BR0312919B1

BR0312919B1 - Finned tube for thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam

Info

Publication number: BR0312919B1
Application number: BRPI0312919-5A
Authority: BR
Inventors: Peter Woelpert; Benno Ganser; Dietlinde Jakobi; Rolf Kirchheiner
Original assignee: Schmidt & Clemens Gmbh & Co Kg
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2014-06-24
Also published as: PL204769B1; EP1525289B1; NO20050493L; PT1525289E; NZ537827A; JP4536512B2; BR0312919A; JP2005533917A; MXPA05001070A; EA010936B1; WO2004015029A1; CN1671824A; UA85044C2; KR101023668B1; RS20050060A; MA27325A1; EA200500258A1; IL166229A0; EP1525289B9; DE10233961A1

Abstract

In a process to crack crude oil in the presence steam, super-heated gases pass through pipes with helical inner ribs which twist the rising gases, progressively forming a core zone with a primarily axial flow. The helical ribs impart a twist action at their outer margins. The gas speed is faster at the tub roots than at the rib tips. The ribs are set at an angle of 22.5-32.5[deg] w.r.t the pipe axis. The temperature varies within the pipe wall by less than 12[deg]C. The notional isothermal lines in the core are circular. The flow of twisting gases advances in the pipe at a speed of 1.8-2 m/s, representing 7-8% of the free cross sectional area. The ribs and their separation are symmetrical.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TUBO COMPatent Descriptive Report for "TUBO COM

ALETAS PARA CRAQUEAMENTO TÉRMICO DE HIDROCARBONETOS NA PRESENÇA DE VAPOR". A presente invenção refere-se a um processo e a um tubo com aletas para o craqueamento térmico de hidrocarbonetos na presença de va- por, no qual a mistura de carga passa por tubos aquecidos externamente com aletas internas helicoidais.FANS FOR THERMAL CRACKING OF HYDROCARBONS IN THE PRESENCE OF VAPOR ". The present invention relates to a process and a finned tube for thermal cracking of hydrocarbons in the presence of vapor, in which the charge mixture passes through heated tubes. externally with helical internal fins.

Os fornos de tubo nos quais uma mistura de hidrocarboneto e vapor atravessa uma série de tubos individuais ou serpentinos (espirais de tubos de craqueamento) a temperaturas acima de 750 °C feitos de ligas de cromo - níquel - aço resistentes ao calor com uma alta resistência à oxida- ção ou incrustação e uma alta resistência à carburização têm-se comprova- do adequados para a pirólise de alta temperatura de hidrocarbonetos (deri- vados de óleo bruto). As espirais de tubo compreendem seções de tubo re- tas que correm verticalmente, conectadas uma à outra através da curvatura de tubos em forma de U ou que ficam dispostas em paralelo uma à outra; as mesmas são geralmente aquecidas com a ajuda de queimadores de parede laterais e, em alguns casos, com a ajuda de queimadores de fundo e, por- tanto, possuem o que é conhecido como um lado claro, que cobri os quei- madores, e o que é conhecido como um lado escuro, que é desviado a 90° com relação aos mesmos, isto é, correm na direção das fileiras de tubos. As temperaturas mínimas de metal de tubo (TMT) são, em alguns casos, acima de 1000 °C. A vida de serviço dos tubos de craqueamento depende em uma grande parte da resistência ao deslizamento e da resistência à carburização, e também da taxa de coqueificação, do material de tubo. Um fator crucial para a taxa de coqueificação, isto é, para o crescimento de uma camada de depósitos de carbono (coque de pirólise) sobre a parede interna de tubo é, além do tipo de hidrocarbonetos usado, a temperatura de gás de craquea- mento na região da parede interna, o que é conhecido como a severidade operacional, o que oculta a influência da pressão do sistema e o tempo de residência no sistema de tubo na produção de etileno. A severidade opera- cional é definida com base na temperatura mínima de saída dos gases de craqueamento (por exemplo, de 850°C). Quanto mais alta a temperatura do gás nas proximidades da parede interna de tubo acima desta temperatura, mais extensivo se torna o crescimento da camada de coque de pirólise, e a ação de isolamento desta camada permite que a temperatura de metal de tubo aumente ainda mais. Embora as ligas de cromo - níquel - aço conten- do 0,4 % de carbono, mais de 25 % de cromo e acima de 20 % de níquel, por exemplo, 35 % de cromo, 45 % de níquel e, se apropriado, 1 % de nió- bio, que são usadas como o material de tubo apresentem uma alta resistên- cia à carburização, o carbono se difunde na parede de tubo por defeitos na camada de óxido, onde o mesmo resulta em uma considerável carburização, que pode somar a teores de carbono de 1 % a 3 % a profundidades de pa- rede de 0,5 a 3 mm. A isto se associa uma fragilidade considerável do mate- rial de tubo, com o risco de formação de fraturas no caso de cargas térmicas flutuantes, em particular quando se acende e se apaga o forno.Tube furnaces in which a mixture of hydrocarbon and steam pass through a series of individual tubes or coils (crack pipe spirals) at temperatures above 750 ° C made of high strength heat resistant chromium nickel alloys Oxidation or fouling and high resistance to carburization have been shown to be suitable for high temperature pyrolysis of hydrocarbons (derived from crude oil). Pipe coils comprise vertically running straight pipe sections connected to each other through the curvature of U-shaped pipes or arranged parallel to one another; they are usually heated with the help of sidewall burners and, in some cases, with the help of bottom burners and therefore have what is known as a bright side, which covers the burners, and what is known as a dark side, which is deflected 90 ° with respect to them, that is, run towards the rows of pipes. The minimum pipe metal (TMT) temperatures are in some cases above 1000 ° C. The service life of cracking pipes depends to a large extent on the slip resistance and carburization resistance as well as the coking rate of the pipe material. A crucial factor for the coking rate, ie the growth of a layer of carbon deposits (pyrolysis coke) on the inner wall of the pipe is, in addition to the type of hydrocarbons used, the cracking gas temperature. in the inner wall region, which is known as operational severity, which hides the influence of system pressure and the residence time of the pipe system on ethylene production. Operational severity is defined based on the minimum cracking gas outlet temperature (eg 850 ° C). The higher the gas temperature near the inner tube wall above this temperature, the more extensive the growth of the pyrolysis coke layer becomes, and the insulating action of this layer allows the metal pipe temperature to rise further. Although chrome - nickel - steel alloys contain 0.4% carbon, more than 25% chrome and above 20% nickel, eg 35% chrome, 45% nickel and, if appropriate, 1% niobium, which is used as the pipe material with high carburization resistance, carbon diffuses into the pipe wall due to defects in the oxide layer, where it results in considerable carburization, which can add to carbon contents of 1% to 3% at wall depths of 0,5 to 3 mm. This is associated with considerable fragility of pipe material, with the risk of fracture formation in the event of fluctuating thermal loads, particularly when the furnace is switched on and off.

Para quebrar os depósitos de carbono (coqueificação) sobre a parede interna de tubo, é necessário que a operação de craqueamento seja interrompida de tempos em tempos, e para o coque de pirólise se queime com a ajuda de uma mistura de ar e vapor. Isto requer que a operação seja interrompida por até 36 horas e, sendo assim, tem um efeito adverso consi- derável sobre o aspecto da economia do processo. É também conhecido a partir da Patente GB 969 796 o uso de tubos de craqueamento com aletas internas. Embora as aletas internas des- te tipo resultem em uma área de superfície interna que é de poucos bons por cento, por exemplo, de 10 %, maior, com um aperfeiçoamento correspon- dente na transferência de calor, as mesmas são também associadas à falha de uma perda de pressão consideravelmente grande em comparação a de um tubo pequeno, devido ao atrito sobre a superfície interna maior de tubo. A perda maior de pressão requer uma pressão de sistema maior, o que ine- vitavelmente altera o tempo de residência e tem um efeito adverso sobre a produção. Um fator adicional é que os materiais de tubo conhecidos com altos teores de carbono e cromo não mais podem ser contornados por meio de um trabalho a frio, por exemplo, um arrasto a frio. Os mesmos apresen- tam a falha de que a sua capacidade de deformação diminui muito conforme a resistência ao calor aumenta. Isto resulta em altas temperaturas de metal de tubo de, por exemplo, até 1050°C, as quais são desejáveis com relação à produção de etileno, que requer o uso de tubos fundidos por centrifugação.To break down the carbon deposits (coking) on the inner wall of the pipe, the cracking operation must be interrupted from time to time, and for the pyrolysis coke to burn with the aid of a mixture of air and steam. This requires that the operation be interrupted for up to 36 hours and thus has a considerable adverse effect on the economics aspect of the process. It is also known from GB 969 796 the use of inner fin cracking tubes. While internal fins of this type result in an internal surface area that is a few good percent, for example 10%, larger, with corresponding improvement in heat transfer, they are also associated with failure. considerably greater pressure loss compared to a small pipe due to friction on the larger inner surface of the pipe. Higher pressure loss requires higher system pressure, which inevitably alters residence time and has an adverse effect on production. An additional factor is that known pipe materials with high carbon and chromium content can no longer be bypassed by cold working, for example cold dragging. They have the flaw that their deformability greatly decreases as heat resistance increases. This results in high tube metal temperatures of, for example, up to 1050 ° C, which are desirable with respect to ethylene production, which requires the use of centrifuge cast tubes.

No entanto, uma vez que os tubos fundidos por centrifugação só podem ser produzidos com uma parede cilíndrica, tornam-se necessários processos de formação especiais, por exemplo, a remoção de material por meio da usina- gem eletrolítica ou por meio de um processo de soldagem de conformação se tiveram de ser produzidos tubos com aletas internas.However, since centrifugally fused pipes can only be produced with a cylindrical wall, special forming processes are necessary, for example the removal of material by electrolytic machining or by a process of conformation welding if tubes with internal fins had to be produced.

Em vista deste fundamento, a presente invenção se baseia no problema de se aumentar a economia do craqueamento térmico de hidro- carbonetos em fornos tubulares com tubos aquecidos externamente tendo aletas internas helicoidais.In view of this background, the present invention is based on the problem of increasing the economics of hydrocarbon thermal cracking in tubular furnaces with externally heated pipes having internal helical fins.

Este objeto é alcançado por meio de um processo no qual um fluxo em redemoinho (swirling flow) é gerado nas proximidades imediatas das aletas de preferivelmente um tubo fundido por centrifugação e este fluxo em redemoinho (swirling flow) é convertido para uma zona de núcleo com um fluxo predominantemente axial na distância radial maior das aletas. A transição entre a zona externa e o fluxo em redemoinho (swirling flow) e a zona de núcleo tendo o fluxo predominantemente axial é gradual, por exem- plo, parabólico.This object is achieved by a process in which a swirling flow is generated in the immediate vicinity of the fins preferably a centrifuged tube and this swirling flow is converted to a core zone with a predominantly axial flow at the greater radial distance of the fins. The transition between the outer zone and the swirling flow and the core zone having predominantly axial flow is gradual, for example, parabolic.

No processo de acordo com a presente invenção, o fluxo em redemoinho (swirling flow) compensa a turbulência de separação nos flancos das aletas, de modo que a turbulência não é localmente reciclada na forma de um fluxo circulante contínuo para os depressões de aleta. Apesar das distâncias obviamente maiores cobertas pelas partículas através das trajetó- rias em espiral, o tempo de residência mínimo é menor que em um tubo liso e, além disso, mais homogêneo sobre a seção transversal (conforme a Figu- ra 7). Isto é confirmado pela velocidade geral maior no tubo contornado com um remoinho (perfil 3) em comparação ao tubo com aletas retas (perfil 2).In the process according to the present invention, the swirling flow compensates for the separation turbulence on the flank flanks, so that the turbulence is not locally recycled as a continuous circulating flow for the flap depressions. Despite the obviously greater distances covered by the particles through the spiral paths, the minimum residence time is shorter than in a smooth tube and, moreover, more homogeneous over the cross section (as shown in Figure 7). This is confirmed by the higher overall velocity in the whirled tube (profile 3) compared to the straight finned tube (profile 2).

Isto é garantido em particular se o fluxo em redemoinho (swirling flow) na região das aletas ou se as aletas correrem em um ângulo de 20° a 40°, por exemplo, de 30°, de preferência de 25 a 32,5°, com relação ao eixo geomé- trico do tubo.This is particularly true if the swirling flow in the region of the fins or if the fins run at an angle of 20 ° to 40 °, for example 30 °, preferably 25 to 32.5 °, with respect to the geometric axis of the pipe.

No processo de acordo com a presente invenção, o fornecimen- to de calor, que inevitavelmente difere sobre a circunferência do tubo entre o lado claro e o lado escuro, é compensado na parede de tubo e no interior do tubo, e o calor é rapidamente dissipado no interior para a zona de núcleo.In the process according to the present invention, the heat supply, which inevitably differs over the circumference of the tube between the light side and the dark side, is compensated at the tube wall and inside the tube, and heat is rapidly dissipated inside to the core zone.

Isto é associado a uma redução do risco de superaquecimento local do gás de processo na parede de tubo, com a formação resultante de coque de pi- rólise. Além disso, a carga térmica sobre o material de tubo é menor devido à compensação de temperatura entre o lado claro e o lado escuro, o que aumenta a vida de serviço. Finalmente, no processo de acordo com a pre- sente invenção, a temperatura também se torna uniforme sobre a seção transversal de tubo, resultando em um maior rendimento de olefina. O moti- vo para isto é que sem a compensação de temperatura radial de acordo com a presente invenção no interior do tubo, um super-craqueamento ocorrería na parede de tubo quente e uma recombinação de produtos de craqueamen- to ocorrería no centro do tubo.This is associated with a reduced risk of local overheating of the process gas in the pipe wall with the resulting formation of pyrolysis coke. In addition, the thermal load on the pipe material is lower due to temperature compensation between the light side and the dark side, which increases service life. Finally, in the process according to the present invention, the temperature also becomes uniform over the pipe cross section, resulting in a higher olefin yield. The reason for this is that without the radial temperature compensation of the present invention within the pipe, over cracking would occur on the hot pipe wall and a recombination of cracking products would occur in the center of the pipe.

Além disso, uma camada de fluxo laminar, que é característica de fluxos turbulentos, com uma transferência térmica muito reduzida, é for- mada no caso de um tubo liso e em uma extensão maior no caso de perfis de aleta com uma circunferência interna que aumenta em mais de 5 %, por exemplo, em 10 %, por meio das aletas. Este fluxo laminar leva a uma maior formação de coque de pirólise, da mesma forma que uma fraca condutivida- de térmica. As duas camadas juntas requerem uma introdução maior de ca- lor ou uma maior capacidade de queimação. Isto aumenta a temperatura de metal de tubo (TMT) e de maneira correspondente diminui a vida de serviço. A presente invenção evita isto em virtude do fato de que a cir- cunferência interna do perfil aumenta para cerca de no máximo 5 %, por e- xemplo, 4 % ou ainda para 3,5 %, com relação à circunferência do círculo de invólucro (envelope circle) que toca as depressões de aleta. No entanto, a circunferência interna pode também ser até 2 % menor que o círculo de invó- lucro (envelope circle). Em outras palavras, a circunferência relativa do perfil é de no máximo 1,05 a 0,98 % da circunferência de círculo de invólucro (en- velope circle). Por conseguinte, a diferença na área do tubo de perfil de a- cordo com a presente invenção, isto é, a sua área de superfície interna dis- posta, com relação a um tubo liso tendo o diâmetro de círculo de invólucro (envelope circle), é de no máximo +5 % a -2 % ou de 1,05 a 0,98 vezes a área do tubo liso. O perfil de tubo de acordo com a presente invenção permite uma menor densidade de tubo (kg/m) em comparação a um tubo com aletas no qual a circunferência interna do perfil é pelo menos 10 % maior que a circun- ferência do círculo de invólucro (envelope circle). Isto é demonstrado por meio de uma comparação entre dois tubos com o mesmo diâmetro hidráulico e, por conseguinte, a mesma perda de pressão e o mesmo resultado térmi- co.In addition, a laminar flow layer which is characteristic of turbulent flows with very low heat transfer is formed in the case of a smooth tube and to a greater extent in the case of fin profiles with an increasing inner circumference. by more than 5%, for example by 10% by means of the fins. This laminar flow leads to higher pyrolysis coke formation, as does poor thermal conductivity. The two layers together require greater heat input or higher burnability. This increases the pipe metal temperature (TMT) and correspondingly shortens the service life. The present invention avoids this by virtue of the fact that the inner circumference of the profile increases to about a maximum of 5%, for example 4% or even 3.5%, with respect to the circumference of the enclosure circle. (envelope circle) that touches the flap depressions. However, the inner circle can also be up to 2% smaller than the envelope circle. In other words, the relative circumference of the profile is a maximum of 1.05 to 0.98% of the envelope circle. Accordingly, the difference in the area of the profile tube according to the present invention, that is, its disposed internal surface area, with respect to a smooth tube having the envelope circle diameter. , is a maximum of +5% to -2% or 1.05 to 0.98 times the area of the smooth tube. The pipe profile according to the present invention allows for a lower pipe density (kg / m) compared to a finned pipe in which the inner circumference of the profile is at least 10% greater than the circumference of the shell circle. (circle envelope). This is demonstrated by comparing two pipes with the same hydraulic diameter and therefore the same pressure loss and the same thermal result.

Uma outra vantagem da circunferência de perfil de acordo com a presente invenção (a circunferência relativa do perfil) com relação à circunfe- rência de círculo de invólucro (envelope circle) tem um aquecimento mais rápido do gás de carga em uma temperatura de metal de tubo reduzida. O fluxo em redemoinho (swirling flow) de acordo com a presente invenção reduz de uma forma muito considerável a extensão da camada laminar; além disso, o mesmo se associa a um vetor de velocidade direcio- nado para o centro do tubo, o que reduz o tempo de residência dos radicais de craqueamento e/ou dos produtos de craqueamento na parede de tubo quente e a decomposição química e catalítica dos mesmos de modo a for- mar o coque de pirólise.Another advantage of the profile circle according to the present invention (the relative profile circumference) over the envelope circle circumference has faster heating of the charge gas at a pipe metal temperature. reduced. The swirling flow according to the present invention greatly reduces the extent of the laminar layer; In addition, it is associated with a velocity vector directed to the center of the pipe, which reduces the residence time of cracking radicals and / or cracking products in the hot pipe wall and chemical and catalytic decomposition. to form the pyrolysis coke.

Além disso, as diferenças de temperatura entre as depressões de aleta e as aletas, as quais não devem deixar de ser levadas em conside- ração no caso de tubos de perfil internos com aletas altas, são compensadas pelo fluxo em redemoinho (swirling flow) de acordo com a presente inven- ção. Isto aumenta o tempo entre duas operações de remoção de coque que são requeridas. Sem o fluxo em redemoinho (swirling flow) de acordo com a presente invenção, uma diferença de temperatura não considerável resulta entre os picos de aleta e a base das depressões de aleta. O tempo de resi- dência dos produtos de craqueamento que tendem ao coque é menor no caso dos tubos de craqueamento que são providos com aletas internas heli- coidais. Isto depende da natureza das aletas nas circunstâncias individuais.In addition, the temperature differences between vane depressions and vane, which should be taken into account in the case of high vane internal profile tubes, are compensated by the swirling flow of according to the present invention. This increases the time between two coke removal operations that are required. Without the swirling flow according to the present invention, a noticeable temperature difference results between the vane peaks and the base of the vane depressions. The residence time of coking cracking products is shorter in the case of cracking tubes which are provided with helical inner fins. This depends on the nature of the fins in the individual circumstances.

No diagrama: A curva superior mostra: perfil 6: passo de 16° A curva intermediária mostra: perfil 3: passo de 30° A curva inferior mostra: perfil 4: 3 aletas com um passo de 30°.In the diagram: The upper curve shows: profile 6: 16 ° pitch The intermediate curve shows: profile 3: 30 ° pitch The lower curve shows: profile 4: 3 fins with a 30 ° pitch.

As curvas demonstram claramente que a maior velocidade cir- cunferencial do perfil 6 com aletas altas de 4,8 mm é consumida dentro das depressões de aleta, enquanto a velocidade circunferencial do perfil de a- cordo com a presente invenção com uma altura de aleta de apenas 2 mm penetra no núcleo do fluxo. Embora a velocidade circunferencial do perfil 4 com somente 3 aletas seja aproximadamente tão alta, a mesma não afeta qualquer aceleração espiral do fluxo de núcleo.The curves clearly demonstrate that the highest circumferential velocity of the profile 6 with 4.8 mm high fin is consumed within the fin depressions, while the circumferential velocity of the profile according to the present invention with a fin height of only 2 mm penetrates the core of the flow. Although the circumferential velocity of profile 4 with only 3 fins is approximately as high, it does not affect any spiral acceleration of core flow.

De acordo com as curvas mostradas no diagrama apresentado na Figura 2, o perfil de acordo com a presente invenção realiza uma acele- ração espiral nas depressões de aleta (a ramificação superior da curva) que cobre as áreas largas da seção transversal de tubo e é, portanto, responsá- vel pela homogeneização da temperatura no tubo. A velocidade circunferen- cial inferior nos picos de aleta (ramificação inferior da curva), e ademais ga- rante que nenhuma turbulência e refluxo venham a ocorrer. A Figura 3 ilustra três tubos de ensaio, inclusive os seus dados, em seção transversal, estes tubos incluem o perfil 3 de acordo com a pre- sente invenção. Cada um dos diagramas indica o perfil de temperatura atra- vés do raio de tubo no lado escuro e no lado claro. Uma comparação dos diagramas revela a diferença de temperatura inferior entre a parede de tubo e o centro de tubo e a temperatura de gás inferior na parede de tubo no caso do perfil 3 de acordo com a presente invenção. O fluxo em redemoinho (swirling flow) de acordo com a presente invenção garante que a flutuação na temperatura de parede interna sobre a circunferência do tubo, isto é, entre o lado claro e o lado escuro, seja menor que 12°C, mesmo que as bobinas de tubo, as quais ficam normalmente dis- postas em fileiras paralelas, de um forno de tubo, sejam aquecidas ou atua- das por meio de gases de combustão com a ajuda de queimadores de pare- de lateral somente nos lados opostos de cada um dos tubos apresente, por- tanto, um lado claro, que cobri os queimadores, e um lado escuro, que fica desviado 90° com relação aos mesmos. A temperatura mínima de metal de tubo, isto é, a diferença na temperatura de metal de tubo no lado claro e no lado escuro, resulta em tensões internas e, sendo assim, determina a vida de serviço dos tubos. Portanto, a redução na temperatura mínima de metal de tubo de um tubo de acordo com a presente invenção com oito aletas com um passo de 30°, um diâmetro interno de tubo de 38,8 mm e um diâmetro externo de tubo de 50,8 mm, isto é, uma diferença na altura entre as depres- sões de aleta e os picos de aleta de 2 mm de 110 em comparação a um tubo liso do mesmo diâmetro, com base em uma vida de serviço mínima de 5 a- nos, o que pode ser observado a partir do diagrama apresentado na Figura 4, resulta, em uma temperatura operacional de 1050°C, em um aumento cal- culado de vida de serviço de aproximadamente 8 anos. A distribuição de temperatura entre o lado claro e o lado escuro para os três perfis mostrados na Figura 3 deve ser encontrado no diagrama mostrado na Figura 5. O nível inferior da curva de temperatura para o perfil 3 em comparação ao tubo liso (perfil 0) e a faixa de flutuação consideravel- mente menor para a curva do perfil 3 em comparação à curva do perfil 1 são notáveis.According to the curves shown in the diagram shown in Figure 2, the profile according to the present invention performs a spiral acceleration in the fin depressions (the upper branch of the curve) that covers the wide areas of the pipe cross section and is therefore responsible for temperature homogenization in the pipe. The lower circumferential velocity at the fin peaks (lower branching of the curve), and furthermore no turbulence and reflux will occur. Figure 3 illustrates three test tubes, including their data, in cross section. These tubes include the profile 3 according to the present invention. Each of the diagrams indicates the temperature profile through the pipe radius on the dark side and the light side. A comparison of the diagrams reveals the lower temperature difference between the pipe wall and the pipe center and the lower gas temperature at the pipe wall in the case of profile 3 according to the present invention. The swirling flow according to the present invention ensures that the fluctuation in the inner wall temperature over the circumference of the pipe, that is, between the light side and the dark side, is less than 12 ° C, even if pipe coils, which are normally arranged in parallel rows of a pipe furnace, are heated or actuated by flue gas with the help of sidewall burners only on opposite sides of each other. one of the tubes therefore has a light side covering the burners and a dark side 90 ° offset from them. The minimum pipe metal temperature, that is, the difference in the pipe metal temperature on the light side and the dark side, results in internal stresses and thus determines the service life of the tubes. Therefore, the reduction in the minimum pipe metal temperature of a pipe according to the present invention with eight fins with a pitch of 30 °, a pipe inner diameter of 38.8 mm and a pipe outer diameter of 50.8. mm, that is, a difference in height between vane depressions and 2 mm vane peaks of 110 compared to a smooth pipe of the same diameter, based on a minimum service life of 5 years, What can be seen from the diagram shown in Figure 4 results in an operating temperature of 1050 ° C, a calculated service life increase of approximately 8 years. The temperature distribution between the light side and the dark side for the three profiles shown in Figure 3 should be found in the diagram shown in Figure 5. The lower level of the temperature curve for profile 3 compared to the smooth tube (profile 0). and the considerably smaller fluctuation range for the profile 3 curve compared to the profile 1 curve are remarkable.

Uma distribuição de temperatura de particularmente expediente se estabelece caso as isotermas corram em uma forma de espiral a partir da parede interna de tubo para o núcleo do fluxo.A particularly reasonable temperature distribution is established if the isotherms run in a spiral shape from the inner tube wall to the flow core.

Uma distribuição mais uniforme da temperatura sobre a seção transversal resulta em particular se a velocidade circunferencial é construída dentro de 2 a 3 m e em seguia permanece constante por todo o comprimen- to do tubo. A fim de se obter uma alta produção de olefina com um compri- mento de tubo relativamente pequeno, o processo de acordo com a presente invenção deve ser feito de tal maneira que o fator de homogeneidade de temperatura sobre a seção transversal e o fator de homogeneidade de tem- peratura referido sobre o diâmetro hidráulico é mais de 1 em relação ao fator de homogeneidade de um tubo liso (Ηοθ). Neste contexto, os fatores de ho- mogeneidade são definidos como se segue: A configuração de fluxo de acordo com a presente invenção, compreendendo o fluxo de núcleo e o fluxo em redemoinho (swirling flow), pode ser obtida com um tubo com aleta no qual o ângulo de flanco das ale- tas, que é em cada caso contínuo sobre o comprimento de uma seção de tubo, isto é, o ângulo externo entre os flancos de aleta e o raio do tubo, é de 16° a 25°, de preferência de 19° a 21 °. Um ângulo de flanco deste tipo, em particular em combinação com um passo de aleta de 20° a 40°, por exemplo, de 22,5° a 32,5°, garante que o que resulta nas depressões de aleta não é um fluxo em redemoinho (swirling flow) mais ou menos contínuo que retorna para as depressões de aleta atrás dos flancos de aleta e resulta na formação de "remoinhos" indesejáveis nas depressões de aleta. Ao invés disso, a tur- bulência que é formada nas depressões de aleta se separa dos flancos de aleta e é compensada pelo fluxo em redemoinho (swirling flow). A energia em redemoinho induzida pelas aletas acelera as partículas de gás e resulta em uma velocidade geral maior. Isto leva a uma redução na temperatura de metal de tubo, e também faz com esta se torne mais uniforme, assim como torna a temperatura e o tempo de residência através da seção transversal de tubo mais uniforme. A natureza do tubo com aletas de acordo com a presente inven- ção pode ser observada a partir da ilustração de um segmento de tubo na Figura 6 e os associados parâmetros de características. - Diâmetro hidráulico Dh em mm, Ri<Dh/2 - Ângulo flanqueado β - Altura de aleta H - Raio de círculo de invólucro (envelope circle) Ra=Ri + H e Da=2 x Ra - Ângulo de centro α - Raio de curvatura R=Ra (seno aJ2 seno β+seno a) - Circunferência de círculo de invólucro (envelope circle) 2IIRa - Ângulo no triângulo de ângulo oblíquo γ=180-(α+β) - Raio interno Ri=2R (seno γ / seno a)-R - Altura de aleta H=Ra-Ri - Circunferência de perfil Up=2 x número de aletas x πR/180 (2 β+α) - Área de superfície de aleta Fr - Área de círculo de invólucro (envelope circle) Fa^Da2/4 - Área do círculo interno Fj=II.Di - Área de perfil dentro do círculo de invólucro (envelope circle) Fp=FR.número de aletas - Circunferência de perfil Up =(1,05 a 0,98).2IIRa As aletas e as depressões de aleta que se localizam entre as aletas podem ser de um desenho simétrico em espelho em seção transver- sal e se juntam entre si ou podem formar uma linha ondulada com, em cada caso, os mesmos raios de curvatura. O ângulo de flanco em seguida resulta entre as tangentes dos dois raios de curvatura no ponto de contato e o raio do tubo. Neste caso, as aletas são relativamente rasas; a altura de aleta e o ângulo de flanco se combinam entre si de tal maneira que o diâmetro hidráu- lico do perfil a partir da razão 4 x a seção transversal clara / circunferência de perfil seja maior que ou igual ao círculo interno do perfil. O diâmetro hi- dráulico se encontra, portanto, na terça parte interna da altura de perfil. Con- seqüentemente, a altura de aleta e o número de aletas aumentam conforme o diâmetro se torna maior, de modo que o fluxo em redemoinho (swirling flow) se mantenha na direção e intensidade requeridas para a ação do perfil.A more uniform distribution of temperature over the cross section results in particular if the circumferential velocity is constructed within 2 to 3 m and then remains constant throughout the length of the pipe. In order to obtain a high olefin production with a relatively short pipe length, the process according to the present invention must be made such that the temperature homogeneity factor over the cross section and the homogeneity factor The reported temperature on the hydraulic diameter is more than 1 in relation to the smooth tube homogeneity factor (Ηοθ). In this context, homogeneity factors are defined as follows: The flow configuration according to the present invention comprising core flow and swirling flow can be obtained with a finned tube at the which the flank angle of the fins, which is in each case continuous over the length of a pipe section, ie the external angle between the flank flanks and the pipe radius, is 16 ° to 25 °, preferably from 19 ° to 21 °. Such a flank angle, in particular in combination with a vane pitch of 20 ° to 40 °, for example 22.5 ° to 32.5 °, ensures that what results in vane depressions is not a flow more or less continuous swirling flow that returns to the vane depressions behind the vane flanks and results in the formation of undesirable "whirlpools" in the vane depressions. Instead, the turbulence that is formed in the vane depressions separates from the vane flanks and is compensated by the swirling flow. The fin-induced swirl energy accelerates the gas particles and results in a higher overall velocity. This leads to a reduction in the pipe metal temperature, and also makes it more uniform, as well as makes the temperature and residence time across the pipe cross section more uniform. The nature of the finned tube according to the present invention can be seen from the illustration of a tube segment in Figure 6 and the associated characteristic parameters. - Hydraulic diameter Dh in mm, Ri <Dh / 2 - Flanked angle β - Fin height H - Envelope radius Ra = Ri + H and Da = 2 x Ra - Center angle α - Radius of curvature R = Ra (sine aJ2 sine β + sine a) - Envelope circle 2IIRa - Angle in oblique angle triangle γ = 180- (α + β) - Inner radius Ri = 2R (sine γ / sine a) -R - Fin height H = Ra-Ri - Profile circumference Up = 2 x number of fins x πR / 180 (2 β + α) - Fin surface area Fr - Wrap circle area (envelope circle) Fa ^ Da2 / 4 - Area of inner circle Fj = II.Di - Profile area within envelope circle Fp = FR.number of fins - Profile circle Up = (1.05 to 0, 98) .FIRST The fins and vane depressions that are located between the fins may be of a symmetrical cross-sectional mirror design and may be joined together or may form a wavy line with in each case we have radii of curvature. The flank angle then results between the tangents of the two radii of curvature at the point of contact and the radius of the tube. In this case, the fins are relatively shallow; the fin height and the flank angle are combined so that the hydraulic diameter of the profile from the ratio 4 x the clear cross section / profile circumference is greater than or equal to the inner circle of the profile. The hydraulic diameter is therefore in the inner third of the profile height. Consequently, the fin height and the number of fins increase as the diameter becomes larger, so that the swirling flow remains in the direction and intensity required for the profile action.

Uma velocidade de fluxo maior (Figura 2) resulta entre as aletas ou as depressões de aleta, levando a um efeito de autolimpeza, isto é, a uma redução nas quantidades de coque de pirólise que são depositadas.Higher flow velocity (Figure 2) results between the fins or fin depressions, leading to a self-cleaning effect, i.e. a reduction in the amounts of pyrolysis coke that are deposited.

Se as aletas são produzidas por meio de uma soldagem de construção ou por uma soldagem de sobreposição usando um tubo fundido por centrifugação, a parede de tubo entre as aletas individuais permanece substanciaimente inalterada, de modo que as depressões de aleta se assen- tem sobre um círculo comum que corresponda à circunferência interna do tubo fundido por centrifugação.If the fins are produced by means of construction welding or overlap welding using a centrifugally cast pipe, the pipe wall between the individual fins remains substantially unchanged, so that the fin depressions rest on a common circle corresponding to the inner circumference of the centrifugally cast tube.

Os testes revelam que, independente do diâmetro interno dos tubos, um total de 8 a 12 aletas é suficiente para se obter a configuração de fluxo de acordo com a presente invenção.Tests show that, regardless of the inner diameter of the tubes, a total of 8 to 12 fins is sufficient to obtain the flow configuration according to the present invention.

No caso do tubo com aletas de acordo com a presente invenção, a razão dos quocientes dos coeficientes de transferência térmica Qr/Qo para o quociente das perdas de pressão APr/AP0 no teste de água, aplicando e observando-se as leis da similaridade e usando os números de Reynolds dados para uma mistura de nafta e vapor, é de preferência de 1,4 a 1,5, on- de R indica um tubo com aletas e 0 indica um tubo liso. A superioridade do tubo com aletas de acordo com a presente invenção (perfil 3) em comparação a um tubo liso (perfil 0) e um tubo com aletas com oito aletas paralelas (perfil 1), entre as quais a distância radial entre as depressões de aleta e os picos de aleta é de 4,8 mm, é ilustrada pelos dados apresentados na tabela abaixo. Os tubos com aleta têm todos 8 aletas e o mesmo círculo de invólucro (envelope circle).In the case of the finned tube according to the present invention, the ratio of the coefficients of the heat transfer coefficients Qr / Qo to the pressure loss ratio APr / AP0 in the water test, applying and observing the laws of similarity and using the Reynolds numbers given for a mixture of naphtha and steam, it is preferably from 1.4 to 1.5, where R indicates a finned tube and 0 indicates a smooth tube. The superiority of the finned tube according to the present invention (profile 3) compared to a smooth tube (profile 0) and an eight parallel finned tube (profile 1), including the radial distance between the depressions of fin and fin peaks is 4.8 mm, is illustrated by the data presented in the table below. The finned tubes all have 8 fins and the same envelope circle.

Neste contexto, o diâmetro hidráulico é definido como se segue: Dhidr=4 x (seção transversal clara) / circunferência interna O mesmo de preferência corresponde ao diâmetro interno de um tubo liso comparável e em seguida resulta em um fator de homogeneidade de 1,425.In this context, the hydraulic diameter is defined as follows: Dhidr = 4 x (clear cross section) / inner circumference The same preferably corresponds to the inner diameter of a comparable smooth pipe and then results in a homogeneity factor of 1.425.

No teste de água, o tubo com aletas de acordo com a presente invenção apresentou uma transferência térmica (Qr) maior em um fator de 2,56 do que o tubo liso, com uma perda de pressão (APR) maior apenas em um fator de 1,76. A Figura 7 compara três tubos de perfis diferentes, inclusive um tubo de acordo com a presente invenção com 8 aletas com um passo, em cada caso, de 30°, de um tubo com uma parede interna lisa (tubo liso). O diâmetro hidráulico, a velocidade axial, o tempo de residência e a perda de pressão são dados para cada seção transversal.In the water test, the finned tube according to the present invention showed a higher thermal transfer (Qr) by a factor of 2.56 than the smooth tube, with a higher pressure loss (APR) only by a factor of 1.76. Figure 7 compares three tubes of different profiles, including a tube according to the present invention with 8 fins with a pitch, in each case 30 °, of a tube with a smooth inner wall (smooth tube). Hydraulic diameter, axial speed, residence time and pressure loss are given for each cross section.

Os dados de partida usados foram as produções quantitativas em um tubo liso operacional com um diâmetro interno de 38 mm, que é idên- tico ao diâmetro hidráulico. Com o uso das leis de similaridade (mesmos números de Reynolds), estes dados foram convertidos por meio de cálculo em água quente e usados como a base para os testes (conforme a razão dos quocientes para a transferência térmica e a perda de pressão para os testes com a água e o fator de homogeneidade referido para o cálculo usan- do gases).The starting data used were the quantitative productions in a smooth operating tube with an inner diameter of 38 mm, which is identical to the hydraulic diameter. Using similarity laws (same numbers as Reynolds), these data were converted by calculation to hot water and used as the basis for the tests (according to the ratio of the heat transfer quotients and the pressure loss for the water tests and the homogeneity factor reported for the calculation using gases).

Os perfis de velocidade diferentes resultam a partir das mesmas produções quantitativas em diferentes diâmetros hidráulicos (relação recí- proca). A comparação das velocidades para os perfis 2 e 3, que são i- dênticos em seção transversal, ilustra a velocidade, aceleração e o tempo de residência aperfeiçoados, com os tubos de acordo com a presente invenção (perfil 3). Para o mesmo diâmetro hidráulico, o componente de velocidade na direção circunferencial, provocado pelo redemoinho induzido pelas aletas, faz com que o fluxo se destaque da parede de tubo e induz uma velocidade de elevação helicoidal sobre toda a seção transversal. O fluxo em espiral, direcionado introduz o calor a partir da pare- de de tubo para o fluxo e, portanto, distribui o mesmo mais uniformemente do que em um fluxo turbulento, não direcionado, normal (tubo liso, perfis 1 e 2). O mesmo se aplica ao tempo de residência para as partículas. O fluxo direcionado em espiral distribui as partículas de uma forma mais uniforme sobre a seção transversal, enquanto a aceleração nos flancos de perfil dimi- nui o tempo de residência mínimo. A maior perda de pressão com o perfil 3 resulta a partir da velocidade circunferencial. No caso do perfil 1, a causa é a constrição considerável do fluxo e a perda de fricção na superfície interna grande do perfil.Different speed profiles result from the same quantitative productions at different hydraulic diameters (reciprocal ratio). Comparison of velocities for profiles 2 and 3, which are identical in cross-section, illustrates the improved velocity, acceleration and residence time with the pipes according to the present invention (profile 3). For the same hydraulic diameter, the circumferential velocity component, caused by the vane-induced swirl, causes the flow to detach from the pipe wall and induces a helical lift velocity over the entire cross section. The directed, spiral flow introduces heat from the tube wall to the flow and therefore distributes it more evenly than in a normal, undirected, turbulent flow (smooth tube, profiles 1 and 2). The same applies to the residence time for the particles. Spiral directed flow distributes the particles more evenly over the cross section, while acceleration on the profile flanks decreases the minimum residence time. The largest pressure loss with profile 3 results from the circumferential velocity. In the case of profile 1, the cause is considerable flow constriction and loss of friction on the large internal surface of the profile.

Dependendo do material, os tubos com aleta de acordo com a presente invenção podem ser produzidos, por exemplo, a partir de um tubo fundido por centrifugação pelas extremidades de um tubo com as aletas pa- ralelas no sentido axial sendo giradas uma com relação à outra, ou por meio do perfil interno que é produzido pela deformação de um tubo fundido por centrifugação, por exemplo, por meio da forja a quente, do arrasto a quente ou do trabalho a frio por meio de uma ferramenta de formação de perfis, por exemplo, um mandril voador ou uma haste de mandril com um perfil externo que corresponde ao perfil interno do tubo.Depending on the material, the finned tubes according to the present invention may be produced, for example, from a tube fused by centrifugation at the ends of a tube with the parallel fines being rotated relative to one another. , or by means of the inner profile which is produced by deformation of a centrifugally melted tube, for example by hot forging, hot dragging or cold working by means of a profiling tool, for example , a flying mandrel or mandrel rod with an outer profile that corresponds to the inner profile of the tube.

Diversas variantes de máquinas de corte para o perfil interno de tubos são conhecidas, por exemplo, a partir da Patente Alemã N° 195 23 280. Estas máquinas são também adequadas para a produção de um tubo com aletas de acordo com a presente invenção.Various variants of pipe cutting machines for the inner tube profile are known, for example, from German Patent No. 195 23 280. These machines are also suitable for producing a finned tube according to the present invention.

No caso de formação a quente, a temperatura de deformação deve ser ajustada de tal maneira que o grão microestrutural fique parcial- mente destruído na região da superfície interna, e seja recristalizado, por conseguinte, a um estágio posterior sob a influência da temperatura opera- cional. O resultado disto é uma microestrutura de grãos finos que permite uma rápida difusão do cromo, silício e/ou alumínio através da matriz austení- tica para a superfície interna do tubo, onde uma camada protetora oxidante é em seguida rapidamente construída.In the case of hot forming, the deformation temperature must be adjusted in such a way that the microstructural grain is partially destroyed in the inner surface region and is therefore recrystallized at a later stage under the influence of the operating temperature. tional. The result of this is a fine grain microstructure that allows rapid diffusion of chromium, silicon and / or aluminum through the austenitic matrix to the inner surface of the tube, where an oxidizing protective layer is then rapidly constructed.

As aletas de acordo com a presente invenção podem ser tam- bém produzidas por meio de soldagem de construção, neste caso, não é possível se formar uma base de aleta curvada entre as aletas individuais, mas, ao contrário, o perfil original da parede interna do tubo é substancial- mente mantido neste ponto. A superfície interna do tubo de acordo com a presente invenção deve ter a menor aspereza possível; a mesma podendo, portanto, ser alisa- da, por exemplo, polida mecanicamente ou nivelada por eletrólise.The fins according to the present invention may also be produced by means of construction welding, in which case it is not possible to form a curved fin base between the individual fins, but rather the original inner wall profile. The pipe length is substantially maintained at this point. The inner surface of the pipe according to the present invention should be as rough as possible; it can therefore be smoothed, for example, mechanically polished or electrolysis leveled.

Os materiais de tubo adequados para uso nas fábricas de etileno são o ferro e/ou as ligas de níquel contendo de 0,1 % a 0,5 % de carbono, de 20 a 35 % de cromo, de 20 a 70 % de níquel, até 3 % de silício, até 1 % de nióbio, até 5 % de tungstênio, e adições de háfnio, titânio, terras raras ou zircônio, em cada caso de até 0,5 %, e até 6 % de alumínio.Suitable pipe materials for use in ethylene plants are iron and / or nickel alloys containing 0.1% to 0.5% carbon, 20 to 35% chrome, 20 to 70% nickel. , up to 3% silicon, up to 1% niobium, up to 5% tungsten, and additions of hafnium, titanium, rare earth or zirconium, in each case up to 0.5%, and up to 6% aluminum.

Claims

1. Finned tube for thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam, characterized in that it comprises a plurality of helically extended inner fins, wherein the fins are inclined at an angle of 20 ° to 40 ° to the axis. They have a corrugated structure with radially adjacent outer depressions and radially internal peaks arranged mirror-symmetrically to each other in cross section and having an identical radius of curvature and a flank angle of 16 ° to 25 °. °, wherein the flank angle is defined as an angle comprised between a line tangent to a circle inscribed on a peak and a line tangent to a point of connection of the peaks and the undulating depressions.

Finned tube according to Claim 1, characterized in that the fins are inclined at an angle of 22.5 ° to 32.5 ° to the axis of the tube.

Finned tube according to claim 1 or 2, characterized in that the circumference of the tube profile (Up) is +5 to -2% of a casing circle (Fa) which touches the depressions of the fins.

Finned tube according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the flank angle of the fins is 16 ° to 20 °.

Finned tube according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that it has a total of 6 to 12 fins.

Finned pipe according to one of Claims 1 to 5, characterized in that it has a hydraulic diameter which is at least equal to the diameter of the inner circle (Ri) of the pipe.

Finned tube according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the ratio of the coefficients of the heat transfer coefficients Qr / Qo to the pressure loss ratio DPr / DPo in the pressure test water is 1.4 to 1.5, where R indicates a finned tube and 0 indicates a smooth tube.

Finned tube according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the radius of curvature (R) of the finned cross-section is 3.5 to 20 mm.

Finned tube according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the fins have a fin (H) height of 1,25 to 3 mm.

Finned tube according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that the clear cross-section within the profile circumference (Up) is 85 to 95% of the enclosure circle area ( Fa).

Finned tube according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that the profile area (Fp) is 40 to 50% of an annular area between a shell circle (Fa) and a inner circle of the pipe.

Finned tube according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it is produced by a centrifuged casting material comprising a nickel alloy comprising 0.1 to 0.5% carbon; 20 to 35% chromium, 20 to 70% nickel, up to 3% silicon, up to 1% niobium, up to 5% tungsten, and in each case up to 0.5% hafnium, titanium, metals rare earth, zirconium, and up to 6% aluminum, the balance being iron.

Finned tube according to claim 12, characterized in that the alloy contains, individually or in combination with each other, at least 0.02% silicon, 0.1% niobium, 0, 3% tungsten and 1.5% aluminum.

Finned tube according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the inner fins have a peak-to-depression height and a peak-to-peak radial spacing such that the height ratio peak-to-depression and peak-to-peak radial spacing is greater than 5.