本公开涉及一种用于减少热交换器管中结垢的装置以及包括这种防结垢装置的热交换器。防结垢装置包括细长的置换体，该置换体可插入热交换器管中以减小管的一部分中的流动横截面积。它还包括连接到细长的置换体的安装件，用于将装置附接到热交换器管的端部。安装件配置为：在置换体被插入管中时，将置换体保持为与管的内表面呈间隔开的关系。所公开的防结垢装置在延长的时间段内以可靠的方式有效地减少热交换器中的结垢，而无需维护或无需外部控制，可以以相对较低的成本提供，易于安装并且还可以改装到现有的热交换器。它特别适用于减轻经受热燃烧或工艺气体，例如在生产炭黑、热解法二氧化硅或其他颗粒物质时遇到的热交换器中的与结垢相关的问题，而不会污染可从工艺气体中回收的产品或对其性质产生不利影响。气体中回收的产品或对其性质产生不利影响。气体中回收的产品或对其性质产生不利影响。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于热交换器的防结垢装置及其用途
[0001]本专利技术涉及一种防结垢装置及其用于减少或避免热交换器中的结垢的用途。本专利技术还涉及包含该装置的热交换器及其在工业工艺中，特别是在炭黑生产中的用途。
技术介绍
[0002]热交换器广泛用于各种工业工艺，以从热工艺或燃烧气体中回收能量并将其转移到热交换流体中，以提高工艺的整体效率。例如，回收的能量可以用于：加热一种或多种反应物，在这种情况下，反应物可以直接用作热交换流体；或用于帮助维持工艺中所需的工作或反应温度；或用于其他目的，包括与工艺本身没有直接关系的目的，例如用于发电或区域加热。在这些工艺中的一些工艺中，热交换器可能会经受相当高的温度，例如1,000℃或更高，从而对材料选择提出严格的要求。这种高温工艺的说明性示例包括炭黑或气相二氧化硅的生产。
[0003]通常通过含烃原料在受控条件下的热解来生产炭黑。用于制造炭黑的多种不同方法和反应器通常是已知的(参见例如Jean
‑
Baptiste Donnet，Roop Chand Bansal，Meng
‑
Jiao Wang，Carbon Black，第2版，CRC出版社，1993)。根据最常见的生产工艺类型，在炉反应器中的一个或多个位置，含烃原料被注入热燃烧气体流中，该热燃烧气体流是先前通过使燃料(通常是含烃燃料)与氧化剂(优选空气)进行反应而在上游生成的。由于燃烧气体中的高温，当原料和热燃烧气体的混合物通过反应器的反应区时，注入的含烃原料进行热分解并进行炭黑的形成。在已经形成具有所需性质的炭黑之后，通常通过注入水对工艺混合物进行淬火来停止热解。得到的含炭黑气体通常通过热交换器，也称为空气预热器，以用于进一步冷却含炭黑的气体，同时预热空气，然后将其供应到反应器的燃烧室以用于与燃料反应，从而形成热燃烧气体。冷却后的含炭黑的气体随后被传送到过滤器单元，例如袋式过滤器，在过滤器单元中从气流中分离并收集炭黑产品。
[0004]用于生产炭黑的常规热交换器通常包括多个平行管，多个平形管延伸穿过由圆柱形壳体、底板和顶板包围的竖直布置的圆柱形腔室。腔室设置有用于待被预热的空气的入口和出口，入口和出口通常在壳体的底部和顶部部分。当热的含炭黑的气体通过管时，热量穿过管壁传递到在腔室内部的管的外表面上流动的空气流。空气的温度因此可以在出口处增加到高达约950℃和更高的温度。除其他外，热交换器主要以逆流模式工作，其中通常，热的含炭黑的气体从底部到顶部穿过管。热交换器通常包括附加装置，例如用于控制腔室内的空气流动的挡板。
[0005]用于从热工艺或燃烧气体(例如，从用于生产炭黑的反应器获得的气体)中回收能量的常规热交换器遇到的常见问题是它们在常规的工作条件下易于结垢。因此，工艺气体或燃烧气体通常包含凝聚相物质或其前体(precursor)。结垢是通过凝聚相材料，例如颗粒物质(例如炭黑)在热交换表面(例如，特别是热交换器管的内表面)上的沉积而发生的，热交换表面与含有凝聚相材料的热燃烧或工艺气体接触。结垢通常是一种自催化过程，因为已经形成的沉积物可以作为核(nuclei)并促进额外的凝聚相材料在热交换表面上的沉积。
[0006]结垢可能有几个不利影响。因此，它会例如通过降低热交换器的热交换表面的热传导系数来对热传递的效率产生不利影响。因此，热交换流体(例如空气)的可实现的出口温度可能较低，这可能降低联合生产工艺的效率，例如导致炭黑生产中的较低产量或生产率。在某种程度上，可以通过使用工艺或燃烧气体的更高入口温度来补偿这种较低效率的热传递，以实现热交换流体的所需的出口温度，但是，另一方面，这会增加施加在热交换器上的热应力。由于结垢是一个渐进的过程，因此热交换流体的出口温度的变化也可能导致可从利用热交换流体的联合生产工艺中获得的产品的特性(例如炭黑产品的物理性质)的不期望的长期变化。热交换表面上的沉积物还可能影响热交换器中的气体流动特性，例如它们可能增加热交换器管的相对端之间的压降，这同样可能对工艺效率产生不利影响并在热交换器材料上产生额外的应力。最终，存在结垢可能导致热交换器管完全堵塞和/或对热交换器造成不可逆损坏(例如由于热交换器管的裂缝或破裂)的风险。此外，随着时间的推移，沉积物趋于硬化和变脆，从而存在硬化的沉积物可能从热交换器表面分离并重新进入工艺或燃烧气体流的风险，从而导致从中获得的产品受到污染。
[0007]为了避免这些问题和缺点并重建适当的功能，热交换器通常被不时关闭以进行定期维护以去除热交换表面的沉积物。然而，例如通过长钢丝刷或喷砂等以机械方式对热交换器管进行清洁，既费力又费时并对热交换器材料施加应力。此外，这种方法很昂贵，因为停机和清洁操作所需的时间意味着生产时间的损失。
[0008]因此，在本领域中已经开发了不同的技术解决方案来消除热交换器表面的结垢。
[0009]一种选择预见到在氧气水平低于较低的爆炸限制的环境中反复加热热交换器管，以从热交换器管的内表面热去除沉积物。然而，这种热清洁可能会对热交换器施加显著的热应力，包括局部过热的风险，从而导致热交换器的退化，从而缩短其寿命。
[0010]此外，已考虑了使用各种化学添加剂作为防污剂。例如，已经建议将某些聚合材料添加到可能导致结垢的热工艺或燃烧介质和/或用于形成这种介质的前体材料中以避免热交换器表面上的结垢。例如，US2014/0338254A1提出在100℃至550℃的温度范围内对液体烃介质进行热处理时使用某些羟基官能聚酯作为防污剂。这样的防污剂可能有助于延缓或避免结垢的进展，然而，它们通常不能去除已经在热交换表面上形成的沉积物。或者，已经预见到使用含糖清洁组合物，并且由此可实现从结垢的热交换器管中去除沉积物，这归因于对表面的研磨清洁。然而，化学添加剂的使用通常意味着将异物添加到工艺介质中，这会污染或以其他方式不利地影响从工艺介质中获得的产品的性能。
[0011]因此，其他方法试图通过热交换器的特定结构设计来最小化结垢。在此，已发现工艺介质和与其接触的热交换器表面之间的大温度梯度通常会促进结垢，因此设计了保持较小的温度梯度的结构设计。
[0012]例如，美国专利No.6,585,949B1建议保持含炭黑的燃烧气体和与其接触的热交换表面之间的温差不大于500
°
F，优选最好不大于100
°
F，以防止热交换器表面结垢。在此通过控制优选为空气的热交换流体流的速度来控制温度差。为此目的，它提出了一种具有外壳体和内壳体的热交换器结构，其中通过设置数量和直径不同的孔，以使热交换表面的任何部分的局部冷却被最小化的方式，来将气流分开并分配到不同的挡板通道。
[0013]EP0777098A2提出了一种替代的特定热交换器设计，其包括双层底管板和遮盖在相对冷的冷却介质可能将直接撞击到的区域中的一根或多根工艺气体管的装置。遮盖装置
可以包括与冷却介质入口相邻的气体管腔室和/或环绕地设置在双层底管板内的工艺气体管的下部附近的套圈，该套圈与套圈填充物一起在热工艺气体和工艺气体管的底部区本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于减少热交换器管中的结垢的装置，包括：(a)细长的置换体，配置为被插入所述热交换器管中以减小所述管的一部分中的流动横截面积，以及(b)安装件，连接到所述细长的置换体，以用于将所述装置附接到所述热交换器管的端部，所述安装件配置为：在所述置换体被插入所述管中后，将所述置换体保持为与所述管的内表面呈间隔开的关系。2.根据权利要求1所述的防结垢装置，其中，所述安装件配置为将所述置换体的纵向轴线布置成与所述管的主轴线基本平行，优选地使插入的置换体沿所述管的所述主轴线居中。3.根据权利要求1或2所述的防结垢装置，其中，所述置换体在安装状态下，在所述置换体的外表面与所述管的内壁之间形成环形间隙，和/或其中，所述置换体具有相对于所述置换体的纵向轴线旋转对称的形状，优选圆柱形或圆锥形，和/或其中所述置换体是中空体，其中所述中空体可选地具有用于压力均衡的通孔。4.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，其中，所述安装件包括多个、优选地至少三个支撑构件，例如从所述置换体的表面径向延伸的鳍，其中每个所述支撑构件可选地在面向所述热交换器管的一侧具有凹槽，所述凹槽被配置为与所述热交换器管的壁匹配。5.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，还包括在所述置换体的表面上的一个或多个间隔件，所述间隔件优选地布置在所述置换体的相对于所述安装件的远端处或远端附近，其中优选地，所述间隔件包括多个，例如至少三个从所述置换体的表面径向延伸的引导鳍，并且所述鳍的尺寸被设计为使得通过所述鳍来将所述置换体的有效周长增加到在所述热交换器管的横截面的从95％到99.9％的范围。6.根据前述权利要求中任一项所述的防结垢装置，其中，所述置换体、所述安装件和/或所述间隔件由不锈钢制成，和/或其中，所述置换体的长度在0.5m到5m的范围内和/或具有高达20cm的横截面。7.一种热交换器，包括：(a)至少一个管，具有作为工艺介质的入口的第一端和作为工艺介质的出口的第二端，(b)壳体，所述至少一个管延伸穿过所述壳体，所述壳体形成增压室，供热交换流体从设置在所述壳体中的入口流动到设置在所述壳体中的出口，在所述至少一个管上实现所述工艺介质和所述热交换流体之间的热交换，(c)根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：凯，
申请(专利权)人：欧励隆工程炭知识产权有限两合公司，
类型：发明
国别省市：
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