反应器制造技术

本发明专利技术公布了一种对具有导热系数低的固体物料如煤进行加工的反应器和工艺，该反应器包括外壳（１０）和一些由导热材料制成的隔板（１２ａ－１２ｈ）。外壳（１０）构成了一个对要处理加工的固体物料的填充床的容器，而隔板是放置在（外壳构成的）容器内，每个隔板都一些通道（１４ａ－１４ｈ），传热介质可以从通过该通道流动，在运行中，每个隔板都在隔板区域内在传热介质和固体物料之间形成了一些导热通路。从而，借助于隔板通过传热介质和固体物料之间的热交换最终将所有固体物料加热或冷却到所要求的温度范围。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于一种处理工艺中，特别是高压处理工艺中的反应器，在此处理工艺中需要将热量传递给导热性差的含有固体(如煤)的物料，或者从上述导热性差的物料传递热量。本专利技术还涉及所述的处理工艺方法。许多生产过程要求对含有固体物料进行加热或冷却，以促进或抑制化学反应或物理变化。通常，为了产生预定的化学反应或物理变化，需要将物料加热升温，可是，许多物料导热率很低，因此，难以采用间接热交换的方式对其进行加热。对于这种物料常常采用直接热交换方式进行加热，例如，对固体物料通入高温气体。就本说明书而言，“直接热交换器”是属于这样的热交换方式，即在该热交换方式中是将传热介质与需要加热或冷却的物料接触。间接热交换器是属于这样的热交换方式，即在该热交换方式中是通过屏障，如管壁将传热介质与需要加热或冷却的物料分隔开来。一些工艺不适合于进行直接热交换，固体物质与气体物质之间的热容比是很大的，要进行这种热传递就需要大量的气体或液体，例如，传热用的大量气体通过填充床是不可能的，除非该床非常粗糙或是加热或冷却时间很长，且在直接热传递过程中，包括煤或其他含有在高温下易挥发物质的物料会导致其挥发性物质由于高温气体的作用而被分离出来，这就可能造成烟道或烟囱在进行废气放散前对废气洗涤除尘的难度。在其他的工艺中，直接热交换可能导致由于气流中携带有固体物质而造成对固体物质处理上的困难或维护上的问题。一种众所周知的间接热交换工艺就是通过同时采取在授予Koppelman的美国专利No.5290523中所叙述的温度和压力对煤，特别是对劣质煤进行加工。在该工艺中，在高压下对煤进行加热，由于煤的结构重新排列和脱羰反应而造成一系列反应而使煤脱水。进而一些可溶性的灰分也从煤中被脱除。这样就通过加热脱水导致对煤的改良和煤发热值的改良(upgrading)。在改良工艺(upgrading process)中通过保持足够高的压力，可以基本避免被脱除水的汽化，这就减少了该工艺过程的能源需要，因而，副产物水主要是以液态而不是以蒸汽的形式存在。煤的加热处理过程要求将热传递给煤(通常300-600英国热量单位/磅)，但煤填充床的有效导热系数大约为0.1W/mK，使煤填充床成为一个良好的绝热体。为了对煤进行快速加热，要提供一个对煤填充床的合理加热时间，那么可以考虑的方案包括·通过提高传热介质的温度，提高热驱动力。这会趋于导致煤脱去挥发成份。这对劣质煤而言，加工减少了挥发成份脱除后煤的热值，同时，这也导致了在反应器系统中的其他部分产生煤焦油和其他挥发物质的凝结。·采用流化床(fluid bed)。这导致需要循环大量的(惰性)气体，这又存在脱除煤的挥发成份问题，同时在热脏压缩机重新进行压缩运行前需要对气体进行冷却和清洗，而这两个方面都涉及资金和维护。·采用搅动床，如回转窑。这种反应器在高压及惰性气氛下操作，其涉及许多工程难点和费用。间接热交换是可以选择的，但会进一步使工程难度复杂化。但反应器中的煤的体积占用可能是低的。·对研磨物料(ground feed)进行快速干燥。这需要后续的造块以生产适销对路的产品，同时还需要惰性气体来热交换，且由于固体物料处于弥散状态而使体积变大。·煤的水热脱水。其中，将煤磨成很小的颗粒并与水混合制成水煤浆，然后水煤浆在高压下保持液体状态被加热至高温。该工艺需要对煤进行研磨，然后，将煤粉进行造块或直接应用，如发电厂，此外，加热到高温的水量很大，因此，为了热量回收需要大量的热交换装置。由于同时采用了高压(大于10巴)，因此，上述每一种方案都很难被采用。对于物料床进行加热或冷却处理还是采用与间接热传递相结合的填充床方式更好些。因为这样可以使挥发损失最小，能源消耗较低，且主要付产品水是液态。填充床还允许煤的粒度范围较宽，而煤的颗粒较粗大有利于流化床操作，还有填充床在高压反应器内占用体积最小，反应器容积小将节省加压时间和反应器的运行成本。促进间接热交换的常用方法是加热介质和被加热炉料之间有充分的表面积，这可以采用在管子内侧或外侧与加热介质相接触的管束来实现。这种管束方式适合于将热量传递给液体或气体(尽管它们易于生锈和发生堵塞，而需要维护)，但当用于加热固体物料时它们会受到限制，特别是在固体物料为煤时且煤的粒度小于19mm(0.75英寸)时情况更是如此，甚至对于煤的粒度达到50mm(2英寸)也会产生这一现象，其问题就在于会产生炉料搭桥和粘结。对于此类物料任何热交换系统都必须在间歇式处理工艺的开始和结束时或连续处理中保持固体物料良好的流动性。上述的外壳和管子设计还有一个困难，它是由于大多数反应器都需要将排料漏斗安装在反应器中管束的下端位置以便从反应器中将煤排出而引起的，即要使管束延伸到排料漏斗中，同时煤在排料漏斗中所占的体积合适而不为管束所加热是不可能的。为了克服这一难题，有些工艺采用将水或蒸汽喷入煤床，这些水或蒸汽被叫作流体工作介质，这些流体工作介质(如果是液态)在物料床的上部就会被汽化并产生过热，之后流到排料漏斗底部的出口，从而在排料漏斗底部的冷固体物料就会受到流体工作介质的加热(通过对流和流动工作介质冷凝)，然而，喷入流体工作介质会带来处理过程能源利用的一系列问题。前面所述的工艺是采用外套筒和管式热交换装置，在该工艺中，将煤加到管子周围，高温传热油流过管子之间的空间，管子直径一般为75mm(3英寸)，这意味着热传递的最大距离为38mm(1.5英寸)，即从管壁到管子中心的距离。尽管小直径的管子在高压下操作有其优点，但这种反应器不是最理想的，因为它难以使固体物料从管子中流过，还有在管子之间的热传递油可能会产生循环距离短和热量分布不均匀(这会导致煤的加工处理不理想)，且反应器设计复杂并难以制造，特别是管束的端板难于制造，且非常厚又很昂贵。在这种反应器中煤占的体积通常仅占反应器总容积的30-50％。现在本专利技术人设计了一种反应器，该反应器适用于对煤进行加工改良，并且也适用于需要将热量传递给导热系数低的固体物料或从固体物料中吸收热量的任何工艺。该反应器采用了传导旁路(conductive bypass)的工艺原理。本专利技术提供一种用于处理工艺中的反应器，它是将含有固体的物料加入到反应器中并在反应器中形成固体物料的填充床，然后进行热传递来对导热系数低的物料进行加热或冷却，该反应器包括一个外壳和一些隔板，外壳限定了容纳填充床的内部空间，而每个隔板带有一个或几个通道，传热介质可以从该通道中流过，且使用中的每个隔板在传热介质和位于隔板区域的固体物料之间形成了一个或几个传热旁路，结果，经隔板通过传热介质和固体物料之间的热交换使所有固体物料被加热或冷却到所要求的温度范围。本专利技术反应器是通过本专利技术人对煤进行加工的一系列研究之后才开发出来的。这些研究发现，在反应器的传热介质一侧热传递阻力很小，热传递的限制性环节主要在煤这一侧。此外，令人吃惊地发现通过人为增加传热介质和煤之间的热传递阻力可以通过改进反应器的设计来实现。本专利技术的原理就是利用传热介质和煤之间传导旁路(即热传导旁路)使穿过煤的热传递路程最短。如上所述，根据本专利技术，每个隔板都在传热介质和位于隔板区域的固体物料之间形成了一个或几个热传导旁路。正如本专业技术人员所了解的那样，在非稳定状态下固体物料的热传递，特别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于工艺处理的反应器，其中该工艺处理是将含有固体的物料加到反应器内，在反应器中形成固体物料的填充床，并进行传热以加热或冷却物料，该物料的导热系数低，该反应器包括一限定填充床内部空间的外壳和一些放置于该内部空间之内的由导热材料制成的隔板，每个隔板都带有一条或多条传热介质可以通过的通道，且在运行时，每个隔板都在其范围内在传热介质和固体物料之间形成一条或多条导热旁路，从而，几乎所有的固体物料借助于隔板通过传热介质和固体物料之间的热交换而被加热或冷却到一预定的温度范围。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴维S康诺奇，达伦J马修斯，
申请(专利权)人：科夫克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]