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）

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)，為用戶帶來(lái)了可觀的經(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；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觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏部位附近的管壁中部發(fā)現(xiàn)了周向開裂和裂紋（圖4），在未開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.

[2]黃德斌,鄧先和,王揚(yáng)君,等.螺旋橢圓扁管強(qiáng)化傳熱研究[J].石油化工設(shè)備,2003,32(3):1-4.

[3]焦安軍,厲彥忠,張瑞,等.板翅式換熱器導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其導(dǎo)流性能的影響[J].化工學(xué)報(bào),2003,54(2):153-158.

[4]馬良棟,孫德興,張吉禮.內(nèi)環(huán)肋管道中湍流流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(4):437-440.

[5]Iftakhar Alam,Ghoshdastidar P S.A study of heat transfer effectiveness of circular tubes with internal longitudinal fins having tapered lateral profiles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2002,45:1371-1376.

[6]Liao Q,Xin M D.Augmentation of convective heat transfer insidetubeswiththree-dimensionalinternalextendedsurfaces and twisted-tape inserts[J].Chemical Engineering Journal,2000,78:95-105.

[7]王國(guó)清,曾清泉.乙烯裂解爐強(qiáng)化傳熱技術(shù)[J].石油化工,2001,30(7):528-530.

TQ050.7

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.05.017

2016-04-14；

2016-05-25