CN101473183A - 用于热交换器管的产生声能和/或振动能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联接到热交换器的装置，该装置用于在热交换器运行时通过向固定的热交换器施加机械力以在热交换器表面内引发振动并在热交换器表面附近的流体内产生剪切波来减轻结垢。电磁体驱动的脉冲装置在热交换器的管上引入振动和/或通过液体工作流体的声波来减少结垢。该装置可直接安装在外部部件或管道上并在管上或管表面附近产生声学/振动模式。

Description

用于热交换器管的产生声能和/或振动能的装置

技术领域

本发明涉及在精炼厂和石化工厂中使用的热交换器。特别地，本发明涉及减少热交换器中的结垢。

背景技术

通常结垢定义为不需要的物质在加工设备的表面上积聚。在石油加工过程中，结垢是指热交换器表面上不希望的烃基沉淀物的沉积。这已被认为是在精炼和石化加工系统的设计和运行中的近乎普遍的问题，并且在两个方面影响设备的运行。第一，结垢层具有低的热传导性。这增加了对热传递的阻力并降低热交换器的效率-因此增加系统内的温度。第二，当发生沉积时，横截面积减小，这引起通过设备的压降的增大并在热交换器中产生导致低效率的压力和流动。

由于造成失效、产量减少和附加的能源消耗，热交换器的管内结垢每年会使得石油精炼厂损失数亿美元。随着能源成本的增加，热交换器的结垢对加工盈利能力的影响更大。由于全原油、混合物和分馏物在热传递设备中的热加工过程期间所发生的结垢而导致需求清洁处理，因此也会造成石油精炼和石化工厂承受高的运行成本。虽然很多类型的精炼设备受到结垢的影响，但是，成本评估显示利润损失的主要部分是由于在预热系列交换器(pre-heattrain exchanger)中全原油和混合物的结垢。

与石油类型的流相关的热交换器中的结垢由于多种机制形成，包括化学反应、腐蚀、不溶解物质的沉积和由于流体和热交换壁之间的温度差而导致不溶解的物质的沉积。

特别地，引起快速结垢的较普遍的根源之一是当原油沥青质过度暴露于加热器管表面温度时所发生的焦炭成形。在交换器的另一侧的液体的温度比全原油更高，导致相对较高的表面或表皮温度。沥青质可从油中沉淀并粘附在这些高温表面上。延长暴露于此表面温度，特别是在随后的系列热交换器(late train exchanger)中，使得沥青质热降解为焦炭。接着焦炭成为绝缘体并且由于阻止所述表面对通过该单元的油进行加热而成为热交换器中传热效率损失的原因。为了使得精炼厂恢复到更有利润的水平，结垢的热交换器需要进行清洁，这通常要求拆除下线，如下所述。

热交换器的结垢使得精炼厂不得不频繁地采用高成本的停工来进行清洁处理。当前，大多数精炼厂通过使热交换器停止运行而进行化学或机械的清洁来进行热交换管束的离线清洁。该清洁可按照计划的时间或使用或按照实际监控的结垢情况来进行。这些情况可通过估计热交换效率损失来进行判断。但是离线清洁会使运行中断。这对于小的精炼厂来说是特别难以承担的，因为将会有段时间停产。

减轻或有可能的话消除热交换器的结垢仅仅在减能方面就会获得很大的成本节约。结垢的减少还导致能源节约、更高产量、减少维护、更低的清洁开支以及设备的整体实用性的改善。

曾经尝试过使用振动力来减少结垢。授予Mettenleiter的美国专利No.3,183,967公开了一种具有多个加热管的热交换器，该加热管弹性地或有柔性地安装并进行振动以驱除积聚在热交换器表面上的固体从而防止固体沉淀形成积垢。但是此组件要求专用的弹性安装组件且不易适应现有的热交换器。授予Bellet等的美国专利No.5,873,408也通过将机械振动器直接连结到热交换器中的管道上来使用振动。同样，此系统要求用于热交换器中各管道的专用安装组件，该安装组件不适用于现有的系统。

因此，需要改进用于减轻管内结垢的方法，特别是用于现有设备的方法。需要在热交换器设备在线时减轻或消除结垢。还特别需要处理精炼厂中的预热系列交换器中的结垢。

发明内容

本发明的实施例的方面涉及提供一种用于产生在热交换器表面附近的流体中形成剪切波的振动能以减轻结垢的装置。

本发明的实施例的另一方面涉及提供一种可在处于运行中的现有热交换器中添加和使用的装置。

本发明的实施例的附加的方面涉及提供一种装置，该装置可被控制以引入最佳量的振动能，同时维持系统的结构整体性。

本发明涉及一种用于产生能量以向热交换系统中引入振动来减轻结垢的装置，该装置包括：具有冲击表面的底座，该底座安装到所述热交换器上；安装于所述底座上的弹簧支承件；安装于所述弹簧支承件上的冲击器；定位于所述冲击器附近的致动器，该致动器选择性地致动冲击器以相对于冲击表面移动，其中，冲击器以一系列的频率产生振动能，该振动能从所述底座传递到所述热交换器。

在优选的实施例中，冲击器是钢球，弹簧支承件是弹性杆，致动器是电磁体。

在致动器上连接一控制器，该控制器以预定的方式控制冲击器运动以产生特定频率的振动。热交换器上联接有一传感器，该传感器连接于控制器以便提供与由冲击器引发的振动相关的反馈。

所述装置可与热交换器组合设置，其中，所述底座结构性地连接于热交换器。所述热交换器优选地包括多个载有用于热交换的流体的管。由所述冲击器产生的振动能引入由所述管承载的流体中。所述热交换器在精炼厂中可处于原位。

本发明还涉及一种用于利用结垢减轻系统改进精炼厂中的热交换器的装备，其中热交换器具有暴露于流体流的热交换表面。所述装备包括用于产生能量以在热交换器中引发振动的装置。该装置包括带有冲击表面的底座、安装在底座上的弹簧支承件、安装在弹簧支承件上的冲击器和定位于冲击器附近的致动器，该致动器选择性地致动所述冲击器以撞击冲击表面。一安装装置在用于产生能量的装置和热交换器之间形成结构性连接。所述致动器连接有一控制器，该控制器根据预定的频率选择性地驱动致动器以产生一系列频率的振动能，该振动能通过所述底座传递到所述热交换器以在流体流中产生剪切波。

结合详细说明和附图可清楚地了解本发明的这些和其它方面。

附图说明

下面将结合附图来描述本发明，其中：

图1是根据本发明用于产生振动能的装置处于第一位置的侧视图；

图2是图1的装置处于第二位置的侧视图；；

图3是其中机械引发振动系统位于管板凸缘上并相对于管束轴向定位的热交换器的侧面示意图；

图4是其中机械引发振动系统位于管板凸缘上并相对于管束横向定位的热交换器的侧面示意图；

图5是其中机械引发振动系统相对于管板凸缘位于远处的热交换器的侧面示意图；

图6是管道内侧的示意图，其示出轴向壁振动；

图7是管道内侧的示意图，示出切向或扭转壁振动；

图8是示出振动管内的升力、曳力和剪切力的示意图；

图9是管壳式热交换器的侧透视图；以及

图10是根据本发明的带有机械引发振动系统的管壳式热交换器的侧视图。

在附图中，不同的附图中的对应零部件由相同的附图标记指示。

具体实施方式

本发明总体涉及一种减轻热交换器中结垢的装置。在优选的用途中，该装置用于例如精炼厂或石化处理厂的精炼工艺中使用的热交换器。此工艺通常涉及全原油、混合油和分馏物——为简单起见在此仅总称为原油。本发明特别适于改进现有的设备，使得在现有的热交换器中可使用该方法，特别是在热交换器在线且处于使用中时。当然，可将本发明应用到其它的加工设备和热交换器，特别是那些易于以与精炼工艺中所发生的方式类似的方式结垢且不方便离线以进行修理和清洁的设备。

尽管本发明可用于现有的系统，但是，也能够在新装备中最初就制造具有在此描述的振动引发装置的热交换器。

与原油进行热交换涉及两个重要的结垢机理：化学反应和不溶解物质的沉积。在这两种情况下，接近于壁的粘性子层(或边界层)的减少可降低结垢率。这一观念贯穿在根据本发明的方法中。

在化学反应的情况下，传热壁表面处的高温会激活分子以形成用于垢渣的前体(precursor)。如果这些前体没有从相对停滞的壁区域清除，它们将联合在一起并沉积在壁上。边界层的减小将减小停滞区域的厚度并因此减少可用于形成垢渣的前体的量。因此，一种防止粘附的途径是破坏表面处的薄膜层以减少在高表面温度的暴露时间。根据本发明，该方法包括振动壁以引起薄膜层的破裂。

在不溶解物质的沉积的情况下，边界层的减少会在壁附近增加剪切力。通过这样，在位于壁附近的不溶解颗粒上施加了更大的作用力以克服壁对颗粒的吸引力。根据本发明，壁在垂直于管半径的方向上的振动将产生从壁传播到流体中的剪切波。这将减小沉积和结合形成垢渣的可能性。

结合附图，图9示出常规的管壳式热交换器，其中单个管14组成的管束12由至少一个管板凸缘(管板法兰)16支承。如图10中所示，管束12保持在具有入口和出口(未示出)的壳体18中，使得一种流体在管内流动而另一种流体受迫通过所述壳体并流过管外侧以进行热交换，如已知的那样。如上面在背景部分所描述的，管壁表面，包括外表面和内表面在内，易于发生结垢或不希望的烃基沉积物的积聚。

在热交换器领域中的普通技术人员可意识到，虽然管壳式交换器作为示例性实施例而在此描述，但是本发明可应用到不同类型的已知热交换装置中的任何热交换器表面。因此，本发明不应当局限于壳式热交换器。

图10示出本发明的优选的实施例，其中，根据本发明，动态致动器装置10被添加到热交换器上。动态致动器装置10是用于产生能量以在热交换系统中引发振动的装置。在此情况下，动态致动器装置10定位于热交换器的凸缘16处以向管束12的管14引入受控的振动能。安装装置将动态致动器装置10联接到凸缘16上。任何合适的安装装置都可用于在动态致动器装置10和热交换器之间提供机械链接。它可设计成为热绝缘体以防止动态致动器装置10过热。它也可以形成为震动质量块。如果需要，安装装置也可用作用于动态致动器装置10的机械放大器。

控制器22优选地与动态致动器装置10进行通信以控制施加到热交换器的作用力。联接到热交换器上的传感器24可设置成与控制器22进行通信，从而提供用于测量振动的反馈并向控制器22提供数据以调节动态致动器装置10的频率和振幅的输出，从而实现在管附近的流体中形成剪切波以减轻结垢，同时使施加的作用力对结构整体性的任何负面影响最小化。

控制器22可以是设置在当地或远处产生信号以任何需要放大倍数来驱动动态致动器装置10的任何已知类型的处理器，包括电微处理器。控制器22可包括信号发生器、信号过滤器和放大器以及数字信号处理单元。

动态致动器装置10设计成在保持热交换器的结构整体性的同时引发管振动。如果需要，一组动态致动器装置10可以进行空间地分布以产生所要求的动态信号来获得最佳振动频率。

图1和图2示出根据本发明的优选实施例的动态致动器装置10的细部。该动态致动器装置10包括具有支承件28的底座26和安装于支承件28上的冲击器30。在此实施例中的冲击器30是弹簧杆34上承载的球32。球32可以是任何硬质材料，例如钢，弹簧杆34可以是弹性或柔性很强的任何材料，例如金属或塑料，该弹簧杆将以竖直方式支承球32，但是允许球在各位置之间移动，如下所述。

底座26还包括设置在冲击器30附近由任何硬质材料例如钢块制成的冲击表面36。该冲击表面36可以是底座26的一部分并与支承件28成一体，它可连接于支承件28，或者它可靠近底座26。重要的是，冲击表面36连接于可以直接将振动传递到热交换器结构上的结构。为了有效传递振动，优选的是该结构固定就位。也可以使用热交换器上现有的可将振动传递到管的表面。

致动器38由底座26支承或者可设置在底座26附近邻近冲击器30处以使冲击器30相对于冲击表面36移动。致动器38可以是任何使冲击器移动，特别地使球32朝向或远离冲击表面36移动的机构。在优选的实施例中，致动器38是由控制器22例如具有脉冲发生器的控制器驱动的电磁体。

优选地，动态致动器装置10的部件形成为一整体，冲击器30、冲击表面36和致动器38被支承在一起以使得易于安装且可对现有热交换器进行有效改进。通过这样，动态致动器装置10可简单地附装于所期望的系统例如管壳式热交换器以将振动能引入该系统。

如图1所示，在操作中，致动器38将冲击器30保持在与冲击表面36间隔的第一位置。接着致动器38选择性地使冲击器30朝向冲击表面36移动，因此撞击冲击表面36并通过底座26将振动施加给热交换器的结构性支承件。这可在图2中看出，其中冲击器30处于第二位置。

如图1所示，在优选的实施例中，电磁体38通电并吸引钢球32。弹簧杆34弯曲并储存机械能。控制器22的脉冲发生器根据预定的频率对电磁体38充电。一旦电磁体38的循环结束，球32被释放且在杆34中储存的机械能使球32向前摆动并撞击冲击表面36，如图2所示。撞击力在所述一块冲击表面36上引入脉冲，该脉冲通过凸缘16传递到底座26，最后传递到热交换器的管14。

当然也可使用任何能够产生振动能的装置。例如，除了球，所述冲击器可以是锤的形式。所述杆可以由其它类型的可动支承件，例如杠杆、摆臂、冲杆或旋转支承件来替代。也可以通过其它不同于电磁体的装置，例如小型马达来致动冲击器的运动。合适的马达可电驱动或气动驱动并可使用传动系统和/或凸轮装置以引起产生振动能的运动。

如图1和图2中凸缘16上的安装布置所示，在动态致动器装置10安装成底座26相对于热交换器轴向定向时，来自冲击器30的脉冲在系统中引发纵向模式的振动。可选地，如图1和图2中凸缘16A上的安装布置所示，通过垂直于热交换管安装底座26可以横向模式引入振动。也可以使用上述安装布置的组合。

控制器22可优选地连接于传感器24以监控引入的振动并控制冲击和所导致的振动的频率以便优化邻近热交换器表面——在该情况下为管14处的剪切波，并同时保持系统的结构整体性，如同以下解释的。

只要存在与管14的机械链接，动态致动器装置10可安置在热交换器上或附近的不同位置处。凸缘16提供了与管14的直接的机械链接。凸缘16的边是用于连接动态致动器装置10的合适位置。联接到凸缘16的其它支承结构也可以机械链接到管上。例如，支承热交换器的管座也可以是用于动态致动器装置10的合适位置。振动可通过系统中的不同结构进行传递，因此致动器不必直接连接到凸缘16上。

如以上说明的且在图3-图5中可示意性看出，根据本发明，由动态致动器装置10施加的作用力可相对于管沿不同方向定向。图3示出直接施加到热交换器的凸缘16上的轴向力A。图4示出直接施加到热交换器的凸缘16上的横向力T。图5示出施加到连接于热交换器凸缘16的结构性构件上的远程力R。上述所有力的施加都是合适的并可在管14内引发振动。取决于系统的应用，作用力可受到控制以保持热交换器特别是管束12的结构整体性。作用力可以连续地或间歇地施加。

如图6和图7所示，在上述根据本发明的应用中，动态力的作用产生管壁振动V和邻近壁的流体中相应的剪切波SW。某些管振动模式将在管壁附近引发流体振荡剪切波，但是该剪切波将从壁到流体非常迅速地衰减，在壁附近产生非常薄的声边界层和非常高的动态剪切应力。衰减的剪切波破坏了与管表面内侧相接触的相对静止的流体边界层，因此防止或减少了污垢前体停留及随后的生长和结垢。

发明者通过实验确定了根据本发明的机械振动能显著降低结垢的程度。使用合适的振动频率，振荡流体的厚度可足够小，使得层流边界层的子层内的流体被迫相对于壁表面移动(否则在没有剪切波的情况下会停滞)。此概念在图8中示出。壁附近的剪切波SW在流体中的前体或结垢物的颗粒上施加曳力D和升力L。动态曳力D使得颗粒相对于壁运动，防止它们与壁接触并因此降低颗粒粘在壁上的可能性——颗粒与壁接触并粘在壁上是发生结垢的必需条件。同时，升力L使得颗粒从壁表面移开并移到总体流体中，因此减少壁附近的颗粒浓度并进一步使得结垢的趋势最小化。对于已经粘结到壁上的颗粒，剪切波也在颗粒上施加剪切力S，如果剪切力足够强的话就将颗粒从壁上扯下来。边界层内的剪切波的内在不稳定性使得它们在减少结垢方面比总体流动的高速作用更加有效。在振荡流中颗粒粘结到管壁的粘结强度预期比稳定的单向流动低很多。因此剪切波的清除效果是高度有效的。

当然，精确频率的选择取决于热交换器的设计以及所使用的动态致动器的类型。但是，选择依据是确定能引入足够能量以防止在管壁上(污垢)累积同时避免热交换器部件损坏的最佳频率。理想地，驱动频率将不同于热交换器部件的固有频率，因为将驱动频率与所述装置的固有模式相匹配会对热交换器的零部件产生破坏。可接受的驱动频率范围可为约200Hz到约5000Hz，更优选地为约500Hz到1000Hz，同时避免热交换器结构的共振频率。

有利地，可使用高频振动以减轻结垢，因为(1)它产生高的壁剪切应力水平，(2)对于易于调整谐振条件，存在振动模式的高密度，(3)为保持热交换器的结构整体性存在小的管振动位移，和(4)令人不愉快的噪声水平低。

动态致动器装置10的精确安装位置、方向和数量的选择以及致动器输出的幅值的频率控制基于引发足够的管振动以在管壁附近引起充足的流体剪切运动来减少结垢，同时保持小的管横向振动位移以避免潜在的管破损。明显地，动态致动器装置10的添加可通过将系统联接到现有的热交换器上来实现，当交换器就位或在线时可进行动态致动器装置的致动和控制。由于管板凸缘通常是可接近的，在热交换器处于使用中时可安装振动致动器。可在不改动热交换器或不改变总体流动的流动或热条件的情况下减少结垢。

在由权利要求限定的本发明的精神和范围内而不脱离此精神和范围的情况下，可对在此描述的本发明做出不同的变型，并且可对所述装置和方法做出许多不同的实施例。说明书中包含的所有内容应当仅视为解释性的而非限制性的。

Claims (19)

1.一种用于产生能量以将振动引入到热交换系统中来减轻结垢的装置，该装置包括：

具有冲击表面的底座，该底座安装到热交换器上；

安装于所述底座上的弹簧支承件；

安装于所述弹簧支承件上的冲击器；

定位于所述冲击器附近的致动器，该致动器选择性地致动所述冲击器以相对于所述冲击表面移动，其中，所述冲击器产生振动能，该振动能从所述底座传递到所述热交换器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接于所述致动器的控制器，该控制器控制所述冲击器移动。

3.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，与热交换器组合，其特征在于，所述底座结构性地连接于所述热交换器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述热交换器包括载有用于热交换的流体的多个管，由所述冲击器产生的振动能被引入到由所述管承载的流体中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述底座连接成使得所述冲击器在所述管内产生纵向模式的振动。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述底座连接成使得所述冲击器在所述管内产生横向模式的振动。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述底座连接成使得所述冲击器在所述管内产生纵向模式和横向模式的振动。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，与精炼厂组合。

9.一种用于利用结垢减轻系统改进精炼厂中的热交换器的装备，所述热交换器具有暴露于流体流的热交换器表面，所述装备包括：

用于产生能量以便在热交换器中引入振动的装置，该装置包括具有冲击表面的底座、安装于底座的弹簧支承件、安装在弹簧支承件上的冲击器以及定位于冲击器附近的致动器，该致动器选择性地致动冲击器以撞击冲击表面；

用于在产生能量的装置和热交换器之间形成结构性连接的安装装置；以及

控制器，该控制器连接到所述致动器，该控制器根据预定的频率驱动所述致动器以产生振动能，该振动能通过底座传递到热交换器以在流体流中产生剪切波。

10.根据权利要求1到9中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述冲击器是钢球。

11.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述弹簧支承件是弹性杆。

12.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述致动器是电磁体。

13.根据权利要求2到12中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述控制器包括脉冲发生器。

14.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述冲击器由金属制成，所述冲击表面由金属制成。

15.根据权利要求2到14中的任何一项所述的装置，其特征在于，所述控制器根据预定的方式控制致动器以产生特定频率的振动。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制器控制所述致动器以产生在约200Hz到5000Hz之间的频率的振动。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制器控制所述致动器以产生在约500Hz到1000Hz之间的频率的振动。

18.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，还包括传感器，该传感器联接于热交换器并连接到控制器上以便提供与由所述冲击器引发的振动相关的反馈。

19.根据权利要求1到8以及10到18中任何一项所述的装置，与热交换器组合，其中，所产生的频率范围是200Hz-10000Hz。

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