如圈2 - 3 所示 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 1 气源2 压力表3 一稳定段舢收缩段5 实验段6 构件7 一压力传感器及测 速装置8 一数据采集系统9 数据采集计算机及终端数据处理 图2 3实验流程图 f i g 2 - 3f l o wc h a r to fe x p e r i m e n t a t i o n 整套试验装置由进气部分、实验部分、数据测量控制部分组成。常温常压 下的空气从气源流经一稳定段，再经过收缩段达到实验所需流速后，进入实验 管段，用五孔探针，压力测量仪器或排管等测量管内流场、压力场。 2 1 1 2 实验测量内容 ( 1 )管内流体沿轴向压力变化情况 ( 2 )管内不同截面上，某一半径上速度矢量值 ( 3 ) 边界层以及中心线速度 表2 - i 扭曲片管矢量速度测量位置 t a b 2 ig e o d e s i cs i t u a t i o no nv e c t o rv e l o c i t yo ff o r g e dt u b ew i t ht w i s t e ds l i c e ， r lr 2r 3 r 4f 5r 6 t u b e 由1 6 0 * 1 0 1 m m5 m m1 0 m m1 5 r a m2 0 r a m 7 0 m m 巾1 0 2 幸7 l m m5 r a m1 0 m m1 5 r a m1 8 r a m 4 4 m m 由9 0 木9l m m3 r a m5 m m8 m m1 6 r a m3 6 r a m 由7 6 幸7l m m3 r a m6 m ml o m m1 5 m m3 l m m 巾5 8 | 6 1 m m2 5 m m4 r a m5 m m 1 0 m m 2 3 m m 注：表中的r 表示距离壁面的距离，管壁面处为0 ，r l = 1 m m 表示这个点距管壁面l m m 。 1 7 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 2 1 1 3 实验数据的处理 实验数据处理的目的是得到管内阻力系数值，从而研究管内衰减旋流的阻力 和强化规律。冷态实验过程中，测压点位置如图2 - 4 所示。通过实验测量可分别 得到实验段总压降p 、扭曲片局部压降必和实验段各部分压降衅 ( f = 1 ，6 ) ，并且三者之间存在下列关系： x 必鹋鹋屹 图2 - 4扭曲片管内压降测量示意图 f i g 2 4m e a s u r eo na po ff o r g e dt u b e w i t ht w i s t e ds l i c e 6 p = 啦+ 衅( i = 1 ，6 ) 4 一一 、 ( 2 1 ) 根据d a r c y w e i s b a c h 公式，可以得到实验段平均摩擦系数和当地摩 擦系数z 的计算公式： - = 尸奎i d 宰万2 z = 扯幸詈木刃2 ( f = 1 ，6 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中：为管内流体合速度。 根据局部阻力系数定义，可得到扭曲片局部阻力系数f 的计算式： 2 p 产君 ( 2 4 ) 由于扭曲片构件段与管长相比，所占比重很小，所以在此处用管截面 平均轴向速度计算扭曲片构件处局部阻力系数。 2 1 2 扭曲片管在乙烯裂解炉中强化传热实验 第二章裂解炉管强化传热的实验研究 2 1 2 1 实验裂解炉的基本情况 实验用炉为a b bl u m m u s 公司设计的s r t - i v ( h c ) 型裂解炉，辐射 段炉管的排列方式为8 4 1 1 ，入口管管径为7 6 r a m ，出口管管径为1 0 i m m 和18 8 r a m ，炉管总长4 4 米，设计的停留时间为0 4 秒，横跨段压力0 1 5 m p a 。 设计裂解石脑油的温度为8 2 1 ，水油比为0 5 。裂解炉的详细设计参数如 下表所示： 表2 2 裂解炉工艺参数 t a b 2 - 2t e c h n o l o g i cp a r a m e t e ro fc r a c k i n gf u r n a c e n a p + e t h a n e 裂解原料a g on a p n a pe t h a n e 投料组数 66 5l 裂解深度状态中高高 ， 流量k g h 2 6 0 4 02 6 4 0 02 2 0 0 03 4 5 0 入口压力k g c m 2 1 5 81 4 81 4 81 3 5 辐射段参数 出i s l 压力k g c m 2 1 0 81 0 81 0 81 0 8 压降k g c m 2 0 50 40 4 0 2 7 x o t4 9 65 4 l5 3 96 4 4 c o t7 9 5 8 2 l8 2 28 3 3 燃料类型气气气 计算燃烧释放热量4 2 34 3 5 94 3 1 4 总吸收热量 4 0 4 2 4 1 7 44 0 9 6 关于燃烧系统 辐射段吸收热量1 9 1 81 9 2 51 6 0 92 9 3 m m k c a l h r 过剩空气系数 1 0 l o 1 0 辐射热损失 1 51 51 5 计算热效率 9 5 4 9 5 69 4 8 2 1 2 2 实验的主要内容 实验的目的是考察石脑油在不同裂解条件下，应用扭曲管后裂解炉的 运行情况，主要实验内容包括： 加入扭曲片管对管壁温度( t m t ) 的影响； 加入扭曲片管对乙烯收率的影响： 1 9 第二章裂解炉管