热交换器的制作方法

本发明是一种热交换器，特别是用于冷却来自例如流化催化裂化(“fcc”)过程的高温操作的颗粒物或加热来自例如药物制造过程的低温过程的物质。

背景技术：

传统的流化催化裂化系统通常包括连接到催化剂注入系统的流化催化裂化(fcc)单元、石油原料油源、排气系统和蒸馏系统。fcc单元包括再生器和反应器。反应器主要容纳石油原料油的催化裂化反应，并将蒸气形式的裂化产物输送到蒸馏系统。来自裂解反应的废催化剂从反应器转移到再生器中通过除去焦炭和其它材料来再生催化剂。然后将再生催化剂重新引入反应器以继续石油裂解过程。催化剂注入系统将新鲜催化剂连续或半连续地添加到在再生器和反应器之间循环的藏量中。

在催化过程中，fcc单元内总催化剂存在动态平衡。例如，使用催化剂注入系统周期性地添加催化剂，并且一些催化剂以各种方式丢失，例如通过蒸馏系统，通过离开再生器的流出物等。如果fcc单元内的催化剂的量随时间而减少，fcc单元的性能和期望产出将减少，并且fcc单元将变得不可操作。相反，如果fcc装置中的催化剂藏量随时间增加或失活，再生器内的催化剂床层达到运行上限极限，钝化或者过量的催化剂被排出以防止烟气流中不可接受的高催化剂排放，或其他工艺扰动。因此，典型的流化催化裂化系统还包含适于从一个或多个单元(如fcc单元)中取出物质的取出装置。

美国专利第7,431,894号教导了一种用于调节流化催化裂化催化剂(fcc)单元中的催化剂藏量的催化剂取出装置和方法。在这种设计中，散热器位于计量装置附近，适于冷却进入压力容器的催化剂。

美国专利第8,092,756号教导了一种用于调节一个单元中的催化剂藏量的催化剂取出装置和方法。该催化剂取出装置的一个实施方案包括连接到热交换器的容器。

美国专利第8,146,414号教导了一种方法，包括将物质从fcc单元取出到连接到流化催化裂化单元的热交换器。热交换器具有相应温度的冷物质入口；物质出口；冷却流体入口和却流体出口。该方法还包括在热交换器的物质入口、物质出口、冷却流体入口和冷却流体出口处测量相应温度；确定物质入口和物质出口之间的温度变化并确定冷却流体入口和冷却流体出口之间的温度变化；并且将物质入口和物质出口之间的温度变化与冷却流体入口和冷却流体出口之间的温度变化与从单元取出的物质的量度相关联。

美国专利第8,146,414号中公开的热交换器包括壳体，所述壳体包括与第一管程保持空间间隔关系的管。所述第一管程包括一个或多个突起，例如延伸到冷却剂体积(限定为壳体和第一导管之间)中的翅片(螺柱或其他几何形状)，增加了传热面积。

上述发明中所述的管套管热交换器虽然是有效的，但是具有若干缺陷，包括制造成本昂贵，制冷空气鼓风机的建造和运行成本高昂，并且在这些宽的极限温度上，管道在其加热和冷却时的热膨胀是有问题的。管道必须设计成使得当热(运行)和冷(不在运行)之间的温度循环时由膨胀和收缩引起的热应力不会导致管线故障。这需要长的膨胀波纹管、精细的滑动管道支撑和允许移动的交换器支撑。

当非常冷的流需要被加热时，例如在低温液体需要升至室温或更高温度时，这种热交换器设计遇到类似的问题。在这种情况下，问题涉及在使用时的管道收缩，以及过程停止时的膨胀。这些问题只是与上述相反的问题，并且需要非常类似的工程设计更改来适应它们。

因此，期望得到一种热交换器，用于冷却来自例如流化催化裂化(“fcc”)过程的高温操作的颗粒物和气体的混合物或加热来自例如药物制造过程的低温过程的物质。我们已经发现了一种新的热交换器，用于冷却来自工业过程的颗粒物和气体的混合物，以及加热来自低温过程的物质。

技术实现要素：

本发明包括用于冷却来自高温工业过程的颗粒物或加热来自低温过程物质的热交换器。热交换器包括包含矩形框架的结构，由所述矩形框架支撑并且在所述矩形框架周围形成至少一个圆周的管道和风扇。所述管道被支撑在在一系列移动支撑件上的框架上。所述管道包括入口端和出口端，并且包含外部散热翅片。除了翅片管道所在的位置，所述结构是密封的。

附图说明

图1示出了本发明的热交换器的一个实施例。

图2示出了在管道圆周的拐角处的盲端三通(一端密封的三通管)。

具体实施方式

本发明包括用于冷却来自高温工业过程的颗粒物的换热器。优选的高温工业过程包括制造吡啶及其衍生物、制造丙烯腈、将甲醇转化为烯烃或其他产物(mtx工艺)、流化催化裂化(fcc)工艺和其他化学制造工艺。颗粒物质优选是加入到工业过程中的催化剂或添加剂。本发明特别适用于冷却从流化催化裂化过程取出的粉末状fcc催化剂和/或添加剂和空气的混合物(所述混合物可能是在高达约750℃的温度下从fcc装置中取出)，或mtx工艺的催化剂和/或添加剂。热交换器也可以用于加热来自例如药物制造过程的低温过程的物质。该物质优选是低温过程的产物。为了简单起见，以下描述将集中于冷却来自高温工业过程的颗粒物质。然而，本领域技术人员将认识到该设计对加热来自低温过程的物质的同等适用性。

热交换器包括一个包含矩形框架，最好是方形框架的结构。矩形框架优选为金属框架。矩形框架支撑管道，所述管道完成围绕矩形框架的至少一个圆周。优选地，管道完成围绕矩形框架的至少两个圆周。

管道被支撑在在一系列移动支撑件上的框架上。所述移动支撑件设计成允许管道水平移动，但是限制垂直移动。所述移动支撑件优选地是弹簧吊架或滑板。移动支撑件的一种构造由附接到管的下侧的支撑块(shoe)和从主结构支撑的对应的支撑板组成。所述支撑块优选地布置成使得支撑块的平坦表面可以在任何水平面上在x或y方向上在支撑板上滑动。在该平面上的支撑块的这种移动理想地是无约束的，尽管在某些情况下，可能优选的是限制移动程度以防止支撑块从支撑板滑落。优选地，将低摩擦涂层施加到支撑块底部和支撑板的上表面，以允许支撑块自由移动。这种涂层的实例可以是ptfe、石墨或其它类似的低摩擦物质。

随着管道加热，热颗粒物流动通过管道，管道的热膨胀的净效应将延长矩形框架的每一侧面。相反，当冷物质流动通过管道，管道冷却时，管道的热收缩的净效应将缩短矩形框架的每一侧面。使用一系列移动支撑件允许管道在管道膨胀时自由伸长，从而允许这种膨胀。优选地，将存在有限数量的固定支撑点(包括在每个完整圆周的入口端和终止处)以保持整个结构刚性。然而，这些支撑点可以设置于不同位置以帮助控制移动。矩形形状赋予管道固有的形状稳定性，允许足够的移动来处理膨胀，不允许环从结构上脱离。这意味着移动支撑件不需要太限制。由于管道圆周的所有四个侧面一起膨胀，这导致管道稍微远离框架移动，并且管道的整个“矩形”圆周可以向外移动几英寸脱离支撑结构。设计管道支架领域的技术人员将会理解如何支撑本发明的管道。该设计具有允许管道自由扩张和收缩的优点，而不会在相应的管道和设备上施加应力，否则将需要提供膨胀接头、滑动密封件等。

管道包括入口端和出口端。入口端优选地连接到工业过程，特别是连接到fcc单元的再生器。管道的出口端优选连接到一个或多个收集容器。

管道可以布置成在框架的一个整圆周之后，管道的出口端刚好在管道的入口端上方；或者，管道可以布置成在框架的一个整圆周之后，管道的出口端刚好在管道的入口端的正下方。这种螺旋布置允许管在位于垂直方向上彼此靠近。这是最大限度地减少绕过散热翅片的冷却空气量的理想选择。理想地，每个连续管道圆周之间的垂直偏移量与翅片管道的每个部分的总高度紧密匹配。

优选地，每个管道圆周的拐角处(即，在矩形框架的拐角处)，管道将与一端密封的三通管连接(如本领域已知的“盲端三通”)，以确保被管道内流动的粉末的侵蚀最小化。在常规的液体或气体流动管道中，使用短半径或长半径的管道弯头来改变方向。虽然这些弯头可以在空气运输粉末的地方使用，但它们很容易受到侵蚀。优选的设计是在这种操作中使用三通管而不是弯头，其中三通配置为有一端使用盲法兰密封。以这种方式，流入三通的催化剂填满了盲端。随着额外的催化剂流入三通，通过弹起已经沉没在三通的内部的催化剂，将其强制转向。这意味着催化剂流的侵蚀力消耗在三通中催化剂的填充床上，而不是在管壁上。这导致管道侵蚀显着减少。这些三通也将有助于消除管道应力。

管道包含外部散热翅片。这些翅片以常规方式附接到管的外表面，这对于制造常规风冷式热交换器的领域技术人员将是非常熟悉的。翅片通常是管道上的外部突起，其扩大了与冷却/加热介质(即环境空气)接触的表面。这些翅片可以是各种厚度、尺寸和材料的侧面翅片；它们可以是圆形、正方形或锯齿形边；此外，如设计热交换器的设计中所确定的那样，散热翅片可以包括有助于最大限度地在环境空气和流体颗粒混合物之间的热传递的螺柱、栓钉和其它形状。翅片材料被选择为允许最大的热传递，并且翅片的形状和附接被设计成能够承受在这种应用中涉及的循环热应力。使用外部翅片可以快速冷却(或快速加热)管道内容物。热量损失将会流入周围空气。

优选地，管道的长度和圆周的数量可以根据具体的应用而定制。例如，如果冷却要求较低，则可能只需要1到4个圆周。如果冷却要求高，可能需要8或10个圆周。

热交换器还包括一个或多个风扇，其允许通过抽取在管道上的翅片上的周围空气来增强翅片管道的冷却。保持在翅片上的空气速度优选是设计变量。风扇的功率和尺寸以及所需的热交换区域之间要有权衡。例如，通过使用更大、更强力的风扇增加空气速度将导致更多的热传递，并减少所需的圆周数。然而，随着速度的不断增加，所获得的额外收益变得越来越小。

优选地，风扇位于管道上方的结构的中心。替代方案是将风扇布置成将冷空气吹入结构中，而不是从结构中取出热空气。在这种布置中，优选地将风扇设置在结构的下面，而不是在顶部。

当矩形框架为正方形时，优选使用一个风扇。当框架是真正的矩形时，优选地使用两个或更多个风扇来进行最佳的冷却/升温。

除了翅片管道所在的位置之外，结构是密封的，使得结构的侧面被密封，除了在翅片管道所在的结构中的开口。该通风口允许冷却空气进入或离开结构，使得围绕翅片管道的侧面中的间隙允许由风扇吸入的空气以最大可能的速度接触翅片管道。

优选地，矩形框架式热交换器在一个或多个支脚上从地面支撑。

本发明的热交换器提供许多优点。热交换器的一个特殊优点在于管道优选分几部分在一侧一次安装，因此易于热交换器的不同部件使用不同的管道材料和规格。例如，热交换器(其将经历最高温度)的第一部分可以由适用于高温的高成本合金例如inconel或304h不锈钢制成。在一定数量的圆周之后，温度将下降到足以允许更便宜和更坚固的结构材料(例如，低cr合金钢，甚至碳钢)。可以以这种方式使用几种不同的金属来最小化施工成本。当加热来自低温过程的物质时，可以利用相同的优点，尽管本领域普通技术人员将会显而易见地使用不同的管道材料。

热交换器的另一个优点是，这种设计使得很容易更换任何可能损坏的管道。由于管道均位于结构外部，并且通过每侧端部的螺栓法兰连接，所以一次可以方便地更换一个长度。此外，长时间暴露于高温的管道也被认为易于蠕变。这意味着重要的是要定期监测管子的直径，以确定何时因为过度的蠕变而需要更换。将管道设置在结构的外部使得该蠕变监测比其他先前设计中容易得多。

此外，本发明的热交换器优选使用容易获得的便宜的标准翅片管道，而不是如专利第8,146,414号中的热交换器特别设计的。这样可以大大降低施工成本和保有成本(需要较少频繁的检查)。

图1示出了本发明的热交换器的一个实例。图1示出了具有包括实心矩形框架(2)的结构的热交换器(1)。热交换器具有围绕矩形框架(2)完成一个圆周的管道(3)。管道具有入口端(4)和出口端(5)。管道包含外部散热翅片(6)，仅在管道圆周的一侧进行显示。管道被支撑在一系列移动支撑件(7)上的框架上。图1的热交换器被示出具有一个风扇(8)，用于循环空气通过管道，以便加热或冷却通过管道移动的内容物。除了管道所在的位置，结构是密封的。开口(9)允许冷空气流过管道，并且热空气从连接到一个或多个风扇的排气口(10)抽出。

图2示出了管道圆周拐角处的盲端三通。盲端三通(20)将管道圆周(21)的一侧的管道与连接侧的管道(22)连接。盲端三通配置为有一端使用盲法兰(23)密封。使用盲端三通可以确保被管道内流动的粉末的侵蚀最小化。粉末的流动由所示管道内的箭头方向来说明。盲端三通通过允许流入三通的催化剂填充盲端起作用，然后当额外的催化剂流入三通时，通过弹起已经沉没在三通的内部的催化剂来强制转动。图2还示出了附接到管道的下侧的移动支撑件(24)。移动支撑件包括支撑块(25)。支撑块可以在连接到框架上的热交换器的结构的支撑板上滑动。