CN107764110A - 固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，主要用以解决传统技术中外循环式流化床换热器固体颗粒不能充分循环的技术问题。本发明通过采用一种包括变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系来实现固体颗粒充分循环的技术方案较好地解决了上述技术问题，可用于外循环式流化床换热器，促使固体颗粒在外循环式流化床换热器内充分循环。

Description

固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器
技术领域
本发明属于化工领域，具体的，属于化工换热设备长周期运行领域，涉及一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，广泛应用于解决传统外循环式流化床换热器固体颗粒不能充分循环的问题。
背景技术
换热器在石油、化工、能源等行业被广泛使用。然而随着使用时间增加，换热器内不可避免存在污垢粘附现象，从而导致换热器换热效率降低，阻力增加，影响换热器正常运行。
外循环式流化床换热器作为一种新型换热器，用以替换传统换热器，可以提高换热器换热效果，有效延长装置运行时间。
固体颗粒能否在外循环式流化床换热器内充分流化和循环是外循环式流化床换热器能否正常运行的前提条件。在换热器液相正常流速范围内，所使用的固体颗粒一般均能很好流化，而固体颗粒能否充分循环往往成为制约外循环式流化床换热器大规模应用的瓶颈。由于传统外循环式流化床换热器中下降管和液固分离器一路管路阻力小，固体颗粒往往在下降管内被向上的液相托住，形成短路，造成固体颗粒无法充分循环，因而影响了外循环式流化床换热器的正常使用。
文献US6350928公开了一种外循环式流化床换热器，文献US5676201公开了另一种外循环式流化床换热器。上述流化床换热器没有设置明确的固体颗粒循环构件，从而导致效果不佳，甚至不能正常运行。文献CN102921179公开了一种外循环式流化床换热器，该流化床换热器采用下降管和水平管之间安装缩径喷嘴，利用缩径形成的负压促使固体颗粒循环，这种结构的外循环式流化床换热器要求喷嘴设计和所使用工况严密契合，大多数情况下并不能实现固体颗粒充分循环，即便在十分有限的操作范围内固体颗粒可以循环，其循环效果也不佳。
本发明提供一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，利用变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系实现固体颗粒充分循环，有针对性的解决了上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中外循环式流化床换热器固体颗粒不能充分循环的问题，提供一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器。该流化床换热器具有固体颗粒循环量大、操作稳定的优点，因而能提供更强的防除垢和强化传热能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，该流化床换热器由加料罐1、换热器2、液固分离器3、计量罐4、下降管5、变径管6、水平管7、颗粒滤板8、液体储槽9、液体循环泵10组成；变径管6内设置球形浮塞14；变径管6下方下降管5和水平管7交汇处设置弧形挡板15；固体颗粒由加料罐1加入水平管7，水平管7连接换热器2，换热器2上端出口连接液固分离器3，液固分离器3分出来两路，一路液相从颗粒滤板8上方溢出后进入液体储槽9，通过液体循环泵10回到换热器2，另一路固相从下降管5经过变径管6回入水平管7。
上述技术方案中，所述变径管6从上到下先扩径后缩径，扩径后管径为下降管5管径的2～3倍；扩径段长度范围为50mm～80mm。
上述技术方案中，所述球形浮塞14密度范围为液相密度的1.5倍～3倍，直径范围为下降管5管径的1.2倍～1.5倍。
上述技术方案中，所述弧形挡板15一端固定在下降管5右管壁和水平管7上管壁交点处，另一端水平置于水平管7内与水平管7下管壁形成液相流动通道，所形成的液相流动通道高度为水平管管径的0.3倍～0.4倍；弧形挡板15长度范围为100mm～200mm。
上述技术方案中，所述计量罐4由透明材质制成，计量罐4内壁按照体积标有刻度，标有刻度部分体积为8升到12升。
上述技术方案中，所述流化床换热器使用的固体颗粒为惰性颗粒，具体指堆密度大于液相密度，具有一定硬度和强度，且不与使用场合系统内介质发生反应的固体颗粒，优选硅酸锆珠、刚玉球、瓷球、氧化铝珠、玻璃珠、钢球、工程塑料、聚甲醛颗粒、聚四氟乙烯颗粒、小石子、切碎的金属丝、胶球中的一种或多种，更优选玻璃珠、氧化铝珠和硅酸锆珠。固体颗粒平均粒径为2mm～5mm，固体颗粒在所述流化床换热器内的平均体积固含率为3％～8％。
上述技术方案中，所述流化床换热器使用的液相流体流速操作范围为1m/s～4m/s。
为解决上述技术问题，采用一种固体颗粒充分循环流动的方法。该方法采用任意一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，包括变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系。初始阶段，球形浮塞14由于重力卡于变径管6下端缩径处；当液体循环泵10打开后，液相推动球形浮塞14顶在变径管6上端缩径处，固体颗粒在球形浮塞14上端沉积；当球形浮塞14上端沉积的固体颗粒自重大于液相向上的推力和球形浮塞14自重时，固体颗粒顶开球形浮塞14下落；随着固体颗粒下落，固体颗粒自重减小，球形浮塞14重新被液相顶回变径管6上端缩径处，固体颗粒继续沉积；由于弧形挡板15的存在，使液流出口通道变窄，流速增加，在出口处形成负压，将落入球形浮塞14下方的少量固体颗粒吸入水平管7完成循环。弧形挡板保证液相流道上部紊流，在边界层易于剥离，促使固体颗粒被更好吸入。
为解决上述技术问题，采用一种外循环式流化床换热器内固体颗粒的循环及计量方法。该方法采用任意一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，固体颗粒从加料罐1中加入水平管7，在液相输送下进入换热器2，固体颗粒在换热器2内完成对换热管壁的冲刷后进入液固分离器3，在液固分离器3内液固两相分离，不需计量时阀Ⅱ12、阀Ⅲ13关闭，阀Ⅰ11打开，固体颗粒经过变径管6后，在变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系内完成固体颗粒循环；需要计量时阀Ⅰ11、阀Ⅲ13关闭，阀Ⅱ12打开，固体颗粒进入计量罐4，阀Ⅱ12关闭，阀Ⅰ11打开，固体颗粒进行计量，计量完成后阀Ⅲ13打开，固体颗粒进入下降管5，在变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系内完成固体颗粒循环。
本发明的技术方案及方法中，所述液固分离器3可以是重力沉降式液固分离器和旋液式液固分离器中的任意一种。
本发明的技术方案及方法中，以稳定操作时单位时间内计量罐4中固体颗粒质量循环量来表征固体颗粒循环效果。计量罐4中固体颗粒质量循环量计算方式为：
固体颗粒质量循环量＝固体颗粒密度×计量罐刻度部分总体积×计量罐刻度读数/时间。
采用本发明的技术方案，通过采用一种包括变径管6、球形浮塞14、弧形挡板15构成的体系来实现固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，取得了固体颗粒质量循环量427克/分钟的较好技术效果。
附图说明
图1为本发明所述固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器示意图。
图2为本发明所述变径管、球形浮塞、弧形挡板相对位置示意图。
图1中，1为加料罐；2为换热器；3为液固分离器；4为计量罐；5为下降管；6为变径管；7为水平管；8为颗粒滤板；9为液体储槽；10为液体循环泵；11为阀Ⅰ，12为阀Ⅱ，13为阀Ⅲ。加料罐1连接水平管7，水平管7和换热器2下端进口相连，换热器2出口连接液固分离器3，液固分离器3出来两路，一路液相经过颗粒滤板8后进入液体储槽9，由液体循环泵10循环回水平管7；另一路固相通过下降管5后进入变径管6，完成循环后进入水平管7；固体颗粒需计量时，切换到阀12、计量罐4和阀13的管路，计量后进入下降管5。
图2中，5为下降管；6为变径管；7为水平管；14为球形浮塞；15为弧形挡板。球形浮塞14设置在变径管6内，弧形挡板15一端固定在下降管5右管壁和水平管7上管壁交点处，另一端水平置于水平管7内与水平管7下管壁形成液相流动通道。
下面通过实施例和对比例对本发明作进一步阐述，但本发明的方法并不仅限于此。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明的方法。
【实施例1】
采用图1所示固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器。该流化床换热器内设123根换热列管，每根管长1000mm，管径为Φ22×1.5mm，管子呈正三角形排列。水平管管径50mm，下降管管径25mm。固体颗粒为平均粒径2mm的玻璃珠，固体颗粒在该流化床换热器内的平均体积固含率为3％。液相为水，流速为1m/s。计量罐刻度部分体积8升。扩径后管径50mm，扩径段长度50mm。球形浮塞密度为1.5kg/m3，直径30mm。弧形挡板与水平管下管壁形成的液相流动通道高度为15mm，弧形挡板长度为100mm。该条件下，稳定运行后，固体颗粒质量循环量为411克/分钟。
【实施例2～13】
采用图1所示固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器。该流化床换热器内设123根换热列管，每根管长1000mm，管径为Φ22×1.5mm，管子呈正三角形排列。水平管管径50mm，下降管管径25mm。液相为水。改变固体颗粒类型(PT)、固体颗粒平均粒径(PS)、固体颗粒在该流化床换热器内的平均体积固含率(SHU)、液相流速(LV)、计量罐刻度部分体积(V)、扩径后管径(DE)、扩径段长度(LDE)、球形浮塞密度(SDE)、球形浮塞直径(SDI)、弧形挡板与水平管下管壁形成的液相流动通道高度(H)、弧形挡板长度(L)。稳定运行后，计量固体颗粒质量循环量(PMC)。其结果列于表1。
【对比例1～6】
采用图1所示固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器。该流化床换热器内设123根换热列管，每根管长1000mm，管径为Φ22×1.5mm，管子呈正三角形排列。水平管管径50mm，下降管管径25mm。液相为水。只保留变径管、球形浮塞、弧形挡板中的一种或二种。改变固体颗粒类型(PT)、固体颗粒平均粒径(PS)、固体颗粒在该流化床换热器内的平均体积固含率(SHU)、液相流速(LV)、计量罐刻度部分体积(V)、扩径后管径(DE)、扩径段长度(LDE)、球形浮塞密度(SDE)、球形浮塞直径(SDI)、弧形挡板与水平管下管壁形成的液相流动通道高度(H)、弧形挡板长度(L)。稳定运行后，计量固体颗粒质量循环量(PMC)。其结果列于表2。
【对比例7～12】
采用图1所示固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器。不设置变径管、球形浮塞、弧形挡板，在下降管和水平管间安装沿液相流动方向缩径的喷嘴。该流化床换热器内设123根换热列管，每根管长1000mm，管径为Φ22×1.5mm，管子呈正三角形排列。水平管管径50mm，下降管管径25mm。改变缩径喷嘴大小口径比和缩径喷嘴安装位置。固体颗粒为平均粒径2mm的玻璃珠，固体颗粒在该流化床换热器内的平均体积固含率为3％。液相为水，流速为1m/s。计量罐刻度部分体积8升。稳定运行后，计量固体颗粒质量循环量。其结果列于表3。
【对比例13】
采用图1所示固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，不设置变径管、球形浮塞、弧形挡板。该流化床换热器内设123根换热列管，每根管长1000mm，管径为Φ22×1.5mm，管子呈正三角形排列。水平管管径50mm，下降管管径25mm。固体颗粒为平均粒径2mm的玻璃珠，固体颗粒在该流化床换热器内的平均体积固含率为3％。液相为水，流速为1m/s。计量罐刻度部分体积8升。该条件下固体颗粒不能循环。
表1
表2
表3

Claims (10)

1.一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，流化床换热器由加料罐(1)、换热器(2)、液固分离器(3)、计量罐(4)、下降管(5)、变径管(6)、水平管(7)、颗粒滤板(8)、液体储槽(9)、液体循环泵(10)组成；固体颗粒由加料罐(1)加入水平管(7)，水平管(7)连接换热器(2)，换热器(2)上端出口连接液固分离器(3)，液固分离器(3)分出来两路，一路液相从颗粒滤板(8)上方溢出后进入液体储槽(9)，通过液体循环泵(10)回到换热器(2)，另一路固相从下降管(5)经过变径管(6)回入水平管(7)。
2.根据权利要求1所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，所述变径管(6)内设置球形浮塞(14)；变径管(6)下方下降管(5)和水平管(7)交汇处设置弧形挡板(15)。
3.根据权利要求1所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，，其特征在于，所述变径管(6)从上到下，变径管(6)先扩径后缩径；扩径后管径为下降管(5)管径的2～3倍；扩径段长度范围为50mm～80mm。
4.根据权利要求2所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，所述球形浮塞(14)密度范围为液相密度的1.5倍～3倍，直径范围为下降管(5)管径的1.2倍～1.5倍。
5.根据权利要求2所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，，其特征在于，所述弧形挡板(15)一端固定在下降管(5)右管壁和水平管(7)上管壁交点处，另一端水平置于水平管(7)内与水平管(7)下管壁形成液相流动通道，所形成的液相流动通道高度为水平管管径的0.3倍～0.4倍；弧形挡板(15)长度范围为100mm～200mm。
6.根据权利要求1所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，所述计量罐(4)由透明材质制成，计量罐(4)内壁按照体积标有刻度，标有刻度部分体积为8升到12升。
7.根据权利要求1所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，所述流化床换热器使用的固体颗粒为堆密度大于液相密度，且不与使用场合系统内介质发生反应的惰性颗粒，固体颗粒平均粒径为2mm～5mm，固体颗粒在所述流化床换热器内的平均体积固含率为3％～8％。
8.根据权利要求1所述的固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，所述流化床换热器使用的液相流体流速操作范围为1m/s～4m/s。
9.一种固体颗粒充分循环流动的方法，采用权利要求2～5中的任意一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，包括变径管(6)、球形浮塞(14)、弧形挡板(15)构成的体系，其特征在于，初始阶段球形浮塞(14)由于重力卡于变径管(6)下端缩径处，液体循环泵(10)打开后，液相推动球形浮塞(14)顶在变径管(6)上端缩径处，固体颗粒在球形浮塞(14)上端沉积，当球形浮塞(14)上端沉积的固体颗粒自重大于液相向上的推力和球形浮塞(14)自重时，固体颗粒顶开球形浮塞(14)下落；随着固体颗粒下落，固体颗粒自重减小，球形浮塞(14)重新被液相顶回变径管(6)上端缩径处，固体颗粒继续沉积；由于弧形挡板(15)的存在，使液流出口通道变窄，流速增加，在出口处形成负压，将落入球形浮塞(14)下方的少量固体颗粒吸入水平管(7)完成循环。
10.一种外循环式流化床换热器内固体颗粒的循环及计量方法，采用权利要求1～8中的任意一种固体颗粒充分循环的外循环式流化床换热器，其特征在于，固体颗粒从加料罐(1)中加入水平管(7)，在液相输送下进入换热器(2)，固体颗粒在换热器(2)内完成对换热管壁的冲刷后进入液固分离器(3)，在液固分离器(3)内液固两相分离，不需计量时阀Ⅱ(12)、阀Ⅲ(13)关闭，阀Ⅰ(11)打开，固体颗粒经过变径管(6)后，在变径管(6)、球形浮塞(14)、弧形挡板(15)构成的体系内完成固体颗粒循环；需要计量时阀Ⅰ(11)、阀Ⅲ(13)关闭，阀Ⅱ(12)打开，固体颗粒进入计量罐(4)，阀Ⅱ(12)关闭，阀Ⅰ(11)打开，固体颗粒进行计量，计量完成后阀Ⅲ(13)打开，固体颗粒进入下降管(5)，在变径管(6)、球形浮塞(14)、弧形挡板(15)构成的体系内完成固体颗粒循环。
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