[發明專利]一種改善垂直管束氣固流化床外取熱器操作的方法

在審

• 申請號: 201410100560.4
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN104930887A
• 公開（公告）日: 2015-09-23
• 發明（設計）人: 張永民;姚秀穎;韓霄
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: F28D13/00
• 分類號: F28D13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種改善垂直管束氣固流化床外取熱器操作的新方法，屬于石油加工、化工等技術領域。

技術背景

由于氣固流化床反應器容易控制反應溫度及避免床層出現熱點、具有更好的傳熱及傳質特性、可以方便地實現大量固體顆粒的連續輸送，因此在石油加工、煤化工、化工合成等領域的非均相氣固反應過程中得到了廣泛應用。在一些放熱的氣固流化床反應器中，常設置有流化床取熱器，用以從反應器中取熱，以滿足系統熱平衡以及控制反應溫度的需要。通常，這類流化床取熱器一般為氣速較低的密相流化床，即操作在鼓泡及湍動流化域中，通過取熱器中的取熱介質(如水)和熱顆粒在取熱管壁內外實現間壁接觸傳熱。

例如，在石油煉制催化裂化裝置中，由于反應過程要求系統實現熱平衡，即吸熱的裂化反應過程所需的熱量由放熱的燒焦再生過程提供，隨著催化裂化原料的重質化和劣質化，裝置生焦量提高致使燒焦再生釋放的熱量不斷增大，已經超過了反應系統所需的熱量，因此，再生系統內需安裝流化床取熱器以實現系統的熱平衡。這類取熱器內的取熱介質是飽和水，在取熱過程中它吸收了來自取熱管外的熱催化劑的熱量后變成了飽和蒸汽，并同時降低了催化劑顆粒的溫度。

由于負荷調節靈活、適應性和可靠性更強，設置在再生器外的催化劑取熱器(簡稱外取熱器)獲得了更為廣泛的應用。工業中應用的外取熱器有很多型式，其中密相外取熱器應用最為廣泛，這主要由于其具有取熱效率更高、流化氣體用量少、負荷調節靈活等優點。

在其他工業領域的氣固流化床反應器中，也常采用此類氣固流化床外取熱器。例如，煤化工領域的甲醇制烯烴過程(MTO)和石油加工工業中的一些高溫催化裂解過程均需要采用這類氣固流化床外取熱器，其他化學合成工業中的氣固流化床反應器由于控制反應溫度的需要，也需要采用取熱設備，因此也可以采用這類外取熱器。

這類取熱器的共同特點是設置在主流化床反應器外部，通過和主反應器聯通的立管使顆粒進出外取熱器，有的立管上還設置有關閉或控制顆粒流量的機構以方便實現取熱器與主反應器間的隔離以及取熱負荷的定量控制。這類外取熱器中一般設置有多根平行的垂直取熱管束。有時，為了提高設備的整體可靠性，每根取熱管均設置有獨立的冷卻介質進出口，其目的是當某一根取熱管損壞時可以單獨關閉，而其他取熱管仍然可以正常工作。這類取熱器的另一個共同特點是操作氣速較低，一般屬低氣速密相床操作，在這樣的操作條件下床層和管壁間的傳熱系數較高，取熱器的整體取熱負荷較大。

但是，在目前工業上很多使用的氣固流化床外取熱器中，密相床層的設計和操作高度均很高，少則2～3m，多則8～10m，很多催化裂化密相外取熱器即屬于這種情況。另外，在這類外取熱器中，大多取熱管束的布置十分緊密，即床層的水力學直徑很小。水力學直徑是一個流體力學的概念，其定義如下：

Dh=4AL]]>

其中A是床層截面中扣除取熱管的流通面積，L是所有潤濕周邊的總長度，即所有取熱管外部邊緣線的總長和流化床橫截面周長的總和。很多外取熱器中，取熱管外壁還設置有許多增加傳熱面積的翅片或內構件，這將進一步增大外取熱器的潤濕周邊長度，并減小外取熱器的水力學直徑。因此總體上講，目前工業使用的氣固流化床外取熱器大多屬于小水力學直徑的深層流化床。床層水力學直徑小意味著壁面效應強，很容易形成節涌、架橋等不正常流化狀況。另外，近年來相關學者研究發現，在深層流化床中，由于床層總壓降較高，氣體壓縮很容易造成局部床層死床和氣體偏流等不正常流化現象。這些不正常流化現象將導致床層流化質量下降和傳熱效果的惡化，其結果是設備振動大、取熱管使用壽命縮短、取熱負荷達不到設計要求等。另外，如果外取熱器中出現局部死床，還有可能造成取熱器中不同取熱管的取熱負荷不同，這將可能造成取熱管表面的溫度的不同，取熱管熱膨脹量差別較大時可能導致取熱管及其他部件的損壞，嚴重時甚至出現局部取熱管干燒損壞。最后，氣體的偏流還有可能造成局部取熱管磨損加劇，縮短其使用壽命。