Печь для производства олефинов с трубой, выполненной в виде спирали с малой амплитудой

012508 Настоящее изобретение относится к трубопроводу промышленного назначения, который имеет особую геометрию. Большая часть производственных процессов включает транспортировку текучих сред от одного участка предприятия или производственной установки к другому участку, которая, как правило, осуществляется с использованием трубопровода. Текучая среда во время ее прохождения через трубопровод также может подвергаться обработке, например нагреванию, облучению, воздействию химической реакции и т.д. Используемые таким образом трубы, в частности трубы, которые применяются для транспортировки текучих сред на большие расстояния, имеют обычно прямолинейную форму, т.е. их геометрические оси представляют собой прямые линии, а стенки труб проходят параллельно геометрическим осям. Однако было обнаружено, что возможно использование труб с альтернативной геометрией, которые могут предоставить ряд преимуществ по сравнению с прямыми трубами. В частности, труба, выполненная в виде спирали с малой амплитудой, имеет несколько значительных преимуществ по сравнению с прямой трубой. Понятие спираль с малой амплитудой означает, что труба выполнена так, что ее геометрическая ось проходит, по существу, по спиральной траектории, при этом амплитуда спирали равна половине внутреннего диаметра трубопровода либо меньше нее. При вхождении текучей среды в участок трубопровода, который выполнен в виде спирали, почти сразу образуется закрученный поток, который имеет ряд преимуществ над обычным потоком. Может быть уменьшена турбулентность и связанные с ней потери давления (а также потери энергии). Кроме того, вследствие смешивания по поперечному сечению трубы эпюра скоростей потока в поперечнике трубы становится более равномерной (или более прямой) по сравнению с потоком в обычной трубе, причем закрученная текучая среда стремится действовать в качестве поршня, промывая стенки трубы. Было обнаружено, что закрученный поток устанавливается большей частью по всей ширине трубы на расстоянии в пределах нескольких диаметров трубы от входа в спираль с малой амплитудой. Кроме того, вторичное перемещение и смешивание по поперечному сечению, связанное с закрученным потоком, приводит к значительному переносу массы, количества движения и тепла в текучей среде в центральной части и между текучей средой у стенок трубы и текучей средой в центральной части. Понятие амплитуда спирали, используемое в данном тексте, относится к величине смещения геометрической оси от среднего положения к боковому предельному положению. Таким образом, указанная амплитуда составляет половину полного смещения в стороны геометрической оси спирали. Площадь поперечного сечения трубопровода обычно является, по существу, постоянной по всей его длине,однако она может изменяться в зависимости от конкретных требуемых характеристик. В спиральном трубопроводе с малой амплитудой такого типа, в котором амплитуда спирали составляет величину менее половины внутреннего диаметра трубы, вдоль просвета трубы имеется линия прямой видимости. Даже если поток по линии прямой видимости потенциально может проходить по прямой траектории, выяснилось, что он в целом имеет вихревую составляющую. В целях данного описания термин относительная амплитуда спирального трубопровода в виде спирали определен как отношение амплитуды к внутреннему диаметру. Поскольку амплитуда спирального трубопровода меньше или равна половине внутреннего диаметра трубы, это означает, что его относительная амплитуда меньше или равна 0,5. Предпочтительными могут быть относительные амплитуды,меньшие или равные 0,45, 0,40, 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15, 0,1 или 0,05. Меньшие относительные амплитуды обеспечивают лучшее использование имеющегося бокового пространства, так как данный трубопровод в целом не намного шире, чем нормальная прямая труба с той же площадью поперечного сечения. Более маленькие относительные амплитуды также приводят к более широкой линии прямой видимости, обеспечивая большее пространство для введения манометров или другого оборудования вдоль трубопровода. Однако очень маленькие относительные амплитуды могут в некоторых обстоятельствах приводить к уменьшению вторичного перемещения и смешивания. При более высоких числах Рейнольдса возможно использование меньших относительных амплитуд, и при этом создается в достаточной степени закрученный поток. Это, в общем, означает, что для заданного внутреннего диаметра, где скорость потока высока, может использоваться малая относительная амплитуда, и при этом она еще достаточна для создания закрученного потока. Угол наклона спирали (или шаг, где шаг является длиной одного витка спирали, который может быть определен исходя из внутреннего диаметра трубы) является также существенным фактором,влияющим на поток. Как и относительная амплитуда, угол наклона спирали может быть оптимизирован в зависимости от условий, в частности вязкости, плотности и скорости текучей среды, переносимой по трубе. Угол наклона спирали предпочтительно меньше или равен 65, в более предпочтительном случае меньше или равен 55, 45, 35, 25, 20, 15, 10 или 5. В общих чертах, для более высоких чисел Рейнольдса угол наклона спирали может быть меньшим и при этом достигается удовлетворительно закрученный поток, тогда как при низких числах Рейнольдса потребуется больший угол наклона спирали для создания удовлетворительного завихрения. Использование больших углов наклона спирали для более быстрых потоков (при высоких числах Рейнольдса) будет-1 012508 в общем нежелательным, так как возможно образование пристеночных карманов застойной текучей среды. Следовательно, при заданных числах Рейнольдса (или диапазоне чисел Рейнольдса) предпочтительно выбирать угол наклона спирали по возможности малым для создания удовлетворительного завихрения. В некоторых вариантах выполнения угол наклона спирали составляет менее 20. На фигуре показан отрезок трубы, имеющей спиральную геометрию с малой амплитудой. Эта труба 1 имеет круглое поперечное сечение, наружный диаметр DE, внутренний диаметр D1 и толщину Т стенки. Эта труба скручена в спираль с постоянной амплитудой А (измеренной от среднего значения до экстремального), постоянным шагом Р, постоянным угломнаклона спирали и шириной W колебания. Труба 1 показана заключенной в воображаемую оболочку 20, которая проходит продольно и имеет ширину, равную ширине W колебания спирали. Оболочку 20 можно рассматривать, как имеющую центральную продольную ось 30, которая также может быть принята за ось вращения спирали. Показанная труба 1 имеет прямую ось 30, но следует понимать, что центральная ось может быть изогнута или может иметь любую форму в зависимости от требований. Данная труба имеет геометрическую центральную ось 40, которая проходит по спиральной траектории вокруг центральной продольной оси 30. Можно видеть, что амплитуда А составляет величину, меньшую, чем половина внутреннего диаметра D1 трубопровода. Поддерживая данную амплитуду ниже этой величины, боковое пространство,занимаемое трубой, и полную длину трубы можно поддерживать сравнительно небольшими, в то время как винтовая конфигурация трубы способствует созданию закрученного потока текучей среды по трубе. Это обстоятельство также обеспечивает относительно широкий просвет вдоль трубы, который позволяет проводить по трубе инструменты, аппаратуру и т.п. Использование трубопровода в виде спирали с малой амплитудой может быть полезно для многочисленных процессов, включающих перемещение или транспортировку текучей среды по трубам, перемешивание текучих сред в трубах, массо- и теплоперенос в текучую среду или из нее внутри труб, для процессов, при которых внутри труб образуется отложение или загрязнение, и процессах, при которых в трубах происходят химические реакции. Такое использование применимо к любым газам или жидкостям, как к однофазным, так и к смесям газов, жидкостей или твердых веществ в любом сочетании в виде многофазовой смеси. Использование подобного трубопровода может оказать значительное воздействие на экономику. В качестве примера, снижение турбулентности и связанное с ним уменьшенное падение давления,обусловленное закрученным потоком, при соответствующих условиях способно уменьшить расходы на перекачку с помощью насоса. Это обстоятельство может быть важно при распределении углеводородов через трубопроводы,включая процессы добычи сырой нефти и газа. Например, колонны и трубопроводы для добычи нефти,используемые на берегу или на некотором расстоянии от берега, могут содержать по меньшей мере один участок, имеющий спиральную геометрию с малой амплитудой. Спиральная геометрия с малой амплитудой улучшает динамику потока в колонне и трубопроводе для добычи нефти, т.е. снижает турбулентность потока, проходящего через них, и, таким образом,уменьшает потерю давления. Нефтепровод или колонна могут быть, по существу, вертикального типа, по существу, горизонтального типа или иметь криволинейную геометрию, включающую S-образную или цепную форму. Нефтепровод или колонна могут быть жесткого типа или гибкого типа либо любым сочетанием того и другого. Нефтепровод или колонна могут быть выполнены из любого сочетания материалов и могут содержать упрочняющие кольца. Подобным образом, спиральная геометрия с малой амплитудой может использоваться в насоснокомпрессорной колонне для скважинного применения в нефтяных, газовых, водозаборных или геотермальных скважинах. По меньшей мере один участок скважины может содержать трубу спиральной геометрии с малой амплитудой. Преимущество будет заключаться в снижении турбулентности потока и уменьшенной потере давления. Кроме того, спиральная геометрия с малой амплитудой может использоваться в трубопроводах для транспортировки углеводорода с преимуществом, заключающимся в снижении турбулентности потока и уменьшенной потере давления. Естественно, что трубопроводы для транспортировки других текучих сред, например питьевой воды, сточной воды и нечистот, суспензий, порошков, пищевых продуктов или напитков, или фактически любых однофазных или многофазовых текучих сред могут также иметь спиральную геометрию с малой амплитудой и обладать тем же преимуществом. Другой областью, где сниженное падение давления особенно полезно, является использование в гидроэнергетике, применительно к гидротехническим затворам и отводящим трубам. Снижение потери давления приведет к увеличенной выработке электроэнергии, и даже небольшое уменьшение падения давления может привести к весьма большому приросту выдаваемой мощности в расчете на весь срок службы установки. Снижение падения давления является также важным в распределении пара на электростанциях и других промышленных предприятиях. Оно также важно для проведения химических реакций, где необходимо поддерживать давление на возможно наименьшем уровне для улучшения выхода реакции, вклю-2 012508 чая процессы, производимые в условиях вакуума, например производство олефинов пиролизом и производство стирола из этилбензола. Смешивание внутри труб является важным процессом во многих отраслях промышленности, включая химическую, пищевую, фармацевтическую, водное хозяйство и нефтяную промышленность. Часто важным является равномерное распределение небольшого количества активного химического вещества в большой массе другого материала. В некоторых случаях этот процесс известен как дозирование. Примерами дозирования могут быть добавление антиоксиданта к различным веществам и пище и добавление хлора или щелочи к питьевой воде. Спираль с малой амплитудой может снизить количество активного химического вещества, необходимого для обеспечения достаточной концентрации для достижения необходимой цели, и может обеспечить отсутствие локальной неприемлемо высокой (или низкой) концентрации добавок, так как она обеспечивает присущее ей качественное смешивание. Смешивание также является важным процессом в том случае, когда требуется свести вместе два больших потока текучих сред или более и обеспечить их смешивание так, чтобы они не оставались в разделенном состоянии. Кроме того, смешивание является важным процессом, когда является полезным,чтобы текучая среда оставалась в устойчивой смешанной фазе (для предотвращения нежелательного разделения на фазы). Это важно в производстве неочищенных нефти и газа, где в процессе отделения газа происходит образование пробок, которое снижает пропускную способность трубопроводов и увеличивает эксплуатационные расходы. Фактически, большим дополнительным преимуществом использования спиральной геометрии с малой амплитудой в колоннах и трубопроводах для нефтедобычи, в насоснокомпрессорной колонне для скважинного использования и трубопроводах для транспортировки углеводородов и других текучих сред является уменьшение пробкового режима потока. Улучшенное смешивание фаз также является важным в трубопроводах, так как оно способствует удержанию газа или воздуха в текучей среде, а не допускает того, чтобы газ или воздух накапливался в высоких точках трубы и мог создавать воздушные пробки. Смешивание является также важным процессом при транспортировке твердых веществ жидкостью как при транспортировке нечистот, так и при транспортировке минералов по трубопроводам в процессе извлечения минералов, для предотвращения оседания твердых веществ. Такое уменьшение выпадения осадка (и минералов и/или осаждения углеводородов) является также важным для колонн и трубопроводов для нефтедобычи и насосно-компрессорной колонны для скважинного использования. Уменьшение выпадения осадка также является важным для прикладных областей гидроэнергетики. Кроме того, для колонн и трубопроводов для нефтедобычи и насосно-компрессорной колонны для скважинного использования улучшенное смешивание снижает опасность выпадения воды. В качестве примера, спиральная геометрия с малой амплитудой может использоваться в статических смесителях для химического дозирования, а также в производстве пищевых, химических, нефтехимических и фармацевтических продуктов. Преимущество такого использования будет заключаться в усиленном поперечном перемешивании и сниженном засорении отложением или осадком. Кроме того,как изложено выше, спиральная геометрия с малой амплитудой будет также обеспечивать сниженную потерю давления при смешивании. Дополнительно, поскольку имеется просвет по линии прямой видимости вдоль участка спирали с малой амплитудой и нет отбойников или лопаток, которые обычно имеются в традиционных смесителях, улучшается удобство очистки. Это преимущество приводит к уменьшению эксплуатационных расходов и износа. Помимо этого, улучшенное смешивание (в частности, тепловое смешение) и уменьшенная потеря давления, которая может быть достигнута с использованием спиральной геометрии с малой амплитудой,особенно эффективны в теплообменниках электростанций, теплоизолированных кожухах холодильных машин и воздушных сепараторов и подобных устройствах. Спиральный трубопровод с малой амплитудой также может использоваться для обеспечения полного смешивания компонентов до их вступления в реакцию. Это обстоятельство обеспечит более полное прохождение реакции и эффективное использование материалов. В типичном случае этот способ может включать смешение газов или текучих реагентов до их прохождения в присутствии катализатора. Однако особенно рассматривается вопрос возможности использования этого трубопровода для смешивания топлива и воздуха до прохождения их к двигателю внутреннего сгорания. Такое решение может улучшить эффективность процесса внутреннего сгорания и уменьшить количество несгоревшего или частично сгоревшего топлива, а также количество тонкодисперсных твердых веществ, уходящих в атмосферу. Это последнее улучшение будет также снижать требование к характеристике каталитического дожигателя выхлопных газов, расположенного за двигателем внутреннего сгорания, используемого в дорожном транспорте, и таким образом улучшать его эксплуатационные качества. Вследствие того, что спиральный трубопровод с малой амплитудой обеспечивает спиральный (закрученный) поток в трубах и создает более прямую эпюру скоростей, то скорость и равномерность передачи тепла к текучей среде и от нее внутри трубы может быть улучшена. В нормальном потоке текучая среда у центра трубы перемещается значительно быстрее, чем около ее стенок, и поэтому при нагревании трубы пристеночная текучая среда будет нагреваться в большей степени, чем текучая среда около центра трубы.-3 012508 Однако поскольку закрученный поток имеет затупленную (и таким образом, более равномерную) эпюру скоростей, то менее вероятно, что части текучей среды будут перегреваться или нагреваться в недостаточной степени, вызывая нежелательные явления. Трубопровод в виде спирали с малой амплитудой обеспечивает одинаковый перенос тепла при более низком перепаде температур между внутренней и наружной частью трубы. Это обстоятельство особенно полезно в том случае, когда к текучей среде добавляется компонент и обрабатывается некоторым способом (например, нагреванием). При некачественном смешивании часть смеси, которая перемещается быстро, будет недообработана, а часть смеси, которая перемещается медленно, будет обработана сверх меры; однако при качественном смешивании, обеспеченном спиральной геометрией с малой амплитудой, этого можно избежать и получить более равномерную обработку. Это обстоятельство может обеспечить значительный экономический выигрыш в печах, таких как печи для крекинга ненасыщенных углеводородов, печи предварительного нагревания для нефтеочистительных термических крекинг-установок или крекинг-печей для легкого крекинга, обменники автоматических линий, теплообменники электростанций, теплоизолированные кожухи промышленных холодильных машин и машин воздушной сепарации, а также вообще для холодильных установок. Более прямая эпюра скоростей является также полезной для применения в гидроэнергетике. Такая эпюра скоростей способствует лучшей работе турбин, поэтому использование спиральных участков с малой амплитудой в гидроэнергетике может таким способом улучшить коэффициент полезного действия. Кроме того, к преимуществам закрученного потока применительно к областям гидроэнергетики относятся пониженная кавитация и сниженные нагрузки на трубы. Кроме того, поршневой аспект закрученного потока, создаваемого трубопроводом в виде спирали с малой амплитудой, может обеспечить значительные экономические преимущества для тех процессов,которые происходят в трубах, когда отложение тонкодисперсных или других твердых частей на внутренней стенке трубы создает преграду для передачи тепла, или загрязняет текучую среду, проходящую через них, или уменьшает поток текучей среды через трубу. Подобные тонкодисперсные или другие твердые частицы могут присутствовать в текучей среде или могут образовываться в результате химической реакции между компонентами текучей среды. Предполагается, что использование спирального трубопровода с малой амплитудой значительно уменьшит подобные твердые отложения на внутренних стенках трубы, продлевая, таким образом, срок службы до очистки, уменьшая количество необходимого тепла и уменьшая падение давления по сравнению с загрязненной трубой. Примерами, где этот эффект может принести значительную экономию, является транспортировка твердых веществ в трубопроводах с жидкостью, а также производство олефинов пиролизом, при котором отложение кокса на внутренних змеевиках печи заставляет исключать змеевики из работы для очистки (обычно каждые 20-60 дней). Подобное явление возникает и в других печах, например печах предварительного нагревания для процессов переработки нефти. Кроме того, более прямая эпюра скоростей и поршневой аспект являются чрезвычайно полезными применительно к технологии дозирования, которая является обычной практикой в технологии производства фармацевтической и пищевой продукции. Вследствие более прямой эпюры скоростей возможно уменьшение дисперсии доз относительно оси, при этом максимальная концентрация достигается значительно раньше, чем в обычных устройствах. Эти свойства особенно полезны при малом размере доз. Кроме того, поршневой поток помогает удалять следы первого компонента со стенок труб после переключения на второй компонент, что способствует уменьшению возможности загрязнения при дозировании. Время, необходимое для промывания системы, может быть, по меньшей мере, уменьшено, наряду с количеством текучей среды, необходимым для промывания. Использование спирального трубопровода с малой амплитудой также может быть важным с точки зрения экономии материала, если в трубах или трубопроводах происходят химические реакции. Сочетание улучшенного смешивания и более равномерной передачи тепла будет улучшать полезную работу и способствовать завершению реакций (включая процесс окисления). Улучшенная производительность будет также снижать расходы на последующий процесс разделения. Примерные процессы, в которых это обстоятельство является важным, включают производство олефинов и аналогичные реакции газовой фазы, например крекинг толуола для образования бензола и преобразования бутена-1 в бутадиен. Когда подобные реакции включают выработку более чем одной молекулы продукта на каждую молекулу исходного сырья, пониженное падение давления в реакторе и следующей за ним трубе, которое может быть получено с использованием спирального трубопровода с малой амплитудой, обеспечивает дополнительную выгоду от более низкого среднего давления, так как при этом снижается возможность рекомбинации молекул продукта с формированием исходного сырья или других нежелательных побочных продуктов. Кроме того, использование спиральной геометрии с малой амплитудой в реакторах для химического,нефтехимического и фармацевтического применения может привести к уменьшенному отложению углерода в трубках реактора, что является особенно важным в нефтехимической промышленности. Улучшенное смешивание и более равномерная передача тепла будут также способствовать завершению окислительных реакций без использования большого количества излишнего воздуха (больше,чем требует стехиометрический состав реакций).-4 012508 Это особенно важно для мусоросжигательных установок или печей для уничтожения отходов, где необходимо обеспечить завершение реакции для предотвращения отрицательного воздействия химикатов и/или частиц, выходящих в атмосферу, на окружающую среду и здоровье человека. Такие последствия можно предотвратить и осуществить полное сгорание путем пропускания газообразных продуктов сгорания еще в горячем состоянии через участок трубопровода, выполненный в форме спирали с малой амплитудой, перед выходом их в атмосферу. Создание закрученного потока, проходящего через печь,будет увеличивать скорость и эффективность сгорания и ликвидацию отходов. При использовании потоков, которые содержат две или более различных фаз, возможно дополнительное использование участка в виде спирали с малой амплитудой для поточного разделения смеси текучих сред, имеющих различные плотности. Завихрение, создаваемое спиралеобразным потоком, в результате воздействия центробежных сил способствует смещению компонентов смеси с большой плотностью к стенкам трубки, а компонентов с более низкой плотностью - к геометрической оси. С помощью соответствующих устройств компоненты с более высокой (или низкой) плотностью могут быть выведены, при этом остающийся компонент присутствует в увеличенной концентрации. Данный процесс может быть воспроизведен с использованием дополнительных аналогичных встроенных статических сепараторов. Такое разделение может использоваться для удаления газов из текучих сред, а также для способствования снижению образования пробок, в частности, в нефтехимической промышленности. Подход, аналогичный этому, может использоваться как для увеличения, так и для снижения концентрации частиц в протекающей текучей среде. Такой процесс может быть достигнут путем вывода текучей среды либо из окрестности геометрической оси трубы, либо из пристеночной части трубы. Кроме того, закрученный поток, создаваемый участком в форме спирали с малой амплитудой, может использоваться для удаления твердых частиц из потока. Особенно это важно, например, для воздухозаборных устройств. Воздухозаборные устройства используются в очень многих ситуациях, в которых имеется потребность в воздухе и, в частности, на транспортных средствах, в которых воздух требуется для сжигания и/или охлаждения. В частности, воздухозаборные устройства вертолетов обычно требуют наличия пылеуловителей, предотвращающих попадание пыли в двигатель, однако возможно использование закрученного потока, создаваемого спиральной геометрией с малой амплитудой, для отделения пыли из воздушного потока без необходимости в установке отдельных фильтров. Кроме того, было обнаружено, что закрученный поток, создаваемый спиральным участком с малой амплитудой, продолжает оставаться закрученным еще на некотором расстоянии в прямой трубе, расположенной за спиральным участком. Поэтому участок трубопровода в форме спирали с малой амплитудой может быть вставлен перед такими конструкциями, как коленчатый патрубок, Т-образные или Yобразные разветвления, коллекторы и/или места изменений сечения трубопровода, где закрученный поток, создаваемый участком в виде спирали с малой амплитудой, будет подавлять разделение потока, застойные явления и неустойчивость потока, с извлечением пользы в отношении расходов на перекачку с помощью насоса, коррозии и износа в трубах. Особое преимущество от закрученного потока у коленчатого патрубка, разветвления или подобного элемента заключается в уменьшении разделения потока, которое приводит к снижению потери давления, снижению отложений и выпадения осадка, снижению кавитации и увеличению стабильности потока. Трубы со спиральной геометрией с малой амплитудой, расположенные перед коленчатыми патрубками, будут также снижать эрозию внутри коленчатых патрубков, что особенно благоприятно будет сказываться на подаче топлива к электростанциям. Таким образом, для специалистов данной области техники должно быть очевидно, что трубопровод со спиральной геометрией с малой амплитудой может обеспечить множество преимуществ в многочисленных ситуациях. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Печь для производства олефинов, имеющая печной змеевик, отличающаяся тем, что печной змеевик включает в себя трубу, имеющую геометрическую ось (40), которая проходит, по существу, по спиральной траектории, где амплитуда (А) спирали равна половине внутреннего диаметра (DI) трубы или меньше нее, чтобы обеспечить линию прямой видимости вдоль просвета трубы. 2. Печь для производства олефинов по п.1, где труба имеет, по существу, круглое поперечное сечение и наружный диаметр (DE) и где труба заключена в воображаемую оболочку (20), которая проходит продольно и имеет ширину (W), равную ширине колебания трубы, причем ширина указанной оболочки определяется боковым пространством, занимаемым трубой, и является большей, чем наружный диаметр(DE) трубы. 3. Печь для производства олефинов по п.2, где оболочка имеет центральную продольную ось (30),вокруг которой спиральная геометрическая центральная ось (40) трубы проходит по спиральной траектории и где центральная продольная ось (30) является прямой. 4. Печь для производства олефинов по п.2, где оболочка имеет центральную продольную ось (30),вокруг которой спиральная геометрическая центральная ось (40) трубы проходит по спиральной траектории и где центральная продольная ось (30) является изогнутой.-5 012508 5. Печь для производства олефинов по любому из предшествующих пунктов, где амплитуда (А) спирали составляет величину, равную 0,4 внутреннего диаметра (DI) трубопровода или менее. 6. Печь для производства олефинов по любому из предшествующих пунктов, где угол наклона спирали составляет 55 или менее. 7. Применение печи для производства олефинов по любому из пп.1-6 для производства олефинов пиролизом.