热管流化床换热器传热性能的实验研究

发布时间：2020-04-06 18:59

【摘要】：气固流化床换热器是在流化床内实现气固两相介质与换热流体间壁换热的一种设备,因其高效的流固混合特性、显著的强化传热效果与除防垢性能,在工业中得到广泛应用,其中流化催化裂化工艺的外取热器就是典范。催化裂化是典型的热平衡过程,受反应物料重质劣质化影响,催化裂化装置内生焦量不断上升,致使再生烧焦释放的热量超过系统所需,因而采用取热器将过剩热量从装置内移除以维持系统的热平衡。热管作为一种新兴的高效传热元件,最大优势是以较小截面积完成极大负荷的取热,无需外加动力可将热量远距离输送,现已渗透于石化、冶金、航天、电子等多领域。重力式热管由于结构简单,造价低廉,凭借工质重力即可实现热量传递,因而成为了应用最广泛的一类热管。目前外取热器多采用传统给水换热管,强化手段也仅以改变操作条件和换热管几何参数为主;而热管的传热研究多集中于以单相流体作为热源,缺乏对多相热源乃至气固两相与热管传热规律的认识,这都较大制约了新型取热器的创新及性能优化。本研究尝试性提出了将热管与流化床传热技术结合的方法,在流化床内引入热管取代传热给水管,即所谓的热管流化床换热器。自主设计并搭建了一套Φ352mm×2000 mm热模实验装置,采用热偶、差压计、补偿流量计及控制程序对床内非标况气速实时换算修正、调节测取装置各项实验参数。分别考察床温、气速、静床高、冷却水量和介质类型(FCC催化剂、石英砂及空床)对密相热管和冷凝段传热系数的影响,测取热管的壁温分布特征、启动温度及启动最小传热量,探明热管在床内启动和稳定传热阶段的特性规律及影响因素。结果表明:热管流化床换热器相比传统床内设置给水管的取热器而言,有更好的传热效果,实验条件下最大密相床层-管壁传热系数可达700 W/(m~2·K),冷凝段传热系数范围约600~1600 W/(m~2·K)。密相传热系数随气速增大而增大,这与颗粒团更新理论相符。密相传热系数随床温的增加出现先增后降的趋势,随FCC催化剂静床高增加而增加,石英砂静床高的影响则相反。操作条件对密相传热系数的影响程度为:气速静床高床温。相同条件下,A类颗粒FCC催化剂的密相传热系数比B类颗粒石英砂更高。提高冷却水流量可增加传热量但对密相传热系数无明显改善。冷凝段传热系数和热管外壁温分布受传热量主导,基本不受操作条件影响。此外热管传热量与壁温/床温存在很强的线性规律,这由传热热阻决定,其线性关系的斜率是热管主导热阻的倒数。至于启动过程,热管启动壁温趋于35~40~oC,最小传热量约在50~100 W之间;启动温度和最小传热量均随气速、静床高增加而增加,而气速的影响较弱,启动时间随气速和静床高的变化规律则恰相反。
【图文】：

第1 章 文献综述- 4 -下强化传热，线速度低，解决了磨损问题。图1.1 (a)和(b)分别为Kellogg和洛阳工程公司的外取热器[3]。(a) Kellogg公司设计 (b) 洛阳工程公司设计图1.1 上流式外取热器Fig. 1.1 External solid-upflow catalyst cooler(2) 下流式外取热器热催化剂由上至下的流经取热器密相床层, 流化风通常以0.3~0.5 m/s的气速自底部向上流动，与催化剂的整体运动方向形成逆流。少量被夹带至顶部的催化剂从气体出口返回再生器，而大部分密相热催化剂经换热管冷却后由底部出口流出。通过调节催化剂进、出口管线滑阀可改变密相床高与催化剂循环量[4,5]。图1.2为常用的密相下流式外取热器。下流式外取热器有其独特的优点：催化剂流向与流化风相反，床层流化质量好尤其是密相；单动滑阀的存在更灵活地调节再生系统的操作温度；较低的催化剂下行速度使设备磨损小，运行时间较长，，操作平稳性较高；换热管束往往浸没在密相床层内，传热效果更高。

中国石油大学（北京）硕士学位论文- 5 -图1.2 下流式外取热器Fig. 1.2 External solid-downflow catalyst cooler除上流与下流式外取热器外，返混式和气控式外取热器也因其独特的结构特点和功能得到了广泛应用。我们查阅了四种取热器的相关信息和参数，整理于表1.1。表1.1 几种典型外取热器的参数对比Table 1.1 The parameter comparison of typical external catalyst coolers项目 上流式 下流式 返混式 气控式开发年代 80 年代中 80 年代初 80 年代中 80 年代末催化剂流动方式 上行 下行 返混式 气控内、外循环汽水循环方式 自然循环 强制循环 / 自然循环催化剂密度（kg/m3） 100~300 500 左右 / 450~500传热系数（W/(m2·K)） 290~400 407~523 较低 450 左右表观气速（m/s） 1~1.5 0.3~0
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE965

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本文编号：2616900