化學(xué)工藝學(xué)論文-乙烯裂解爐結(jié)焦及其抑制技術(shù)研究最新進(jìn)展

1、 乙烯裂解爐結(jié)焦及其抑制技術(shù)研究最新進(jìn)展學(xué) 院： 化學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班 級(jí)： 化工12-4 姓 名： 劉健 學(xué) 號(hào)： 2014年11月14日-12月2號(hào) 摘要在乙烯裝置中,裂解爐結(jié)焦是制約裝置運(yùn)行的重要因素。本文在乙烯裂解爐結(jié)焦和滲碳機(jī)理的基礎(chǔ)上，闡述了近年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域所取得的最新研究成果，重點(diǎn)介紹了使用結(jié)焦抑制劑、新型爐管材料、表面預(yù)處理、采用強(qiáng)化傳熱爐管等結(jié)焦抑制方法研究最新進(jìn)展。關(guān)鍵字：乙烯裂解爐；結(jié)焦抑制；爐管材料；表面預(yù)處理The latest progress in ethylene cracking furnace and coking inhibiti

2、on technology researchLiujianAbstract In ethylene cracking furnace is an important factor of restricting device running of anti-coking. Ethylene cracking furnace coking and carburizing mechanism is presented in this paper, on the basis of this paper expounds the progress in this field at home and ab

3、road in recent years, the latest research results, focus on the use of coking inhibitor, new furnace tube material, surface pretreatment, heat transfer enhancement using furnace tube coking inhibition methods, such as the latest progress in research.Key word：Ethylene cracking furnace；Coking inhibiti

4、on；Furnace tube material；Surface pretreatment目錄一.結(jié)焦危害4二.抑制和緩解結(jié)焦的措施42.1新型爐管材料52.1.1國外研究進(jìn)展52.1.2國內(nèi)研究進(jìn)展52.2表面預(yù)處理抑制結(jié)焦技術(shù)62.2.1國外研究進(jìn)展62.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展72.3采用結(jié)焦抑制劑82.3.1 國外結(jié)焦抑制劑研究82.3.2 國內(nèi)結(jié)焦抑制劑研究92.4采用強(qiáng)化傳熱爐管92.4.1國外研究進(jìn)展102.4.2國內(nèi)研究進(jìn)展112.4.3裂解爐管強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬研究11三、結(jié)束語13四、參考文獻(xiàn)13前言乙烯是石油化工行業(yè)最重要的基礎(chǔ)原料之一。目前，世界上大部分乙烯是采用管式爐蒸汽熱裂

5、解的方法生產(chǎn)的，在裂解過程中不可避免地會(huì)在裂解爐輻射段爐管內(nèi)表面生成焦炭。這種高溫條件下形成的焦炭是熱的不良導(dǎo)體，會(huì)使?fàn)t管傳熱阻力增大、爐管內(nèi)徑變小，導(dǎo)致爐管外壁表面溫度升高、爐管內(nèi)流體壓降增大，甚至堵塞爐管，影響正常生產(chǎn)。由結(jié)焦引起的裂解爐頻繁的清焦操作，縮短了裝置的有效生產(chǎn)時(shí)間和裂解爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期、增加了能耗、降低了爐管的使用壽命，影響乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益。因此，開發(fā)針對(duì)乙烯裂解爐的結(jié)焦抑制技術(shù)，是全球乙烯生產(chǎn)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注的問題。本文闡述了乙烯裂解爐輻射段爐管結(jié)焦機(jī)理以及目前工業(yè)上已使用或正在研究的結(jié)焦抑制方法，重點(diǎn)介紹了近年來國內(nèi)外在使用結(jié)焦抑制劑、采用強(qiáng)化傳熱爐管、采用強(qiáng)化傳熱爐

6、管等技術(shù)領(lǐng)域所取得的最新研究成果。一.結(jié)焦危害在熱裂解過程中，乙烯裂解原料的烴類物質(zhì)通過催化反應(yīng)和熱裂解反應(yīng)進(jìn)行脫氫，生成了結(jié)焦副產(chǎn)物。隨著乙烯裂解過程的不斷進(jìn)行，在裂解爐爐管的內(nèi)表面累積了由上述途徑或協(xié)同捕集作用所生成的結(jié)焦。爐管內(nèi)表面產(chǎn)生的結(jié)焦會(huì)影響管內(nèi)的物料流動(dòng)，使得其壓降升高，爐管傳熱效率惡化。在一些較為嚴(yán)重的場合，結(jié)焦會(huì)大大減少爐管的有效內(nèi)徑，甚至將其堵塞，導(dǎo)致裂解爐無法繼續(xù)運(yùn)行。此外，較為嚴(yán)重的裂解爐結(jié)焦情況會(huì)降低主產(chǎn)品的收率、降低裂解深度，并增加能耗；與此同時(shí)，滲碳作用會(huì)縮短爐管壽命。上述結(jié)焦過程可以降低裂解爐的利用率達(dá)到5 %10 % ，導(dǎo)致乙烯等其它產(chǎn)品生產(chǎn)能力的降低。二.抑

7、制和緩解結(jié)焦的措施以結(jié)焦機(jī)理為依據(jù)，緩解和抑制爐管結(jié)焦，可采用的方法有:裂解原料預(yù)處理，向裂解原料或稀釋蒸汽中添加結(jié)焦抑制劑；改變爐管材料的合金成分；改善爐管結(jié)構(gòu)，爐管內(nèi)表面預(yù)處理；將焦催化氣化生成CO2和2，減小焦垢厚度；加氫熱裂解等1-22.1新型爐管材料改善爐管材料不僅可以抑制爐管表面催化結(jié)焦，還可以有效提高爐管傳熱率，能夠明顯地改善爐管的結(jié)焦?fàn)顩r3。2.1.1國外研究進(jìn)展美國OakRidge國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種裂解爐管的新材料，與普通的鉻鎳不銹鋼爐管相比，在抑制結(jié)焦和防滲碳性能方面提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這種新材料的爐管在表面上有一層3.2mm厚的鋁化物覆蓋層，在爐管制造過程中，通過共擠出、

8、共鑄造把鋁化物摻入到爐管中4。SW公司正開發(fā)一種不結(jié)焦的“陶瓷裂解爐管”，可從根本上避免爐管結(jié)焦，該技術(shù)得到了美國政府支持，并且已經(jīng)推向了商業(yè)化，Linde公司也在開發(fā)類似陶瓷裂解爐管。法國IFP和GaZdeFrance公司開發(fā)了一種陶瓷輻射裂解爐，效率達(dá)75%，而傳統(tǒng)裝置為50%。這種新型裂解爐能在高溫下達(dá)到上述的轉(zhuǎn)化率而沒有催化焦炭生成，且能很好地控制高溫?zé)崃呀固康纳闪俊＿€具有投資成本較低、裝置緊湊、致冷負(fù)荷較低的優(yōu)點(diǎn)。Incoloy公司的合金MA956fFe-20Cr-45AI-0.5Ti-0.5Y203具有很高的耐蠕變強(qiáng)度，并抗結(jié)焦和滲碳。這種新爐管材料在試驗(yàn)室裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)，用石

9、腦油作原料，在高裂解深度下操作(爐管出口溫度為950)。與普通的25Cr-35Ni合金相比MA956爐管結(jié)焦速度降低了50%，而且不發(fā)生任何滲碳現(xiàn)象4。2.1.2國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)對(duì)開發(fā)新型乙烯裂解爐爐管材料的研究還比較少，并且尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段。具有代表性的是中國科學(xué)院金屬研究所開發(fā)的新型抗結(jié)焦復(fù)合爐管，其主體材料由耐熱鋼制造，內(nèi)壁為抗結(jié)焦陶瓷燒結(jié)層，具有良好的熱穩(wěn)定性和抗熱沖擊性，與現(xiàn)有爐管相比，抗結(jié)焦能力提高3倍以上，抗?jié)B碳性能提高2倍以上。2.2表面預(yù)處理抑制結(jié)焦技術(shù)表面預(yù)處理是指在爐管內(nèi)表面進(jìn)行涂覆涂層或原位生成氧化膜5等處理，使裂解原料不直接與管壁接觸，減少管壁金屬對(duì)結(jié)焦反應(yīng)的催化作

10、用。在尚未找到性能和經(jīng)濟(jì)成本都合適的新型爐管材料的情況下，對(duì)爐管內(nèi)壁表面進(jìn)行預(yù)處理也成為一個(gè)行之有效的抑制結(jié)焦的方法。運(yùn)用材料表面工程技術(shù)對(duì)金屬防護(hù)涂層的研究，已引起人們的廣泛重視。Horsley等6-7使用不同的預(yù)處理方法做了大量的研究。2.2.1國外研究進(jìn)展SK公司推出的PY-COAT結(jié)焦抑制技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)是可以在線涂覆，適應(yīng)性廣泛，涂層穩(wěn)定，對(duì)下游產(chǎn)品無污染，投資費(fèi)用較低，抗結(jié)焦性能良好，可以延長裂解爐運(yùn)行周期和爐管壽命，提高裝置處理量、轉(zhuǎn)化率、裂解深度及裂解爐利用率。2001年正式投入工業(yè)應(yīng)用，由GE BETZ公司擴(kuò)大技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化1,8。Alonsurfaee Technologi

11、es公司推出工業(yè)化的Alcroplex結(jié)焦抑制技術(shù)，對(duì)爐管進(jìn)行表面處理。先將鉻硅擴(kuò)散入爐管形成阻隔層，用來屏蔽爐管基礎(chǔ)材料，防止催化結(jié)焦及滲碳；然后再擴(kuò)散入鋁和硅，用來防止焦垢粘附。經(jīng)過表面處理的爐管可減少焦炭附著和爐管脆化，清焦周期延長約1倍，爐管壽命延長10倍左右，耐熱溫度從1000提高到1200 ，從而提高乙烯收率。Aleroplex技術(shù)在CONDEAV ista公司的Westlake乙烯裝置上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用高純度乙烷進(jìn)料，爐管和彎頭經(jīng)過雙擴(kuò)散涂層處理。14個(gè)月后，裂解爐運(yùn)行周期超過60天，乙烷轉(zhuǎn)化率提高到70%；27個(gè)月后，裂解爐運(yùn)行周期為4560，乙烷轉(zhuǎn)化率為68%70%。

12、Nova化學(xué)公司將抑制裂解爐管結(jié)焦的ANK-400技術(shù)推向了工業(yè)化。該技術(shù)是在爐管內(nèi)壁形成納米尖晶石表面，經(jīng)過處理的爐管可有效降低催化結(jié)焦速率，將清焦周期延長10倍，可提高裂解爐的能效，降低維修費(fèi)用，減少焦炭處理成本。目前，該技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給日本久保田公司。使用該技術(shù)的裂解爐已運(yùn)轉(zhuǎn)516而無需清焦，收率很高。Westains SEP公司推出將金屬、陶瓷與熱處理相結(jié)合，在乙烯裂解爐管內(nèi)壁形成涂層的COATAL-LOY結(jié)焦抑制技術(shù)。 COATAL-LOY技術(shù)的核心是一種多組分涂層。采用物理氣相沉積法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行涂覆。涂層具有抗熱沖擊性、延展性和抗蠕變性，不影響基礎(chǔ)合金的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，

13、可提高爐管的抗結(jié)焦和抗?jié)B碳性能。涂覆工藝包括涂覆材料的沉積，表面合金與基礎(chǔ)合金之間的穩(wěn)定結(jié)合，采用反應(yīng)性氣體處理涂覆體系使之活化。先后推出兩代，該涂層在1130下能保持穩(wěn)定，可提高裂解爐的抗結(jié)焦性能及抗?jié)B碳性能，同時(shí)提高了轉(zhuǎn)化率和裂解爐運(yùn)行周期。大同鋼鐵公司與殼牌公司合作開發(fā)的PTT技術(shù)，在高溫耐熱金屬管內(nèi)沉積24mm合金覆蓋涂層，用于乙烯裂解爐管，涂層厚1.52.5mm。該涂層經(jīng)機(jī)加工拋光，表面光滑如鏡，可以防止焦炭的沉積并易于清焦，清焦周期由4050延長到6080，爐管壽命延長到610，乙烯產(chǎn)量提高10%15%。殼牌公司在荷蘭Moerdijk的625Kt/a裂解裝置首先采用該技術(shù)。日本To

14、soh公司也采用該技術(shù)，使裂解爐運(yùn)行周期延長50%100%，節(jié)省燃料25%30%。2.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展中國石化洛陽石油化工工程公司9開發(fā)了1種抑制和減緩乙烯裂解爐管結(jié)焦的方法,先用液氨分解后產(chǎn)生的混合氣為還原氣,對(duì)爐管進(jìn)行氣氛處理,然后用配制好的合金粉和黏結(jié)劑對(duì)爐管表面進(jìn)行處理,在爐管表面形成可抑制和減緩結(jié)焦的合金層。用這種方法處理的爐管,其合金層厚度達(dá)100m以上,實(shí)驗(yàn)室結(jié)焦試驗(yàn)表明可有效減少結(jié)焦50%90%,抑制和減緩結(jié)焦比較明顯。中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院10開發(fā)了一種乙烯爐管表面涂層的制備方法。在氬氣保護(hù)下,通過變溫粉末包滲法給爐管內(nèi)壁表面涂覆一層金屬惰性材料,涂層與

15、爐管內(nèi)壁之間具有很好的結(jié)合力,不易脫落,并且不損傷原有的力學(xué)性能,從而大大提高了爐管抑制結(jié)焦性能,一般可降低高溫裂解生焦50%以上。2.3采用結(jié)焦抑制劑在乙烯原料或稀釋蒸汽中加入結(jié)焦抑制劑是目前工業(yè)應(yīng)用中切實(shí)可行的方法，可使?fàn)t管表面鈍化，抑制管壁的催化效應(yīng); 改變自由基反應(yīng)歷程，抑制均相反應(yīng)結(jié)焦; 催化水蒸汽與焦層間進(jìn)行氣化反應(yīng)，減少結(jié)焦量; 改變焦垢的物理形態(tài)使之松散，易于清除。結(jié)焦抑制劑的種類較多，主要有含硫化合物、含磷化合物、含硼化合物、堿金屬及堿土金屬鹽類和聚硅氧烷類化合物等。2.3.1 國外結(jié)焦抑制劑研究( 1) 硫化物。有機(jī)和無機(jī)硫化物是較好的結(jié)焦抑制劑，可使?fàn)t管表面鈍化，抑制管壁

16、金屬的催化效應(yīng)。如硫酸鹽、硫代硫酸鹽、硫化氫、噻吩和二甲基硫等。在熱裂解條件下，有機(jī)硫化物分解出 HS自由基，HS自由基不僅可以參加一次奪氫反應(yīng)，改變自由基反應(yīng)歷程和產(chǎn)物分布，抑制非均相催化成焦反應(yīng)，所生成的金屬硫化物活性低，對(duì)結(jié)焦無催化作用11。研究表明，含硫有機(jī)金屬化合物作為結(jié)焦抑制劑，除了 HS自由基起作用外，化合物中的金屬組分也對(duì)鈍化爐管金屬表面，疏松結(jié)焦有一定作用。國內(nèi)外使用較多的是二甲基二硫，但其抑制結(jié)焦性能一般，有刺激性臭味和毒性，生成和使用時(shí)對(duì)環(huán)境有污染。( 2) 聚硅氧烷。聚硅氧烷具有疏水性和抗粘附性。常用的聚硅氧烷有二甲基聚硅氧烷、苯甲基聚硅氧烷和二乙基聚硅氧烷。能減輕和防

17、止金屬表面與碳粒間、碳粒與碳粒間的粘附。結(jié)焦生成的碳粒在氣流沖刷下，分散于物料中，被裂解氣夾帶離開爐管，降低其表面積碳量12。( 3) 堿金屬或堿土金屬化合物。堿金屬和堿土金屬鹽類結(jié)焦抑制劑可使催化焦與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)，使裂解過程中形成的焦不斷轉(zhuǎn)化成CO和CO2，減少了焦炭在爐管壁上的表觀沉積量，從而抑制了結(jié)焦。同時(shí)這些鹽類化合物對(duì)爐管表面的覆蓋，屏蔽了表面上的Fe 和 Ni 等金屬原子的催化結(jié)焦作用，從而使結(jié)焦速率降低。有機(jī)酸堿金屬鹽類抑制結(jié)焦的效果要優(yōu)于無機(jī)酸堿金屬鹽類。由前蘇聯(lián)開發(fā)的K2CO3結(jié)焦抑制劑其作用是使積碳在水蒸汽存在下汽化，該抑制劑可以延長裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期達(dá)到 125 天以

18、上13。( 4) 含磷及硫磷化合物。含磷及硫磷化合物主要有磷化氫、磷酸、磷酸鹽和亞磷酸鹽等，在裂解條件下發(fā)生分解，分解產(chǎn)物在金屬表面形成一層致密的磷化物膜，鈍化管壁金屬，從而抑制金屬表面發(fā)生的催化成焦反應(yīng)。同時(shí)還能改變結(jié)焦形態(tài)，使焦垢變得松散、易碎、易剝落，較易除去。近年來，磷及硫磷類結(jié)焦抑制劑研究較多，代表性的是美國納爾科化學(xué)公司和菲利普公司。納爾科化學(xué)公司最早開發(fā)的抑制劑是磷酸或亞磷酸的單酯或雙酯，后來又開發(fā)了硫代磷酸或磷酸或亞磷酸的單酯或雙酯，這種抑制劑通過形成一種特殊的化學(xué)物質(zhì)鈍化金屬表面，抑制催化結(jié)焦，并且能改變成焦的物理形態(tài)14。菲利普公司開發(fā)的 CCA 500 化學(xué)抑制劑，能鈍化

19、裂解爐中Ni和Fe 的催化活性，可使蒸汽裂解爐中焦和CO 的形成降低到最低水平，可使?fàn)t子的運(yùn)行周期提高 2 8 倍，還可使裂解爐在較高進(jìn)料速率、較高轉(zhuǎn)化率和較苛刻裂解條件下操作，該化學(xué)抑制劑已在美國、韓國和加拿大裝置上進(jìn)行了工業(yè)化試驗(yàn)。( 5) 含硼化合物。貝茨研究公司研究含硼化合物抑制劑適于較高溫度下使用，可減少烴類裂解爐管的結(jié)垢和腐蝕。2.3.2 國內(nèi)結(jié)焦抑制劑研究國內(nèi)在20 世紀(jì) 80 年代開始了結(jié)焦問題的研究工作，大慶石油學(xué)院和中國石油遼化公司化工一廠共同研究的含硫、磷的CRSI 急冷鍋爐結(jié)焦抑制劑，結(jié)焦速率能降低 60% 75%。華東理工大學(xué)和中國石化上海石化合作研制的結(jié)焦抑制劑，可

20、使裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期由原來的 45 50 天延長到 131 天。2.4采用強(qiáng)化傳熱爐管裂解反應(yīng)的特點(diǎn)是高溫、短停留時(shí)間、低烴分壓及高熱強(qiáng)度，因此，工業(yè)裂解爐管內(nèi)的流體應(yīng)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件，才能保證裂解爐在高烯烴收率及選擇性下的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)上使用的裂解爐管大多采用光滑圓管，通常通過改變管徑、管程數(shù)、每程爐管的根數(shù)等組合方式來改善輻射傳熱，但其潛力已不大。因此國內(nèi)外許多公司根據(jù)破壞邊界層流層、降低邊界層溫度及減緩結(jié)焦的思路開發(fā)了多種不同構(gòu)型的可以強(qiáng)化裂解爐輻射段爐管內(nèi)傳熱的強(qiáng)化傳熱管，使管內(nèi)流體的傳熱和傳質(zhì)條件得到進(jìn)一步改善。使用強(qiáng)化傳熱管可節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本，增加裝置的處理能力；其

21、次，可改善裂解爐管管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，破壞邊界層流層，提高裂解過程產(chǎn)物的選擇性及收率，縮短物料在管內(nèi)的停留時(shí)間，減緩爐管結(jié)焦，延長裂解爐運(yùn)行周期；另外，由于傳熱得到改善，裂解爐管的管壁溫度有所下降，有利于延長爐管的使用壽命。2.4.1國外研究進(jìn)展日本久保田公司15-17是強(qiáng)化傳熱爐管構(gòu)件技術(shù)領(lǐng)域最具代表性的公司，其研制的帶有翅片的混合單元輻射爐管（即MERT爐管），采用整體焊接在爐管內(nèi)壁上的螺旋元件，改變爐管的幾何形狀，導(dǎo)入螺旋流改良了流體的傳熱和傳質(zhì)效果，增加了流體的湍流程度，強(qiáng)化了流體傳熱，使?fàn)t管金屬表面溫度降低，同時(shí)降低結(jié)焦速率，延長了裂解爐運(yùn)行周期。MERT爐管已在全球超過300臺(tái)裂解爐上

22、使用。該爐管與光滑圓管相比，傳熱系數(shù)提高20%50%，內(nèi)表面積增加2%，壓降增大2.03.5倍，在相同裂解深度下，裝有MERT爐管的裂解爐的運(yùn)行周期為光滑圓管的2倍。為了降低壓降， 久保田公司還相繼推出了SLIT-MERT爐管及最新開發(fā)的X-MERT爐管?；贛ERT技術(shù)開發(fā)的X-MERT爐管，通過提高裂解爐管的傳熱與摩擦系數(shù)比，可在降低管壁溫度的同時(shí)使?fàn)t管壓降的增幅最小。久保田公司已在經(jīng)過改造的SRT-V型裂解爐的入口及出口爐管上進(jìn)行了輕石腦油裂解X-MERT爐管的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，并計(jì)劃近期在幾臺(tái)裂解爐上進(jìn)行應(yīng)用。瑞典sandvik材料技術(shù)公司成功生產(chǎn)出一種內(nèi)部帶有縱向翅片的新型乙烯裂解爐管并

23、實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。該爐管通過冷加工工藝制造而成，縱向翅片使?fàn)t管的內(nèi)表面積增加25%，強(qiáng)化了傳熱，提高了生產(chǎn)率。據(jù)稱，這種新型爐管的投資回報(bào)期不到一年18。為了延長爐管的使用壽命，Sandvik公司采用一種改進(jìn)的耐高溫奧氏體不銹鋼Sandvik 353MA（UNS35315）來生產(chǎn)這種外徑510cm的翅片管。這種含有25%（w）Cr和35%Ni（w）的合金爐管具有優(yōu)異的抗?jié)B碳性、抗氧化性及抑制結(jié)焦性能。此外，爐管合金中含有1.6%（w）Si，可在Cr2O3下面形成一層SiO2從而進(jìn)一步維護(hù)爐管性能，爐管中含有0.07%（w）Ce可提高氧化物與合金間的黏結(jié)性，合金中17%（w）的氮可提高其抗蠕變性。美

24、國Kellogg公司在20世紀(jì)80年代末期推出的新型毫秒裂解爐是將單程小直徑圓形爐管改為內(nèi)壁為8翅的梅花螺旋形爐管，不僅能有效增大傳熱面積，同時(shí)也可改善爐管內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，減緩爐管結(jié)焦，不但提高了裂解選擇性，而且增加了爐管的處理量，使管壁溫度下降2030 ，投料負(fù)荷提高20%25%，爐管清焦周期延長一倍多15,192.4.2國內(nèi)研究進(jìn)展北京化工研究院與中國科學(xué)院沈陽金屬研究所18-19合作，成功開發(fā)出帶扭曲片的裂解爐管，取得了良好效果。扭曲片管改善傳熱和傳質(zhì)的機(jī)理是：爐管內(nèi)高速流動(dòng)的流體通過扭曲片進(jìn)行180 旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使流體從原來的柱塞流被迫改變?yōu)樾D(zhuǎn)流，從而對(duì)爐管管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向沖刷作用

25、，減薄邊界層流層，減緩管壁的結(jié)焦趨勢，強(qiáng)化傳熱，降低爐管表面溫度，延長裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期。扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)目前已在中國石化的乙烯裝置上得到廣泛推廣和應(yīng)用，并已開始向國外推廣。2.4.3裂解爐管強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬研究橢圓型裂解爐管的數(shù)值模擬橢圓型爐管的數(shù)值模擬主要基于圓形爐管的數(shù)值模擬思想，計(jì)算過程中采用的方程與一維平推流圓管模型相同，其中管子直徑用相應(yīng)的當(dāng)量直徑代替。Heynderickx等20,21在不考慮管內(nèi)物料濃度、溫度、速率等沿爐管徑向變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合Hottel的區(qū)域法，建立了橢圓形爐管裂解乙烷爐數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，橢圓管的平均熱通量值下降6%，轉(zhuǎn)化率提高2.1%，

26、最大的結(jié)焦速率降低7.8%，平均管外壁溫度下降8 ，爐子的運(yùn)轉(zhuǎn)周期延長40%多，乙烯產(chǎn)量變大。另外，模擬計(jì)算給出了裂解爐管管壁溫度分布曲線，對(duì)爐管清焦周期、原料處理量、燃料供應(yīng)等提供了科學(xué)的指導(dǎo)意義。雖然采用一維平推流模型對(duì)橢圓管的數(shù)值模擬較好地說明了該爐管的強(qiáng)化傳熱效果，但是由于一維模型是假設(shè)物料在爐管內(nèi)無返混、徑向無溫度、濃度梯度等，使得各個(gè)變量沿徑向變化的信息無法獲得，這種假設(shè)與實(shí)際狀況存在一定偏差。扭曲片強(qiáng)化傳熱管的數(shù)值模擬研究換熱器中管內(nèi)添加扭曲片的強(qiáng)化傳熱比較多。一些研究人員22-28從數(shù)值模擬的角度對(duì)扭曲片管的傳熱情況進(jìn)行了研究分析。還有一些研究者29-34根據(jù)不同

27、流動(dòng)介質(zhì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸出層流與湍流工況下傳熱系數(shù)、摩擦因子與流速、扭曲比、管子內(nèi)徑等參數(shù)的關(guān)系，說明扭曲片管的傳熱效果，但是不同研究者推薦使用的計(jì)算公式所得結(jié)果相差比較大33,34。各種研究結(jié)果表明22-32，在小扭曲比、緊配合的情況下，提高傳熱效果比較明顯。雖然傳統(tǒng)換熱器領(lǐng)域中，對(duì)扭曲片強(qiáng)化傳熱管已有許多研究，但是，裂解爐內(nèi)的扭曲片強(qiáng)化傳熱爐管與傳統(tǒng)換熱領(lǐng)域內(nèi)的傳熱管有所不同。換熱器中的扭曲片分布在整個(gè)管內(nèi)，與管子有松配合也有緊配合，而裂解爐強(qiáng)化傳熱管內(nèi)的扭曲片與爐管已經(jīng)融為一體，并且只布置在爐管內(nèi)的某幾段處。另外，對(duì)傳熱系數(shù)、摩擦因子的計(jì)算不同研究者認(rèn)識(shí)也不一致。所以研究扭曲片強(qiáng)化傳熱

28、爐管對(duì)乙烯裂解產(chǎn)物的收率、選擇性、停留時(shí)間、運(yùn)行周期等的影響時(shí)，可以參考換熱器中扭曲片管強(qiáng)化傳熱結(jié)論，但必須重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬，這方面的模擬情況還未見報(bào)道(包括MERT爐管的數(shù)值模擬)。由于工業(yè)中裂解爐管數(shù)目較多，長徑比大，特別是將管內(nèi)的裂解反應(yīng)與管外的輻射傳熱聯(lián)合，求解裂解爐三維模型時(shí)計(jì)算量很大。隨著計(jì)算機(jī)硬件處理能力的不斷提升，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)得到迅速發(fā)展，大量CFD軟件相繼出現(xiàn)并不斷改進(jìn)，采用CFD方法模擬管內(nèi)的流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和裂解反應(yīng)過程，成為乙烯裂解爐反應(yīng)管研究中的一個(gè)新方法35。主要通過對(duì)爐管做合理的網(wǎng)格劃分，經(jīng)過數(shù)值分析，采用比較合適的離散格式，以減少計(jì)算所需機(jī)時(shí)，提

29、高計(jì)算速度，加速收斂，獲得穩(wěn)定性、收斂性較好的計(jì)算結(jié)果。在這方面已做了一些研究工作36-38，有些研究者39還對(duì)不同的網(wǎng)格劃分所引起的解的精度、收斂速度、計(jì)算結(jié)果的好壞做了研究分析。但是，CFD技術(shù)尚須進(jìn)一步完善，對(duì)于復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如多種尺度、高度湍流及存在化學(xué)反應(yīng)的體系，找到合適的模型還比較困難，而且對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力要求也較高。通用的CFD軟件并不能適合所有的流體力學(xué)問題，需要使用者根據(jù)不同的研究對(duì)象認(rèn)真選擇合適的物理模型及CFD技術(shù)。三、結(jié)束語裂解爐結(jié)焦影響乙烯收率和生產(chǎn)周期的長短，從而影響乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益。在眾多的結(jié)焦抑制技術(shù)中，裂解系統(tǒng)中添加結(jié)焦抑制劑抑制結(jié)焦的方法不受高溫限制，

30、也不改變現(xiàn)有工藝，容易在工業(yè)裝置上實(shí)施，是較為有效的方法之一；對(duì)爐管表面進(jìn)行涂覆處理的技術(shù)在國外研究較多，該技術(shù)不需要專門維護(hù)，處理后爐管壽命長，隨著能承受1100 以上溫度涂層技術(shù)的推出，該技術(shù)越來越具有競爭力； 強(qiáng)化傳熱爐管的研究也在開始逐漸投入工業(yè)應(yīng)用，從總體上看,在設(shè)計(jì)強(qiáng)化傳熱爐管時(shí),不僅要追求較高的傳熱速率,還要考慮該技術(shù)對(duì)結(jié)焦反應(yīng)的影響,以及鑄造加工方面的因素,即綜合考慮工程應(yīng)用中的合理性和經(jīng)濟(jì)性。四、參考文獻(xiàn)1王松漢,何細(xì)藕.乙烯工藝與技術(shù).北京:中國石化出版社,2000:293-295.2YsiekierskiA. G.FisherG. SchillmolerCM.J Hydr

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