[发明专利]管道系统

说明书

技术领域

本发明涉及管道系统(piping)，且更具体而言涉及用于裂化炉的管道系统。所述管道系统可具有特定的几何结构。本发明还延伸至具有这种特定几何结构的管道系统的各种其它的用途。 

背景技术

裂化炉(cracking furnace)具体地在乙烯的生产中使用。在乙烯的蒸汽裂化过程(steam cracking process)中，将烃原料用蒸汽稀释，然后通过将其经过炉中的管子(通常称为“炉盘管(furnace coil)”)而迅速地加热至高温。高温使得烃原料分解。然后，使输出的蒸汽骤冷以防止产物的再结合，所述输出的蒸汽含有来自热解管(pyrolysis tube)中热解反应的烃的广泛混合物再加上原料的未反应组分。然后可将经冷却的蒸汽通过一系列的蒸馏和其它分离操作进行处理，其中分离了裂化操作的各种产物。 

已知的裂化炉有许多问题。由于流经炉中管子的原料和蒸汽的停留时间非常短(几十秒)，炉子和管子必须保持在非常高的温度下以便实现必需的快速加热以实现热解。因此，需要大量的燃料以加热炉子。 

此外，炉子中的管子的非常高的温度导致焦碳沉积在管子内侧上。这种焦化特别不受欢迎，因为管子内侧上的焦炭层的存在减少了从炉子到原料的传热，并因此影响产率。这还增加热解管中的压降，虽然通常认为该因素不如对传热的影响显著。 

如果焦炭沉积足够严重，通常必需使炉子周期性地停止使用(通常每20～60天)以允许对管子除焦(例如通过蒸汽清洗)。由于各个炉子占据了非常大的资本投资，因而期望将这种停工期保持为最小。 

发明内容

根据本发明，提供了一种裂化炉，其具有至少一个穿过该炉子的热解管，其中所述热解管形成为使得其具有至少一部分(portion)，该部分的中心 线在三维上弯曲。 

已经发现，当流体流过中心线在三维上弯曲的管道部分时，其沿着管道“打漩(swirl)”(即，其运动的分量环绕管道的中心线)。该“旋流(swirl flow)”与常规流动相比具有许多优点。 

利用旋流，改进了管道的横截面上的混合。另外，由于这种混合，跨越管道的流动的速度分布与常规管道中的流动相比更加均匀(或者更钝)，并且旋流流体往往起到冲刷管道壁的柱塞作用。此外，与直的管道相比，靠近管道壁的流动速度增加，使得边界层厚度降低，这在本质上改善了从管壁至管道内流体的传热。 

当应用于炉中的热解管时，改进的混合特别地合适，因为其在流动的中心部分(core)内的流体中以及在管壁处的流体和中心部分内的流体之间提供了显著的质量、动量和热量传递。因此，改进了从热解管壁到其中流动的原料的传热。这种改进的传热能够实现最终产品的更高产率，或者能够用较少的炉燃料消耗来实现相同的产率。在经常的情形，即传热为炉子的产能限制因素的情况中，这种改进的传热还有效地增加炉子的产能。 

此外，旋流可减少焦化。上述改进的传热允许用较低的热解管壁温度进行热解反应，而这种降低的温度将导致减少的焦化。此外，壁附近较高的流动速度减少了任何焦炭沉积的机会(因为焦炭更可能被旋流冲走)，并且还往往除去任何已沉积在管壁上的焦炭。由于焦炭沉积的减少将增加炉子需要除焦之前可以使用的时长，从而增加炉子的生产率，因此旋流在热解管中的用处是极其显著的。 

优选地，热解管的内表面为基本上光滑的，且可例如用低摩擦涂层涂覆，这种涂层是已知的。优选避免表面凹凸如膛线(rifling)，因为这会导致润湿周长长度的增加并因此倾向于增加流阻。已知常规热解管(直的或者仅在二维上弯曲的)具有膛线并且这可促进靠近管子内表面的旋流。然而，这是相对局部的近壁效应，其使得中心部分处的流动交叉混合在中心部分即便有也是非常少的。因此，未获得本发明的改进的传热优点。在直的或者二维弯曲的有膛线的管子中，中心线相应地为直的或者沿着二维曲线。 

在优选的形式中，热解管形成为使得其具有至少一部分，该部分的中心线形成为多圈螺旋。如果管子的中心线形成为多圈螺旋(其在三维上弯曲)，则旋流将沿着管子持续，并且将持续获得优点。

旋流在中心线在三维上弯曲的管区域(section)中迅速地建立。上述旋流的优点可在某些情况下通过中心线在短距离上在三维上弯曲的热解管部分而实现。然而，如果管子然后回复为具有直的中心线的普通区域，则旋流将逐渐消失并为普通的流动所替代。因此，优选地，大部分热解管在其穿过炉子时具有在三维上弯曲的中心线。例如，炉内超过50％，优选地超过75％，更优选超过90％程度的管子可具有三维弯曲的中心线。