CN1313795C - 气固环流取热器 - Google Patents

Abstract

一种气固环流取热器，它包括圆罐型竖立的壳体，壳体的上部设有进料管，顶端设有气体出口管，底部为漏斗状，并于末端向下竖设固体颗粒出口管；壳体内的下部设有与壳体同轴的上下开口的导流筒，导流筒由在壳体内呈圆周状排列的取热管及其上的轴向的翅片互相搭接围成；导流筒将壳体内的下部空间分为导流筒区及环形区；导流筒区及环形区下方分别设有环形管状的气体分布器；壳体内的上部设有漏斗形的多孔筛板，多孔筛板末端向下竖设中心下料管，中心下料管向下延伸到导流筒区。本发明利用环流装置的良好传热特性，设计出一种新型气固环流取热器，具有传热系数高，传热效果好，传热强度大，结构简单，操作灵活，调节方便等优点。

Description

气固环流取热器

技术领域

本发明涉及一种取热器，尤其是一种气固环流取热器，属于化工工艺及设备领域。

背景技术

换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有很重要的地位。按用途它可分为加热器、取热器(冷却器)、冷凝器、蒸发器和再沸器等。按热量交换的原理和方式可分为混合式(直接接触式)，蓄热式(回热式)及间壁式三类。

间壁式换热器的特点是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面进行传递。工业上应用最广泛的换热器即是间壁式。按照传热面的型式，间壁式换热器可分为夹套式、管式、板式和各种异型传热面组成的特殊型式换热器。

换热器设计的重点是换热过程的强化，就是如何提高换热器中冷、热流体间的传热速率。由总传热速率方程Q＝KAΔTm可以看出，增大传热系数K、传热面积A或平均温差ΔTm均可提高传热速率。

扩展传热面积的方法应以合理地提高设备单位体积的传热面积，如采用翅片管、波纹管、螺纹管来代替光管等，从改进传热面结构和布置的角度出发加大传热面积，以达到换热设备高效、紧凑的目的。

平均温差的大小主要取决于两流体的温度条件，但当换热器中的两流体均无相变时，从结构上采用逆流或接近逆流的流向可以得到较大的传热温差。

增大传热系数是在强化传热过程中应该着重考虑的方面。欲提高传热系数，就必须减小对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻。由于各项热阻所占份额不同，故应设法减小传热过程中的主要热阻。在换热设备中，金属间壁比较薄且导热系数较高，一般不会成为主要热阻。取热管内的冷却介质可以采用软化水，从而可以减少甚至避免管内壁污垢热阻的形成。因此，对流热阻成为提高传热系数的关键。取热管内的冷却介质水在换热过程中发生相变，传热系数很高。故提高取热管外的流体对流传热系数是强化传热的关键。强化流体对流传热的途径增强对流传热的方法主要有：1.改变流体的流动状况。2.改变流体物性。3.改变传热表面状况。

环流化学反应器是20世纪出现的一种新型反应器。它综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优点，具有气含率高、传热传质速率快、混合好、结构简单等优良特性。研究最初集中在气-液及气-液-固三相体系，后来又延伸到气-固体系。

目前的催化裂化外取热器还没有应用环流式取热方式，而是采用增加取热管束和翅片的办法增加传热面积，增大了生产成本；并且气固两相只是一次性的通过取热管束换热，传热系数不够高，而亟待加以进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种气固环流取热器，通过改变流体的流动状况，形成气固两相的环流流动，提高取热管束外的气固两相对流传热系数，减少了对流热阻，实现增强传热的目的，同时能减少取热管束的数量，节省成本。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种气固环流取热器，它包括圆罐型竖立的壳体，所述的壳体的上部设有进料管，顶端设有气体出口管，底部为漏斗状，并于末端向下竖设固体颗粒出口管；所述的壳体内的下部设有与壳体同轴的上下开口的导流筒，该导流筒包括呈圆周状竖立排列的取热管，在取热管外壁上沿轴向设置有翅片，翅片为对称的两片或多片，且相邻取热管上的翅片互相搭接围成导流筒；所述的取热管的两端管口分别伸出壳体外，并与外部冷却循环水系统相连接；

所述的取热管的翅片为轴向焊于取热管的外壁上，并向四周延伸，翅片的布置要确保不同取热管之间的翅片可以互相搭接在一起形成导流筒，翅片为对称的两片或多片，其具体数目根据所需的传热面积确定；

所述的导流筒将壳体内的下部空间分为内外两部分，导流筒内部空间为导流筒区，导流筒与壳体之间的区域为环形区；

所述的导流筒区及环形区下方分别设有环形管状的导流筒区气体分布器及环形区气体分布器，其管壁开有气孔，并在一侧设有连接壳体外部供气装置的进气管；

所述的壳体内的上部设有漏斗形的多孔筛板，多孔筛板末端向下竖设中心下料管，中心下料管向下延伸到导流筒区。

所述的取热管为同轴套管，分为内管和外管，外管末端封闭并于内部与内管相连通；所述的取热管顶部向壳体外侧弯转并伸出壳体之外，并分别与外部冷却循环水系统相连接；所述的翅片可以在轴向上分为一段或一段以上；所述的导流筒根据取热管上翅片在轴向上所分的段数，形成单段导流筒或两段导流筒或多段导流筒。

所述的中心下料管向下延伸到导流筒区底部，也可以延伸到导流筒区的中部或上部。

所述的气体分布器的气孔向下开设，能有效避免固体颗粒的堵塞；所述的气孔孔径为3～20mm，开孔率为0.05～3％。

所述的多孔筛板板壁的夹角角度为45°～120°，开孔的孔径为5～30mm，开孔率3～20％。

所述漏斗形的底部外壁夹角的角度为45°～90°。

气体由壳体外部通过气体分布器的进气管进入导流筒区气体分布器和环形区气体分布器，并由气孔喷出，分别进入导流筒区和环形区；通过调节导流筒区气体分布器及环形区气体分布器的出气量(导流筒区气体线速控制在0.1～0.8m/s，环形区气体线速控制在0～0.2m/s)使进入导流筒区的气量远大于进入环形区的气量，因此，环形区的床层密度大于导流筒区的床层密度，环形区底部的床层压力大于导流筒区底部的床层压力。

待取热的固体颗粒通过进料管进入取热器，经漏斗形的多孔筛板及中心下料管进入导流筒区下部。

冷却循环水由取热管的内管进入；到达导流筒区底部的固体颗粒被由导流筒区气体分布器喷出的气体带动向上流动，在流动过程中通过取热管的外壁及翅片，与取热管中的冷却水换热；当固体颗粒到达导流筒区的顶部时，大部分气泡破裂和固体颗粒分离，分离出的气体穿过多空筛板继续向上，由取热器顶部的排气管排出；分离后的固体颗粒夹带少量未来得及分离的气体进入环形区，依靠重力向下流动，并再次与取热管中的冷却水换热；当固体颗粒到达环形区底部时，由于环形区底部的床层压力高于导流筒区底部的床层压力，大部分固体颗粒流回导流筒区底部，形成环流；小部分固体颗粒由于重力作用向下流动，落入底部的固体颗粒出口管。取热后的固体颗粒通过取热器底部固体颗粒出口管放出，气体由取热器上部气体出口管排出，取热管中形成的水蒸汽D由外管排出。

本发明所述的气固环流取热器属于间壁式取热器，在结构上构成导流筒，使气固两相形成环流流动，提高取热管束外的气固两相对流传热系数，减少了对流热阻，实现增强传热的目的。同时采用了同轴套管及翅片增大了传热面积，利用导流筒结构减少了取热管束的数量，节省了成本。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的取热器结构示意图；

图2为本发明的导流筒横向剖面结构图；

图3为本发明的取热管结构示意图；

图4为本发明的带两段翅片的取热管结构示意图；

图5为本发明的环形管状气体分布器仰视结构图；

图6为本发明的环形管状气体分布器平视局部剖视图；

图7为本发明的第二实施方式的取热器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明：

第一实施方式：

如图1所示，为本发明的第一实施方式的取热器结构示意图，一种气固环流取热器，它包括圆罐型竖立的壳体1，该壳体1的上部设有进料管6，顶端设有气体出口管7，底部为漏斗状，其外壁夹角的角度β为45°～90°，并于末端向下竖设固体颗粒出口管8；

壳体1内的下部设有与壳体1同轴的上下开口的导流筒2，该导流筒2包括呈圆周状竖立排列的取热管20，在取热管20外壁上沿轴向设置有翅片201，翅片201为对称的两片或多片，且相邻取热管20上的翅片201互相搭接围成导流筒2；取热管20的管口伸出壳体1外，并与外部冷却循环水系统相连接；取热管20的翅片201为轴向焊于取热管20的外壁上，并向四周延伸，翅片201的布置要确保相邻的取热管20之间的翅片201可以互相搭接在一起形成导流筒2，翅片201为对称的两片或多片，其具体数目根据所需的传热面积确定。

导流筒2将壳体1内的下部空间分为内外两部分，导流筒2内部空间为导流筒区21，导流筒2与壳体1之间的区域为环形区22；导流筒区21及环形区22下方分别设有环形管状的导流筒区气体分布器31及环形区气体分布器32。

在壳体1内的上部设有漏斗形的多孔筛板4，多孔筛板4板壁的夹角角度α为45°～120°，开孔的孔径为5～30mm，开孔率3～20％；多孔筛板4末端向下竖设中心下料管5，中心下料管5向下延伸到导流筒区21底部。

如上所述的导流筒2的结构，如图2所示，导流筒2由取热管20的翅片201搭接围成，取热管20在壳体1内呈圆周排列，其翅片201互相搭接在一起形成与壳体1同轴的圆筒状结构。

如上所述的取热管20的结构，如图3所示，取热管20为同轴套管，由直径不同的圆管套在一起形成，分为内管202和外管204，外管204末端封闭并于内部与内管202相连通；取热管20顶部向壳体1外侧弯转并伸出壳体1之外，并分别与外部冷却循环水系统相连接；冷却循环水C由内管202进入，在外管204通过外管壁203与待取热的固体颗粒A换热，形成的蒸汽D由外管204排出。为增加换热面积，外管壁203轴向焊有向四周延伸的翅片201，翅片201至少为对称的两片，根据需要也可以是多片。翅片201除了增加换热面积外，也是形成导流筒2(如图2所示)的关键部件。翅片201可以在轴向上分为一段或一段以上(如图4所示，为带两段翅片的取热管结构示意图)。

如上所述的导流筒区气体分布器31及环形区气体分布器32的结构，如图5及图6所示，气体分布器31或32为环形管状结构，并竖直向下开有气孔33，在一侧设有进气管34。气孔33孔径为3～20mm，开孔率为0.05～3％，开孔竖直向下能有效避免固体颗粒的堵塞。气体B由进气管34进入气体分布器31或32，再由气孔33喷出。

本实施方式的具体步骤如下：

如图1所示，待取热的固体颗粒A通过取热器上部的进料管6进入，依靠重力落到漏斗形的多孔筛板4上，然后经中心下料管5进入导流筒区21底部。

同时气体B通过导流筒区气体分布器31及环形区气体分布器32分别进入导流筒区21和环形区22，通过调节导流筒区21和环形区22的气体量(导流筒区气体线速控制在0.1～0.8m/s，环形区气体线速控制在0～0.2m/s)，使导流筒区21气体量远大于环形区22气体量，则环形区22床层密度大于导流筒区21床层密度，环形区22底部床层压力大于导流筒区21底部床层压力。

到达导流筒区21底部的固体颗粒A被由导流筒区气体分布器31喷出的气体B带动向上流动，在流动过程中通过取热管20的外壁及翅片201，与取热管20中的冷却水C换热；当固体颗粒A到达导流筒区21的顶部时，大部分气泡破裂和固体颗粒A分离，分离出的气体B穿过多空筛板4继续向上，由取热器顶部的气体出口管7排出；分离后的固体颗粒A夹带少量未来得及分离的气体B进入环形区22，依靠重力向下流动，并再次与取热管20中的冷却水C换热；当固体颗粒A到达环行区22底部时，由于环形区22底部的床层压力高于导流筒区21底部的床层压力，大部分固体颗粒A流回导流筒区21底部，形成环流，达到消除取热管20与固体颗粒A之间的传热边界层，强化对流传热过程，提高传热效果的目的；小部分固体颗粒A由于重力作用向下流动，落入底部的固体颗粒出口管8。

固体颗粒A围绕由取热管20形成的导流筒2进行多次环流换热后，由取热器底部固体颗粒出口管8放出，气体B由取热器上部气体出口管7排出，取热管20中形成的水蒸汽D由外管排出。

第二实施方式：

如图7所示，为本发明的第二实施方式的结构示意图，其气固环流取热器的基本结构与本发明的第一实施方式相同；与本发明的第一实施方式所不同的是，取热管20带有两段翅片201按图4所示的方式排列，翅片201互相搭接在一起形成两段导流筒2a及2b。

本实施方式的具体步骤如下：

如图7所示，待取热的固体颗粒A由取热器上部的进料管6进入，经过漏斗形的多孔筛板4及中心下料管5进入一段导流筒2a底部；同时气体B通过导流筒区气体分布器31及环形区气体分布器32分别进入导流筒区21和环形区22，通过调节导流筒区21和环形区22的气体量(导流筒区气体线速控制在0.1～0.8m/s，环形区气体线速控制在0～0.2m/s)，使进入导流筒区21的气体量远大于进入环形区22的气体量，则环形区22床层密度大于导流筒区21床层密度，环形区22底部床层压力大于导流筒区21底部床层压力。

到达导流筒区21底部的固体颗粒A被由导流筒区气体分布器31喷出的气体B带动向上流动，在流动过程中通过取热管20的外壁及翅片201，与取热管20中的冷却水C换热；到达二段导流筒2b顶部时，气体B与固体颗粒A分离，气体B穿过多孔筛板4继续向上，由取热器顶部的气体出口管7排出；分离后的固体颗粒A夹带少量未来得及分离的气体B进入环形区22，依靠重力向下流动，并再次与取热管20中的冷却水C换热，到达二段导流筒2b的底部时，部分固体颗粒A返回导流筒区21，被导流筒区气流带动重新向上流动，形成二段环流；另一部分固体颗粒A继续在环形区22向下流动，并再次与取热管20中的冷却水C换热，到达一段导流筒2a的底部时，由于环形区22底部的床层压力高于导流筒区21底部的床层压力，大部分固体颗粒A流回导流筒区21底部，形成一段环流，小部分固体颗粒A由于重力作用向下流动，落入底部的固体颗粒出口管8；

固体颗粒A在环形区22和导流筒区21之间经过多次环流与取热管20中的冷却水C换热后，由取热器底部固体颗粒出口管8放出，气体B由取热器上部气体出口管7排出；取热管20中形成的水蒸汽D由外管排出。

本发明的实现方案还可以在此基础上，将取热管上的翅片进一步分成多段，构成多段导流筒，使固体颗粒形成多段环流，从而形成多段环流取热器。

本发明通过对强化传热手段的细致分析，利用环流装置的优良传热特性，设计出一种气固环流取热器。具有传热效果好，传热强度大，设备简单，容易控制，节省成本等优点。可广泛用于涉及气-固两相取热的化工过程，如催化裂化再生的催化剂外取热过程。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1、一种气固环流取热器，它包括圆罐型竖立的壳体，所述的壳体的上部设有进料管，顶端设有气体出口管，底部为漏斗状，并于末端向下竖设固体颗粒出口管，其特征在于：所述的壳体内的下部设有与壳体同轴的上下开口的导流筒，该导流筒包括呈圆周状竖立排列的取热管，在取热管外壁上沿轴向设置有翅片，翅片为对称的两片或多片，且相邻取热管上的翅片互相搭接围成导流筒；所述的取热管的两端管口分别伸出壳体外，并与外部冷却循环水系统相连接；

所述的导流筒将壳体内的下部空间分为内外两部分，导流筒内部空间为导流筒区，导流筒与壳体之间的区域为环形区；

所述的导流筒区及环形区下方分别设有环形管状的导流筒区气体分布器及环形区气体分布器，所述的导流筒区气体分布器及环形区气体分布器的管壁开有轴向的气孔，并在一侧设有连接壳体外部供气装置的进气管；

所述的壳体内的上部设有漏斗形的多孔筛板，多孔筛板末端向下竖设中心下料管，中心下料管向下延伸到导流筒区。

2、根据权利要求1所述的气固环流取热器，其特征在于：所述的中心下料管向下延伸到导流筒区底部。

3、根据权利要求1所述的气固环流取热器，其特征在于：所述的取热管为同轴套管，分为内管和外管，外管末端封闭并于内部与内管相连通，取热管顶部向壳体外侧弯转并伸出壳体之外。

4、根据权利要求3所述的气固环流取热器，其特征在于：所述的翅片在轴向上分为一段或一段以上；所述的导流筒根据取热管上翅片在轴向上所分的段数，形成单段导流筒或两段导流筒或多段导流筒。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的气固环流取热器，其特征在于：所述的气体分布器的气孔向下开设，所述的气孔孔径为3～20mm，开孔率为0.05～3％。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的气固环流取热器，其特征在于：所述多孔筛板的板壁的夹角角度为45°～120°，开孔的孔径为5～30mm，开孔率3～20％。

7、根据权利要求1或2或3或4所述的气固环流取热器，其特征在于：所述漏斗形的底部外壁夹角的角度为45°～90°。

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