[发明专利]热交换装置及其制造方法

说明书

公开领域

本文公开的实施方案一般地涉及烃类裂化(热解)，并且涉及用于在更高的选择性和更长的运行时间下实现烃类裂化的热交换器和方法。

背景

热交换器通常通过经由热交换管的不同插入层的间接热传导的方式用于加热或冷却流体和/或气体的多种应用中。例如，热交换器可用于空调系统、制冷系统、散热器或其他用于加热或冷却的类似系统中，以及如地热发电的处理系统中。作为使用减少的能量促进处理反应的方法，热交换器在石油烃处理方面特别有用。延迟焦化装置、真空加热器和裂化炉是通常用于石油烃处理的热交换装置。

在本领域中已知并使用多种构造用于热交换器。例如，用于热交换器的通用结构是壳管式热交换器，其包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体包裹了一束平行管道。第一流体流过管道，同时第二流体流过管道周围的壳体，这样以使得在两种流体之间交换热。在一些壳管式结构中，遍及壳体并且在管的周围设置挡板，以使得第二流体以特定方向流动，从而优化热传导。用于热交换器的其他结构包括，例如，火焰加热器、套管、板、板翅、板框、螺旋、空气冷却和蛇管热交换器。本文公开的实施方案一般地涉及在热交换装置中使用的热交换管。

通常，热交换管的热传导速率可表示为对流方程：Q＝UAΔT，其中Q是单位时间传导的热量，A是热流有效面积，ΔT是整个热交换器的温差，并且U是基于热流有效面积A的总热传导系数。

在本领域中众所周知的是，可以通过增加热流有效面积A从而提高热传导速率Q。因此，用于增加热传导量通常使用的方法是增加热交换管内表面积的大小。一种这样的方法包括使用多个小直径热交换管，而不是单独的一个较大直径的热交换管。增加管壁的热传导面积的其它方法包括沿管壁添加多种图案、翅片、沟、皱摺、槽、流动增强装置等。通过在流体流中制造湍流，这种表面变化也可以间接增加热传导面积。具体地，湍流流体流动使更高百分比的流体接触管壁，从而提高热传导速率。

例如，U.S.3,071,159描述了一种热交换器管，所述热交换器管具有长的主体，所述主体具有数个从其中伸出并插入热交换器管内的构件，以使得将流体引导至热交换管的管壁附近，并且所述流体具有湍流。例如，U.S.3,885,622、U.S.4,438,808、U.S.5,203,404、U.S.5,236,045、U.S.5,332,034、U.S.5,333,682、U.S.5,950,718、U.S.6,250,340、U.S.6,308,775、U.S.6,470,964、U.S.6,644,358和U.S.6,719,953中描述了其它具有图案的热交换管，所述图案包括沿管壁的翅片、凸纹、沟、槽、凸起和/或插入物。

在本领域中还知道的是，热传导系数U主要是热交换管材料的热导率、热交换管的几何结构以及热交换管内和周围的流体流动条件的函数。这些变量常常是相互关联的，并且因此，可以将它们彼此协同考虑。尤其是，热交换管的几何结构影响流动条件。差的流动条件可能导致结垢，所述结垢为沉积在热交换管的管壁上的不适宜的积累物。增加的结垢量降低热交换管的热导率。因此，通常配置热交换管几何以增加流体流速，并增加流体流中的湍流，以作为打碎和防止结垢的方式。

除降低热交换管的热导率之外，增加的结垢量还可以在整个管中建立压降。热交换管中的压降可能导致为恢复管内压力所需的处理成本增加。此外，压降可能限制流体流速，从而降低热传导速率。

如上所述，向热交换器管壁添加多种图案和插入物是增加热传导面积并提供更多湍流流动，并且从而增加热交换器管的热传导速率的通常实施的方法。然而，这种机械改造的添加需要更高的原料成本、昂贵的制造程序和增加的能源成本(包括加热更多的管材料)。此外，插入物、翅片等可能在某些应用中，如在裂化加热器或延迟焦化装置中导致剥落。

乙烯在世界范围内被大量生产，主要作为用于其他材料的化学结构单元使用。乙烯作为大量中间产物出现在20世纪40年代，当时石油和化工生产企业开始从炼油厂废气分离乙烯，或从由炼油厂副产品流以及由天然气获得的乙烷制备乙烯。

大部分乙烯通过乙烯用水蒸气的热裂化制备。烃裂化一般发生在炉的辐射段中的火焰管式反应器中。在对流段，烃流可以通过与来自炉燃烧器的废气热交换被预热，并且使用水蒸气进一步加热，以将温度升高至初裂温度，取决于给料通常为500-680℃。