ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩАЯ ТРУБА И КРЕКИНГ-ПЕЧЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБЫ
HEAT TRANSFER TUBE AND CRACKING FURNACE USING HEAT TRANSFER TUBE

Область техники
Настоящее описание относится к теплопередающей трубе, которая особенно пригодна для нагревательной печи. Настоящее описание, кроме того, относится к крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы.
Уровень техники
Крекинг-печи, основное оборудование нефтехимической промышленности, используются, в основном, для нагрева углеводородного материала так, чтобы достичь реакции крекинга, которая требует большого количества тепла. Теорема Фурье говорит, что:
где q - переданное тепло, А представляет собой площадь теплопередачи, k означает коэффициент теплопередачи и dt/dy - градиент температуры. Если в качестве примера взять крекинг-печь, используемую в нефтехимической промышленности, когда площадь теплопередачи А (которая определяется производительностью крекинг-печи) и градиент температуры dt/dy определены, то единственным путем улучшения переданного на единицу поверхности тепла q/A является улучшение величины коэффициента теплопередачи k, на который оказывают влияние тепловое сопротивление основной жидкости, тепловое сопротивление пограничного слоя и т.п.
В соответствии с теорией пограничного слоя Прандтля, когда реальная жидкость течет вдоль твердой стенки, чрезвычайно тонкий слой жидкости вблизи поверхности примыкает к стенке без проскальзывания. Иначе говоря, скорость примыкающей к поверхности стенки жидкости, которая образует пограничный слой, равна нулю. Хотя пограничный слой очень тонкий, его тепловое сопротивление необычно велико. Когда тепло проходит через пограничный слой, оно может быть быстро передано основной жидкости. Следовательно, если пограничный слой каким-либо образом может быть сделан тоньше, переданное тепло будет эффективно увеличено.
В известном уровне техники труба печи обычно используемой в нефтехимической промышленности крекинг-печи обычно устроена следующим образом. С одной стороны, на внутренней поверхности одной или нескольких или всех зон от входного конца до выходного конца вдоль осевого направления печного змеевика в крекинг-печи создается и спирально простирается на внутренней поверхности печного змеевика в его осевом направлении ребро. Хотя ребро может достичь цели перемешивания жидкости так, чтобы минимизировать толщину пограничного слоя, образующийся на его внутренней поверхности кокс будет с течением времени непрерывно ослаблять роль ребра, так что его функция уменьшения пограничного слоя будет снижаться. С другой стороны, на внутренней стороне печной трубы создается множество ребер, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Эти ребра также могут уменьшать толщину пограничного слоя. Однако по мере того как кокс на внутренней поверхности печной трубы увеличивается, эти ребра также становятся менее эффективными.
Следовательно, в этой области техники важно усовершенствовать теплопередающие элементы так, чтобы дополнительно улучшить эффект теплопередачи печного змеевика.
Краткое описание изобретения
Для решения вышеупомянутой, существующей в известном уровне техники проблемы в настоящем раскрытии предмета изобретения предлагается теплопередающая труба, которая обладает хорошим эффектом теплопередачи. Кроме того, настоящее раскрытие предмета изобретения относится к крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы.
Согласно первому аспекту настоящего раскрытия предмета изобретения описывается теплопередающая труба, содержащая закрученную перегородку, расположенную на внутренней стенке трубы, причем закрученная перегородка простирается спирально вдоль осевого направления теплопередающей трубы.
В теплопередающей трубе согласно настоящему раскрытию предмета изобретения под действием закрученной перегородки жидкость течет вдоль закрученной перегородки, и образуется вращающийся поток. Тангенциальная скорость жидкости разрушает пограничный слой так, чтобы достичь целей усиленной теплопередачи.
В одном варианте осуществления закрученная перегородка оснащена множеством отверстий. Через отверстия могут протекать текущие в осевом и радиальном направлении жидкости, то есть эти отверстия могут изменять направление течения жидкости так, чтобы усилить турбулентность в теплопередающей трубе, разрушая таким образом пограничный слой и достигая цели усиления теплопередачи. В дополнение, жидкости из разных направлений могут легко проходить через эти отверстия и течь вниз по течению, тем самым дополнительно уменьшая сопротивление потоку жидкостей и уменьшая падение давления. Куски кокса, переносимые в жидкостях, также могут проходить через эти отверстия для перемещения вниз по течению, что облегчает удаление кусков кокса.
В одном предпочтительном варианте осуществления отношение суммарной площади множества отверстий к площади закрученной перегородки находится в диапазоне от 0,05:1 до 0,95:1. Если отношение имеет небольшое значение в вышеупомянутом диапазоне, то производительность теплопередающей трубы высокая, однако падение давления жидкости велико. По мере того как величина отношения становится большей, производительность теплопередающей трубы будет уменьшаться, однако падение давления жидкости соответственно становится меньше. Когда отношение находится в диапазоне от 0,6:1 до 0,8:1, производительность теплопередающей трубы и падение давления жидкости находятся в оптимальных диапазонах. Отношение осевого расстояния между центральными линиями двух соседних отверстий к осевой длине закрученной перегородки находится в диапазоне от 0,2:1 до 0,8:1.
В одном варианте осуществления закрученная перегородка имеет угол закручивания от 90° до 180°. Когда угол закручивания относительно мал, давление жидкости и тангенциальная скорость вращающейся жидкости малы. Следовательно, эффективность теплопередающей трубы плохая. По мере того как угол закручивания становится больше, тангенциальная скорость вращающегося потока будет увеличиваться, так что эффективность теплопередающей трубы будет улучшаться, однако падение давления жидкости будет увеличиваться. Когда угол закручивания находится в диапазоне от 120° до 360°, производительность теплопередающей трубы и падение давления жидкости находятся в оптимальных диапазонах. Одна отдельная зона теплопередающей трубы может быть оснащена множеством параллельных друг другу закрученных перегородок, что ограничивает закрытую окружность, если смотреть от одного конца теплопередающей трубы. В одном предпочтительном варианте осуществления отношение диаметра окружности к диаметру теплопередающей трубы находится в пределах от 0,05:1 до 0,95:1. Когда это отношение относительно мало, теплопередающая труба обладает высокой производительностью, однако падение давления жидкости велико. По мере постепенного увеличения отношения производительность будет уменьшаться, однако падение давления жидкости будет соответственно становиться малым. Когда это отношение находится в диапазоне от 0,6:1 до 0,8:1, производительность теплопередающей трубы и падение давления жидкости будут находиться в соответственно оптимальных диапазонах. Эта конструкция приводит к тому, что только близкая к стенке теплопередающей трубы зона будет оснащена закрученной перегородкой, в то время как центральная часть теплопередающей трубы фактически образует канал. Таким образом, когда жидкость течет через теплопередающую трубу, часть жидкости может напрямую вытекать из трубы через канал, так что может быть достигнут не только лучший эффект теплопередачи, но и падение давления также будет небольшим. Кроме того, канал также позволяет быстро удалять из трубы куски кокса.
В одном предпочтительном варианте осуществления отношение осевой длины закрученной перегородки к внутреннему диаметру теплопередающей трубы находится в диапазоне от 1:1 до 10:1. Когда это отношение относительно мало, тангенциальная скорость вращающегося потока относительно велика, так что теплопередающая труба обладает высокой производительностью, однако падение давления жидкости относительно велико. По мере постепенного увеличения отношения тангенциальная скорость вращающегося потока будет становиться меньше, и, таким образом, производительность теплопередающей трубы будет уменьшаться, однако и падение давления жидкости будет уменьшаться. Когда это отношение находится в диапазоне от 2:1 до 4:1, производительность теплопередающей трубы и падение давления жидкости будут находиться в соответственно оптимальных диапазонах. Закрученная перегородка такого размера, кроме того, придает жидкости в теплопередающей трубе тангенциальную скорость, достаточную для разрушения пограничного слоя, так что может быть достигнут лучший эффект теплопередачи и будет существовать меньшая тенденция образования кокса на теплопередающей стенке.
В одном варианте осуществления вдоль траектории окружности расположен и неподвижно соединен с радиальным внутренним концом закрученной перегородки кожух. При подобном расположении кожуха вращающийся поток жидкости не будет подвергаться влиянию потока внутри кожуха, что дополнительно увеличивает тангенциальную скорость жидкости, усиливает теплопередачу и уменьшает количество кокса на теплопередающей стенке. Кроме того, кожух также повышает прочность закрученной перегородки. Например, кожух может эффективно поддерживать закрученную перегородку, улучшая, таким образом, ее стабильность и сопротивление удару.
Согласно второму аспекту настоящего раскрытия предмета изобретения описывается крекинг-печь, радиантный змеевик которой содержит по меньшей мере одну, предпочтительно от 2 до 10 теплопередающих труб согласно первому аспекту настоящего раскрытия предмета изобретения.
В одном варианте осуществления множество теплопередающих труб расположены в радиантном змеевике в его осевом направлении таким образом, чтобы они находились на расстоянии друг от друга. Отношение расстояния к диаметру теплопередающей трубы находится в диапазоне от 15:1 до 75:1, более предпочтительно от 25:1 до 50:1. Множество расположенных на расстоянии друг от друга теплопередающих труб могут непрерывно изменять поток жидкости в радиантном змеевике от поршневого потока во вращающийся поток, улучшая таким образом эффективность теплопередачи.
В контексте настоящего раскрытия предмета изобретения термин «поршневой поток» в идеальном случае означает, что жидкости смешиваются друг с другом в направлении потока, но никоим образом не в радиальном направлении. Однако на практике вместо абсолютного поршневого потока может быть достигнут только приблизительный поршневой поток.
По сравнению с известным уровнем техники настоящее раскрытие предмета изобретения отличается следующими аспектами. Во-первых, расположение закрученной перегородки в теплопередающей трубе превращает текущую вдоль закрученной перегородки жидкость во вращающуюся жидкость, увеличивая таким образом тангенциальную скорость жидкости, разрушая пограничный слой и достигая цели усиления теплопередачи. Затем, множество созданных на закрученной перегородке отверстий может изменить направления потока жидкости так, чтобы усилить турбулентность в теплопередающей трубе и достичь цели, заключающейся в усилении теплопередачи. Кроме того, эти отверстия дополнительно уменьшают сопротивление течению жидкости, так что падение давления дополнительно уменьшается. Кроме того, куски кокса, переносимые в жидкости, могут также перемещаться вниз по течению через эти отверстия, что способствует удалению кусков кокса. Когда одна отдельная зона теплопередающей трубы оснащена множеством параллельных друг другу закрученных перегородок, которые задают замкнутую окружность, если смотреть от одного конца теплопередающей трубы, центральная часть теплопередающей трубы фактически образует канал, который может уменьшить падение давления и является благоприятным для быстрого удаления кусков кокса. Кроме того, вдоль траектории окружности размещен кожух. Следовательно, кожух, закрученная перегородка и внутренняя стенка теплопередающей трубы вместе образуют спиральную полость, в которой жидкость превращается в полностью вращающуюся жидкость, которая дополнительно увеличивает тангенциальную скорость жидкости, таким образом дополнительно улучшая теплопередачу и уменьшая образование кокса на стенке теплопередающей трубы. Дополнительно кожух может поддерживать закрученную перегородку, улучшая таким образом стабильность и сопротивление удару закрученной перегородки.
Краткое описание рисунков
Далее настоящее раскрытие предмета изобретения будет подробно описано с учетом конкретных вариантов осуществления и со ссылками на фигуры, на которых:
фиг.1 схематически показан вид в перспективе первого варианта осуществления теплопередающей трубы,
фиг.2 и 3 схематически показан вид в перспективе второго варианта осуществления теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения,
фиг.4 схематически показан вид в поперечном сечении второго варианта осуществления теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения,
фиг.5 схематически показан вид в поперечном сечении третьего варианта осуществления теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения,
фиг.6 схематически показан вид в перспективе четвертого варианта осуществления теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения,
фиг.7 схематически показан вид в перспективе теплопередающей трубы согласно уровню техники,
фиг.8 схематически показан радиантный змеевик крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения.
На фигурах одинаковые детали обозначаются одним и тем же ссылочным обозначением.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее раскрытие предмета изобретения будет дополнительно разъяснено с учетом фигур.
На фиг.1 схематически показан вид в перспективе первого варианта осуществления теплопередающей трубы 10 согласно настоящему раскрытию предмета изобретения. Теплопередающая труба 10 оснащена двумя закрученными перегородками 11 и 11' для ведения жидкости с вращающимся течением. Закрученные перегородки 11 и 11' параллельны друг другу и спирально простираются вдоль осевого направления теплопередающей трубы 10, структура которой подобна двойной спиральной структуре молекул ДНК. Закрученные перегородки имеют угол закручивания между 90 и 180° так, что ограничивают сквозной вертикальный проход 12 (то есть окружность 12, как показано на фиг.4) вдоль осевого направления теплопередающей трубы 10. Однако закрученные перегородки могут быть также листовым элементом вместо того, чтобы ограничивать вертикальный проход 12, что будет описано ниже.
Закрученные перегородки, не определяющие вертикальный проход, могут быть поняты как поверхность траектории, которая достигается вращением линии диаметра теплопередающей трубы 10 вокруг ее средней точки и одновременно перемещением ее вдоль осевого направления теплопередающей трубы 10 вверх или вниз. В отличие от этого закрученные перегородки, ограничивающие вертикальный проход, могут быть сформированы путем удаления из цилиндра, коаксиального с теплопередающей трубой 10, центральной части закрученных перегородок, не ограничивающих вертикальный проход, посредством чего могу быть сформированы две идентичные параллельные закрученные перегородки, как показано на фиг.1. Таким образом, две закрученные перегородки 11 и 11' обе имеют верхнюю кромку и боковую кромку, параллельные друг другу, а также пару кромок закрученных сторон, которые всегда находятся в контакте с внутренней стенкой теплопередающей трубы 10.
Один вариант осуществления показанной на фиг.1 закрученной перегородки будет описан ниже с закрученной перегородкой 11 в качестве примера. Отношение осевой длины закрученной перегородка 11 к внутреннему диаметру теплопередающей трубки 10 находится в диапазоне от 1:1 до 10:1. Осевая длина закрученной перегородки 11 может быть названа «шагом», и отношение «шага» к внутреннему диаметру теплопередающей трубы 10 может быть названо «отношением закручивания». Угол закручивания и отношение закручивания оказывают влияние на степень вращения жидкости в теплопередающей трубе 10. Когда отношение закручивания задано, то чем больше угол закручивания, тем выше будет тангенциальная скорость жидкости, однако падение давления будет также соответственно выше. Закрученная перегородка 11 выбирается с отношением закручивания и углом закручивания, которые могут позволить жидкости в теплопередающей трубе 10 иметь достаточно высокую тангенциальную скорость, чтобы разрушить пограничный слой, так что может быть достигнут хороший эффект теплопередачи. В этом случае результатом может стать меньшая тенденция к образованию кокса на внутренней стенке теплопередающей трубы, и падение давления жидкости может регулироваться в приемлемом диапазоне.
Поскольку закрученные перегородки 11 и 11' простираются спирально, то жидкость под управлением закрученных перегородок 11 и 11' перейдет из режима поршневого потока в режим вращающегося потока. Имея тангенциальную скорость, жидкость будет разрушать пограничный слой, чтобы усилить теплопередачу. Кроме того, ввиду тангенциальной скорости жидкости будет снижена тенденция к образованию кокса на внутренней стенке теплопередающей трубы 10. Сверх того, кроме улучшения эффекта теплопередачи канал, ограниченный закрученными перегородками 11 и 11' (то есть вертикальный проход, как упомянуто выше, или окружность 12, как показано на фиг.4), может также уменьшить сопротивление протеканию жидкости через теплопередающую трубу 10. В дополнение, канал также полезен для удаления отшелушенных кусков кокса.
На фиг.2 и 3 схематически показан второй вариант осуществления закрученной перегородки. В этом варианте осуществления закрученные перегородки 11 и 11' оснащены отверстиями 41. Если взять в качестве примера закрученную перегородку 11, то обе жидкости, текущие аксиально или радиально, могут течь через отверстия 41. Таким образом поток жидкости под управлением закрученной перегородки 11 может не только превратиться во вращающийся поток для уменьшения толщины пограничного слоя, но также может гладко проходить через отверстие 41 для перемещения вниз по течению, что значительно уменьшает потерю давления жидкости. Кроме того, куски кокса в жидкости также могут проходить через отверстие 41, облегчая операцию механического удаления кокса или гидравлического удаления кокса. На фиг.4 показан вид в поперечном сечении фиг.2 и 3, что подробно демонстрирует структуру теплопередающей трубы 10.
На фиг.5 схематически показан третий вариант осуществления теплопередающей трубы 10. Конструкция третьего варианта осуществления по существу такая же, как и второго варианта осуществления. Различие между ними заключается в следующем. В начале, в третьем варианте осуществления вдоль траектории вертикального прохода (например, окружности 12 на фиг.4) расположен кожух 20, который неподвижно соединен с радиальным внутренним концом закрученных перегородок 11 и 11', чтобы поддерживать закрученные перегородки 11 и 11' и также улучшать их стабильность и стойкость к удару. Кроме того, кожух 20, закрученные перегородки 11 и 11' и внутренняя стенка теплопередающей трубы 10 вместе ограничивают спиральные полости 21 и 21'. Когда жидкость войдет в спиральные полости 21 и 21', ее режим течения изменится от поршневого потока во вращающийся поток, и потоки будут разделены кожухом 20, на вращающийся поток не будет оказывать влияние поршневой поток в кожухе, так что вращающийся поток будет иметь более высокую тангенциальную скорость, усиливая таким образом теплопередачу и уменьшая отложение кокса на стенке теплопередающей трубы. Когда вращающиеся потоки вытекают из спиральных полостей 21 и 21', они могут увеличивать турбулентность жидкости в теплопередающей трубе 10 под влиянием ее инерционного эффекта, дополнительно усиливая таким образом эффект теплопередачи. В одном предпочтительном варианте осуществления отношение диаметров кожуха 20 и теплопередающей трубы 10 находится в диапазоне от 0,05:1 до 0,95:1, так что пластины кокса могут проходить через кожух 20, что облегчает удаление коксовых пластин.
Следует также понимать, что хотя закрученные перегородки 11 и 11' в показанном на фиг.5 варианте осуществления оснащены отверстиями 41, фактически закрученные перегородки в некоторых вариантах осуществления могут быть не оснащены никакими отверстиями, что здесь для простоты не будет объяснено.
На фиг.6 схематически показан четвертый вариант осуществления теплопередающей трубы 10. Следует отметить, что закрученная перегородка 40 на фиг.6 отличается от любой из закрученных перегородок на фиг. 1-5 тем, что закрученная перегородка 40 не ограничивает вертикальный проход, как показано ни фиг. 1-5. Спирально закрученная перегородка 40 может уменьшить толщину пограничного слоя, и в то же время отверстия 42, созданные на закрученной перегородке 40, снижают сопротивление жидкости, протекающей вдоль осевого направления, для уменьшения потери давления. В одном особом варианте осуществления отношение суммарной площади множества отверстий 42 к площади закрученной перегородки 40 находится в диапазоне от 0,05:1 до 0,95:1. И отношение расстояния по оси между центральными линиями двух соседних отверстий 42 к осевой длине закрученной перегородки 40 находится в диапазоне от 0,2:1 до 0,8:1.
Настоящее раскрытие предмета изобретения относится также к крекинг-печи (на фигурах не показана) с использованием теплопередающей трубы 10, как упомянуто выше. Крекинг-печь хорошо известна специалисту в данной области техники, и поэтому здесь рассмотрена ну будет. Радиантный змеевик 50 крекинг-печи оснащен по меньшей мере одной теплопередающей трубой 10. Предпочтительно, эти теплопередающие трубы 10 располагаются в радиантном змеевике вдоль осевого направления таким образом, чтобы находиться на расстоянии друг от друга. Например, отношение осевого расстояния между двумя соседними теплопередающими трубами 10 к внутреннему диаметру теплопередающей трубы 10 находится в диапазоне от 15:1 до 75:1, предпочтительно от 25:1 до 50:1, чтобы поток жидкости в радиантном змеевике постоянно превращался из поршневого потока во вращающийся поток, улучшая таким образом эффективность теплопередачи. Следует отметить, что когда имеется множество теплопередающих труб, эти теплопередающие трубы могут быть расположены так, как показано на любой из фиг. 1-6.
В дальнейшем для объяснения эффективности теплопередачи и падения давления в радиантном змеевике крекинг-печи, когда используется теплопередающая труба 10 согласно настоящему раскрытию предмета изобретения, будут использованы особые примеры.
Пример 1
Радиантный змеевик крекинг-печи устроен с 6 теплопередающими трубами 10, показанными на фиг.1. Внутренний диаметр каждой из теплопередающих труб 10 равен 51 мм. Отношение диаметра ограниченной окружности к диаметру теплопередающей трубы составляет 0,6:1. Закрученная перегородка имеет угол закручивания, равный 180°, и отношение закручивания, равное 2,5. Расстояние между двумя соседними теплопередающими трубами 10 в 50 раз больше, чем внутренний диаметр теплопередающей трубы. Эксперименты показали, что нагрузка теплопередачи радиантного змеевика составляет 1270,13 кВт и падение давления равно 70180,7 Па.
Пример 2
Радиантный змеевик крекинг-печи устроен с 6 теплопередающими трубами 10, показанными на фиг.2. Внутренний диаметр каждой из теплопередающих труб 10 равен 51 мм. Отношение диаметра ограниченной окружности к диаметру теплопередающей трубы составляет 0,6:1. Закрученная перегородка имеет угол закручивания, равный 180°, и отношение закручивания, равное 2,5. Расстояние между двумя соседними теплопередающими трубами 10 в 50 раз больше, чем внутренний диаметр теплопередающей трубы. Эксперименты показали, что нагрузка теплопередачи радиантного змеевика составляет 1267,59 кВт и падение давления равно 70110,5 Па.
Пример сравнения 1
Радиантный змеевик крекинг-печи смонтирован с 6 традиционными теплопередающими трубами 50' согласно известному уровню техники. Теплопередающая труба 50' имеет конструкцию с закрученной перегородкой 51' в корпусе теплопередающей трубы 50', закрученная перегородка 51' разделяет теплопередающую трубу 50' на два не сообщающихся друг с другом прохода для материала, как показано на фиг.7. Внутренний диаметр теплопередающей трубы 50' составляет 51 мм. Закрученная перегородка 51' имеет угол закручивания, равный 180°, и отношение закручивания, равное 2,5. Расстояние между двумя соседними теплопередающими трубами 50' в 50 раз больше, чем внутренний диаметр теплопередающей трубы. Эксперименты показали, что нагрузка теплопередачи радиантного змеевика составляет 1264,08 кВт и падение давления равно 71140 Па.
С учетом вышеприведенных примеров и пример сравнения может быть сделан вывод, что по сравнению с эффективностью теплопередачи радиантного змеевика в крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы согласно известному уровню техники, эффективность теплопередачи радиантного змеевика в крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы согласно настоящему раскрытию предмета изобретения существенно улучшена. Нагрузка теплопередачи радиантного змеевика улучшена до высокого значения в 1270,13 кВт, и падение давления также хорошо контролируется на низком уровне в 6573,8 Па. Вышеупомянутые характеристики весьма благоприятны для реакции крекинга углеводородов.
Хотя данное раскрытие предмета изобретения было обсуждено со ссылками на предпочтительные примеры, оно распространяется за пределы конкретно раскрытых примеров на другие альтернативные примеры и/или использование их раскрытия и очевидных модификаций и эквивалентов. В частности, пока нет никаких конструктивных конфликтов, технические особенности, раскрытые в каждом примере настоящего раскрытия предмета изобретения, могут комбинироваться с другими любым образом. Объем описанного здесь настоящего раскрытия предмета изобретения не должен ограничиваться конкретно раскрытыми примерами, как описано выше, но может охватывать любые и все технические решения в объеме пунктов формулы изобретения.