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        扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在乙烯裂解爐中的應(yīng)用

        2016-11-07 02:27:43張利軍王國(guó)清
        化工生產(chǎn)與技術(shù) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:裂解爐爐管傳熱系數(shù)

        張利軍,王國(guó)清

        (中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院,北京 100013)

        扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在乙烯裂解爐中的應(yīng)用

        張利軍,王國(guó)清

        (中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院,北京 100013)

        介紹了扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在乙烯裂解爐中的應(yīng)用。扭曲片管在控制壓降的同時(shí)增加裂解爐管的傳熱系數(shù),降低裂解爐管壁溫度,增加裂解爐的運(yùn)行周期或者提高裂解爐的處理量。分析了應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了扭曲片管的損壞問(wèn)題,結(jié)果表明,出現(xiàn)損壞的扭曲片管是在制造過(guò)程中質(zhì)量管理不嚴(yán)格造成的。

        扭曲片管;乙烯裂解爐;強(qiáng)化傳熱;爐管壁溫?fù)p壞

        乙烯裂解爐主要由輻射段和對(duì)流段組成。輻射段中,裂解原料吸收熱量發(fā)生裂解反應(yīng)得到目的產(chǎn)物低碳烯烴;對(duì)流段中,來(lái)自輻射段的煙氣余熱得到回收利用,從而提高裂解爐的熱效率。裂解反應(yīng)要得到更多的目的產(chǎn)物,必須要做到反應(yīng)溫度高、停留時(shí)間短和烴分壓低。

        上世紀(jì)60年代以來(lái),高選擇性爐管構(gòu)型的開(kāi)發(fā)是裂解技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn),主要通過(guò)改變管徑、管程數(shù),每程爐管的數(shù)量等組合方式來(lái)改善傳熱過(guò)程,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但未來(lái)的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)不大。因此,上世紀(jì)80年代中期以來(lái),采用不同結(jié)構(gòu)的異型管或在爐管內(nèi)外增加傳熱構(gòu)件等過(guò)程強(qiáng)化裝置成為研究的重點(diǎn),陸續(xù)推出的這些新型爐管已經(jīng)在工業(yè)上獲得了應(yīng)用并取得了較好的效果[1-3]。如美國(guó)Lummus公司推出的梅花管技術(shù),裂解爐管的爐管由圓管改為螺旋梅花形狀的爐管,不但增加了傳熱面積,也改善了爐管內(nèi)物料的對(duì)流傳熱,對(duì)提高運(yùn)行周期、提高爐管處理量,具有明顯的效果;日本Kubota公司推出的MERT管技術(shù),該爐管與光管相比,傳熱系數(shù)提高20%~50%,內(nèi)表面積增加2%,壓降增大2~3.5倍。但上述技術(shù)均存在一些問(wèn)題,一是爐管制造難度增加導(dǎo)致?tīng)t管的制造成本增加;二是這些爐管的壓降增加過(guò)大,裂解反應(yīng)的選擇性隨之降低;三是隨著使用時(shí)間的增加,這些爐管的使用效果逐漸衰減。

        針對(duì)這些問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù),該技術(shù)是將若干個(gè)扭曲片管分段加入輻射段爐管中,經(jīng)過(guò)扭曲片管的流體,流動(dòng)狀態(tài)從柱塞流改變?yōu)樾D(zhuǎn)流,使得管內(nèi)的流體對(duì)爐管管壁產(chǎn)生一定的剪切作用,從而降低管壁附近的流動(dòng)邊界層的厚度,增大傳熱系數(shù),進(jìn)而強(qiáng)化傳熱過(guò)程[4-7]。該技術(shù)在強(qiáng)化傳熱的同時(shí),爐管的壓降增加較小、爐管的結(jié)焦趨勢(shì)減緩。在裂解爐中應(yīng)用該技術(shù),能夠大幅度地延長(zhǎng)運(yùn)行周期,同時(shí)也能夠一定程度的提高裂解產(chǎn)物的選擇性,這也正是從事裂解技術(shù)開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員所追求的目標(biāo)。

        1 扭曲片管強(qiáng)化傳熱原理及特點(diǎn)

        裂解爐實(shí)質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)和強(qiáng)放熱反應(yīng)的耦合。燃料氣在爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒反應(yīng)釋放大量的熱,同時(shí)裂解原料在爐管內(nèi)進(jìn)行裂解反應(yīng)吸收大量的熱。從爐膛到爐管的熱量傳遞過(guò)程分為3步:1)熱量通過(guò)輻射傳熱的方式傳遞到爐管外壁,傳熱速率主要和爐管面積相關(guān);2)熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式從爐管外壁傳遞到爐管內(nèi)壁,傳熱速率主要和爐管材質(zhì)相關(guān);3)熱量通過(guò)對(duì)流傳熱的方式從爐管內(nèi)壁傳遞到裂解反應(yīng)物流,傳熱速率主要和傳熱系數(shù)與傳熱面積相關(guān)。對(duì)于指定的爐型,爐管的傳熱面積確定,這樣增加傳熱速率主要依靠提高傳熱系數(shù)。

        在爐管管內(nèi),熱量的傳遞要依次經(jīng)過(guò)焦層、邊界層和主流體,熱阻主要集中于焦層和邊界層(表1所示)。扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)就是將扭曲片管分段布置在裂解爐管中,從而減薄邊界層,減緩結(jié)焦速率,增大傳熱系數(shù),強(qiáng)化傳熱過(guò)程。

        表1 爐管內(nèi)各部分熱阻Tab 1 Thermal resistance of all parts in the furnace tube

        扭曲片管是帶有扭曲片的精密整鑄管(見(jiàn)圖1),在裂解爐的爐管中,扭曲片管的存在使反應(yīng)物流的流型從柱塞流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流,爐管管壁因此受到流體的橫向沖刷,從而減薄了邊界層,減緩了結(jié)焦趨勢(shì),達(dá)到強(qiáng)化傳熱、延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期的目的。

        圖1 扭曲片管Fig 1 Twisted tube

        在工業(yè)應(yīng)用中,扭曲片管分段布置在爐管中,扭曲片管僅占整根爐管的很小一部分,因此與其他整根爐管全部采用強(qiáng)化傳熱管相比,壓降增加較少。同時(shí),爐管制造成本也增加較少。

        該技術(shù)在某烯烴廠(chǎng)的裂解爐上進(jìn)行了應(yīng)用,以石腦油和乙烷為實(shí)驗(yàn)原料,在裂解爐出口溫度為822℃和水油比為0.5的條件下,裂解爐共運(yùn)行了105 d,相比應(yīng)用該技術(shù)前(運(yùn)行周期55 d)增加了近1倍。應(yīng)用該技術(shù)前后裂解爐輻射段最高管壁溫度的變化趨勢(shì)如圖2所示。

        圖2 增加扭曲片管與未加爐管的管壁溫度對(duì)比Fig 2 Comparison of tube wall temperature with increased twisted tube or without furnace tube

        從圖2可以看出,爐管的升溫趨勢(shì)大大減緩,相同條件下,應(yīng)用該技術(shù)前后爐管的初始壁溫相差20℃以上。

        實(shí)驗(yàn)中,裂解爐的低碳烯烴收率沒(méi)有受到任何不良的影響(如表2所示)。

        表2 低碳烯烴收率數(shù)據(jù)Tab 2 Yield data of low carbon olefin

        在保持相同的裂解深度和運(yùn)行周期不變的情況下,裂解爐的生產(chǎn)能力能夠增加大約7%;裂解爐應(yīng)用該技術(shù)后,裂解爐的操作勞動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有任何增加。該技術(shù)對(duì)各種輕重原料都有很好的適應(yīng)性;經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行統(tǒng)計(jì),應(yīng)用了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的裂解爐節(jié)約燃料約1%。

        截至2016年底,該技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)超過(guò)120臺(tái)裂解爐上進(jìn)行了應(yīng)用,總的乙烯生產(chǎn)能力超過(guò)8 M/a。其中,應(yīng)用該技術(shù)的裂解爐最長(zhǎng)已經(jīng)運(yùn)行11年。經(jīng)過(guò)多年的推廣應(yīng)用,技術(shù)在實(shí)用性、穩(wěn)定性和可靠性方面經(jīng)受住了嚴(yán)峻的考驗(yàn),為用戶(hù)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。然而,在應(yīng)用過(guò)程中,該技術(shù)難免碰到這樣那樣的問(wèn)題,下面就其中的主要問(wèn)題進(jìn)行探討和分析。

        2 應(yīng)用問(wèn)題及分析

        扭曲片管的損壞是在應(yīng)用過(guò)程中碰到的主要問(wèn)題。由于裂解爐的輻射段爐管是裂解爐的核心,是高溫裂解反應(yīng)的發(fā)生之地,因此如果發(fā)生扭曲片管的損壞,將會(huì)導(dǎo)致裂解爐的停爐。

        某烯烴廠(chǎng)的裂解爐更換爐管,在新的爐管上應(yīng)用了扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)。2年后,用戶(hù)發(fā)現(xiàn)扭曲片管泄露,在爐管外部表現(xiàn)的狀況是出現(xiàn)不規(guī)則的小洞;在扭曲片管內(nèi)部,則表現(xiàn)出扭曲筋與管壁連接處裂開(kāi);同時(shí),在損壞的扭曲片管的扭曲筋兩端出現(xiàn)了細(xì)小裂紋。見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)追溯發(fā)現(xiàn),該批扭曲片管為同一批次制造。

        經(jīng)過(guò)化學(xué)成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn),主要的元素均在適用標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。對(duì)損壞扭曲片管的宏觀(guān)觀(guān)察發(fā)現(xiàn),泄漏部位附近的管壁中部發(fā)現(xiàn)了周向開(kāi)裂和裂紋(圖4),在未開(kāi)裂的扭曲片與管壁結(jié)合處存在裂紋或缺肉現(xiàn)象(圖5)。

        圖3 受損扭曲片管狀況Fig 3 Damaged twisted tube condition

        圖4 泄漏處附近管壁中部Fig 4 Central tube wall near the leak

        圖5 相對(duì)的2個(gè)結(jié)合處的裂紋和缺肉現(xiàn)象Fig 5 The crack and the meat lack phenomenon in the two opposite junction

        在顯微鏡下觀(guān)察發(fā)現(xiàn),在扭曲管組織中發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜物,如圖6所示。非金屬夾雜物的最大尺寸為20 μm。

        圖6 扭曲管中的非金屬夾渣物Fig 6 The non-metallicenclosed slag in twisted tube

        從上述分析可以看出,扭曲片管出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,是由于扭曲片管的制造過(guò)程中出現(xiàn)非金屬夾渣物而造成的,這可以通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量管理避免。因此在應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)時(shí),加強(qiáng)扭曲片管制造過(guò)程中的質(zhì)量管理,嚴(yán)格按照制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn),就能夠避免扭曲片管損壞現(xiàn)象的發(fā)生。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        裂解爐中通過(guò)管壁傳熱至管內(nèi)流體的主要熱阻存在于管內(nèi)的焦層和邊界層流層,加入扭曲片管可以有效減少焦層和邊界層流層的厚度,從而強(qiáng)化裂解爐的傳熱過(guò)程。工業(yè)實(shí)驗(yàn)表明,扭曲片管能夠有效的強(qiáng)化傳熱,增大傳熱系數(shù),減少結(jié)焦,延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行周期。實(shí)驗(yàn)表明,在裂解爐管中加入扭曲片管帶來(lái)的強(qiáng)化傳熱等正面效應(yīng)要遠(yuǎn)大于爐管壓降增加等負(fù)面效應(yīng)。

        扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是扭曲片管的損壞問(wèn)題,盡管出現(xiàn)這樣問(wèn)題的概率僅有不到千分之一,但出現(xiàn)問(wèn)題將嚴(yán)重影響裂解爐的運(yùn)行。對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的扭曲片管進(jìn)行了分析,表明扭曲片管的質(zhì)量問(wèn)題主要是制造過(guò)程中質(zhì)量管理不嚴(yán)格造成的。加強(qiáng)扭曲片管制造的質(zhì)量管理能夠避免扭曲片管損壞的發(fā)生,從而能夠更好的將強(qiáng)化傳熱技術(shù)服務(wù)于乙烯工業(yè)。

        [1]方江敏,馬小明,李華,等.Sunrod針翅管的優(yōu)化與強(qiáng)化傳熱性能研究[J].石油化工設(shè)備,2002,31(4):10-13.

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        TQ050.7

        BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.05.017

        2016-04-14;

        2016-05-25

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