CN1252865A - 热交换方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种加热或冷却一定量固体物料的方法和装置,该方法包括下述步骤:在过程容器中提供一定量物料以形成固体填充层,过程容器具有一个或多个通道。热交换流体流过该通道;使热交换流体通过一个或多个通道;以及向所述容器提供工作流体。上述方法的特征在于使工作流体通过填充层进行循环,循环步骤包括:从容器的一个或多个部分移走至少部分工作流体;以及然后将工作流体返回容器的其它部分。

Description

热交换方法和装置
本发明涉及一种向一定量含有固体的物料或从一定量含有固体的物料传送热量的方法和装置。
本发明特别涉及一种向或从一定量低导热率的含有固体的物料传送热量的方法和装置。
许多工业方法都需要加热或冷却一定量含有固体的物料，以便发生和保持化学反应或物理变化。典型地是需要加热该定量物料到一定的高温，以便能发生化学反应或物理变化。遗憾的是许多固体物料具有很低的导热率，用间接热交换来加热这些物料很困难。这些物料经常是通过直接热交换来加热的，例如，通过向定量物料的填充层(packed beds)或流体层提供热的气体。
用于说明书全篇的“直接热交换”指的是这样的热交换，其中热交换流体与要加热或冷却的物料直接接触。“间接热交换”指的是这样的热交换，其中由一物理阻挡层，例如一个管壁，将热交换流体与要加热或冷却的物料分隔开。
一些方法适于直接热交换。固体和气体之间的热容量比例是这样，以至于大体积的气体或流体需要进行热交换。例如，用于经过一个填充层进行热交换所需的大容积气体的流动是不可能的，除非填充层非常粗糙或是加热和冷却的时间相当长。在用含有在高温度下易挥发的物质包括煤或其它物料的方法的情况时，直接热交换造成使易挥发物料随热的气体驱散，这就造成了在经由烟道或烟囱废气排出之前废气清理很困难。在其它的一些方法中，直接热交换可导致由于在气体流中携带固体而产生的固体处理困难或维护的问题。在这些方法中，有必要应用间接热交换来加热定量物料。
一个众所周知的间接热交换方法是煤的浓缩处理，特别是低等级的煤，它是通过同时施加温度和压力的方法，这在koppelman的美国专利No.5,290,523号中已有介绍。在这种方法中，在升高的压力下加热一定量的煤可导致水份从煤中去除，它是通过由于煤的结构重新排列而造成的压榨反应，并通过脱羧反应来实现的。而且，一些可溶的形成灰尘的成份也从煤中去除了。这就导致了由于热脱水引起的煤的浓缩和煤的热值的升级。通过在浓缩处理过程中使压力保持足够高，可基本上避免去除的水份的蒸发，这就减少了该方法所需的能量。并且，作为副产品的水份主要是作为液体而不是作为蒸汽的形式产生。
煤的热处理过程需要向煤进行热交换(通常是300-600Btu/lb)，但是煤的填充层的有效导热率接近于0.1w/mk，使煤层成为一个良好的隔热体。
为了加速煤的加热，以提供一个得到合理的煤层加热时间的处理过程，可供考虑的选择包括：-通过提高热交换介质的温度，提高热驱动力。这会导致煤的挥发，对于低等级煤的浓缩处理来说，它减小了产品的热值。并且，这还会导致焦油和其它易挥发物质在容器装置的其它部分产生凝聚。-使用流体层。这将导致循环大容积的(惰性)气体的需要，它也加重了煤的挥发的问题。还需要在再压缩前气体进行冷却和清洁，或者需要处理一个又热又脏的压缩机，这两种情况都需要资金和维护。还有，流体层可能隔离了好天气。-使用搅拌层，例如一个转动窑。在升高的压力下，伴随着惰性气体的参与，这种反应器的操作包括大量的工程上的困难和高昂的花费。间接热交换虽然是首选的，但这进一步加大了工程上的困难，并且煤在容器内的体积占有率很低。-使用磨削进料的飞溅干燥法。这需要后续的烧结操作，以便生产出可打入市场的产品。它还需要用于热交换的惰性气体，并且发生反应的体积由于固体的分散状态而趋向于很大。-使用煤的热液脱水法，其中将煤的尺寸研磨到很小颗粒，并且与水混合成泥浆，之后该泥浆在升高的压力下加热到高温度，以便保持其液体状态。这一过程需要研磨煤，之后必须烧结或直接用在处理过程中，例如用在发电厂。另外，加热到高温度的水的体积很大，这就需要大量的热交换以便回收热量。
如果同时施加高压(大于10barg)，上述选择项的每一项都变得很困难。
与间接热交换相连系的填充层优选的用于煤的加热和冷却，这是因为挥发损失减到最小，能量消耗较低，以及大部分副产品水份以液体形式产生。
填充层还允许煤的尺寸范围较宽，与流体层操作相比煤尺寸较粗大。假如加热率很高的情况下，填充层还是包含在高压容器里的最小体积。小容器体积可以节省加压时间和容器造价。
为改进间接热交换，已有的解决方案是在加热介质和要加热的定量物料之间提供足够大的表面积。这就将采用壳和管布置，加热介质在成束管子的里边或外边。这样的管子束适合于向液体或气体传递热量(虽然它们有剥落和结垢的倾向需要维护)，但在用于加热固体时，他们具有一定的限制。当下述情况下尤其是这样：即当固体包含颗粒尺寸高于19mm(0.75英寸)的煤时，或者甚至煤颗粒高达50mm(2英寸)，这时就遇到了搭接和粘结的问题。对于任何用于这种材料的热交换系统，或是在批量生产过程循环的开始和结尾，或是在连续生产过程中，必须设计成允许固体自由流动。
对于以上描述的已有技术中的壳和管布置，下述问题引起了进一步的困难，即大多数已有技术中的过程容器(process vessel)需要一个卸料锥体，它位于容器内管子束的底端，以便从容器内卸掉煤。几乎不可能将管子束伸进卸料锥体，于是包含在卸料锥体内的相当体积的煤没有被管子束加热。为了克服这一困难，某些方法结合使用了水注入(water mjection)或蒸汽注入到煤层中。这些被称做工作流体。这种工作流体可在煤层的上部分汽化(如果是液体)和高温进行加热，然后流向位于卸料锥体底部的出口。在卸料锥体内的冷固体由工作流体加热(由于对流，并且可能由于工作流体的冷凝)。但是，工作流体的注入法对于容器的能量利用有严重后果。
一种已有技术方法应用了壳-管型热交换装置，其中煤填入管侧边，热交换油流过壳的侧边。该管具有一般为75毫米(3英寸)的直径，这就意味着用于热交换的最大距离是约38毫米(11/2英寸)，即从管壁到管中心的距离。虽然小直径管在高压下操作时具有优势，但这种过程容器是不理想的，因为使固体流过管子很困难。进一步说，可能在壳侧边发生热交换油的短距离循环和流道，这会引起煤处理不完全，并且容器的设计很复杂并难于操作。特别是，管子束的端板难于操作，并且是一些很厚和昂贵的组件。煤在这种反应器中的体积占有率通常仅是容器全部体积的30-50％。
本发明人发现，在过程容器中加热或冷却一种低导热率的定量物料，利用工作流体迫使其在过程容器中循环，可以获得特别好的效果。
根据本发明，提供了一种加热或冷却一定量固体物料的方法，该方法包括以下步骤：提供该定量物料，使其在一过程容器中形成一固体填充层，该容器具有一个或多个通道，热交换流体能流动通过通道；将热交换流体流过一个或多个通道；向所述容器提供工作流体；以及使工作流体通过所述层循环，该循环步骤包括：从容器的一个或多个部分移走至少一部分工作流体，然后使工作流体返回容器的其它部分，由此间接热交换发生于热交换流体和定量物料之间，并发生于热交换流体和工作流体之间，并且当工作流体通过该层循环时，由此直接热交换发生于上述工作流体和定量物料之间。
最好定量物料具有低导热率。
工作流体的循环具有的经济价值在于，需要少量的工作流体装料量。
另外，采用循环工作流体在降低能耗方面有很大优点。这种能耗的降低使得有可能提高工作流体的质量流速到所需要的最大程度，这种升高实现了最佳热交换，并且使压力降低和微粒带走量局限在一定限度内。
工作流体可以用一扇或任何合适的装置使其通过过程容器进行循环，从而产生一施加的压力差。
使工作流体通过煤层流动，增加了定量物料的有效导热率。有效导热率作为物料的颗粒尺寸的函数和作为工作流体通过煤层中的质量流速的函数来变化。具体说增加工作流体通过煤层中的质量流速，可导致物料有效导热率的增加。
工作流体通过煤层的质量流速的增加可由增加工作流体的速度获得，但这有一个局限，即物料在工作流体中的带走量(entrainment)最好减少到最小。
在工作流体是或含气体的情形，质量流速的增加也可由增加系统内压力来获得，或是由使用高密度气体来获得。气体的高密度可由选择不同的气体来获得，如使用气体混合物或使用一种或多种气体，后者包含细雾，液滴或是在工作气体中带出的细颗粒。
最好，该方法包括控制工作流体的质量流速，其通过控制一个或多个工作流体的流速、控制容器内的压力、和控制工作流体的密度达到。
最好，上述一个或多个通道位于容器内。
更优选的情况是，热交换流体通过安置在容器里的多个板内的通道。然后热交换发生于板的外表面与定量物料和工作流体之间。向物料和由物料进行的热交换通过工作流体流过容器的内容积、和工作流体与物料和板的外表面相接触而得到增强。
在说明书中，术语“板”是包括任何三维形体，它们在一维上的伸展量比在其它两维上的伸展量足够短。例如，一个板可包括一平面板，或是一环形或圆柱形的板。
在说明书中，术语“填充层(packet bed)”可理解成煤层中的颗粒彼此相接触。
值得说明的是，术语“填充层”不排除颗粒在包含填充层的容器中的运动一假设颗粒处于彼此相接触中。
还值得说明的是，术语“填充层”不排除颗粒在大体静态的煤层中的局部运动。
采用煤的情况下，通常术语“填充层”指的是煤层的体积密度为600～800kg/m3。
当该方法用于加热一定量物料的情况时，该方法和许多已有技术方法之间一个区别是，工作流体在提供给容器之前被加热，这一点虽然本方法不一定被排除，但也不是必须的。
在这个问题上，本发明的方法中，工作流体增强了发生于热交换流体和定量物料之间的间接热交换，并且，由这一机构交换的热量可以是工作流体中的感热的许多倍。举例来说，工作流体离开填充层与它进入填充层时具有相同的温度，然而仍然具有从热交换流体向物料传送相当大量热量的路径。由于使用了工作流体而获得的间接热交换的增强，使得在相同的工作流体的质量流速下延长煤层的长度，却没有根本改变热交换性能，除了增大横穿煤层的压降以外，这与基于直接热交换的方法产生的结果很不相同，在直接热交换方法中，如果要维持热交换性能的话，质量流速必须与煤层长度一起线性增加。在填充层中，质量流速的增加使主要产品提高了等级，在此，实质上增加的压降和流体化成为限制因素。
在工作流体的对流热交换，和已有技术中外部加热气体的对流热交换之间有着更进一步的区别。在后一种情况，横穿煤层存在着可忽略的温度梯度，在煤层下存在着温度梯度-还可能在煤层下存在着温度前峰运动(frontmove)。在可能的工作流体间接热交换的情形下，除去任何入口影响外。下煤层存在可忽略的温度梯度。温度梯度是横穿煤层的。达到最后平均温度所需的时间由从热交换表面到热交换表面间中线的横穿煤层的热交换确定。这就可能由于在横向尺寸的折弯和垂直方向的延伸而递增。
工作流体最好是气体。
举例来说，气体可包括气体的混合物或细液滴或细固体的分散物。
最好工作气体在实施本方法的条件下不经历相变过程，尽管在一些例子中使用包含可凝缩成份的工作气体有一些好处。
最好使在容器内的工作气体的表面速度，比它在填充层里的定量物料流体化时的速度小。
用于作为工作气体的气体包括氧，氮，水蒸汽，SO2，CO2，碳水化合物，惰性气体，冷冻气体(如氟利昂)，以及它们的混合物。也可使用其它气体。如果它们在过程容器中遇到的工作温度下是气相，在大气温度下通常是液体的物质也可采用。
工作流体可以是惰性的，它不与定量物料和过程容器的内部发生反应。然而，在某些情况下，工作流体可包含或包括与定量物料发生反应的成份。
该方法可在不包含如上所述板的过程容器中实施。例如，该方法可在下述过程容器中进行，即包含一个或多个位于过程容器内容积中的管道。为使定量物料能容易地向过程容器和从过程容器中进料和卸料，该管道可排成列。可加热或冷却循环工作流体，如需要可分别由外部的加热装置或冷却装置加热或冷却。一个具体的这种类型的过程容器是Koppelman C-系列壳/管过程容器，将煤置于管中。
本方法可在任何合适的压力下操作，包括低于大气压的、大气的和高于大气的压力。最好，本方法在高压力下操作，以便能保证在最小的流体化或颗粒带走量的限制内工作流体的质量流速最大。
最好固体物料是粗粒的。
术语“粗粒”可理解成一个颗粒尺寸大于5mm。
根据本发明，还提供了一个用于加热或冷却一定量固体物料的装置，该装置包括：
(i)一过程容器，它具有一个外壳，该外壳限定一个用于包含定量物料成为一固体填充层的内部容积；和一个间接热交换装置，它位于内部容积里，用于加热或冷却定量物料；
(ii)一用于向容器提供工作流体的装置；和
(iii)一用于在煤层中循环工作流体的装置。
最好，定量物料具有低导热率。
最好用于循环工作流体的装置包括从容器中移走工作流体的一个入口，将工作流体返回到容器内的一个出口，和一个泵或其它合适的装置，用于使工作流体流通过容器向入口，和从入口向出口进行循环。
该入口和出口可位于任何合适的位置。举例来说，入口可位于容器的上部分，出口可位于容器的下部分。
最好该间接热交换装置包括多个由可导热材料制成的板，它们位于内部容积内，并且每个板包括一个或多个通道，热交换流体可通过通道流动。
最好，每个使用中的板限定一个或多个导热旁路管，该导热旁路管处于热交换流体和板区域中的固体材料之间，于是在使用中，利用发生于热交换流体和经过板的固体材料之间的热交换，将所有定量物料中的固体被加热或冷却到所要求的温度范围。
“导热旁路管”的概念已在国际申请PCT/AU 98/00005中详细地讨论，该国际申请的公开部分在这里结合参考。
最好容器包括一个入口装置，用于将物料引进容器，和一个出口装置，用于从容器中移走物料。
最好板彼此相对地设置，因此在使用中固体物料可在容器的装料和卸料过程中，能从相邻板之间流动。
最好相邻板是以50-500mm(2-20英寸)的距离分隔开，更优选的是以75-200mm(3-8英寸)分隔开，更好是以75-125mm(3-5英寸)分隔开。
上述容器特别适合于使用在高压下操作的方法中，例如，在2barg(29.4psi)或更高的压力下操作，并且最佳是在4barg或更高的压力下操作。
最好在操作中上述板的导热率至少比容器中物料的导热率高出一量阶。
许多固体物料在高压处理的方法中，该固体物料必须保持于下述压力下，即此压力比将热交换流体泵入通道所需的压力要高出许多。例如，在煤脱水处理中，热交换流体(通常是热交换油)是在大约150psi(1033KPa)的压力下循环，而煤是处于800psi(5510KPa)的压力下。这样，最好容器中的板包括一个或少数的通道，热交换流体能通过通道流动。更好是通道有一个相对小的直径或宽度，并且通道壁的厚度很大。由稍微不同的术语表达，即最好通道的体积占板全部体积很小的百分比。这有助于保证通道的壁足够坚固，以抵抗下述引起的压力差别，即发生于施加在板外侧的压力和施加在通道内侧的压力之间的压力差。与热套管相比，板很坚固并能抵抗在高压下的倒塌和压垮。
除上述通道外，板最好是固体的。
上述板可由任何合适的高导热率材料制成。
优选地用于板构造的材料对于下述物质基本上呈化学惰性：对于流经通道的热交换流体；对于在容器中处理的固体物料，该固体物料与板的外面相接触；和对于容器中的气体和液体。同时也应理解，这些板和与板相联系的任何支承装置以及管道装置，将必须能抵抗由煤的进入，流动和卸料带来的侵蚀和磨损。
虽然矩形、平行四边形或锥度横截面的板是优选的，但板的形状可有广泛的不同。
最好，板的外表面包括基本平的表面，虽然其它形状也可应用。上述板还可是圆柱形板或圆环板，它们同轴地安置于容器内。
相邻板间的间隔有效地限定了用于固体物料的流动通道。这样，相邻板间的间隔应当足够大，以保证由固体物料造成的板间的不适当的堵塞和搭接不会发生。另外，板间间隔必须足够小，以保证在板间向所有固体物料的热交换达到足够的速率。对于象煤这样的固体物料，由于煤具有很低的导热率，所以相邻板间间隔的实际最大值是200mm(8英寸)，而当采用较短的成批处理时间或停留时间时，最佳的板间间隔是100mm(4英寸)。
在一优选的实施例中，容器包括一基本圆柱形部分，并且由下述方法安置板，即当在横截面上观察时，板基本上横向延伸于圆柱形部分的圆横截面的弦上。最好板大致沿着容器圆柱形部分的长度方向延伸。
同样在一般应用中是这样定位上述容器，即使圆柱形部分的纵向轴线基本上是垂直方向。
这种容器一般还提供有一卸料锥体，它可占用到20％的容器体积。
最好容器进一步包括设置于容器卸料锥体部分内的一个或多个板，所述板包括一个或多个通道，以便热交换流体能流过。卸料锥体里的板最好成形，以避免在固体流动中产生堵塞。该板可以被成形或截短，以促进固体的流动，同时还能向卸料锥体内的固体物料提供适宜的加热或冷却。板可能有许多几何形状，其中包括径向板，流线板，指状、侧壁板和弯曲板。
上述板可以连接于容器的一端。在使用中，热交换流体从热交换流体源供给，并通过一个或多个穿过容器外壳伸向板内通道的热交换流体线路供应。最好上述板悬挂于容器的上部。这样安置是优选的，因为可能产生的固体流动阻碍可减少到最小。还可能将板连接于容器的下部，如果当热交换流体循环泵关掉时，要求将热交换流体从板内排出，这种安置是合适的。当熔盐被用做热交换流体时，使用这种安置是优选的。因为对保证该熔盐从通道内排出，以便避免发生于通道内的熔盐产生冻结来说，这种安置是有优点的。
本发明的方法和装置的优选实施例，现在将参考附图描述如下，其中：
图1显示根据本发明方法一个实施例的用于冷却煤层的一个本发明装置实施例的草图，
图2是用于在图1所示装置中冷却煤层的预计的温度相对于距离的线图，其具有75mm的板间距和0.6kg/m2·s的以氮作为工作流体的流速；
图3是用于在图1所示装置中冷却煤层的预计的平均煤层温度相对于时间的线图，在有和无工作流体的情况下，其具有75mm的板间距。
图4是有效煤层导热率作为以氮的流速成为工作流体流速的函数的线图；
图5是一组用于在图1所示装置中冷却煤层到50℃的预定温度的图形，在以氮做为工作流体的情况下；
图6是一个用于本发明装置中的另一种板的设计；
图7是根据本发明方法的另一实施例，用于煤脱水的本发明装置另一实施例的侧面正视图；
图8是一个通过图7装置的加热过程容器的横截面视图；
图9是图7和8所示的加热过程容器的卸料锥体的侧面视图，其具有一种板的安置方法，以便保证在卸料锥体内煤进行处理；
图10是与图9相似的视图，但是其具有另一种板的安置方法；
图11是图9所示卸料锥体的一个横截面平面视图，其具有一种径向板在卸料锥体内的安置方法，以便保证在卸料锥体内煤进行处理；
图12显示了另外一种板的构造。
本发明是一个用于在一过程容器内加热或冷却一定量物料的方法和装置，该方法包括促使工作流体在过程容器中循环。
图1-6所示的该方法和装置的第一实施例，是涉及冷却一个热的处理过的煤的填充层，例如用Koppelman的美国专利第5,290,523号所描述的方法已处理过的煤。
图7-12所示的第二实施例是涉及加热(即脱水/浓缩)煤的填充层。
参照图1，该装置的第一实施例包括一个压力容器50，它有一个倒锥型的入口51；一个圆柱体64；一个锥形出口52；以及一组垂直设置的平行热交换板53，它位于圆柱体64和锥形出口52内。
入口51和出口52可被密封，使得容器50完全封闭。
下面将参考第一实施例更详细地描述板53，它包括用于盛载冷却剂的通道(未示出)，该冷却剂通过经一个入口管线54和一个出口管线55的通道循环。该冷却剂由一个冷却塔或冷却循环装置(未示出)，或其它适合的装置从外部冷却。一般，板53的空间间隔尺寸界于50-500mm之间，更典型的是界于75-25mm之间。
锥形入口51包括：(i)一个阀装置88，用于将煤提供给容器50，以便在容器内形成一填充层；(ii)一个气体出口90，用于当容器50内的压力达到一预定水平时，从容器50内排出气体。
该容器还包括一个氮入口管线56，用于向容器50提供一初始的氮物料。
该装置还包括一个通过填充层循环工作流体的装置。该工作流体循环装置呈一环路形式，以便将作为工作流体的氮进行循环。该环路包括一个入口58，它位于容器的上半部分，能使氮从容器50内排出，还包括一个出口59，它位于容器50的下半部分，能使氮返回到容器内。环路还包括一个离心扇60，它促使氮通过容器50向入口58和在入口58与出口59间流动。
氮的流动有助于在煤层内部从煤的颗粒向板53进行的热交换。
图1所示的装置最好是成批操作，使得循环时间等于或小于用于煤浓缩的主过程容器的循环时间。为了最大限度地增加全部煤的冷却时间成批操作是优选的。
在操作时，将煤提供给容器50，并形成一填充层，然后该容器由氮加压到所需压力。随后，离心扇60用来将氮作为工作流体通过填充层进行循环。供给板53的冷却剂可在容器50填充了煤之前循环。或者，冷却剂通过板53的循环可在容器50填充的同时或已填充之后开始。
为了显示本发明的有效性，专利申请人发明了一个模型，以便研究上述将氮做为工作流体的方法的热交换特性。在这个模型中，假设该定量煤具有一个371℃(700°F)的初温，并且板53具有25℃(77°F)的温度。在每个模拟方案中，煤层平均温度作为时间的函数来计算。煤层平均预定温度假设是50℃，对于每种情况而言，确定达到该预定温度所需的时间。
图2显示的是由该模型产生的不稳定状态温度相对于距离的曲线。在图2中，氮的流速定为0.6kg/m2·s。在这种情况下，冷却作用发生于板的热传导和由氮作为工作流体在填充层中通过而产生的热对流。
从图2所示的温度相对于距离的曲线来看，煤的平均温度被计算为时间的函数。这一情况由图3显示。
图3也显示了利用图1装置用于冷却煤的平均温度相对于时间的曲线，但是没有工作流体通过容器循环。
图3清楚地显示出由于采用了工作流体，冷却到50℃所用的时间大大减少接近于4的系数。
由于使用了如在图3中观察到的工作流体而引起的冷却时间的减少，可归因于工作流体提供了一个附加的热对流机构，它增大了煤层的有效导热率。
此外，本专利申请者发现，有效导热率的增加正比于泵入煤层的工作流体的质量流速。这一函数功能显示在图4中。
图3显示的曲线是不同的工作流体流速和板间距离产生的。由这些曲线中，确定了用于达到50℃的预定平均温度的所需时间。这一信息在图5中被描述成一组图形的形式，它显示了对于不同工作流体的流速，作为板间距离的一个函数的冷却时间的变化。图5显示了为了获得满意的冷却时间，可以采用提高板间距离，但必须提高工作流体的流速。
用于热交换的气体流可通过填充层向上流或向下流，但优选的布置是向上流。在通过煤层的任何气体流速中，存在煤层中的相应的气体间隙流速。如果该气体间隙流速超过煤颗粒的末端速度，那么该煤颗粒就会被带进气体流中，并可能从煤层中吹跑。这会造成煤层中固体损失，从而造成该批煤效率的损失。这样，通过煤层的气体速度应得到控制，以便将带走量减少到最小。一种减小通过煤层的气体流速，同时保持一个可接受的通过煤层的气体质量流速的方法，是增大系统的压力。
当成批处理过程进行时，煤层中的温度明显会降低。为了在成批处理过程中调整通过煤层的质量流速，一种选择是随着温度的降低，降低系统内的压力，而另一种选择是随着温度的降低，减小离心扇的速度。
如图1中所示，存在着在工作流体的循环环流中包含一个可选择的气体冷却器62的可能性。包含的外部气体冷却器62，可以有益的用于下述两方面原因(i)如果气体在再次引进入容器50之前被冷却，并且冷却的气体被引入容器50的锥体区域63，那么就会在冷却气体中存在足够大的热容量，以便冷却锥体区域63中的更多的煤。这就可避免了板53伸入或被用于容器50的锥体区域63中的需要。(ii)如果气体在冷却的早期阶段冷却到一个低的温度，易挥发的有机物质可以从气体流中凝结出来。
该方法可在大气压或高于大气压的压力下操作。如果流动条件合适，就可能足够大地减小扇的尺寸，使扇位于容器50内部。虽然这会使维护更加困难，但是它可使整个装置更紧凑。
如图1所示的装置还可从冷却器管道释放出来的氮中建造一个或多个气旋，以保证从煤层中带出来的任何煤颗粒从氮气流中分离出来。这会使更高的气体流通过煤层，因为任何可能被带进气体流的物质能够从气体流中去除掉。
由于是固体进料和卸料，此方法描绘成批量操作。然而，图1所示的装置还可以一种连续流动模式工作。
在过程容器中的板的另一种设计显示于图6中。在这种设计中，板包含两个锅炉管71，72，它们具有用于导热的旁路板73-78，旁路板焊接在锅炉管的每侧，以对煤层增加热交换面积。该旁路板可以规则的间隙搭接，从而在制造中减小翘曲。沿着旁路板可具有激光切割槽。锅炉管71，72提供了通道78，80，热交换流体可以流过通道，以便加热或冷却煤层。图6所示的板的设计可用在图1-6所示的本发明的实施例，或是用在图8-12所示的本发明的实施例中。
在以上描述的实施例中，氮被用作工作流体。可以理解，其它元素也可用作工作流体，特别是其它气体，两种或多种气体混合物，或是包含有细粉雾，液滴或/和细粉固体的一种气体，一种混合物或多种气体。
参考图7-12，上述装置的第二实施例公开在脱水煤的文章里，它包括一个过程容器20，用于在一定压力下加热煤的填充层，以便使煤脱水。
容器20包括一个外壳10和一组彼此平行的垂直安置的板12a-12h，板12a-12h位于容器20的圆柱体区域内。
虽然图8在容器20中显示了8块板，应认识到也可以使用多于或少于8块的数目的板。板12a-12h的每一块包括两个通道14(a-h)，15(a-h)，热交换油流过通道。
容器20还包括一个悬挂装置和油进料板22，位于容器20的上部。板12a-12h悬挂在多个链上，链与一组位于板22的内圆周周围的钩件相连。值得注意的是任何合适的悬挂装置和支承装置可以用来悬挂或支承位于容器内的板。
板12a在图7中用虚线显示，如图示板12a沿容器20的实体长度延伸。与热油供给装置(未示出)相连的油供给管线24，通过歧管装置(未示出)向板12a-12h供油。回油管线23将油返回到油供给装置。
在一个具体的实施例中，容器20是接近于7米(23英尺)长，并有一个大约1米(3.3英尺)的直径。
容器20还包括一个气/液入口56，用于将压力流体和/或工作流体引入容器。
另外重要的是，和第一实施例相同，容器20包括一个用于循环工作流体，如氮，以便使其流过容器20的装置。如同第一实施例，该工作流体循环装置包括入口58，出口59和扇60。
为了有利于容器20的煤的装载，容器20包括一个进料斗25，它位于容器20的顶端上方并且与容器20的顶端偏置。进料斗25可以与容器20偏置，以便将板12a-12h单个或成组地移开，用以达到维护和更换的目的。进料斗25通过偏置管道26与容器20相连，煤从进料斗25流进经过偏置管道流入容器20。偏置管道26包括控制煤装料的阀26a。在使用中，煤从由相邻板12a，12b等相面对的表面所限定的流道向下流过，并填满容器成一填充层。
容器20包括一个卸料锥体27，使煤从容器20中卸料。容器20填满煤后，卸料锥体27也填满了煤。为处理填充卸料锥体27内的煤，在卸料锥体内可采用多个板，下面将予以描述。
卸料锥体27包括一个阀27a，并通过卸料滑运道28与冷却鼓29相连。在使用中，当煤已处理后，它通过卸料滑运道28进入冷却鼓29，在这里这些热煤冷却到低于大约70℃的温度。该冷却鼓可以是图1所示类型的过程容器。当冷却到所要求的温度后，该处理过的煤流经阀30a通过下部出口30而卸料。
图7所示装置的操作过程现描述如下。当容器20填充煤以后，将容器20密封并用氮增压，同时，热的热交换油提供给板12a，12b-12h内的通道里。另外，操作扇60使氮通过容器20到入口58，并从入口58到出口进行循环，而且使氮返回容器20。
一般热油处在350℃-380℃(662°F-716°F)的温度。应理解的是，对于不同型号的煤和其它要处理的固体，可要求与上述温度不同的最佳温度。热油可以在容器填充煤之前、在填充过程中或容器已填充煤以后提供给板。
由于板12a，12b等具有高导热率，这些板很快加热到油的实际温度，(在后续的循环中，板已经是热的了)。然后热量从热的板传到煤，并且处于循环中的工作流体有助于进行热交换。煤的温度升高，膨胀或压榨反应开始发生，煤的结构重新排列迫使水份从煤中脱离。将煤保持在容器中所需要的一段合适时间后，将容器通风以使容器降压，并且把处理过的煤卸入冷却鼓29，在这里煤被冷却并继续卸料，以便出售或进一步进行处理，如做成煤球。
图9和10显示了图7的卸料锥体27的侧面正视图，板12a-12h(如虚线所示)在锥体内可能的布置保证在锥体内所有的煤在足够的时间内充分加热到高温，以得到充分的处理。
如图9所示，板12a-12h以不同的伸进量向下延伸进卸料锥体，并使中间板更多地延伸进卸料锥体。图9的布置保证了煤能自由地流过卸料锥体，同时它保证了在卸料锥体内煤的充分热交换。
在图10中，板12a-12h随着卸料锥体的外形成形。再者，一些板比另一些板更多地伸进卸料锥体，为了保证煤能自由流过卸料锥体。
图11显示了一个卸料锥体27的平面视图。在图11中，一组径向板32a-32h在永久地固定在锥体27内。板32a-32h可装备有它们自己的油供给装置，或者它们可由图2所示的油管线24供油。
图8中所示的板具有这样的横截面，即从热油通道向内形成锥度。然而，也可以采用其它的板横截面，图12中显示了一些另外的横截面。
图12A显示了这样一个板，它具有一个宽的中央截面34，油通道35形成在中央截面内，并且向窄端36，37形成锥度。
图12B显示了一块具有大体平行的横截面的板。图12B所示的板是一个相对小的板。
图12C显示了这样一个板38，它具有一个形成于其中部的正方形的油通道39，并且向40和41两点形成锥度。
图12D显示了一个大体与图8所示板相似的板结构，不同处在于油通道42、43是圆形横截面。
图12E显示了一个大体与图12D所示的板相似的板，只是油通道44、45包括形成于内向的、从板伸出的突起，用于增大由通道进入板的热交换面积，这在图12F中更清楚地显示出来，图12F显示了一个比图12E显示的板宽的多的板，这种板具有相应较大的油通道46、47。
图12G显示了一个具有圆形横截面的油通道的矩形板。图7-12显示的容器的设计和板的构造可以有多个变形。特别是板12a-12h的间距可以根据下列情况有所不同，即用于板的构造材料的导热率；填入容器的固体材料的流动能力；以及反应所需的停留时间。板的厚度也可有所不同。如前所示，随板厚度的增加，板的“热容量”增大，这会减缓可能发生在具体反应过程中的任何温度的降低。这样看来，可以相信越厚的板具有更大的热质量或热稳定因素，并且可以缓冲反应过程的热函(enthalpy)需求量。板12a-12h可以如此安置，以至使它们基本上垂直地伸向容器(如图7和8所示)。然而，这些板还可以处于水平或倾斜的方向定位安置。但是，板最好是在垂直方向安置，因为重力可用来帮助固体从容器内卸料。还可能包括一个或多个从板表面伸展的横向延长部分，用来向固体材料增进热交换。任何这样的横向延长部分必须这样安置，以致将阻碍固体流动的阻力减少到最小。
板12a-12h最好是松散的安置在容器内，并最好是与容器只有一个端部相连。例如，如上述描绘的，板可以悬挂在链(chains)上。在板间可要求有垫片相隔，并且该垫片最好允许板有少许运动。这种安置方法允许板运动。如果板间的一个流动通道阻塞了，上述运动可帮助清除阻碍。还可包括用于移动板的装置，如推杆，击铁或振动器。
板12a-12h可以从容器中或是单个地或是整体地移开，以便能够维修或更换板。
板12a-12h还可能包括排气通道或注入通道，以允许固体物料有选择的通风，或向固体物料层有选择的注入其它制剂。
由于包括容器外壳的压力容器完全独立于加热装置(除了输入输出油管道之外)，则该容器可以加绝缘材料的衬里(如一个耐火衬里)，也可以是一个耐磨衬套。这就可以控制容器结构壁和凸缘的温度，使其低于100℃，因此在使用的钢材上造成可观的节省。
容器的外壳需要全压力等级，但是由于它可能变“冷”，因此可在没有降低温度的金属许可应力条件下进行设计。
熟悉本技术的人员会理解，这里描述的发明可以有与上述具体描述不同的很多修改和变形。本发明包括落在本发明构思和范围内所有的修改和变形。

Claims (16)

1.一种加热或冷却一定量固体物料的方法，该方法包括以下步骤：提供该定量物料，使其在一过程容器(process vessel)中形成一固体填充层(packedbed)，该容器具有一个或多个通道，热交换流体能通过通道流动；将热交换流体流过一个或多个通道；向所述容器提供工作流体；以及使工作流体通过所述层循环，该循环步骤包括：从容器的一个或多个部分移走至少部分工作流体，然后使工作流体返回容器的其它部分，由此间接热交换发生于热交换流体和定量物料之间，并发生于热交换流体和工作流体之间，并且当工作流体通过该层循环时，由此直接热交换发生于所述工作流体和定量物料之间。
2.按照权利要求1中的方法，其中包括控制工作流体的质量流速，由此增加质量流速而增大定量物料的有效导热率。
3.按照权利要求2的方法，其中包括通过控制一个或多个工作流体的速度、容器内的压力以及工作流体的密度，来控制工作流体的质量流速。
4.按照上述的权利要求的任意一项的方法，其中工作流体是一种气体。
5.按照权利要求4的方法，其中包括控制工作气体的质量流速，由此增加质量流速而增大定量物料的有效导热率。
6.按照权利要求5的方法，其中包括通过控制一个或多个工作气体的流速、容器内的压力以及工作气体的密度，来控制工作气体的质量流速。
7.按照权利要求4至6中任意一项的方法，其中包括控制工作气体的速度，使其小于当该层中的定量物料流体化时的速度。
8.按照上述权利要求中的任何一项的方法，其中定量物料具有低的导热率。
9.一种用于加热或冷却定量固体物料的装置，该装置包括：
(i)一过程容器，它具有一个外壳，该外壳限定一个用于包含定量物料成为一固体填充层的内部容积；和一个间接热交换装置，它位于内部容积里，用于加热或冷却定量物料；
(ii)一用于向容器提供工作流体的装置；和
(iii)一用于通过该层循环工作流体的装置。
10.按照权利要求12的装置，其中用于通过容器循环工作流体的装置包括从容器中移走工作流体的一个入口或多个入口；将工作流体返回到容器内的一个或多个出口；和一个泵或其它合适的装置，用于使工作流体流经过该层向一个或多个入口，和从一个或多个入口向一个或多个出口进行循环。
11.按照权利要求10的装置，其中一个或多个入口位于容器的上部，一个或多个出口位于容器的下部。
12.按照权利要求9到11中任何一项的装置，其中间接热交换装置包括多个由可导热材料制成的板，它们位于内部容积内，并且每个板包括一个或多个通道，热交换流体可通过通道流动。
13.按照权利要求12的装置，其中每个使用的板限定一个或多个导热旁路管，该导热旁路管处于热交换流体和板区域中的物料之间，于是在使用中，利用发生于经过板的热交换流体和物料之间的热交换，基本上将所有定量物料加热或冷却到所要求的温度范围。
14.按照权利要求13的装置，其中板彼此相对地设置，因此在使用中，在容器的装置和卸料过程中，物料能在相邻板之间的空间中流动。
15.按照权利要求9至14中任何一项的装置，其中容器包括一个入口装置，用于将定量物料引进容器，还包括一个出口装置，用于从容器中移走定量物料。
16.按照权利要求9至15中任何一项的装置，其中该定量物料具有低的导热率。
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