CN109529730B - 耐冲击换热管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流化床反应器领域，公开了一种耐冲击换热管，该换热管包括上部两侧主体管（1）、下部两侧耐磨管（2）和底部底管（3），底管的外表面具有弧面凸起（4），所述底管的两端分别与两侧耐磨管的底部连通，两侧耐磨管的顶部分别与两侧主体管的底部连通；底管为U形管，则两侧耐磨管均为直管；或者，底管为J形斜管，则两侧耐磨管均为具有相同钝角且向同一方向折弯的钝角折弯管；若底管为J形斜管，则两个耐磨管的上部为与两侧主体管同轴连接的直管（201），下部为向同一方向倾斜的倾斜管（202），直管与倾斜管之间呈钝角。与现有技术相比，本发明能够有效提高换热管的耐磨性能和整体使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及流化床反应器领域，特别涉及一种耐冲击换热管。
背景技术
有机硅为相对垄断性行业，长期以来国外有机硅的生产技术与装备一直对中国实施技术封锁。有机硅流化床反应器是有机硅生产的关键设备之一。在流化床反应器内，气态的氯甲烷和固态的硅粉反应生成有机硅单体。氯甲烷与硅粉的反应在350℃以上的高温下进行，反应生成的热量很大，需要及时将反应热从反应器内移走，以便保证反应顺利、安全地进行，而生成有机硅单体的反应过程是气固相反应，反应器内的热量传递效率低下。所以研发高效的有机硅流化床反应器，迅速移走反应器内的热量，克服流化床局部过热、径向温度分布不均匀、提高反应转化率，已成为有机硅行业提升综合竞争力的重要举措。因此，在整个反应生产过程中，换热管束对反应器内部温度的调控尤为重要。
设备工作时，如图1，硅粉自上方落下，氯甲烷气体自下方向上，硅粉有一定的硬度，硅粉在重力与气体带动的作用下对换热管的冲击摩擦严重，换热管很容易因摩擦损坏。特别的，如图2所示，换热管底部U形管处磨损量最大，当换热管的高度小于 3 米时，磨损量较大，并且磨损量是随着管高的增加呈现逐渐递减的规律。当管高达到 5 米左右时，换热管的磨损量趋于稳定。当换热管的高度大于5米时，磨损量几乎保持不变。传统换热管束材料均为碳钢，造成局部磨损过快而影响整体寿命。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种耐冲击换热管，能够有效提高换热管的耐磨性能和整体使用寿命。
技术方案：本发明提供了一种耐冲击换热管，包括上部两侧主体管、下部两侧耐磨管和底部底管，所述底管的外表面具有弧面凸起，所述底管的两端分别与两侧所述耐磨管的底部连通，两侧所述耐磨管的顶部分别与两侧主体管的底部连通。
优选地，所述底管为U形管，则两侧所述耐磨管均为直管；或者，所述底管为J形斜管，则两侧所述耐磨管均为具有相同钝角且向同一方向折弯的钝角折弯管。
进一步地，若所述底管为J形斜管，则两个所述耐磨管的上部为与两侧所述主体管同轴连接的直管，下部为向同一方向倾斜的倾斜管，所述直管与所述倾斜管之间呈钝角；所述J形斜管的两端分别与两个所述倾斜管同轴连通，且所述J形斜管较长的一侧位于下方，所述J形斜管构成的凹槽正对两侧所述耐磨管与两侧所述主体管之间构成的空间。J形斜管由耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成，其较长的一边在下部，上方对着耐磨管和主体管之间的空间，承受上方和下方的粒子流冲磨；较短一边处于上部，承受上方的粒子流和J形斜管内侧的粒子回流。
进一步地，与所述J形斜管较长的一侧连通的耐磨管上，在上部直管与下部倾斜管的衔接处的外表面上还包裹有抗冲击耐磨套。耐磨管及抗冲击耐磨套由品质更好的耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成，与J形斜管的下部相接的耐磨管折弯处受冲击较多，在该处设置抗冲击磨损套能够有效增大此处的抗冲击能力。
优选地，所述抗冲击耐磨套由抗冲击上套、抗冲击下套和固定箍片组成，所述抗冲击上套与所述抗冲击下套分别位于所述耐磨管的上下方，二者的两侧分别通过一个所述固定箍片固定连接。这种结构的抗冲击耐磨套便于拆换。
优选地，所述耐磨管与所述底管的高度之和为5m。因为当耐磨管与底管的管高之和达到 5 米左右时，磨损量趋于稳定，当高度大于5米时，磨损量几乎保持不变。所以在本发明中将上述耐磨管与底管的高度之和设为5m，既能保证换热效果最大化，又能尽量保证磨损稳定。
优选地，所述J形斜管与所述主体管之间的夹角为45°。J形斜管与主体管之间以45°倾斜布置能够在保证受冲击面积变大的同时，减少垂直冲击，提高抗冲击磨损能力。
优选地，所述弧面凸起在所述底管的外表面上呈斜45°并排排列，且在水平方向交错排列。弧面凸起在底管表面的上述排列方式能够最大程度地交错反射上下走向的粒子流。
本发明还提供一种包含上述耐冲击换热管的流化床反应器，包括腔体以及竖直设置在所述腔体内的若干所述换热管，每三个所述换热管为一小组，每小组所述换热管中，三个所述换热管的主体管均相互平行，三个所述换热管的底管底部齐平首尾衔接交错设置，且三个底管的首尾衔接点构成等边三角形。
优选地，每六小组所述换热管构成一个正六边形大组。
优选地，在所述腔体内，所有所述换热管组成整体呈正六边形的换热管管束。
进一步地，在所述正六边形的换热管管束的六个边外侧、所述腔体内侧还分别设置至少一个所述换热管。
有益效果：本发明中，当粒子流与粒子回流冲击在底管表面的弧面凸起上时，粒子反射从而方向改变、速度降低，特别是对于贴壁粒子流，减小每个硅粉粒子在换热管表面的持续磨擦时间和摩擦强度；此外，现有结构贴壁粒子流沿换热管表面运动时，在持续磨损的同时，硅粉颗粒与氯甲烷接触不够充分；而本申请中布满弧面凸起的底管表面对硅粉颗粒形成漫反射作用，使硅粉颗粒与氯甲烷接触更加充分。
传统换热管束排列方式为随意并排排列排满反应器内腔，空间利用率和换热效率低，管道周围每处反应空间周围仅有2-4根换热管进行换热；而本申请中，反应器内腔内，每个三角小组中间有一处三角形反应空间，每个六边形大组中间有一处六边形反应空间，每一处三角形和六边形反应空间周围均有6根均匀分布的换热管，提高了换热效率；更大的反应空间使反应物流通更加顺畅，提高了反应效率。
附图说明
图1为现有技术中硅粉与换热管摩擦示意图；
图2为换热管高度与磨损的关系；
图3为实施方式1中耐冲击换热管局部结构示意图；
图4为弧面凸起在底管表面的分布示意图；
图5为实施方式1中耐冲击换热管的冲击磨损示意图；
图6为实施方式2中耐冲击换热管局部结构示意图；
图7为实施方式2中耐冲击换热管的冲击磨损示意图；
图8为实施方式3中耐冲击换热管局部结构示意图；
图9为抗冲击耐磨套的结构示意图；
图10为抗冲击磨损套的截面图；
图11为抗冲击磨损套的安装示意图；
图12为实施方式4中反应器中一小组换热管的排列方式仰视图；
图13为实施方式4中反应器中一小组换热管的排列方式平视图；
图14为实施方式4中反应器中换热管的整体排列方式仰视图；
图15为现有反应器中换热管的排列方式仰视图；
图16为反应器中换热管管束下部位置分布示意图；
图17为实施方式4中反应器中受冲击磨损最小的换热管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种耐冲击换热管，如图3所示，主要由主体管1、直形耐磨管2和U型底管3组成，底管3的两端分别连通一段耐磨管2的底端，两段耐磨管2的顶端分别连通两侧主体管1；如图4，在底管3的外表面上设置呈斜45°并排排列、且在水平方向交错排列的若干弧面凸起4。上述耐磨管2和底管3均由耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成。
本实施方式中的耐冲击换热管的受冲击磨损示意图如图5所示，当粒子流与粒子回流冲击在底管3表面的弧面凸起4上时，粒子反射从而方向改变、速度降低，特别是对于贴壁粒子流，减小每个硅粉粒子在换热管表面的持续磨擦时间和摩擦强度；此外，现有结构贴壁粒子流沿换热管表面运动时，在持续磨损的同时，硅粉颗粒与氯甲烷接触不够充分；而本申请中布满弧面凸起4的底管3表面对硅粉颗粒形成漫反射作用，使硅粉颗粒与氯甲烷接触更加充分。
实施方式2：
本实施方式为实施方式1的进一步改进，主要改进之处在于，在实施方式1中，底管3为U形管，粒子流从上至下的垂直冲击力量较大，且U形底管3的受冲击面积较小，使得换热管的整体抗冲击磨损能力降低。而在本实施方式中，能够有效解决上述缺陷。
具体地说，在本实施方式中，如图6，底管3为与主体管呈45°角倾斜设置的J形斜管，J形斜管的下方为较长的一边，上方为较短的一端，为底管适配，上方两侧与底管3两端连通的耐磨管2也设计成具有相同钝角且向同一方向折弯的钝角折弯管，该钝角折弯管的上部为与对应的主体管1同轴连通的直管201，下部为与对应的底管3同轴连通的倾斜管202，直管201与倾斜管202之间呈钝角，J形斜管构成的凹槽正对两侧耐磨管2与两侧主体管1之间构成的空间。耐磨管2与底管3的高度之和为5m。
本实施方式中的换热管的受冲击磨损示意图如图7所示，可见，与实施方式1中U形底管3相比，由于本实施方式中的底管3为J形斜管，能够有效避免粒子流垂直向下冲击底管，且由于倾斜布置能够使得底管3受粒子流冲击的面积变大，有效提高底管3抗冲击磨损能力。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式3：
本实施方式为实施方式2的进一步改进，主要改进之处在于，在实施方式2中，在于J形斜管较长的一侧连通的耐磨管2的折弯处，即在该处耐磨管2的上方直管201与下方倾斜管202的衔接处会受到粒子流较大的冲击，长期使用后，该折弯处会比其它位置先磨损报废，导致换热管寿命降低。而在本实施方式中，在上述耐磨管2的上方直管201与下方倾斜管203的衔接处包裹有由品质更好的耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成的抗冲击耐磨套5，如图8至11所示，该抗冲击耐磨套5由抗冲击上套501、抗冲击下套502和四个固定箍片503组成，抗冲击上套501覆盖在衔接处的上方表面，抗冲击下套502覆盖在衔接处的下方表面，二者的两侧上下两端分别通过一个固定箍片503穿过两侧通孔504固定连接。该抗冲击耐磨套5的安装示意图如图11。与J形斜管的下部相接的耐磨管2折弯处受冲击较多，在该处设置抗冲击磨损套5能够有效增大此处的抗冲击能力。
除此之外，本实施方式与实施方式2完全相同，此处不做赘述。
实施方式4：
本实施方式提供了一种包括实施方式3中的耐冲击换热管的流化床反应器，如图12至14所示，主要由截面为圆形的腔体6以及若干换热管组成，若干换热管竖直置于腔体6内，每三个换热管为一小组，每小组换热管中，三个换热管的主体管1均相互平行，三个换热管的底管3底部齐平、首尾衔接交错设置，且三个底管3的首尾衔接点仰视时呈等边三角形结构，如图13，换热管a的底管3上部a1在换热管c的底管下部c2上方，换热管b的底管3上部b1在换热管a的底管3下部a2上方，换热管c的底管上部c1在换热管b的底管3下部b2上方。每六小组换热管构成一个正六边形大组，在整个腔体6内，所有换热管组成整体呈正六边形的换热管管束，如图14。
由于腔体与换热管管束的六个边之间还具有一部分空间，为了更好地利用该空间以提升换热效率，在上述正六边形的换热管管束的六个边外侧、腔体内侧还分别设置一对换热管，如图14。
传统换热管束排列方式为随意并排排列排满反应器内腔，空间利用率和换热效率低，管道周围每处反应空间周围仅有2-4根换热管进行换热，如图15；而本申请中，如图14，反应器腔体6内，每个三角小组中间有一处三角形反应空间，每个六边形大组中间有一处六边形反应空间，每一处三角形和六边形反应空间周围均有6根均匀分布的换热管，提高了换热效率；更大的反应空间使反应物流通更加顺畅，提高了反应效率。
另外，由于在腔体内会分布有不同高度的换热管，如图16，底管3与主体管1的顶端之间的高度差越高则底管的受磨损冲击程度越大，所以，在本实施方式中，高度最低、高度差最大（即磨损最严重的）的换热管的底管3a使用实施方式2或3中的换热管，即换热管的底管3a为由耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成的J形斜管，且J形斜管表面布满弧面凸起4，如图5和7；高度次高（即磨损不太严重的）的换热管的底管3b使用实施方式1中的换热管，即换热管的底管3b为由耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成的U形管，且U形管表面布满弧面凸起4，如图3；高度最高、高度差最小（即磨损最轻的）的换热管的底管3c也可以使用U形管，但该U形管的表面无需具有弧面凸起4，只需要将底管3c使用耐磨损耐腐蚀耐高温的钴基合金材料制成即可，且U形底管直接与上方主体管1连通即可，无需再使用耐磨管，如图17。
可见，本实施方式中根据承受的冲击磨损程度的高低，为反应器的换热管设计不同的耐磨损方案，在保证成本更低的情况下，使换热管束整体寿命保持一致，从而提高管束整体寿命。
上述各实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种耐冲击换热管，其特征在于，包括上部两侧主体管（1）、下部两侧耐磨管（2）和底部底管（3），所述底管（3）的外表面具有弧面凸起（4），所述底管（3）的两端分别与两侧所述耐磨管（2）的底部连通，两侧所述耐磨管（2）的顶部分别与两侧主体管（1）的底部连通；
所述底管（3）为J形斜管，两侧所述耐磨管（2）均为具有相同钝角且向同一方向折弯的钝角折弯管；两个所述耐磨管（2）的上部为与两侧所述主体管（1）同轴连接的直管（201），下部为向同一方向倾斜的倾斜管（202），所述直管（201）与所述倾斜管（202）之间呈钝角；所述J形斜管的两端分别与两个所述倾斜管（202）同轴连通，且所述J形斜管较长的一侧位于下方，所述J形斜管构成的凹槽正对两侧所述耐磨管（2）与两侧所述主体管（1）之间构成的空间。
2.根据权利要求1所述的耐冲击换热管，其特征在于，与所述J形斜管较长的一侧连通的耐磨管（2）上，在上部直管（201）与下部倾斜管（202）的衔接处的外表面上还包裹有抗冲击耐磨套（5）。
3.根据权利要求2所述的耐冲击换热管，其特征在于，所述抗冲击耐磨套（5）由抗冲击上套（501）、抗冲击下套（502）和固定箍片（503）组成，所述抗冲击上套（501）与所述抗冲击下套（502）分别位于所述耐磨管（2）的上下方，二者的两侧分别通过一个所述固定箍片（503）固定连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的耐冲击换热管，其特征在于，所述J形斜管与所述主体管（1）之间的夹角为45°。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的耐冲击换热管，其特征在于，所述耐磨管（2）与所述底管（3）的高度之和为5m。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的耐冲击换热管，其特征在于，所述弧面凸起（4）在所述底管（3）的外表面上呈斜45°并排排列，且在水平方向交错排列。
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