利用換熱器管的裝置和方法
2023-05-03 08:45:31 1
專利名稱：利用換熱器管的裝置和方法
技術領域：
本申請涉及換熱裝置，例如可以用於與被傳送通過裝置本體內的管形裝置的流體進行直燃式換熱(向流體供熱或從流體吸熱)，其中，本體包括另一換熱介質、熱源或冷源。在一個示例用途中，本技術涉及在管形系統內傳送要加熱的流體的裝置，因此，這些管將來自一個溫度系統(例如裝置的外部)的流體傳送至裝置的相對不同(例如更高)溫度部分中，例如送入燃燒室區域，以便加熱流體。在另一示例實施例中，本技術涉及烴裂化爐。
背景技術：
在換熱裝置中，管相互流體連通，並用於傳送流體通過裝置，用於加熱或冷卻被傳送的流體。在某些用途中，可能希望將位於裝置的相對極端的熱區域中的一個或更多個管與位於裝置內或裝置外的相對不那麼極端的熱區域中的一個或更多個管連接，這樣，熱膨脹和/或收縮可能使得管之間的接頭運動，或者在該接頭上施加相對較大應力。例如，在烴蒸汽裂化爐中，管布置成使得供料從燃燒室外部通入和經過燃燒室，然後從燃燒室出來通至驟冷系統。由於在處理中的溫度差以及可能地管內的供料的內部壓力，管受到熱膨脹和熱應力。因此，管被布置成儘可能減小在各處的熱應力。連接這些管的接頭可能特別容易受到應力損壞。因此，想要維持合適性能特徵可能是一種挑戰。對於接頭的完整性，強度和/或防止意外破裂或洩露，可能需要專門的預防措施。這些管形連接件或接頭也可能涉及專用連接裝置，例如專用連接配件，或者包括冗餘連接機制，例如螺紋和焊接。當洩露可能特別危險時，例如有起火或有毒物質釋放的危險時，可能希望將接頭定位在裝置外殼的範圍內，這樣，任何可能的洩露都可以在高熱區域(例如燃燒室或輻射加熱部分)中消耗、氧化或者熱解。一種示例換熱裝置是烴蒸汽裂化爐。蒸汽裂化熱解是在乙烯和丙烯生產中使用的主要處理。蒸汽裂化通常在直燃式管形反應器中進行。揮發性烴供料(例如乙烷、石腦油、輕油和粗餾分)在存在蒸汽時將被快速加熱，以便生產乙烯、丙烯和其它產品物質。蒸汽裂化處理通常包括將供料流體從低溫區域(爐外部)傳送至高溫區域(爐內部)並通過該高溫區域，然後從高溫區域出來進入另一低溫區域(爐外部)。在這種處理中的一個處理變量是反應器停留時間。例如，當在輻射盤管(例如管或多個管或管形件)中的反應時間保持儘可能短時，較大部分的烴供料被轉變成乙烷和丙烷。停留時間的工業標準測量是經過輻射燃燒室中的管以及通向驟冷單元的排出管所需的時間。用於減少停留時間的一種普通方法是通過使用高強度鋼，該高強度鋼能夠承受較高熱通量，因此能夠使用減小的盤管長度和表面面積。示例材料包括鍛造或鑄造高合金奧氏體不鏽鋼。另一普通方法是使用較短長度的爐盤管設計。為了避免超過輻射管熱通量和/或溫度限制，當盤管長度減小時，並行地使用較大數目的較小直徑盤管，原因是較小直徑盤管具有比較大直徑管更大的表面面積-容積比。關於冶金的限制阻礙了爐停留時間的進一步減少。通常用於乙烯爐的輻射盤管和非燃燒絕熱區域的奧氏體鋼具有高達1100-1150°C的合理高溫強度，並可使用已經很好證明的技術來焊接。不過，奧氏體鋼的缺點是管和配件的內表面催化積碳沉積(例如積炭)。當生成這樣的積炭層時，它絕熱化處理氣體，這導致管壁溫度升高，以便提供足夠熱量用於進行反應。最終達到管壁溫度極限，爐將停止使用以便進行除焦。因此，當給定材料能夠在例如高達1100°C的溫度下工作時，對於允許的溫度升高，爐設計被限制為大約1020°c的「清潔盤管」管壁溫度。這種限制約束了盤管中的停留時間可以設計為多短以及在給定幾何尺寸的盤管中能夠處理多少供料。儘管積焦形成還有其它成因，但是表面催化積炭通常認為是積炭形成的主要原因，特別是對於輕氣體供料，例如乙烷。當表面溫度升高時，表面催化積炭率增大。因此，奧氏體不鏽鋼輻射管材料的溫度限制和積炭(該積炭至少部分由於在管表面處產生的催化反應而形成)有效組合而防止設計人員將停留時間降低至低於大約0.10秒。這也設定了能夠由爐獲得的最大乙烯產量的限制。當積炭現象可以消除或大大降低時，爐可以被設計為用於更高的「運行開始」或「清潔壁」管金屬溫度，因此能夠有更短的反應時間和因此更高的產品產量，還可以通過給定的輻射盤管設計而有更高的處理供料速率。這樣的改進可以通過使用由內表面不會催化積炭的材料來製造的輻射管來實現。此外，當使用的輻射管材料可以在與當前的奧氏體不鏽鋼相比更高的溫度下工作時，盤管長度和停留時間甚至可以被更加縮短，從而導致甚至進一步提聞乙稀廣量。為了減少積炭的形成，可以使用抗表面催化積炭的陶瓷管。不過，陶瓷材料和形成氧化鋁的一些金屬(不是氧化鉻層)有相對較低的延展性並且較脆，因此易於產生裂紋和洩露。而且，它們不能在沒有開裂或破碎趨勢的情況下承受極快的冷卻。因此，使用這些材料只是在爐的輻射燃燒室內部可接受，在輻射燃燒室內部，任何洩露都將包含在內襯有耐火材料的外殼板內並被氧化。在爐的輻射部分的外殼板外部，這樣的材料使用是不可接受的。在輻射部分外部(輻射部分進口或出口)的任何洩露都可能立即導致起火，因為烴材料在這些位置處的處於高於它的自燃溫度的溫度。因此，位於輻射燃燒室外部的輻射部分進口和輻射部分出口由延展性更好的材料來構成，例如現有的高合金奧氏體不鏽鋼，以便減少洩露和起火的危險。將低積炭催化輻射盤管與奧氏體的進口和出口連接是主要挑戰。將氧化鋁前體焊接在奧氏體不鏽鋼上(當可能時)經常導致與奧氏體材料的強度相比具有明顯降低的高溫應力破裂強度的焊接接頭。這樣的接頭不能有足夠強度來承受在熱解爐的輻射部分內部經歷的高溫。因此，這些接頭可能使用複雜螺紋接頭來用於機械強度，同時使用密封焊接來用於氣密。由於明顯的熱膨脹係數差，使得陶瓷與奧氏體不鏽鋼連接也有較大的工程挑戰。這又導致使用並不很好地適用於輻射部分的高溫的複雜機械接頭或低強度銅焊技術。在一個方面，需要一種換熱裝置，它便於保持在裝置的高熱區域外殼內的敏感管接頭連接，同時還防止該連接免受可能在操作狀態下遇到的任何高溫或極端溫度的損害，該高溫或極端溫度可能損壞該連接接頭。
還需要一種烴蒸汽裂化爐，該烴蒸汽裂化爐包括輻射管，該輻射管由並不催化形成積炭的材料來製造，所述輻射管可靠和安全地與在輻射燃燒室外部的奧氏體不鏽鋼進口和/或出口部分連接。
發明內容
本發明的一個或多個實施例涉及換熱裝置，例如可以用於與通過管形裝置傳送的流體進行直燃換熱(向流體供熱或從流體吸熱)，或者其它相對高溫的用途。在一個示例用途中，本技術涉及用於在管形系統內傳送要加熱的流體的裝置，因此，這些管將流體從一個溫度系統(例如裝置的外部或從裝置的較低溫度區域)傳送至裝置的相對較高溫度部分中，例如送入燃燒室區域，以便加熱流體。在另一示例實施例中，本技術涉及蒸汽裂化爐。在另一示例用途中，本技術涉及用於連接管系統的一部分的方法，而並不使得關鍵的管形接頭暴露於高溫區域的熱中和暴露於環境中(在該環境中，洩露可能產生不希望的危險，或者以其它方式而不能容忍在其中存在連接)。在一個實例中，本技術涉及用於使得輻射管與奧氏體不鏽鋼部件連接的方法和設備，該輻射管具有不容易在管中催化積炭形成。在其它非限定實例中，本技術包括用於使得這些輻射部分管與其它相關管連接的方法和設備。在另一方面，本技術涉及蒸汽裂化設備及其製備方法，包括但不局限於蒸汽裂化爐、蒸汽裂化輻射部分裝置、輻射裂化盤管、輻射盤管連接裝置和/或相關設備以及用於製備和/或使用它的方法。在其它方面，本技術包括用於使得輻射盤管部件與奧氏體不鏽鋼部件連接的設備和方法，該輻射盤管部件具有不容易催化內表面積炭形成。在還一方面，本技術包括一種蒸汽裂化爐，例如可以用於生產烯烴，其中，輻射盤管由具有並不催化積炭形成的內表面的材料來製造，該輻射盤管與高強度鋼管和/或管部件連接。抗積炭管材料可以包括各種陶瓷和/或金屬材料。示例金屬材料可以包括但不局限於在它們的內表面上並不形成氧化鐵、氧化鎳或混合氧化物(包含氧化鐵或氧化鎳)的金屬材料。預計這樣的材料優選地可以在蒸汽裂化條件下在盤管的內表面上形成穩定的Al2O3或穩定的SiO2層。在其它實施例中，本技術包括使得連接抗積炭(例如Al2O3或SiO2形成)輻射盤管材料與奧氏體不鏽鋼進口或出口部分的連接件位於輻射燃燒室外殼的範圍內部，但是當盤管處於工作溫度時在暴露的輻射燃燒室的外部。在還一方面，本技術可以包括換熱裝置，該換熱裝置包括:a)本體，該本體形成內部空腔，所述本體包括:第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面確定了所述本體的至少一部分，其中，所述第一表面相對於內部空腔和相對於所述第二表面位於外部，且所述第二表面位於所述內部空腔和所述第一表面之間；b)第一導管，用於將流體傳送給所述本體；
c)第二導管，該第二導管與所述第一導管流體連通，其中，所述第二導管至少部分位於所述本體的所述內部空腔中；以及d)在所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，其中，所述接頭根據在內部空腔中的溫度而在第一位置和第二位置之間運動，其中，第一位置和第二位置中的至少一個在所述第一表面和所述第二表面的中間。本技術的其它方面可以包括換熱裝置，其中:第一導管包括奧氏體不鏽鋼；以及第二導管包括並不催化積炭形成的金屬或陶瓷材料；當第二導管處於至少700°C、至少900°C、至少1000°C或者至少1020°C的管金屬溫度時，接頭位於第一壁和第二壁中間。在一些其它實施例中，第一表面可以是第一壁，而第二表面可以是第二壁。此外，第一壁和第二壁可以由類似的材料形成，或者各自可以由不同材料形成。在還一方面,本技術可以包括一種烴裂化單兀，它包括:a)爐，該爐有由爐外殼和燃燒室壁形成的內部空腔，其中，所述爐外殼相對於所述內部空腔在外部，所述燃燒室壁位於所述爐外殼和內部空腔之間山)第一導管，該第一導管包括奧氏體不鏽鋼；c)第二導管，該第二導管包括內表面，所述第二導管至少部分位於所述燃燒室內；以及d)在所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，其中，根據在內部空腔中的溫度，所述接頭在第一位置和第二位置之間運動，其中，所述第一位置和所述第二位置中的至少一個在所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間。在一些實施例中，當第二導管處於至少700°C的管金屬溫度時，接頭位於燃燒室壁和爐外殼的中間。
圖1表示了根據本技術使用「U形」盤管的爐的簡化示例實施例。圖2表示了根據本技術使用單通盤管的爐的簡化示例實施例。
具體實施例方式在換熱裝置中，可能希望將定位在裝置的最熱區域中的一個或更多個流體傳導管與定位在裝置的相對較低溫度區域中的一個或更多個管連接。兩種管都用於傳送流體通過該裝置，目的是加熱或冷卻所傳送的流體。連接這些管的接頭在接頭強度和/或防止從接頭意外洩露方面可能特別關鍵或值得採取專門的預防措施。這樣的接頭可以包括專用連接裝置，例如專用連接配件，或者包括冗餘連接機制，例如螺紋和焊接。在洩露可能特別危險(例如有起火危險或有毒性)的很多情況下，可能希望將接頭定位在裝置外殼的範圍內，這樣，任何可能的洩露都可以在高熱區域(例如燃燒室)內被消耗、氧化或熱解。由於熱膨脹，要考慮環境條件和工作條件下接頭的位置。根據本技術的實施例的裝置和方法可以特別由於多種換熱裝置，包括但不局限於換熱器、爐、熱解反應器、催化反應器、鍋爐、直燃式加熱器、以及其它耐火用途。在很多這樣的用途中，管中的流體通過換熱裝置被加熱。裝置和方法也可以用於冷卻處理，例如但不局限於製冷裝置或其它換熱器(管內的流體通過該換熱器被冷卻)，它們在後面進一步介紹。在這些用途中，還可能希望將一個或更多個管形連接件限制在裝置外殼內，同時還防止該裝置直接暴露於冷或相對更涼的裝置環境溫度。本技術包括並可用於加熱和冷卻類型的管形換熱用途。用於加熱管內的流體的一種示例換熱裝置是烴蒸汽裂化爐。蒸汽裂化熱解是在工業中生產乙烯和丙烯時使用的主要處理。蒸汽裂化通常在直燃式管形反應器中進行。揮發性的烴供料(例如乙烷、石腦油、輕油和粗餾分)在存在蒸汽的情況下被快速加熱，以便生產乙烯、丙烯和其它產品物質。該處理中的一個處理變量是停留時間。當輻射盤管反應時間儘可能短時，較大部分的烴供料被轉變成乙烯和丙烯。用於減少停留時間的一種方法是通過使用能夠承受更高熱通量的高強度鋼，因此能夠使用減小的盤管長度和表面面積。示例材料包括但不局限於鍛造或鑄造高合金奧氏體不鏽鋼。
另一普通方法是使用較短長度的爐盤管(管)設計。為了避免超過輻射管熱通量和溫度限制，當盤管長度減小時，並行地使用較大數目的較小直徑盤管(較小直徑盤管具有比較大直徑管更大的表面面積-容積比)。在工業中的熱解爐輻射盤管通常為50-70英尺(15.24-21.34m)的長度，且內徑低至1.75-2.25英寸(4.45-5.72cm)，從而提供大約0.20秒的停留時間。這種盤管通常兩次通過輻射燃燒室。這樣的盤管通常(但不必須)布置成「U形」，它將在關於本技術的實施例的圖1中進一步介紹。在商業用途中選擇性最高的盤管使用大約35-45英尺(10.67-13.72m)長度的盤管，且內徑在1.25-1.75英寸(3.18-4.45cm)的範圍內。這樣的設計獲得低至0.10-0.15秒的停留時間。這樣的盤管通常稱為「單通」盤管，因為它們單次通過熱解爐的輻射加熱/反應部分，這將在對於本技術的實施例的圖2中進一步介紹。用於減少停留時間的另一普通方法是使用在管的內部具有擴展的傳熱表面的盤管。通過增加每英尺管長度的有效傳熱表面積，相同的爐傳熱功效能夠在較短的盤管中實現，同時仍然在輻射管材料的溫度限制內。通過使得擴展的內部傳熱管與「單通」輻射盤管設計相結合，停留時間能夠低至0.08-0.11秒。關於冶金的限制阻礙了爐停留時間的進一步減少。通常用於乙烯爐的輻射盤管和非燃燒絕熱區域的奧氏體鋼有高達1100-1150°C的合理高溫強度，並可使用已經很好證明的技術來焊接。不過，奧氏體鋼的缺點是管和配件的內表面催化積碳沉積(積炭)的產生。當生成這樣的積炭層時，它絕熱化處理氣體，這導致管壁溫度升高，以便提供足夠熱量用於進行反應。最終達到管壁溫度極限，爐將停止使用以便進行除焦。因此，當給定材料能夠在例如高達1100°C的溫度下工作時，對於允許的溫度升高，爐設計被限制為可能1020°C的「清潔盤管」管壁溫度。這種限制約束了盤管中的停留時間可以設計為多短以及在給定幾何尺寸的盤管中能夠處理多少供料。術語「盤管」、「管形件」、「導管」和「管」可以在這裡可互換地使用。儘管積炭形成還有其它成因，但是管表面催化積炭通常認為是積炭形成的主要原因，特別是當裂化較輕氣體供料例如乙烷時。當表面溫度升高時，表面催化積炭率增大。因此，奧氏體不鏽鋼輻射管材料的溫度限制和積炭(該積炭至少部分由於在管表面處產生的催化反應而形成)有效組合而阻止設計人員將停留時間降低至低於大約0.10秒。這也設定了能夠由爐獲得的最大乙烯產量的限制。當積炭現象被消除或大大降低時，爐可以設計為用於較高的「運行開始」或「清潔壁」管金屬溫度，因此能夠有更短的反應時間和因此更高的產品產量，還可以通過給定的輻射盤管設計而有更高的處理供料速率。這樣的改進可以通過使用由內表面不會催化積炭的材料製造的輻射管來實現。此外，當使用的輻射管材料可以在與當前的奧氏體不鏽鋼相比更高的溫度下工作時，盤管長度和停留時間甚至可以更加縮短，從而導致甚至進一步提高乙烯產量。還有，關於蒸汽裂化爐的設計和操作的另一特徵是使用稀釋蒸汽。供料與稀釋蒸汽相組合，之後混合物進入爐的輻射或反應盤管。根據進行處理的進料，稀釋蒸汽可以根據輻射供料速率而以0.2-1.0的重量比來使用。稀釋蒸汽在蒸汽裂化中至少用於以下三個目的:1)降低在反應盤管中的烴分壓，併合適地增加對輕烯烴的選擇度；2)降低由於熱裂化溫度而積炭率，該熱裂化溫度是與由爐盤管的表面催化形成積炭不同的積炭機制；以及3)蒸汽在輻射盤管中產生小的氧分壓，這又幫助奧氏體不鏽鋼(盤管由該奧氏體不鏽鋼製造)在管的內部保持氧化鉻(Cr2O3)層，並因此減小表面催化積炭形成率。不幸的是，高稀釋蒸汽比率隨之帶來增加的能量成本，並增加了設備尺寸和水處理設備。對稀釋蒸汽比率能夠以多低來成功操作的限制大致與增加積炭率和保持管內表面Cr2O3層的增加的難度的因素相關聯。具有低催化積炭趨勢的材料落入以下兩種中的一種內:1)氧化鋁前體；以及2)二氧化矽前體和陶瓷。這些材料具有低的表面催化積炭趨勢，因為它們能夠在盤管內表面上形成穩定的Al2O3或SiO2層。這些層對於催化積炭相對惰性，還提供了抗滲碳性。而且，與Cr2O3層相比，Al2O3層對於較低氧分壓保持穩定，因此能夠使用較低的稀釋蒸汽比率。還由試驗可知，陶瓷(石英)管將阻止表面催化積炭形成。特別是，氧化鋁前體或二氧化矽前體可以用在奧氏體不鏽鋼管上，以便降低管中的表面催化積炭，或者降低管氧化(管氧化是高溫的現象)。在冷/低溫用途中，換熱器中的不鏽鋼管可以使用普通不鏽鋼與不鏽鋼焊接。不過，陶瓷材料和一些氧化鋁前體有非常低的延展性和較脆，因此於產生裂紋和洩露。而且，這些材料不能在沒有開裂或破碎趨勢的情況下承受極快的冷卻。因此，使用這些材料只是在爐的輻射燃燒室內部可接受，在爐的輻射燃燒室內部，任何洩露都將包含在內襯有耐火材料的外殼板內並氧化。也就是，在爐的輻射部分的外殼板外部使用是不可接受的，因為可能洩露。例如，在輻射部分外部(輻射部分進口或出口)的洩露可能立即導致起火，因為烴材料在這些位置處高於它的自燃溫度。因此，位於輻射燃燒室外部的輻射部分進口和輻射部分出口由延展性更好的材料來構成，由例如現有的高合金奧氏體不鏽鋼構成，以便減少洩露和起火的危險。將高強度或低積炭催化輻射盤管與奧氏體的進口和出口連接成為挑戰。將氧化鋁前體焊接在奧氏體不鏽鋼上(當可能時)經常導致與奧氏體材料的強度相比具有明顯降低的高溫應力破裂強度的焊接接頭。這樣的接頭不能有足夠強度來承受在熱解爐的輻射部分內部經歷的高溫。因此，這些接頭可能使用複雜的螺紋接頭來用於機械強度，同時使用密封焊接來用於氣密。術語「接頭」與術語「連接件」同意地使用，均屬於使得兩個管形部件(例如導管或管)的流動通路彼此直接連接成公共流動通路，儘管這種接頭可能實際上包括特殊連接裝置、連接件的組合以及在兩個連接的管形件處或附近彼此相關聯的多個連接件。該接頭可以包括連接裝置、墊圈、接合部、配件、法蘭、焊接材料、螺紋、連接器、夾、襯套、軸環、連接器附件、收縮管、絕熱裝置和/或參與從外部導管(例如進口導管或出口導管，將稱為第一導管)向內部導管(例如爐管，將稱為第二導管)連接和過渡的其它部件。外部導管可以包括與內部導管基本相同或不同的材料。接頭也可以包括兩個或更多分離的接頭，例如當使得大致「U形」爐導管(例如在蒸汽裂化爐中的U形輻射管)與內部導管和外部導管連接時。在這種情況下，內部導管可以包括與外部導管相同或不同的材料，該外部導管也可以包括與爐導管不同的材料。由於明顯的熱膨脹係數差，使得陶瓷管形件或內襯陶瓷的管形件與奧氏體不鏽鋼連接是工程難題。這又可能導致使用複雜的機械接頭或低強度銅焊技術，該銅焊技術並不很好地適用於輻射部分的高溫。本技術的某些實施例可以包括用於生產乙烯的蒸汽裂化爐，其中:(a)輻射盤管由並不催化積炭形成的材料來製造，或者內表面並不催化積炭形成(這些材料可以是陶瓷或金屬，但是它們並不在其內表面上形成氧化鐵、氧化鎳或混合氧化物(包含氧化鐵或氧化鎳))。預計這樣的材料在蒸汽裂化條件下在盤管的內表面上形成穩定的Al2O3或穩定的SiO2層)；以及(b)在形成輻射盤管材料的Al2O3或SiO2與奧氏體不鏽鋼的進口和出口部分之間的接頭位於輻射燃燒室外殼的範圍內，但是在燃燒室的、暴露於輻射熱的區域外部(當盤管的金屬溫度處於工作溫度時)，所述操作溫度可能包括高達900°C (1652° F)或者甚至12000C (2192° F)的溫度，而廢氣溫度更高。儘管採用上述原理的爐理論上可以有蛇形盤管，但是該概念特別適合使用單通輻射盤管或「U形」盤管的爐，這將在後面進一步介紹。使用上述原理的爐可以使用具有普通圓形內部型面的管，或者爐可以使用擴展的內部型面以便提高傳熱。而且，使用上述原理的爐可以使用「有翅片」或者非圓形內部或外部型面的管。在「U形」盤管的情況下，兩個接頭(不管接頭包括相同還是不同的材料)都可以位於燃燒室內部，或者在燃燒室頂板(弓形)外殼末端(例如爐的主外壁或結構(在蒸汽裂化領域中通常稱為爐外殼)可以在本文中定義為第一壁，用於參引目的)的內部，但是可以通過內部或第二壁(例如弓形絕熱系統，它確定了第二壁的至少一部分)與來自燃燒室的直接輻射相屏蔽。通常，這樣的絕熱系統為12-14英寸(30.48-35.56cm)厚)。恰好在離開燃燒室之後，輻射盤管通常被支承/錨固在出口支腿上。這種支承可以例如通過直接位於輻射燃燒室緊下遊的驟冷換熱器來提供。因為盤管的出口支腿的膨脹超過進口支腿，因此隨著盤管加熱至工作溫度，進口支腿上的不同材料接頭向下運動。該接頭位置可以設計成這樣，即使隨著這種向下運動，在盤管處於工作狀態時仍然防止接頭免受:直接福射。當為單通(向上流動)盤管時，在輻射盤管出口處的不同材料接頭也可以位於弓形絕熱件內，與「U形」盤管情況類似。不過，在輻射盤管進口處的不同材料接頭位於大致爐底板區域中。在輻射部分出口附近被支承/錨固的單通盤管通常在30-40英尺(9.14-12.19m)長的範圍內，並當從環境溫度被加熱至工作溫度時膨脹8-10英寸(20.32-25.4cm)的範圍。因此，當爐處於環境溫度時，不同材料接頭定位成高於底板絕熱件(也通常12-14英寸(30.48-35.56cm)厚)頂部大約4_6英寸(10.16-15.24cm)。這樣，當爐加熱至工作溫度時，不同材料接頭向下生長，並且隨著它進入底板絕熱區域而免受直接輻射，因為。本領域有經驗的設計人員能夠在考慮了他/她的具體輻射盤管的工作溫度的知識以及使用的具體輻射管材料的熱膨脹係數的情況下選擇用於接頭的所需環境溫度位置。實例下面的表格介紹了單通爐的性能影響:
權利要求
1.一種換熱裝置，包括: a)本體，該本體形成內部空腔，所述本體包括: 第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面限定所述本體的至少一部分，其中，所述第一表面相對於內部空腔並相對於所述第二表面位於外部，且所述第二表面位於所述內部空腔和所述第一表面之間； b)第一導管，用於將流體傳送給所述本體； c)第二導管，該第二導管與所述第一導管流體連通，其中，所述第二導管至少部分位於所述本體的所述內部空腔中；以及 d)在所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，其中，所述接頭根據在內部空腔中的溫度而在第一位置和第二位置之間運動，其中，第一位置和第二位置中的至少一個在所述第一表面和所述第二表面的中間。
2.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中: 所述第一導管包括奧氏體不鏽鋼；以及 所述第二導管包括並不催化積炭形成的金屬或陶瓷材料； 當所述第二導管處於至少1100°C的管金屬溫度時，所述接頭位於所述第一表面和所述第二表面中間。
3.根據權利要求1所述的換熱裝置，還包括:所述第一表面是第一壁，所述第二表面是第二壁，所述換熱裝置還包括在所述第一壁和所述第二壁的中間的耐火材料。
4.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:所述第二導管由這樣的材料形成，該材料包括氧化鋁前體、陶瓷和它們的組合中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:所述接頭包括在所述第一導管和所述第二導管之間的焊接部。
6.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:當所述第二導管處於20°C的管金屬溫度時，所述接頭在所述本體的所述內部空腔內。
7.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:所述第二導管包括在所述第二導管的內表面上的氧化物層，其中，所述氧化物層包括少於5wt%的鎳、鐵或它們的混合物。
8.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:所述第二導管金屬材料包括在所述第二導管的內表面上的氧化物層，其中，所述氧化物層包括少於lwt%的鎳，並且所述氧化物層包括少於2wt%的鐵。
9.根據權利要求8所述的換熱裝置，其中:所述第二導管的所述內表面包括氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化釔和氧化銫中的至少一種。
10.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:當所述第二導管處於至少700°C的管金屬溫度時，所述接頭在所述第一表面和所述第二表面的中間。
11.根據權利要求1所述的換熱裝置，其中:所述第一位置在所述第一表面和所述第二表面的中間，以及第二位置在所述本體的所述內部空腔內。
12.—種烴裂化單元，包括: a)爐，該爐有由爐外殼和燃燒室壁形成的內部空腔，其中，所述爐外殼相對於所述內部空腔在外部，所述燃燒室壁位於所述爐外殼和內部空腔之間； b)第一導管，該第一導管包括奧氏體不鏽鋼；C)第二導管，該第二導管包括內表面，所述第二導管至少部分位於所述內部空腔內；以及 d)在所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，其中，根據內部空腔中的溫度，所述接頭在第一位置和第二位置之間運動，其中，所述第一位置和所述第二位置中的至少一個在所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間。
13.根據權利要求12所述的裂化單元，還包括:在所述內部空腔中的輻射熱源，當所述接頭在所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間時，所述第二導管的所述管金屬溫度為至少1000。。。
14.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述第二導管包括輻射管，用於裂化與蒸汽混合的烴進料。
15.根據權利要求12所述的裂化單元，還包括:對流部分，該對流部分與所述第一導管熱連通。
16.根據權利要求12所述的裂化單元，還包括:在所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間的耐火材料。
17.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述第二導管有內徑，該內徑提供小於0.20秒的爐停留時間。
18.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述第二導管由這樣的材料形成，該材料包括氧化鋁前體、陶瓷和它們的組合中的至少一種。
19.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述接頭包括在所述第一導管和所述第二導管之間的焊接部。
20.根據權利要求19所述的裂化單元，其中:當所述第二導管處於20°C的管金屬溫度時，所述接頭在所述本體的所述內部空腔內。
21.根據權利要求19所述的裂化單元，其中:所述第二導管包括在所述第二導管的內表面上的氧化物層，其中，所述氧化物層包括少於5wt%的鎳、鐵或它們的混合物。
22.根據權利要求21所述的裂化單元，其中:所述第二導管的所述內表面包括氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、氧化釔和氧化銫中的至少一種。
23.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:當所述接頭在所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間時，所述第二導管處於至少1100°c的管金屬溫度。
24.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述第二導管包括單通盤管、U形盤管、蛇形盤管和多通盤管中的至少一種。
25.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述第二導管包括非圓形內部型面。
26.根據權利要求12所述的裂化單元，其中:所述接頭的所述位置被構造成根據熱變化而在(i)所述爐外殼和所述燃燒室壁的中間的第一位置以及(ii)在所述爐的所述內部空腔內的第二位置之間運動。
27.一種用於製備換熱單元的方法，包括: a)提供本體，該本 體包括在其中的內部空腔，所述本體還包括第一表面和第二表面，所述第二表面限定在所述本體中的所述內部空腔，所述第一表面相對於第二表面並相對於所述內部空腔位於外部，而所述第二表面位於所述內部空腔和所述第一表面之間； b)提供第一導管，所述第一導管的至少一部分相對於所述第一表面處於外部；C)提供第二導管，將所述第二導管定位成與所述第一導管流體連通，且所述第二導管至少部分位於在所述本體的所述內部空腔中；以及 d)定位所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，且所述接頭根據在內部空腔中的溫度而在第一位置和第二位置之間運動，其中，所述第一位置和所述第二位置中的至少一個在(i)所述第一表面和所述第二表面的中間或(ii)在所述本體的所述內部空腔內，其中，所述位置至少部分取決於所述內部空腔中的溫度。
28.根據權利要求27所述的方法，其中:所述換熱單元是蒸汽裂化爐。
29.根據權利要求27所述的方法，其中:所述第一導管包括奧氏體不鏽鋼，所述第二導管包括並不催化積炭形成的金屬或陶瓷內部表面。
30.根據權利要求27所述的方法，其中:當所述第二導管處於至少700°C的管金屬溫度時，所述第一導管和所述第二導管之間的所述接頭在所述第一表面和所述第二表面的中間。
31.一種用於在蒸汽裂化單元中裂化烴的方法，包括: a)提供蒸汽裂化爐本體，該蒸汽裂化爐本體包括在所述本體中的內部空腔，所述本體還包括第一表面和第二表面，所述第二表面限定在所述本體中的所述內部空腔，所述第一表面相對於所述第二表面並相對於所述內部空腔位於外部，而所述第二表面位於所述內部空腔和所述第一表面之間； b)提供第一導管，該第一導管包括奧氏體不鏽鋼，所述第一導管的至少一部分相對於所述第一表面處於外部； c)提供第二導管，該第二導管包括並不催化積炭形成的金屬或陶瓷材料，將所述第二導管定位成與所述第一導管流體連通，且所述第二導管至少局部定位在所述本體的所述內部空腔中； d)將所述第一導管和所述第二導管之間的接頭定位在第一位置或第二位置中的一個處，其中，所述第一位置和第二位置中的至少一個處於所述第一表面和所述第二表面的中間，所述第一位置和所述第二位置至少部分取決於在所述內部空腔中的溫度； e)將所述第二導管加熱至至少700°C的管金屬溫度；以及 f)沿通過所述第一導管、通過所述接頭和通過所述第二導管的流體通路來供給烴進料。
32.根據權利要求31所述的方法，還包括:通過所述第二導管以足以提供小於0.2秒的裂化停留時間的流量來供給烴和蒸汽的混合物。
33.根據權利要求31所述的方法，還包括:在所述接頭處使得所述第一導管與所述第二導管熔合。
全文摘要
在一個方面，本技術包括一種換熱裝置，它包括a)本體，該本體形成內部空腔，所述本體包括第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面確定了所述本體的至少一部分，其中，所述第一表面相對於內部空腔和相對於所述第二表面位於外部，且所述第二表面位於所述內部空腔外部，位於所述第一表面內部；b)第一導管，用於將流體傳送給所述本體；c)第二導管，該第二導管與所述第一導管流體連通，其中，所述第二導管至少局部位於所述本體的所述內部空腔中；以及d)在所述第一導管和所述第二導管之間的接頭，其中，所述接頭根據在內部空腔中的溫度而在第一位置和第二位置之間運動，其中，第一位置和第二位置中的至少一個在所述第一表面和所述第二表面的中間。
文檔編號F28D7/06GK103189707SQ201180019604
公開日2013年7月3日 申請日期2011年3月23日 優先權日2010年4月19日
發明者D·B·斯派塞, J·P·瓊斯 申請人:埃克森美孚化學專利公司