CN103289726A - 一种管壳式固固换热器 - Google Patents

Abstract

一种在冷、热固体颗粒之间不掺混进行换热的管壳式固固换热器，由上封头(3)、下封头(4)的内部空间和换热管(2)内部空间组成管程，由壳体(1)、上管板(5)、下管板(6)及换热管(2)构成的空间组成壳程，在管程和壳程分别设有流化装置，冷、热固体颗粒分别在壳程、管程内流化流动，通过换热管(2)在冷、热固体颗粒之间实现换热。通过本装置，可以在催化裂化装置的热再生剂和冷待生剂之间进行换热，从而实现大剂油比的稳定操作，并保持整个装置的热平衡，提高装置液收率；同时可以实现对待生剂的热汽提，提高催化裂化装置的效益。本发明提出的管壳式固固换热器，可以用于所有的催化裂化装置和其它需要在冷热固体颗粒之间换热的装置。

Description

一种管壳式固固换热器

所属技术领域

本发明涉及一种在冷、热固体颗粒之间不掺混进行换热的管壳式固固换热器，带有管程、壳程及流化提升装置，冷、热固体颗粒分别在对应的行程内流化流动，通过换热表面在冷、热固体颗粒之间实现换热。通过本装置，可以在催化裂化装置上实现大剂油比操作，并保持整个系统的热平衡，从而实现催化裂化过程的大剂油比节能稳定操作，提高装置液收率。

背景技术

在专利号为201010603785.3的专利中提出了在催化裂化工艺中实现稳定大剂油比操作的工艺方法。本发明涉及一种在冷、热催化剂之间进行换热的管壳式固固换热器，可以为实现上述大剂油比工艺提供帮助。

催化裂化加工过程的剂油比随原料和加工工艺条件而变，一般在4～8之间。文献和实验都表明，在重油催化裂化加工过程中采用较大的剂油比(催化剂活性中心增多)、较低的初始催化剂温度，可以有效抑制干气和焦炭产率，得到较高的液收率，使装置产生更大的经济效益。

在采用大的剂油比操作时，为了在提升管反应器中保持适当的反应温度，必须对再生剂进行冷却降温，以维持反应器内的热量平衡。目前的方法是采用外取热器，在再生剂和水(水蒸汽)之间换热，对高温再生剂进行冷却降温，以控制工艺反应过程的温度，维持大剂油比操作条件下反应器内的温度和热量平衡，取出的热量用于产生过热水蒸汽，并入蒸汽管网。

虽然采用这种方法可以在一定程度上提高剂油比，但采用这种方法存在的问题是，在催化剂总结碳量大致不变、再生温度一定、再生器产生的热量一定的条件下，随着剂油比的增大，外取热器取走的热量逐步增加，这部分热量用于产生水蒸汽并入蒸汽管网，不再返回再生系统，剂油比的提高受到一定限制。

此外，由于催化裂化加工过程的原料变重，待生催化剂除了携带油气外，在催化剂表面还结有部分未完全反应的重组分。常规汽提方法，可以对待生剂携带的油气进行汽提，但由于不能实现对低温待生催化剂的升温，无法对待生剂上结有的部分未完全反应的重组分进行汽提，这部分原料将进入再生器被烧掉，因而限制了液收率的进一步提高，不能降低待生剂的结焦，并降低结焦中的氢碳比。

本发明提出的管壳式固固换热器解决了这个问题，采用本发明的管壳式固固换热器，可以在冷、热固体颗粒之间不掺混进行换热。对于在催化裂化装置中的应用，可以降低高温再生剂的温度，在提升管反应器中实现大剂油比的操作，并且可以提高待生剂的温度，使待生剂携带的未完全反应的重组分继续反应，对待生剂进行充分的热汽提，提高液收率，同时可以降低焦炭产率，并降低待生剂结焦的氢碳比，降低再生器中水蒸气分压，减缓催化剂的水热失活。

目前存在的换热器是在冷、热流体之间进行换热，在冷、热固体颗粒之间不掺混进行换热的换热器尚未见到报道。在催化裂化过程中对待生剂进行热汽提可以产生良好效果，目前进行了大量研究，但是尚未找到可行方法，本发明提出的管壳式固固换热器解决了这个问题。

发明内容

本发明提出一种在冷、热固体颗粒之间进行换热的管壳式固固换热器。通过在换热器内设置颗粒流化装置，使冷、热颗粒流化，得到具有流体流动特性的流化颗粒，在换热器内按流程方向流动，并实现在冷、热固体颗粒之间的换热。

本发明提出的管壳式固固换热器，由外壳(1)、换热管(2)、上封头(3)、下封头(4)、上管板(5)、下管板(6)、壳程中部流化风分布器(7)，壳程下部流化风分布器(8)，冷待生剂入口(9)，热待生剂出口(10)，热再生剂入口(11)，冷却再生剂出口(12)，热汽提油气出口(13)，管程上部催化剂分布盘(14)，管程上部流化风分布器(15)，管程下部流化风分布器(16)，弧形挡板(17)组成；由外壳(1)、换热管(2)、上管板(5)、下管板(6)之间的空间组成壳程，由上封头(3)、下封头(4)及换热管(2)内部流动空间组成管程；换热器竖直放置，冷、热固体颗粒分别在壳程、管程内流化、流动并实现换热，降低热再生剂的温度，提高冷待生剂的温度，并将热量带回再生器，在实现大剂油比操作的同时，保证整个系统的热量平衡。

所述的管壳式固固换热器中，外壳(1)的形状为圆柱体，直径为D，长度为L，在其上部设有冷待生剂入口(9)、在其下部设有热待生剂出口(10)、在其顶部设有热汽提油气出口(13)；其长径比L/D的范围在1～20。

所述的管壳式固固换热器中，换热管(2)的形状为圆柱体，直径为d，长度为l，根数根据需要而定。

所述的管壳式固固换热器中，上封头(3)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L1，其下部与外壳(1)的上部及上管板(5)连接，在其顶部或侧面直边段部位开有热再生剂入口(11)，其长径比L1/D的范围在0.1～6；下封头(4)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L2，倒置安装，其上部与外壳(1)的下部及下管板(6)连接，在其底部或侧面直边段部位开有冷却再生剂出口(12)，其长径比L2/D的范围在0.1～6。

所述的管壳式固固换热器中，上管板(5)和下管板(6)的形状为圆盘形，其外圆部位与外壳(1)及上封头(5)或下封头(6)定位连接，其上开有若干圆孔，固定换热管(2)。

所述的管壳式固固换热器中，壳程中部流化风分布器(7)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的中间部位，可以有若干层，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，均匀分布，在此空间中形成密相流化床；壳程下部流化风分布器(8)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的底部，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，在此空间中形成密相流化床，通过壳程下部的热待生剂出口(10)流出换热器壳程，进入再生器。

所述的管壳式固固换热器中，热汽提油气出口(13)位于壳程中密相料位之上、壳程空间顶部；待生剂在换热器中升温后，热汽提油气从热汽提油气出口(13)流出，进入沉降器或油气管线；热汽提油气出口(13)下部设有弧形挡板(17)，防止油气夹带催化剂离开固固换热器。

所述的管壳式固固换热器中，管程上部催化剂分布盘(14)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的上部，形状为圆锥形，锥面上开有若干分布孔，由热再生剂入口(11)流入的热再生剂，在其形状的作用下，在整个截面上均匀分布。

所述的管壳式固固换热器中，管程上部流化风分布器(15)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，热催化剂颗粒流化，在上管板(5)上部均匀分布，并均匀流入每根换热管(2)；管程下部流化风分布器(16)位于由下封头(4)与下管板(6)构成的管程冷却再生剂下部出口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，各换热管(2)流出的冷却再生剂颗粒流化、混合换热，通过冷却再生剂出口(12)流出换热器管程，然后进入提升管反应器。

所述的管壳式固固换热器中，进入固固换热器的热再生剂的量与再生器中过来的热再生剂的比例为0-100％，进入固固换热器的冷待生剂的量与沉降器过来的冷待生剂的比例为0-100％。

通过本发明提出的管壳式固固换热器，可以在不掺混条件下，对再生剂(热颗粒)进行冷却并吸取热量，并且将这部分热量传递到待生剂(冷颗粒)，使其升温，并实现对待生剂的热汽提，经过升温和热汽提后的待生剂进入再生系统再生。热再生剂得到适当降温，从而可以在提升管反应器实现大剂油比操作；冷待生剂得到升温，实现热汽提，并将热量带入再生系统，从而保证在大剂油比条件下能够保持再生器热平衡，再生过程和整个操作过程可以正常进行，从而提高装置液收率。

通过本发明提出的管壳式固固换热器，可以大幅度提高剂油比，为催化裂化装置操作的剂油比选择提供较大宽容度，可以实现剂油比的上限取决于原料油重质化的程度，可以达到理论上限的最高值(可以达到8～25)，原料油越重(残碳越高)可以实现的剂油比越大，从而可以充分挖掘装置的潜力。

通过本发明提出的管壳式固固换热器，不仅可以将通过冷却再生剂得到的热量返回再生系统，保证在大剂油比条件下再生过程和整个操作过程正常进行，从而提高装置液收率，而且由于回收的热量进入再生系统，通过主风控制，保证大剂油比操作条件下的再生过程正常进行之后，通过主风调节，可以得到较多高温烟气，进入高温烟气能量回收系统，转变为高品位的电能，可以装置自用或输出，产生更高的附加效益，而不是像以前那样，用外取热器产生低品位的蒸汽。因此本发明提出的管壳式固固换热器可以显著提高催化裂化装置的总体效益。

由于通过本发明的管壳式固固换热器，大剂油比操作降低了初始新鲜催化剂(再生剂)的温度，降低了催化裂化喷雾进料中与热催化剂最先接触油滴和油气的过度裂化，可以降低干气和焦炭的产率。同时由于增大了剂油比，催化剂的活性中心相对增多，在正常反应温度下，提高了反应过程的选择性和转化率，使得液收率增加。

此外，通过本发明提出的管壳式固固换热器，使待生剂升温，可以对待生剂产生热汽提的效果，将催化剂中携带的油气提出，并使未完全反应的组分再次裂化反应得到更多油气，从而得到充分的汽提效果；在换热器的冷颗粒(待生剂)行程上部，开有热汽提油气出口，将热汽提油气返回沉降器或油气管线，从而得到更高的轻质产品收率，并降低焦炭产率，提高装置效益。经过在换热器中热汽提后，可以降低待生剂上的结焦并降低结焦中的氢碳比，降低再生器中水蒸气分压，减缓催化剂的水热失活，从而为提高再生器的烧焦能力，提高装置产量奠定基础。对待生剂进行热汽提可以产生良好效果，目前进行了大量研究，但是尚未找到可行方法，本发明提出的管壳式固固换热器解决了这个问题。

附图说明

图1是本发明提出的管壳式固固换热器主体图。

图1中，1.外壳，2.换热管，3.上封头，4.下封头，5.上管板，6.下管板，7.壳程中部流化风分布器，8.壳程下部流化风分布器，9.冷待生剂入口，10.热待生剂出口，11.热再生剂入口，12.冷却再生剂出口，13.热汽提油气出口，14.管程上部催化剂分布盘，15.管程上部流化风分布器，16.管程下部流化风分布器，17.弧形挡板。

具体实施方式

图1示出一种管壳式固固换热器，由外壳(1)、换热管(2)、上封头(3)、下封头(4)、上管板(5)、下管板(6)、壳程中部流化风分布器(7)，壳程下部流化风分布器(8)，冷待生剂入口(9)，热待生剂出口(10)，热再生剂入口(11)，冷却再生剂出口(12)，热汽提油气出口(13)，管程上部催化剂分布盘(14)，管程上部流化风分布器(15)，管程下部流化风分布器(16)，弧形挡板(17)组成；由外壳(1)、换热管(2)、上管板(5)、下管板(6)之间的空间组成壳程，由上封头(3)、下封头(4)及换热管(2)内部流动空间组成管程；换热器竖直放置，冷、热固体颗粒分别在壳程、管程内流化、流动并实现换热，降低热再生剂的温度，提高冷待生剂的温度，并将热量带回再生器，在实现大剂油比操作的同时，保证整个系统的热量平衡。

参考图1，外壳(1)的形状为圆柱体，直径为D，长度为L，在其上部设有冷待生剂入口(9)、在其下部设有热待生剂出口(10)、在其顶部设有热汽提油气出口(13)；其长径比L/D的范围在1～20。

参考图1，换热管(2)的形状为圆柱体，直径为d，长度为l，根数根据需要而定。

参考图1，上封头(3)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L1，其下部与外壳(1)的上部及上管板(5)连接，在其顶部或侧面直边段部位开有热再生剂入口(11)，其长径比L1/D的范围在0.1～6；下封头(4)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L2，倒置安装，其上部与外壳(1)的下部及下管板(6)连接，在其底部或侧面直边段部位开有冷却再生剂出口(12)，其长径比L2/D的范围在0.1～6。

参考图1，上管板(5)和下管板(6)的形状为圆盘形，其外圆部位与外壳(1)及上封头(5)或下封头(6)定位连接，其上开有若干圆孔，固定换热管(2)。

参考图1，壳程中部流化风分布器(7)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的中间部位，可以有若干层，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，均匀分布，在此空间中形成密相流化床；壳程下部流化风分布器(8)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的底部，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，在此空间中形成密相流化床，通过壳程下部的热待生剂出口(10)流出换热器壳程，进入再生器。

参考图1，热汽提油气出口(13)位于壳程中密相料位之上、壳程空间顶部；待生剂在换热器中升温后，热汽提油气从热汽提油气出口(13)流出，进入沉降器或油气管线；热汽提油气出口(13)下部设有弧形挡板(17)，防止油气夹带催化剂离开固固换热器。

参考图1，管程上部催化剂分布盘(14)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的上部，形状为圆锥形，锥面上开有若干分布孔，由热再生剂入口(11)流入的热再生剂，在其形状的作用下，在整个截面上均匀分布。

参考图1，管程上部流化风分布器(15)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，热催化剂颗粒流化，在上管板(5)上部均匀分布，并均匀流入每根换热管(2)；管程下部流化风分布器(16)位于由下封头(4)与下管板(6)构成的管程冷却再生剂下部出口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，各换热管(2)流出的冷却再生剂颗粒流化、混合换热，通过冷却再生剂出口(12)流出换热器管程，然后进入提升管反应器。

参考图1，进入固固换热器的热再生剂的量与再生器中过来的热再生剂的比例为0-100％，进入固固换热器的冷待生剂的量与沉降器过来的冷待生剂的比例为0-100％。

本发明提出的管壳式固固换热器的使用过程，例如可以是，热再生剂通过热再生剂入口(11)进入换热器，在管程上部催化剂分布盘(14)和管程上部流化风分布器(15)的流化气体作用下流化，在上管板(5)上部均匀分布、均匀流入各个换热管(2)，经过换热管(2)换热降温后，进入管程下部，在管程下部流化风分布器(16)的流化气体作用下流化，通过冷却再生剂出口(12)流出换热器，然后进入提升管反应器；冷待生剂通过冷待生剂入口(9)进入换热器壳程，在壳程中部流化风分布器(7)和壳程下部流化风分布器(8)流化气体的作用下流化，在壳程中向下流动，并在壳程的中上部位形成料位，料位下部形成密相流动，料位上部为稀相流动，在流动过程中通过换热管(2)与管程中的热再生剂换热并升温，升温的待生剂从热待生剂出口(10)流出换热器，然后进入再生器再生。由于流化气体的汽提作用，壳程中待生剂颗粒之间的油气被置换汽提，随流化气体向上流动；并且由于待生剂温度升高，壳程中待生剂上附着的未完全反应的重质组分进一步裂化成油气，被流化气体汽提向上流动，最后这些油气随着汽提气体从料位溢出进入稀相区域，最后从热汽提油气出口(13)流出换热器，进入沉降器或者油气管线，然后进入分馏系统。在热汽提油气出口(13)的入口附近，设有弧形挡板(17)，以减少油气携带的催化剂颗粒。由于升温后的进一步裂化，与传统汽提方法相比可以产生更多的油气，得到较多的轻质油品，并且大大降低待生剂上附着焦炭的氢碳比，降低焦炭的产率。由于焦炭产率的降低，还可以提高再生器的负荷，提高装置的处理量。由于经过热汽提后待生剂上结焦的氢碳比大大降低，在对待生剂的再生过程中，水蒸气的分压大大降低，从而有效抑制再生过形成中催化剂的水热失活现象。

进入本发明提出的管壳式固固换热器的热再生剂和冷待生剂，可以是全部，也可以是一部分。在只有部分热再生剂和冷待生剂进入换热器换热的情况下，在冷却再生剂流出冷却再生剂出口(12)之后，还需加装混合换热器，使部分热再生剂和冷却再生剂混合换热，达到温度均匀之后，进入提升管反应器。

通过本发明提出的管壳式固固换热器，不仅可以将通过冷却再生剂产生的热量返回再生系统，保证在大剂油比条件下再生过程和整个操作过程正常进行，从而提高装置液收率，提高装置效益；而且由于回收的热量进入再生系统，保证大剂油比操作条件下的再生过程正常进行之后，将进入高温烟气能量回收系统，转变为高品位的电能，可以装置自用或输出，产生更高的附加效益。此外，由于大剂油比操作降低了初始新鲜催化剂的温度，降低了催化裂化喷雾进料中与热催化剂最先接触油滴的过度裂化，可以降低干气和焦炭的产率。此外，由于在换热器中待生剂温度的提高，可以实现热汽提，进一步提高液收率，降低催化剂结焦，并降低结焦中的氢碳比。

实验室研究和工业实施例表明，在大剂油比操作，新鲜催化剂温度降低10℃～40℃时，液收率可以提高2.5％以上，效益显著。

本发明提出的管壳式固固换热器，可以用于所有的催化裂化装置和其它需要在冷热固体颗粒之间换热的装置。

Claims (10)

1.一种管壳式固固换热器，其特征是：它由外壳(1)、换热管(2)、上封头(3)、下封头(4)、上管板(5)、下管板(6)、壳程中部流化风分布器(7)、壳程下部流化风分布器(8)、冷待生剂入口(9)、热待生剂出口(10)、热再生剂入口(11)、冷却再生剂出口(12)、热汽提油气出口(13)、管程上部催化剂分布盘(14)、管程上部流化风分布器(15)、管程下部流化风分布器(16)、弧形挡板(17)组成；由外壳(1)、换热管(2)、上管板(5)、下管板(6)之间的空间组成壳程，由上封头(3)、下封头(4)及换热管(2)内部流动空间组成管程；换热器竖直放置，冷、热固体颗粒分别在壳程、管程内流化、流动并实现换热，降低热再生剂的温度，提高冷待生剂的温度，并将热量带回再生器，在实现大剂油比操作的同时，保证整个系统的热量平衡。

2.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：外壳(1)的形状为圆柱体，直径为D，长度为L，在其上部设有冷待生剂入口(9)、在其下部设有热待生剂出口(10)、在其顶部设有热汽提油气出口(13)；其长径比L/D的范围在1～20。

3.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：换热管(2)的形状为圆柱体，直径为d，长度为l，根数根据需要而定。

4.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：上封头(3)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L1，其下部与外壳(1)的上部及上管板(5)连接，在其顶部或侧面直边段部位开有热再生剂入口(11)，其长径比L1/D的范围在0.1～6；下封头(4)是带有直边段的椭圆封头，直径为D，直边段长度为L2，倒置安装，其上部与外壳(1)的下部及下管板(6)连接，在其底部或侧面直边段部位开有冷却再生剂出口(12)，其长径比L2/D的范围在0.1～6。

5.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：上管板(5)和下管板(6)的形状为圆盘形，其外圆部位与外壳(1)及上封头(5)或下封头(6)定位连接，其上开有若干圆孔，固定换热管(2)。

6.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：壳程中部流化风分布器(7)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的中间部位，可以有若干层，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，均匀分布，在此空间中形成密相流化床；壳程下部流化风分布器(8)位于外壳(1)和换热管(2)之间的壳程空间的底部，在其喷出的流化风作用下，冷待生剂颗粒在壳程空间流化，在此空间中形成密相流化床，通过壳程下部 的热待生剂出口(10)流出换热器壳程，进入再生器。

7.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：热汽提油气出口(13)位于壳程中密相料位之上、壳程空间顶部；待生剂在换热器中升温后，热汽提油气从热汽提油气出口(13)流出，进入沉降器或油气管线；热汽提油气出口(13)下部设有弧形挡板(17)，防止油气夹带催化剂离开固固换热器。

8.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：管程上部催化剂分布盘(14)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的上部，形状为圆锥形，锥面上开有若干分布孔，由热再生剂入口(11)流入的热再生剂，在其形状的作用下，在整个截面上均匀分布。

9.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：管程上部流化风分布器(15)位于由上封头(3)与上管板(5)构成的管程热再生剂上部入口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，热催化剂颗粒流化，在上管板(5)上部均匀分布，并均匀流入每根换热管(2)；管程下部流化风分布器(16)位于由下封头(4)与下管板(6)构成的管程冷却再生剂下部出口空间的下部，在其喷出的流化风作用下，各换热管(2)流出的冷却再生剂颗粒流化、混合换热，通过冷却再生剂出口(12)流出换热器管程，然后进入提升管反应器。

10.由权利要求1所述的管壳式固固换热器，其特征是：进入固固换热器的热再生剂的量与再生器中过来的热再生剂的比例为0-100％，进入固固换热器的冷待生剂的量与沉降器过来的冷待生剂的比例为0-100％。 

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