CN109692496A - 强化流化传热结晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强化流化传热结晶的方法，适用于石油化工换热器在线清堵，也适用于溶液冷却达到饱和而结晶的工艺，尤其适用于对二甲苯、乙交酯等结晶工艺。本发明采用旋流式进料方式，并设置唯一一根管程，管程的上端设有液固分离室、颗粒出口和溶液出口，下端设有固体颗粒下料装置和管程切向入口。本发明的强化流化传热结晶方法具有固含率低、冲刷力强、除垢效率高的特点。

Description

强化流化传热结晶的方法
技术领域
本发明属于石油化工领域，特别涉及一种强化流化传热结晶方法。
技术背景
结晶工艺中常用套管结晶器，它是将原料溶液输入套管结晶器的内管中完成的。该工艺包括结晶***、分离***和制冷***。将原料溶液输入结晶***，在数级串接成的套管结晶器内管向前流动，经外管的冷剂取热，使原料溶液逐步降温，形成晶体颗粒，刮刀将结在内管壁的晶体及时刮下，直到原料溶液达到过滤温度，送入分离***。分离***用离心机分离出晶体和母液；制冷***通常使前几级套管用油液(冷滤液)作冷剂、后几级套管用冷剂与原料溶液进行换热。套管结晶器结晶工艺有许多缺点，诸如存在着严重的晶体内包含杂质等现象，因而导致产品收率低、纯度低、总传热系数低、设备昂贵且需经常维修、维修费用高、动力消耗大等。
专利US3642195和US3681230公开了一种用洗涤塔代替部分套管结晶器的工艺，称洗涤塔工艺。原料经预冷后进入洗涤塔，塔分成若干段，每段均有搅拌，同时经喷嘴喷人低温溶剂。每段通过喷射混合和搅拌作用消除聚冷现象，抑制新晶核的生成，使晶体能较好地长大。由于对每段温降严格控制，所得晶体较大。因此，在滤速、产品收率、产品纯度及能耗方面都有所改善。但该工艺仍存在一些不足之处，如洗涤塔庞大、喷嘴易堵塞停工后才能更换、出稀冷塔的温度只能达到0℃左右还需一定数量的套管结晶器作为后冷，因而它的应用受到限制，工业化装置不多。
1989年D.G.Klaren等在美国《Hydrocarbon processing》68(7)P48-50提出一种循环式的流化床结晶器代替套管结晶器。该结晶器如同立式管壳式换热器，其组成包括许多条相互平行且直立的管程和若干条循环管、固体颗粒分布板、以及具有上室和下室的筒形壳体。固体颗粒与进入结晶器的溶液在下室混合并流化，经分布板而进入各管程中，并在流化状态下进入上室。由于上室截面积较管程大，流速下降，液固得以分离。溶液连同结晶物由上室顶部经出口流出结晶器，而固体颗粒则沉降下来经循环管返回下室，再与进入结晶器的溶液混合，试图实现固体颗粒不断循环的液固流化过程。在管程中，如果流化固体颗粒不断对管壁冲刷，既可破坏管壁的边界层，又可清除管壁上结晶物，会使传热系数大幅度提高。
中国专利CN99117748.7、CN200920196356.1、CN201620923885.7、CN1995890N、CN102759289 A、CN 103629837 A也先后公开了流化床换热器，及附属内构件，如固液分离CN200610134381.8等。
但是，目前这种循环式流化床没有成功的应用于结晶过程，其原因在于这种循环式流化床是靠分布板来分配各管程的固体颗粒，实质上它的清垢作用很小，无法保证流化固体颗粒均匀分布于众多管程中，因此各管程的流化状态不同，对管壁冲刷能力也各异。冲刷力弱的管程结晶物厚，阻力更大，使流量进一步降低，这种恶性循环最终导致部分管程堵塞，失去作用。此外，循环管流速过慢，颗粒层的流动很难将结晶物冲刷下来，很快被结晶物堵死，破坏了固体颗粒的循环，使结晶过程无法进行。
本发明旨在克服现有技术的颗粒与管壁有效碰撞频率低、除垢效果差的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的颗粒与管壁有效碰撞频率低、冲刷力弱、除垢效果差的问题；提供一种强化流化传热结晶的方法，该方法利用流化床换热器管程入口切向进料的方式，具有固含率低、冲刷力强、除垢效率高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：
一种强化流化传热结晶的方法，使用流化传热结晶器，所述流化传热结晶器包括壳程、管程、颗粒下料装置、固液分离装置和循环水槽，其特征在于流化床换热结晶器内设有唯一一条管程，管程内装有固体颗粒，原料沿着管程入口切向进入，在管程内形成旋流式上升流。
上述技术方案中，优选地，旋流进料通过切线进料或利用导流板方式实现。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器的数量根据总温降所需总管长及流化床换热结晶器所需换热面积而定，流化床换热结晶器的管程内径直径为20毫米-500毫米无缝钢管，换热器冷却段高度在2米-20米。较为优选地，流化床换热结晶器的管程内径直径为20毫米-100毫米无缝钢管，换热器冷却段高度在5米-10米。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器的操作温度：管程为-55℃～70℃；壳程为-55℃～110℃。
上述技术方案中，优选地，设置流化床换热结晶器床层高度测量仪，检测预装的固体颗粒。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器壳程所用的冷剂是水、氟里昂、氨、丙烷、或滤液。根据不同的冷剂，优化设计壳程直径、换热器结构和强化手段等，以保证最佳的总传热系数，使工业化装置的经济合理。
上述技术方案中，优选地，流化床结晶器管程上部设置至少一个溶液出口。
上述技术方案中，优选地，固体颗粒的密度高于原料的密度。较为优选地，固体颗粒为瓷球、钢丝、或三氧化二铝颗粒。
上述技术方案中，优选地，固体颗粒的当量直径与管程管径的比值为1/5-1/15。
上述技术方案中，优选地，壳程冷剂传热可采用热虹吸升膜技术或降膜技术。热虹吸升膜技术即自蒸发器流出的液相冷剂自流从换热器壳程底部进入与油液热交换后，部分汽化后汽液混相循环返回蒸发器进行汽液分离；降膜技术即向换热器各段加入冷剂，相应从换热器各段汽化后进入集合管返回蒸发器进行汽液分离。
上述技术方案中，优选地，为了提高流化床换热结晶器壳程的传热系数，可釆用的强化传热手段如：处理表面、粗糙表面、扩展表面、漩涡流、多孔结构、螺旋管、开槽管、诱导流、翅片管、表面多孔等结构从而进一步提高的250-2000w/m2℃的总传热系数。
本发明还提供一种强化流化传热结晶器，包括壳程、管程、颗粒下料装置、固液分离装置和循环水槽，流化床换热结晶器内设有唯一一条管程，管程内装有固体颗粒，原料沿着管程入口切向进入，在管程内形成旋流式上升流，管程的后部设有液固分离装置，颗粒循环回路上设置有颗粒下料装置。
上述技术方案中，优选地，旋流进料通过切线进料或利用导流板方式实现。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器的数量根据总温降所需总管长及流化床换热结晶器所需换热面积而定，流化床换热结晶器的管程内径直径为20毫米-500毫米无缝钢管，换热器冷却段高度在2米-20米。较为优选地，流化床换热结晶器的管程内径直径为20毫米-100毫米无缝钢管，换热器冷却段高度在5米-10米。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器的操作温度：管程为-55℃～70℃；壳程为-55℃～110℃。
上述技术方案中，优选地，设置流化床换热结晶器床层高度测量仪，检测预装的固体颗粒。
上述技术方案中，优选地，流化床换热结晶器壳程所用的冷剂是水、氟里昂、氨、丙烷、或滤液。根据不同的冷剂，优化设计壳程直径、换热器结构和强化手段等，以保证最佳的总传热系数，使工业化装置的经济合理。
上述技术方案中，优选地，流化床结晶器管程上部设置至少一个溶液出口。
上述技术方案中，优选地，固体颗粒的密度高于原料的密度。较为优选地，固体颗粒为瓷球、钢丝、或三氧化二铝颗粒。
上述技术方案中，优选地，固体颗粒的当量直径与管程管径的比值为1/5-1/15。
上述技术方案中，优选地，壳程冷剂传热可采用热虹吸升膜技术或降膜技术。热虹吸升膜技术即自蒸发器流出的液相冷剂自流从换热器壳程底部进入与油液热交换后，部分汽化后汽液混相循环返回蒸发器进行汽液分离；降膜技术即向换热器各段加入冷剂，相应从换热器各段汽化后进入集合管返回蒸发器进行汽液分离。
上述技术方案中，优选地，为了提高流化床换热结晶器壳程的传热系数，可釆用的强化传热手段如：处理表面、粗糙表面、扩展表面、漩涡流、多孔结构、螺旋管、开槽管、诱导流、翅片管、表面多孔等结构从而进一步提高的250-2000w/m2℃的总传热系数。
本发明采用流化床换热结晶器，采用旋流式进料，调控换热结晶器内各参数，流化床换热结晶器的总传热系数为套管结晶器的4-5倍，可以大大减少传热面积和操作费用；解决了传热效率低，颗粒分布效果差、产品纯度及收率低的问题，特别是利用旋流式入口，产生的旋流场的作用效果，使得固体颗粒在离心力的作用下刮擦管壁，在相同的固含率、表观流速下，其作用效果(或清垢效果)是现有流化床换热结晶器的2倍以上，使产品收率比套管结晶器工艺提高2％-5％；设备简单、投资低、维修费用极低；工艺简单，不用电动刮刀，因而能耗也低。
本发明是结晶工艺很有发展前途的结晶器。
附图说明
图1是本发明所述旋流式单管外循环流化床多管传热结晶器。
图中，1-壳程、2-管程、3-液固分离器、4-固体颗粒下料装置、5-离心泵、6-循环水槽图2是结晶器旋流式入料口结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明作进一步阐述。
【实施例1】
混合二甲苯中对二甲苯的结晶过程，如图1所述的旋流式单管外循环流化床多管换热结晶器中，混合二甲苯原料由管程2进料口切线入口进入流化床换热结晶器的底部，由于切线进入，使物料在管程2内形成上升的旋流，这种流动方式不仅增加固体颗粒与管壁的摩擦强度和频率，也有利于颗粒在管路内的均匀分布。液氮由流化床换热结晶器壳程1上端的冷剂入口进入壳程内，与管程内的物料进行逆流换热。换热后的冷剂由流化床换热结晶器壳程1下部的冷剂出口排出，物料通过流化床换热结晶器管程2完成换热后，经过固液分离装置3。在固液分离装置3内颗粒被分离下来，从液固分离器的底流口排出，而物料由液固分离器的顶部出口排出，经离心泵5重新打入流化床换热结晶器内。从液固分离器3底流口排出的固体颗粒经下降管进一步富集，在下降管底部的固体颗粒下料装置4实现下料，并被液体带入流化床换热结晶器内，完成一个循环。
流化床换热结晶器的管程内径为直径300毫米无缝钢管，冷却段高度2米，管程-15℃，壳程-20℃，固体颗粒为瓷球，其当量直径与管程2管径的比值为1/6，固含率为2％。
经72小时连续运行，旋流式单管外循环流化床多管传热结晶器未出现结壁现象，总传热系数稳定维持在1620w/m2℃，且可得到平均粒度为200μm的对二甲苯晶体。
【实施例2】
工艺流程同【实施例1】相同，流化床换热结晶器的管程内径为直径30毫米无缝钢管，冷却段高度20米，管程-15℃，壳程-55℃，固体颗粒为瓷球，其当量直径与管程2管径的比值为1/6、固含率为5％。经72小时连续运行，旋流式单管外循环流化床多管传热结晶器未出现结壁现象，总传热系数稳定维持在1750w/m2℃，且可得到平均粒度为350μm的对二甲苯晶体。
【对比例1】
利用套管结晶器，管程内径为直径80毫米无缝钢管，冷却段高度2米，管程-15℃，壳程-20℃，经72小时连续运行，套管结晶器内出现结壁现象，总传热系数稳定维持在由1500w/m2℃逐渐降至520w/m2℃，得到平均粒度为120μm的对二甲苯晶体。
【对比例2】
工艺流程同【实施例1】相同，但入口没有采用旋流式入口，流化床换热结晶器的管程内径为直径30毫米无缝钢管，冷却段高度20米，管程-15℃，壳程-55℃，固体颗粒为瓷球，其当量直径与管程2管径的比值为1/6、固含率为5％。总传热系数稳定维持在由1500w/m2℃逐渐降至1000w/m2℃。
显然，采用本发明的方法，具有较大的技术优势，可用于结晶的工业生产中。

Claims (10)

1.一种强化流化传热结晶的方法，使用流化传热结晶器，所述流化传热结晶器包括壳程、管程、颗粒下料装置、固液分离装置和循环水槽，其特征在于流化床换热结晶器内设有唯一一条管程，管程内装有固体颗粒，原料沿着管程入口切向进入，在管程内形成旋流式上升流。
2.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于，旋流进料通过切线进料或利用导流板方式实现。
3.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于流化床换热结晶器的数量根据总温降所需总管长及流化床换热结晶器所需换热面积而定，流化床换热结晶器的管程内径直径为20毫米-500毫米无缝钢管，换热器冷却段高度在2米-20米。
4.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于流化床换热结晶器的操作温度：管程为-55℃～70℃；壳程为-55℃～110℃。
5.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于设置流化床换热结晶器床层高度测量仪，检测预装的固体颗粒。
6.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于，流化床换热结晶器壳程所用的冷剂是水、氟里昂、氨、丙烷、或滤液。
7.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于流化床结晶器管程上部设置至少一个溶液出口。
8.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于固体颗粒的密度高于原料的密度。
9.根据权利要求1所述的强化流化传热结晶的方法，其特征在于固体颗粒的当量直径与管程管径的比值为1/5-1/15。
10.一种强化流化传热结晶器，其特征在于，包括壳程、管程、颗粒下料装置、固液分离装置和循环水槽，流化床换热结晶器内设有唯一一条管程，管程内装有固体颗粒，原料沿着管程入口切向进入，在管程内形成旋流式上升流，管程的后部设有液固分离装置，颗粒循环回路上设置有颗粒下料装置。
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