[发明专利]减少热交换器中的结垢

说明书

技术领域

本发明涉及减少热交换器中的结垢。本发明还涉及防止热交换器内壁上固体物质沉积的工艺和装置。

背景技术

热交换器为大家所熟知并广泛应用于化学加工工业和石油炼制。热交换器具有由于固体物质沉积而结垢的倾向，必须不时地从运行中移出进行清洗。用于石油类流体的热交换器中的污垢可能由多种机理导致，包括化学反应、腐蚀、不溶性物质的沉积、以及物质由于流体和热交换壁之间的温差所造成的不溶性而导致的沉积。化学反应和不溶性物质的沉积是两种重要的结垢机理。在这两种结垢机理中，减少壁附近的粘滞下层(或者边界层)可以减缓结垢速率。在化学反应的情况下，传热壁表面上的高温使分子活化形成污垢残留物的前体。如果这些前体没有被清扫出相对静止的壁区，它们会结合到一起并沉积在壁上。边界层的减少降低了静止区的厚度并因此减少了可形成污垢残留物的前体的量。在不溶性物质沉积的情况下，边界层的减少增加了壁附近的剪切，并因此对壁附近的不溶性粒子施以更大的力，以克服粒子对壁的吸引力并由此减少其沉积和结合到污垢残留物中的可能性。

当热交换器壁被沉积物包覆时，随之产生许多麻烦：(i)管壁和管中物质之间的传热速率降低；(ii)温度调节劣化，(iii)管中经常过热，导致设备寿命缩短；(iv)需要停工和清洗周期，并且热交换器管道越长，清洗工作越昂贵和困难；(v)当反应器管堵塞或安全阀爆裂时会导致对交换器或辅助装置的损害。由于效率损失、生产能力损失和能源的浪费，污垢每年耗费石油炼制工厂巨额资金。维持热交换器效率的现有方法是定期将热交换器从运行中脱离并通过化学或者机械方法清洗。这种方法成本高并且劳动强度大。这显著地增加了设备维护成本并且经常需要更换主要组件。停工期和意外的/非计划的停工的成本也增加了与污垢有关的成本。

Souhrada的美国专利No.4,271,007涉及管式反应器中沉积物形成的处理，其提到许多防止沉积物形成的方法，包括控制反应条件、调节任意催化剂的进料速率以避免快速反应和随后的过热、添加起抑制作用的化学品、利用液幕或者油膜防止固体物质与反应器壁接触、和将部分产物从反应器再循环到入口以增加反应器中的线性流速和维持湍流条件。其中也提到了沉积物可以通过包括高压水或蒸汽喷射的机械方式、通过溶剂或通过化学反应移除。但是所有这些工艺都要求从运行中移出部分或者全部反应器进行清洗周期，并且同样的这也会发生在热交换器运行上并带来设备利用率上的伴随损失和不希望的人工负担。

Mettenleiter的美国专利No.3,183,967提出在管束一端或者两端安装弹性或柔性的管道集管(header)并且在预定时间间隔施加振动以驱除管壁上固体来减少热交换器管壁上沉降物和污垢的形成。但是这类设置机械上复杂并且与原本通常不包含任何移动部件的相对便宜的设备相比，设计成本显著地增加。

实际上，通过如Mettenleiter描述的利用机械施加的振动、利用具有机械抖动器或者振动器的柔性安装的管束来减少污垢或者沉积物的形成尚未在热交换器中获得任何显著的认同。Scharton的美国专利No.4,645,542、Scharton的美国专利No.4,655,846和Garcia的美国专利No.5,674,323描述了一种不同的利用流体压力脉动清洗结垢的热交换器表面的方法，但所有这些提议都因需要将设备从运行中脱离进行清洗程序而具有明显的缺陷。Hall的美国专利No.4,461,651中描述的声波清洗方法也存在相同的问题。Sourhada及相关文献中描述了利用流经反应器例如聚合或裂化反应器的液态反应物的流动摆动来检查反应器壁的固体沉积，Saburo Hori的美国专利No.3,819,740提出了用超声波发生器抑制热裂化反应器壁上的焦炭沉积物的积聚，Liu的美国专利No.5,287,915描述了从例如在生产合成气的过程中用于冷却热气体的热交换器壁上移除沉积物的方法，该方法通过将热交换器管形成到可移动结构中，例如能利用电动、液压或者机械方式振动或者抖动的盘管。一种可能性是利用水锤效应来使盘管型交换器振动，通过突然改变管中冷却剂的流速来产生水锤。