專利名稱：管道系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及管道系統(tǒng)(piping)，且更具體而言涉及用于裂化爐的管道系 統(tǒng)。所述管道系統(tǒng)可具有特定的幾何結構。本發(fā)明還延伸至具有這種特定 幾何結構的管道系統(tǒng)的各種其它的用途。
背景技術：
裂化爐(cracking furnace)具體地在乙烯的生產(chǎn)中使用。在乙烯的蒸汽裂 化過程(steam cracking process)中，將烴原料用蒸汽稀釋，然后通過將其經(jīng)過 爐中的管子(通常稱為"爐盤管(furnace coil)")而迅速地加熱至高溫。高溫 使得烴原料分解。然后，使輸出的蒸汽驟冷以防止產(chǎn)物的再結合，所述輸 出的蒸汽含有來自熱解管(pyrolysis tube)中熱解反應的烴的廣泛混合物再加 上原料的未反應組分。然后可將經(jīng)冷卻的蒸汽通過一 系列的蒸餾和其它分 離操作進行處理，其中分離了裂化操作的各種產(chǎn)物。
已知的裂化爐有許多問題。由于流經(jīng)爐中管子的原料和蒸汽的停留時 間非常短(幾十秒)，爐子和管子必須保持在非常高的溫度下以便實現(xiàn)必需的 快速加熱以實現(xiàn)熱解。因此，需要大量的燃料以加熱爐子。
此外，爐子中的管子的非常高的溫度導致焦碳沉積在管子內(nèi)側上。這 種焦化特別不受歡迎，因為管子內(nèi)側上的焦炭層的存在減少了從爐子到原 料的傳熱，并因此影響產(chǎn)率。這還增加熱解管中的壓降，雖然通常認為該 因素不如對傳熱的影響顯著。
如果焦炭沉積足夠嚴重，通常必需使爐子周期性地停止使用(通常每 20~60天)以允許對管子除焦(例如通過蒸汽清洗)。由于各個爐子占據(jù)了非 常大的資本投資，因而期望將這種停工期保持為最小。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種裂化爐，其具有至少一個穿過該爐子的熱解 管，其中所述熱解管形成為使得其具有至少一部分(portion)，該部分的中心線在三維上彎曲。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當流體流過中心線在三維上彎曲的管道部分時，其沿著管
道"打漩(swirl)"(即，其運動的分量環(huán)繞管道的中心線)。該"旋流(swirl flow)" 與常規(guī)流動相比具有許多優(yōu)點。
利用旋流，改進了管道的橫截面上的混合。另外，由于這種混合，跨 越管道的流動的速度分布與常規(guī)管道中的流動相比更加均勻(或者更鈍)，并 且旋流流體往往起到?jīng)_刷管道壁的柱塞作用。此外，與直的管道相比，靠 近管道壁的流動速度增加，使得邊界層厚度降低，這在本質上改善了從管 壁至管道內(nèi)流體的傳熱。
當應用于爐中的熱解管時，改進的混合特別地合適，因為其在流動的 中心部分(core)內(nèi)的流體中以及在管壁處的流體和中心部分內(nèi)的流體之間提 供了顯著的質量、動量和熱量傳遞。因此，改進了從熱解管壁到其中流動 的原料的傳熱。這種改進的傳熱能夠實現(xiàn)最終產(chǎn)品的更高產(chǎn)率，或者能夠 用較少的爐燃料消耗來實現(xiàn)相同的產(chǎn)率。在經(jīng)常的情形，即傳熱為爐子的 產(chǎn)能限制因素的情況中，這種改進的傳熱還有效地增加爐子的產(chǎn)能。
此外，旋流可減少焦化。上述改進的傳熱允許用較低的熱解管壁溫度 進行熱解反應，而這種降低的溫度將導致減少的焦化。此外，壁附近較高 的流動速度減少了任何焦炭沉積的機會(因為焦炭更可能被旋流沖走)，并且 還往往除去任何已沉積在管壁上的焦炭。由于焦炭沉積的減少將增加爐子 需要除焦之前可以使用的時長，從而增加爐子的生產(chǎn)率，因此旋流在熱解 管中的用處是極其顯著的。
優(yōu)選地，熱解管的內(nèi)表面為基本上光滑的，且可例如用低摩擦涂層涂 覆，這種涂層是已知的。優(yōu)選避免表面凹凸如膛線(rifling)，因為這會導致 潤濕周長長度的增加并因此傾向于增加流阻。已知常規(guī)熱解管(直的或者僅 在二維上彎曲的)具有膛線并且這可促進靠近管子內(nèi)表面的旋流。然而，這 是相對局部的近壁效應，其使得中心部分處的流動交叉混合在中心部分即 便有也是非常少的。因此，未獲得本發(fā)明的改進的傳熱優(yōu)點。在直的或者 二維彎曲的有膛線的管子中，中心線相應地為直的或者沿著二維曲線。
在優(yōu)選的形式中，熱解管形成為使得其具有至少一部分，該部分的中 心線形成為多圈螺旋。如果管子的中心線形成為多圈螺旋(其在三維上彎 曲)，則旋流將沿著管子持續(xù)，并且將持續(xù)獲得優(yōu)點。旋流在中心線在三維上彎曲的管區(qū)域(section)中迅速地建立。上述旋流 的優(yōu)點可在某些情況下通過中心線在短距離上在三維上彎曲的熱解管部分 而實現(xiàn)。然而，如果管子然后回復為具有直的中心線的普通區(qū)域，則旋流 將逐漸消失并為普通的流動所替代。因此，優(yōu)選地，大部分熱解管在其穿 過爐子時具有在三維上彎曲的中心線。例如，爐內(nèi)超過50%，優(yōu)選地超過 75% ，更優(yōu)選超過90%程度的管子可具有三維彎曲的中心線。
熱解管部分可形成為使得其螺旋角度恒定，并且從筒化熱解管制造的 觀點來看，這可能是期望的。
然而，曲率還可以沿著熱解管部分的長度變化。例如，該管部分可具 有多個部分，各部分具有不同的螺旋曲率。變化的曲率可能是期望的，因 為其能使得流動狀態(tài)沿著管子改變。例如，可能期望進入到爐子中的管子 中的流動狀態(tài)(其中原料較冷并且尚未裂化)不同于管子從爐子出來時的流 動狀態(tài)(其中原料已裂化并且較熱)。使用不同的曲率將允許流動狀態(tài)改變。
變化的曲率還允許熱解管部分在寬的流動狀態(tài)范圍內(nèi)良好運行。流動 狀態(tài)可例如基于原料的類型，隨著具有不同密度、粘度等的不同類型而改 變。對于流動狀態(tài)的特定集合，可優(yōu)化該管部分的特性以實現(xiàn)最佳的可能 結果；然而，如果流動狀態(tài)不符合該特定集合，則該管部分可次優(yōu)地運行。 相反，如果曲率沿著該管部分的長度變化，則可能其一些區(qū)域將在給定的 流動狀態(tài)集合下運行良好(即使其它區(qū)域運行地不太好)，而這將允許該管部 分在更大的流動狀態(tài)范圍內(nèi)使用。熱解管僅部分具有彎曲的中心線也是可 以的；例如，"U，，形熱解管可具有一個直管和一個中心線在三維上彎曲的 管，并且這兩個管通過二維彎頭(bend)連接。
考慮到該管部分的中心線為螺旋線，如果螺旋角和螺旋幅度(helix amplitude)恒定則曲率恒定。另一方面，如果要改變曲率，則這可通過螺旋 角的變化和/或螺旋幅度的變化而實現(xiàn)。
當然，除了曲率之外，該管部分的其它特征也可沿其長度而變化。這 些特征包括該管部分的橫截面積和其橫截面形狀，所述橫截面積可為恒定 的或者可為變化的。
在本說明書中，螺旋的幅度指從平均位置(mean position)至側向末端 (lateral extreme)的位移程度。因而，在熱解管部分具有螺旋中心線的情況下， 該幅度是螺旋中心線的全部側向寬度的 一半。螺旋的幅度較大可能是期望的。例如，該幅度可大于該管部分的內(nèi)徑。 然而，為了緊湊，該幅度優(yōu)選地等于或者大于該管部分的內(nèi)徑。
在特別優(yōu)選的形式中，以低幅度螺旋形成該管部分。所謂"低幅度螺 旋"指該部分形成為使得其中心線沿著基本上螺旋的路徑，并且螺旋的幅 度等于或者小于該區(qū)域的內(nèi)徑的 一半。
以這種方式形成為低幅度螺旋的管子是特別有利的，因為其提供了旋 流的優(yōu)點但是不占據(jù)比直管大很多的體積，并且因此可代替直管使用。如 果管子要用于現(xiàn)有的具有直管的爐子的改裝，則這是特別有益的，因為直 管可簡單地用低幅度螺旋管代替。
這種類型的具有低幅度螺旋幾何結構的管道系統(tǒng)，除了裂化爐中的熱 解管之外，還可用于很多應用，并且這些應用和可通過使用低幅度螺旋幾 何結構而獲得的優(yōu)點中的若干將描述于后。


現(xiàn)在，將僅以實例的方式并且參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選的實施方
式，在附圖中
圖l為現(xiàn)有技術裂化爐的示意性橫截面視圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施方式的裂化爐的示意性橫截面視圖； 圖3為具有低幅度螺旋幾何結構的一段長度的管道系統(tǒng)的視圖； 圖4為使用低幅度螺旋幾何結構的一排熱解管的視圖；和
圖5a和5b為使用低幅度螺旋幾何結構其它布局的裂化爐的示意性橫
截面視圖。
具體實施例方式
在圖1中，現(xiàn)有技術裂化爐用標記IO表示。燃燒器u布置在爐子的 底部以對其加熱。熱的燃燒產(chǎn)物通過煙道14離開爐子，并且它們可用于預 熱熱解反應中所使用的原料和蒸汽。
熱解管在爐子的底部(如標記20所示)處進入爐子。該熱解管向上延伸 通過爐子(標記22)，并且在管子的這部分中發(fā)生熱解反應。管子從爐子出來 (標記24),并將熱解反應的產(chǎn)物和任何未反應的原料帶往驟冷裝置。
將該管子形成為大體直的管道。管子中的彎頭為簡單的平面直角彎頭，其中該管道的中心線僅在二維上彎曲。
實際上，會有很多的熱解管通過爐子，但為清楚起見，僅示出了單個管子。
在一些現(xiàn)有技術布局中，在爐內(nèi)熱解管具有"U"形或"M"形或"W，， 形結構，并且被稱為U盤管、M盤管或者W盤管。在所有的情況下，形成 "U"或"M"或"W"形狀的彎頭在一個平面內(nèi)。
圖2顯示類似的爐子，其中，與圖1的爐子的那些部分相對應的部分 具有相同的標記。此外，為了清楚起見，僅示出一個管子。
此處，熱解管30形成有在三維上彎曲的中心線。具體而言，其形成為 縱軸從爐子的底部延伸至頂部的螺旋線。(當以側視圖顯示熱解管的螺旋線 時，其顯現(xiàn)為正弦波形狀。)
應理解，這是一個示意圖，并且熱解管可采用不同于圖中所示形式的 各種形式。
由于熱解管30形成有在三維上彎曲的中心線，因此熱解管中的原料和 蒸汽的混合物在其沿著熱解管流動時打漩。這將導致原料和蒸汽的改進的 混合，并且還將改進從熱解管壁進入和穿過混合物的傳熱。因而，與如果 流動未打旋相比，熱解管壁可處于較低的溫度，這容許較低的燃燒器燃料 消耗。這種較低的壁溫還將延長爐管的壽命并且允許在一些情況下使用較 便宜的合金和所要使用的管制造技術。
此外，較低的熱解管壁溫和增加的近壁流動速度均降4氐了沉積在熱解 管壁上的焦炭的量，并且沉積的任何焦炭由于近壁的較快流動而更可能從 管壁除去。
這種焦化的減少特別地有利，因為其確保維持良好的傳熱特性。這還 減少了將爐子停止使用而進行除焦的需求。
在圖2中，管子進入爐子之前的區(qū)域顯示為直的；然而，該區(qū)域也可 形成有在三維上彎曲的中心線，并且該區(qū)域可沿著其長度為螺旋形。
圖2中的熱解管的螺旋區(qū)域30顯示為相當類似于盤簧的形狀。然而， 這使得熱解管的"封套(envelope)"相對地寬，并且還顯著地增加了管子的 長度(并因此增加停留時間)。
在一些情況下，這些特征可能是不期望的，并且因此優(yōu)選將螺旋區(qū)域 形成為低幅度螺旋，其中管子形成為使得其中心線沿著基本上螺旋的路徑，并且螺旋的幅度等于或者小于管子內(nèi)徑的 一半。
本文中所用的術語"螺旋的幅度"指中心線從平均位置到側向末端的 位移程度。因而，該幅度為螺旋中心線的全部側向寬度的一半。
在這種類型的低幅度螺旋區(qū)域中，其中螺旋的幅度小于管子內(nèi)徑的一
半，沿著管子的內(nèi)腔有"瞄準線(line of sight)"。雖然在瞄準線處的流動可大 致沿著直的路徑，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其通常具有旋流分量。
螺旋區(qū)域的"相對幅度"定義為幅度除以內(nèi)徑。由于螺旋管的幅度小 于或者等于管子內(nèi)徑的一半，因此這意味著相對幅度小于或者等于0.5?？?優(yōu)選小于或者等于0.45、 0.40、 0.35、 0.30、 0.25、 0.20、 0.15、 0.1或者0.05 的相對幅度。較小的相對幅度提供了對可用側向空間的更好使用，因為管 子總的來說不比具有相同截面積的普通直管寬太多。較小的相對幅度還導 致較寬的"瞄準線"，為沿著管子插入壓力計或者其它設備提供了更多空間 (這在清洗管子時可能是有用的)。然而，非常小的相對幅度可在某些情況下 導致減少的二次運動和混合。
較高的雷諾數(shù)時，可使用較小的相對幅度同時將旋流引導至令人滿意 的程度。這通常意味著，對于給定的內(nèi)徑，當流速高時，可使用低的相對 幅度，同時仍足以引起旋流。
螺旋角(或者螺距(pitch)，其中所述螺距為螺旋一圏的長度，并且可用 管子的內(nèi)徑進行限定)也是影響流動的相關因素。當用相對幅度時，可根據(jù) 條件優(yōu)化螺旋角。螺旋角優(yōu)選地小于或者等于65° ，更優(yōu)選小于或者等于 55° 、 45。 、 35。 、 25。 、 20。 、 15。 、 10。或者5° 。
一般來說，對于較高的雷諾數(shù)，螺旋角可較小，同時實現(xiàn)令人滿意的 旋流，當較低的雷諾數(shù)時，將需要較高的螺旋角以產(chǎn)生令人滿意的旋流。 在低幅度螺旋情況下，對于較快的流動(具有較高的雷諾數(shù))使用較高的螺旋 角通常將是不期望的，因為可能有靠近壁的死滯流體區(qū)。因此，對于給定 的雷諾數(shù)(或者雷諾數(shù)范圍)，優(yōu)選地選擇盡可能低的螺旋角，以產(chǎn)生令人滿 意的旋流。在某些實施方式中，螺旋角小于20。。
一段長度的具有低幅度螺旋幾何結構的管道系統(tǒng)示于圖3中。該管道 系統(tǒng)100具有圓形截面、外徑De、內(nèi)徑D,和壁厚T。該管子盤繞成恒定幅 度A(從平均位置到側端測量)、恒定螺距P、恒定螺旋角6和掠寬(swept width)W的螺旋。該管道系統(tǒng)1含于縱向延伸的假想的封套中并且具有等于螺旋的掠寬W的寬度。封套120可被認為具有也可稱為螺旋旋轉軸的 中心縱軸130。所圖示的管道系統(tǒng)1具有直的軸130, ^旦是應理解中心軸可 為彎曲的，或者實際上可根據(jù)需求而采取任何形狀。該管道系統(tǒng)具有沿著 中心縱軸130周圍的螺旋路線的中心線140。
可看到，幅度A小于管子內(nèi)徑D！的一半。通過將幅度保持低于該尺寸， 管道系統(tǒng)所占據(jù)的側向空間以及管道系統(tǒng)的總長可保持較小，而同時該管 道系統(tǒng)的螺旋結構促進了流體沿著該管道結構的旋流。這還提供了沿著該 管道系統(tǒng)的較寬的內(nèi)腔，這允許儀器、設備等穿越該管道系統(tǒng)。
圖4顯示了一排熱解管，全部形成為低幅度螺旋管。應理解，在實踐 中，熱解管將以這種方式形成排，以用少的停留時間得到較大的吞吐量， 同時還允許到原料的足夠的傳熱以允許發(fā)生熱解。
圖4中所示的熱解管為"U"形類型。各個管子具有在二維上彎曲的入 口部分40、出口部分42和"U"形彎頭部分44。入口部分40具有短部分 直管46，其后為也在二維上彎曲的"U"形彎頭區(qū)域48。這進入三維彎曲 部分50，該部分50在其下游末端處連^^到"U，，形彎頭部分44。第二個三 維彎曲部分50將流體帶往出口部分42，其具有"U"形彎頭區(qū)域52和之 后的短部分直管54。 二維彎曲的"U"形彎頭區(qū)域48、 52和"U"形彎頭 部分44為了便于制造和安裝而在二維上彎曲，并且這不是必要的。
在圖1中，熱解管在底部處進入爐子，并且在頂部出來。圖5a和5b 為熱解管30的其它布局的示意圖。在各種情況下，中心線140(如圖3中所 述)為螺旋形。在圖5a中，熱解管從爐子的頂部進入，向下延伸至底部，彎 曲折回，延伸至爐子的頂部并且出來。因而管子為大體的"U"形。在這種 情況下，圖3中所述的螺旋旋轉軸130為"U"形的。
在圖5b中，管子30沒有立即在爐子的頂部處出來，而是作了另一個 向下再向上的回路，并且在爐子的頂部出來。因而，該管子為大體的"W" 形的。在這種情況下，圖3中所述的螺旋旋轉軸130為"W"形的。當然， 管子的具體布局將取決于特定的需求，并且應理解，可根據(jù)特定的需求而 使用其它形狀的熱解管，以及其它進出爐子的位置。
低幅度螺旋幾何結構的使用不限于裂化爐中的熱解管。具有低幅度螺 旋幾何結構的管道系統(tǒng)(其可具有沿著其長度變化的特性)還可在很多過程 中使用，所述過程為涉及通過管道的流體的運動或者運送、管道內(nèi)流體的混合、管道內(nèi)進出流體的傳熱和傳質的過程、管道內(nèi)發(fā)生沉積或者污染的 過程以及管道內(nèi)發(fā)生化學反應的過程。這種應用可適用于作為單相的氣體 或者液體或者作為多相混合物的任意組合的氣體、液體或者固體的混合物。 這種管道系統(tǒng)的使用可具有顯著的經(jīng)濟影響。
例如，旋流可提供減少的湍流并且提供相關的降低的壓降，這在合適 的條件下能夠降低泵送成本。
在烴通過管線的分配(distribution)中這可為顯著的，包括原油氣生產(chǎn)過 程。例如，陸上或者海上使用的石油生產(chǎn)提升管(riser)和流送管(flowline)可 包括至少一部分，該部分具有低幅度螺旋幾何結構。低幅度螺旋幾何結構 改進了提升管或者流送管中的流動動力學，因為其減少了通過流送管或者 提升管的流動湍流，并因此減少了壓力損失。
流送管或者提升管可為基本上垂直的、基本上水平的、或者具有彎曲 的幾何結構，包括S形或者垂曲線(catenary)形。流送管或者提升管可為剛 性或者柔性的，或者這兩者的任意組合。所述流送管或者提升管可用各種 材料的任意組合構造，并且可包括加強環(huán)(strengthening ring)。
類似地，用于油、氣、水或者地熱井內(nèi)向下鉆進用途的生產(chǎn)管道系統(tǒng) (production tubing)可使用低幅度螺旋幾何結構。井的至少 一部分包含具有低 幅度螺旋幾何結構的生產(chǎn)管道系統(tǒng)。好處包括流動湍流的減少和降低的壓 力損失。
而且，用于輸送烴的管線可使用低幅度螺旋幾何結構，并且將享有如 下好處降低的流動湍流和降低的壓力損失。當然，用于輸送其它流體例 如飲用水、廢水和污物、漿料、粉末、食品或者飲料產(chǎn)品、或者實際上任 何單相或者多相流體的管線也可具有低幅度螺旋幾何結構并且享有相同的好處。
降低的壓降特別有利的另 一領域是用于水電應用的壓力水管(penstock) 和引流管(draft tube)情況。降低的壓力損失帶來增加的發(fā)電輸出，并且在裝 置的壽命期間即使小的壓降降低也可為功率輸出帶來非常大的增加。
降低的壓降對發(fā)電廠和其它工廠中的蒸汽分布也是重要的。這對于需 要將壓力保持在可能的最低水平以改進產(chǎn)率的化學反應的進行也是重要 的，所述化學反應包括在真空下進行的過程，如通過熱解生產(chǎn)烯烴(如上 詳述的)以及從乙苯生產(chǎn)苯乙烯。管道內(nèi)的混合在包括化學、食品、藥品、水和石油工業(yè)的許多工業(yè)中 是重要的。通常重要的是，少量的活性化學品均勻地分布在大量的其它材 料中。在一些情況下，這被稱為定量給料。實例為向多種材料和食品添加 抗氧化劑，以及向飲用水中添加氯或者堿。低幅度螺旋由于其提供本質上 良好的混合，因而可降低為確保足夠濃度以實現(xiàn)期望目的所需的活性化學 品的量，并且可確保添加劑局部上沒有不可接受的高(或者低)濃度。
當需要將兩個或者多個大的流體流集合在一起并且確保它們不再分離 時，混合也是重要的。此外，當將流體維持作為穩(wěn)定的混合相(以防止不需 要的相分離)有利時，混合也是重要的。這在其中氣體的分離產(chǎn)生了騰涌
(slugging)的原油氣的生產(chǎn)中是重要的，所述騰涌降低了管線能力并且提升
了運行費用。實際上，在石油生產(chǎn)提升管和流送管、用于向下鉆進用途的 生產(chǎn)管道系統(tǒng)、以及輸送烴和其它流體的管線中使用低幅度幾何結構的進
一步的主要好處是降低了騰涌流(slug flow)。管線中改進的相混合也是顯著
的，因為其往往將氣體或者空氣保持在流體中，而不是使其聚集在管道的
高位置處并且可能引起氣阻(airlock)。
者礦物輸送中，混合對于防止固體沉降出來也是重要的。這種沉降的減少(以 及礦物和/或烴沉淀的減少)對于石油生產(chǎn)提升管和流送管、以及用于向下鉆 進用途的生產(chǎn)管道系統(tǒng)也是有意義的。在水電應用中沉降的減少也是重要 的。此外，在石油生產(chǎn)提升管和流送管、以及用于向下鉆進用途的生產(chǎn)管 道系統(tǒng)中，改善的混合降低了水放空(drop-out)的風險。
作為例子，用于化學品定量給料，以及食品、化學品、石化和藥物加 工的靜態(tài)混合器可使用低幅度螺旋幾何結構。好處將包括增加交叉混合、 和減少由沉降或者沉淀引起的堵塞。此外，如上所述，低幅度螺旋幾何結 構還將提供降低的混合器壓力損失。而且，由于沿著低幅度螺旋部分有"瞄 準線"內(nèi)腔，并且沒有在常規(guī)混合器中常見的擋板或者葉輪，因而更加易 于清潔。這些好處將導致維護和磨損的減少。
而且，在發(fā)電站、制冷冷箱、空氣分離冷箱等中的熱交換器中，可使 用低幅度螺旋幾何結構獲得的改進的混合(特別是熱混合)和降低的壓力損 失特別地有利。
低幅度螺旋管道系統(tǒng)還可用于確保反應前各組分的完全混合。這將確保反應發(fā)生地更完全并且材料被有效地使用。通常，這涉及在將氣體或者 液體反應物通過催化劑之前，混合該氣體或者液體反應物。然而，具體地 設想這可用于在將燃料和空氣送往內(nèi)燃機之前對所述燃料和空氣進行混 合。這會改善內(nèi)燃過程的效率并且降低未燃燒或者部分燃燒的燃料以及進 入大氣中的細小固體物的量。這最后的改進還將減少對在公路運輸中所使
用的內(nèi)燃機下游的催化式排氣凈化器(catalytic converter)的需求并因此改進
該催化式排氣凈化器的性能。
由于低幅度螺旋管道系統(tǒng)確保管道內(nèi)的螺旋(旋流)流動并且產(chǎn)生較4屯 的速度分布，因此可改進管道內(nèi)去往流體和來自流體的傳熱的速率和均勻 性。在普通的流動中，管道中央處的流體比靠近管壁的流體移動得明顯地 快，因此如果對管道加熱，則近壁的流體將被加熱到比靠近管道中央的流 體高的溫度。
然而，由于旋流具有較鈍的(并因此較均勻的)速度分布，不太可能使部 分流體過熱或者欠熱，導致不想要的效果。低幅度螺旋管道系統(tǒng)允許以管 道內(nèi)部和外部之間較低的溫差傳遞相同的熱量。
當將組分添加到流體中并且以某種方式(例如加熱)處理時，這可具有特 別的好處。差的混合時，混合物中快速通過的部分為欠處理的，而混合物 中緩慢通過的部分為過度處理的；然而，在低幅度螺旋幾何結構提供的非 常良好的混合時，這可以避免，并且獲得較均勻的處理。
總的來說，在例如烯烴裂化爐、用于精煉熱裂化裝置或者減粘裂化爐 的預熱爐的爐子，烯烴裝置中的輸送管線換熱器，發(fā)電站中的熱交換器中、 用于工業(yè)制冷單元的冷箱、用于空氣分離單元和制冷單元的冷箱中，這可 具有重大的經(jīng)濟效益。
輪趨向于更好地運行，并且因此在水電應用中低幅度螺旋部分的使用可以 這種方式改善效率。水電應用范圍內(nèi)的旋流的額外優(yōu)點包括減少的氣穴現(xiàn) 象和降低的管道應力。
此外，由低幅度螺旋管道系統(tǒng)產(chǎn)生的旋流的"柱塞(plunger)"方面可為 管道中發(fā)生的這些過程提供顯著的經(jīng)濟效益，所述管道中細粒子或者其它 固體顆粒在管道的內(nèi)壁上的沉積產(chǎn)生了對于傳熱的阻礙，或者污染了流經(jīng) 該管道的流體，或者減少了通過該管道的流體的流動。這種細粒子或者其它固體顆粒可存在于流體中，或者可由于流體的各組分之間的化學反應而產(chǎn)生。
低幅度螺旋管道系統(tǒng)的使用顯著地減少管道內(nèi)壁上的這種固體沉積， 由此與弄臟的管道相比，延長其清潔前的運行壽命、降低必需的熱量、以 及減少壓降。這種影響可以為經(jīng)濟上有意義的情況的實例為液體管線中的 固體輸送，以及上面所詳細討論的通過熱解的烯烴生產(chǎn)。在其它爐子例如 用于精煉過程的預熱爐中產(chǎn)生類似的效果。
而且，鈍的速度分布和"柱塞"方面在藥物和食品加工中普遍的批量 處理情況下是極其有用的。由于該鈍的速度分布，各批次的軸向分散可減 少并且比常規(guī)布局早得多地獲得峰值濃度。如果批次規(guī)模小，則這些特征 特別有利。此外，"柱塞流動"有助于在切換至第二組分之后，將微量的第 一組分從管道壁除去，這有助于降低批量處理中污染的可能性。可至少減 少洗凈系統(tǒng)所需的時間，以及進行該清洗所需的流體的量。
管道或者管子中發(fā)生化學反應時，使用低幅度螺旋管道系統(tǒng)還可具有 材料上的經(jīng)濟意義。改進的混合和更均勻的傳熱的組合將改進產(chǎn)率并促進 反應(包括燃燒)的完成。改進產(chǎn)率還將減少下游分離成本。這將為重要的實 例過程包括烯烴生產(chǎn)和類似的氣相反應，例如甲苯裂化形成苯、以及1-丁 烯轉變?yōu)槎?二烯。當這種反應涉及從每分子原料生產(chǎn)大于一分子的產(chǎn)物時，
反應器和其下游管路(pipework)中通過使用低幅度螺旋管道系統(tǒng)可實現(xiàn)的較 低壓降提供源于較低的平均壓力的額外優(yōu)點，因為其將降低產(chǎn)物分子再結 合形成原料或者其它不想要的副產(chǎn)物的可能性。此外，在用于化學品、石 化、和藥物應用的反應器中使用低幅度螺旋幾何結構可導致反應器管子中 的降低的沉積，這在石化工業(yè)中是特別重要的。
改進的混合和更均勻的傳熱還將促進燃燒反應的完成而無需大量的過 量空氣(超過反應的化學計量比所需要的量)。這對于必須確保完全反應以防 止對環(huán)境和人類健康有害的化學品和/或顆粒逃逸到大氣中的焚燒裝置或者 廢物處理爐是特別重要的。這可以通過將還是熱的燃燒氣體在送往大氣之 前通過形成為低幅度螺旋的管道系統(tǒng)的區(qū)域而防止并確保完全燃燒。通過 爐子的旋流的產(chǎn)生將增加燃燒的速率和效率，以及廢物的除去。
當與含有兩種或者多種不同相的流一起使用時，低幅度螺旋部分還可 用于"在線"分離具有不同密度的流體的混合物。由于離心作用，螺旋流動產(chǎn)生的旋流傾向于將混合物的較高密度的組分朝著管壁轉移，而將較低 密度的組分朝著中心線轉移。通過合適的布置，可排出較高(或較低)密度組 分，而使剩余組分以增加的濃度存在。該過程可使用進一步類似的在線靜 態(tài)分離器重復。該分離可用于從液體除去氣體，并且因此尤其可用于幫助 降低石化工業(yè)中的騰涌。
類似于此的方法可用于增加或者降低流動的流體中的顆粒的濃度。這 通過將流體從管子中心線附近或者從靠近管壁處排除而實現(xiàn)。
此外，由低幅度螺旋部分引起的旋流可用于將顆粒物質從流中除去。 這在例如進氣管中是特別重要的。在非常多的需要空氣的情況下，并且尤 其在需要空氣燃燒和/或冷卻的交通工具上使用進氣管。尤其是直升機進氣 管通常需要灰塵分離器，以防止灰塵到達發(fā)動機，但是低幅度螺旋幾何結 構產(chǎn)生的旋流可用于從空氣流分離灰塵，而無需單獨的過濾器。
而且，已發(fā)現(xiàn)低幅度螺旋部分可1起的旋流在該區(qū)域下游的直管中繼續(xù)
一段距離。因而，低幅度螺旋管道系統(tǒng)區(qū)域可插入到結構體例如彎頭、T-或者Y-接頭、岐管、和/或導管截面的變化的上游，其中低幅度螺旋部分產(chǎn) 生的旋流抑制流動分離、停滯和流動不穩(wěn)定性，對泵送成本以及管道中的 腐蝕和磨損有利。彎頭、接頭等處旋流的特別好處為降低的流動分離，導 致降低的壓力損失，降低的沉降和沉淀，降低的氣穴現(xiàn)象和增加的流動穩(wěn) 定性。位于彎頭之前的低幅度螺旋幾何結構管道還將減少管道彎頭內(nèi)的顆 粒侵蝕，這對于發(fā)電站的燃料供應可為特別有利的。
因此，技術人員將清楚，具有低幅度螺旋幾何結構的管道系統(tǒng)可在很 多情況中提供許多優(yōu)點。
權利要求
1. 一種裂化爐，其具有至少一個穿過該爐的熱解管，其中所述熱解管形成為使得其具有至少一部分，該部分的中心線在三維上彎曲。
2. 權利要求l的裂化爐，其中所述熱解管形成為使得其具有至少一部 分，該部分的中心線形成為多圈螺旋。
3. 權利要求1或2的裂化爐，其中所述中心線的曲率基本上恒定。
4. 權利要求1或2的裂化爐，其中所述中心線的曲率沿著所述熱解管 部分的長度變化。
5. 權利要求2到4中任一項的裂化爐，其中所述螺旋部分形成為低幅度螺旋。
6. 陸上或者海上用石油生產(chǎn)提升管和流送管，其中使用低幅度螺旋幾 何結構。
7. 用于油、氣、水或者地熱井內(nèi)向下鉆進用的生產(chǎn)管道系統(tǒng)，其中使 用低幅度螺旋幾何結構。
8. 用于輸送烴、飲用水、廢水和污物、漿料、粉末、食品或者飲料產(chǎn) 品、或者任何單相或者多相流體的管線，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
9. 用于化學品定量給料，以及食品、化學品、石化產(chǎn)品和藥物加工的 靜態(tài)混合器，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
10. 包含在平面彎頭或者類似物上游的一段長度的低幅度螺旋幾何結 構管道的彎頭、接頭等，所述低幅度螺旋幾何結構管道在所述彎頭周圍產(chǎn) 生旋流。
11. 用于水電應用的壓力水管和引流管，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
12. 用于化學品、石化產(chǎn)品、煉油、藥物和其它加工工業(yè)應用的反應 器，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
13. 在發(fā)電站、化學品加工單元、煉油廠、其它加工工業(yè)應用、制冷 冷箱、和空氣分離冷箱中的熱交換器，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
14. 用于廢物處置的焚燒裝置和爐子，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
15. 其中存在不同密度流體的混合物的流動的在工業(yè)過程中使用的靜 態(tài)分離器，使用低幅度螺旋幾何結構。
16. 進氣管，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
17. 用于內(nèi)燃機的進氣管，其中使用低幅度螺旋幾何結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及用作裂化爐中的熱解管的管道系統(tǒng)。該管子形成為使得其具有至少一部分，該部分的中心線在三維上彎曲，以在管子中引發(fā)旋流。優(yōu)選地，將該管子形成為螺旋，更優(yōu)選為低幅度螺旋。本發(fā)明還延伸至具有低幅度螺旋幾何結構的管道系統(tǒng)的各種其它應用。
文檔編號B01J8/06GK101454075SQ200780016920
公開日2009年6月10日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權日2006年3月10日
發(fā)明者威廉·塔利斯, 科林·G·卡羅, 菲利普·L·伯奇 申請人:螺旋技術有限公司