CN114424011A - 用于热交换器的防结垢装置及其用途 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于减少热交换器管中结垢的装置以及包括这种防结垢装置的热交换器。防结垢装置包括细长的置换体，该置换体可插入热交换器管中以减小管的一部分中的流动横截面积。它还包括连接到细长的置换体的安装件，用于将装置附接到热交换器管的端部。安装件配置为：在置换体被插入管中时，将置换体保持为与管的内表面呈间隔开的关系。所公开的防结垢装置在延长的时间段内以可靠的方式有效地减少热交换器中的结垢，而无需维护或无需外部控制，可以以相对较低的成本提供，易于安装并且还可以改装到现有的热交换器。它特别适用于减轻经受热燃烧或工艺气体，例如在生产炭黑、热解法二氧化硅或其他颗粒物质时遇到的热交换器中的与结垢相关的问题，而不会污染可从工艺气体中回收的产品或对其性质产生不利影响。

Description

用于热交换器的防结垢装置及其用途

技术领域

本发明涉及一种防结垢装置及其用于减少或避免热交换器中的结垢的用途。本发明还涉及包含该装置的热交换器及其在工业工艺中，特别是在炭黑生产中的用途。

背景技术

热交换器广泛用于各种工业工艺，以从热工艺或燃烧气体中回收能量并将其转移到热交换流体中，以提高工艺的整体效率。例如，回收的能量可以用于：加热一种或多种反应物，在这种情况下，反应物可以直接用作热交换流体；或用于帮助维持工艺中所需的工作或反应温度；或用于其他目的，包括与工艺本身没有直接关系的目的，例如用于发电或区域加热。在这些工艺中的一些工艺中，热交换器可能会经受相当高的温度，例如1,000℃或更高，从而对材料选择提出严格的要求。这种高温工艺的说明性示例包括炭黑或气相二氧化硅的生产。

通常通过含烃原料在受控条件下的热解来生产炭黑。用于制造炭黑的多种不同方法和反应器通常是已知的(参见例如Jean-Baptiste Donnet，Roop Chand Bansal，Meng-Jiao Wang，Carbon Black，第2版，CRC出版社，1993)。根据最常见的生产工艺类型，在炉反应器中的一个或多个位置，含烃原料被注入热燃烧气体流中，该热燃烧气体流是先前通过使燃料(通常是含烃燃料)与氧化剂(优选空气)进行反应而在上游生成的。由于燃烧气体中的高温，当原料和热燃烧气体的混合物通过反应器的反应区时，注入的含烃原料进行热分解并进行炭黑的形成。在已经形成具有所需性质的炭黑之后，通常通过注入水对工艺混合物进行淬火来停止热解。得到的含炭黑气体通常通过热交换器，也称为空气预热器，以用于进一步冷却含炭黑的气体，同时预热空气，然后将其供应到反应器的燃烧室以用于与燃料反应，从而形成热燃烧气体。冷却后的含炭黑的气体随后被传送到过滤器单元，例如袋式过滤器，在过滤器单元中从气流中分离并收集炭黑产品。

用于生产炭黑的常规热交换器通常包括多个平行管，多个平形管延伸穿过由圆柱形壳体、底板和顶板包围的竖直布置的圆柱形腔室。腔室设置有用于待被预热的空气的入口和出口，入口和出口通常在壳体的底部和顶部部分。当热的含炭黑的气体通过管时，热量穿过管壁传递到在腔室内部的管的外表面上流动的空气流。空气的温度因此可以在出口处增加到高达约950℃和更高的温度。除其他外，热交换器主要以逆流模式工作，其中通常，热的含炭黑的气体从底部到顶部穿过管。热交换器通常包括附加装置，例如用于控制腔室内的空气流动的挡板。

用于从热工艺或燃烧气体(例如，从用于生产炭黑的反应器获得的气体)中回收能量的常规热交换器遇到的常见问题是它们在常规的工作条件下易于结垢。因此，工艺气体或燃烧气体通常包含凝聚相物质或其前体(precursor)。结垢是通过凝聚相材料，例如颗粒物质(例如炭黑)在热交换表面(例如，特别是热交换器管的内表面)上的沉积而发生的，热交换表面与含有凝聚相材料的热燃烧或工艺气体接触。结垢通常是一种自催化过程，因为已经形成的沉积物可以作为核(nuclei)并促进额外的凝聚相材料在热交换表面上的沉积。

结垢可能有几个不利影响。因此，它会例如通过降低热交换器的热交换表面的热传导系数来对热传递的效率产生不利影响。因此，热交换流体(例如空气)的可实现的出口温度可能较低，这可能降低联合生产工艺的效率，例如导致炭黑生产中的较低产量或生产率。在某种程度上，可以通过使用工艺或燃烧气体的更高入口温度来补偿这种较低效率的热传递，以实现热交换流体的所需的出口温度，但是，另一方面，这会增加施加在热交换器上的热应力。由于结垢是一个渐进的过程，因此热交换流体的出口温度的变化也可能导致可从利用热交换流体的联合生产工艺中获得的产品的特性(例如炭黑产品的物理性质)的不期望的长期变化。热交换表面上的沉积物还可能影响热交换器中的气体流动特性，例如它们可能增加热交换器管的相对端之间的压降，这同样可能对工艺效率产生不利影响并在热交换器材料上产生额外的应力。最终，存在结垢可能导致热交换器管完全堵塞和/或对热交换器造成不可逆损坏(例如由于热交换器管的裂缝或破裂)的风险。此外，随着时间的推移，沉积物趋于硬化和变脆，从而存在硬化的沉积物可能从热交换器表面分离并重新进入工艺或燃烧气体流的风险，从而导致从中获得的产品受到污染。

为了避免这些问题和缺点并重建适当的功能，热交换器通常被不时关闭以进行定期维护以去除热交换表面的沉积物。然而，例如通过长钢丝刷或喷砂等以机械方式对热交换器管进行清洁，既费力又费时并对热交换器材料施加应力。此外，这种方法很昂贵，因为停机和清洁操作所需的时间意味着生产时间的损失。

因此，在本领域中已经开发了不同的技术解决方案来消除热交换器表面的结垢。

一种选择预见到在氧气水平低于较低的爆炸限制的环境中反复加热热交换器管，以从热交换器管的内表面热去除沉积物。然而，这种热清洁可能会对热交换器施加显著的热应力，包括局部过热的风险，从而导致热交换器的退化，从而缩短其寿命。

此外，已考虑了使用各种化学添加剂作为防污剂。例如，已经建议将某些聚合材料添加到可能导致结垢的热工艺或燃烧介质和/或用于形成这种介质的前体材料中以避免热交换器表面上的结垢。例如，US2014/0338254A1提出在100℃至550℃的温度范围内对液体烃介质进行热处理时使用某些羟基官能聚酯作为防污剂。这样的防污剂可能有助于延缓或避免结垢的进展，然而，它们通常不能去除已经在热交换表面上形成的沉积物。或者，已经预见到使用含糖清洁组合物，并且由此可实现从结垢的热交换器管中去除沉积物，这归因于对表面的研磨清洁。然而，化学添加剂的使用通常意味着将异物添加到工艺介质中，这会污染或以其他方式不利地影响从工艺介质中获得的产品的性能。

因此，其他方法试图通过热交换器的特定结构设计来最小化结垢。在此，已发现工艺介质和与其接触的热交换器表面之间的大温度梯度通常会促进结垢，因此设计了保持较小的温度梯度的结构设计。

例如，美国专利No.6,585,949B1建议保持含炭黑的燃烧气体和与其接触的热交换表面之间的温差不大于500°F，优选最好不大于100°F，以防止热交换器表面结垢。在此通过控制优选为空气的热交换流体流的速度来控制温度差。为此目的，它提出了一种具有外壳体和内壳体的热交换器结构，其中通过设置数量和直径不同的孔，以使热交换表面的任何部分的局部冷却被最小化的方式，来将气流分开并分配到不同的挡板通道。

EP0777098A2提出了一种替代的特定热交换器设计，其包括双层底管板和遮盖在相对冷的冷却介质可能将直接撞击到的区域中的一根或多根工艺气体管的装置。遮盖装置可以包括与冷却介质入口相邻的气体管腔室和/或环绕地设置在双层底管板内的工艺气体管的下部附近的套圈，该套圈与套圈填充物一起在热工艺气体和工艺气体管的底部区域之间提供热屏障。这种设计应避免突然的局部温度变化并实现更均匀的内部温度梯度，从而减少工艺气体管内的结垢趋势。

此外，EP2820366B1涉及一种适用于生产炭黑的热交换器，该热交换器具有两级设计，其中含有炭黑的热工艺介质在进入管式换热部分之前，通过沿竖向布置的被圆柱形壳体环绕的腔室，该壳体适合于将热量传递给在该壳体外侧流动的待预热气体，然后通过导管将预热后的气体送入管式热交换器的入口。保持该预热以减小管状热交换部分中的管的表面与在管内流动的含有炭黑的热工艺介质之间的温差，从而减少甚至消除管的结垢。

热交换器的这种特定结构已经在减少结垢方面带来了一些改进，然而，代价是热交换器系统的复杂性和敏感性增加。此外，现有的热交换器不能根据这样的概念进行改造，因为需要对热交换器进行重大的结构改变以相应地调整它们。

除了对主要热交换器的设计进行结构上的改变外，还提出了根据不同的物理原理专门设计用于减少热交换器中的结垢的辅助设备。

因此，例如，已经提出了一些装置，该装置依赖于在热交换器的工作期间，利用清洗介质的短时间高速的(例如超音速)气体脉冲(例如过热蒸汽)，定期冲洗管来清洁带有结垢的热交换器。这种装置的一个示例公开在美国专利No.4,366,003中，并且包括一系列喷射喷嘴，例如Laval喷嘴，这些喷嘴布置在热交换器管的气体入口开口中央上方的空间中，并连接到管道上，该管道设有用于定期供给清洁气体的关闭元件，该清洁气体具有相对于工艺气体的过压。周期性气体脉冲被描述为通过空化效应对热交换器管的内表面上的沉积物施加分解作用，并且能够保持沿热交换器管的压降较低以及保持高热交换效率而不会不利地影响到炭黑产品的质量。

类似地，CN101949545(A)描述了一种用于壳管式热交换器的自动除垢装置。该装置包括：空气喷射管，具有多个空气喷射口，安装在靠近并平行于热交换器管的端部的平面的位置，通过阀门连接到压缩空气源；传动机构，包括电机，用于定位空气喷射管，每次调整使不同位置的多个空气喷射口面对一组热交换器管口；以及控制器，控制喷射管在热交换器管上的相对定位和高压脉冲注入热交换器管，以去除其内表面的沉积物。

此外，美国专利No.4,846,894提出在大约一秒的短时间内间歇性地中断通过热交换器管的含炭黑颗粒的运输气体的流动，以使沉积在管的内表面上的固体沉积物被去除并在气流恢复后被扫除。它还描述了一种用于实现这种方法的装置，该装置包括闸板或断流器组件，闸板与管的排放端相邻，使得该板可以滑动到阻挡管的排放端的位置。

美国专利No.4,825,940公开了一种自动清洁装置，用于定期清洁竖直布置的热交换器管的内表面，该装置包括：弹性元件、例如永久设置在管中的弹簧，以及喷嘴，用于喷射压缩气体，这些喷嘴布置在管的开口的前面的一定距离处。来自这些喷嘴的压缩气体的脉冲喷射用于使弹性构件在管内部振动，从而与管的内表面接触，从而机械地刮掉沉积物，以便清洁这些表面。

上述类型的辅助设备至少部分地能够令人满意地减少结垢；然而，它们增加了整个系统的机械复杂性和敏感性，需要使用能够承受苛刻工作条件的特定材料，特别是在承受高温工艺介质时，并且需要增加控制和维护。此外，这样的装置成本高，并且不能容易地改装到现有的热交换器。

因此，一直需要新的不受上述现有技术的技术方案的限制和缺陷的影响的方法来有效地减少甚至防止热交换器中的结垢。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种具有简单构造的廉价装置，该装置能够在延长的时间段内以可靠的方式有效地减少或甚至避免热交换器中的结垢，而不会对热交换器施加显著的应力。该装置无需维护控制或无需增加控制，并且易于安装，包括用于改造现有的热交换器的选项。此外，它应与高温应用兼容，例如与作为来自用于生产炭黑的反应器的流出物的热工艺气体兼容，而不存在污染或对可从工艺气体中回收的产品(例如特别是炭黑)的性能产生不利影响的风险。

本发明的发明人通过勤奋的研究发现，该目的可以借助于如权利要求1所述的防结垢装置来实现。

因此，本发明涉及一种用于减少热交换器管中的结垢的装置，该装置包括细长的置换体(displacement body)，该置换体配置为被插入到热交换器管中以减小管的一部分中的流动横截面积。该装置还包括连接到细长的置换体的安装件，以用于将装置附接到热交换器管的端部。安装件被配置为：在置换体被插入管中时，将置换体保持为处于与管的内表面间隔开的关系。

令人惊讶地发现，这种装置能够在延长的时间段内以可靠的方式来有效地减少或甚至避免热交换器中的结垢，而无需维护、外部控制、添加化学试剂或在热交换器上施加显著的应力。在本文，该装置与高温应用完全兼容，并且可以被暴露于热燃烧或工艺气体(例如在生产炭黑、气相二氧化硅或其他颗粒物质时遇到的气体)，而不会污染可从工艺气体中回收的产品或不会对其性能产生不利影响。

根据本发明的装置可以以相对较低的成本被提供，易于安装并且还可以改装到现有的热交换器，从而代表一种用于解决热交换器中的与结垢相关的问题的有吸引力的通用装置。

在不意在受限于任何理论的情况下，发明人相信根据本发明的装置能够局部控制热交换器管中的热和气体流动特性，使得可以在管的以其他方式优选地发生预期结垢的一部分中有效地消除结垢，例如在热交换器管的端部附近或在管的内表面和流过管的工艺气体之间的热梯度相对较大的区域中。因此，置换体可以影响安装有该置换体的热交换器管中的气体流动特性，特别是在置换体减小管的流动横截面积的情况下增加气体流动速度。增加的气体流动速度被认为会阻碍凝聚相物质在热交换器管的内表面上的沉积并促进对现有的沉积材料的侵蚀。此外，置换体在工作中被流过热交换器管的工艺气体加热，并且可以充当导致管的内表面的面对部分温度升高的热辐射的发射器和/或反射器，从而降低管的内表面的这些部分与流过管的工艺气体之间的温度梯度。管的内表面与工艺气体之间的降低的温度梯度例如通过阻止成核、凝聚和/或热泳过程而被认为减少了用于在内管壁上沉积来自工艺气体的凝聚相材料的驱动力。此外，插入的置换体因此还可以增加热传递速率，即热量从热交换器管上的工艺介质传递到热交换流体的速率，即提高热交换的效率。

因此，本发明还涉及包括根据本发明的防结垢装置的热交换器以及根据本发明的防结垢装置用于改装管式热交换器的用途。因此，本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括至少一个管，该管具有作为工艺介质的入口的第一端和作为工艺介质的出口的第二端。热交换器还包括壳体，至少一个管延伸穿过该壳体。壳体形成增压室，用于使热交换流体从设置在壳体中的入口流动到设置在壳体中的出口，从而在至少一个管上实现工艺介质和热交换流体之间的热交换。根据本发明的防结垢装置经由安装件附接到一个或多个管中的至少一个的一个或多个端部，其中置换体以与管的内表面间隔开的关系插入所述管中，以减小管的一部分中的流动横截面积。

本发明还涉及一种用于减少热交换器管的内表面上的结垢的方法，夹带凝聚相物质的热工艺气体穿过该热交换器管，以用于与管外部的热交换流体进行热交换。该方法包括提供具有根据本发明的防结垢装置的热交换器管，该防结垢装置通过安装件附接到管的端部、例如管的出口端，其中置换体以与管的内表面间隔开的关系插入所述管中，以减少管的一部分中的流动横截面积。

具有根据本发明的防结垢装置的热交换器可用于通常使用热交换器的任何类型的应用中。然而，它们在可能遇到与结垢相关的传统严重问题的应用中特别有用，例如当热交换器管经受作为来自用于生产颗粒物质(例如炭黑、气相二氧化硅或其他颗粒材料)的反应器的流出物而获得的含有颗粒的工艺气体时。根据本发明的热交换器已被特别证明在炭黑的生产中是有益的。因此，本发明还涉及包括如本文所述的防结垢装置的热交换器在生产炭黑中的用途。它还涉及一种制造炭黑的工艺。该工艺包括使燃料与氧化剂反应以形成热燃烧气体，将烃原料注入热燃烧气体中以通过在反应器中热解原料来形成炭黑，在反应器中对所得的含炭黑工艺介质进行淬火，使淬火后的含炭黑工艺介质经过根据本发明的热交换器的一个或多个管，从而将热量从工艺介质传递到热交换介质，并从已经经过热交换器的冷却后的工艺介质中分离和收集炭黑。一种用于实施该工艺的包括燃烧反应器和根据本发明的热交换器的炭黑生产设备也在本发明的范围内。

附图说明

下面将更详细地描述本发明的这些和进一步的特征和优点。在此参考示例性实施例和附图，其被包括以用于说明目的，以增强对本发明的理解，而不应被解释为限制本发明的范围，本发明的范围将被赋予所附权利要求及其等价方案的完整的宽度。

图1表示根据本发明的防结垢装置的示例性实施例的立体图。以虚线示出防结垢装置到热交换器管的安装。

图2是图1所示的防结垢装置的横截面视图，该防结垢装置通过其安装件附接到热交换器管。

图2a表示沿在图2中由线IIa-IIa指示的平面截取的已安装的防结垢装置的横截面示图。放大的细节示图示出了装置的间隔件的接触表面被定位为非常接近热交换器管的内表面/与热交换器管的内表面松散接触。

图3示意性地描绘了根据本发明的热交换器，其包括如本文所公开的本发明的防结垢装置。

图4表示包括如图3中所描绘的根据本发明的热交换器的炭黑生产设备的示意框图。

图5A示出了热传导系数k乘以热传递面积比A/A_o与时间的代表性图形，该图形是针对根据以下的在本公开中提出的没有安装在热交换器上的根据本发明的防结垢装置的热交换器的示例的参考试验测得的。面积比被选择为使得kA/A_o在试验开始时为1kW/m²K。

图5B示出了热传导系数k乘以热传递面积比A/A_o与时间的代表性图形，该图形是针对根据以下的在本公开中提出的具有安装在热交换器上的根据本发明的防结垢装置的热交换器的试验测得的。面积比被选择为使得kA/A_o在试验开始时为1kW/m²K。

具体实施例

如上所述，本发明涉及一种用于减少热交换器管中的结垢的装置，在本文中也称为“防结垢装置”。根据本发明的防结垢装置包括细长的置换体，该置换体被配置为被插入到热交换器管中以减小管的一部分中的流动横截面积。如本文所用的术语“流动横截面积”是指管的横截面积，其可用于例如气体的流体流过管。为了清楚起见，管的横截面是指在垂直于管的主轴线的平面中的横截面。管的主轴线是指如图2所示的沿其由封闭管壁形成的中空通道方向的中心轴线，并在其中标记为轴线“A”。如本文所用的术语“置换体”是指一种物理体，当其被引入到诸如气体的流体的流动路径中时，其保持其位置并使流体的流动符合其形状。换言之，被置换体占据的流路中体积用于阻挡流体的流动，流体被迫使沿着置换体的轮廓流动。

在根据本发明的防结垢装置中使用的置换体是细长的。如本文所用的术语“细长的”是指长方形。因此，置换体呈现出优先方向，其中其尺寸大于空间中其他方向上的尺寸。沿优先方向的轴线在本文中也称为置换体的纵向轴线(在图1和图2中示出为轴线“A”)，并且置换体沿纵向轴线的延伸也被称为其长度。置换体通常具有沿纵向轴线的两个相对端，在本文中也被称为置换体的第一端和第二端。细长的置换体的靠近安装件的端部在本文中被称为置换体的第一端，安装件连接到置换体以将装置附接到热交换器管的端部。将在下面更详细地讨论安装件。与第一端相对的第二端通常代表置换体的被最远地插入到热交换器管中的前缘。为了实现均匀的热传递，置换体的对称形状可能是有利的。特别地，置换体可以具有相对于其纵向轴线旋转对称的形状。置换体的横截面沿纵向轴线可以是恒定的，例如置换体可以具有圆柱形状。或者，置换体的横截面可以沿着纵向轴线逐渐变化，例如在置换体具有圆锥形或锥形形状的情况下，例如以线性方式逐渐变化，例如在置换体包括不规则和/或复杂的形状(例如带有一个或多个凸起或凹陷的圆柱形或圆锥形基座)的情况下，以非线性方式逐渐变化。此外，该置换体的横截面可以具有任何形式，例如，圆形、椭圆形、三角形、方形或更高的多边形(例如五角形或六角形)或星形。可根据具体需要选择置换体的精确形状。例如，圆锥形可以在空气动力学方面提供益处，而圆柱形可以例如在易于制造方面提供优势。优选地，置换体具有圆柱形或圆锥形形状。根据具体情况下的需求和期望的流动特性，置换体的第一端和第二端可以具有任何类型的形状。例如，每个第一端和第二端可以单独地是直的、钝的、有角度的、锥形的、金字塔形的或圆形的，然而不限于此。直端，即垂直于纵向轴线的平面端，例如在简单性和易于制造方面可能是有益的。诸如锥形、金字塔形或圆形的其他端部配置可以提供增强的空气动力学特性。圆形对于第二端可能是特别有利的，因为它避免尖锐的边缘和拐角，这些边缘和拐角可能作为凝聚相物质沉积的成核位置。

图1示出了根据本发明的防结垢装置(1)的示例性实施例。以虚线示出防结垢装置到热交换器管(7)的安装，虚线包括对在将装置插入到管(7)中时通过装置的间隔件(12)沿着管(7)的内表面来引导该装置的指示，以及对其中结构支撑构件(10)的保持元件(11)接合热交换器管(7)的端部(9)的最终安装位置的指示。在所示的实施例中，防结垢装置(1)包括细长的置换体(2)，其具有沿置换体(2)的纵向轴线(A)具有恒定横截面的圆柱形。置换体(2)具有第一端(3)和第二端(4)，在所示实施例中它们都是直端。安装件(5)靠近第一端(3)而连接到细长的置换体，用于使装置(1)能够附接到热交换器管(7)的端部(9)，并用于保持插入的置换体(2)和管(7)的内表面(8)呈间隔开的关系，如图2所示，该图示出了安装到热交换器管后的图1所示的示例性装置。

防结垢装置的置换体一般由实心材料制成。因此，在工作条件下，它通常对于暴露在热交换器管中的工艺介质基本上是不可渗透的。制造置换体的材料通常应为预期应用提供合适的性能，例如耐腐蚀性和抗降解性，以及适当的热和机械特性，包括在设想的工作温度水平下具有足够的强度，在某些情况下、例如使用来自炭黑反应器的废水处理介质的情况下，所述工作温度水平可高达1,000℃或者甚至更高，并且制造置换体的材料将根据特定要求进行选择。例如，可以使用金属材料、陶瓷、金属陶瓷等无机复合材料或其他耐火材料来形成置换体。包括金属、合金及其组合的金属材料通常在成本和/或可加工性方面提供优势，因此优选被使用。可用于形成置换体的金属材料的非限制性示例包括：例如，铬镍铁合金、哈氏合金、铬镍铁合金、蒙乃尔合金的镍基超合金、钴基或铁基超合金、或例如1.4828、1.4876的不锈钢以及合金800h。对于许多应用，包括容易获得的用于生产炭黑不锈钢的热交换器，根据本发明，可以有利地使用具有高强度和化学稳定性的具有成本效益的可机械加工结构材料。

根据本发明的防结垢装置的置换体可以制成实心体或中空体。为了成本效率和材料节约，以及为了避免置换体对热交换器和支撑结构施加的高重量负担，置换体优选地是中空体。中空体可以具有封闭的壳体，其限定了置换体的外部轮廓和形状并且包围内部空隙空间。中空体可以具有一个或多个通孔以实现内部空隙空间的压力均衡。这样的一个或多个通孔(如果存在的话)通常设置在置换体的布置有安装件的第一端处，使得它们不影响热交换器管中的工艺介质的流动。一个或多个可选的通孔(如果存在的话)通常具有1mm至10mm、例如2mm至5mm范围内的直径，这通常能够实现预期的压力均衡。在图1所示的防结垢装置(1)的示例性实施例中，置换体(2)是中空体，在置换体(2)的第一端(3)上形成有通孔(6)。

根据本发明的防结垢装置的细长置换体配置为被插入热交换器管中。这意味着其形状和尺寸的选择应允许将纵向轴线沿管的主轴定向的置换体插入到将与该装置组合使用的热交换器的管中。因此，置换体的横截面通常小于管的流动横截面，即管的内径。置换体的尺寸可以优选地被设计为使得：通过置换体，管的流动横截面积相对于未插入置换体的管的流动横截面积被减少10％至90％，例如20％至80％或25％至70％。如果置换体的尺寸被设计为较小使得管的流动横截面积减少小于10％，则根据本发明的装置所施加的防污效果可能很弱甚至不明显。如果置换体的尺寸被设计为较大使得管的流动横截面积减少90％以上，则可能会在管中造成显著的压降，工艺介质的通过量和传热效率可能会受到不利影响。置换体的长度通常被选择为对应于管的应减小的流动横截面以消除结垢的部分。置换体原则上可以延伸穿过整个热交换器管，即置换体的长度可以与热交换器管的总长度的直至100％相对应。然而，通常，置换体的长度将与小于热交换器管的总长度的100％(例如近90％，例如近75％、近50％、近40％、近30、近20％或近10％)相对应。置换体的长度可以是热交换器管的总长度的1％或更多、2％或更多、5％或更多、10％或更多、或15％或更多。置换体的长度可以在任何上述值之间的范围内，例如在热交换器管总长度的1％至70％、或5％至50％、或10％至40％的范围内。鉴于本领域当前使用的热交换器管的尺寸，因此，根据本发明的防结垢装置的置换体的长度可以例如在从约30cm、或50cm、或1m、或2m到约10m、或7m、或5m的范围内，和/或横截面可以近20cm、或近15cm、或近10cm、或近7cm、或近5cm，例如可以在从1cm到20cm、或从2cm到15cm或从3cm到10cm的范围内。

如前所述以及图1和图2所示，根据本发明的防结垢装置(1)还包括用于将装置(1)附接到热交换器管(7)的端部(9)的、连接到细长的置换体(2)的安装件(5)。如图2所示，安装件(5)被配置为在置换体(2)被插入管(7)中时将置换体(2)保持为与管(7)的内表面(8)呈间隔开的关系。如本文所用的术语“呈间隔开的关系”是指在安装状态下，被插入的置换体被定位在距管的内表面一定距离处。换言之，置换体和管的内表面彼此不直接接触，从而确保工艺介质通过管流动，并避免管和置换体之间的不期望的接触热传递以及相关的热和/或机械应力。安装件优选地被配置为将置换体的纵向轴线布置成基本上平行于管的主轴线。如本文所用的术语“基本上平行”是指可能存在与理想平行布置之间的小偏差，例如近10°、近5°或近3°或近1°的偏差。安装件尤其可以被配置为：使插入的置换体沿管的主轴线居中，使得置换体的纵向轴线和管的主轴线可以如图2所示彼此对齐(其中管的主轴线和置换体的纵向轴线彼此对应并且均由所描绘的轴线“A”示出)。在安装状态下，置换体可以在置换体的外表面和管的内表面之间产生圆周间隙，例如环形间隙(也参见图2a)。就工艺介质在管的流动横截面积被置换体减小的区域中的均匀流动分布而言，在垂直于管的主轴线的横截平面中，置换体的外表面和管的内表面之间具有相等的径向距离的对称相对布置可能是合乎需要，并且在圆柱体的情况下促进有效的均匀相关热传递。对于非圆柱形体，应形成间隙以确保围绕置换体的均匀流动。例如如果置换体的轴线与热交换器管的轴线重合，则可以实现这一点。

安装件(5)通常在例如如上所述的任何配置中包括用于支撑置换体(2)的重量并使其与管(7)的内表面(8)保持间隔开的关系的一个或多个结构支撑构件(10)。由于安装件不得密封其所安装到的热交换器管的端部，因此使用了允许流体通过的开放式支撑结构。例如，一个或多个结构支撑构件(10)可以包括网格、杆、环、棒、梁、鳍(fin)或它们的组件或组合。一个或多个结构支撑构件(10)或由其形成的组件的尺寸通常被设计为使得：当装置(1)被安装时，它们在热交换器管(7)上延伸，使得装置(1)的负载可以由热交换器管(7)支撑。安装件(5)连接到置换体(2)。这种连接可以如图1和图2所示由直接连接到置换体(2)的一个或多个支撑构件(10)来实现，一个或多个支撑构件(10)通常位于细长的置换体的第一端(3)处或第一端(3)附近。可以以本领域技术人员可用的各种方式进行连接，例如但不限于：焊接、软钎焊、粘合剂结合、插头连接、紧固件(例如螺栓、螺钉、铆钉等)，或加工为单件。作为将置换体直接连接到一个或多个支撑构件的替代方案，安装件可以可选地包括一个或多个延伸构件，用于将置换体联接到一个或多个支撑构件。可选的延伸构件(图中未示出)可以是布置在结构支撑构件和置换体的第一端之间的任何类型的保持元件，例如棒、杆、链条或其组合。选择适当尺寸的延伸构件能够将置换体定位在距管端的任何所需距离处，该装置通过安装件安装在该管中，因此如果需要，还可以选择性地在管的远离其端部的部分中消除结垢。

该安装件能够将根据本发明的防结垢装置附接到热交换器管的端部。例如，如图2所示，一个或多个支撑构件(10)可以被配置为例如通过为它们提供一个或多个保持元件(11)，使得它们被保持在热交换器管(7)上的适当位置，该保持元件(11)与热交换器管(7)的端部(9)配合，例如凹陷、凹槽等。或者，除了一个或多个支撑构件和可选的延伸构件(如果存在)之外，安装件还可以包括一个或多个附接装置(图中未示出)，用于将装置附接到热交换器管的端部。合适的附接装置包括任何已知类型的附接装置，例如但不限于：夹子、弹性构件、诸如螺钉、螺栓、铆钉的紧固件、焊接、软钎焊、粘合剂结合或插头连接。

在优选实施例中，安装件包括多个，例如至少三个(例如三个、四个、五个或六个)支撑构件，例如从置换体的表面径向延伸的鳍。优选地，支撑构件都具有相同的尺寸并且相对于置换体的纵向轴线对称地布置。可选地，支撑构件中的每一个在面对热交换器管的一侧具有凹槽，其中凹槽被配置为与热交换器管的壁配合。例如，在图1和图2所示的实施例中，安装件(5)包括三个鳍(10)形式的支撑构件，其靠近置换体(2)的第一端(3)从置换体(2)的表面径向延伸。鳍(10)相对于置换体(2)的纵向轴线(A)对称布置，使得横截平面中的两个相邻鳍之间的角度各为120°。每个鳍在它们的底侧、即面对热交换器管(7)的一侧具有凹槽(11)。凹槽(11)被配置为与热交换器管的壁(8)配合。在最终安装位置，结构支撑构件(10)的凹槽(11)接合热交换器管(7)的端部(9)，如图1中虚线所示。因此，可以在热交换器管(7)的端部(9)处通过具有凹槽(11)的支撑构件(10)来安装置换体(2)，并仅通过重力并以居中方式与管(7)的内表面(8)保持间隔开的关系，如图2所示。

根据本发明，防结垢装置可以进一步可选地包括在置换体的表面上的一个或多个间隔件(12)。如图1中的虚线所示，一个或多个间隔件可以用作帮助将置换体插入到热交换器管中的引导元件，其中该装置通过引导元件(12)的接触表面(12a)沿着热交换器管(7)的内表面(8)被引导，并且可以帮助保持置换体与管的内表面呈预期间隔关系，并且在置换体被安装在管中时减少或避免置换体的振动运动。如果一个或多个间隔件存在的话，则一个或多个间隔件可以优选地布置在置换体的第二端(即远离安装件的远端)处或第二端附近。间隔件包括被配置为使置换体与热交换器管保持间隔关系的任何类型的结构元件，例如鳍、叶片、突起等。通常，如果一个或多个间隔件存在的话，则一个或多个间隔件分别从置换体的表面沿垂直于置换体的纵向轴线的方向延伸。优选地，一个或多个间隔件相对于置换体的纵向轴线对称地布置。

该装置可以例如包括多个间隔件，优选地至少三个(例如三个、四个、五个或六个)间隔件，例如从置换体的表面径向延伸的引导鳍。在图1和图2所示的示例性实施例中，该装置包括三个鳍(12)形式的间隔件，其靠近置换体(2)的第二端(4)从置换体(2)的表面径向延伸。如图2a所示，鳍(12)相对于置换体(2)的纵向轴线(A)对称布置，使得横截平面中的两个相邻鳍之间的角度分别为120°。

诸如鳍之类的间隔件的尺寸可以被设计成通过鳍增加置换体的有效周长以几乎对应于热交换器管的横截面(也参见图2a的放大图)。“置换体的有效周长”是指在垂直于纵向轴线的横截面平面中的最小圆的直径，该横截面包围包括从置换体的表面突出的间隔件的置换体。“几乎对应”是指置换体的有效周长与热交换器管的横截面基本匹配，但仍略低于后者，以使置换体能够直接插入管中，而不会造成机械损伤。在实践中，可以优选地将间隔件的尺寸确定为使得置换体的有效周长被间隔件增加到在热交换器管横截面的95.0％至99.9％的范围内。可以将间隔件的精确尺寸选择为使得：考虑到热交换器管的不同热膨胀系数和防结垢装置的不同部件，间隔件在热交换器的工作条件下与管的内壁松散地接触。“松散地接触”是指没有牢固的接触力的直接表面接触。

安装件和及其部件以及一个或多个可选的间隔件(如果存在的话)可以由与上述用于置换体的材料相同种类的材料制成。优选地，根据本发明的防结垢装置的不同部件由相同的材料制成，例如不锈钢。

如上所述的根据本发明的装置可以与包括一个或多个热交换器管的任何类型的热交换器一起使用，以减少或消除管中的结垢。它的结构和尺寸可以被设计为与不同的热交换器和管的设计和/或尺寸相匹配，因此可以与几乎所有类型的可用管式热交换器一起使用。管式热交换器的非限制性示例例如在美国专利No.6,585,949、EP 0777098A2、EP2820366B1和VDI-

第11版，斯普林格·维拉格(Springer Verlag)中进行了讨论。根据本发明的防结垢装置的一个具体的优点是它可以用于改造现有的管式热交换器，从而为使用中的热交换器提供有效的防止结垢的补救措施，这比投资一种设计经过优化以减少结垢或使用传统的防结垢装置(例如喷嘴类型)进行改造的新的热交换器要便宜得多且简单得多。在热交换器上安装本发明的防结垢装置很简单，并且可以由人在最短的时间内完成。

包括根据本发明的防结垢装置的热交换器示意性地在图3中示出。热交换器(13)包括至少一个管(7)，该管具有用作工艺介质的入口的第一端和用作工艺介质的出口的第二端。通常，热交换器包括多个管，每个管具有用作工艺介质的入口的第一端和用作工艺介质的出口的第二端。在图3中示出了三个管(7)，然而，这不是限制性的，并且热交换器原则上可以具有任何期望数量的管。因此，对于某些应用，热交换器可以包括多达300个管或甚至更多，例如1至300个管、2至200个管、10至150个管或20至100个管。管通常具有直的细长圆柱形状，具有在其整个长度上延伸的中空通道，但原则上也可以采用其他形状，例如具有非圆形(例如椭圆形)或多边形(例如方形)的横截面。管的尺寸没有特别限制，可以采用本领域常用的任何尺寸的管。通常，每个管的长度在1m至20m(例如3m至15m或5m至12m)的范围内。管的内径(流动横截面)通常在2cm至30cm(例如3cm至25cm、4cm至20cm、或5cm至15cm、或5cm到10cm)的范围内。管壁的厚度可以例如在1mm至10mm、例如2mm到5mm的范围内。管的实际数量和尺寸将根据所需的热交换容量和通过热交换器的流量来选择。管的材料可以是现有技术已知的与预期应用的工作条件兼容的任何材料。典型的材料有不锈钢1.4828、1.4876和合金800h。

如图3所示，热交换器(13)的一个或多个管(7)延伸穿过壳体(14)。热交换器(13)的壳体(14)是一个外壳，该外壳形成增压室(15)，供热交换流体在由壳体(14)的内表面限定的边界内流动。壳体可以包括底板(16)和顶板(17)，它们平行定位并且彼此相距一定距离，用于将一个或多个管保持在固定的空间布置中，其中一个或多个管延伸穿过这对板。含炭黑气体的入口板可以用一部分热交换流体来冷却。该流随后可以在热交换器之前、之中或之后的任何点向后混合到主热交换流体流中。壳体(14)还包括侧壁(18)，其连接底板(16)和顶板(1)，从而包围布置在它们之间的一个或多个管(7)。用于热交换流体的入口(19)和用于热交换流体的出口(20)通常作为侧壁(18)中的开口被设置在壳体(14)中。入口(19)和出口(20)优选设置在壳体上的远离的位置处，其中一个(例如图3中的出口(20))通常靠近底板设置，另一个(例如图3中的入口(19))靠近顶板(17)设置。所描述的布置使得热交换流体能够从设置在壳体中的入口(19)经由包含一个或多个管(7)的热交换流体的增压室(15)流动到设置在壳体中的出口(20)。因此，可以穿过管的壁在流经一个或多个管的工艺介质和在管外侧流经增压室(15)的热交换流体之间进行热交换。根据本发明的热交换器可以任选地进一步包括用于优化通过增压室(15)的热交换流体的流动和分布的装置。例如，如图3示意性所示，导向板或挡板(21)可设置在壳体(14)内以控制热交换流体通过增压室(15)的流动路径。此外，可以实施流体分配结构，例如本领域已知的双壳体设计。

作为独特的特征，热交换器(13)包括根据本发明的防结垢装置，该防结垢装置通过其安装件(5)附接到一个或多个管(7)中的至少一个管的一个端部，其中，以与管(7)的内表面呈间隔开的关系将置换体(2)插入所述管中，以减小管(7)的一部分中的流动横截面积。图3示出了具有根据本发明的防结垢装置的热交换器，防结垢装置安装到热交换器的每个管的端部，并且为了说明以剖视图示出了安装到中心管的防结垢装置。然而，应当理解，这仅是为了说明的目的，决不是限制性的。本发明更确切地预见到，根据本发明的防结垢装置可以安装到存在于热交换器中的任何期望数量的管，例如单个管，对应于从热交换器的管的总数中选择的多个管。由于结垢通常涉及热交换器的所有管，优选地，热交换器的各个管以及每个管都设置有根据本发明的防结垢装置。根据本发明的防结垢装置可以安装到热交换器管的一个或多个端部，例如用作工艺介质的入口的第一端或用作工艺介质的出口的第二端，或如果需要则安装到两端。通常，结垢主要发生在管的某一部分，例如在其一端附近，因此防结垢装置可以用于选择性地消除管的该部分的结垢。因此，在许多情况下，提供具有根据本发明的、安装到一个或多个管的某一端(例如用作工艺介质的入口的第一端或用作工艺介质的出口的第二端)的防结垢装置的热交换器是有用的。在一个优选实施例中，热交换器因此包括多个管，每个管具有作为工艺介质的入口的第一端和作为工艺介质的出口的相对的第二端，并且本发明的防结垢装置附接到这些端中的一端。优选地，本发明的防结垢装置设置在设置有防结垢装置的管(例如热交换器的各个和每个管)中的相同类型的端部(入口或出口)。由于已经观察到在某些应用中结垢往往主要发生在管的出口侧，因此可以优选将根据本发明的防结垢装置连接到作为工艺介质的出口的第二端。

热交换器所包括的一个或多个防结垢装置可以分别单独地具有任何如以上在防结垢装置的上下文中详细描述的、包括相对于热交换器管的形状、尺寸和布置的配置。因此，如图2中描绘的，防结垢装置可以例如安装在管上，使得置换体的纵向轴线基本上平行于管的主轴线或甚至与管的主轴线对准。装置的置换体尤其可以具有相对于其纵向轴线旋转对称的形状，例如圆柱形或圆锥形。置换体的长度和横截面尺寸可以如前所述。置换体的尺寸尤其可以被设计成使得：相对于没有插入置换体的管的流动横截面积，管的流动横截面积被置换体减少10％至90％，例如20％至80％或25％至70％。此外，防结垢装置的置换体通常可以在热交换器管的总长度的近70％，例如近50％的长度上延伸。例如，它的长度可以在热交换器管的总长度的10％到50％的范围内。已经发现，在某些应用中，如果置换体被配置成使得工艺介质在管的具有减小的流动横截面积的部分中的流速至少为50m/s，例如60m/s或更大，或80m/s或更大，或100m/s或更大，则减少结垢特别有效。在一些情况下，置换体被配置为使得工艺介质在管的具有减小的流动横截面积的部分中的流速为工艺介质在管道入口处的初始流速的+/-30％、优选地+/-20％的范围内。

可以以任何合适的方式在空间上布置根据本发明的热交换器。优选地，热交换器的一个或多个管基本上竖直地布置，同样如图3所示。利用这种竖直布置，可以由相应管的上端支撑本发明的防结垢装置，防结垢装置通过安装件连接到管的上端，并通过重力保持在适当的位置，而无需额外的装置，如图2和图3所示。然而，热交换器的其他空间布置也是可能的，并且根据本发明的热交换器例如可以是水平型的，其中热交换器的管相对于支撑地面基本上水平地布置。如本文所用的术语“基本上竖直”或“基本上水平”是指可以存在与理想的相应布置的小偏差，例如近5°或近3°或近1°的偏差，理想的相应布置即在竖直方向的情况下相对于地面的90°取向或在水平方向的情况下相对于地面的180°的取向。

对热交换器的工作模式没有特别限制。因此，热交换器例如可以在工艺介质和热交换流体以逆流模式、并流模式或错流模式流动的情况下工作。然而，优选地，根据本发明的热交换器以逆流模式工作。此外，根据本发明，对工艺介质的种类和热交换流体的类型没有特别限制，并且本文所述的防结垢装置或包括该防结垢装置的热交换器可与通常用于相应的特定应用的任何种类的工艺介质和热交换流体类型一起使用。

已发现根据本发明的防结垢装置能够有效地减少或甚至消除热交换器管中的结垢，并且还可以提高热传递速率。

如前所述，本发明因此还涉及一种用于减少热交换器管的内表面上的结垢的方法，夹带凝聚相物质的热工艺气体通过该热交换器管，以用于与管外部的热交换流体进行热交换。表述“热工艺气体”、“热工艺介质”等是指在诸如工业生产过程或燃烧过程的过程中产生的气体或流体介质，其具有高于环境温度的温度，通常显著高于环境温度，例如具有至少100℃或至少400℃的温度。术语“凝聚相物质”是指固体或液体形式的物质。凝聚相物质可以特别地以颗粒形式存在。术语“颗粒”包括凝聚相物质的颗粒、液滴、附聚物和其他离散物理实体。例如以颗粒形式存在的凝聚相物质通常分散在热工艺气体中，并可以沉积在热交换器管的内表面上。为了避免这种结垢，根据本发明的方法预见到为热交换器管提供根据本发明的防结垢装置，该防结垢装置通过安装件附接到管的端部，例如管的出口端，其中以与管的内表面呈间隔开的关系将置换体插入所述管中，以减小管的一部分中的流动横截面积。

根据本发明的方法使用的防结垢装置可以是任何如以上在根据本发明的防结垢装置和热交换器的上下文中详细描述的、包括关于热交换器管的形状、尺寸和布置的配置。特别地，防结垢装置可以例如安装在管上，使得置换体的纵向轴线基本上平行于管的主轴线，或者甚至与管的主轴线对准。此外，该装置的置换体尤其可以具有相对于其纵向轴线旋转对称的形状，例如圆柱形或圆锥形。置换体的长度和横截面尺寸可以如前所述。在某些应用中，该方法涉及通过置换体将工艺介质在管的具有减小的流动横截面积的部分中的流速增加到至少50m/s，例如60m/s或更高，或80m/s或更高，或100m/s或更高。在一些情况下，置换体被配置成使得工艺介质在管的具有减小的流动横截面积的部分中的流速通过插入的防结垢装置的置换体被调节到工艺介质在管的入口处的初始流速的+/-30％、优选+/-20％的范围内。根据本发明的防结垢装置与高温应用兼容。根据本发明的方法的夹带凝聚相物质的热工艺气体可以例如具有400℃或更高(例如在400℃至1,200℃的范围内)的初始温度。根据本发明的用于减少结垢的方法例如非常适合并且有效地用于如下热交换器管：该热交换器管受到来自燃烧过程或用于生产颗粒材料(例如炭黑、气相二氧化硅或其他颗粒材料(如金属氧化物))的过程的含颗粒的热工艺气体的影响。夹带凝聚相物质的热工艺气体因此可以例如是来自用于生产炭黑的反应器的流出物。

如前所述，带有根据本发明的防结垢装置的热交换器特别适用于可能遇到与结垢有关的传统严重问题(例如当热交换器管受到作为从用于生产颗粒物质(例如炭黑、气相二氧化硅或其他颗粒材料)的反应器获得的流出物的含颗粒的工艺气体的影响时)的应用中，并且已被特别证明在炭黑的生产中特别有用。因此，本发明还涉及使用本发明的热交换器制造炭黑的工艺以及包括这种热交换器的炭黑生产设备，其中可以如前所述进行这种制造工艺。将参照图4描述本发明的这些方面，图4显示了包括根据本发明的热交换器的炭黑生产设备的示意框图。

炭黑是通过含烃原料在受控条件下在反应器中热解形成的。该反应器可以是通常用于制造炭黑(特别是用于生产炉黑)的任何类型的反应器。如图4所示，反应器可以包括不同的区，例如燃烧区、注入区、反应区和淬火或降温区。将燃料和氧化剂送入反应器，例如送入燃烧区中的燃烧器，以通过这些组分的反应来产生热燃烧气体。燃料通常是含烃燃料，例如烃油或气体，氧化剂通常是空气、氧气或富氧空气，优选地是空气。引入反应器的氧化剂通常被预热，这将在下面更详细地讨论。燃料燃烧产生的热燃烧气体达到高温，例如在1,200至2,000℃或更高的范围内的高温。反应器通常内衬有能够承受这种高温的耐火材料。然后将含烃原料注入热燃烧气体流中。这可以通过在反应器燃烧区下游的注入区中的一个或多个位置处的注入喷嘴来实现。多种液态和气态含烃材料可用作原料。合适的原料包括例如天然气、矿物油、植物油、例如从煤或原油加工中获得的烃油(如石脑油或汽油)、来自煤焦油的馏分和通过石油馏分裂解获得的油。由于热燃烧气体的高温，注入的含烃原料被热分解，当原料和热燃烧气体的混合物穿过反应器的注入区下游的反应区时，通过原料的热解来形成炭黑。然后，在淬火区对产生的含炭黑的工艺介质进行淬火，以停止反应。淬火可以通过向从反应器反应区接收的含炭黑的工艺介质中注入淬火介质(如水或蒸汽)来实现，或为此目的应用淬火锅炉系统来实现。注入的淬火介质将工艺介质的温度降低到热解反应不再以显著速率进行的水平，例如低于1,200℃的温度，通常低于1,000℃，例如在400℃至1,200℃的范围内的温度。通过调节淬火介质注入的位置，可以控制反应时间，从而控制所形成的炭黑的特性，例如粒度大小分布。通常，反应时间在几毫秒到2秒的范围内。通常，可以通过调整反应器设计和制造条件来生产具有非常不同的特性的炭黑等级(例如，参见Jean-BaptisteDonnet，RoopChandBansal，Meng-JiaoWang，炭黑，第2版，CRC版社，1993)。本领域的技术人员将根据要生产的特定炭黑的所需性质来选择合适的反应器设计和反应条件。

作为从反应器获得的流出物的淬火后的含炭黑的工艺介质穿过根据本发明的热交换器的一个或多个管，从而将热量从工艺介质传递到热交换介质。根据本发明的热交换器可以具有上述的任何配置，尤其包括所包含的一个或多个根据本发明的防结垢装置相对于热交换器管的任何形状、尺寸和布置。通常，根据本发明的在炭黑生产中使用的热交换器包括多个平行的热交换器管，其延伸通过封闭壳体，该封闭壳限定用于使热交换流体从设置在壳体中的入口流动到设置在壳体中的出口的增压室。热交换器优选地竖直布置，即管相对于地面基本上竖直定向。一个或多个或所有的管可以具有安装到管的端部的根据本发明的防结垢装置。一个或多个防结垢装置优选地安装到管的上端。在这种情况下，例如以上在图1和图2的上下文中所说明和讨论的，它们可以通过安装件使用重力相对于管保持在适当的位置。当含炭黑的热工艺介质穿过管时，热量跨越管壁传递到在增压室中的管的外表面上流动的热交换流体流。热交换器通常以逆流模式工作。作为从反应器获得的流出物的淬火后的含炭黑的工艺介质通常被供应至位于底端的管，并通过热交换器的管以在其顶端以降低的温度离开。诸如空气的热交换介质通常通过设置在壳体上部的入口引入增压室，并通过设置在壳体下部的出口离开热交换器(例如如图3所描绘的)。热交换流体的温度可以通过与在增压室中出现的工艺介质的热交换而在出口处提高到高达约1,000℃、例如从500到800℃的范围内的温度。

根据本发明可以使用不同的热交换流体。非限制性示例包括空气、氧气、富氧空气、富氮空气、水或蒸汽。通常，根据本发明的用于制造炭黑的工艺中使用的热交换介质对应于用于在反应器中产生热燃烧气体的氧化剂，例如，优选为空气。如图4所示，例如空气的氧化剂在热交换器中预热后可以被送入反应器，形成热燃烧气体。因此，燃烧反应产生的一部分热量可以通过热交换器回收并用于预热用于生产炭黑的起始材料，从而提高工艺的整体效率。

使用根据本发明的包括本文公开的防结垢装置的热交换器能够有效地减少热交换器管的内表面上的结垢，并且在延长的工作时段期间保持较高的热交换效率，而无需维护或其他复杂和/或昂贵的辅助清洁装置。

含炭黑的工艺介质在通过热交换器被冷却之后被传送到用于从冷却后的工艺介质中分离和收集炭黑的装置。用于分离和收集炭黑的装置通常包括过滤单元，例如袋式过滤器。

如图4所示，离开热交换器的含炭黑的工艺介质可以任选地通过一个或多个辅助冷却单元，例如另外的热交换器，其可以是或可以不是根据本发明的热交换器，以进一步冷却工艺介质，然后从工艺介质中收集和分离炭黑。

使用根据本发明的热交换器能够有效地消除结垢并提高工艺效率，而没有污染的风险或对炭黑产品的性能产生不利影响的风险。

将通过以下非限制性实施例进一步说明本发明的特征和优点，该实施例展示了在热交换器中将根据本发明的防结垢装置用作炭黑生产工艺中的空气预热器和由此获得的有益效果。

示例

使用炉反应器生产炭黑。该反应器包括燃烧室、注入区、反应区和淬火区。使用的装置还包括与反应器联接的热交换器(24管，来自瑞典

&Son AB的900+型单程热交换器)。该热交换器配备有类似于美国专利No.4,366,003中描述的类型的蒸汽清洁装置。在燃烧室中，天然气与空气一起燃烧，使用热交换器将空气预热至约620℃，烟气(即炭黑与作为含炭黑的工艺介质从反应器中获得的反应气体的混合物)被供应至热交换器，如以下更详细阐述的，以产生热燃烧气体流。在燃烧区下游的注入区中，油随后被注入到所生成的热燃烧气体流中。所用的油类型是煤焦油馏分，其具有以下分析特征：

C[wt.％]	H[wt.％]	N[wt.％]	S[wt.％]	O[wt.％]	H<sub>2</sub>O[wt.％]	Ash[wt.％]
							91.5	5.7	0.9	0.7	1.2	0.03	0.002

碳、氢、氮、硫和氧的给定元素质量分数是指干基和无灰基。调整油量以使最终炭黑产品的STSA达到约120平方米/克。油与来自燃烧室的热燃烧气体一起在随后的反应区中转化为炭黑和尾气。然后在淬火区中使用水淬使反应停止并将流冷却至720℃。

在淬火区的下游，烟气通过上述热交换器。热交换器管相对于地面竖直布置。热交换器以逆流模式工作，从而将从反应器获得的作为流出物的含炭黑的热工艺介质供应到热交换器管的底端，并通过管将其向上传递到它们的顶端，同时使用作热交换流体的空气流经由壳体内部从靠近壳体顶端的入口经过封闭在其中的管的外表面到达靠近壳体底部的出口。热交换器被设计为在2000至3500Nm³/h的空气下工作，并且在空气和烟气侧的最大压降为110mbar。通过热电偶分别在热交换器的相应入口处以及在热交换器的相应出口处测量烟气的温度和空气的温度。然后使用这些测量的温度值来确定热传导系数k。为此，使用设定的质量流量、等压比热容(给定设置为1107J/kgK)、热交换器出口处测得的空气温度和热交换器入口处测得的空气温度(其分别用Φ_m，c_p，T_air，out，T_air，in表示)根据下式计算传递到空气的热流：

Φ_q＝Φ_mc_p(T_air，out-T_air，in)。

烟气和空气之间的平均温差进一步由下式确定：

其中，热交换器入口处测得的烟气温度和热交换器出口处测得的烟气温度分别表示为

T_smoke，in，T_smoke，out。

然后热传导系数k乘以传热面积A，可以使用以下公式确定

出于比较的原因，kA与根据以下公式确定的参考面积A_o相关，

其中，测量开始时的热传导系数由k_start表示。

热交换器的蒸汽清洁器用于在每次试验前通过将蒸汽脉冲注入到管内来从管内表面去除先前工作产生的沉积物，从而产生可重复的启动条件。出于参考目的，首先在换热器未安装额外防污装置的情况下进行了试验。在每次试验中，换热器通常连续工作6至7小时，如上所述，其中作为反应器的流出物获得含炭黑的工艺气体，并且空气作为热交换流体被预热。在工作期间，如上所述确定热传导系数作为结垢的指标。因此，总共进行了10次参考试验。随后，热交换器的管各自设置有安装到它们的上端的根据本发明的防结垢装置。所使用的防结垢装置具有如图1所示的结构，具有长度为4m的中空圆柱形置换体，安装件包括靠近置换体的一端从置换体的外表面径向延伸的三个鳍和靠近置换体的相对端从置换体的外表面径向延伸的三个导向鳍。每个导向鳍的横向延伸为22毫米，高度为54毫米。安装件的每个鳍都有一个与管壁配合的凹槽。管通过安装鳍安装在热交换器管上，每个鳍具有40毫米的横向延伸、30毫米的高和5毫米的狭缝，以接合内径约为82mm以及长度约为9m的热交换器管。通过在管的上端将置换体插入管中，直到它停靠在安装件的鳍中的与管的上端的管壁配合的凹槽中。来在热交换器的每个管上安装一个这样的防结垢装置。如此安装的防结垢装置通过重力保持在适当位置，其中，置换体位于管的中心，其纵向轴线与主管轴线对准，从而在置换体的外表面和内管壁之间形成环形间隙。然后应用相同的工作条件，并以与上述参考试验相同的方式确定热传导系数，使用具有安装在管上的根据本发明的防结垢装置的热交换器进行试验。一项试验进行了20多个小时，以在更长的时间尺度上评估性能。工艺条件总结在下表1中：

表1

空气质量流	kg/s	1,11
			反应器出口温度	℃	725℃
进口处的空气温度	℃	66

图5A和图5B示出了所确定的分别针对没有防结垢装置的参考试验(图5A)和使用根据本发明的防结垢装置的试验(图5B)的作为时间的函数的热传导系数的代表性图形，热传导系数表示为kA/A_o。从图5A可以看出，在参考试验的情况下，kA/A_o在最初的1-2小时内从1kW/m²K的初始值显著地下降到约0.88kW/m²K，随后大约6小时后进一步下降到约0.85kW/m²K的值，即在6小时的持续时间内热导率总共降低了大约15％。对于较长的运行，观察到热传导系数的进一步降低，这也由图5A中的图形中的连续负斜率表示。与此相反，图5B表明对于使用根据本发明的防结垢装置的试验，表示为kA/A_o的热传导系数从初始值1kW/m2K仅略微降低约5％至工作6小时后的值0.95kW/m2K。在延长持续时间超过20小时的试验中没有观察到显著地进一步下降。这些发现表明，通过使用根据本发明的防结垢装置，可以有效地减少与热交换器的管的内表面上的结垢相关的热的热传导系数的降低，并实现稳定的工作条件。没有观察到该装置对热交换器的结构完整性产生负面影响。

为了研究防结垢装置对炭黑产品质量的潜在影响，对通过过滤器从通过热交换器后的含炭黑工艺介质中分离和收集的炭黑材料样品进行了分析。

表2显示了在参考试验中获得的炭黑产品与在将根据本发明的防结垢装置安装到热交换器的试验中获得的炭黑产品的分析结果。报告的值分别是所进行的参考试验或试验的总数的平均值和标准偏差。

表2:

根据ASTMD-1510测量碘吸收值。

根据ASTMD-6556测量统计厚度表面积(STSA)。

根据ASTMD2414确定吸油值(OAN)。

BET表面积是根据ASTMD-6556使用Brunauer Emmett Teller(BET)方法通过氮吸收确定的总表面积。

根据ASTMD-1618测量所报告的透射值。

对比表2中的数据的对比表明，在热交换器上安装根据本发明的防结垢装置的试验和没有这种装置的参考试验中，所测得的炭黑性能具有可比性且在公差范围内没有差异。这表明使用本发明的防结垢装置不会对产品特性产生不利影响。

参考符号列表

1 防结垢装置

2 置换体

3 置换体的第一端

4 置换体的第二端

5 安装件

6 通孔

7 热交换器管

8 热交换器管的内表面

9 热交换器管的端部

10 结构支撑件

11 保持元件

12 间隔件

12a 间隔件的接触面

13 热交换器

14 壳体

15 增压室

16 底板

17 顶板

18 侧壁

19 热交换流体的入口

20 热交换流体的出口

21 导向板/挡板

A 热交换器管的主轴线/置换体的纵向轴线

Claims (15)

1.一种用于减少热交换器管中的结垢的装置，包括：

(a)细长的置换体，配置为被插入所述热交换器管中以减小所述管的一部分中的流动横截面积，以及

(b)安装件，连接到所述细长的置换体，以用于将所述装置附接到所述热交换器管的端部，所述安装件配置为：在所述置换体被插入所述管中后，将所述置换体保持为与所述管的内表面呈间隔开的关系。

2.根据权利要求1所述的防结垢装置，其中，所述安装件配置为将所述置换体的纵向轴线布置成与所述管的主轴线基本平行，优选地使插入的置换体沿所述管的所述主轴线居中。

3.根据权利要求1或2所述的防结垢装置，其中，所述置换体在安装状态下，在所述置换体的外表面与所述管的内壁之间形成环形间隙，和/或其中，所述置换体具有相对于所述置换体的纵向轴线旋转对称的形状，优选圆柱形或圆锥形，和/或其中所述置换体是中空体，其中所述中空体可选地具有用于压力均衡的通孔。

4.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，其中，所述安装件包括多个、优选地至少三个支撑构件，例如从所述置换体的表面径向延伸的鳍，其中每个所述支撑构件可选地在面向所述热交换器管的一侧具有凹槽，所述凹槽被配置为与所述热交换器管的壁匹配。

5.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，还包括在所述置换体的表面上的一个或多个间隔件，所述间隔件优选地布置在所述置换体的相对于所述安装件的远端处或远端附近，

其中优选地，所述间隔件包括多个，例如至少三个从所述置换体的表面径向延伸的引导鳍，并且所述鳍的尺寸被设计为使得通过所述鳍来将所述置换体的有效周长增加到在所述热交换器管的横截面的从95％到99.9％的范围。

6.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，其中，所述置换体、所述安装件和/或所述间隔件由不锈钢制成，和/或其中，所述置换体的长度在0.5m到5m的范围内和/或具有高达20cm的横截面。

7.一种热交换器，包括：

(a)至少一个管，具有作为工艺介质的入口的第一端和作为工艺介质的出口的第二端，

(b)壳体，所述至少一个管延伸穿过所述壳体，所述壳体形成增压室，供热交换流体从设置在所述壳体中的入口流动到设置在所述壳体中的出口，在所述至少一个管上实现所述工艺介质和所述热交换流体之间的热交换，

(c)根据权利要求1至6中任一项所述的防结垢装置，所述防结垢装置通过所述安装件附接到一个或多个管中的至少一个管的一个或多个端部，其中所述置换体以与所述管的内表面间隔开的关系插入所述管中，以减少所述管的一部分中的流动横截面积。

8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，相对于没有插入置换体的管的流动横截面积，所述置换体将流动横截面积减少10％至90％，和/或其中所述置换体的延伸长度最大为所述管的总长度的70％。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的热交换器，其中，所述一个或多于一个管基本上竖直布置，其中优选地，至少一个防结垢装置由相应管的上端支撑，所述至少一个防结垢装置通过安装件附接到所述相应管，并通过重力保持在适当的位置。

10.一种用于减少热交换器管的内表面上的结垢的方法，含凝聚相物质的热工艺气体通过所述热交换器管与管的外部的热交换流体进行热交换，所述方法包括：为所述热交换器管设置根据权利要求1至6中任一项所述的防结垢装置，所述防结垢装置通过所述安装件附接到所述管的端部，例如所述管的出口端，其中，插入所述管中的所述置换体与所述管的内表面呈间隔开的关系，以减小所述管的一部分中的流动横截面积。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过所述防结垢装置的所述置换体，所述管的具有减小的流动横截面积的部分中的工艺介质的流速增加到至少50m/s。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，含颗粒物质的热工艺气体是从用于生产炭黑的反应器中获得的流出物和/或具有范围在400℃至1,200℃中的初始温度。

13.一种用于制造炭黑的工艺，包括：

使燃料与氧化剂反应以形成热燃烧气体，

将烃原料注入所述热燃烧气体中，以通过使原料在反应器中热解来形成炭黑，

在所述反应器中对所得的含炭黑工艺介质进行淬火，

使淬火后的含炭黑工艺介质经过根据权利要求7至9中任一项所述的热交换器的一个或多个管，从而将热量从所述工艺介质传递到热交换介质，以及

从已通过所述热交换器的冷却后的工艺介质中分离和收集所述炭黑。

14.一种炭黑生产设备，包括燃烧反应器和根据权利要求7至9中任一项所述的热交换器。

15.一种根据权利要求1至6中任一项所述的用于改装管式热交换器的装置的用途。

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