CN109282679B - 一种折流板强化的流化床外取热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折流板强化的流化床外取热器，包括壳体、垂直管束、折流板和气体分布器，壳体的上部设置有催化剂进口，底部设置有催化剂出口；垂直管束包括竖直分布于壳体内的多根换热管，每根换热管包括水管以及密闭套置在水管外部的蒸汽管，每根换热管的顶端伸出至壳体的外部，水管的顶部设置入水口，蒸汽管的顶部设置蒸汽出口；多片折流板在壳体内沿垂直管束长度方向呈螺旋排布或对称交错排布，多根换热管穿设过多片折流板并与其紧固连接，使多片折流板与垂直管束连接为一体；气体分布器设置在位于垂直管束下方的壳体内，壳体上开设与气体分布器连通的流化风入口。

Description

一种折流板强化的流化床外取热器

技术领域

本发明涉及一种流化床外取热器，特别涉及一种折流板强化的流化床外取热器，属于石油加工、化工等技术领域。

背景技术

我国催化裂化原料不断重质化，生焦率的提高使得再生系统的热量过剩，需要及时移走多余的热量以维持反再系统的热平衡。此外，为了提高目标产品的收率和企业的效益，需要尽可能在不降低进料温度的条件下灵活提高催化裂化的剂油比，同样也需要对高温再生催化剂进行适当冷却。因此，将催化剂所携带的过剩热量取走就显得至关重要。外取热器安置在反应—再生系统的外部，操作相对灵活且取热负荷易于调控，取热器出现问题时可作为独立的单元进行整修而不影响反应—再生系统的正常运行。外取热器这些独有的优势使其适应性较强，因此，外取热器在石油催化裂化行业中获得了广泛的应用。

工业中气固流化床外取热器的形式有很多种，根据催化剂颗粒和气体的流动方式不同，外取热器一般可分为上流式、下流式、返混式和气控式四类。上流式外取热器为稀相操作，较低的催化剂浓度限制了其传热效率，需要的风量较大，能耗相对较高，并且，由于其气速较高，对换热管束的冲蚀与磨损较为严重，不利于装置的长期稳定运行；返混式和气控式外取热器与再生器连为一体，节省了催化剂运输管道和较昂贵滑阀的费用，因此安装相对方便，且成本相对较低，但是其换热效率较低，传热负荷不易调节，当原料发生改变时，有时无法满足所需的取热要求；下流式外取热器一般为密相操作，流化气体用量较小，能耗较低且传热效率较高，所以应用更为广泛。

流化床取热器一般会在内部设置多根换热管，形成换热管束。需要进行换热的固体颗粒一般在壳程流动，取热介质在管程流动，由流态化理论可知，大多数取热器都可以认为是具有垂直内构件(取热管束)的细颗粒气－固流化床。

在实际应用中，这种管壳式气固流化床取热器传热效率有时不能达到设计值，取热负荷有待进一步提高，且取热器内部催化剂局部失流化导致较大的轴、径向温差，入口催化剂对换热管的冲击和磨损问题使外取热器的稳定性受到影响，因此这种管壳式气固流化床取热器有待于进一步的优化。

中国专利CN2515637Y和CN2457555Y分别通过在换热管表面焊接钉头形式的构件和环形翅片、斜翅片结构，增加催化剂颗粒的局部紊流，从而提高传热效率。但是翅片和钉头构件的尺寸相对于壳程尺寸来说很小，其带来的局部紊流无法对整个壳程流场进行优化，因此，无法解决催化剂颗粒局部流化较差而带来的轴径向温差问题。

中国专利CN104930887A通过在催化剂颗粒进口和气体分布器之间按照一定间距加设水平格栅内构件，利用内构件对气泡的破碎作用和对气体的再分布作用，改善了外取热器壳程整体的流化效果。中国专利CN203928823U在主流化风上部安装一个或多个管式气体分布器，改善了外取热器密相床层的流化质量。中国专利CN101769694B在外取热器底部安装了两个分布器，通过调节两个分布器的气体流量，强化了颗粒在床层内的内循环，增强了颗粒在换热管表面的更新速度，提高了换热器的换热效率。中国专利CN103113914B提出一种颗粒可预分配的催化裂化外取热器，在催化剂入口设计了一个环形流化床，解决了换热管的冲蚀问题。

总之，目前已公布的流化床外取热器专利和相关文献没有很好地解决外取热器的壳程传热问题、颗粒局部流化较差而导致的轴径向温差问题和入口催化剂磨损问题，因此流化床外取热器有待于进一步强化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种折流板强化的流化床外取热器，通过在流化床外取热器壳程安装折流板来强化含有多根换热管的气-固流化床换热过程；折流板对外取热器壳程流场进行优化，强化了换热，解决了由于壳程流场局部流化状态较差而带来的轴径向温差问题；同时，靠近外取热器催化剂入口的折流板对入口催化剂进行整流，优化入口催化剂分布，减弱入口处催化剂对换热管束的冲蚀和磨损。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体的上部设置有催化剂进口，底部设置有催化剂出口；

垂直管束，所述垂直管束包括竖直分布于所述壳体内的多根换热管，每根所述换热管包括水管以及密闭套置在所述水管外部的蒸汽管，每根所述换热管的顶端伸出至所述壳体的外部，所述水管的顶部设置入水口，所述蒸汽管的顶部设置蒸汽出口；

折流板，多片所述折流板在所述壳体内沿所述垂直管束长度方向呈螺旋排布或对称交错排布，多根所述换热管穿设过多片所述折流板并与其紧固连接，使多片所述折流板与所述垂直管束连接为一体；

气体分布器，所述气体分布器设置在位于所述垂直管束下方的所述壳体内，所述壳体上开设与所述气体分布器连通的流化风入口。

优选地，每一所述折流板相对于所述垂直管束呈向上倾斜设置，每一所述折流板的板面与所述垂直管束之间形成一夹角。

优选地，所述夹角为15°～75°。

优选地，所述折流板呈部分锥面结构，所述折流板为1/4～2/3锥面板，对应锥角为60°～150°，所述部分锥面结构的折流板底部半径为壳程半径的80％～95％，厚度为3～15mm。

优选地，所述折流板呈部分锥台面结构，所述折流板为1/4～2/3锥台面板，对应锥角为60°～150°，所述部分锥台面结构的折流板的底部半径和顶部半径分别为壳程截面半径的80％～95％和15％～45％，厚度为3～15mm。

优选地，所述折流板呈椭圆扇形结构，所述折流板的圆心角为45°～180°，所述折流板的短轴长度为壳程截面半径的80％～95％，所述折流板的长轴长度为短轴长度的1～3.85倍，厚度为3～15mm。

优选地，所述壳体顶部的封头呈可拆卸设置，所述垂直管束穿过所述封头并与其固定连接，使所述垂直管束、折流板以及封头连接为一体。

优选地，所述催化剂进口为自所述壳体的侧壁向上倾斜延伸的斜管，在位于所述斜管下方的所述壳体内沿所述垂直管束的长度方向间隔布设多个所述折流板。

优选地，所述折流板上开设供所述换热管穿过的通孔；所述折流板上开设有供催化剂穿过的多个开孔，所述开孔为圆形、方形或三角形，且开孔占所述折流板板面面积的10％～45％。

优选地，所述折流板表面铺设隔热耐磨衬里，所述壳体的内壁上设置隔热耐磨层。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明的折流板强化的流化床外取热器通过折流板的整流作用，将外取热器壳程的流场进行了优化，使催化剂呈现一种拟螺旋或拟错流的流动状况，增加了待冷却催化剂的停留时间，增强了催化剂的湍动程度，从而强化了换热过程。同时解决了催化剂的局部失流化而导致的轴径向温差问题。折流板作为流化床的内构件，起到了破碎气泡的作用，增大了壳程的局部固含率，使换热管束表面的颗粒更新频率增大，强化了壳程的换热过程，同时避免了由于大气泡破碎而导致的装置震动等情况的出现，有利于外取热器的平稳长周期运行。2、本发明壳程内的折流板安装在催化剂入口附近时，对催化剂起到了分流和入口预分布的作用，减弱了入口催化剂对取热管的冲蚀和磨损，使入口催化剂的周径向分布更加均匀。3、本发明的折流板和管束为整体，安装方便，一旦出现问题，可以从上部和管束一起整体抽出，整修相对较容易。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明垂直管束排布结构示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图，其中，图3a为设有部分锥面折流板的流化床外取热器的局部结构示意图，图3b为部分锥面折流板在壳体内的分布示意图，图3c为部分锥面折流板的结构示意图；

图4是本发明实施例2的结构示意图，其中，图4a为设有部分锥台折流板的外取热器的局部结构示意图，图4b为部分锥台折流板在壳体内的分布示意图，图4c为部分锥台折流板的结构示意图；

图5是本发明实施例3的结构示意图，其中，图5a为设有椭圆扇形折流板的外取热器的局部结构示意图，图5b为椭圆扇形折流板对称交错分布于壳体内的结构示意图；图5c是椭圆扇形折流板的结构示意图；

图6是本发明实施例4的结构示意图，其中，图6a为设有椭圆180°扇形折流板的外取热器的局部结构示意图，图6b为椭圆180°扇形折流板螺旋分布于壳体内的结构示意图；

图7是本发明实施例5的结构示意图，其中，图7a为设有椭圆120°扇形折流板的外取热器的局部结构示意图，图7b为椭圆120°扇形折流板螺旋分布于壳体内的结构示意图。

图中，1：壳体；2：垂直管束；3：折流板；4：气体分布器；5：斜管；11：催化剂进口；12：催化剂出口；13：封头；14：流化风入口；20：换热管；201：水管；202蒸汽管；21：入水口；22：蒸汽出口；A表示流化风；B表示待冷却催化剂；C表示冷却催化剂；D表示水；E表示水蒸汽；R1表示锥面底部半径；R2表示锥台面底部半径；R3表示锥台面顶部半径；α表示锥面和锥台面的锥角；β表示椭圆扇形的圆心角；a表示椭圆扇形短轴；b表示椭圆扇形长轴；δ表示折流板厚度，H表示相邻折流板垂直间距。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供了一种折流板强化的流化床外取热器，它包括壳体1、垂直管束2、折流板3和气体分布器4；在壳体1的上部设置催化剂进口11，壳体1的底部设置催化剂出口12；垂直管束2包括竖直分布于壳体1内的多根换热管20，每根换热管20包括水管201以及密闭套置在水管201外部的蒸汽管202，每根换热管20的顶端伸出至壳体1的外部，水管201的顶部设置入水口21，蒸汽管202的顶部设置蒸汽出口22；多片折流板3在壳体1内沿垂直管束2长度方向呈螺旋排布或对称交错排布，多根换热管20穿设过多片折流板3并与其紧固连接，使多片折流板3与垂直管束2连接为一体；气体分布器4设置在位于垂直管束2下方的壳体1内，壳体1上开设与气体分布器4连通的流化风入口14。折流板3在壳体1内沿垂直管束2长度方向呈螺旋排布或对称交错排布，从而使催化剂在壳体1内呈现拟螺旋或拟错流的流动状况，延长待冷却催化剂在壳体1内的停留时间，催化剂径向的流动对管束表面的冲击力增加，从而削弱管束表面的颗粒滞留层对换热的影响，减小壳程换热热阻，强化外取热器的换热过程。

进一步地，每一折流板3相对于垂直管束2呈向上倾斜设置，每一折流板3的板面与垂直管束2之间形成一夹角，优选地，折流板3与垂直管束2之间的夹角为15°～75°，倾斜设置的折流板3会防止催化剂流过时产生过大的阻力，同时实现对流场的优化，从而使传热得到强化。

进一步地，壳体1顶部的封头13呈可拆卸设置，垂直管束2穿过封头13并与其固定连接，从而使垂直管束2、折流板3以及封头13连接为一体，拆卸时方便将垂直管束2、折流板3和封头13从壳体1内整体取出。优选地，封头13与壳体1为法兰连接，方便封头13的拆装。

进一步地，催化剂进口11为自壳体1的侧壁向上倾斜延伸的斜管5，待冷却催化剂自斜管5内进入壳体1内，故催化剂在壳体1内的有效垂直流动长度为斜管5下方至壳体1的底部之间长度，因此在位于斜管5下方的壳体1内沿垂直管束2的长度方向间隔布设多个折流板3,即在有效地长度上设置折流板3，提高折流板3的利用率。

进一步的，为方便折流板3和垂直管束2的连接，在折流板3上开设供换热管20穿过的通孔；为减少催化剂流动阻力，折流板3上开设有供催化剂穿过的多个开孔，开孔可为圆形、方形或三角形等形状，且开孔占折流板3板面面积的10％～45％。

进一步地，为了增加折流板3的使用寿命和稳定性，在折流板3表面铺设隔热耐磨衬里，同样地，在壳体1的内壁上设置隔热耐磨层。

本发明的具体使用过程如下：

待冷却催化剂B自催化剂进口11进入壳体1内，同时，通过入水口21向换热管20的水管201內加水D，流化风A经流化风入口14、气体分布器4进入壳体1内，并向壳体1上部喷射，待冷却催化剂B在壳体1自上而下流动，在流化风A的作用下，待冷却催化剂B与内部垂直管束2进行对流换热，由于折流板3的作用，使待冷却催化剂B在壳体1轴向流动的基础上，具有沿折流板3的径向流动，进而增加其径向的返混程度，延长待冷却催化剂在壳体1内的停留时间，催化剂径向的流动对垂直管束2表面的冲击力增加，从而削弱了垂直管束2表面的颗粒滞留层对换热的影响，减小了壳程换热热阻，强化了外取热器的换热过程，换热后的冷却催化剂C经壳体1底部的催化剂出口12流出；由于换热，换热管20内水气化为水蒸气E经蒸汽出口22排出。本发明通过折流板3的整流作用强化了外取热器的换热过程，同时，折流板3的存在会起到破碎气泡的作用，增加局部固含率的同时增强了垂直管束2表面的颗粒更新频率，使壳程对流换热系数增大。安装在入口附近的折流板3对入口催化剂起到了分流和预分布的作用，减弱了自催化剂进口11进入壳体1内的催化剂对换热管20的冲蚀和磨损，使自催化剂进口11进入的催化剂在壳体1的周径向分布更加均匀。

下面以具体实施例对本发明作以说明：

实施例1

如图3所示，在本实施例中，折流板3采用部分锥面结构，部分锥面折流板为1/4～2/3锥面板，部分锥面折流板对应锥角α为60°～150°，部分锥面折流板底部半径R1为壳程(壳程为壳体1除去壁厚和隔热耐磨层的内部空间)半径的80％～95％，厚度δ为3～15mm(如图3c所示)；折流板3在壳体1内沿垂直管束2长度方向呈螺旋分布，相邻折流板3之间的间距H为150～500mm(如图3a、3b所示)；通过调整折流板3之间的间距H可以调整相邻折流板3的连接形式，根据折流板3对催化剂在壳体1内流动的影响程度不同，考虑相邻折流板3之间是否搭接，当相邻折流板3间距H较小时，相邻折流板3相互搭接，无论搭不搭接，折流板3均与垂直管束2紧固连接，本实施例中，相邻折流板3之间为搭接形式。螺旋布置的折流板3使待冷却的催化剂在壳体1内出现向下的拟螺旋流动形式，增加了催化剂在壳体1内的停留时间，强化了换热过程。同时，由于折流板为部分锥面，增加了催化剂的径向速度，使催化剂进口11的待冷却催化剂朝着床层中心运动，而取热器下部换热后的催化剂朝着边壁运动，强化了换热过程。

实施例2

如图4所示，在本实施例中，折流板3呈部分锥台面结构，部分锥台面折流板为1/4～2/3锥台面板，对应锥角α为60°～150°，部分锥台面折流板的底部半径R2和顶部半径R3分别为壳程截面半径的80％～95％和15％～45％，厚度δ为3～15mm(如图4c所示)，折流板3在壳体1内沿垂直管束2的长度方向呈对称交错分布，相邻折流板3的间距H为150～500mm(如图4a、4b所示)；通过调整折流板3的间距H可以调整相邻折流板的连接形式，即是否搭接，当相邻折流板3间距H较小时，相邻折流板3相互搭接，无论搭不搭接，折流板3均与垂直管束2紧固连接，本实施例中，相邻折流板3之间为非搭接形式。部分锥台面折流板3使催化剂在壳体内沿轴向流动的基础上，增加了径向的错流流动，使壳程催化剂由局部随机内混变为整个壳程的强制内混，从而强化了颗粒与换热管的传热。同时，由于颗粒混合的加剧，减少了局部死区出现的可能，保证了外取热器的安全稳定的运行。同时，由于折流板为部分锥台面，增加催化剂的径向速度，使催化剂进口11的催化剂朝着床层中心运动，而取热器下部换热后的催化剂朝着边壁运动，强化了换热过程。

实施例3

如图5所示，在本实施例中，折流板3呈椭圆扇形结构，椭圆扇形折流板的圆心角β可为45°～180°，短轴长度a为壳程截面半径的80％～95％，长轴长度b为短轴长度a的1～3.85倍，厚度δ为3～15mm(如图5c所示)；折流板3在壳体1内沿垂直管束2的长度方向呈螺旋分布或对称交错分布，相邻两椭圆扇形折流板的间距H为150～500mm(如图5a、5b所示)，通过调整折流板3间距H可以调整相邻折流板的连接形式，即是否搭接，本实施例中折流板为非搭接形式。折流板使催化剂在轴向流动的基础上，增加了螺旋流动或径向的错流流动，使壳程催化剂由局部随机内混变为整个壳程的强制内混，从而强化了颗粒与换热管的传热。同时，由于颗粒混合的加剧，减少了局部死区出现的可能，保证了外取热器的安全稳定的运行。

实施例4

如图6所示，本实施例与实施例3相比，其他结构相同，区别在于：椭圆扇形折流板的圆心角β为180°(如图6b所示)，椭圆扇形折流板沿垂直管束2呈螺旋分布，相邻椭圆扇形折流板呈搭接形成(如图6a所示)。螺旋布置的椭圆扇形折流板使待冷却的催化剂在壳体1内出现拟螺旋流动形式，增加了其停留时间，强化了换热过程。折流板使催化剂在轴向流动的基础上，增加了径向的流动，使壳程催化剂由局部随机内混变为整个壳程的强制内混，增大了对流换热系数，从而强化了颗粒与换热管的传热。

实施例5

如图7所示，本实施例与实施例4相比，其他结构相同，区别在于：椭圆扇形折流板的圆心角β为120°。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体的上部设置有催化剂进口，底部设置有催化剂出口；

垂直管束，所述垂直管束包括竖直分布于所述壳体内的多根换热管，每根所述换热管包括水管以及密闭套置在所述水管外部的蒸汽管，每根所述换热管的顶端伸出至所述壳体的外部，所述水管的顶部设置入水口，所述蒸汽管的顶部设置蒸汽出口；

折流板，多片所述折流板在所述壳体内沿所述垂直管束长度方向呈螺旋排布或对称交错排布，多根所述换热管穿设过多片所述折流板并与其紧固连接，使多片所述折流板与所述垂直管束连接为一体；

气体分布器，所述气体分布器设置在位于所述垂直管束下方的所述壳体内，所述壳体上开设与所述气体分布器连通的流化风入口；

每一所述折流板相对于所述垂直管束呈向上倾斜设置，每一所述折流板的板面与所述垂直管束之间形成一夹角；

所述壳体顶部的封头呈可拆卸设置，所述垂直管束穿过所述封头并与其固定连接，使所述垂直管束、折流板以及封头连接为一体。

2.如权利要求1所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述夹角为15°～75°。

3.如权利要求1至2任一项所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述折流板呈部分锥面结构，所述折流板为1/4～2/3锥面板，对应锥角为60°～150°，所述部分锥面结构的折流板底部半径为壳程半径的80％～95％，厚度为3～15mm。

4.如权利要求1至2任一项所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述折流板呈部分锥台面结构，所述折流板为1/4～2/3锥台面板，对应锥角为60°～150°，所述部分锥台面结构的折流板的底部半径和顶部半径分别为壳程截面半径的80％～95％和15％～45％，厚度为3～15mm。

5.如权利要求1至2任一项所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述折流板呈椭圆扇形结构，所述折流板的圆心角为45°～180°，所述折流板的短轴长度为壳程截面半径的80％～95％，所述折流板的长轴长度为短轴长度的1～3.85倍，厚度为3～15mm。

6.如权利要求1所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述催化剂进口为自所述壳体的侧壁向上倾斜延伸的斜管，在位于所述斜管下方的所述壳体内沿所述垂直管束的长度方向间隔布设多个所述折流板。

7.如权利要求1所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述折流板上开设供所述换热管穿过的通孔；所述折流板上开设有供催化剂穿过的多个开孔，所述开孔为圆形、方形或三角形，且开孔占所述折流板板面面积的10％～45％。

8.如权利要求1所述的一种折流板强化的流化床外取热器，其特征在于：所述折流板表面铺设隔热耐磨衬里，所述壳体的内壁上设置隔热耐磨层。