CN114485225A - 流化床换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床换热器，包括，换热器，与换热器连接的水力旋流器，用于接收来自换热器的流体和固体颗粒；其中，所述水力旋流器将流体分出两部分，其中第一部分流体通过回水管回到蓄水池中，第二部分流体和固体颗粒通过下降管进入到搅拌器中；文丘里管，其分别与所述搅拌器和蓄水池连接连接，用于接收来自搅拌器的固体颗粒和流体，和来自蓄水池的流体；其中，固体颗粒和流体经由文丘里管再次进入换热器中。

Description

流化床换热器

技术领域

本发明属于工业领域中，应用于化工换热设备长周期运行的场合，涉及一种高效循环自清洁流化床换热器。可广泛应用于各类流化床换热器中，来解决流化床换热器中，固体颗粒由于长时间对管道进行清理，上面粘附过多的污垢以及固体颗粒在换热器中无法有效循环的问题。

背景技术

换热器是工业上的常用设备，用来对各类流体进行热量交换。使用过久之后管程会出现粘性污垢，过多的污垢会对换热器的整体效率产生严重影响。

流化床换热器是一种在管程中加入了固体颗粒的自清洁式换热器，通过其中不断循环流动的固体颗粒来对管程中的污垢进行冲刷，可以在较长时间内保持换热器的高效率。

然而，作为流化床换热器稳定工作的前提，需要保证其中的固体颗粒能够正常的循环流动而不会因为流场阻力在某个位置出现堆积，同时固体颗粒在长时间运转后，其上会不可避免地沾染较多的污垢，这会对固体颗粒后续清除管程污垢造成较多的负面影响。如果能够促进固体颗粒在管路中稳定循环流动，同时定期清除粘在上面的污垢的话，就能大幅提高流化床换热器的工作效率。

文献CN107764108B公开了一种配备有上下分支管以及弹簧挡板的固体颗粒可以有效循环的流化床换热器，其中，当落在弹簧挡板的固定颗粒达到一定重量时，会使得弹簧被压缩触发固体颗粒进入到旁支通道而落入到主管道中，从而促进固体颗粒有效循环，然而由于流场的流动阻力作用，该发明中固体颗粒并不一定能将弹簧挡板压置触发旁支通道的位置，因此循环效果并不佳。文献CN107764107B公开了一种能够使得外循环式流化床换热器中的固体颗粒有效循环的方法，该发明通过外置可切换状态的三通阀以及旋转托盘来对实现固体颗粒的循环流动。然而该实现方法过于复杂，一个循环周期中需要变动多个装置的开关状态才能实现比较理想的循环效果，因此实用效果不佳。文献CN109654925B公开了一种外接喷淋管以及振动发生器的外循环式流化床换热器。该发明通过喷淋管的气相吹扫来清除颗粒上的污垢，并通过振动发生器强化清除效果，最后通过喷嘴完成颗粒的循环。由于该发明仅通过单个喷嘴形成的负压来实现循环效果，因此效果差强人意。综上所述，为维持流化床换热的良好运转效果，促进固体颗粒的有限循环以及定期对颗粒上的污垢进行清除是非常重要的，而现有的技术未能充分解决好上述问题。

发明内容

本发明提供了一种高效循环自清洁流化床换热器，通过旋转的搅拌装置形成的推动力以及搅拌棒对颗粒的撞击摩擦，能够有效地促进固体颗粒的循环以及清除固体颗粒上的污垢，有针对性的解决了上述技术问题。

本发明所要解决的技术问题是现有的流化床换热器中固体颗粒无法有效循环以及长时间运作后固体颗粒污垢过多的问题，提供了一种高效循环自清洁流化床换热器。通过旋转的搅拌装置形成的推动力以及搅拌棒对颗粒的撞击摩擦，能够有效地促进固体颗粒的循环以及清除固体颗粒上的污垢，具有有效提高流化床换热器工作效率，促进固体颗粒循环再利用的特点。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种流化床换热器，包括，

换热器，

与换热器连接的水力旋流器，用于接收来自换热器的流体和固体颗粒；其中，所述水力旋流器将流体分出两部分，其中第一部分流体通过回水管回到蓄水池中，第二部分流体和固体颗粒通过下降管进入到搅拌器中；

文丘里管，其分别与所述搅拌器和蓄水池连接，用于接收来自搅拌器的固体颗粒和流体，和来自蓄水池的流体；

其中，固体颗粒和流体经由文丘里管再次进入换热器中。

具体的，固体颗粒通过搅拌器上的加料口进入到搅拌器中，同时与从蓄水池抽出的流体一起，在离心泵的输送下通过文丘里管进入到换热器中，固体颗粒在冲刷换热器中的列管后，与流体一起进入到水力旋流器中，水力旋流器分出两路，其中部分流体通过回水管回到蓄水池中，另一部分流体和固体颗粒通过下降管进入到搅拌器中，固体颗粒在搅拌器中的作用下再次进入到文丘里管中实现了固体颗粒的有效循环。

在本发明的一个优选实施方式中，所述搅拌器的底部中心位置安装有搅拌棒，侧面的流出口分别装有滤板；排污口安装在滤管末尾且可以在打开和关闭状态之间切换；从搅拌器出来的管道装有控制阀，其出口接在文丘里管的中线位置。

在本发明的一个优选实施方式中，所述搅拌器为圆筒形，高度为600～1000mm，直径为400～600mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述搅拌器的顶面中心处接从水力旋流器连接过来的下降管，底面中心接连接文丘里管的管道，侧面设有可供流体与污垢流出的出口，出口高度与搅拌器的高度相同。优选地，所述出口的宽度为50～100mm；其上安装有滤板，且所述出口外接滤管。

在本发明的一个优选实施方式中，所述滤板为网格板，上有规律排列的开孔，孔的当量直径为固体颗粒直径的0.3～0.5倍，开孔率为60％～80％。

在本发明的一个优选实施方式中，滤板的长度和宽度与搅拌器5的长方形出口的尺寸相同。优选的，所述滤板的板厚度为5～15mm。

在本发明的一个优选实施方式中，在所述搅拌棒的轴向上等间距地设有6～12个支点；且在每个所述支点上安装至少两个杆；所述杆固定在支点的一端相比另一端水平位置低，且所述杆与所述搅拌棒的轴向呈30～60°，且每个所述杆上固定有6～12个清洗配件。

具体的，所述搅拌棒为一个竖直圆棒，高度为400～600mm，直径为20～40mm，所述清洗配件的形状可以是三角形，圆形以及矩形，所述搅拌棒底部外接交流电动机，可做自旋运动，转速为120～480r/min。

在本发明的一个优选实施方式中，所述文丘里管为进口和出口为大管道，中间为小管道的三通管道，所述小管道的直径为所述大管道直径的0.2～0.6倍；从所述搅拌器出来的管道与所述文丘里管11连接在小管道处，直径与小管道直径相同，其上安装有控制阀，控制阀可以在打开和关闭状态之间切换。优选地，进口和出口与小管道的距离为20～100mm。

本发明的第二方面提供了一种防止常减压装置顶部换热器结垢的方法，所述方法采用权利要求1～7中的任一项所述的流化床换热器，包括：

(1)所述流体从所述蓄水池进入所述文丘里管，同时与通过所述搅拌器的加料口加入并落入所述文丘里管的所述固体颗粒一起混合，然后所述经文丘里管进入到所述换热器中，并对其中的管程进行冲洗；

(2)当固体颗粒全部进入到换热器后，所述排污口切换为打开状态，控制阀切换为关闭状态；

(3)所述固体颗粒对换热器冲洗完毕后经所述水力旋流器进入到所述搅拌器中，在所述搅拌棒的作用下，固体颗粒与所述杆进行碰撞，使得粘附在所述固体颗粒上的污垢得以与所述固体颗粒进行分离；同时在离心力的作用下，被分离下来的污垢旋转至到所述搅拌器的壁面附近，并通过所述滤板进入到滤管，最终通过排污口排出；

(4)当所述排污口不再有污垢被排出时，所述排污口再次切换为关闭状态，所述控制阀切换为打开状态，所述固体颗粒在所述搅拌棒形成的向下的推动力以及所述文丘里管的负压吸引的共同作用与流体一起回到所述换热器中，完成一次循环。

在本发明的一个优选实施方式中，固体颗粒的堆密度要大于所述流体的密度，且不与所用场合的使用介质发生反应，可选自钢球，刚玉球，硅酸锆珠，瓷球和工程塑料球中的一种或几种；所述固体颗粒的平均直径在3～4.5mm；所述固体颗粒在所述流化床换热器内的平均质量固含率为4％～8％。优选地，所述流动的流体流速在2m/s～4.5m/s之间。

技术效果的测定：

本发明的技术方案及方法中，通过分离率S来判断对固体颗粒上的垢层的清除效果，其表示从固体颗粒上去除的污垢的质量与固体颗粒沾染上的污垢的总质量的比值。具体计算方式如下：在换热器的管程上均匀涂抹等量的垢层，之后在搅拌器的加料口加入质量为量M的固体颗粒并启动流化床换热器，从下降管的出口处回收所有的固体颗粒并称量，如此重复操作三次得到回收的沾有垢层的固体颗粒的质量平均值M1。之后再次重复涂抹垢层，加入固体颗粒以及启动流化床换热器的操作，同时关闭控制阀，打开排污口，并从排污口收集污垢并对其进行称量，如此重复操作三次得到收集到的污垢的质量平均值M2。则分离率S的计算公式为S＝(M2/M1-M)×100％。

采用本发明的技术方案，通过采用一种流化床换热器促进固体颗粒循环以及清除固体颗粒上污垢的方法，该方法主要包括以下步骤：颗粒与流体一起通入换热器1对管程上的污垢进行清除，之后通过水力旋流器2以及下降管4来到搅拌器5，在搅拌棒7的拍打撞击下，固体颗粒与其上的污垢进行了分离，污垢通过滤板6，滤管8以及排污口9排出到系统外，固体颗粒在搅拌棒7旋转形成的向下推动力以及文丘里管的负压吸引下再次回到主管路完成一次循环。

附图说明

图1为本发明所述高效循环自清洁流化床换热器的示意图。

图2为本发明所述高效循环自清洁流化床换热器的下管箱的搅拌器的主视图，左视图以及俯视图。

图3为本发明所述高效循环自清洁流化床换热器的搅拌棒的主视图以及俯视图。

图4为本发明所述高效循环自清洁流化床换热器的搅拌棒的细杆上的清洗配件的安装及形状示意图。

1-换热器，2-水力旋流器，3-回水管，4-下管箱，5-搅拌器，6-滤板，7-搅拌棒，8-滤管，9-排污口，10-控制阀，11-文丘里管，12-离心泵，13-蓄水池。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面通过实施例对本发明中的方案进行清楚完整的描述。

以下结合附图对本发明做进一步的详述：

图1中，搅拌器5中包括滤板6，搅拌棒7，滤板6外接滤管8，滤管8末端装有排污口9；固体颗粒通过搅拌器5上的加料口进入到搅拌器5中，同时与从蓄水池13抽出的流体一起，在离心泵8的输送下通过文丘里管11进入到换热器1中，固体颗粒在冲刷换热器1中的列管后，与流体一起进入到水力旋流器2中，水力旋流器2分出两路，其中部分流体通过回水管3回到蓄水池13中，另一部分流体和固体颗粒通过下降管4进入到搅拌器5中，固体颗粒在搅拌器5中的作用下再次进入到文丘里管11中实现了固体颗粒的有效循环。

初始阶段，排污口9为关闭状态，控制阀10为打开状态，流体从蓄水池7经过离心泵8后，与通过搅拌器5的加料口加入并落入文丘里管11的固体颗粒一起进入到换热器1中，并对其中的管程进行冲洗。其中当固体颗粒全部进入到换热器1后排污口9切换为打开状态，控制阀10切换为关闭状态。固体颗粒对换热器1冲洗完毕后经水力旋流器2进入到搅拌器5中，在旋转的搅拌棒7的作用下，固体颗粒与细杆进行碰撞，使得粘附在固体颗粒上的污垢得以与固体颗粒进行分离；同时在离心力的作用下，被分离下来的较轻的污垢旋转至到搅拌器5的壁面附近，并通过滤板6进入到滤管8，最终通过排污口9排出至系统外。当排污口9不再有污垢被排出时，排污口9再次切换为关闭状态，控制阀10切换为打开状态，固体颗粒在旋转的搅拌棒7形成的向下的推动力以及文丘里管11的负压吸引的共同作用与流体一起回到主管路，完成一次循环。

下面通过实施例和对比例对本发明做进一步阐述，但本发明的方法并不仅限于此。

实施例

实施例1

采用图1所示的流化床换热器，应用于某厂的常减压装置的顶部换热器，该高效循环自清洁流化床换热器内部设置324根换热器列管，每根管长1500mm，管径为Φ30×2.5mm，管束呈正方形排列。固体颗粒采用瓷球，平均粒径3mm，固体颗粒在该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。搅拌器高度800mm，直径500mm。滤板宽度为50mm，孔直径为1mm，开孔率为70％，板厚度为10mm。搅拌棒的高度为600mm，直径为30mm，圆棒上支点数量为6，细杆与轴向角度为45°，长度为200mm，清洗配件为圆形，数量为7，搅拌棒的旋转速度为200r/min；文丘里管的小管道直径为15mm，其进出口与小管道的距离为30mm。在该条件下，装置的分离率为87％。

实施例2

采用和实施例1相同的流化床换热器应用于某厂的常减压装置的顶部换热器，固体颗粒采用工程塑料，平均粒径3mm，固体颗粒在该高效循环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3m/s。搅拌器高度900mm，直径400mm。滤板宽度为60mm，孔直径为1.2mm，开孔率为80％，板厚度为8mm。搅拌棒的高度为600mm，直径为35mm，圆棒上支点数量为7，细杆与轴向角度为55°，长度为180mm，清洗配件为三角形，数量为10，搅拌棒的旋转速度为300r/min；文丘里管的小管道直径为12mm，其进出口与小管道的距离为50mm。在该条件下，装置的分离率为90％。

实施例3

采用和实施例1相同的高效循环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，固体颗粒在该高效循环自清洁流化床换热器内的平均体积固含率为7％。液相为原油，流速为3.5m/s。搅拌器高度600mm，直径500mm。滤板宽度为80mm，孔直径为1.5mm，开孔率为75％，板厚度为12mm。搅拌棒的高度为500mm，直径为20mm，圆棒上支点数量为6，细杆与轴向角度为35°，长度为200mm，清洗配件为矩形，数量为10，搅拌棒的旋转速度为360r/min；文丘里管的小管道直径为8mm，其进出口与小管道的距离为30mm。在该条件下，装置的分离率为93％。

实施例4

采用和实施例1相同的高效循环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，固体颗粒采用硅酸锆，平均粒径3mm，固体颗粒在该高效循环自清洁流化床换热器内的平均体积固含率为5.5％。液相为原油，流速为2.8m/s。搅拌器高度1000mm，直径450mm。滤板宽度为70mm，孔直径为0.9mm，开孔率为65％，板厚度为15mm。搅拌棒的高度为600mm，直径为25mm，圆棒上支点数量为10，细杆与轴向角度为60°，长度为175mm，搅拌棒的旋转速度为180r/min；文丘里管的小管道直径为12mm，其进出口与小管道的距离为80mm。在该条件下，装置的分离率为84％。

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相同的流化床换热器，只是不设置搅拌器，滤管以及文丘里管，固体颗粒采用瓷球，平均粒径3mm，固体颗粒在该高效循环自清洁流化床换热器内的平均体积固含率6.5％。液相为原油，流速为3m/s。该条件下，装置内的固体颗粒会在返回主管路的三通管道处发生堆积。

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相同的流化床换热器，只是不在搅拌器内设置搅拌棒。固体颗粒采用硅酸锆珠，平均粒3.5mm，固体颗粒在该球体分散式自清洁流化床换热器内的平均体积固含率6％。液相为原油，流速为3.5m/s。该条件下，装置的分离率为30％。

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相同的流化床换热器，只是不设置文丘里管，固体颗粒采用钢球，平均粒径4mm，固体颗粒在该高效循环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。该条件下，装置的分离率为75％，固体颗粒有时会在回主管路的三通管道处发生堆积。

对比例4

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相同的流化床换热器，只是搅拌棒的细杆的固定角度设置为水平。固体颗粒采用工程塑料，平均粒2.5mm，固体颗粒在该球体分散式自清洁流化床换热器内的平均体积固含率6％。液相为原油，流速为3.5m/s。该条件下，装置的分离率为30％。该条件下，装置的分离率为80％，固体颗粒有时会在回主管路的三通管道处发生堆积。

对比例5

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相同的流化床换热器，只是搅拌棒的细杆的固定端相比另一端位置更高，且细杆与轴向角度为120°。固体颗粒采用硅酸锆珠，平均粒3.5mm，固体颗粒在该球体分散式自清洁流化床换热器内的平均体积固含率6％。液相为原油，流速为3.5m/s。该条件下，装置的分离率为84％。固体颗粒会在搅拌器中一直滞留而不会落入到文丘里管中。

对比例6

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相同的流化床换热器，只是搅拌棒的细杆上不固定清洗配件。固体颗粒采用硅酸锆珠，平均粒3.5mm，固体颗粒在该球体分散式自清洁流化床换热器内的平均体积固含率6％。液相为原油，流速为3.5m/s。该条件下，装置的分离率为70％。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种流化床换热器，包括，

换热器，

与换热器连接的水力旋流器，用于接收来自换热器的流体和固体颗粒；其中，所述水力旋流器将流体分出两部分，其中第一部分流体通过回水管回到蓄水池中，第二部分流体和固体颗粒通过下降管进入到搅拌器中；

文丘里管，其分别与所述搅拌器和蓄水池连接，用于接收来自搅拌器的固体颗粒和流体，和来自蓄水池的流体；

其中，固体颗粒和流体经由文丘里管再次进入换热器中。

2.根据权利要求1所述的流化床换热器，其中，所述搅拌器的底部中心位置安装有搅拌棒，侧面的流出口分别装有滤板；排污口安装在滤管末尾且可以在打开和关闭状态之间切换；从搅拌器出来的管道装有控制阀，其出口接在文丘里管的中线位置。

3.根据权利要求1或2所述的流化床换热器，其特征在于，所述搅拌器为圆筒形，高度为600～1000mm，直径为400～600mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的流化床换热器，其中，所述搅拌器的顶面中心处连接从所述水力旋流器连接过来的所述下降管，所述搅拌器的底面中心接连接来自所述文丘里管的管道，侧面设有可供流体与污垢流出的出口，所述出口的高度与搅拌器的高度相同。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的流化床换热器，其中，所述滤板为网格板，上有规律排列的开孔，孔的当量直径为固体颗粒直径的0.3～0.5倍，开孔率为60％～80％。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的流化床换热器，其中，所述滤板的长度和宽度与搅拌器的长方形出口的尺寸相同。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的流化床换热器，其中，在所述搅拌棒的轴向上等间距地设有6～12个支点；且在每个所述支点上安装至少两个杆；所述杆固定在支点的一端相比另一端水平位置低，且所述杆与所述搅拌棒的轴向呈30～60°，且每个所述杆上固定有6～12个清洗配件。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的流化床换热器，其中，所述文丘里管为进口和出口为大管道，中间为小管道的三通管道，所述小管道的直径为所述大管道直径的0.2～0.6倍；从所述搅拌器出来的管道与所述文丘里管连接在小管道处，直径与小管道直径相同，其上安装有控制阀，所述控制阀可以在打开和关闭状态之间切换。

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中的任一项所述的流化床换热器，包括：

(1)所述流体从所述蓄水池进入所述文丘里管，同时与通过所述搅拌器的加料口加入并落入所述文丘里管的所述固体颗粒一起混合，然后所述经文丘里管进入到所述换热器中，并对其中的管程进行冲洗；

(2)当固体颗粒全部进入到换热器后，所述排污口切换为打开状态，控制阀切换为关闭状态；

(3)所述固体颗粒对换热器冲洗完毕后经所述水力旋流器进入到所述搅拌器中，在所述搅拌棒的作用下，固体颗粒与所述杆进行碰撞，使得粘附在所述固体颗粒上的污垢得以与所述固体颗粒进行分离；同时在离心力的作用下，被分离下来的污垢旋转至到所述搅拌器的壁面附近，并通过所述滤板进入到滤管，最终通过排污口排出；

(4)当所述排污口不再有污垢被排出时，所述排污口再次切换为关闭状态，所述控制阀切换为打开状态，所述固体颗粒在所述搅拌棒形成的向下的推动力以及所述文丘里管的负压吸引的共同作用与流体一起回到所述换热器中，完成一次循环。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述固体颗粒的堆密度要大于所述流体的密度，且不与所用场合的使用介质发生反应，可选自钢球，刚玉球，硅酸锆珠，瓷球和工程塑料球中的一种或几种；所述固体颗粒的平均直径在3～4.5mm；所述固体颗粒在所述流化床换热器内的平均质量固含率为4％～8％。

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