哈雷钎焊板式换热器
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固—固换热器传热特性研究

点击:2127 日期:[ 2014-04-26 22:54:52 ]
                            固—固换热器传热特性研究                     王焱鹏 董 群 许长辉 王立娟 李桂杰    (大庆石油学院化学化工学院,黑龙江大庆163318;大庆输油分公司,黑龙江大庆163318)    摘要:在自制的固—固套管式换热器中,以催化裂化催化剂为原料,对系统的循环特性、传热系数进行了实验研究。分析了床层密度、提升风量、床层温度、催化剂粒径等因素对传热过程的影响。实验结果表明,随着提升风量增加,表观气速增大,床层密度下降,传热系数下降;提高床层温度,减小催化剂的粒径,传热系数增加。    关键词:固—固换热器 催化裂化催化剂 传热 传热系数    我国催化裂化技术正呈快速发展态势,一些针对性很强的催化裂化技术竟相出现,例如C4烃类芳构化、催化汽油芳构化、催化汽油裂解生产乙烯、丙烯以及催化汽油脱硫[1]等技术都取得了重大突破。在对这些新技术进行工艺工程研究开发时发现,单独作为一个新过程,都需要使用单独的催化剂,且这些工艺都将面临热量不足、设备投资大等问题,如果将上述新工艺与主催化裂化过程高效耦合在一起,一方面利用重油催化裂化过剩热量作为各新工艺能量来源,另一方面与催化裂化共用一些大型设备,使新工艺不论在能量利用,还是设备投资等方面都具有更大的竞争优势,从而带来更大的经济效益。目前国内外利用换热器对固—固换热方面的研究未见报道。因此,有必要对固—固换热的传热特性进行实验研究,以期查明传热机理,从而为工业设计、操作提供科学依据。利用催化裂化剩余热量作为新工艺能量来源而开展的固—固换热系统传热规律研究,旨在为该项技术的工业应用做技术储备。    1·实验部分    1·1 实验装置及流程    实验装置为不锈钢制成的两个独立循环流化床,其核心部分由换热套管、控温系统构成。实验中以催化裂化催化剂为循环物料、空气作为流化气体,催化剂在套管内逆流换热,其尺寸为外管Φ33 mm×3 mm;内管Φ16 mm×2 mm;高度1 900 mm。                    如图1所示,内管催化剂由分离罐经立管输送线、带有冷却水降温的斜管输送线进入换热套管底部,在经过计量的提升风的作用下与外管催化剂进行逆流换热,换热后催化剂经立管输送线回至分离罐缓冲并进行气固分离,气体排空,催化剂继续循环。外管催化剂由经过计量的提升风提升至分离罐,沿途加热到预期温度后再经上储罐均匀分布并在重力场作用下与内管催化剂进行换热,换热后催化剂继续循环。    1·2 实验方法    实验中以玻璃U型管水柱目测法测量床层压差,监控流化状况;在装置的催化剂测量口处采用计时记重法测量不同循环条件下的催化剂循环量:对外管提升管、气固分离罐、换热套管等部分采用电加热,为减少装置的热损失,在外侧包裹保温,通过智能控温仪表进行温度的测量及控制,模拟现场工况对装置进行加热。稳态传热时,换热套管的传热系数K可由下式表示:KS△tm=WhCph△T+Q吸=WcCpc△t+Q′吸=Q。式中,Q为传热速率,Wc、Wh为冷、热催化剂循环强度,kg/h;△tm为平均传热温差,△t、△T为冷热催化剂换热温差;Q吸、Q′吸为空气升温所需的热量,K为传热系数,W·m-2·K-1,S为换热面积。    2·结果与讨论    2·1 循环特性测试    图2是在不同催化剂藏量下得到的内管上行床床层密度与提升风流量变化曲线。观察曲线可以看出,随着提升风量的增加,不同藏量下的床层密度均迅速下降。这是因为随着提升风量的增加,表观气速进一步加大,床层湍动加剧的同时,床层的气泡变大、增多,平均空隙率增大,导致床层密度减小。另外从图中可以看出,在同一提升风量下,藏量的变化对床层密度的影响并不大,并且在不同的提升风量下,藏量对床层密度的影响规律基本一致。由此可见,本实验装置运行平稳,重复性好,表观气速是影响内管上行床床层密度的主要因素,藏量对其影响不大。                    2·2 传热实验研究    固—固换热器的传热机制简化看来就是外管床层对壁面的传热与壁面对内管床层的传热。因此,实验采用固定外管下行床循环条件,改变内管上行床循环条件的方法,考察各个因素对传热的影响。    2·2·1 床层密度影响    床层密度对传热系数的影响如图3所示,传热系数随着床层密度的增加而增大。因为在对流和辐射两个分量中,床层密度主要影响对流换热分量[2],床层密度增大,使得颗粒絮团覆盖传热壁面的面积分率增大,而分散相覆盖壁面的面积分率减小,颗粒絮团的热容量远大于分散相,而通过颗粒对流的传热量远大于分散相对流传热量,所以传热系数增大。                     另外,还有研究者[3]将颗粒循环流率作为一个影响参数,实际上,在其他条件固定时,颗粒循环流率的影响最终是通过床层密度的变化来实现的。    2·2·2 提升风量影响                    图4示知,在不同的床层温度下,随着提升风量的提高,传热系数均缓慢减小。随着提升风量的增加,气速增大,气体的饱和携带能力增加,床层密度降低,致使热边界层增厚;另外,在流动过程中轴向上存在着固体颗粒顺着壁面滑落下降的趋势[5],随着提升风流量的增加,这种下降趋势减弱,使得颗粒絮团覆盖传热壁面的面积分率减小,而分散相的覆盖壁面的面积分率增大,由于颗粒絮团的热容量远大于分散相,因此传热过程被削弱,传热系数减小。    2·2·3 床层温度影响                     图5给出了床层温度对传热系数的影响曲线。研究结果表明,在相同条件下,气体导热系数是影响传热系数的重要因素,导热系数大,传热系数也增大[6]。因此,随着操作温度的提高,床层传热系数增大。随着床层温度升高,传热系数逐渐增大。因为温度的变化可同时影响对流和辐射两个分量。随着床层温度的升高,气体的导热系数将会增大,使得颗粒絮团与壁面的瞬间导热热阻和接触热阻均减小,从而颗粒的对流换热量增大;同时,在低温时辐射传热热量很小,近似为零;随着床层温度的升高,床层与壁面的辐射换热系数逐渐增大,辐射增强,因而辐射换热量增大。    2·2·4 催化剂粒径影响                     图6可知小粒径可以获得更大的传热系数。这是因为当其它条件不变时,随着催化剂粒径的减小,颗粒比表面积增加,相对的传热面积增大,颗粒絮团覆盖传热壁面的面积分率增大,从而催化剂粒子扰动边壁的能力增强,导致形成的边界层厚度变薄,传热热阻减小,传热面之间的传热增强,传热系数增大[7]。    3·结 论    在自行设计的固—固换热器中,以催化裂化催化剂为原料对设备的循环特性以及传热特性进行了研究,冷模实验结果表明该装置运行平稳,重复性好。热模实验结果表明,随着提升风量增加,表观气速增大,床层密度下降,传热系数下降;提高床层温度,减小催化剂的粒径,传热系数增加。参考文献[1] 谢朝纲,钟孝湘,杨轶男.石油炼制与化工,2001,32(3):26~30[2] 戴天红,钱壬章,李宏顺.燃烧科学与技术,1997,3,(3):270~279[3] Cheng I M,Cen K F,Ni M J.,et a1.Fluidized Bed Combustion.1995,1:487~497[4] MahalingamM,KolarAK.Circulating fiuidized bed technology.1994,4:390~395[5] 吕俊复,田勇,彭晓峰,等.化工学报,2003,54,(9):1224~1229[6] 程乐鸣,骆仲泱,倪明江,等.动力工程,1998,18,(2):20~35[7] 李军,李荫唐.动力工程,1998,18,(4):53~58
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