CN101443618A - 利用受控的机械振动减少热交换器的管内结垢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过一种方法减轻热交换表面的结垢，在该方法中，在固定的热交换器上施加机械力以在热交换表面激发振动并在靠近热交换表面的流体中产生剪切波。通过动态致动器来施加机械力，该动态致动器连结于控制器以便以受控的频率和幅值输出产生振动，该振动对热交换结构的不利影响最小化。该动态致动器可连结于就位的热交换器并可在热交换器在线时运行。

Description

利用受控的机械振动减少热交换器的管内结垢

技术领域

本发明涉及在精炼厂和石化工厂中使用的热交换器。特别地，本发明涉及减少所述热交换器中的结垢。

背景技术

通常结垢定义为不需要的物质在处理设备的表面上积聚。在石油加工过程中，结垢是指热交换器表面上不希望的烃基沉淀物的沉积。这已被认为是在精炼和石化处理***的设计和运行中的近乎普遍的问题，并且在两个方面影响设备的运行。第一，结垢层具有低的热传导性。这增加了对热传递的阻力并降低热交换器的效率-因此增加***内的温度。第二，当发生沉积时，横截面积减小，这引起通过设备的压降的增大并在热交换器中产生导致低效率的压力和流动。

由于造成失效、产量减少和附加的能源消耗，热交换器的管内结垢每年会使得石油精炼厂花费数亿美元。随着能源成本的增加，热交换器的结垢对处理过程的盈利能力的影响更大。由于全原油、混合物和分馏物在热传递设备中的热处理过程中所发生的结垢而导致需求清洁处理，因此会造成石油精炼和石化工厂承受高的运行成本。虽然很多类型的精炼设备受到结垢的影响，但是，成本的评估显示利润损失的主要部分是由于在预热系列交换器(pre-heattrain exchanger)中全原油和混合物的结垢。

与石油类型的流相关的热交换器中的结垢由于多种机制形成，包括化学反应、腐蚀、不溶解物质的沉积和由于流体和热交换壁之间的温度差而导致不溶解的物质的沉积。

特别地，一种引起快速结垢的更普遍的根源是当原油沥青质过度暴露于加热器管表面温度时所发生的焦炭成形。在交换器的另一侧的液体的温度比全原油更高，导致相对较高的表面或表皮温度。沥青质可从油中沉淀并粘附在这些高温表面上。延长暴露于此表面温度，特别是在随后的系列热交换器(late train exchanger)中，使得沥青质热降解为焦炭。焦炭接着作为绝缘体并且由于阻止所述表面对通过该单元的油进行加热而导致热交换器中热传递效率损失。为了使得精炼厂恢复到更有利润的水平，结垢的热交换器需要进行清洁，这通常要求拆除下线，如下所述。

热交换器的结垢使得精炼厂不得不采用高成本的停工来进行清洁处理。当前，大多数精炼厂通过使热交换器停止服务而进行化学或机械的清洁来进行热交换管束的离线清洁。该清洁可按照计划的时间或使用或按照实际监控的结垢情况来进行。这些情况可通过估计热交换效率损失来进行判断。但是离线清洁会使服务中断。这对于小的精炼厂来说是特别难以承担的，因为将会有段时间停产。

减轻或有可能的话消除热交换器的结垢仅仅在减能方面就会获得很大的成本节约。结垢的减少还导致能源节约、更高产量、减少维护、更低的清洁开支以及设备的整体实用性的改进。

曾经尝试过使用振动力来减少结垢。授予Mettenleiter的美国专利No.3,183,967公开了一种具有多个加热管的热交换器，该加热管弹性地或有柔韧性地安装并进行振动以驱除积聚在热交换器表面上的固体从而防止固体沉淀形成积垢。但是此组件要求特殊的弹性安装组件且不易适应现有的热交换器。授予Bellet等的美国专利No.5,873,408也通过直接将机械振动器联接到热交换器中的管道上使用振动。同样，此***要求用于热交换器中的单个管道的特殊的安装组件，该安装组件不适于现有的***。

因此，需要改进用于减轻管内结垢的方法，特别是用于现有设备的方法。需要在热交换器设备在线时减轻或消除结垢。还特别需要处理精炼厂中的预热系列交换器中的结垢。

发明内容

本发明的实施例的方面涉及用于在热交换器表面附近引发剪切波以干扰结垢机制的方法。

本发明的实施例的另一方面提供了一种可在例如精炼厂的现有***中执行的方法。

本发明的实施例的附加的方面涉及在热交换器运行时实施减轻结垢的方法。

这些和其它的方面可通过本发明实现，本发明涉及一种用于减少热交换器中的结垢的方法，包括这些步骤：提供一热交换器，该热交换器具有用于液体流动的管和支承管的固定安装元件；以及向所述固定安装元件施加机械力以在管中引发振动，该振动使得在管附近流动的液体中产生剪切运动，从而减少管的结垢。

施加机械力包括控制力的施加以便引发受控的振动能。该方法也可包括检测管中引发的振动能和基于所检测的振动能调节对力的施加的控制。振动在1000Hz或更高的频率下尤其有效。

机械力可直接或间接施加到固定安装元件并可相对于管沿轴向或横向施加。机械力可由动态致动器或包括例如锤、振荡器或压电管组(piezoelectric stack)的致动器组来施加。

热交换器可以是具有形成为管束的管和形成为管板凸缘的固定安装元件的管壳式热交换器。热交换器可以是处理***中就位的现有热交换器，施加机械力可包括用动态致动器改进现有的热交换器。热交换器可以在线于精炼***中。

本发明还涉及用于改进具有固定就位的热交换器的精炼***的装备。该热交换器包括由用于使流体从中流过以进行热交换的管形成的管束和用于支承所述管束的凸缘。所述装备包括：动态致动器(动力致动器，dynamicactuator)，该动态致动器包括带有致动器的力产生装置；用于将力产生装置连接到固定就位的热交换器的安装装置；以及控制器，该控制器连接到动态致动器以便控制致动器使得力产生装置向所述管引入受控的振动能，以在邻近管流动的液体中引起剪切运动，从而减少管的结垢。

接合详细说明和附图时可清楚地了解本发明的这些和其它方面。

附图说明

下面将结合附图来描述本发明：

图1是管壳式热交换器的侧透视图；

图2是根据本发明的带有机械引发振动***的管壳式热交换器的侧视图；

图3是其中机械引发振动***位于管板凸缘上并相对于管束轴向定位的热交换器的侧面示意图；

图4是其中机械引发振动***位于管板凸缘上并相对于管束横向定位的热交换器的侧面示意图；

图5是其中机械引发振动***相对于管板凸缘位于远处的热交换器的侧面示意图；

图6是管道内侧的示意图，示出轴向壁振动；

图7是管道内侧的示意图，示出切向或扭转壁振动；

图8是示出振动管内的升力、曳力和剪切力的示意图；以及

图9是示出基于本发明概念的测试结果图，示出对于标准运行和结垢减少的运行，液体温度相对杆表面温度的改变。

在附图中，不同的附图中的对应零部件由相同的附图标记指示。

具体实施方式

本发明总体涉及一种减轻热交换器中结垢的方法和用于实施该方法的装置。在优选的用途中，该方法和装置用于例如精炼厂或石化处理厂的精炼过程中使用的热交换器。本发明特别适于改进现有的设备，使得在现有的热交换器中可使用该方法，特别是在热交换器在线且处于使用中时。当然，能够将本发明应用到其它的处理设备和热交换器，特别是那些易于以与精炼过程中所发生的方式类似的方式结垢且不方便离线以进行修理和清洁的设备。

尽管本发明可用于现有的***，但是，也能够最初就制造具有在此描述的振动引发装置的热交换器并在新的装备中使用根据本发明的方法。

与原油进行热交换涉及两个重要的结垢机理：化学反应和不溶解物质的沉积。在这两种情况下，接近于壁的粘性子层(或边界层)的减少可降低结垢率。这一观念贯穿在根据本发明的方法中。

在化学反应的情况下，热交换壁表面处的高温会激活分子以形成用于垢渣的前体(precursor)。如果这些前体没有从相对停滞的壁区域清除，它们将联合在一起并沉积在壁上。边界层的减小将减小停滞区域的厚度并因此减少可用于形成垢渣的前体的量。因此，一种防止粘附的途径是破坏表面处的薄膜层以减少在高表面温度的暴露时间。根据本发明，该方法包括振动壁以引起薄膜层的破裂。

在不溶解物质的沉积的情况下，边界层的减少会增加壁附近的剪切力。通过这样，在位于壁附近的不溶解颗粒上施加了更大的作用力以克服壁对颗粒的吸引力。根据本发明，壁在垂直于管半径的方向上的振动将产生从壁传播到流体中的剪切波。这将减小沉积和结合形成垢渣的可能性。

结合附图，图1示出常规的管壳式热交换器10，其中单独的管14组成的管束12由至少一个管板凸缘(管板法兰)16支承。如图2中所示，管束12保持在具有入口和出口(未示出)的壳体18中，使得一种流体在管内流动而另一种流体受迫通过所述壳体并流过管外侧以进行热交换，如已知的那样。如上面在背景部分所描述的，管壁表面，包括外表面和内表面在内，易于发生结垢或不希望的烃基沉积物的积聚。

在热交换器领域中的普通技术人员可意识到，虽然管壳式交换器作为示例性实施例而在此描述，但是本发明可应用到不同类型的已知热交换装置中的任何热交换器表面。因此，本发明不应当限制于壳式热交换器。

图2示出本发明的优选的实施例，其中动态致动器20被添加到热交换器10上。动态致动器20定位于热交换器10的凸缘16处以向管束12的管14传递受控的振动能。安装装置21将动态致动器20连结于凸缘16。控制器22优选地与动态致动器20进行通信以控制施加到热交换器10的作用力。连结到热交换器10上的传感器24可设置成与控制器22进行通信，从而提供用于测量振动的反馈并向控制器22提供数据以调节动态致动器20的频率和振幅的输出，从而实现在管附近的流体中形成剪切波以减轻结垢，同时施加的作用力对结构整体性的负面影响最小。

控制器22可以是设置在当地或远处以任何需要的方法产生信号来驱动动态致动器20的任何已知类型的处理器，包括电微处理器。控制器22可包括信号发生器、信号过滤器和放大器以及数字信号处理单元。

动态致动器20可以是引发管振动同时保持热交换器10的结构整体性的任何类型的机械装置。任何能够以所选定的频率产生足够动态力的装置都是合适的。动态致动器20可以是单个的装置，例如冲击锤或电磁振荡器，或一组装置例如锤、振荡器或压电管组。该组装置可以进行空间地分布以产生所要求的动态信号来达到最佳振动频率。

根据动态致动器20的类型可使用任何合适的安装装置21。安装装置21在动态致动器20和热交换器10之间提供机械联接。它可以设计成热绝缘体以便保护动态致动器20防止过热。它也可以形成为震动质量块。如果需要，安装装置21也可用作用于动态致动器20的机械放大器。

只要存在与管14的机械联接，动态致动器20可安置在热交换器10上或附近的不同位置处。凸缘16提供了与管14的直接的机械联接。凸缘16的边是用于连接动态致动器20的合适位置。连结到凸缘16的其它支承结构也可以机械联接到管上。例如，支承热交换器的管座也可以是用于动态致动器20的合适的位置。振动可通过***中的不同结构进行传递，因此致动器不必直接连接到凸缘16上。

如图3-图5所示，根据本发明，由动态致动器20施加的作用力可相对于管朝向任何方向。图3示出直接施加到热交换器的凸缘16上的轴向力A。图4示出直接施加到热交换器的凸缘16上的横向力T。图5示出施加到连接于热交换器凸缘16的结构性构件上的远程力R。上述所有力的施加都是合适的并可引发管14的振动。还可使用作用力的不同组合。例如，可施加横向力和轴向力来引发振动的双模式。同样，直接施加到凸缘16上的作用力和远程施加的作用力可用于改变引发的振动的量和类型。取决于***的应用，作用力可受到控制以保持热交换器特别是管束12的结构整体性。作用力可以连续地或间歇地施加。

如图6和图7所示，在上述根据本发明的应用中，动态力的作用产生管壁振动V和邻近壁的流体中相应的剪切波SW。某些管振动模式将在管壁附近引发流体振荡剪切波，但是该剪切波将从壁到流体非常迅速地衰减，在壁附近产生非常薄的声边界层和非常高的动态剪切应力。衰减的剪切波破坏了与管表面内侧相接触的相对静止的流体边界层，因此防止或减少了污垢前体停留及随后的生长和结垢。

发明者通过实验确定了根据本发明的机械振动能显著降低结垢的程度。使用合适的振动频率，振荡流体的厚度可足够小，使得层流边界层的子层内的流体被迫相对于壁表面移动(否则在没有剪切波的情况下会停滞)。此概念在图8中示出。壁附近的剪切波SW在流体中的前体或结垢物的颗粒上施加曳力D和升力L。动态曳力D使得颗粒相对于壁运动，防止它们与壁接触并因此降低颗粒粘在壁上的可能性——颗粒与壁接触并粘在壁上是发生结垢的必要条件。同时，升力L使得颗粒从壁表面移开并移到总体流体中，因此减少壁附近的颗粒浓度并进一步使得结垢的趋势最小化。对于已经粘结到壁上的颗粒，剪切波也在颗粒上施加剪切力S，如果剪切力足够强的话就将颗粒从壁上扯下来。边界层内的剪切波的内在不稳定性使得它们在减少结垢方面比总体流动的高速作用更加有效。在振荡流中颗粒粘结到管壁的粘结强度预期比稳定的单向流动低很多。因此剪切波的清洁效果是高度有效的。

使用了石油工业中用于测定结垢的商业可用单元来进行实验，该商业可用单元称为ALCOR高温液体处理模拟器(HLPS)(Hot Liquid ProcessSimulator)结垢测试***。该测试向加热杆施加振动激励，振动振荡器的驱动力和频率选择成激励加热杆在流体和振动表面之间具有充分的相对运动，同时维持ALCOR单元的机械整体性和正常运行。可用的频率范围从数个Hz到20,000Hz，驱动点处的加速力的范围从几分之一个g到20g。驱动力和频率的其它值也被认为在结垢最小化方面有效。选择最佳频率的过程包括确定加热杆的一组自然频率和模式和选择接近但不等于自然频率中的一个的驱动频率。可选地，可产生合成波形，使得能够激励加热杆的多重振动谐振。

测试进料是Arab Extra Light全原油，其通过ALCOR HLPS，以3ml/min在直流条件(once-through condition)下，在氮气压力下使用370℃(698℉)的表面温度以引发结垢。结垢物的堆积引起(热)绝缘的效果，非常类似于精炼厂热交换设备。绝缘效果减小了加热表面加热流体的能力，结果由于更多的结垢物沉积而使得出口液体温度降低。出口温度的降低的测量为Outlet Delta T。测量的时间的标准为3个小时(180分钟)。最终结垢指示器称为ALCOR Outlet Delta T180。在以前没有振动的ALCOR测试中Arab Extra Light的Delta T180通常在-57℃到-63℃之间。

使用上述振动参数，垂直于ALCOR加热杆引发振动。如图9所示，观察到Arab Extra Light全原油的最终ALCOR Outlet Delta T180减少仅仅19℃。与没有振动而获得的数据相比，这大概表示结垢减少三分之二。在接近运行结束时显示的出口温度的轻微上扬暗示发生轻微的剪切。对于图9所示的测试数据，使用并测量了以下振动参数：2.11kHz的频率和驱动点处203m/s²的加速度。沉积物只会聚集在杆的相对侧，发明人认为这是由于振动是垂直于杆施加的。可预想，如果振动沿杆轴向施加可观察到更加有利的效果。

基于管束12的振动测量和分析，发明人断定管板凸缘16提供了与内部管14的有效的机械联接，并可用于实施机械激励。能够从凸缘16以振动的方式向管14传递足够的振动能。存在管的低频和高频振动模式。对于低频振动模式(通常低于1000Hz)，在传递振动能方面轴向激励更加有效，而高频振动模式下，横向激励更加有效。振动模式的密度在高频范围高于在低频范围(通常低于1000Hz)，而且振动能量传递效率在高频范围也更高。此外，管振动的位移在高频(>1000Hz)时很小，对管的潜在危害不明显。

通过振动减轻结垢很大程度上依赖于由剪切波引发的壁剪切应力。因此，壁剪切应力用作量化地评估不同激励方法的效率的主要设计参数之一。由于壁的振动而引起的管的壁剪切应力可根据以下等式来估算：

${\mathrm{\τ}}_w={\mathrm{CV}}_w\sqrt{\left(\mathrm{\ρ\μ\ω}\right)}$

其中C是常数，ρ和μ是流体密度和粘度，V_w是壁振动的速度幅值，ω是循环振动频率。假设一个参考壁剪切应力，超过该参考壁剪切应力结垢减轻很明显，管壁剪切应力对设计目标的比例以下面的等式来表示：

${\mathrm{\τ}}_w/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}}=(V_w/V_{\mathrm{ref}})\sqrt{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}})}$

根据上面描述的实验，在一个示例中，通过使用所计算的由轴向(平行于管道的轴线)施加在凸缘上的750N的动力而引起的轴向和横向管振动的壁剪切应力比例来选择用于壁剪切应力的设计目标。同样在凸缘上横向(垂直于管轴线)施加等量的动态力。显示，在这两种情况下管振动可被激励到期望的程度以便在大多数以壁剪切应力比例为>1.0的振动模式下减轻结垢。管横向振动的位移幅度(以微米计)在高于100Hz的频率时总体远小于最大允许振动位移，为设计避免由于振动而导致管破损，该最大允许振动位移通常大约为0.025英寸或600微米。对于高于1000Hz的频率，管的动态位移在对于管和支承件的潜在振动破坏方面是可忽略的。

有利地，可使用高频振动以减轻结垢，因为(1)它产生高的壁剪切应力水平，(2)对于易于调整谐振条件，存在振动模式的高密度，(3)为保持热交换器的结构整体性存在小的管振动位移，和(4)令人不愉快的噪声水平低。

动态致动器20的精确安装位置、方向和数量的选择以及致动器输出的幅值的频率的控制基于引发足够的管振动以引起管壁附近流体充分的剪切运动以便减少结垢，同时保持小的管横向振动位移以避免潜在的管破损。明显地，动态致动器20的添加可通过将***连结到现有的热交换器10上来实现，当交换器就位或在线时可进行动态致动器的致动和控制。由于管板凸缘通常是可接近的，在热交换器处于使用中时可安装振动致动器。可在不改动热交换器或不改变总体流动的流动或热条件的情况下减少结垢。

对于在此描述的本发明可做不同的变型，在由权利要求限定的本发明的精神和范围内而不脱离此精神和范围的情况下可对所述设备和方法做出许多不同的实施例。说明书中包含的所有内容应当仅视为解释而不是加以限制。

Claims (23)

1.一种减少热交换器中结垢的方法，包括：

提供一具有用于液体流动的管和支承所述管的固定安装元件的热交换器；

向所述固定安装元件施加机械力以在管中引发振动，该振动使得在管附近流动的液体中产生剪切运动以便减少管的结垢，其中施加机械力包括控制力的施加以便引发受控的振动能；以及

检测管中引发的振动能并基于所检测的振动能调节对力的施加的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一热交换器包括提供一具有形成为管束的管和形成为管板凸缘的固定安装元件的管壳式热交换器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加机械力包括直接向所述固定安装元件施加力。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加机械力包括间接向所述固定安装元件施加力。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加机械力包括向连接于所述固定安装元件的结构性部件施加力。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加机械力包括相对于所述管沿轴向施加力。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加机械力包括相对于所述管沿横向施加力。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，施加机械力包括致动一动态致动器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对机械力的施加的控制包括控制所述动态致动器的频率和幅值输出。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制频率包括以1000Hz或更高的频率引发振动。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加机械力包括致动一振荡器。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加机械力包括致动一压电管组。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一热交换器包括提供一在处理***中就位的现有热交换器，施加机械力包括用动态致动器改进现有热交换器。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供一热交换器包括提供一在精炼***中在线的热交换器。

15.一种用于减轻精炼***中的热交换器的结垢的方法，包括：

提供一管壳式热交换器，该热交换器包括：形成为管束的由一壳体包围的管，其中液体在管内流动和在壳体内围绕管流动；以及支承管的固定管板凸缘；

向所述固定管板凸缘施加机械力以在管中引发振动，该振动引起在管内流动的液体中的剪切运动，从而减小管的结垢，其中机械力由一动态致动器施加；以及

控制动态致动器的频率和幅值输出。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，施加机械力包括直接撞击所述固定管板凸缘。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，施加机械力包括间接撞击在结构上连接于所述固定管板凸缘的构件。

18.一种用于改进具有固定就位的热交换器的精炼***的装备，所述热交换器包括由用于使流体从中流过以进行热交换的管形成的管束和用于支承所述管束的凸缘，所述装备包括：

包括带有致动器的力产生装置的动态致动器和用于将力产生装置连接到固定就位的热交换器的安装装置；以及

控制器，该控制器连接到所述动态致动器以便控制致动器使得力产生装置向所述管引入受控的振动能，以引起在邻近管流动的液体中的剪切运动从而减少管的结垢。

19.根据权利要求18所述的装备，其特征在于，所述安装装置连接到支承所述管束的凸缘上。

20.根据权利要求18所述的装备，其特征在于，所述安装装置连接到一与支承所述管束的凸缘连接的结构性构件上。

21.根据权利要求18所述的装备，其特征在于，该装备包括与连接到热交换器上的控制器进行通信以检测管内引发的振动能的传感器。

22.根据权利要求18所述的装备，其特征在于，所述力产生装置是振荡器。

23.根据权利要求18所述的装备，其特征在于，所述力产生装置是压电管组。

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