CN112710177A - 双分布构件自清洁流化床换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双分布构件自清洁流化床换热器，其特征在于，双分布构件自清洁流化床换热器包括下管箱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；其中下管箱1包括支架环9、挡板10、扩散板11和三叉支架12，支架环9固装在下管箱1内，挡板10安装在支架环9上，三叉支架12安装在支架环9上方，扩散板11与三叉支架12相连接。固体颗粒经由下降管5进入固体颗粒槽6，再在液体循环泵8的作用下与从液体储槽7流过来的液体一起进入下管箱1的双分布构件自清洁流化床换热器的技术方案可以较好地解决上述问题，可以用来延长常减压装置常顶换热器的运行周期。

Description

双分布构件自清洁流化床换热器

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，涉及一种双分布构件自清洁流化床换热器，广泛应用于解决流通液相的管程容易出现粘附结垢的管壳式换热器的长周期运行问题。

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，极大地降低了换热器的换热效率，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。

专利US 005676201A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。

专利CN 202709856U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。

专利CN102840578A公布了一种并联型的外置型流化床换热器，该换热器具有较好的颗粒分布效果，然而，该流化床换热器对于固体颗粒的均匀分布也未能进行充分考虑，同时期循环效果也效果不佳。

综上所述，亟需开发一种新的在长周期下保持高效换热效率的流化床换热器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是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，提供了一种双分布构件自清洁流化床换热器。该双分布构件自清洁流化床换热器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。

为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种双分布构件自清洁流化床换热器，该双分布构件自清洁流化床换热器包括下管箱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和液体循环泵8；其中下管箱1包括支架环9、挡板10、扩散板11和三叉支架12，支架环9固装在下管箱1内，挡板10安装在支架环9上，三叉支架12安装在支架环9上方，扩散板11与三叉支架12相连接，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分出来上路和下路，下路通过下降管5连接固体颗粒槽6，上路连接液体储槽7，液体储槽7通过液体循环泵8连接下管箱1，固体颗粒槽6连入从液体循环泵8到上管箱3的管路。

在本发明的一些优选的实施方式中，双分布构件自清洁流化床换热器还包括椭圆弯头13，固体颗粒槽6经椭圆弯头13连入从液体循环泵8到上管箱3的管路。

本申请的发明人经研究发现，具有上述结构的双分布构件自清洁流化床换热器能够使得固体颗粒的均匀分布，进而维持流化床换热器在长周期下的高传热效率。

根据本发明，下路由固相通过，上路由液相通过。上路入口配有筛板防止固体颗粒通过。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述下管箱1为半圆筒形。

在本发明的一些优选的实施方式中，下管箱1的高度为换热器列管2高度的0.5～0.8倍。

在本发明的一些优选的实施方式中，下管箱1的高度为换热器列管2高度的0.55～0.75倍。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述下管箱1的直径为500mm～700mm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述支架环9固装在下管箱1的20％～40％高度处。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述支架环9固装在下管箱1的三分之一高度处。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述扩散板11位于下管箱1的45％～55％高度处。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述扩散板11位于下管箱1的50％高度处。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述支架环9包括圆环91和固定支架92；所述圆环91的外径与所述下管箱1的直径相同，内径为所述下管箱1的直径的0.85～0.99倍；所述固定支架92包括两个相连接的不锈钢片，不锈钢片的长度为40mm～80mm，两个不锈钢片之间具有夹角，夹角的度数优选为135°～150°，所述固定支架92的个数为2～6个，相邻两个固定支架92间的夹角相等，所述固定支架92的一端与所述圆环91相固定，另一端具有镶嵌结构，用来固定所述挡板10。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述挡板10为多孔平板，厚度为2.0cm～5.0cm；所述挡板10的正面结构为圆型或正方型；所述挡板10的孔结构选自十字型、三圆型和三角型中的至少一种，开孔率为40％～60％，开孔的当量直径为固体颗粒平均粒径的2～4倍，对于任意两个开孔，距离挡板10的中心远的开孔孔径大于等于距离挡板10的中心近的开孔孔径。

根据本发明，挡板10的当量直径为下管箱1的直径的0.6～0.8倍。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述三叉支架12由两根长度为30cm～50cm的长支架和一根长度为10cm～20cm的短支架组成，任意两根支架间的夹角相等；其中，两根长支架分别固定在所述下箱管1的上部管壁上，短支架朝向所述下箱管1的底部，用来固定所述扩散板11。

根据本发明，长支架和/或短支架的直径为换热器列管2的直径的0.4～0.6倍。

根据本发明，扩散板11的中心处与三叉支架12中短支架的端点相连接。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述扩散板11为多孔板，孔结构为正圆形小孔反圆形大孔，侧面结构为V字型，优选地，所述圆形小孔的直径为固体颗粒平均粒径的1～2倍，所述圆形大孔的直径为固体颗粒平均粒径的4～6倍；所述扩散板11由两个完整的厚度为2cm～4cm的半圆板拼接而成，拼接角度为90°～140°；所述扩散板11的底部圆形直径为所述下箱管1的直径的0.990～0.999倍；所述扩散板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10r/min～30r/min。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述液固分离箱4是重力沉降式或者水力旋流器中的一种。

根据本发明，双分布构件自清洁流化床换热器所用的固体颗粒、优选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，钢球和工程塑料中的一种或几种；所使用的固体颗粒的平均粒径在2～4mm；固体颗粒在所述的双分布构件自清洁流化床换热器内的平均质量固含率为3％～7％。

本发明再一方面提供一种防止常减压装置顶部换热器结垢的方法，采用上述的双分布构件自清洁流化床换热器，其中，换热器列管2内循环原油，壳程循环水；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13流出的固体颗粒混合后，通过装有挡板10的支架环9来达到初步分散，再经由扩散板11进行颗粒流化及均匀分布，并进入到换热器列管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双分布构件自清洁流化床换热器中循环。

根据本发明，固体颗粒在双分布构件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。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述双分布构件自清洁流化床换热器中的换热器列管2内原油的流速为2.0m/s～4.5m/s。

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组成的双分布构件自清洁流化床换热器，其中支架环9，挡板10，扩散盘11以及三叉支架12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95％的较好技术效果。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方式的双分布构件自清洁流化床换热器的示意图。

图2为根据本发明的一个实施方式的双分布构件自清洁流化床换热器的下管箱的支架环，挡板，扩散盘和三叉支架的安装位置示意图。

图3为根据本发明的一个实施方式的双分布构件自清洁流化床换热器的支架环正面及侧面结构示意图。

图4为根据本发明的一个实施方式的双分布构件自清洁流化床换热器的挡板的正面结构示意图。

图5为根据本发明的一个实施方式的双分布构件自清洁流化床换热器的扩散盘的正面及侧面结构示意图。

附图标记说明：1为下管箱，2为换热器列管，3为上管箱，4为液固分离箱，5为下降管，6为固体颗粒槽，7为液体储槽，8为液体循环泵，9为支架环，10为挡板，11为扩散板，12为三叉支架，13为椭圆弯头，91为圆环，92为固定支架。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。

图1-5中，支架环9、挡板10，扩散板11，三叉支架12安装在下管箱1内部，支架环9安装固定在从下管箱1底部往上高度的三分之一处，挡板10由支架环9的四个固定支架92进行固定，扩散板11的位置在下管箱1的中部，其中心处与三叉支架12短边的端点相固定，三叉支架12的两个长边分别固定在下管箱1的壁面上，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13与液体混合后流入到下管箱1。

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13流出的惰性固体颗粒一起，通过装有挡板10的支架环9进行初步的分散，再经由旋转的扩散盘11进行颗粒流化及均匀分布，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。液相循环回到液体储槽7，固相经过下降管5进入到固体颗粒槽6，从固体颗粒槽下降出来的颗粒会和从液体储槽7出来的液体再次进行混合并进入到下管箱，完成固体颗粒的循环。

实施例1

采用图1所示的双分布构件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，该双分布构件自清洁流化床换热器内部设置225根换热器列管，每根管长1500mm，管径为Φ25×2.5mm，管束呈正三角形排列。下管箱高度800mm，固体颗粒采用硅酸锆，平均粒径3.5mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁流化床换热器内的平均体积固含率为4.5％。液相为原油，流速为3m/s。支架环的不锈钢片长度为60mm，两个不锈钢片之间夹角为135°，挡板为圆形板，厚度为3cm，孔结构为三圆型，孔的当量直径为9mm，开孔率为60％；扩散板的拼接角度为100°，厚度4cm，旋转速度为15r/min，正面小孔的直径为5mm，反面大孔的直径为15mm，开孔率为50％。三叉支架的长支架长度为40cm，短支架长度为10cm，直径为15mm。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230天后传热系数为原来的94％。

实施例2

采用和实施例1相同的双分布构件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，固体颗粒采用刚玉球，平均粒径3mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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3.5m/s。支架环的不锈钢片长度为75mm，两个不锈钢片之间夹角为145°，挡板为圆形板，厚度为2cm，孔结构为三角型，孔的当量直径为10mm，开孔率为45％；扩散板的拼接角度为100°，厚度3.5cm，旋转速度为20r/min，正面小孔的直径为4mm，反面大孔的直径为16mm，开孔率为45％。三叉支架的长支架长度为35cm，短支架长度为8cm，直径为20mm。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200天后传热系数为原来的96％。

实施例3

采用和实施例1相同的双分布构件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，固体颗粒采用瓷球，平均粒径2.5mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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2.5m/s。支架环的不锈钢片长度为55mm，两个不锈钢片之间夹角为150°，挡板为正方形板，厚度为3cm，孔结构为十字型，孔的当量直径为8mm，开孔率为55％；扩散板的拼接角度为90°，厚度4cm，旋转速度为30r/min，正面小孔的直径为3.5mm，反面大孔的直径为15mm，开孔率为50％。三叉支架的长支架长度为45cm，短支架长度为7cm，直径为18mm。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180天后传热系数为原来的93％。

实施例4

采用和实施例1相同的双分布构件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3mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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3m/s。支架环的不锈钢片长度为65mm，两个不锈钢片之间夹角为150°，挡板为圆形板，厚度为4cm，孔结构为十字型，孔的当量直径为11mm，开孔率为50％；扩散板的拼接角度为110°，厚度3.5cm，旋转速度为15r/min，正面小孔的直径为4.5mm，反面大孔的直径为14mm，开孔率为60％。三叉支架的长支架长度为42cm，短支架长度为12cm，直径为18mm。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％。

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相同的双分布构件自清洁流化床换热器，只是不设置支架环，挡板，扩散板和三叉支架，固体颗粒采用硅酸锆，平均粒径3mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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3m/s。该条件下，连续运行150天后传热系数为原来的60％。

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相同的双分布构件自清洁流化床换热器，只是不设置扩散板和三叉支架，固体颗粒采用瓷球，平均粒径3.4mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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2.8m/s。该条件下，连续运行180天后传热系数为原来的77％。

对比例3

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相同的双分布构件自清洁流化床换热器，只是不设置支架环和挡板，固体颗粒采用氧化铝珠，平均粒径2.5mm，固体颗粒在该双分布构件自清洁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4m/s。该条件下，连续运行180天后传热系数为原来的70％。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种双分布构件自清洁流化床换热器，其特征在于，双分布构件自清洁流化床换热器包括下管箱(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)和液体循环泵(8)；其中下管箱(1)包括支架环(9)、挡板(10)、扩散板(11)和三叉支架(12)，支架环(9)固装在下管箱(1)内，挡板(10)安装在支架环(9)上，三叉支架(12)安装在支架环(9)上方，扩散板(11)与三叉支架(12)相连接，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)分出来上路和下路，下路通过下降管(5)连接固体颗粒槽(6)，上路连接液体储槽(7)，液体储槽(7)通过液体循环泵(8)连接下管箱(1)，固体颗粒槽(6)连入从液体循环泵(8)到上管箱(3)的管路，优选地，双分布构件自清洁流化床换热器还包括椭圆弯头(13)，固体颗粒槽(6)经椭圆弯头(13)连入从液体循环泵(8)到上管箱(3)的管路。

2.根据权利要求1所述的流化床换热器，其特征在于，所述下管箱(1)为半圆筒形；所述下管箱(1)的高度为所述换热器列管(2)高度的0.5～0.8倍，优选为0.55～0.75倍；所述下管箱(1)的直径为500mm～700mm。

3.根据权利要求1或2所述的流化床换热器，其特征在于，

所述支架环(9)固装在下管箱(1)的20％～40％、优选三分之一高度处；和/或

所述扩散板(11)位于下管箱(1)的45％～55％、优选50％高度处。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的流化床换热器，其特征在于，

所述支架环(9)包括圆环(91)和固定支架(92)；

所述圆环(91)的外径与所述下管箱(1)的直径相同，内径为所述下管箱(1)的直径的0.85～0.99倍；

所述固定支架(92)包括两个相连接的不锈钢片，不锈钢片的长度为40mm～80mm，两个不锈钢片之间具有夹角，夹角的度数优选为135°～150°，所述固定支架(92)的个数为2～6个，相邻两个固定支架(92)间的夹角相等，所述固定支架(92)的一端与所述圆环(91)相固定，另一端具有镶嵌结构，用来固定所述挡板(10)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的流化床换热器，其特征在于，所述挡板(10)为多孔平板，厚度为2.0cm～5.0cm；所述挡板(10)的正面结构为圆型或正方型；

所述挡板(10)的孔结构选自十字型、三圆型和三角型中的至少一种，开孔率为40％～60％，开孔的当量直径为固体颗粒平均粒径的2～4倍，对于任意两个开孔，距离挡板(10)的中心远的开孔孔径大于等于距离挡板(10)的中心近的开孔孔径。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的流化床换热器，其特征在于，

所述三叉支架(12)由两根长度为30cm～50cm的长支架和一根长度为10cm～20cm的短支架组成，任意两根支架间的夹角相等；其中，两根长支架分别固定在所述下箱管(1)的上部管壁上，短支架朝向所述下箱管(1)的底部，用来固定所述扩散板(11)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的流化床换热器，其特征在于，所述扩散板(11)为多孔板，孔结构为正圆形小孔反圆形大孔，侧面结构为V字型，优选地，所述圆形小孔的直径为固体颗粒平均粒径的1～2倍，所述圆形大孔的直径为固体颗粒平均粒径的4～6倍；

所述扩散板(11)由两个完整的厚度为2cm～4cm的半圆板拼接而成，拼接角度为90°～140°；

所述扩散板(11)的底部圆形直径为所述下箱管(1)的直径的0.990～0.999倍；

所述扩散板(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10r/min～30r/min。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的流化床换热器，其特征在于，所述液固分离箱(4)是重力沉降式或者水力旋流器中的一种。

9.一种防止常减压装置顶部换热器结垢的方法，采用权利要求1-8中任一项所述的双分布构件自清洁流化床换热器，其中，换热器列管(2)内循环原油，壳程循环水；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(13)流出的固体颗粒混合后，通过装有挡板(10)的支架环(9)来达到初步分散，再经由扩散板(11)进行颗粒流化及均匀分布，并进入到换热器列管(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双分布构件自清洁流化床换热器中循环。

10.根据权利要求9所述的防止常减压装置常顶换热器管程结垢的方法，其特征在于，所述双分布构件自清洁流化床换热器中的换热器列管(2)内原油的流速为2.0m/s～4.5m/s。

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