CN112146087A - 一种用于循环流化床换热器的分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于循环流化床换热器的分离器，所述分离器包括至少一个旋流单元，所述旋流单元包括壳体；所述壳体通过待分离流体管连通循环流化床换热器的待分离流体出口，以向所述壳体内供应含有外引颗粒及细小垢片的待分离流体；所述壳体包括至少一段圆柱段；所述旋流单元包括与所述壳体的圆柱段同轴设置的旋流叶片，所述旋流叶片用于引起待分离流体的旋流；所述旋流叶片占据其所处空间的整个截面，从而使得通过所述旋流叶片的所有待分离流体均被迫产生旋流；所述旋流单元还包括延伸到所述壳体的圆柱段的出液管；且至少所述出液管的进口段与所述壳体的圆柱段同轴设置，所述出液管用于引出分离了外因颗粒后的待分离流体的主体流；所述壳体的底部设有排渣口，用于排出外引颗粒。

Description

一种用于循环流化床换热器的分离器

技术领域

本发明涉及固液分离领域，具体涉及一种用于循环流化床换热器的分离器。

背景技术

传热作为三传一反及化学工程单元操作之一，在整个化学工业，甚至通用工业中均占据重要位置。传热过程在工业中的实际表现形式主要为换热器，例如板式、套管、列管换热器等。通常情况下，对参与换热的冷热流体均需要进行相应的处理，以降低其在换热器内结垢的可能性，进而确保换热器的换热效率可以保持长期稳定。但是某些情况下，对易结垢物料的换热是必须的，例如对浓缩结晶料液的加热。

循环流化床换热器即是针对此类易结垢物料的换热过程而开发的一种设备，其通过引入外引颗粒，使颗粒随料流进入换热器，并在所述换热器内流化，从而不断冲击、摩擦换热表面，从而避免换热器表面结垢。然后利用通过固液分离设备将料流中的外引颗粒与料流分离，并将分离后的外引颗粒再次送入循环流化床换热器，实现对外引颗粒的循环利用。目前，在循环流化床换热器系统中使用的分离器主要为单切向入口的旋流分离器，通过将待分离流体自分离器的切向入口引入，从而产生旋流，进而将外引颗粒与流体分离。

但在实际使用过程中发现，单切向入口旋流分离器的旋流范围不能覆盖整个分离器周壁，分离器内部存在旋流死区，因而在长期运行后，该旋流死区对应的分离器侧壁上会形成一层较厚的垢层，而该垢层在旋流流体的冲击和扰动下极易部分脱落，且脱落的大块垢片会被重新循环到换热器中，并阻塞换热管下部入口，导致其换热性能急剧下降；此外，单切向入口旋流分离器的运行压降大，使得循环流化床换热器的整体设备高度难以降低，而过大的运行压降还限制了旋流器的入口最大流速，这均使得循环流化床换热器的设备尺寸难以实现小型化；此类单切向入口旋流器还在另一个角度限制了设备尺寸的小型化改造，即，当缩小旋流器器直径至一定程度(通常为500mm)时，流体中的外引颗粒及冲击换热管内壁时剥离的细小垢片会被同时从流体中分离，从而使得分离得到的外引颗粒受到细小垢片的污染；分离下来的外引颗粒和细小垢片一起进入流化床换热器内的料腿，由于细小颗粒的存在，料腿内容易引起架桥，导致颗粒流动的中断，从而导致换热管内缺少颗粒，导致换热管内结垢；因此，提供一种能够防止循环流化床换热器堵塞和料腿架桥的办法，并允许进行设备小型化改造的分离器成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种用于循环流化床换热器的分离器。本发明的分离器能有效抑制循环流化床换热器堵塞现象，实现换热设备的长期稳定运行，并允许实现循环流化床换热器的小型化改造。

具体的，提供一种分离器，所述分离器包括至少一个旋流单元，所述旋流单元包括壳体，进液口，出液管和排渣口；所述壳体包括至少一段圆柱段(本发明所述的圆柱段指壳体的一段内壁为圆柱状周壁，对于壳体的外部形态不做限制，例如所述壳体可以是具有圆柱状内腔的多边形柱体结构)；所述圆柱段用于提供对待分离流体的旋流约束；所述进液口被设置在所述壳体的圆柱段，其提供待分离流体进入所述旋流单元的圆柱段的出口。

优选的，所述进液口可以是切向进口，且其包括在所述圆柱段侧壁上切向设置的至少三个，且所述至少三个切向进口设置在相同高度处。所述的至少三个切向进口可以提供完整覆盖分离器内壁的旋流范围，从而利用流体中的外引颗粒对整个分离器内壁进行摩擦，防止分离器内壁结垢，从而消除分离器内壁结垢引起的大块垢片剥离进而阻塞换热器的问题。

或者，所述进液口可以是非切向进口，所述非切向进口可以是所述壳体的圆柱段的一个端部开口，因而所述非切向进口可以被允许具有小于或等于所述圆柱段的直径；或者所述非切向进口也可以是伸入所述圆柱段内的进液管的开口，例如从所述壳体的端部，沿圆柱段轴线方向伸入圆柱段的进液管的开口，或者非切向设置在圆柱段侧壁上的进液管的开口。

所述旋流单元还包括与所述非切向进口配合，并用于引起旋流的旋流叶片；所述旋流叶片包括且具有圆形截面的中轴，及均匀固定在所述中轴外侧的若干扇叶，所述扇叶的外边沿(指远离中轴的一侧)限定所述旋流叶片的外圆直径dd，所述中轴限定所述旋流叶片的根部圆直径dx，其中，dd/dx≤4，以提供外引颗粒与细小垢片的清晰分割(指分离器仅分离外引颗粒，而不分离细小垢片，具体指分离后外引颗粒中细小垢片的含量低于2％wt)。在满足外引颗粒与细小垢片清晰分割的前提下，本发明所述的旋流叶片允许具有最小50mm的外圆直径。

所述中轴被布置为与所述壳体的圆柱段同轴，且所述中轴位于扇叶两侧的部分可以单独或分别连接设置导流锥，所述的导流锥包括可选的设置的上游锥和/或下游锥。所述旋流叶片可以被设在壳体内或进液管内。

所述出液管被配置为伸入所述壳体的圆柱段内，且至少其进口段(指壳体内流体进入所述出液管的最初管段)被设置为与壳体的所述圆柱段同轴；所述进口段可以具有仅设在管端部的开口，或者所述进口段可以具有设在管端部和管壁上的若干网孔，所述网孔的尺寸小于外引颗粒的尺寸，以从所述圆柱段的中部引出分离了外引颗粒后的流体；所述出液管的进口段具有内径d，且位于所述出液管进口段开口高度处的壳体具有内径D。其中，d/D≤0.8，以在保证处理量的同时提供外引颗粒与料流分离的充足间隙。

所述排渣口与所述出液管进口段外侧的壳体内腔流体连通，其提供被分离的外引颗粒离开所述旋流单元的通道。

前述的旋流单元可以单独作为分离器使用，例如将所述旋流单元的进液口直接连通于待分离流体管，以接收待分离的流体；或者，所述旋流单元可以多个串联或并联或以装配体的形式作为分离器使用。

所述的装配体包括外壳、上孔板和下孔板，所述外壳的两端分别连接于待分离流体管道及排渣管，所述外壳的侧壁上还连通有分离后流体管；所述的上孔板和下孔板上均匀的开设有若干安装孔，且所述上、下孔板上安装孔的数量相同；其中，所述安装孔被配置为与所述旋流单元某一外部尺寸相匹配，以允许将多个所述旋流单元流体密封的卡设在上下孔板之间；所述旋流单元的外部尺寸包括其壳体外径或进液管外径。所述的上孔板和下孔板具有与所述装配体外壳的水平横截面相同的形状和尺寸，进而可以被流体密封的固定在所述外壳的内腔；所述的外壳、上下孔板与所述旋流单元的外壁共同围合成排液腔，所述排液腔连通外壳上的分离后流体管，还同时连通贯穿所述旋流单元的壳体侧壁的出液管，从而提供多个所述旋流单元的排液通道。

本发明还提供一种循环流化床换热系统，其包括前述的分离器。

本发明还提供前述分离器在循环流化床换热系统中的应用。

相比于现有技术，本发明的方案至少能够取得如下有益效果：本发明的分离器利用旋流叶片引起旋流，相比于传统依赖切向进口的分离器而言，本发明的旋流范围可以覆盖分离器的整个周壁，不存在旋流死区；从而使分离器整个周壁均在旋流过程中受到摩擦，而不会产生结垢；从而可以避免长期运行后，分离器内垢片剥落，进而堵塞换热器管道的情况；本发明的分离器由于采用轴向旋流，所述旋流单元壳体或进液管的整个截面均用于引起旋流，对待分离流体整体的流动阻力更小，因而分离过程的压降更低，允许以更小的设备尺寸实现更大流量待分离液的处理；同等条件下，本发明的分离器中由旋流叶片引起的旋流强度较切向进口引起的旋流强度更弱，能够很好的匹配循环流化床换热器的分离需要，即将较重的外引颗粒与主体流有效分离，同时，自换热器表面剥离的较轻的细小垢片则随主体流自出液管排出，并做进一步的分离；该特点有利于在持续运行过程中保持外引颗粒的纯净度，防止细小垢片随外引颗粒被再次输入换热器，降低颗粒在料腿内架桥堵塞的风险，从而避免换热器内结垢程度加重或堵塞换热器。

附图说明

图1为未设置导流锥的旋流单元；

图2为具有上游锥的旋流单元；

图3为具有下游锥的旋流单元；

图4为具有双导流锥的旋流单元；

图5为旋流单元的壳体示意图；

图6为扩口过渡进液管内设置旋流叶片的上进下出式旋流单元示意；

图7为无过渡进液管内设置旋流叶片的上进下出式旋流单元示意；

图8为侧进上出式旋流单元示意；

图9为上进侧出式旋流单元示意；

图10为下进上出式旋流单元示意；

图11为多个旋流单元的直接并联组合示意；

图12为多个旋流单元并联组合成装配体的示意；

图13为具有四个切向进口分离器的一种实施方式示意；

图14为实际用于循环流化床换热器的单切向进口分离器内壁的垢层。

图中：1为进液口，2为上游锥，3为壳体，31为圆柱段，32为集渣段，4为旋流叶片，5为出液管，51为进口段，6为下游锥，7为排渣口，8为待分离流体管，9为过渡管，10为排渣管，11为分离后流体管，12为外壳，13为进料支管，14为排渣支管，15为进液管，16为切向进口，17为上孔板，18为下孔板。

具体实施方式

实施例1

一种用于循环流化床的分离器，其包括如图1-7所示的旋流单元，所述旋流单元采用上进侧出式流路布置，其包括壳体3，所述壳体3为圆柱结构；还包括设置在所述壳体3上端的进液口1，设置在所述壳体3下端的排渣口7，固定设置在所述壳体3内腔上部或进液管15内的旋流叶片4；所述旋流叶片4用于引起待分离流体的旋流；所述旋流叶片4具有与所述圆柱段同轴设置的中轴及均匀布置在所述中轴侧壁上的6个扇叶，所述扇叶的外缘构成所述旋流叶片4的外缘直径dd，所述中轴的侧壁构成所述旋流叶片4的根部圆直径dx，其中，所述dd/dx＝4。

所述旋流单元还包括贯穿其壳体3的侧壁，并深入所述圆柱结构内腔的出液管5；所述出液管5具有位于所述壳体3的内部，且与所述壳体3同轴设置的进口段51，所述进口段51具有向上设置的开口和封闭的周壁，所述进口段51的开口位于所述旋流叶片4的下方；所述出液管5用于从所述壳体3内腔的中央部分引出与外引颗粒分离后的流体。所述进口段51的内径d为所述壳体3的内径D的0.8倍，即d＝0.8D，从而在所述进口段51的外壁与所述壳体3的内壁之间形成供分离后的外引颗粒滑落的环隙；所述环隙与排渣口7连通。

优选的，如图2-4所示，所述旋流单元还可以包括设在所述中轴的上部和/或下部表面的上游锥2和/或下游锥6，其用于与旋流叶片4配合，以改善旋流分离效果。

如图5所示，所述旋流单元的顶部直接通过待分离流体管8连接循环流化床换热器；或者如图6-7所示，所述旋流单元的顶部通过进液管15连接待分离流体管8；且所述旋流叶片4还可以布置在所述进液管15内；所述的进液管可以通过过渡管9连接于所述壳体3的顶端，以向所述旋流单元供应待分离流体。

实施例2

区别于实施例1的是，本实施例中，进口段51为网孔结构，其端部(指远离出液管其余部分的一端)及周壁上均匀开设有若干网孔，所述网孔的孔径小于外引颗粒的直径(本实施例中外引颗粒为2mm不锈钢颗粒)。

对比例1

区别于实施例1的是，本对比例中，dd/dx＝5。

对比例2

区别于实施例1的是，本对比例中，d＝0.85D。

实施例3

一种用于循环流化床的分离器，其包括如图8所示的旋流单元，所述旋流单元采用侧进上出式流路布置，其包括壳体3，所述壳体3为顶部封闭的圆柱结构；所述壳体3的侧壁上部贯穿设有进液管15；所述壳体3的顶部贯穿设有与所述壳体3同轴的出液管5；所述出液管5的底部开口延伸到所述进液管15的下方；所述旋流叶片4固定设置在所述出液管5的外壁。本实施例中，dd/dx＝3；d＝0.7D。

本实施例所述的侧进上出式旋流单元可通过将所述进液管15连接于所述待分离流体管8，从而直接作为循环流化床换热器的分离器使用。

实施例3

一种用于循环流化床的分离器，其包括如图9所示的旋流单元，所述旋流单元采用上进侧出式流路布置，其包括壳体3，所述壳体3为圆柱结构；所述壳体3的侧壁上部贯穿设有出液管5；所述壳体3的顶端为进液口1；所述出液管5的进口段51与所述壳体3同轴设置；所述旋流叶片4固定设置在所述进口段51的外壁。本实施例中，dd/dx＝2；d＝0.6D。

本实施例所述的侧进上出式旋流单元可通过将所述进液口1连接于所述待分离流体管8，从而直接作为循环流化床换热器的分离器使用。

实施例4

一种用于循环流化床的分离器，其包括如图10所示的旋流单元，所述旋流单元采用下进上出式流路布置，其包括壳体3；所述壳体3包括位于上部的，具有封闭顶部的圆柱段31和位于下部且与所述圆柱段31流体连通的集渣段32；所述集渣段32具有倾斜的底部，且所述底部的最下端连接排渣口7，以利于外引颗粒的聚集和排放；所述圆柱段31的顶部设有与其同轴的出液管5；本实施例的旋流单元还包括贯穿所述集渣段32的倾斜底部，并延伸至所述圆柱段内的进液管15；所述进液管15的顶部开口位于所述出液管5的底部开口下方，在所述进液管15内设置有旋流叶片4。本实施例中，dd/dx＝3；d＝0.5D。

本实施例所述的下进上出式旋流单元可通过将所述进液管15连接于所述待分离流体管8，从而直接作为循环流化床换热器的分离器使用。

实施例5

一种用于循环流化床换热器的分离器，如图11所示，所述分离器包括至少两个旋流单元，所述至少两个旋流单元的进液口1或进液管15(图11中未示出)分别通过多个进料支管13连接于待分离流体管8；所述至少两个旋流单元的排渣口7分别通过多个排渣支管14连接于排渣管10。本实施例中所述的旋流单元为是实施例1中所述的旋流单元。

实施例6

一种用于循环流化床换热器的分离器，如图12所示，其是多个旋流单元组成的装配体，所述装配体包括外壳12上孔板17和下孔板18，所述外壳12的两端分别连接于待分离流体管道8及排渣管10，所述外壳12的侧壁上还连通有分离后流体管11；所述的上孔板17和下孔板18上均匀的开设有若干安装孔，所述上孔板17和下孔板18上的安装孔的位置相互对应，且所述上、下孔板上安装孔的数量相同；其中，所述安装孔被配置为与所述旋流单元的外部尺寸相匹配，以允许将多个所述旋流单元流体密封的卡设在上下孔板之间；所述旋流单元的外部尺寸指壳体3或进液管15的外径。所述的上孔板17和下孔板18具有与所述装配体的外壳12的水平横截面相同的形状和尺寸，进而可以被流体密封的固定在所述外壳12的内腔；所述的外壳12、上下孔板与所述旋流单元的外壁共同围合成排液腔，所述排液腔连通外壳上的分离后流体管11，还同时连通贯穿所述旋流单元的壳体侧壁的出液管5，从而提供多个所述旋流单元的排液通道。

本实施例中所述的旋流单元为是实施例1中所述的旋流单元。

实施例7

一种用于循环流化床换热器的分离器，如图13所示，其包括圆柱状的壳体3，均匀布置在所述壳体3上部的四个切向进口16，所述壳体3的侧壁上贯穿设有出液管5，所述出液管的进口段51与所述壳体3同轴布置，且其开口位于所述切向进口下方；所述壳体3的底部连通排渣口。

对比例3

区别于实施例7的是，本实施例采用单切向进口。

实施例8

一种循环流化床换热器系统，其包括实施例1-7中所述的任一种分离器。

实施例9

一种如实施例1-7中所述的任一种的分离器在循环流化床换热器系统中的应用。

分离性能测试

测试设备：使用透明亚克力材料制作实施例1-7及对比例1-3的壳体和/或外壳以便于观察分离器内部是否存在旋流死区；其中，实施例1-7及对比例1-3中的旋流单元/分离器具有相同的壳体直径，出液管及叶片的尺寸参数根据各实施例/对比例的限定配置，其中，各实施例/对比例对应分离器的进液口处设有流量计，以便于获取分离器的进口流速；在进液口及排渣口之间设置压差变送器以获取分离器的运行压降；

外引颗粒：0.8-3mm直径不锈钢粒；

待分离流体体系：使用300-600微米直径的石英砂与水的混合流体模拟含细小垢片的待分离流体；

分离器进口流速：分别测试0.3m/s，0.6m/s，1m/s，1.5m/s进口流速下各实施例的分离性能。

测试方法及目的：使用实施例1-7及对比例1-3对应的测试装置，测试在相同进口流速条件下，分离器内部是否存在旋流死区、分离器进液口与排渣口之间的压降(Pa)、能否形成外引颗粒与细小垢片的清晰分割(砂钢比，wt％)。

测试结果如下：

基于上述测试结果可知：本发明的各实施例甚至对比例1-2对应的分离器在各流速条件下均能够有效消除分离器内部的旋流死区，从而防止分离器内壁结垢，消除了大块垢片脱落进而阻塞换热管的风险；本发明的实施例1-7相比于单切向进口分离器而言，在相同的进口流速下，分离过程的操作压降大幅降低；在满足本发明中旋流叶片外圆直径与根部圆直径比值范围的调节下，允许将分离时的进口流速提高到1m/s，且同时能够满足实现外引颗粒与细小垢片的清晰分割，从而能够显著提高分离器的处理量，允许进一步缩小设备尺寸。

以上仅是对本发明技术方案的较佳实施方式的举例，其不应当被理解为是对本发明技术方案所有可行方式的限制，本领域的普通技术人员在不经过创造性的劳动的情况下进行的简单替换、合并等修改所得到的方案也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于循环流化床换热的分离器，所述分离器包括至少一个旋流单元，所述旋流单元包括壳体（3），其特征在于：所述壳体（3）通过待分离流体管（8）连通循环流化床换热器的待分离流体出口，以向所述壳体（3）内供应含有外引颗粒及细小垢片的待分离流体；所述壳体（3）包括至少一段圆柱段（31）；所述旋流单元包括至少三个切向进口或包括与所述壳体（3）的圆柱段（31）同轴设置的旋流叶片（4），所述旋流叶片（4）用于引起待分离流体的旋流；所述旋流单元还包括延伸到所述壳体（3）的圆柱段（31）的出液管（5）；且至少所述出液管（5）的进口段（51）与所述壳体（3）的圆柱段（31）同轴设置，所述出液管（5）用于引出分离了外引颗粒后的待分离流体的主体流；所述壳体（3）的底部设有排渣口（7），用于排出外引颗粒。

2.如权利要求1所述的分离器，其特征在于：所述至少三个切向进口在所述壳体上部相同高度处均匀分布。

3.如权利要求1所述的分离器，其特征在于：所述壳体（3）的顶端形成为进液口（1），底端连通排渣口（7）；所述出液管（5）贯穿所述壳体（3）的侧壁设置，且所述出液管（5）位于所述旋流叶片（4）的下方。

4.如权利要求3所述的分离器，其特征在于：所述分离器包括至少两个旋流单元，每个所述旋流单元的进液口（1）分别通过一进料支管（13）连通于待分离流体管（8）；每个所述旋流单元的排渣口（7）分别通过一排渣支管（14）连通于排渣管（10）。

5.如权利要求3所述的分离器，其特征在于：所述分离器包括至少两个旋流单元，还包括外壳（12）和固定设在所述外壳（12）内的上孔板（17）和下孔板（18），所述外壳（12）的两端分别连接于待分离流体管（8）及排渣管（10），所述外壳（12）的侧壁上还连通有分离后流体管（11）；所述的上孔板（17）和下孔板（18）上均匀的开设有若干安装孔，且所述上、下孔板上安装孔的数量相同；每个所述旋流单元流体密封的卡设在上下孔板之间；所述的外壳（12）、上下孔板与所述旋流单元的外壁共同围合成排液腔，所述排液腔连通外壳（12）上的分离后流体管（11），还同时连通贯穿所述旋流单元的壳体（12）的侧壁的出液管（5）。

6.如权利要求1所述的分离器，其特征在于：所述壳体（3）的顶端封闭，且其圆柱段（31）的上部设有进液管（15）；所述出液管（5）贯穿所述壳体（3）的封闭顶部并延伸至所述进液管（15）的下方；所述旋流叶片（4）固定设置在所述出液管（5）的位于进液管（15）下方的外壁上。

7.如权利要求1所述的分离器，其特征在于：所述壳体（3）的顶端形成为进液口（1），底端连通排渣口（7）；所述出液管（5）贯穿所述壳体（3）的侧壁设置，且所述出液管（5）的进口段（51）向下开口；所述旋流叶片（4）固定设置在进口段（51）与壳体（3）形成的环隙处。

8.如权利要求1所述的分离器，其特征在于：所述壳体（3）包括上端封闭的圆柱段（31）和连接在所述圆柱段（31）下端，且具有倾斜底部的集渣段（32），所述出液管（5）与所述圆柱段（31）同轴的设置在所述封闭顶部处；所述进液管（15）与所述圆柱段（31）同轴设置，并贯穿所述集渣段（32）的倾斜底部延伸至所述圆柱段（31）中；所述旋流叶片（4）固定设置在所述进液管（15）内。

9.如权利要求3-8中任一项所述的分离器，其特征在于：所述出液管（5）的进口段（51）具有内径d，所述壳体（3）具有内径D；其中：d≤0.8D；以提供充足的外引颗粒运动间隙；所述旋流叶片（4）包括具有圆形截面的中轴，及均匀固定在所述中轴外侧的若干扇叶，所述扇叶的外边沿限定所述旋流叶片的外圆直径dd，所述中轴侧壁限定所述旋流叶片的根部圆直径dx，其中，dd/dx≤4，以提供外引颗粒与细小垢片的清晰分割。

10.如权利要求9所述的分离器，其特征在于：进口段（51）为网孔结构，其端部及周壁上均匀开设有若干网孔，所述网孔的孔径小于外引颗粒的直径。

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