專利名稱：一種在高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中強(qiáng)化傳熱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫反應(yīng)或傳熱過程的熱交換領(lǐng)域，更具體地說，屬于一種強(qiáng)化傳熱和節(jié)能的方法。
背景技術(shù)：
傳熱強(qiáng)化技術(shù)由于其能提高熱量傳遞速率和節(jié)能，在各個領(lǐng)域的過程中獲得廣泛的應(yīng)用。它通常分為主動強(qiáng)化傳熱和被動強(qiáng)化傳熱技術(shù)，由于后者不需要從外界輸入能量，在實(shí)際的工程中，更易被采用。
在高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中，由燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量，經(jīng)輻射傳熱到爐管外壁，再由爐管外壁傳導(dǎo)至管內(nèi)物料，從而使管內(nèi)物料達(dá)到反應(yīng)需要的溫度的過程。通常，高溫過程物料以氣態(tài)為主，由于管內(nèi)的物料流速快，雷諾數(shù)很大，故管內(nèi)物流呈紊流流動狀態(tài)。但由于流體具有粘性會粘附在壁面上，因此壁面處的流速接近為零。靠近壁面的一層流體仍呈層流狀態(tài)，即邊界層流層。再離開壁面，流速再加快，是一個過渡區(qū)。再往管子中心就出現(xiàn)紊流核心區(qū)。3個區(qū)域的熱傳遞特點(diǎn)不同，靠近管壁邊界層流層中，物流都是平行于管壁流動的，熱的傳遞是熱傳導(dǎo)。由于氣體的導(dǎo)熱性很低，僅為金屬的千分之一，因此熱阻很大，相當(dāng)于一層絕熱層，當(dāng)通過較大的熱通量時，將產(chǎn)生很大的溫度梯度。紊流核心區(qū)的物流不僅有平行于管壁的流動，還有橫向流動，該區(qū)域的溫度基本均勻。過渡區(qū)是上述二者共同作用的結(jié)果。
光滑爐管內(nèi)物料流動會出現(xiàn)邊界層流層，其熱阻非常大，對熱傳導(dǎo)影響巨大，大大增加工藝過程的能耗。因此減少或消除邊界層流層，強(qiáng)化管內(nèi)物料的傳熱，成為研究的關(guān)鍵。
現(xiàn)有被動強(qiáng)化傳熱通常包括擴(kuò)展傳熱表面(肋片或翅片)、管內(nèi)插入物(內(nèi)構(gòu)件)、旋流(紊流)發(fā)生器等等。
CN1447088A發(fā)明是一種用圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化傳熱的方法。主要由若干圓管段、橢圓管段和圓—橢圓過渡段組成，依次周期排列，利用“場協(xié)同原理”強(qiáng)化傳熱并改善流動阻力。
CN1129799A是一種置換式防垢強(qiáng)化傳熱的梯形插入物，由一條以上梯形片帶組成，梯形片帶之間的交叉角為60-90o，一條梯形片帶由數(shù)個梯形單元連接而成，這種結(jié)構(gòu)的管內(nèi)插入物具有防垢、強(qiáng)化流體傳熱效果，特別適用于高粘度流體的傳熱效果。
CN2588312Y涉及到特別適用于管內(nèi)吸收及高粘度流體熱交換的強(qiáng)化傳熱的傳質(zhì)管，其特點(diǎn)是在管內(nèi)壁有若干半圓或小半圓的月牙體，其表面緊貼管內(nèi)壁。利用三維空間，通過分流、混合、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生各種二次流，強(qiáng)化傳熱，同時可以縮小傳熱設(shè)備的體積。
CN2474980Y是換熱設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)化傳熱或冷卻的翼型縱向渦旋發(fā)生元，由一片薄而均勻的三角形翼(功能翼)和一片與內(nèi)壁面相連接的的輔助體(輔助翼)折疊而成。適用于強(qiáng)化氣體或液體的對流換熱場合，能在流動阻力增加極小的情況下，提高傳熱效率。
上述現(xiàn)有技術(shù)在強(qiáng)化傳熱方面都有一定的效果，但更多地應(yīng)用于高粘度的液體、低雷諾數(shù)的強(qiáng)化氣體或液體的對流換熱場合。對于像高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中，氣態(tài)的物質(zhì)在的高溫環(huán)境(780-920℃)，需要較短的時間(0.01-0.7s)達(dá)到反應(yīng)要求的條件，以上強(qiáng)化傳熱的方法都存在適應(yīng)性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提供一種高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中強(qiáng)化傳熱的方法。
本發(fā)明提供的方法包括在高溫傳熱設(shè)備或高溫反應(yīng)器內(nèi)，插入比所述設(shè)備或反應(yīng)器內(nèi)徑小的內(nèi)構(gòu)件物質(zhì)。
本發(fā)明可以有效改善輻射段爐管管內(nèi)的溫度分布，強(qiáng)化流體傳熱效果，提高熱效率。


圖1為蜂窩狀多孔的堇青石陶瓷材料的內(nèi)構(gòu)件，圖2為十字形的石英材料的內(nèi)構(gòu)件，圖3為高溫傳熱試驗(yàn)管內(nèi)徑向溫度分布。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的方法是這樣具體實(shí)施的在高溫反應(yīng)過程(例如蒸汽裂解制乙烯工藝)的輻射段爐管內(nèi)或低粘度的氣體物質(zhì)，需要進(jìn)行高溫傳熱的設(shè)備管內(nèi)，插入與管內(nèi)徑相同或相當(dāng)?shù)膬?nèi)構(gòu)件物質(zhì)。
所述的高溫反應(yīng)過程，主要指高溫蒸汽裂解制乙烯工藝過程，裂解原料為各類石油烴，反應(yīng)溫度780～920℃。
所述于內(nèi)構(gòu)件物質(zhì)是無機(jī)材料，所述無機(jī)材料為玻璃、石英或陶瓷材料。其中所述陶瓷材料是堇青石或鋁鎂尖晶石。
所述內(nèi)構(gòu)件的形狀為蜂窩狀、實(shí)心圓柱體、空心圓柱體或多等分空心圓柱體。
所述內(nèi)構(gòu)件的整個體積為管內(nèi)體積的5％-50％。
所述內(nèi)構(gòu)件可以全部充滿或部分插入所述設(shè)備或反應(yīng)器中。
下面的實(shí)施例將對本方法予以進(jìn)一步的說明，但并不因此限制本方法。
實(shí)施例1在裂解反應(yīng)輻射段爐管內(nèi)插入蜂窩狀多孔的堇青石陶瓷材料的內(nèi)構(gòu)件，內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。以石腦油為裂解原料，在模擬裂解評價微反試驗(yàn)裝置上進(jìn)行裂解試驗(yàn)，該試驗(yàn)裝置由進(jìn)料系統(tǒng)、裂解反應(yīng)系統(tǒng)和深冷分離系統(tǒng)三部分組成，整套裝置由一臺計算機(jī)控制操作和監(jiān)測運(yùn)行。裂解操作條件見表1。
在表1裂解評價試驗(yàn)條件下，使用熱電偶在裂解反應(yīng)輻射段爐管出口處，測量反應(yīng)物流的出口溫度；通過深冷分離和裂解氣分析的氣相色譜等手段，測定原料的裂解轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如表2所示。
實(shí)施例2在裂解反應(yīng)輻射段爐管內(nèi)插入十字形的石英材料的內(nèi)構(gòu)件，內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)裝置和裂解操作條件與實(shí)施例1相同。裂解評價試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
對比例1為說明本發(fā)明的效果，使用常規(guī)裂解反應(yīng)輻射段爐管內(nèi)(空管)，在與實(shí)施例1相同的條件下進(jìn)行裂解試驗(yàn)。模擬裂解評價試驗(yàn)裝置和分析手段與實(shí)施例1相同。所裂解評價試驗(yàn)反應(yīng)物流的出口溫度和原料的裂解轉(zhuǎn)化率，如表2所示。
表2中數(shù)據(jù)表明在實(shí)施例1和實(shí)施例2中，在常規(guī)裂解輻射段爐管內(nèi)插入蜂窩狀多孔的堇青石陶瓷材料和石英材料的內(nèi)構(gòu)件，實(shí)際反應(yīng)體積減小，反應(yīng)停留時間相對減少的情況下，裂解評價試驗(yàn)反應(yīng)物流的出口溫度和原料的裂解轉(zhuǎn)化率均高于對比例1。
實(shí)施例3在裂解反應(yīng)輻射段爐管內(nèi)插入蜂窩狀多孔的堇青石陶瓷材料的內(nèi)構(gòu)件，內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。以氮?dú)鉃樵?，在高溫加熱爐上進(jìn)行高溫傳熱試驗(yàn)。操作條件見表3。
在表3試驗(yàn)條件下，使用熱電偶在加熱爐管內(nèi)部和管出口處，測量反應(yīng)物流的徑向溫度分布和出口溫度，結(jié)果如表4和圖3所示。
實(shí)施例4在裂解反應(yīng)輻射段爐管內(nèi)插入十字形的石英材料的內(nèi)構(gòu)件，內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。以氮?dú)鉃樵希诟邷丶訜釥t上進(jìn)行高溫傳熱試驗(yàn)。操作條件見表3。
在表3試驗(yàn)條件下，使用熱電偶在加熱爐管內(nèi)部和管出口處，測量反應(yīng)物流的徑向溫度分布和出口溫度，結(jié)果如表4和圖3所示。
對比例2為說明本發(fā)明的效果，使用常規(guī)爐管(空管)，在與實(shí)施例3相同的條件下進(jìn)行高溫傳熱試驗(yàn)。評價試驗(yàn)裝置和測試手段與實(shí)施例3相同。所測量反應(yīng)物流的徑向溫度分布和出口溫度，如表4和圖3所示。
表4和圖4中數(shù)據(jù)表明在實(shí)施例3和實(shí)施例4中，在常規(guī)爐管內(nèi)插入蜂窩狀多孔的堇青石陶瓷材料和石英材料的內(nèi)構(gòu)件，實(shí)際爐管體積減小，傳熱過程停留時間相對減少的情況下，反應(yīng)物流的徑向溫度分布要優(yōu)于對比例2、物流的出口溫度均高于對比例2，有效地提高了傳熱效率。
表1、模擬裂解試驗(yàn)操作條件

表2、模擬裂解過程強(qiáng)化傳熱效果對比

表3、模擬高溫傳熱試驗(yàn)操作條件

表4、模擬高溫傳熱試驗(yàn)強(qiáng)化傳熱效果對比

權(quán)利要求
1.一種在高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中強(qiáng)化傳熱的方法，其特征在于在高溫傳熱設(shè)備或高溫反應(yīng)器內(nèi)，插入比所述設(shè)備或反應(yīng)器內(nèi)徑小的內(nèi)構(gòu)件物質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在所述于內(nèi)構(gòu)件物質(zhì)是無機(jī)材料。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述無機(jī)材料為玻璃、石英或陶瓷材料。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述陶瓷材料是堇青石或鋁鎂尖晶石。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述內(nèi)構(gòu)件的形狀為蜂窩狀、實(shí)心圓柱體、空心圓柱體或多等分空心圓柱體。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述內(nèi)構(gòu)件的整個體積為管內(nèi)體積的5％-50％。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述內(nèi)構(gòu)件可以全部充滿或部分插入所述設(shè)備或反應(yīng)器中。
全文摘要
一種在高溫傳熱或高溫反應(yīng)過程中強(qiáng)化傳熱的方法，在高溫傳熱設(shè)備或高溫反應(yīng)器內(nèi)，插入與管內(nèi)徑相同或相當(dāng)?shù)膬?nèi)構(gòu)件物質(zhì)。該方法可以有效改善傳熱設(shè)備或反應(yīng)器爐管管內(nèi)的溫度分布，強(qiáng)化流體傳熱效果，提高熱效率。
文檔編號F28F13/02GK101063598SQ20061007619
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者崔德春, 賀振富, 王子軍, 包曉東, 邵潛, 李陽 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院