[发明专利]一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善垂直管束气固流化床外取热器操作的新方法，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。

但是，在目前工业上很多使用的气固流化床外取热器中，密相床层的设计和操作高度均很高，少则2～3m，多则8～10m，很多催化裂化密相外取热器即属于这种情况。另外，在这类外取热器中，大多取热管束的布置十分紧密，即床层的水力学直径很小。水力学直径是一个流体力学的概念，其定义如下：

Dh=4AL]]>

其中A是床层截面中扣除取热管的流通面积，L是所有润湿周边的总长度，即所有取热管外部边缘线的总长和流化床横截面周长的总和。很多外取热器中，取热管外壁还设置有许多增加传热面积的翅片或内构件，这将进一步增大外取热器的润湿周边长度，并减小外取热器的水力学直径。因此总体上讲，目前工业使用的气固流化床外取热器大多属于小水力学直径的深层流化床。床层水力学直径小意味着壁面效应强，很容易形成节涌、架桥等不正常流化状况。另外，近年来相关学者研究发现，在深层流化床中，由于床层总压降较高，气体压缩很容易造成局部床层死床和气体偏流等不正常流化现象。这些不正常流化现象将导致床层流化质量下降和传热效果的恶化，其结果是设备振动大、取热管使用寿命缩短、取热负荷达不到设计要求等。另外，如果外取热器中出现局部死床，还有可能造成取热器中不同取热管的取热负荷不同，这将可能造成取热管表面的温度的不同，取热管热膨胀量差别较大时可能导致取热管及其他部件的损坏，严重时甚至出现局部取热管干烧损坏。最后，气体的偏流还有可能造成局部取热管磨损加剧，缩短其使用寿命。