CN112710175B - 自清洁式列管换热结构、流化床换热器及防结垢方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种自清洁式列管换热结构、流化床换热器及防结垢方法，该换热器包括下管箱、换热器列管、上管箱、液固分离箱、下降管、固体颗粒槽、液体储槽、液体循环泵、三叉支架、扩散盘、分布盘和椭圆弯头，换热器列管和上管箱相连，上管箱上部与液固分离箱相连，固体颗粒经由下降管进入固体颗粒槽，再在液体循环泵的作用下与从液体储槽流过来的液体一起进入下管箱。该分散式自清洁流化床换热器的技术方案可以较好地解决现有的换热器设备中管程易出现粘附结垢，长时间使用后热阻上升，换热效率明显降低，可以用来延长常减压装置常顶换热器的运行周期。

Description

自清洁式列管换热结构、流化床换热器及防结垢方法

技术领域

本发明涉及化工领域，具体的，属于化工换热设备长周期运行领域，涉及一种自清洁式列管换热器、流化床换热器及防结垢方法。

背景技术

换热器在石油化工领域被广泛使用。然而，在长周期的使用后，换热器内部会不可避免的出现粘附结垢的现象，从而使得换热器内部的传热阻力大大增加，极大地降低换热器的换热效率，进而严重影响换热器的正常使用。

开发具有自清洁除垢能力的流化床换热器可以有效地降低换热器内部的热阻，从而防止换热器的换热效率的降低，进而延长换热器设备一次周期内的使用时间，具有重大的经济效益。文献US005676201A公开了一种外循环流化床换热器，然而该流化床换热器未能充分考虑固体颗粒的均匀分布问题，因而在长周期的使用下其维持高传热效率的能力不强。文献CN202709856U公开了一种应用Kenics静态混合器的水平液固循环流化床换热器，然而该循环流化床换热器的循环与分布效果均不佳，同时其Kenics静态混合器仅能用于卧式换热器，使用面不广。文献CN106595350A公布了一种带有分布箱和分布盘的液固循环流化床换热器，该换热器具有较好的颗粒分布效果，让而未能充分考虑到颗粒循环的问题，因此其换热器的传热效率偏低。

综上所述，解决固体颗粒的均匀分布是维持流化床换热器在长周期下的高传热效率的关键技术之一，而现有的技术未能充分解决好上述问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种自清洁式列管换热器、流化床换热器及防结垢方法，通过三叉支架以及固定在其上的扩散盘，分布盘等结构来实现固体颗粒在流化床换热器中的均匀分布的问题，有针对性的解决了上述技术问题。

第一方面，本申请提供了一种自清洁式列管换热结构，包括下管箱、上管箱以及设置在所述下管箱和所述上管箱之间的换热器列管，所述下管箱与换热器列管下端相连，换热器列管上端与上管箱相连，上管箱上部与液固分离箱相连，在所述下管箱中设置有三叉支架，扩散盘以及分布盘，其中，所述三叉支架包括较长的第一支架以及两个较短且等长的第二支架，所述第二支架安装在所述下管箱的下部，所述扩散盘安装在所述第一支架的中部，所述分布盘安装在所述第一支架的尾部，所述扩散盘和所述分布盘能够在外界驱动下围绕所述第一支架旋转，所述扩散盘和所述分布盘能够对通过的固体颗粒进行充分均匀地混合和流化。

在第一方面的一个实施方式中，所述三叉支架的安装位置距离所述下管箱底部约为所述下管箱高度的1/4，所述三叉支架的所述第一支架位于下管箱的垂直轴线上，并穿过扩散盘和分布盘的圆心。

在第一方面的一个实施方式中，所述三叉支架的所述第二支架的长度为20～50cm，直径为所述换热器列管的0.4～0.6倍；所述第一支架的长度为所述下管箱高度的0.4～0.6倍，直径与所述第二支架的相同；三根支架间的角度相互为120°，其中两根所述第二支架分别固定在所述下管箱的下部左侧和右侧，所述第一支架穿过所述扩散盘和所述分布盘的圆心并与地面垂直。

在第一方面的一个实施方式中，所述扩散盘为多孔板；所述扩散盘为正小孔反喇叭口的圆型盘，截面形状为平面型。

在第一方面的一个实施方式中，所述扩散盘安装在三叉支架的第一支架的中心点处，直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；正面小孔的直径为2～3cm，反面喇叭最大开口的直径为4～6cm，喇叭最大开口的高度距扩散盘为2～4cm。

在第一方面的一个实施方式中，所述扩散盘能够在外界驱动下以圆心为旋转点进行顺时针旋转运动，转速为10～30r/min。

在第一方面的一个实施方式中，所述分布盘为多孔板；分布盘为十字型，月牙型或者三叉型圆盘，截面形状为平面型，上凸型，下凸型，凸透型和凹透型中的一种。

在第一方面的一个实施方式中，所述分布盘直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；所述分布盘的开孔率为50％～70％，孔的当量直径为颗粒平均直径的3～4倍，对于任意两个开孔，距离分布盘中心远的开孔孔径大于等于距离分布板中心近的开孔孔径。

在第一方面的一个实施方式中，所述分布盘能够在外界驱动下以圆心为旋转点进行逆时针旋转运动，转速为10～30r/min。

第二方面，本申请还提供了一种包括第一方面及其实施方式的自清洁式列管换热结构的流化床换热器，还包括：液固分离箱、下降管、固体颗粒槽、液体储槽和液体循环泵，其中，所述液固分离箱分别与所述下降管和所述液体储槽连接，在所述液固分离箱和所述下降管之间设置有筛板防止固体颗粒通过，所述下降管连接所述固体颗粒槽，所述液体储槽的液体通过所述液体循环泵输送到所述下管箱，所述固体颗粒槽中的固体颗粒通过椭圆弯头与液体混合后流入到所述下管箱。

在第二方面的一个实施方式中，所述液固分离箱是重力沉降式分离器或者旋流分离器。

第三方面，本申请提供了一种利用第二方面及其实施方式的流化床换热器防止管程结垢的方法，在换热器列管内循环原油，在壳程内循环水；所述方法包括：将原油从液体储槽经过液体循环泵后打入下管箱，并与经椭圆弯头流出的惰性固体颗粒一起，再依次经过旋转的分散盘和分布盘，经过充分均匀混合和流化后，进入到换热器列管并反复冲刷换热器列管的壁面，在固体颗粒的冲刷下，污垢不易在换热器列管的壁面进行粘附结聚；管程中的原油和壳程中的水完成换热；固体颗粒和水在液固分离箱中进行分离，最后固体颗粒和水在所述自清洁式流化床换热器中循环。

在第三方面的一个实施方式中，所述固体颗粒的堆密度要大于流通的液体密度，且不与所用场合的使用介质发生反应。

在第三方面的一个实施方式中，所述固体颗粒的平均直径在2～3mm，且所述固体颗粒在所述自清洁式流化床换热器内的平均质量固含率为3％～7％。

在第三方面的一个实施方式中，所述固体颗粒为硅酸锆珠、刚玉球、瓷球、钢球、工程塑料中的一种或几种。

在第三方面的一个实施方式中，所述自清洁式流化床换热器中的所述换热器列管内原油的流速范围在2m/s～4m/s之间。

本申请提供的自清洁式列管换热结构、流化床换热器及防结垢方法，相较于现有技术，具有使得固体颗粒在流化床换热器中均匀分布，来让流化床换热器在长周期下保持高换热效率的技术特点，具有颗粒分布均匀的优点。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的自清洁式流化床换热器的结构示意图；

图2显示了根据本发明实施例的自清洁式列管换热结构的下管箱的结构示意图；

图3显示了根据本发明实施例的列管换热结构的扩散盘的俯视图以及截面示意图；

图4显示了根据本发明实施例的列管换热结构的分布盘的俯视图以及截面示意图。

附图标记清单：

100-列管换热结构；200-流化床换热器；1-下管箱；2-换热器列管；3-上管箱；4-液固分离箱；5-下降管；6-固体颗粒槽；7-液体储槽；8-液体循环泵；9-三叉支架；10-扩散盘；11-中分布盘；12-椭圆弯头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的强分布自清洁式流化床换热器200的结构示意图。如图1所示，该强分布自清洁式流化床换热器200由下管箱1，换热器列管2，上管箱3，液固分离箱4，下降管5，固体颗粒槽6，液体储槽7，液体循环泵8组成，其中，下管箱1、换热器列管2和上管箱3构成列管换热结构100。并且如图2所示，下管箱1包括三叉支架9，扩散盘10以及分布盘11，三叉支架9的底座(两根较短的第二支架)安装在下管箱的下部，扩散盘10安装在三叉支架的长支架(较长的第一支架)的中部，分布盘11安装在三叉支架的长支架的尾部，换热器列管2与上管箱3相连，上管箱3上部与液固分离箱4相连，液固分离箱4分出来两路，下路由固相通过下降管5连接固体颗粒槽6，上路由液相通过流入液体储槽7，上路入口配有筛板防止固体颗粒通过，液体储槽7的液体通过液体循环泵8输送到下管箱1，固体颗粒槽6中的固体颗粒通过椭圆弯头12与液体混合后流入到下管箱1。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述下管箱1为半圆筒形，高度为换热器列管2的0.3～0.5倍，三叉支架9的安装位置距离下管箱1底部约为下管箱1高度的1/4，扩散盘10和分布盘11均安装在三叉支架的长支架上，三叉支架9的长支架位于下管箱1的垂直中间线上，并穿过扩散盘10和分布盘11的圆心。

应理解，所述三叉支架9的下两根支架长度和直径完全相同，长度为20～50cm，直径为换热器列管2的0.4～0.6倍；长支架的长度为下管箱1高度的0.4～0.6倍，直径与另外两根支架的相同；三根支架间的角度相互为120°，其中下两根支架分别固定在下管箱1的下部左侧和右侧，长支架穿过扩散盘10和分布盘11的圆心，与地面垂直。

如图3所示，所述扩散盘(10)为多孔板；扩散盘(10)的正面结构为正小孔反喇叭口的圆型盘；侧面结构为平面型；扩散盘(10)安装在三叉支架的长支架的中心点处，直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；正面小孔的直径为2～3cm，反面喇叭最大开口的直径为4～6cm，喇叭最大开口的高度距扩散盘(10)为2～4cm；扩散盘(10)可在外界驱动下以圆心为旋转点进行顺时针旋转运动，转速为10～30r/min。

上述技术方案中，在图4中，所述分布盘11为多孔板；分布盘10的正面结构为十字型，月牙型或者三叉型；侧面结构为平面型，上凸型，下凸型，凸透型，凹透型中的一种；分布盘11安装在三叉支架的长支架的尾部，直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；分布盘11的开孔率为50％～70％，孔的当量直径为颗粒平均直径的3～4倍，对于任意两个开孔，距离分布盘11中心远的开孔孔径大于等于距离分布板11中心近的开孔孔径；分布盘11可在外界驱动下以圆心为旋转点进行逆时针旋转运动，转速为10～30r/min。

可选地，所述液固分离箱4是重力沉降式或者旋流分离器中的一种。

应理解，所述分散式自清洁流化床换热器所用的惰性固体颗粒的堆密度要大于流通的液体密度，且不与所用场合的使用介质发生反应，优选硅酸锆珠，刚玉球，瓷球，钢球，工程塑料中的一种或几种；所使用的固体颗粒的平均直径在2～3mm；固体颗粒在所述的强分布自清洁式流化床换热器内的平均质量固含率为3％～7％。

本发明还提供了采用强分布自清洁式流化床换热器200防止管程结垢的方法。强分布自清洁式流化床换热器列管内循环原油，壳程循环冷却水。

上述方法中，原油从液体储槽经过7经过液体循环泵8后打入下管箱1，并与经椭圆弯头12流出的惰性固体颗粒一起，在依次经过安装在三叉支架9上的旋转的扩散盘10以及分布盘11后，得到了充分均匀混合和流化，进入到换热器列管2并反复冲刷换热器列管2的壁面，在固体颗粒的冲刷下，污垢不易在换热器列管2的壁面进行粘附结聚；管程中的原油和壳程中的水完成换热；固体颗粒和水在液固分离箱4中进行分离，最后固体颗粒和水在强分布自清洁式流化床换热器中循环。

上述方法中，固体颗粒分散式自清洁流化床换热器中循环，液相原油可以部分从液体储槽中抽出，去往后续系统，也可以不抽出，全部用来完成循环。

优选地，分散式自清洁流化床换热器中的换热器列管(2)内原油的流速范围在2m/s～4m/s之间。

本发明的技术方案及方法中，以内壁温度和主流温度的温度差以及热通量来计算传热系数，以传热系数随时间的变化规律来判断管程结垢情况，从而作为长周期下维持传热效果能力的判断依据。

采用本发明的技术方案，一种由下管箱1，换热器列管2，上管箱3，液固分离箱4，下降管5，固体颗粒槽6，液体储槽7，液体循环泵8组成的，三叉支架9，扩散盘10以及分布盘11安装在下管箱1内，取得了连续运行200天后传热系数仍为原来94％的较好技术效果。

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所示的分散式自清洁流化床换热器，应用于某厂的常减压装置的顶部换热器，该强分布自清洁式流化床换热器内部设置256根换热器列管，每根管长1500mm，管径为Φ30×2.5mm，管束呈转角正方形排列。下管箱高度700mm，宽度600mm。固体颗粒采用刚玉球，平均粒径3mm，固体颗粒在该强分布自清洁式流化床换热器内的平均体积固含率为3％。液相为原油，流速为2m/s。三叉支架的长支架长度为50cm，短支架为35cm，直径为15mm。扩散盘的厚度为3cm，小孔直径为2cm，喇叭开口直径为5cm，喇叭最大开口高度距扩散盘为2cm，转速为15r/min。分布盘的高度为2cm，正面结构采用月牙型，侧面结构采用上凸型，孔的当量直径为12mm，开孔率为55％，转速为20r/min。液固分离箱采用重力沉降式。下降管的管径为100mm。在该条件下，连续运行210天后传热系数为原来的95％。

【实施例2】

采用和实施例1相同的分散式自清洁流化床换热器应用于某厂的常减压装置的顶部换热器，固体颗粒采用钢球，平均粒径3.5mm，固体颗粒在该强分布自清洁式流化床换热器内的平均体积固含率为4％。液相为原油，流速为2.5m/s。三叉支架的长支架长度为45cm，短支架为30cm，直径为20mm。扩散盘的厚度为2.5cm，小孔直径为1.5cm，喇叭开口直径为4cm，喇叭最大开口高度距扩散盘为2cm，转速为20r/min。分布盘的高度为4cm，正面结构采用十字型，侧面结构采用下凸型，孔的当量直径为10mm，开孔率为70％，转速为20r/min。液固分离箱采用旋液分离式。下降管的管径为100mm。在该条件下，连续运行185天后传热系数为原来的93％。

【对比例1】

采用流化床换热器应用于某厂的常减压装置的顶部换热器。该流化床换热器参照和实施例1相同的分散式自清洁流化床换热器，只是不设置三叉支架，扩散盘和分布盘，固体颗粒采用硅酸锆，平均粒径2mm，固体颗粒在该强分布自清洁式流化床换热器内的平均体积固含率为6％。液相为原油，流速为3m/s。该条件下，连续运行200天后传热系数为原来的68％。

【对比例2】

采用流化床换热器应用于某厂的常减压装置的顶部换热器。该流化床换热器参照和实施例1相同的分散式自清洁流化床换热器，只是不设置扩散盘，固体颗粒采用钢球，平均粒径2.5mm，固体颗粒在该强分布自清洁式流化床换热器内的平均体积固含率为4％。液相为原油，流速为2.5m/s。该条件下，连续运行180天后传热系数为原来的80％。

【对比例2】

采用流化床换热器应用于某厂的常减压装置的顶部换热器。该流化床换热器参照和实施例1相同的分散式自清洁流化床换热器，只是不设置分布盘，固体颗粒采用瓷球，平均粒径3mm，固体颗粒在该强分布自清洁式流化床换热器内的平均体积固含率为5％。液相为原油，流速为3.5m/s。该条件下，连续运行180天后传热系数为原来的76％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (16)

1.一种自清洁式列管换热结构，其特征在于，包括下管箱(1)、上管箱(3)以及设置在所述下管箱(1)和所述上管箱(3)之间的换热器列管(2)，所述下管箱(1)与换热器列管下端相连，换热器列管(2)上端与上管箱(3)相连，上管箱(3)上部与液固分离箱(4)相连，在所述下管箱(1)中设置有三叉支架(9)，扩散盘(10)以及分布盘(11)，其中，所述三叉支架(9)包括较长的第一支架以及两个较短且等长的第二支架，所述第二支架安装在所述下管箱(1)的下部，所述扩散盘(10)安装在所述第一支架的中部，所述分布盘(11)安装在所述第一支架的尾部，所述扩散盘(10)和所述分布盘(11)能够在外界驱动下分别围绕所述第一支架顺时针旋转和逆时针旋转，所述扩散盘(10)和所述分布盘(11)能够对通过的固体颗粒进行充分均匀地混合和流化。

2.根据权利要求1所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述三叉支架(9)的安装位置距离所述下管箱(1)底部约为所述下管箱(1)高度的1/4，所述三叉支架(9)的所述第一支架位于下管箱(1)的垂直轴线上，并穿过扩散盘(10)和分布盘(11)的圆心。

3.根据权利要求2所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述三叉支架(9)的所述第二支架的长度为20～50cm，直径为所述换热器列管(2)的0.4～0.6倍；所述第一支架的长度为所述下管箱(1)高度的0.4～0.6倍，直径与所述第二支架的相同；三根支架间的角度相互为120°，其中两根所述第二支架分别固定在所述下管箱(1)的下部左侧和右侧，所述第一支架穿过所述扩散盘(10)和所述分布盘(11)的圆心并与地面垂直。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述扩散盘(10)为多孔板；所述扩散盘(10)为正小孔反喇叭口的圆型盘，截面形状为平面型。

5.根据权利要求4所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述扩散盘(10)安装在三叉支架的第一支架的中心点处，直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；正面小孔的直径为2～3cm，反面喇叭最大开口的直径为4～6cm，喇叭最大开口的高度距扩散盘(10)为2～4cm。

6.根据权利要求5所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述扩散盘(10)能够在外界驱动下以圆心为旋转点进行顺时针旋转运动，转速为10～30r/min。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述分布盘(11)为多孔板；分布盘(11)为十字型，月牙型或者三叉型圆盘，截面形状为平面型、上凸型、下凸型、凸透型和凹透型中的一种。

8.根据权利要求7所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述分布盘(11)直径与下管箱的直径相同，厚度为2～5cm；所述分布盘(11)的开孔率为50％～70％，孔的当量直径为颗粒平均直径的3～4倍，对于任意两个开孔，距离分布盘(11)中心远的开孔孔径大于等于距离分布盘(11)中心近的开孔孔径。

9.根据权利要求8所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，所述分布盘(11)能够在外界驱动下以圆心为旋转点进行逆时针旋转运动，转速为10～30r/min。

10.一种流化床换热器，其包括如权利要求1至9中任一项所述的自清洁式列管换热结构，其特征在于，还包括：液固分离箱(4)、下降管(5)、固体颗粒槽(6)、液体储槽(7)和液体循环泵(8)，

其中，所述液固分离箱(4)分别与所述下降管(5)和所述液体储槽(7)连接，在所述液固分离箱(4)和所述液体储槽(7)之间的管道的入口设置有筛板，防止固体颗粒通过，所述下降管(5)连接所述固体颗粒槽(6)，所述液体储槽(7)的液体通过所述液体循环泵(8)输送到所述下管箱(1)，所述固体颗粒槽(6)中的固体颗粒通过椭圆弯头(12)与液体混合后流入到所述下管箱(1)。

11.根据权利要求10所述的流化床换热器，其特征在于，所述液固分离箱(4)是重力沉降式分离器或者旋流分离器。

12.一种利用权利要求10或11所述的流化床换热器防结垢的方法，其特征在于，在换热器列管(2)内循环原油，在壳程内循环水，所述方法包括：

将原油从液体储槽(7)经过液体循环泵(8)后打入下管箱(1)，并与经椭圆弯头(12)流出的惰性固体颗粒一起，再依次经过旋转的分散盘(10)和分布盘(11)，经过充分均匀混合和流化后，进入到换热器列管(2)并反复冲刷换热器列管(2)的壁面，在固体颗粒的冲刷下，污垢不易在换热器列管(2)的壁面进行粘附结聚；管程中的原油和壳程中的水完成换热；固体颗粒和水在液固分离箱(4)中进行分离，最后固体颗粒和水在所述自清洁式流化床换热器中循环。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒的堆密度要大于流通的液体密度，且不与所用场合的使用介质发生反应。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒的平均直径在2～3mm，且所述固体颗粒在所述自清洁式流化床换热器内的平均质量固含率为3％～7％。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒为硅酸锆珠、刚玉球、瓷球、钢球、工程塑料中的一种或几种。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述自清洁式流化床换热器中的所述换热器列管(2)内原油的流速范围在2m/s～4m/s之间。

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