CN101278166A - 用于在换热器中蒸发和/或冷凝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在换热器内蒸发和/或冷凝至少一种流体的方法，该换热器包括由至少一根管(3)和至少一个折叠的翅片(17)组成的堆叠体，波纹片和管优选地钎焊在一起，其中一种流体在至少一根管内流动，而另一种流体在翅片(17)周围流动。本发明还涉及一种用于通过低温蒸馏分离流体混合物的装置，该装置包括根据所述方法操作的换热器。

Description

用于在换热器中蒸发和/或冷凝的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在换热器中蒸发和可选地冷凝流体的方法，还涉及一种用于通过低温蒸馏分离流体混合物的装置，该装置包括至少一个根据所述方法操作的换热器。特别是，本发明涉及一种用于在用于通过低温蒸馏分离空气煤气的装置中蒸发和可选地冷凝空气煤气的方法。
背景技术
长期以来，空气煤气分离单元一直采用铝制钎焊板式换热器以用作蒸馏塔的再沸器/冷凝器，尤其是具有氮冷凝和氧蒸发的双塔的再沸器/冷凝器。
现已提出两种用于这些再沸器/冷凝器的操作原理：
在热虹吸管模式(这是最古老的解决方案)中有两种变型：
1)蒸发器的体部可以垂直放置，并且完全(或者部分)浸在液氧浴中。该液氧进入蒸发器的底部，升温到其始沸点，然后部分蒸发。再循环比(出口处过剩液体的流量与蒸发的流量之比)非常高，范围可从5到100。体部的尺寸可约为1220mm(宽)×1200mm(在堆叠方向上)×2000mm(长)。缺点之一在于即使换热器中的最小温差可能较低(0.3-0.4℃)，但由于液体的静压头(它增加了换热器底部所述液体的压力以及因此提高了其蒸发温度)，表观差值(进入再沸器/冷凝器的氮的温度和蒸发的氧的温度之差)仍较高(1.2-1.6℃)。可以设想通过不完全浸没蒸发器来降低静压头，但接着再循环比会降低。然而，零(或者低)再循环操作是危险的，这是因为通过液氧(总体或者局部)的完全蒸发，在将要被蒸发的最后的液滴中某些重质组分(例如烃类)达到溶解极限。这些重质组分有沉积在蒸发器中并导致在其中爆炸和使铝燃烧的危险；
2)蒸发器的体部水平放置，并且完全(或者部分)浸在液氧浴中。该操作与垂直安装的蒸发器的操作相同。通过降低静压头，氧侧的操作得以改进。然而，氮通道的设计不明显。要么限制换热器体部(立方体形)的长度并且使用与垂直体部相同的流动平面，要么保持相同的体部长度(2000mm或更长)但必须使氮以交错流方式水平流动(否则，分配器会占据体部的整个高度)，因而导致加热不对称，从而降低性能，而且也导致在排出液氮方面的缺陷(重力使液氮流向通道底部)，该缺陷还会局部降低换热系数；
-在薄膜模式中(较新的解决方案，具体如在US-A-4599097中所述)：
液体分布到竖直板上。因此静压力对热交换不再有不利影响并且可以获得小的温差(小于1℃)。然而，如果希望在换热器的出口提供过剩液体，需要泵以避免干蒸发和重质组分沉积。换个角度来说，由于与再沸器/冷凝器相同的原因，该操作也有潜在危险。
EP-A-1008826提出了一种降膜蒸发器，其中换热器包括由平行板限定的通道。液体蒸发通道包含只有曲面的辅助通道，例如圆柱形管。
此外，还存在两种设计类型：塔或外壳内的再沸器/冷凝器，或者例如在US-A-5333683中所述的外部蒸发器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种减少了现有技术缺点的、使用换热器的冷凝和/或蒸发方法，更一般地说，为在铝制钎焊板式换热器中进行的热交换方法提供了一种替代的热交换方法，该方法来源于当前用在机动车辆散热器中的技术。
为此目的，本发明的一个主题是一种用于在换热器中蒸发和/或冷凝至少一种流体的方法，该换热器包括由至少一根管和至少一个波纹翅片组成的堆叠体，翅片和管优选地相互钎焊(brazed，铜焊，硬焊)，并且在该换热器中，可选地为待冷凝的第一流体在至少一根管内流动，而可选地为待蒸发的第二流体在翅片周围流动，其中a)第一流体冷凝而第二流体蒸发，或者b)第一流体蒸发而第二流体冷凝。
根据本发明的方法还可包括如下特征中的一个或多个：
-翅片的波纹近似平行于管的轴线；
-管和翅片由纯铝或铝合金制成；
-管和翅片由铜基合金制成；
-管和翅片由铁基合金制成；
-管是长椭圆形的或者是扁平的；
-换热面积的一部分在管内；
-管内具有平行的沟槽/通道，该管包括两个平行的平壁和与两个平壁相连接并限定平行沟槽的内壁；
-通过折叠、通过挤出、或者通过优选地钎焊的嵌入物例如翅片，而获得管内的换热面积；
-翅片是穿孔的、平直的、锯齿状的和/或百叶窗形的。
或者，可以设想，在管内进行蒸发，然后本发明的主题是一种用于在换热器内蒸发和可选地冷凝至少一种流体的方法，该换热器包括由至少一根管和至少一个波纹翅片组成的堆叠体，翅片和管优选地相互钎焊，并且在该换热器中，待蒸发的流体在至少一根管内流动，而另一种可选地为待蒸发的流体在通过翅片生成的沟槽内流动。
更具体地，本发明的目的在于提供一种用于如上所述地蒸发至少一种来源于空气的液体并可选地冷凝至少一种来源于空气或本身是空气的气体的方法。
本发明的目的还在于提供一种用于如上所述地蒸发至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的液体并可选地冷凝至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的气体的方法。
最后，本发明的目的在于提供一种用于在至少一个蒸馏塔内通过低温蒸馏分离流体混合物的装置，该蒸馏塔具有至少一个根据在换热器中热交换的方法操作的换热器，该换热器包括由至少一根管和至少一个波纹翅片组成的堆叠体，翅片和管优选地相互钎焊，在该换热器中，一种流体在至少一根管内流动，而另一种流体在翅片周围流动，一者被加热的同时另一者被冷却。
优选地，这种装置的换热器中的至少一个是下述类型中的一种：
i)用于通过与气体进行热交换以蒸发液体的再沸器/冷凝器，该气体在蒸馏塔内部或外部冷凝；或者
ii)过冷却器；或者
iii)用于净化待蒸馏的混合物的净化单元的再生气体加热器；或者
iv)精馏器；或者
v)具有用于冷却待低温蒸馏的混合物的通道的换热器；或者
vi)用于冷却压缩机中间级的换热器，该压缩机用于压缩待蒸馏的混合物或者蒸馏产物。
该方法具有许多优点：
1)换热器的制造可以利用用于制造机动车辆散热器的基础设施，使得能够大大降低制造这些换热器的成本和研制周期。目前，设计和制造钎焊的铝制换热器要花费数月。而使用机动车辆散热器技术，一旦确定标准尺寸，制造它们只需要几天。
2)在材料上，该技术还使得能够使用其它替代物。诚然，铝仍然是一个选项，但也可以生产铜/铜合金或不锈钢换热器。同时，通过消除铝着火的危险(例如通过使用铜基合金)，使用再沸器和降膜冷凝器则更安全。
3)使用常规的铝制钎焊板式换热器技术，当需要将它们放在蒸馏塔的圆形外壳内时，有用横截面(换热面积)只占蒸馏塔横截面的约50％。使用这种“散热器”技术，就不再需要将盒子(box)和集管放在与换热器体部相同的高度上。它们可以有利地放在换热器的上方和下方；以及
4)通过不再对大的换热器体部进行钎焊并且不再使用铜基合金，翅片损坏的危险或铝着火的危险不再存在(由于材料强度更高并且在发生燃烧的情形下不释放能量)，并且因此蒸发侧的翅片的厚度可以而大大减小(小至50μm)。
然而，尽管可以使用机动车辆散热器技术，但是仍须做某些修改，以便使其更好地用于再沸器/冷凝器中：
1)在热虹吸模式下蒸发的情况中，用逆流代替交错流：将集管垂直放置于机动车辆散热器中。在热虹吸再沸器/冷凝器(其中管中经受冷凝的流体的方向与通过翅片形成的沟槽中的蒸发流体的方向相反)中，由于是在管中冷凝，因此集气管放在顶部，而集液管放在底部，以便更易于液体的重力流；
2)在降膜蒸发的情况下，用顺流代替交错流：在这种情况下，在管中经受冷凝的流体的方向与在通过翅片形成的沟槽中蒸发的流体的方向相同，并且在翅片的顶部必须添加用于进给待蒸发的液体的装置；
3)在散热器中，水经常是在管中冷却，而空气在翅片中冷却。由于空气侧的换热系数比水侧的低不少(系数至少是10)，因此空气侧的换热面积因翅片而增加。在蒸发/冷凝情况下，两侧的换热系数为同一数量级。因此具有近似的换热面积是有利的，所以所述方法包括在管内具有附加表面：嵌入物、翅片(钎焊的或者不是钎焊的)、波纹、挤出物等(美国专利US6241012)；以及
4)这种结构也可以作为精馏器来操作。
最后，在通过低温蒸馏分离气体时使用来自机动车辆散热器技术的换热器并不局限于通过与另一冷凝的流体热交换来蒸发流体的再沸器/冷凝器，而是也可用于：
-用于净化单元的再生气体加热器；
-过冷却器；
-特别是用于在由铜基合金制成的管中相对于冷凝的空气使加压的气态氧蒸发的主换热器；
-压缩机中间级冷却换热器。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的具体实施方式，在附图中：
-图1是根据本发明的第一类换热器的正视图；
-图2是用于实施根据本发明的方法的换热器的示意性立体图；
-图3是根据第一实施方式的图1所示的换热器的一部分沿相同方向放大的立体图；
-图4是示出根据第二实施方式的图2的换热器的管部的立体图；
-图5是根据第三实施方式的换热器的管和翅片的堆叠体在垂直平面内的截面图；以及
-图6和7分别是根据本发明的装置的再沸器/冷凝器的示意性的俯视图和正视图，该装置包含与图1和2中所示的第一类换热器相似的第二类换热器。
具体实施方式
图1示意性示出结构与机动车辆冷却回路中所用的换热器相似的换热器1。
在下面的叙述中为简便起见，图1至5将相对于正交的坐标系X、Y、Z来定向，其中：
-X轴和Z轴限定了图1的垂直平面和换热器1沿其放置的主方向，假设X轴是水平方向，而Z轴是竖直方向；以及
-Y轴是横向水平轴。
图1中所示的换热器主要包括：在一方面，一堆隔开一定距离且相互平行的细长管3，它们沿X轴水平延伸；在另一方面，放在相邻的两根管3之间的间隙内的长方形的波纹翅片(图1中不可见)。
管3的一端与分配柱5相连接，而其另一端与收集柱7相连接。两柱5、7由与管3的每一根都流体连通的竖直的空心管形成。管3优选地钎焊到柱5、7上，所述柱预先形成以便使得管3能够装配在其上。这些柱不一定是圆柱形的。各柱可以是带有凹陷的管状板，以便使得所述管能装配到其上，所述管优选地已经钎焊到该板上，并且一盒子(通常是半圆柱形的)例如在钎焊操作之后通过焊接与该板相连接。
分配柱5在上部配备有使得能够向换热器1供应第一流体的流体进口联接器9。
收集柱7相应地在下部设置有排出来自换热器1的第一流体的出口联接器11。
所述联接器9、11在图2中示意性示出。
像图1中的换热器一样，图2中所示的换热器主要包括：在一方面，一堆隔开一定距离且相互平行的细长管3，在另一方面，放在位于相邻的两根管3之间的间隙内的长方形的波纹翅片(图2中不可见)。在本发明的实施例中，细长管3沿Z轴竖直延伸，而图2中的翅片17的波纹方向或者褶皱方向平行于管3的纵轴，也就是说平行于Y轴。
管3在其上端与分配柱5相连接，而在其另一端与收集柱7相连接。两柱5、7由水平放置且与每一根管3都流体连通的竖直管形成。优选地，管3钎焊到柱5、7上，所述柱预先形成以便使得管3能装配在其上。这些柱不一定是圆柱形的。各柱可以是带有凹陷的管状板，以便使得所述管能装配在其上，管优选地已经钎焊到该板上，并且一盒子(通常是半圆柱形的)例如在钎焊操作之后通过焊接与该板相连接。
分配柱7的左侧配备有使得能够向换热器1供应气态第一流体的进口联接器11。该联接器垂直于分配柱的轴线和管的轴线延伸。然而，该联接器也可沿其它方向例如沿Z轴或可以沿Y轴延伸。
收集柱5相应地在下部设置有用于排出来自换热器1的第一流体的出口联接器9。该联接器垂直于分配柱的轴线和管的轴线延伸。然而，该联接器也可沿其它方向例如沿Z轴或可以沿Y轴延伸。
所述联接器9、11已在图2中示意性示出。
在热虹吸模式下蒸发的情况中，待蒸发的流体(第二流体)沿竖直向上的方向流过翅片17(即，使待蒸发的流体在由波纹形成的沟槽内流动)，而使温度较高的流体(第一流体)在管3内沿着竖直向下的方向流动。
在降膜蒸发的情况下，可选的待冷凝的流体沿竖直向下的方向流过翅片17(即，使可选地待冷凝的流体在由翅片形成的沟槽内流动)，而使待蒸发的温度较低的流体在管3内沿着竖直向下的方向流动。
图3示出图1中的换热器1的一部分，该部分包括相邻的两根管3和位于这两根管之间的波纹翅片17。
如该图所示，管3在XY垂直平面内具有沿X轴在横向上呈细长形状的流动截面，从而它们各自都具有两个近似为平面且平行相对的面。换句话说，管3在横轴X上具有扁平形状的长椭圆形横截面。
翅片17沿与管3的纵轴垂直的波纹或褶皱方向Y成波状。翅片17在顶点19优选地通过钎焊固定在管3上。此钎焊操作可与将管3钎焊到柱5、7上同时进行。
翅片17可以是任何合适的类型，例如下述通常用在板式换热器中的类型中的一种，即：穿孔翅片、平直翅片、锯齿形(局部偏置的)翅片、人字形(Z字形)翅片和百叶窗翅片。
翅片17在YZ平面上的截面可呈正弦曲线形、矩形或三角形，或可具有任何其它合适类型的几何图案。
由翅片17形成的沟槽的液力直径通常在100μm和10mm之间。
这些翅片可由实心金属板、穿孔金属板、烧结金属或任何其它金属结构(泡沫材料等)制成。
管3和翅片17可由纯铝或铝合金制成。
作为变型，管3和翅片17可由铜基合金制成。
作为另一种变型，管3和翅片17可由铁基合金制成。
图2中的换热器1具有不再沿X轴而是沿Z轴定向的翅片17。
在图4所示的示例中，将由每根管界定的内部体积纵向分成两部分。为此，沿着纵向中线切开管103的上表面，将由这条中线分开的两个边缘21、22向下折向管的内部并且焊接到下壁上。被如此折下的条带相互邻接并且形成分离这样限定的两个纵向隔间103A、103B的双壁。这些隔间被称为沟槽。
举例来说，可通过激光焊接将边缘21、22焊接到下壁上。
由于这类管比管3小，由这类管组成的换热器能更好地承受在沟槽103A、103B内流动的流体的压力。这种设计可用于生成数目大于2的沟槽。
顺便说一句，由这类管组成的换热器能用三种不同的流体来操作，一种流过翅片，另一种在沟槽103A内流动，而第三种在另一沟槽103B内流动。
这样，就可以让两种不同的流体在两个沟槽103A、103B内流动，在这两种流体之间进行换热，使得通过折叠边缘21、22而获得的这部分换热面积在管103内。
图5示出适合实施本发明的方法的管和翅片的堆叠体的另一实施方式。
在该堆叠体中，管203仍是横截面横向细长的管，该管具有平面的和平行相对的面。然而，管的内部体积被分成多个平行的纵向沟槽203A，沟槽203A通过相互平行的平面壁23分离，在这里，平面壁23是竖直的。这些沟槽的液力直径通常在100μm和10mm之间。
壁23可例如通过挤出与管203的外壁一体制成，或者它们可包括嵌入物，优选钎焊的嵌入物。这些嵌入物可与翅片17非常相似。
在所示的示例中，每个管层都包括位于同一平面内的两个相邻且平行的管。
这样，换热面积的一部分位于管203内。
可选地，壁204包围管203和翅片17以密封换热器使其与外部环境隔开。所述壁可钎焊到管203上或者只是围在管203的周围。
在图5所示的实施方式中，与图3所示的实施方式不同的是，流过翅片17的待蒸发的流体与在管203内流动的待冷凝的流体平行流动。优选地，待冷凝的流体和待蒸发的流体沿相反的方向流动。
图6和7示意性示出根据本发明的装置的一部分，该装置在大致圆柱形的外壳31内包括与图1和2中所示相似的一系列相同类型的换热器301a-301n。
在这些图中，所示的正交坐标系X0、Y0、Z0定义如下：
-Z0轴是朝向向上的竖直轴；
-X0轴是水平轴，它与Z0轴一起限定换热器301所处的主平面；
-Y0轴是与X0轴正交的水平轴。
如图6所示，换热器301a-301n彼此都平行，并且其中心都位于圆柱形外壳31的直径面上。每个换热器301a-n沿着X0轴的长度被调节为外壳31在Y0轴上的垂直截面的长度。这样，换热器301a-301n沿着X0轴的长度向着圆柱形外壳31的中心轴线Z0增加。
与图1中所示的换热器1的定向不同，换热器301a-n定向成使得分配柱305a-n从外壳31的上侧水平延伸，而收集柱307a-n从外壳31的下侧也沿水平延伸。这样，这堆管303在柱305a-n、307a-n之间沿竖直轴Z延伸。
分配柱305a-n上方设置有设计用于向所述组换热器301a-n供应气体的集气管41。
所示的装置还包括设置在收集柱307a-n下方、设计用于收集来自所述组换热器301a-n的液相的集液管43。
翅片止于柱307a-n和305a-n之前以使流体能够进入和离开。图5中所示的外壁(204)止于与翅片基本相同的高度处，也是为了使流体能够进入和离开。
上述的蒸发/冷凝方法以及参照图6和7所述的装置用于蒸发至少一种来源于空气或者本身是液化空气的液体，并用于冷凝至少一种来源于空气的气体，该气体也可以是空气自身。
该方法和装置也可用于蒸发至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的液体并用于冷凝至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的气体。
这种方法可用于多种在至少一个具有一个或多个如上所述的换热器的塔中通过低温蒸馏操作以分离流体混合物的装置。
该装置具体可以是：
-通过与气体进行热交换以蒸发液体的再沸器/冷凝器，该气体在蒸馏塔内部或外部冷凝；或者
-过冷却器；或者
-用于净化待蒸馏的混合物的净化单元的再生气体加热器；或者
-精馏器；或者
-具有用于冷却待低温蒸馏的混合物的通道的换热器；或者
-用于冷却压缩机中间级的换热器，该压缩机用于压缩待蒸馏的混合物或蒸馏产物。

Claims (17)

1.一种用于在换热器(1；301)中蒸发和/或冷凝至少一种流体的方法，该换热器包括由至少一根管(3；103；203；303)和至少一个波纹翅片(17)组成的堆叠体，翅片和管优选地相互钎焊在一起，并且在该换热器中，可选为待冷凝的第一流体在至少一根管内流动，而可选为待蒸发的第二流体在翅片(17)的周围流动，其中a)第一流体冷凝而第二流体蒸发，或者b)第一流体蒸发而第二流体冷凝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，翅片(17)的波纹近似平行于管(3；103)的轴线(在图2的示例中为X或Z；Z0)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，管(3；103；203；303)和翅片(17)由纯铝或铝合金制成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，管(3；103；203；303)和翅片(17)由铜基合金制成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，管(3；103；203；303)和翅片(17)由铁基合金制成。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，管(3；103；203；303)是长椭圆形的和/或扁平的。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，换热面积的一部分(23)在管(103；203)内。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，管(103；203)内的换热面积通过折叠、通过挤出或通过优选钎焊嵌入物而获得。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，翅片(17)是穿孔的、平直的、锯齿形的(具有局部错位)、人字形的(Z字形)和/或百叶窗形的。
10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一流体在至少一根管内沿着竖直向下的方向流动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，第一流体是在所述至少一根管内蒸发的流体，而可选是待冷凝的第二流体在翅片(17)的周围沿着竖直向下的方向流动。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，待蒸发的流体(第二流体)在翅片(17)的周围沿着竖直向上的方向流动。
13.根据上述权利要求之一项所述的方法，其特征在于，该方法用于蒸发至少一种来源于空气的液体并且可选地用于冷凝至少一种来源于空气或本身即为空气的气体。
14.根据权利要求1-12之一所述的方法，其特征在于，该方法用于蒸发至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的液体并且可选地用于冷凝至少一种以甲烷和/或一氧化碳和/或氢为主要组分的气体。
15.一种用于在至少一个具有至少一个根据权利要求1至14之一所述的方法来操作的换热器的塔中通过低温蒸馏分离流体混合物的装置。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，根据权利要求1至14之一所述的方法来操作的换热器中的至少一个是：
-通过与气体进行热交换以蒸发液体的再沸器/冷凝器，该气体在蒸馏塔内部或外部冷凝；或者
-过冷却器；或者
-用于净化待蒸馏的混合物的净化单元的再生气体加热器；或者
-精馏器；或者
-具有用于冷却待低温蒸馏的混合物的通道的换热器；或者
-用于冷却压缩机中间级的换热器，该压缩机用于压缩待蒸馏的混合物或者蒸馏产物。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，位于蒸馏塔内的再沸器/冷凝器包括若干根据权利要求1至14所述的方法来操作的换热器，这些换热器具有不同的宽度以便填充蒸馏塔的整个横截面。
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