一種改善垂直管束氣固流化床外取熱器操作的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 由于氣固流化床反應(yīng)器容易控制反應(yīng)溫度及避免床層出現(xiàn)熱點(diǎn)、具有更好的傳熱 及傳質(zhì)特性、可W方便地實(shí)現(xiàn)大量固體顆粒的連續(xù)輸送，因此在石油加工、煤化工、化工合 成等領(lǐng)域的非均相氣固反應(yīng)過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。在一些放熱的氣固流化床反應(yīng)器中， 常設(shè)置有流化床取熱器，用W從反應(yīng)器中取熱，W滿足系統(tǒng)熱平衡W及控制反應(yīng)溫度的需 要。通常，該類流化床取熱器一般為氣速較低的密相流化床，即操作在鼓泡及瑞動(dòng)流化域 中，通過(guò)取熱器中的取熱介質(zhì)（如水）和熱顆粒在取熱管壁內(nèi)外實(shí)現(xiàn)間壁接觸傳熱。
[0003] 例如，在石油煉制催化裂化裝置中，由于反應(yīng)過(guò)程要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱平衡，即吸熱的 裂化反應(yīng)過(guò)程所需的熱量由放熱的燒焦再生過(guò)程提供，隨著催化裂化原料的重質(zhì)化和劣質(zhì) 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(jīng)超過(guò)了反應(yīng)系統(tǒng)所需的熱量， 因此，再生系統(tǒng)內(nèi)需安裝流化床取熱器W實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱平衡。該類取熱器內(nèi)的取熱介質(zhì)是 飽和水，在取熱過(guò)程中它吸收了來(lái)自取熱管外的熱催化劑的熱量后變成了飽和蒸汽，并同 時(shí)降低了催化劑顆粒的溫度。
[0004] 由于負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、適應(yīng)性和可靠性更強(qiáng)，設(shè)置在再生器外的催化劑取熱器（簡(jiǎn) 稱外取熱器）獲得了更為廣泛的應(yīng)用。工業(yè)中應(yīng)用的外取熱器有很多型式，其中密相外取 熱器應(yīng)用最為廣泛，該主要由于其具有取熱效率更高、流化氣體用量少、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活等優(yōu) 點(diǎn)。
[0005] 在其他工業(yè)領(lǐng)域的氣固流化床反應(yīng)器中，也常采用此類氣固流化床外取熱器。例 女口，煤化工領(lǐng)域的甲醇制帰姪過(guò)程（MT0)和石油加工工業(yè)中的一些高溫催化裂解過(guò)程均需 要采用該類氣固流化床外取熱器，其他化學(xué)合成工業(yè)中的氣固流化床反應(yīng)器由于控制反應(yīng) 溫度的需要，也需要采用取熱設(shè)備，因此也可W采用該類外取熱器。
[0006] 該類取熱器的共同特點(diǎn)是設(shè)置在主流化床反應(yīng)器外部，通過(guò)和主反應(yīng)器聯(lián)通的立 管使顆粒進(jìn)出外取熱器，有的立管上還設(shè)置有關(guān)閉或控制顆粒流量的機(jī)構(gòu)W方便實(shí)現(xiàn)取熱 器與主反應(yīng)器間的隔離W及取熱負(fù)荷的定量控制。該類外取熱器中一般設(shè)置有多根平行的 垂直取熱管束。有時(shí)，為了提高設(shè)備的整體可靠性，每根取熱管均設(shè)置有獨(dú)立的冷卻介質(zhì)進(jìn) 出口，其目的是當(dāng)某一根取熱管損壞時(shí)可W單獨(dú)關(guān)閉，而其他取熱管仍然可W正常工作。該 類取熱器的另一個(gè)共同特點(diǎn)是操作氣速較低，一般屬低氣速密相床操作，在該樣的操作條 件下床層和管壁間的傳熱系數(shù)較高，取熱器的整體取熱負(fù)荷較大。
[0007] 但是，在目前工業(yè)上很多使用的氣固流化床外取熱器中，密相床層的設(shè)計(jì)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該種情況。另 夕F，在該類外取熱器中，大多取熱管束的布置十分緊密，即床層的水力學(xué)直徑很小。水力學(xué) 直徑是一個(gè)流體力學(xué)的概念，其定義如下： 4y4
[000引Dh=- L
[0009] 其中A是床層截面中扣除取熱管的流通面積，L是所有潤(rùn)濕周邊的總長(zhǎng)度，即所有 取熱管外部邊緣線的總長(zhǎng)和流化床橫截面周長(zhǎng)的總和。很多外取熱器中，取熱管外壁還設(shè) 置有許多增加傳熱面積的翅片或內(nèi)構(gòu)件，該將進(jìn)一步增大外取熱器的潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度，并減 小外取熱器的水力學(xué)直徑。因此總體上講，目前工業(yè)使用的氣固流化床外取熱器大多屬于 小水力學(xué)直徑的深層流化床。床層水力學(xué)直徑小意味著壁面效應(yīng)強(qiáng)，很容易形成節(jié)涌、架橋 等不正常流化狀況。另外，近年來(lái)相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象。該些不正常流化現(xiàn) 象將導(dǎo)致床層流化質(zhì)量下降和傳熱效果的惡化，其結(jié)果是設(shè)備振動(dòng)大、取熱管使用壽命縮 短、取熱負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等。另外，如果外取熱器中出現(xiàn)局部死床，還有可能造成取熱 器中不同取熱管的取熱負(fù)荷不同，該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(shí)可能導(dǎo)致取熱管及其他部件的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)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。
[0010] 中國(guó)專利CN2760486Y、CN201229140Y和CN201229141Y對(duì)目前工業(yè)中常用的長(zhǎng)翅 片取熱管進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)采用周向螺旋排布的短翅片、設(shè)置膨脹縫、采用非均勻?qū)挾鹊某?片、增設(shè)翅基等措施，W解決長(zhǎng)翅片取熱管上易出現(xiàn)由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致的裂紋，從而達(dá)到 提高取熱管強(qiáng)度和延長(zhǎng)取熱管使用壽命的目的。中國(guó)專利CN2515637Y提出在常用的套管 式單元取熱管外壁焊接釘形強(qiáng)化換熱元件，W改善翅片式取熱管在密相流化床中容易出現(xiàn) 管壁顆粒滯留的問(wèn)題，從而達(dá)到提高取熱管換熱系數(shù)的目的。
[0011]中國(guó)專利CN101769694B和CN101760229B提出在氣固流化床外取熱器底部設(shè)置兩 個(gè)氣體分布器，通過(guò)控制進(jìn)入兩個(gè)分布器的氣體流量實(shí)現(xiàn)床內(nèi)不同區(qū)域局部表觀氣速的不 同，在床層密度差的推動(dòng)下，床內(nèi)顆粒的循環(huán)運(yùn)動(dòng)W及顆粒在取熱管壁的更新將得W加強(qiáng)， 從而提高取熱管壁與床層間的傳熱系數(shù)并增大取熱器的取熱負(fù)荷。中國(guó)專利CN103113914A 提出在氣固流化床外取熱器密相床層上方設(shè)置熱催化劑分布機(jī)構(gòu)，通過(guò)改善熱顆粒沿取熱 器橫截面的分布均勻性W解決各取熱管取熱負(fù)荷不均W及取熱管的沖刷磨蝕問(wèn)題。但是， 無(wú)論改變分布器W及顆粒進(jìn)料分布機(jī)構(gòu)，上述H個(gè)專利技術(shù)均無(wú)法解決深床層和小水力學(xué) 直徑對(duì)外取熱器床層流化質(zhì)量和取熱性能造成的不利影響。
[0012] 總之，目前已公布的氣固流化床外取熱器專利中均沒(méi)有針對(duì)解決上述問(wèn)題的相關(guān) 技術(shù)，在已公布的其他文獻(xiàn)資料中，也沒(méi)有有關(guān)上述問(wèn)題解決的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明主要針對(duì)解決現(xiàn)有氣固流化床外取熱器中由于深床層和小水力學(xué)直徑而 導(dǎo)致的流化質(zhì)量差、傳熱效果差W及設(shè)備可靠性降低的問(wèn)題。具體實(shí)施方案如下：
[0014] 一種改善垂直管束氣固流化床外取熱器操作的方法，該方法適用于密相床層較高 且設(shè)置有多根垂直取熱管束的密相床層外取熱器，其密相床層高度范圍為1~10m，表觀氣 速（總流化風(fēng)量與取熱器橫截面之比）范圍為0. 05~0. 8m/S。具體實(shí)施方案如下；在外 取熱器顆粒入口及底部分布器之間按照一定間距設(shè)置多塊高度尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度尺 寸的水平格柵內(nèi)構(gòu)件，最底部一塊格柵距離氣體分布器的高度為0. 4~1. 5m，最上部一塊 格柵和顆粒進(jìn)口下緣的距離為0. 4~1. 5m，中部相鄰兩塊格柵的間距為0. 4~1. 5m。所述 內(nèi)構(gòu)件可W是任何能夠改善床層流化質(zhì)量、但又不妨礙顆粒正常循環(huán)的水平格柵內(nèi)構(gòu)件。 利用水平格柵內(nèi)構(gòu)件對(duì)氣體的再分布作用W及對(duì)氣泡的破碎作用，可W在外取熱器整個(gè)密 相床層內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的流化質(zhì)量，避免由于氣體分布不均勻出現(xiàn)氣體偏流、床層局部死床等 非正常流化現(xiàn)象。另外，床層流化質(zhì)量的改善還有助于強(qiáng)化顆粒在傳熱管壁面的更新，提高 顆粒與取熱管壁面間的傳熱系數(shù)，并改善不同取熱管取熱負(fù)荷的均勻性。總之，該一方法不 僅可W改善外取熱器的操作，延長(zhǎng)取熱管的使用壽命，而且可W提高取熱器的取熱負(fù)荷。
[0015] 本發(fā)明適用于任何外置于主流化床反應(yīng)器、用于熱量回收、密相床層較高且設(shè)置 有多根垂直取熱管束的外置流化床取熱器，例如催化裂化過(guò)程的外取熱器、再生劑調(diào)溫取 熱器、醇類制帰姪（MT0)工藝的外取熱器W及其他類似過(guò)程中采用的外置流化床取熱器。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為普通催化裂化密相下行式外取熱器的一種典型型式；
[0017] 圖2為采用不同取熱