CN106885482A - 一种外置式流化床换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外置式流化床换热器，该外置式流化床换热器包括上段的蒸发器、下段的气固流化床以及热管管束；所述热管管束由若干垂直于蒸发器和气固流化床设置的热管组成，热管的两端分别位于蒸发器和流化床之中。蒸发器设置有冷凝液流入口和冷凝液流出口；气固流化床设置有颗粒入口、颗粒出口、流化风入口、流化风出口和流化风分布器。本发明提供的外置式流化床换热器与现有技术相比，具有换热效率高、设备结构简单、可靠性高、制造成本低、负荷调节简单灵活等优点。

Description

一种外置式流化床换热器

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种外置式流化床换热器。

背景技术

流化床反应器在很多工业过程中应用广泛，鉴于很多反应过程均存在热效应，多数属于放热反应，常利用换热元件取走反应释放的过程热量，以保持反应器的热平衡。例如，在炼油厂催化裂化装置的再生器中就常采用取热器，当加工重质原料时，由于装置生焦量提高，再生烧焦过程放出的热量超过反应系统所需要的热量，为维持装置的热平衡，就需要采取措施将过剩的热量取走。工业中常采用的取热器大体上分为内置式取热器(简称内取热器)和外置式取热器(简称外取热器)两种，内取热器是将取热管设置在再生器中，外取热器是在再生器外部设置一个流化床，流化床内设置有取热管，通过连接再生器和流化床之间的循环管实现热催化剂与换热管之间的接触。由于内取热器换热面积固定，传热系数和传热温差都受反应器工业条件限制，取热负荷调节范围很小，而外取热器可以通过调节循环管中的催化剂流量实现取热负荷的大范围调节，因而在工业装置上得到了广泛的应用。

目前，最常见的催化裂化外取热器一般采用带有垂直换热管束的密相流化床，流化床操作气速一般较低，属于鼓泡床和低气速湍动床。为了提高设备的可靠性，每根换热管一般采用单独的进出管线与外取热器汽包连接，其目的是当某一根换热管出现泄漏时，可以单独关闭，不会造成外取热器的整体失效，因为剩余的换热管仍可以继续使用。另外，为了强化换热管的传热效果，常在换热管上焊接翅片等元件，以增加传热面积和传热负荷。

现有工业装置中使用的外取热器虽然已有很多年的工业应用经验，但常常存在如下问题：

(1)工业上采用的外取热器流化床一般水力学直径较小(流化床横截面流通面积与润湿边长总和之比)、壁效应很强，再加上床层高度较大，因此外取热器内很难保持较高的流化质量，造成传热面上的传热系数较低和整个取热器的换热效率的降低。另外，流化质量较低还容易导致接触到每根换热管的催化剂温度差异较大，致使各换热管的传热负荷的不均匀，工业操作过程中个别传热负荷过高的换热管很容易干烧而损坏。

(2)由于每根换热管均需要配备与汽包连接的单独管路，为避免连接管路过于复杂，往往限制换热管的根数不能太多，因此常采用直径较粗的换热管(通常管径在150-400mm之间)，导致外取热器内单位体积所能容纳的总换热面积较小。

(3)即使采用较粗的换热管束，由于每根换热管都有一组独立的连接管路与汽包连接，而通常工业外取热器中的换热管根数一般都在十多根至几十根之间，因此外取热器与汽包之间的连接管路非常复杂性，其结果是导致很难保证每根换热管内水流量的均匀性，工业操作过程中常出现水流量较低的换热管干烧损坏的现象。

(4)即使每根换热管都可以单独关闭，但如果某一根换热管出现爆管，实际工业操作过程中也需要一段时间才能找到这根损坏的换热管并及时将其关闭，这段时间内水蒸汽会大量进入再生器，常造成装置操作剧烈波动，同时高温水蒸汽和热催化剂接触也会加剧催化剂的水热失活。如果处理不及时，蒸汽泄漏过程中还容易造成其他换热管及设备组件的冲蚀磨损损坏。此外，损坏换热管关闭后，外取热器总换热负荷也有较大的降低。

(5)由于一般采用的是较粗的换热管束，工业上为了强化换热管的传热效果，需要在换热管上焊接翅片等元件，以增加传热面积，但这会进一步降低流化床的水力学直径，增加流化床的壁效应，更容易导致外取热器内流化质量和传热效果的下降。另外，焊接复杂的翅片结构还大幅度增加了换热管的制造难度和成本，焊接缺陷或残余应力集中等问题常造成换热管使用寿命及长周期可靠性的下降，这将显著影响装置的开工周期和盈利能力。

正是这些问题的存在，外取热器往往是影响很多工业催化裂化装置长周期运行的一个瓶颈因素，严重制约了装置开工周期的延长，对日常装置安全平稳运行也埋下了很大的隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种外置式流化床换热器。

为达到上述目的，本发明提供了一种外置式流化床换热器，该外置式流化床换热器包括上段的蒸发器、下段的气固流化床以及垂直安装的热管管束；所述热管管束由若干热管组成，热管的两端分别位于蒸发器和流化床之中。

在本发明提供的方案中，流化床到蒸发器间的热量传递通过贯穿安装在两者之间的热管完成，热管利用内部传热工质在热端(位于气固流化床的一端)蒸发后，然后在冷端(位于蒸发器的一端)冷凝的相变过程实现热量的高效传递。在实际应用中，进入底部流化床的热颗粒和热管下部的热端接触，使热管内部的工质蒸发上升进入顶部蒸发器中的冷端，由于热管冷端外部冷凝液(例如水)的存在，热管中的传热介质蒸汽遇冷凝结为液相后又循环回到底部的热端，从而把热量进一步传递给蒸发器中冷凝液，使部分冷凝液蒸发形成冷凝液蒸汽。该方案与现有技术相比，具有换热效率高、设备结构简单、可靠性高、制造成本低、负荷调节简单灵活等特点。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，所述蒸发器和气固流化床处于一个压力容器中，并通过隔板进行分隔；或，所述蒸发器和气固流化床为两个独立的压力容器。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，所述蒸发器设置有冷凝液进料泵、液位计以及冷凝液流量控制机构，以实现液位的调节控制。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，所述蒸发器中设置有冷凝液流入口和冷凝液蒸汽流出口；所述气固流化床设置有颗粒入口、颗粒出口、流化风入口、流化风出口和流化风分布器。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，在气固流化床中设置有用于减缓热管震动的限位格栅。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，所述冷凝液蒸汽流出口位于蒸发器的顶部，在冷凝液蒸汽流出口的下方设置有用于降低液滴夹带量的丝网。在本发明提供的一种优选实施方式中，蒸发器内的冷凝液受热部分变成饱和蒸汽，以气泡形式上升离开液面，穿过丝网层以除去夹带的液滴后再离开蒸发器回收利用；冷却后的颗粒从底部出口离开流化床，穿过床层的流化气体通过顶部设置的气体出口离开流化床。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，气固流化床段的颗粒出口和颗粒入口设置于气固流化床的侧壁，且颗粒出口位于颗粒入口的下方。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，位于气固流化床和蒸发器中的热管段，外壁均无翅片结构。

在上述外置式流化床换热器中，优选地，位于蒸发器中的热管段外壁设置有增加换热面积的翅片结构。

在上述外置式流化床换热器中，为了保证较好的传热效果以及流化床密相床内较好的流化质量，优选地，热管间的间隙为30-150mm，热管的直径为30-150mm。

本发明提供的外置式流化床换热器具有以下优点：

(1)整体结构更简单，蒸发器作用本身就相当于现有外置式流化床换热器的汽包，省掉了汽包和换热管束之间复杂的连接管路，节约空间，设备成本低、设计和安装难度也相应降低。

(2)由于没有安装管路的限制，热管直径可以比现有换热管更小，根数更多，相同水力学直径的换热器内单位体积可以容许设置的传热面积更大，再加上热管内部更低的热阻，因此单位体积的换热负荷可以更高。

(3)由于可以采用直径更小的热管代替现有换热管，因此热管传热面可以不用翅片结构增加传热面积，这一方面可以改善颗粒在热管换热表面的更新速率，即提高热管表面的传热系数，同时也有助于提高流化床内的流化质量，改善设备操作的稳定性，提高各换热管换热负荷的均匀性。另外，由于热管外表面可以不设置翅片的传热强化结构，因此热管外表面的加工难度和制造成本可以大幅度降低，同样也可以大幅度提高热管长周期使用的可靠性。

(4)对于目前工业装置中使用的外置式流化床换热器，例如催化裂化密相流化床外取热器，很多装置只能利用改变进入换热器内的颗粒循环量达到调节取热负荷的目的，但是当流化床内颗粒循环量过高时，往往很难保证流化床床层流化质量和设备操作的稳定性，但是，本发明所提供的外置式流化床换热器需要调节取热负荷时，除了改变颗粒的循环量之外，还可以通过改变蒸发器内的液位高度进行调节，蒸发器内淹没在液面以下的热管高度越大时，换热器的取热负荷越高，反之越低。因此，相比传统流化床换热器，本发明具有更好的操作灵活性。

(5)即使有个别热管泄露失效，但由于每根热管内传热工质容量很小，对装置操作产生的波动微乎其微，更不会出现例如催化裂化常规外取热器爆管时水蒸汽进入再生器、装置操作出现剧烈压力波动、催化剂水热失活加剧的情况。此外，每根热管均作为独立的换热元件，不需要传统换热管束入口端的冷凝液联箱分配机构，从而可有效避免因冷凝液流量分布不均而导致换热负荷分配不均的问题。

本发明所提出的外置式流化床换热器主要适用于气固流化床系统的热量转移，尤其是一些需要灵活调节换热负荷且对设备长周期可靠性要求很高的应用场合，例如催化裂化、煤制烯烃及其他有类似需求的流化床反应系统。

附图说明

图1为对比例1中应用于催化裂化装置的一种常规密相床外取热器的典型结构示意图；

图2为实施例1中应用本发明思想设计的一种催化裂化外取热器的结构示意图；

图3为实施例2中应用本发明思想设计的另一种催化裂化外取热器的结构示意图。

附图标号说明：

1—催化裂化再生器，2—热颗粒循环管，3—冷颗粒循环管，4—换热管中心管，5—流化风出口，6—换热管外管，7—翅片，8—限位格栅，9—流化床，10—水汽混合物出口，11—气体分布器，12—热水循环泵，13—汽包，14—进水泵，15—热管换热器流化床，16—蒸发器，17—热管换热器流化床流化风出口，18—热管，19—隔板，20—液位计，21—除沫丝网；A—饱和水，B—饱和水和蒸汽的混合物，C—流化风，D—饱和蒸汽，E—汽包供给水。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的外置式流化床换热器的结构特点及其使用方法，但本发明并不因此而受到任何限制。

对比例1

图1给出目前工业上普遍使用的一种常规催化裂化密相床外取热器的一种典型形式，这种外取热器是一种典型的外置式流化床换热器，整个换热器主要部件为一个带有垂直换热管束的流化床和汽包两部分。流化床外置在催化裂化再生器1外部，热催化剂通过热颗粒循环管2进入流化床9，流化床9内设置多根垂直的换热管束，流化风C自底部分布器11流入，使床层内的催化剂颗粒保持流化状态，流化床9内一般处于鼓泡或低气速的湍动流化状态操作，为减缓垂直换热管束的振动，常设置限位格栅8。常用的换热管采用套管结构，饱和水A以强制循环(采用热水循环泵12)或自然循环方式从汽包13进入换热管中心管4，在换热管的底部饱和水折返从换热管外管6和换热管内管4之间的环形流道向上流动，在此过程通过间壁传热和管外的热催化剂颗粒发生热交换，部分饱和水被气化，最终饱和水和蒸汽的混合物B离开水汽混合物出口10又重新返回汽包13，通过一个进水泵14向汽包供水，以保持汽包13内液位的稳定。工业上，为了提高传热面积和强化传热效果，常在换热管外管上焊接密集的翅片7结构，以增大传热面。流化风C经过流化床9密相床层后最终通过流化风出口5离开，冷却后的催化剂则通过冷颗粒循环管3返回再生器1。

工业装置中，为了提高外取热器的可靠性，常在汽包13和每个换热管之间配备独立的进出口管线，当某一根换热管出现故障时，可单独关闭以保证剩余其他换热管的正常使用。工业外取热器中使用的换热管根数一般都在十几根到几十根之间，可以想象汽包13和换热管之间连接管路十分复杂，且很难保证各管路中水流量的均匀性。另外，单个换热管的直径也不能太小，通常在250-400mm之间，这将限制单位体积内所能布置的最大换热面积。为了强化传热效果，工业上常采用在换热管上焊接密集的翅片7结构，以增大传热面积，但结果会造成流化床内壁效应的增强以及流化质量的下降，这不仅会造成传热系数的下降，也会增大不同换热管取热负荷的不均匀性，更容易导致换热负荷以及换热管可靠性的下降。另外，密集的翅片7结构存在也大幅度增加了换热管的制造难度和成本，焊接缺陷或残余应力集中等问题常造成换热管使用寿命及长周期可靠性的下降。当某一根换热管出现泄漏时，高压水蒸汽会大量进入再生器，操作人员往往需要一段时间才能找到这根损坏的换热管并及时将其关闭，这段时间常造成装置操作剧烈波动，同时高温水蒸汽和热催化剂接触也会加剧催化剂的水热失活。如果处理不及时的话，蒸汽泄漏过程中还容易造成其他换热管及设备组件的冲蚀磨损损坏。

实施例1

图2为本发明所述的外置式流化床换热器用作催化裂化外取热器的一种典型实施方案，该外取热器整体是一个圆柱形的压力容器，内部设置有隔板19，将容器分割为上下两段，下段为一个热管换热器流化床15，上段为蒸发器16。热催化剂颗粒通过上部的热颗粒循环管2进入热管换热器流化床15，冷却后的冷催化剂则通过底部的冷颗粒循环管3离开并进入到催化裂化再生器1。热管换热器流化床15同样设置有气体分布器11、热管换热器流化床流化风出口17。热管换热器流化床15内颗粒以鼓泡或湍动流化态操作，床层表观气速范围为0.05-1.0m/s之间。蒸发器16设置有进水泵14、液位计20以及水流量控制机构，可以通过控制进水量实现蒸发器16内液位的自动控制。蒸发器16上部设置有降低水滴夹带量的除沫丝网21。热管换热器流化床15到蒸发器16间的热量传递通过穿越隔板19的垂直热管18管束完成。鉴于催化裂化外取热器内颗粒温度较高，热管18内部可以采用传热工质为具有较高沸点的介质，例如萘、金属钠等。在工业操作过程中，进入热管换热器流化床15的热催化剂颗粒和热管18下部的热端接触，使热管18内部的传热介质蒸发上升进入顶部的冷端，由于热管18冷端外部冷却水的存在，热管18工质蒸汽冷凝后又循环回到底部热端。为了保证较好的传热效果以及热管换热器流化床15密相床内较好的流化质量，建议热管18间的间隙控制在30-150mm之间，热管的直径范围为30-150mm，流化床15内热管段建议为无翅片的光管，而蒸发器16内的热管段则既可以是无翅片的光管，也可以是带有换热面积增强作用的翅片管。蒸发器16内的液态水受热部分变成饱和蒸汽，以气泡形式上升离开液面，穿过除沫丝网21除去夹带的液滴后离开蒸发器16。冷却后的催化剂颗粒离开热管换热器流化床15，穿过热管换热器流化床15床层的流化气体通过顶部设置的热管换热器流化床流化风出口17离开热管换热器流化床15。

实施例2

图3本发明所述的外置式流化床换热器用作催化裂化外取热器的另一种典型实施方案，和图2所示方案不同的是，所述外取热器整体由上下叠置的两个压力容器组成，上部容器为蒸发器16，下部容器为热管换热器流化床15，垂直布置的热管18管束上下穿过热管换热器流化床15的顶部和蒸发器16的底部。蒸发器16和热管换热器流化床15的操作方式和图2所示外取热器完全一样。和图2所示方案不同的是，本方案中热管分为三段，即位于热管换热器流化床15中的热端、位于蒸发器16中的冷端以及位于蒸发器16和热管换热器流化床15之间的绝热段，而图2所示方案中采用的热管18只有热端和冷端两段结构。

在催化裂化装置的实际工业操作过程中，外取热器的蒸发器往往操作压力很高，通常在几十个大气压左右，而底部流化床内的操作压力较低，一般在2-4个大气压左右。由于上部蒸发器与下部气固流化床操作压力差异巨大，对于实施例1而言，为保证压力容器的安全操作，对隔板的设计要求很高，制造难度和成本也很高。相比实施例1，实施例2中的双压力容器结构安全性更好，制造难度和成本也较小。

和对比例1中的常规催化裂化密相床外取热器相比，图2和图3所示的外置式流化床换热器结构无需设置汽包，也没有换热管与汽包之间复杂的连接管路，因此结构更简单、节约空间、设备成本低、设计和安装难度也相应降低。可以采用比常规换热管更细的热管，单位体积可以容许设置的传热面积更大。可以不用翅片就能具有较大的传热面积，有利于提高传热系数，也有助于提高流化床内的流化质量，改善设备操作的稳定性和热管换热负荷的均匀性，热管外表面的加工难度和制造成本也可以大幅度降低，可大幅度提高热管的长周期可靠性。除了改变催化剂循环量之外，还可以通过改变蒸发器内的液位高度调节外取热器的取热负荷，调节灵活性更强。个别热管泄露失效，不会对装置操作产生剧烈波动，也不会加剧催化剂的水热失活。

Claims (9)

1.一种外置式流化床换热器，其特征在于，该外置式流化床换热器包括上段的蒸发器、下段的气固流化床以及热管管束；所述热管束由若干垂直于蒸发器和气固流化床设置的热管组成，热管的两端分别位于蒸发器和气固流化床之中。

2.根据权利要求1所述的外置式流化床换热器，其特征在于，所述蒸发器和气固流化床处于一个压力容器中，并通过隔板进行分隔；或，所述蒸发器和气固流化床为两个独立的压力容器。

3.根据权利要求1所述的外置式流化床换热器，其特征在于，所述蒸发器设置有冷凝液进料泵、液位计以及冷凝液流量控制机构，以实现液位的调节控制。

4.根据权利要求1所述的外置式流化床换热器，其特征在于，所述蒸发器中设置有冷凝液流入口和冷凝液蒸汽流出口；所述气固流化床设置有颗粒入口、颗粒出口、流化风入口、流化风出口和流化风分布器。

5.根据权利要求4所述的外置式流化床换热器，其特征在于，所述冷凝液蒸汽流出口位于蒸发器的顶部，在冷凝液蒸汽流出口的下方设置有用于降低液滴夹带量的丝网。

6.根据权利要求1所述的外置式流化床换热器，其特征在于，气固流化床段的颗粒出口和颗粒入口设置于气固流化床的侧壁，且颗粒出口位于颗粒入口的下方。

7.根据权利要求1或2所述的外置式流化床换热器，其特征在于，位于气固流化床和蒸发器中的热管段，外壁均无翅片结构。

8.根据权利要求1或2所述的外置式流化床换热器，其特征在于，位于蒸发器中的热管段外壁设置有增加换热面积的翅片结构。

9.根据权利要求1-8任一项所述的外置式流化床换热器，其特征在于，热管间的间隙为30-150mm，热管的直径为30-150mm。