CN114076528A

CN114076528A - 管壳式换热器和流化床换热器

Info

Publication number: CN114076528A
Application number: CN202010813146.3A
Authority: CN
Inventors: 罗城静彦; 裴义霞; 顾军民
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2040-08-13
Also published as: CN114076528B

Abstract

本发明属于化工领域，公开了一种管壳式换热器和流化床换热器，该管壳式换热器的第一管箱内设有旋转均布模块，旋转均布模块包括沿上游至下游方向依次固定连接的爪形支管件、分布罩体和分布盘；其中，爪形支管件包括沿上下游方向延伸且与第一管箱的管箱入口连通的多根支管，分布罩体形成有朝向上游凹陷的颗粒分布腔和朝向下游开口的罩口，多根支管的下游端均连接于分布罩体的罩壁且连通颗粒分布腔，分布盘设有多个盘面通孔且盖合罩口。本发明通过设置旋转均布模块以均匀分散液固混合物中的固体颗粒物，有利于其不断冲刷列管束的管壁，使管壁上难于结垢，保证换热效率以延长运行周期。

Description

管壳式换热器和流化床换热器

技术领域

本发明涉及化工领域，具体地，涉及一种管壳式换热器和流化床换热器。

背景技术

换热器被广泛应用于石油化工等领域，但在长周期使用后，换热器内部会不可避免地出现粘附结垢现象，从而使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。而在流化床换热器中，流体中的固体颗粒均匀分布是维持换热器在长周期下的高传热效率的关键技术之一，但现有技术仍未能较好解决以上技术问题。而开发具有自清洁除垢能力的流化床换热器可有效降低换热器内部的热阻，从而减缓换热器的换热效率的降低速度，进而延长换热器在一次周期内的使用时间，具有重大的经济效益。US005676201A公开了一种外循环流化床换热器，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，该Kenics静态混合器仅能用于卧式换热器。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种管壳式换热器和流化床换热器，能够有效减少列管束的管壁上的结垢，以在长周期运行下始终保证较高的换热效率。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种管壳式换热器，包括沿上游至下游方向依次连接的第一管箱、换热主体和第二管箱，所述换热主体内设有两端分别连接所述第一管箱和所述第二管箱的列管束，所述第一管箱内设有旋转均布模块，所述旋转均布模块包括沿上游至下游方向依次固定连接的爪形支管件、分布罩体和分布盘；

其中，所述爪形支管件包括沿上下游方向延伸且与所述第一管箱的管箱入口连通的多根支管，所述分布罩体形成有朝向上游凹陷的颗粒分布腔和朝向下游开口的罩口，多根所述支管的下游端均连接于所述分布罩体的罩壁且连通所述颗粒分布腔，所述分布盘设有多个盘面通孔且盖合所述罩口。

可选地，所述支管包括呈直管状的中心支管和形状大小相同的多根旁路支管，多根所述旁路支管分别从所述中心支管的上游端向外伸出且沿所述中心支管的周向依次等间隔设置，所述旋转均布模块设置为能够围绕所述中心支管的管轴线旋转。

可选地，所述旋转均布模块的转速范围为10r/min～30r/min。

可选地，所述旁路支管呈弯折管状且包括第一旁路管段和第二旁路管段，所述第一旁路管段从所述中心支管倾斜向外伸出，所述第二旁路管段从所述第一旁路管段的外端倾斜向外伸出且连接至所述分布罩体。

可选地，所述中心支管的长度为100mm～200mm且外径为所述列管束的列管外径的1倍～3倍，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的形状大小相同，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的长度均为80mm～160mm且外径均为所述列管束的列管外径的2倍～5倍，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的夹角为90°～140°。

可选地，所述分布罩体呈球冠状，所述分布罩体的中心轴线与所述中心支管的管轴线重合。

可选地，球冠状的所述分布罩体在沿中心轴线方向上的高度为150mm～300mm。

可选地，所述分布盘的外轮廓呈圆形，相对远离所述分布盘的圆心的所述盘面通孔的开孔面积不小于相对靠近所述分布盘的圆心的所述盘面通孔的开孔面积；和/或，所述盘面通孔呈星形、条形或漏斗形；和/或，所述分布盘呈平面状、凹面状或凸面状。

可选地，多个所述盘面通孔在所述分布盘上的开孔率为50％～70％；和/或，所述盘面通孔的当量直径为所述流化床换热器中的液固混合物的固体颗粒物的颗粒平均直径的3倍～4倍。

此外，本发明第二方面提供了一种流化床换热器，所述流化床换热器包括上述的管壳式换热器。

在本发明中，当液固混合物流经处于旋转状态下的旋转均布模块时，其中的固体颗粒物先通过爪形支管件中的多根支管分散至分布罩体的颗粒分布腔中，并在颗粒分布腔内进一步流化和扩散，最后在通过分布盘中的多个盘面通孔后得以充分均匀分布，从而在流经列管束时不断冲刷其管壁，使管壁上难于结垢，保证换热效率，从而延长换热器的运行周期。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的具体实施方式中的管壳式换热器的示意图；

图2为本发明的具体实施方式中的旋转均布模块的示意图；

图3为图2中的爪形支管件的示意图；

图4为图3中的爪形支管件的另一角度的示意图；

图5为图2中的分布罩体的示意图；

图6为图5中的分布罩体的另一角度的示意图；

图7为本发明的具体实施方式中的一种分布盘的示意图，图中的分布盘设有条形的盘面通孔；

图8为本发明的具体实施方式中的另一分布盘的示意图，图中的分布盘设有漏斗形的盘面通孔；

图9为本发明的具体实施方式中的另一分布盘的示意图，图中的分布盘设有星形的盘面通孔。

附图标记说明：

1 管壳式换热器

11 第一管箱 12 第二管箱

13 列管束 14 旋转均布模块

141 爪形支管件 142 分布罩体

143 分布盘

141a 中心支管 141b 旁路支管

142a 罩体连接孔 143a 盘面通孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

如图1至图9所示，本发明第一示例性实施例提供了一种管壳式换热器1，可应用于流化床换热器中，该管壳式换热器1包括沿上游至下游方向依次连接的第一管箱11、换热主体和第二管箱12，换热主体内设有两端分别连接第一管箱11和第二管箱12的列管束13，第一管箱11内设有旋转均布模块14。其中，第一管箱11用于将液固混合物引入管壳式换热器1内，该第一管箱11可设置为呈半圆筒状且沿上下游方向的管箱长度可设置为列管束的长度的0.3倍～0.5倍。第二管箱12用于将液固混合物引出管壳式换热器1外。列管束13的上游端连接第一管箱11且下游端连接第二管箱12。旋转均布模块14包括沿上游至下游方向依次固定连接的爪形支管件141、分布罩体142和分布盘143。

具体地，爪形支管件141包括沿上下游方向延伸且与第一管箱11的管箱入口连通的多根支管，分布罩体142形成有朝向上游凹陷的颗粒分布腔和朝向下游开口的罩口，多根支管的下游端均连接于分布罩体142的罩壁且连通颗粒分布腔，分布盘143设有多个盘面通孔143a且盖合罩口。

通过设置上述结构，当液固混合物流经处于旋转状态下的旋转均布模块14时，其中的固体颗粒物先通过爪形支管件141中的多根支管初步分散至分布罩体142的颗粒分布腔中，并在颗粒分布腔内进一步流化和扩散，最后在通过分布盘143中的多个盘面通孔143a后得以充分均匀分布，从分布盘143流出的液固混合物紧接着流入列管束13内以不断冲刷其管壁，使管壁上难于结垢，保证换热效率，从而延长换热器的运行周期。

继续参照图示，爪形支管件141的支管可包括中心支管141a和多根旁路支管141b。中心支管141a呈直管状且支管上游端与第一管箱11的管箱入口(用于连接管壳式换热器1外的管路以引入液固混合物)连通，多根旁路支管141b的形状大小完全相同，并分别从中心支管141a的上游端向外伸出且沿中心支管141a的周向依次等间隔设置，此时旋转均布模块14设置为能够围绕中心支管141a的管轴线旋转，以使得固体颗粒物能够初步均匀分散至颗粒分布腔的中部和环绕该中部的周部区域，从而使得固体颗粒物在更大的径向范围内均匀分散，保证列管束13中位于较外侧的管路也能流入足够多的固体颗粒物，以保证对各个管路的冲刷效果。例如，可将旋转均布模块14的转速范围设置为10r/min～30r/min。

进一步地，可将旁路支管141b设置为呈弯折管状且包括第一旁路管段和第二旁路管段，其中第一旁路管段从中心支管141a倾斜向外伸出，第二旁路管段从第一旁路管段的外端倾斜向外伸出且连接至分布罩体142。

可选地，中心支管141a的长度可设置为100mm～200mm且外径可设置为列管束13的列管外径的1倍～3倍。第一旁路管段和第二旁路管段可设置为形状大小相同，第一旁路管段和第二旁路管段的长度均可设置为80mm～160mm且外径均可设置为列管束13的列管外径的2倍～5倍，第一旁路管段和第二旁路管段的夹角可设置为90°～140°。

此外，参照图示，可将分布罩体142设置为呈球冠状，该分布罩体142的中心轴线与中心支管141a的管轴线重合，分布罩体142的厚度可设置为2mm～4mm。换言之，当旋转均布模块14围绕中心支管141a的管轴线旋转时，分布罩体142与爪形支管件141同轴旋转，以能够更均匀地分散固体颗粒物。

为保证颗粒分布腔具有足够空间以均匀分布固体颗粒物，可将球冠状的分布罩体142在沿中心轴线方向上的高度设置为150mm～300mm。

在一种实施例中，参照图2至图6，旁路支管141b可包括沿中心支管141a的周向依次等间隔布置第一旁路支管、第二旁路支管、第三旁路支管和第四旁路支管，分布罩体142的罩体壁形成有五个罩体连接孔142a，以分别对应连接中心支管141a、第一旁路支管、第二旁路支管、第三旁路支管和第四旁路支管的下游端，

此外，可将分布盘143的外轮廓设置为呈圆形且直径与球冠状的分布罩体142的下游端的直径相同，分布盘143的厚度可设置为3cm～6cm。为保证固体颗粒物的均匀分布效果，多个盘面通孔143a在分布盘143上均匀布置，并可将相对远离分布盘143的圆心的盘面通孔143a的开孔面积设置为不小于相对靠近分布盘143的圆心的盘面通孔143a的开孔面积。参照图7至图9，可将盘面通孔143a设置为呈星形、条形或漏斗形。此外，可将分部盘143设置为呈平面状、凹面状或凸面状，例如，可设置为凸透镜状、凹透镜状、上凹状或下凹状。多个盘面通孔143a在分布盘143上的开孔率可设置为50％～70％。盘面通孔143a的当量直径可设置为流化床换热器中的液固混合物的固体颗粒物的颗粒平均直径的3倍～4倍。

对于在流化床换热器中流动的液固混合物，其中的固体颗粒物可以是惰性固体颗粒物，该惰性固体颗粒物的堆密度大于流通液体的密度，且不与所用场合的使用介质发生反应，优选为硅酸锆珠、刚玉球、瓷球、钢球、工程塑料中的一种或多种。此外，惰性固体颗粒物的平均直径为2mm～4.5mm，且在流化床换热器内的平均体积固含率为3％～8％。

此外，本发明第二示例性实施例提供了一种采用上述的管壳式换热器1的流化床换热器，显然，该流化床换热器由于采用管壳式换热器1而具备其带来的所有技术效果，此处不再重复赘述。

在一种实施例中，流化床换热器还可包括液固分离器(例如，液固分离器为重力沉降式或者水力旋流器等)、固体颗粒储存器、液体储存器和液体循环泵。其中，第二管箱12的输出管路连通至液固分离器，液固分离器包括第一输出管路和第二输出管路，第一输出管路连通至固体颗粒储存器，第二输出管路连通至液体储存器，液体储存器的输出管路连通至液体循环泵，固体颗粒储存器的输出管路与液体循环泵的输出管路均连接至第一管箱11的输入管路。

例如，当管壳式换热器1的管程(列管束13)循环原油且壳程循环冷却水时，在液体循环泵的作用下，原油从液体储存器输出(原油的流速范围可设置为1.5m/s～4.5m/s)，以与从固体颗粒储存器输出的惰性固体颗粒物混合成液固混合物后输入第一管箱11。然后，液固混合物被旋转均布模块14均匀分散后流入列管束13内，在管内原油与壳程中的冷却水换热的过程中，惰性固体颗粒物不断冲刷管壁，使污垢难于粘附积聚。完成换热后的液固混合物经第二管箱12输出至液固分离器，在液固分离器的分离作用下，惰性固体颗粒物从液固分离器的第一输出管路输出至固体颗粒储存器，原油从液固分离器的第二输出管路输出至液体储存器，从而完成一次循环流化换热过程。

下面通过若干实施例和对比例以进一步体现本发明带来的技术效果。

实施例1

采用图1所示的管壳式换热器1(沿竖向摆置)，应用于某厂的常减压装置的顶部换热器。

其中，该管壳式换热器1的列管束13包括441根换热器列管，每根列管的管长为1400mm且管径为Φ25×2.5mm，管束整体呈正方形排列。第一管箱11的高度为600mm且宽度为700mm。

固体颗粒物为瓷球且平均粒径为3mm，固体颗粒物在管壳式换热器1内的平均体积固含率为5％。液相为原油且流速为2.5m/s。

爪形支管件141的中心支管141a的管长为120mm且直径为55mm，旁路支管141b的管长为100mm、直径为70mm且弯折夹角为100°，爪形支管件141的旋转速度为17r/min。

分布罩体142的高度为200mm。

分布盘143呈平面状且厚度为2cm，盘面通孔143a呈漏斗形(参照图8)，孔的当量直径为8mm，开孔率为60％。

液固分离器为重力沉降式。

固体颗粒储存器的输出管路的管径为120mm。

在上述结构下，管壳式换热器1连续运行230天后传热系数为原来的93％。

实施例2

固体颗粒物为硅酸锆且平均粒径为3.5mm，固体颗粒物在管壳式换热器1内的平均体积固含率为4％。液相为原油且流速为3m/s。

爪形支管件141的中心支管141a的管长120mm且直径为55mm，旁路支管141b的管长为80mm、直径为85mm且弯折角度为120°，爪形支管件141的旋转速度为20r/min。

分布罩体142的高度为250mm。

分布盘143呈下凸形且厚度为4cm，盘面通孔143a呈星形(参照图9)，孔的当量直径为8mm，开孔率为65％。

液固分离器为重力沉降式。

固体颗粒储存器的输出管路的管径为110mm。

在上述结构下，管壳式换热器1连续运行200天后传热系数为原来的94％。

实施例3

固体颗粒物为工程塑料且平均粒径为2mm，固体颗粒物在管壳式换热器1内的平均体积固含率为7％。液相为原油且流速为2.5m/s。

爪形支管件141的中心支管141a的管长为140mm且直径为50mm，旁路支管141b的管长为90mm、直径为75mm且弯折角度为130°，爪形支管件141的旋转速度为25r/min。

分布罩体142的高度为180mm。

分布盘143呈凸透形且厚度为3cm，盘面通孔143a呈条形(参照图7)，孔的当量直径为11mm，开孔率为55％。

液固分离器为重力沉降式。

固体颗粒储存器的输出管路的管径为100mm。

在上述结构下，管壳式换热器1连续运行180天后传热系数为原来的96％。

实施例4

固体颗粒物为钢球且平均粒径为4mm，固体颗粒物在管壳式换热器1内的平均体积固含率为5％。液相为原油且流速为3m/s。

爪形支管件141的中心支管141a的管长为150mm且直径为60mm，旁路支管141b的管长为100mm、直径为100mm且弯折角度为120°，爪形支管件141的旋转速度为20r/min。

分布罩体142的高度为250mm。

分布盘143呈上凸形且厚度为4cm，盘面通孔143a呈星形(参照图9)，孔的当量直径为11mm，开孔率为55％。

液固分离器为重力沉降式。

固体颗粒储存器的输出管路的管径为110mm。

在上述结构下，管壳式换热器1连续运行180天后传热系数为原来的94％。

对比例1

在本对比例的流化床换热器中，除以下特别提及的设置以外，该流化床换热器中的管壳式换热器的其余设置均与实施例1中的管壳式换热器1相同。

在本对比例中，不设置旋转均布模块14，固体颗粒物为钢球且平均粒径为3mm，固体颗粒物在流化床换热器内的平均体积固含率为6％。液相为原油且流速为3m/s。

在上述结构下，流化床换热器连续运行180天后传热系数为原来的62％。

对比例2

在本对比例中，设有爪形支管件141，但不设置分布罩体142和分布盘143，固体颗粒物为玻璃珠且平均粒径为2.5mm，固体颗粒物在流化床换热器内的平均体积固含率为5％。液相为原油且流速为3.5m/s。

在上述结构下，流化床换热器连续运行180天后传热系数为原来的69％。

对比例3

在本对比例中，设有爪形支管件141和分布罩体142，但不设置分布盘143，固体颗粒物为氧化铝珠且平均粒径为2mm，固体颗粒物在流化床换热器内的平均体积固含率为4％。液相为原油且流速为2.5m/s。

在上述结构下，流化床换热器连续运行200天后传热系数为原来的74％。

通过上述对比分析，在其余设置基本相同的情况下，在长运行周期后，设有旋转均布模块14的流化床换热器的传热系数要高于不设置旋转均布模块14的流化床换热器的传热系数，即相当于设有旋转均布模块14的流化床换热器延长了可运行周期。

此外，在流化床换热器中设有旋转均布模块14的情况下，当旋转均布模块14的结构越复杂时，换热器在长运行周期后的传热系数越高。

综上，通过在流化床换热器中设置旋转均布模块14，能够始终保证较高的传热系数，从而使换热器在长周期运行下始终保证较高的换热效率。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims

1.一种管壳式换热器，包括沿上游至下游方向依次连接的第一管箱(11)、换热主体和第二管箱(12)，所述换热主体内设有两端分别连接所述第一管箱(11)和所述第二管箱(12)的列管束(13)，其特征在于，所述第一管箱(11)内设有旋转均布模块(14)，所述旋转均布模块(14)包括沿上游至下游方向依次固定连接的爪形支管件(141)、分布罩体(142)和分布盘(143)；

其中，所述爪形支管件(141)包括沿上下游方向延伸且与所述第一管箱(11)的管箱入口连通的多根支管，所述分布罩体(142)形成有朝向上游凹陷的颗粒分布腔和朝向下游开口的罩口，多根所述支管的下游端均连接于所述分布罩体(142)的罩壁且连通所述颗粒分布腔，所述分布盘(143)设有多个盘面通孔(143a)且盖合所述罩口。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，所述支管包括呈直管状的中心支管(141a)和形状大小相同的多根旁路支管(141b)，多根所述旁路支管(141b)分别从所述中心支管(141a)的上游端向外伸出且沿所述中心支管(141a)的周向依次等间隔设置，所述旋转均布模块(14)设置为能够围绕所述中心支管(141a)的管轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的管壳式换热器，其特征在于，所述旋转均布模块(14)的转速范围为10r/min～30r/min。

4.根据权利要求2所述的管壳式换热器，其特征在于，所述旁路支管(141b)呈弯折管状且包括第一旁路管段和第二旁路管段，所述第一旁路管段从所述中心支管(141a)倾斜向外伸出，所述第二旁路管段从所述第一旁路管段的外端倾斜向外伸出且连接至所述分布罩体(142)。

5.根据权利要求4所述的管壳式换热器，其特征在于，所述中心支管(141a)的长度为100mm～200mm且外径为所述列管束(13)的列管外径的1倍～3倍，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的形状大小相同，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的长度均为80mm～160mm且外径均为所述列管束(13)的列管外径的2倍～5倍，所述第一旁路管段和所述第二旁路管段的夹角为90°～140°。

6.根据权利要求2所述的管壳式换热器，其特征在于，所述分布罩体(142)呈球冠状，所述分布罩体(142)的中心轴线与所述中心支管(141a)的管轴线重合。

7.根据权利要求6所述的管壳式换热器，其特征在于，球冠状的所述分布罩体(142)在沿中心轴线方向上的高度为150mm～300mm。

8.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，所述分布盘(143)的外轮廓呈圆形，相对远离所述分布盘(143)的圆心的所述盘面通孔(143a)的开孔面积不小于相对靠近所述分布盘(143)的圆心的所述盘面通孔(143a)的开孔面积；和/或，所述盘面通孔(143a)呈星形、条形或漏斗形；和/或，所述分布盘(143)呈平面状、凹面状或凸面状。

9.根据权利要求1所述的管壳式换热器，其特征在于，多个所述盘面通孔(143a)在所述分布盘(143)上的开孔率为50％～70％；和/或，所述盘面通孔(143a)的当量直径为所述流化床换热器(100)中的液固混合物的固体颗粒物的颗粒平均直径的3倍～4倍。

10.一种流化床换热器，其特征在于，所述流化床换热器包括根据权利要求1～9中任意一项所述的管壳式换热器(1)。