CN203928822U

CN203928822U - 一种改进型强制内混式流化床外取热器

Info

Publication number: CN203928822U
Application number: CN201420122076.7U
Authority: CN
Inventors: 张永民; 孙富伟; 卢春喜; 姚秀颖; 韩霄
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2024-03-18

Abstract

一种改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于该外取热器设置有多根垂直换热管束且属于深床层操作状态；换热管束下部设置有两个流化风分布器，大部分流化风通过位于床层中心区域的中心分布器进入密相床层，少部分流化风通过靠近取热器内壁的环管式分布器进入密相床层；底部环管式分布器的设置位置略高于中心分布器；在底部环管式分布器上部、换热管束与取热器内壁之间的区域按照一定间距设置有多个管式分布器。利用上述措施，可以在更大的床层高度范围内实现传热强化，从而更大幅度地提高外取热器的取热能力。

Description

一种改进型强制内混式流化床外取热器

技术领域

本发明涉及一种改进型的强制内混式流化床外取热器，属于石油加工、化工等技术领域。

技术背景

由于气固流化床反应器容易控制反应温度及避免床层出现热点、具有更好的传热及传质特性、可以方便地实现大量固体颗粒的连续输送，因此在石油加工、煤化工、化工合成等领域的非均相气固反应过程中得到了广泛应用。在一些放热的气固流化床反应器中，常设置有流化床取热器，用以从反应器中取热，以满足系统热平衡以及控制反应温度的需要。通常，这类流化床取热器一般为气速较低的密相流化床，即操作在鼓泡及湍动流化域中，通过取热器中的取热介质(如水)和热颗粒在取热管壁内外实现间壁接触传热。

例如，在石油炼制催化裂化装置中，由于反应过程要求系统实现热平衡，即吸热的裂化反应过程所需的热量由放热的烧焦再生过程提供，随着催化裂化原料的重质化和劣质化，装置生焦量提高致使烧焦再生释放的热量不断增大，已经超过了反应系统所需的热量，因此，再生系统内需安装流化床取热器以实现系统的热平衡。这类取热器内的取热介质是饱和水，在取热过程中它吸收了来自取热管外的热催化剂的热量后变成了饱和蒸汽，并同时降低了催化剂颗粒的温度。

由于负荷调节灵活、适应性和可靠性更强，设置在再生器外的催化剂取热器(简称外取热器)获得了更为广泛的应用。工业中应用的外取热器有很多型式，其中密相外取热器应用最为广泛，这主要由于其具有取热效率更高、流化气体用量少、负荷调节灵活等优点。

在其他工业领域的气固流化床反应器中，也常采用此类气固流化床外取热器。例如，煤化工领域的甲醇制烯烃过程(MTO)和石油加工工业中的一些高温催化裂解过程均需要采用这类气固流化床外取热器，其他化学合成工业中的气固流化床反应器由于控制反应温度的需要，也需要采用取热设备，因此也可以采用这类外取热器。

这类取热器的共同特点是设置在主流化床反应器外部，通过和主反应器联通的立管使颗粒进出外取热器，有的立管上还设置有关闭或控制颗粒流量的机构以方便实现取热器与主反应器间的隔离以及取热负荷的定量控制。这类外取热器中一般设置有多根平行的垂直取热管束。有时，为了提高设备的整体可靠性，每根取热管均设置有独立的冷却介质进出口，其目的是当某一根取热管损坏时可以单独关闭，而其他取热管仍然可以正常工作。这类取热器的另一个共同特点是操作气速较低，一般属低气速密相床操作，在这样的操作条件下床层和管壁间的传热系数较高，取热器的整体取热负荷较大。

为了改善外取热器的取热性能、可靠性以及其他性能，研究人员提出了一系列专利技术。中国专利CN 2760486Y、CN 201229140Y和CN 201229141Y对目前工业中常用的长翅片换热管进行了改进，通过采用周向螺旋排布的短翅片、设置膨胀缝、采用非均匀宽度的翅片、增设翅基等措施，以解决长翅片换热管上易出现由于应力集中而导致的裂纹，从而达到提高换热管强度和延长换热管使用寿命的目的。中国专利CN 2515637Y提出在常用的套管式单元换热管外壁焊接钉形强化换热元件，以改善翅片式换热管在密相流化床中容易出现管壁颗粒滞留的问题，从而达到提高换热管换热系数的目的。

中国专利CN 103113914A通过在气固流化床外取热器密相床层上方设置热催化剂分布装置，通过改善热颗粒沿取热器横截面的分布均匀性以解决各取热管取热负荷不均以及取热管的冲刷磨蚀问题。

中国专利CN 1313795C提出了一种用于催化裂化再生的催化剂外取热过程气固环流取热器，该取热器是在圆柱形壳体下部设置有与壳体同轴的上下开口的导流筒，导流筒由呈圆周状排列的取热管及其外壁上沿轴向设置的翅片互相搭接围成；导流筒将取热器内部流化床分隔成内部的导流筒区及外围的环形区两个流动区域，在两个流动区域分别设置流化气体分布器，并在取热器内部上部设置漏斗形的多孔筛板，多孔筛板末端向下竖设中心下料管向下延伸到导流筒区底部。该技术通过控制较高的导流筒区表观气速和较低的环形区表观气速，实现颗粒在导流筒区与环形区之间形成环流流动，从而提高取热管束外的气固两相对流传热系数，减少对流热阻，以达到强化对流传热过程和改善传热效果的目的。中国专利CN 101760229B通过耦合一个上部流化床取热段和一个下部直径较小的再生剂汽提器段，提出一种用于实现催化裂化再生剂的调温和汽提的耦合设备。在该设备中，上部流化床取热段中采用了类似CN 1313795C提出的传热强化方法，即设置了一个和取热段同心的导流筒，底部设置有两个气体分布器，通过设置不同的局部表观气速控制导流筒区和环隙区不同的颗粒表观密度，以实现强化颗粒内循环流动和强化传热效果的目的。底部汽提段主要用于汽提再生催化剂中携带的烟气，避免其进入反应系统。

中国专利CN 101769694B提出了一个结构更为简单的强制内混式催化裂化催化剂外取热器，其目的也是为了强化外取热器中的颗粒与传热面之间的传热。但是和CN 101760229B以及CN 1313795C不同的是，该外取热器中没有设置隔流筒，仅在外取热器底部设置了两个气体分布器，通过控制进入两个分布器的气体流量实现床内不同区域局部表观气速的不同，在床层密度差的推动下床内颗粒的循环运动以及颗粒在取热管壁的更新将得以加强，以提高取热器取热管壁与床层间的传热系数并增大取热器的取热负荷。因此，相比和CN 101760229B以及CN 1313795C而言，其结构更为简单，在工业装置中实施更为方便。

但是，最新实验室研究结果表明，中国专利CN 101769694B提出的传热强化方法仅能在距离底部分布器一定高度的床层中有效，这一影响高度的范围一般在0.2～2.0m。在这一临界高度上部的外取热器密相床层中，气固流动特性以及传热特性几乎不受影响。而工业装置中大多采用较高的密相床层高度，少则2～3m，多则8～10m。因此，对于这些密相床层较高的外取热器，利用中国专利CN101769694B所提出的方法所能达到传热强化效果将十分有限。

本发明的目的就是基于最新研究结果并在中国专利CN 101769694B的基础上提出了一种改进型的强制内混式流化床外取热器，以期在工业装置中的高床层外取热器中实现更佳的传热强化效果。

发明内容

本发明提供了一种改进型的强制内混式流化床外取热器，适用于深床层操作的流化床外取热器，主要用于解决现有基于强制内混式流化床外取热器强化传热有效高度不高的问题。具体实施方案如下：

1.一种改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于该外取热器设置有多根垂直换热管束且属于深床层操作状态；换热管束下部设置有两个流化风分布器，大部分流化风通过位于床层中心区域的流化风分布器(简称中心分布器)进入密相床层，少部分流化风通过靠近取热器内壁的环管式气体分布器(简称底部环管式分布器)进入密相床层；底部环管式分布器的设置位置略高于中心分布器；在底部环管式分布器上部、换热管束与取热器内壁之间的区域按照一定间距设置有多个管式分布器(简称环隙分布管)。

2.如上述第1条所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于外取热器为深床层操作，即其密相床层的高度在1～10m；

3.如上述第1或第2条所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于流经中心分布器与底部环管式分布器的流化风量之比的范围为10∶1～2∶1；

4.如上述第1或第2条所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于底部环管式分布器高度比中心分布器高100～400mm；

5.如上述第1或第2条所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于最下部的环隙分布管距离底部环管式分布器的高度W₁为0.4～2.0m，各个环隙分布管之间的相互间距W的范围为0.3～1.5m。

6.如第1或第2条所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于流经环隙分布管的流化风量与流经中心分布器的流化风量之比的范围为10∶1～5∶1。

利用上述措施，可以在更大的床层高度范围内实现强制内混式传热强化，从而可以在更大的区域内改善颗粒在传热管壁面的更新，提高颗粒与换热管壁面的传热系数和增大外取热器的取热能力。

本发明适用于任何外置于主流化床反应器、用于热量回收、密相床层较高且设置有多根垂直换热管束的外置流化床取热器，例如催化裂化过程的外取热器、再生剂调温取热器、醇类制烯烃工艺(MTO)的外取热器以及其他类似过程中采用的外置流化床取热器。

附图说明

图1为本发明在催化裂化外取热器中的一种典型实施方案；

图2为图1所示外取热器环隙分布管处的横截面剖视图。

图中：1-催化剂出口，2-中心分布器，3-底部环管式分布器，4-换热管，5-密相流化床，6-流化风出口，7-催化剂进口，8-环隙分布管，8-水平格栅内构件。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明所提供的一种改进型强制内混式流化床外取热器的实施方法，但本发明并不因此而受到任何限制。

图1给出了本发明在催化裂化外取热器中的一种典型实施方案。如图所示，该外取热器实际上是一个设置有多根垂直换热管(4)束的流化床，包括催化剂出口(1)、中心分布器(2)、底部环管式分布器(3)、换热管(4)、密相流化床(5)流化风出口(6)、催化剂进口(7)、环隙分布管(8)等主要结构。换热管(3)从外取热器顶部一直延伸至底部，换热管(3)底部段浸没在外取热器底部的密相流化床(4)中。热催化剂颗粒C从外取热器中上部的催化剂进口(7)流入到密相流化床(5)中，和换热管(4)管壁接触冷却后，冷催化剂D再从底部的催化剂出口(1)流出。密相流化床(4)的流化风分三部分，分别是从中心分布器(2)引入的A、从底部环管式分布器(3)引入的B以及从多个环隙分布管(8)引入的E，所有流化风最后经过密相流化床(4)后通过气体出口(6)离开。该外取热器采用的深床层操作，床层高度一般在1～10m之间。

在密相流化床(5)的底部、换热管(4)束下部设置有两个气体分布器，其中中心分布器(2)主要负责流化外取热器的密相流化床(5)的中心区域，图1显示的中心分布器(2)实际上是一个板式气体分布器。底部环管式分布器(3)是一个贴近外取热器内壁的环管式分布器，设置在中心分布器(2)略上方的位置，距离中心分布器(2)的高度W0为100～400mm。流经中心分布器(2)与底部环管式分布器(3)的流化风量之比的范围为10∶1～2∶1，以确保中心区域气速高而密度低，而贴近外取热器内壁的环形区域气速低而密度高，在密度差的作用下，床层颗粒会形成中心区域向上、边壁区域向下流动，这是比普通流化床更为强烈的颗粒内循环流动。由于颗粒内循环流动的强化，颗粒在换热管壁面的更新得以强化，因此传热系数的到了提高。

除了底部的两个气体分布器(2和3)外，在底部环管式分布器(3)上方、换热管(4)束与外取热器内壁之间的环形区域也设置了多个环隙分布管(8)，见图2所示。环隙分布管(8)设置的多少取决于床层高度的高低。最下部的环隙分布管(8)距离底部环管式分布器(3)的高度W1为0.4～2.0m，各个环隙分布管(8)之间的相互间距W的范围为0.3～1.5m。流经环隙分布管(8)的流化风量较小，与流经中心分布器(2)的流化风量之比保持在10∶1～5∶1的范围内即可。

Claims

1.一种改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于该外取热器设置有多根垂直换热管束且属于深床层操作状态；换热管束下部设置有两个流化风分布器，大部分流化风通过位于床层中心区域的中心分布器进入密相床层，少部分流化风通过靠近取热器内壁的底部环管式分布器进入密相床层；底部环管式分布器的设置位置略高于中心分布器；在底部环管式分布器上部、换热管束与取热器内壁之间的区域按照一定间距设置有多个管式分布器。

2.如权利要求1所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于外取热器为深床层操作，即其密相床层的高度在1～10m。

3.如权利要求1或2任一项所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于流经中心分布器与底部环形分布器的流化风量之比的范围为10∶1～2∶1。

4.如权利要求1或2任一项所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于底部环管式分布器高度比中心分布器高100～400mm。

5.如权利要求1或2任一项所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于最下部的环隙分布管距离底部环管式分布器的高度W₁为0.4～2.0m，各个环隙分布管之间的相互间距W的范围为0.3～1.5m。

6.如权利要求1或2所述的改进型强制内混式流化床外取热器，其特征在于流经环隙分布管的流化风量与流经中心分布器的流化风量之比的范围为10∶1～5∶1。