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乙烯裂解炉管传热技术的革新
日期：2025-05-01 00:16
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摘要：
乙烯裂解炉管传热技术的革新
从裂解技术原理上，高温、短停留时间和低烃分压的工艺条件有利于乙烯、丙烯等产品的生成，要获取这些工艺条件关键是采用合适的炉管构型。裂解反应是在高温下进步的化学反应，为提高能量传递的效率，一般通过提高管壁温度或提高传热系数两种途径来解决。
针对这些问题，许多公司对炉管的金属材料、炉管形状以及炉管加入内插件进行开发和研究。首先是提高炉管金属材料的耐温等级，进而可以提高炉管承受的*高温度，但目前常用炉管的*高耐温约为1125℃，进一步提高难度很大，因此绝大部分研究集中在炉管构型方面。日本三菱公司开发椭圆管，其原理是对于相同截面积的炉管而言，椭圆管的表面积要大于圆管，由于长轴面向热源，椭圆管可以增加辐射到达量，提高传热效率，缺点是对管材要求高，且制作复杂，在使用中容易恢复成为圆形管；LUMMUS、KELLOGG、EXXON公司均有梅花管技术的炉管应用，其原理是能够增加有效的传热面积，同时可以改善炉管的物料对流传热，缺点是管壁较厚，炉管造价提高，制造难度增加；日本久保田公司开发的内翅片管技术，其原理是增加传热面积和对流传热系数，但由于制造困难，目前并没有得到广泛的应用。
根据普兰德边界层理论，当流体沿固体壁面流动时，靠近壁面有一层极薄的流体，附着在炉管壁面且不滑脱，这样在炉管壁面形成了一个流动边界层，它虽然很薄，但其传热阻力很大，在管内中心区，热量通过对流传热的方式传到湍流中心。因此，炉管传热的*大阻力在于炉管内壁的边界层，如果能够减小边界层的传热阻力，将大大强化炉管的传热效率，扭曲片强化传热技术通过改变炉管内流体的流动形态，破坏炉管换热热阻的*大区域——靠近壁面流体速度近似为零的低速区，提高了管内传热系数，从而强化了传热过程。
裂解炉管加上扭曲片管后，流体通过与炉管等宽的扭曲片管时，强迫流体从原来的活塞流变为旋转流，流体的切向流速大大增加，这将对管壁形成强烈的冲刷作用，使热阻大的边界层厚度大大减薄，增大炉管的总传热系数，从而降低炉管管壁的温度，这样炉管管壁上的结焦层厚度也随着管壁温度的下降而变薄，这也将进一步提高炉管的总传热系数，从而达到强化传热、延长裂解炉运转周期的目的。
扭曲片管强化传热技术从1995年开始在中国石化集团公司的支持下，由北京化工研究院和中国科学院金属研究所共同开发。经过两年的裂解炉模拟装置小试，试验采用对比方法进行，在可比的试验条件下进行烃类裂解试验和测焦试验，获得良好的试验结果。1997年开始进行工业试验，先后在不同能力和不同技术型号的辽化CBL-I、扬子石化SRT-III和燕山石化SRT-IV（HC）等裂解炉上进行试验，均取得了显著的试验效果。
辽化工业试验的CBL-I型炉为年产乙烯2万吨的裂解炉，全炉分两大组进料，选取其中一大组加入扭曲片管，另一组维持炉管原状，对比和观察改变结构后引起的变化；扬子石化烯烃厂的SRT-III型炉为年产乙烯4万吨的裂解炉，为LUMMUS公司的**技术，全炉共有6组辐射段炉管，两组炉管在辐射段出口合并后进入一台急冷锅炉，全炉共有三台急冷锅炉，选取炉况较差的两大组加装扭曲片管，相当于1/3台裂解炉。
在辽化和扬子石化取得的初步成果和试验基础上，2004年在燕山SRT-IV（HC）进行整台裂解炉试验，辐射段炉管的排列方式为8-4-1-1，整炉试验的目的是为了考察加入扭曲片管后对裂解炉的周期和处理量的影响。
试验结果表明：加装扭曲片管后，裂解炉辐射段炉管管壁温度同比下降20℃以上，可以提高裂解炉处理量7%，可以大幅度延长裂解炉运行周期。工业试验中，石脑油在正常裂解条件下可以延长运行周期110%，石脑油在提高处理量7%和提高裂解温度8℃的条件下延长运行周期70%，重柴油在提高处理量7%条件下延长了运行周期27%，并且扭曲片管对于轻重原料都有很好的适应性，加装扭曲片管对裂解炉的主要产品收率影响不大，对裂解炉的操作和运行没有**的影响。
经过十年的试验研究，扭曲片管强化传热技术取得了巨大成功。2006年荣获中国石化科技进步一等奖；2007年荣获国家技术发明二等奖。目前，集团公司下属企业中现已有9家乙烯企业的12种炉型采用该技术，产能约200万吨。
在强化传热技术推广应用的近三年里，获得了乙烯行业业主们3的广泛赞誉，为乙烯生产企业带来了良好的经济效益。燕山BA1104炉是SRT-IV（高能力）型裂解炉，乙烯年产量为6万吨，平均运行周期为45天，使用强化传热技术以后，每年可以减少烧焦次数3次，延长裂解炉寿命，提高石脑油处理量，每年多产乙烯约3400吨和丙烯约1900吨；东方化工厂F103炉是GK-V型裂解炉，乙烯年产量为3万吨，平均运行周期为45天，使用强化传热技术以后，**个周期为87天，**个周期为112天，创下了该裂解炉的运行记录，全年共减少烧焦次数4次，增加实际生产时间150小时，节省燃料气78.9吨，少耗用稀释蒸汽800吨左右。
强化传热技术在国内乙烯厂成功应用的同时，许多国外技术厂商主动和北化院合作。前不久与加拿大合生亮和美国LUMMUS技术部门合作，开始向国外乙烯裂解炉推广扭曲片管强化传热技术，如新加坡PCS公司、马来西亚TITAN、韩国LG对裂解炉炉管扭曲片管强化传热技术也表现出浓厚的兴趣，和我方技术人员进行多次交流，对三家公司裂解炉的基础数据进行分析计算，并结合各公司裂解炉（TITAN和PCS为S&W，LG为SRT-VI）的特点，向其提供了裂解炉安装扭曲片管的初步方案。
强化传热技术将在中国石化所有乙烯企业中应用实施，该项技术提高了乙烯裂解炉的运行周期、减少烧焦成本、提高乙烯产量、节约燃料和延长裂解炉寿命，为乙烯企业的良性发展提供了捷径，可谓是乙烯行业发展的一次重大技术突破。
针对这些问题，许多公司对炉管的金属材料、炉管形状以及炉管加入内插件进行开发和研究。首先是提高炉管金属材料的耐温等级，进而可以提高炉管承受的*高温度，但目前常用炉管的*高耐温约为1125℃，进一步提高难度很大，因此绝大部分研究集中在炉管构型方面。日本三菱公司开发椭圆管，其原理是对于相同截面积的炉管而言，椭圆管的表面积要大于圆管，由于长轴面向热源，椭圆管可以增加辐射到达量，提高传热效率，缺点是对管材要求高，且制作复杂，在使用中容易恢复成为圆形管；LUMMUS、KELLOGG、EXXON公司均有梅花管技术的炉管应用，其原理是能够增加有效的传热面积，同时可以改善炉管的物料对流传热，缺点是管壁较厚，炉管造价提高，制造难度增加；日本久保田公司开发的内翅片管技术，其原理是增加传热面积和对流传热系数，但由于制造困难，目前并没有得到广泛的应用。
根据普兰德边界层理论，当流体沿固体壁面流动时，靠近壁面有一层极薄的流体，附着在炉管壁面且不滑脱，这样在炉管壁面形成了一个流动边界层，它虽然很薄，但其传热阻力很大，在管内中心区，热量通过对流传热的方式传到湍流中心。因此，炉管传热的*大阻力在于炉管内壁的边界层，如果能够减小边界层的传热阻力，将大大强化炉管的传热效率，扭曲片强化传热技术通过改变炉管内流体的流动形态，破坏炉管换热热阻的*大区域——靠近壁面流体速度近似为零的低速区，提高了管内传热系数，从而强化了传热过程。
裂解炉管加上扭曲片管后，流体通过与炉管等宽的扭曲片管时，强迫流体从原来的活塞流变为旋转流，流体的切向流速大大增加，这将对管壁形成强烈的冲刷作用，使热阻大的边界层厚度大大减薄，增大炉管的总传热系数，从而降低炉管管壁的温度，这样炉管管壁上的结焦层厚度也随着管壁温度的下降而变薄，这也将进一步提高炉管的总传热系数，从而达到强化传热、延长裂解炉运转周期的目的。
扭曲片管强化传热技术从1995年开始在中国石化集团公司的支持下，由北京化工研究院和中国科学院金属研究所共同开发。经过两年的裂解炉模拟装置小试，试验采用对比方法进行，在可比的试验条件下进行烃类裂解试验和测焦试验，获得良好的试验结果。1997年开始进行工业试验，先后在不同能力和不同技术型号的辽化CBL-I、扬子石化SRT-III和燕山石化SRT-IV（HC）等裂解炉上进行试验，均取得了显著的试验效果。
辽化工业试验的CBL-I型炉为年产乙烯2万吨的裂解炉，全炉分两大组进料，选取其中一大组加入扭曲片管，另一组维持炉管原状，对比和观察改变结构后引起的变化；扬子石化烯烃厂的SRT-III型炉为年产乙烯4万吨的裂解炉，为LUMMUS公司的**技术，全炉共有6组辐射段炉管，两组炉管在辐射段出口合并后进入一台急冷锅炉，全炉共有三台急冷锅炉，选取炉况较差的两大组加装扭曲片管，相当于1/3台裂解炉。
在辽化和扬子石化取得的初步成果和试验基础上，2004年在燕山SRT-IV（HC）进行整台裂解炉试验，辐射段炉管的排列方式为8-4-1-1，整炉试验的目的是为了考察加入扭曲片管后对裂解炉的周期和处理量的影响。
试验结果表明：加装扭曲片管后，裂解炉辐射段炉管管壁温度同比下降20℃以上，可以提高裂解炉处理量7%，可以大幅度延长裂解炉运行周期。工业试验中，石脑油在正常裂解条件下可以延长运行周期110%，石脑油在提高处理量7%和提高裂解温度8℃的条件下延长运行周期70%，重柴油在提高处理量7%条件下延长了运行周期27%，并且扭曲片管对于轻重原料都有很好的适应性，加装扭曲片管对裂解炉的主要产品收率影响不大，对裂解炉的操作和运行没有**的影响。
经过十年的试验研究，扭曲片管强化传热技术取得了巨大成功。2006年荣获中国石化科技进步一等奖；2007年荣获国家技术发明二等奖。目前，集团公司下属企业中现已有9家乙烯企业的12种炉型采用该技术，产能约200万吨。
在强化传热技术推广应用的近三年里，获得了乙烯行业业主们3的广泛赞誉，为乙烯生产企业带来了良好的经济效益。燕山BA1104炉是SRT-IV（高能力）型裂解炉，乙烯年产量为6万吨，平均运行周期为45天，使用强化传热技术以后，每年可以减少烧焦次数3次，延长裂解炉寿命，提高石脑油处理量，每年多产乙烯约3400吨和丙烯约1900吨；东方化工厂F103炉是GK-V型裂解炉，乙烯年产量为3万吨，平均运行周期为45天，使用强化传热技术以后，**个周期为87天，**个周期为112天，创下了该裂解炉的运行记录，全年共减少烧焦次数4次，增加实际生产时间150小时，节省燃料气78.9吨，少耗用稀释蒸汽800吨左右。
强化传热技术在国内乙烯厂成功应用的同时，许多国外技术厂商主动和北化院合作。前不久与加拿大合生亮和美国LUMMUS技术部门合作，开始向国外乙烯裂解炉推广扭曲片管强化传热技术，如新加坡PCS公司、马来西亚TITAN、韩国LG对裂解炉炉管扭曲片管强化传热技术也表现出浓厚的兴趣，和我方技术人员进行多次交流，对三家公司裂解炉的基础数据进行分析计算，并结合各公司裂解炉（TITAN和PCS为S&W，LG为SRT-VI）的特点，向其提供了裂解炉安装扭曲片管的初步方案。
强化传热技术将在中国石化所有乙烯企业中应用实施，该项技术提高了乙烯裂解炉的运行周期、减少烧焦成本、提高乙烯产量、节约燃料和延长裂解炉寿命，为乙烯企业的良性发展提供了捷径，可谓是乙烯行业发展的一次重大技术突破。
