CN104930887A - 一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，适用于密相床层较高且设置有多根垂直取热管束的密相床层外取热器，其特征在于外取热器颗粒进口及底部气体分布器之间按照一定间距设置了多块高度尺寸远小于长度和宽度尺寸的水平格栅内构件，利用内构件对气泡的破碎作用和对气体的再分布作用改善外取热器内的整体流化质量并强化颗粒在取热管壁面的更新，从而达到延长取热管使用寿命和增大外取热器取热负荷的目的。

Description

一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法

技术领域

本发明涉及一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的新方法，属于石油加工、化工等技术领域。

技术背景

由于气固流化床反应器容易控制反应温度及避免床层出现热点、具有更好的传热及传质特性、可以方便地实现大量固体颗粒的连续输送，因此在石油加工、煤化工、化工合成等领域的非均相气固反应过程中得到了广泛应用。在一些放热的气固流化床反应器中，常设置有流化床取热器，用以从反应器中取热，以满足系统热平衡以及控制反应温度的需要。通常，这类流化床取热器一般为气速较低的密相流化床，即操作在鼓泡及湍动流化域中，通过取热器中的取热介质(如水)和热颗粒在取热管壁内外实现间壁接触传热。

例如，在石油炼制催化裂化装置中，由于反应过程要求系统实现热平衡，即吸热的裂化反应过程所需的热量由放热的烧焦再生过程提供，随着催化裂化原料的重质化和劣质化，装置生焦量提高致使烧焦再生释放的热量不断增大，已经超过了反应系统所需的热量，因此，再生系统内需安装流化床取热器以实现系统的热平衡。这类取热器内的取热介质是饱和水，在取热过程中它吸收了来自取热管外的热催化剂的热量后变成了饱和蒸汽，并同时降低了催化剂颗粒的温度。

由于负荷调节灵活、适应性和可靠性更强，设置在再生器外的催化剂取热器(简称外取热器)获得了更为广泛的应用。工业中应用的外取热器有很多型式，其中密相外取热器应用最为广泛，这主要由于其具有取热效率更高、流化气体用量少、负荷调节灵活等优点。

在其他工业领域的气固流化床反应器中，也常采用此类气固流化床外取热器。例如，煤化工领域的甲醇制烯烃过程(MTO)和石油加工工业中的一些高温催化裂解过程均需要采用这类气固流化床外取热器，其他化学合成工业中的气固流化床反应器由于控制反应温度的需要，也需要采用取热设备，因此也可以采用这类外取热器。

这类取热器的共同特点是设置在主流化床反应器外部，通过和主反应器联通的立管使颗粒进出外取热器，有的立管上还设置有关闭或控制颗粒流量的机构以方便实现取热器与主反应器间的隔离以及取热负荷的定量控制。这类外取热器中一般设置有多根平行的垂直取热管束。有时，为了提高设备的整体可靠性，每根取热管均设置有独立的冷却介质进出口，其目的是当某一根取热管损坏时可以单独关闭，而其他取热管仍然可以正常工作。这类取热器的另一个共同特点是操作气速较低，一般属低气速密相床操作，在这样的操作条件下床层和管壁间的传热系数较高，取热器的整体取热负荷较大。

但是，在目前工业上很多使用的气固流化床外取热器中，密相床层的设计和操作高度均很高，少则2～3m，多则8～10m，很多催化裂化密相外取热器即属于这种情况。另外，在这类外取热器中，大多取热管束的布置十分紧密，即床层的水力学直径很小。水力学直径是一个流体力学的概念，其定义如下：

$D_h=\frac{4A}{L}$

其中A是床层截面中扣除取热管的流通面积，L是所有润湿周边的总长度，即所有取热管外部边缘线的总长和流化床横截面周长的总和。很多外取热器中，取热管外壁还设置有许多增加传热面积的翅片或内构件，这将进一步增大外取热器的润湿周边长度，并减小外取热器的水力学直径。因此总体上讲，目前工业使用的气固流化床外取热器大多属于小水力学直径的深层流化床。床层水力学直径小意味着壁面效应强，很容易形成节涌、架桥等不正常流化状况。另外，近年来相关学者研究发现，在深层流化床中，由于床层总压降较高，气体压缩很容易造成局部床层死床和气体偏流等不正常流化现象。这些不正常流化现象将导致床层流化质量下降和传热效果的恶化，其结果是设备振动大、取热管使用寿命缩短、取热负荷达不到设计要求等。另外，如果外取热器中出现局部死床，还有可能造成取热器中不同取热管的取热负荷不同，这将可能造成取热管表面的温度的不同，取热管热膨胀量差别较大时可能导致取热管及其他部件的损坏，严重时甚至出现局部取热管干烧损坏。最后，气体的偏流还有可能造成局部取热管磨损加剧，缩短其使用寿命。

中国专利CN2760486Y、CN201229140Y和CN201229141Y对目前工业中常用的长翅片取热管进行了改进，通过采用周向螺旋排布的短翅片、设置膨胀缝、采用非均匀宽度的翅片、增设翅基等措施，以解决长翅片取热管上易出现由于应力集中而导致的裂纹，从而达到提高取热管强度和延长取热管使用寿命的目的。中国专利CN2515637Y提出在常用的套管式单元取热管外壁焊接钉形强化换热元件，以改善翅片式取热管在密相流化床中容易出现管壁颗粒滞留的问题，从而达到提高取热管换热系数的目的。

中国专利CN101769694B和CN101760229B提出在气固流化床外取热器底部设置两个气体分布器，通过控制进入两个分布器的气体流量实现床内不同区域局部表观气速的不同，在床层密度差的推动下，床内颗粒的循环运动以及颗粒在取热管壁的更新将得以加强，从而提高取热管壁与床层间的传热系数并增大取热器的取热负荷。中国专利CN103113914A提出在气固流化床外取热器密相床层上方设置热催化剂分布机构，通过改善热颗粒沿取热器横截面的分布均匀性以解决各取热管取热负荷不均以及取热管的冲刷磨蚀问题。但是，无论改变分布器以及颗粒进料分布机构，上述三个专利技术均无法解决深床层和小水力学直径对外取热器床层流化质量和取热性能造成的不利影响。

总之，目前已公布的气固流化床外取热器专利中均没有针对解决上述问题的相关技术，在已公布的其他文献资料中，也没有有关上述问题解决的相关文献发表。

发明内容

本发明主要针对解决现有气固流化床外取热器中由于深床层和小水力学直径而导致的流化质量差、传热效果差以及设备可靠性降低的问题。具体实施方案如下：

一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，该方法适用于密相床层较高且设置有多根垂直取热管束的密相床层外取热器，其密相床层高度范围为1～10m，表观气速(总流化风量与取热器横截面之比)范围为0.05～0.8m／s。具体实施方案如下：在外取热器颗粒入口及底部分布器之间按照一定间距设置多块高度尺寸远小于长度和宽度尺寸的水平格栅内构件，最底部一块格栅距离气体分布器的高度为0.4～1.5m，最上部一块格栅和颗粒进口下缘的距离为0.4～1.5m，中部相邻两块格栅的间距为0.4～1.5m。所述内构件可以是任何能够改善床层流化质量、但又不妨碍颗粒正常循环的水平格栅内构件。利用水平格栅内构件对气体的再分布作用以及对气泡的破碎作用，可以在外取热器整个密相床层内实现更好的流化质量，避免由于气体分布不均匀出现气体偏流、床层局部死床等非正常流化现象。另外，床层流化质量的改善还有助于强化颗粒在传热管壁面的更新，提高颗粒与取热管壁面间的传热系数，并改善不同取热管取热负荷的均匀性。总之，这一方法不仅可以改善外取热器的操作，延长取热管的使用寿命，而且可以提高取热器的取热负荷。

本发明适用于任何外置于主流化床反应器、用于热量回收、密相床层较高且设置有多根垂直取热管束的外置流化床取热器，例如催化裂化过程的外取热器、再生剂调温取热器、醇类制烯烃(MTO)工艺的外取热器以及其他类似过程中采用的外置流化床取热器。

附图说明

图1为普通催化裂化密相下行式外取热器的一种典型型式；

图2为采用不同取热管形式的普通催化裂化密相下行式外取热器的横截面剖视图；

图3为本发明在催化裂化外取热器的一种典型实施方案；

图4为实施本发明所述方法后催化裂化外取热器格栅层处的横截面剖视图；

图5为导向格栅和多孔板水平内构件的示意图。

图中：1-催化剂出口，2-气体分布器，3-取热管，4-密相流化床，5-流化风出口，6-催化剂进口，7-传热强化元件，8-水平格栅内构件，9-圆孔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，但本发明并不因此而受到任何限制。

对比例

图1给出了普通催化裂化密相下行式外取热器的一种典型形式。如图所示，该外取热器实际上是一个设置有多根垂直取热管束的流化床，包括催化剂出口(1)、气体分布器(2)、取热管(3)、密相流化床(4)、流化风出口(5)、催化剂进口(6)等主要结构。取热管(3)从外取热器项部一直延伸至底部，其底部段浸没在外取热器底部的密相流化床(4)中。热催化剂颗粒C从外取热器中上部的催化剂进口(6)流入到密相流化床(4)中，和取热管(3)管壁接触冷却后，冷催化剂D再从底部的催化剂出口(1)流出。密相流化床(4)的流化气体A从底部的气体分布器(2)引入，经过密相流化床(4)后通过气体出口(5)离开。

带有取热管(3)的密相流化床(4)的横截面剖视图如图2(a)所示，由于取热管(3)的插入，取热器的水力学直径相比其内径小了很多。另外，为了提高外取热器的取热负荷，有的外取热器常采用在取热管(3)上焊接传热强化元件(7)(如翅片或钉头传热强化元件等)以增加传热面积，带有传热强化元件(7)的取热管(3)的密相流化床(4)的横截面剖视图如图2(b)所示，这将进一步减小取热器的水力学直径。外取热器较小的水力学直径将导致流化床层壁面效应增强，很容易造成节涌、架桥等非正常流化状况。

另外，这种外取热器的密相床层高度一般很高，通常在1～10m的范围内，在这种深层流化床中，由于床层总压降较高，气体压缩很容易造成局部床层死床和气体偏流等非正常流化现象。这将导致床层流化质量下降和传热效果的恶化，其结果是设备振动大、取热管使用寿命缩短、取热负荷达不到设计要求等。如果取热器中出现局部死床，还有可能造成取热器中不同取热管的取热负荷不同，这将可能造成取热管表面的温度的不同，取热管热膨胀量差别较大时可能导致取热管及其他部件的损坏，严重时甚至出现局部取热管干烧损坏。此外，气体的偏流还有可能造成局部取热管磨损加剧，缩短其使用寿命。

实施例

图3和图4显示的是本发明在催化裂化外取热器中应用的一种典型实施方案，和图1和图2所示的普通催化裂化密相下行式外取热器不同是，该外取热器底部气体分布器(2)和催化剂进口(6)之间设置了多层水平格栅内构件(8)，该内构件的厚度尺寸远小于其宽度和长度尺寸，如气固流化床中常采用网状格栅、导向格栅、多孔板等内构件。在工业装置中，建议水平格栅内构件的厚度范围为10～150mm。对于格栅层的排布方式，建议最底部一层格栅距离气体分布器(2)的间距W1的范围为0.4～1.5m、最上部一块格栅距离催化剂进口(6)下缘的高度W2的范围为0.4～1.5m，中部相邻两块格栅的间距W为O.4～1.5m。

图4(a)和图4(b)中所显示的水平格栅类型为网状格栅。图4(a)为格栅设置处外取热器密相床层的横截面剖视图，图4(b)为采用带有传热强化元件(7)的取热管(3)时外取热器密相床层的横截面剖视图。格栅层上预留有供取热管(3)穿过的圆孔(9)。为了方便取热管束的安装，建议水平格栅层和取热管束固定在一起，这样可以以整体吊装的形式插入外取热器壳体中。

冷模实验研究结果表明，外取热器密相床层(4)中设置多层水平格栅内构件(8)后，取热管(3)的震动明显减弱，而且气体在水平面的分配均匀性也得到了显著改善，这表明床层内的流化质量得到了明显改善。另外，实验结果还发现，取热管壁与流化床料之间的传热系数也提高了约30～50％，表明外取热器的取热负荷得到了显著的提高。

针对不同水平格栅结构的冷模实验研究表明，开孔率(开孔总面面积与外取热器水平流通面积之比)是决定不同格栅类型是否适宜在外取热器密相床层中设置的最关键因素。图5(a)给出了一种最简单的单旋导向格栅示意图，图中每个画有剖面线的矩形方块均为一块与水平面具有一定倾角的叶片，其中双线条的一边为叶片的上边，单线条的一边为叶片的下边。所有叶片均焊接在一个十字形的支架上。图5(b)是一个多孔板水平内构件的示意图，其实际上是一块开设有多个圆形孔洞的钢板。

研究结果表明，对于网状格栅，开孔率的建议设计范围为15％～90％，导向格栅的开孔率建议设计范围为20～85％，多孔板的开孔率建议设计范围为25～80％。

Claims (7)

1.一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，适用于密相床层较高且设置有多根垂直取热管束的密相床层外取热器，其特征在于外取热器颗粒进口及底部气体分布器之间按照一定间距设置了多块高度尺寸远小于长度和宽度尺寸的水平格栅内构件，利用内构件对气泡的破碎作用和对气体的再分布作用改善外取热器内的整体流化质量并强化颗粒在取热管表面的更新，以达到延长取热管使用寿命和提高外取热器取热负荷的目的。

2.如权利要求1所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其适用范围是密相床层高度范围为1～10m、表观气速(总流化风量与取热器横截面之比)范围为0.05～0.8m／s的气固流化床外取热器。

3.如权利要求1—2任一项所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其特征是采用的水平格栅内构件的厚度范围为10～150mm。

4.如权利要求1—3任一项所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其特征是采用的水平格栅内构件为开孔率范围为15％～90％的网状格栅。

5.如权利要求1—3任一项所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其特征是采用的水平格栅内构件为开孔率范围为20％～85％的导向格栅。

6.如权利要求1—3任一项所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其特征是采用的水平格栅内构件为开孔率范围为25％～80％的多孔板。

7.如权利要求1—6任一项所述的改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法，其特征是最底部一块格栅距离气体分布器的高度为0.4～1.5m，最上部一块格栅和颗粒进口下缘的距离为0.4～1.5m，中部相邻两块格栅的间距为0.4～1.5m。