CN101389920A - 用于冷却热气体的设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于冷却热气体介质的设备(1)，其包括有：容器(2)，其中，由多个管子(4)组成的束(3)布置在冷却剂介质隔间(5)内，其中，在使用过程中，液态冷却剂介质(6)在管子束(3)的周围流动；(i)所述管子(4)至少在其上游端处或上游端附近被安装在热遮罩(7)内，(ii)所述管子(4)进一步延伸穿过与热遮罩(7)相距一段距离安装的支撑板件(8)，用以在容器(2)内在热遮罩(7)和支撑板件(8)之间界定出与冷却剂介质隔间(5)相隔开的前部空间(9)，(iii)用于将液态冷却剂剂添加至所述前部空间(9)内的机构(10)，(iv)位于支撑板件(8)内的开口(11)大于界定介于管子与支撑板件之间的环状空间(12)的管子(4)，液态冷却剂经由该环状空间(12)可与管子(4)内的热气体介质并行流动，而从前部空间(9)流动到冷却剂介质隔间(5)，(v)其中，裙部型延伸部(13)存在于前部空间(9)内的管子(4)周围，且被固定于支撑板件(8)，且所述裙部型延伸部(13)具有位于热遮罩(7)中的开口(14)。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用液态冷却剂介质产生间接热交换作用来冷却热气体介质的设备。
背景技术
这种热交换装置已被广泛使用于许多不同领域的产业中，例如在石化产业中，上述热交换装置被用于冷却从加氢裂化装置和反应器中得到的产物，用以部分氧化包含有碳(氢)成份的燃料如天然气、燃油、煤炭及其他类似燃料。
通常来说，热交换作用是通过使热气体经过管子，并使冷却剂介质接触管子的外部而产生的。如果冷却剂介质是水，蒸汽可作为该热备中的热交换处理的副产品而被有效地产生。
为了达到冷却的目的，热气体穿过其外侧被冷却剂介质冷却的管子，由于来自热气体的热能被传送至管壁金属，该管子的壁会产生高温，因此该热能将被进一步传送至冷却剂介质。
将被冷却的热气体介质的实例是热合成气，它是由通常置于热交换器内被冷却的包含有碳(氢)成份的燃料的部分氧化作用而产生的，该热交换器紧邻气化器安置，从而产生高压蒸汽。热交换器的气体入口是一重要区域，上述的热合成气就是经过该气体入口进入到热交换器设备的管子内的。该入口区域的壁厚将被设置成最小值，但也应厚到足以确保依据压力和热负载所要求的机械整体性。处于入口区域的气体速度必须足够高(如12m/s)，以防止产生积垢。但是另一方面，气体速度也要低到能确保得到足够低的气体侧旁热传递系数。特别是，最希望取得积垢现象和气体速度间的最优化情况。
美国专利US-A-3610329中描述了一种用于冷却来自气化处理的热气体的热交换器。垂直定向的入口区段被安置在支撑板件与有热气体流出的空间之间的砖头来保护，以避免承受过多的热量。有热气体流过的管子横向穿过该砖头。如美国专利US-A-3610329中图4所示的实施例，管子的入口区段使用低温冷却剂来冷却。使用过的冷却剂通过一单独的管道从该入口区段内被排放出去。这种设计方式的缺点是：在操作过程中，其中的砖头可能脱落掉下。
美国专利US-A-5671807和US-A-4245696中描述了一种未使用砖头的改良设计方式。上述专利文献描述了热交换器设备的入口区段，其中管子的上游端被安置于附加的管板件和支撑板件内，在该描述中，该附加的管板件也可被称为热遮罩。冷却剂介质被加入介于热遮罩与支撑板件之间的空间内。该冷却剂介质将冷却热遮罩和管子的外侧，当管子通过支撑板件时，冷却剂介质经由围绕管子的环状空间而从该空间内被排放出去。在所述环状空间内，冷却剂介质与流经管子的热气体并行流动。
欧洲专利EP-A-290812描述了一种具有入口区段的热交换器容器，其中管子的上游端被安装于支撑板件内。用于冷却该入口区段的冷却剂基本沿着管子的下游端而流过围绕着所述管子全部长度的第二管子。上述外罩型的外侧管子具有开口，用以允许冷却剂被排放入环绕所述管子的空间内，并使冷却剂经由一单独出口而从容器内被排放出去。
欧洲专利EP-A-774103描述了一种具有入口区段的设备，其中，管子的上游端被安装在热遮罩和支撑板件内。热遮罩与支撑板件之间有一空间。如上述参考内容所述，在管子穿过支撑板件时，则在管子的周围存在环状空间。冷却剂介质被添加至该环状空间内，而使得冷却剂介质以与在管子中流动的热气体的方向相反的方向流过支撑板件。此外，存在一裙部用来导引冷却剂介质沿管子外侧流入热遮罩与支撑板件之间的空间内。冷却剂在靠近热遮罩的位置处被排放出去，且经由支撑板件内的开口被排放至主要冷却剂隔间内。
上述的现有设备的缺点在于：管子上游端和热遮罩处的冷却作用不足。本发明则是关于一种克服该项缺点的结构。
发明内容
一种进一步改良过的设备，包括以下设备。
一种用于冷却热气体介质的设备(1)包括：容器(2)，其中，由多个管子(4)组成的管子束(3)被安置于冷却剂介质隔间(5)内，在使用过程中，液态冷却剂介质(6)在管子束(3)的周围流动；
(i)所述管子(4)至少在其上游端处或在其上游端附近被安装在热遮罩(7)内；
(ii)所述管子(4)进一步延伸穿过与热遮罩(7)相隔一段距离安装的支撑板件(8)，用以在容器(2)内在热遮罩(7)与支撑板件(8)之间限定出与冷却剂介质隔间(5)分隔开的前部空间(9)，
(iii)用于将液态冷却剂添加至该前部空间(9)内的机构(10)，
(iv)位于支撑板件(8)内的开口(11)大于管子(4)，所述管子(4)界定介于管子与支撑板件之间的环状空间(12)，其中该环状空间(12)将前部空间(9)和冷却剂介质隔间(5)流体连通，以便在使用过程中，液态冷却剂能够与管子(4)内的热气体介质并行流动而从前部空间(9)流动至所述冷却剂介质隔间(5)，
(v)其中，在前部空间(9)内的管子(4)周围具有裙部型延伸部(13)且被固定于支撑板件(8)，裙部型延伸部(13)具有位于热遮罩(7)处的开口(14)。
申请人已得知，裙部与沿着管子上游端并行流动的冷却剂介质的组合能够起到改善热交换器入口区段的冷却作用。
附图说明
图1是概略示出与反应器相连接的本发明热交换器的剖视图。
图2是本发明的热交换器的冷却过的前端的详细视图。
图3是本发明的热交换器的另一实施例的冷却过的前端的详细视图。
具体实施方式
图1示出依据本发明用于冷却热气体介质的一部分热交换器设备(1)。图中还示出部分氧化或气化作用反应器(20)的下端，在其中所产生的热合成气由设备(1)予以适当冷却。该设备(1)包含有容器(2)，其中，由多个管子(4)组成的管子束(3)被安置于冷却剂介质隔间(5)内。该设备中管子的数目适宜地至少为4个。管子的最大数目由每一设备所需要的冷却能力来决定，最大数目可高达24个，并包括24个，且以6个至20个之间(包括6个和24个)为宜。管子束可以被配置成一组平行定向的直管，其中，例如位于管子的气体出口端处，配置有与热交换器设备共用气体出口流体连通的第二管板件遮罩。为了节省空间，优选采用如图1所示的螺旋盘管。图1也示出所述管子(4)的气体出口端(17)。
使用过程中，液态冷却剂介质(6)自由地在管子束(3)的周围流动。适宜的冷却剂介质是水。使用中，水将蒸发而生成蒸汽。在以后的描述中将水用作为冷却剂介质。应当知道，除了水以外，其他的冷却剂介质亦可被使用于下面实施例中。在依据本发明的设备中存在用于在容器(2)顶端排放蒸汽的机构，及用于将全新冷却剂介质直接添加至冷却剂介质隔间(5)内的可选择机构，但这种个机构没有在图1中示出，所述全新冷却剂介质优选为水。然而，有利地是，基本上全部的水(比较适宜地是超过90％的重量的水，而100％的全新冷却用水最佳)经由机构(10)、前部空间(9)和环状空间(12)被提供给冷却剂介质隔间(5)。
图1示出管子(4)的上游端被安装在热遮罩(7)上。在热气体流动方向的下游，所述管子(4)进一步延伸穿过支撑板件(8)。热遮罩(7)与支撑板件(8)相隔一段距离安装，以在容器(2)内在所述热遮罩(7)与支撑板件(8)之间界定出前部空间(9)。支撑板件(8)将前部空间(9)与冷却剂介质隔间(5)分隔开。所述前部空间必须足够大以便机构(10)添加水，以充分冷却热遮罩和管子的上游端。但是，该前部空间也不能太大，以避免水在该前部空间内被蒸发。所述前部空间的适宜尺寸的应用实例已在参考专利文献US-A-5671807、US-A-4245696和EP-A-774103中揭示。
如图1所示，热遮罩和支撑板件优选垂直地定向。该种定向方式使得气化作用反应器(20)与热交换器设备(1)更有效地连接。该有效性是通过将需要耐火衬层的表面区域减少到最小而实现的。
现在参考图2，其显示出图1所示的入口区段的更加详细的视图。通过机构(10)的作用，水被添加至前部空间(9)内。机构(10)优选为用于输送水的管道，水自容器外部的储水槽经过支撑板件(8)被输送至前部空间(9)内具有多个出口的冷却剂介质分配器(19)。所述出口(18)最好采用朝向热遮罩的优选的出口流动方向且分布于许多不同管子入口之间，以达到所述板件的最佳冷却。在使用中，如果机构(10)所添加的水量不足以补充在主要冷却剂介质隔间(5)内所蒸发的水量，优选存在一附加的机构，用于把水添加至该主要冷却剂介质隔间(5)内。
图2示出位于支撑板件(8)内的开口(11)大于界定处于管子与支撑板件之间的环状空间(12)的管子(4)。经过环状空间(12)，液态冷却剂能够与管子(4)内的热气体介质并行流动，且是从前部空间(9)流动冷却剂介质隔间(5)。相比较于欧洲专利EP-A-774103所描述的反向流动的冷却剂，由于能够更有效地冷却热遮罩(7)和管子(4)的入口端，因此上述冷却剂并行流动的状况更有效。通过将裙部型延伸部(13)安置于前部空间(9)内的管子(4)的周围，上述关键部件所需的冷却作用得以加强。裙部(13)被固定至支撑板件(8)。该裙部型延伸部具有用于冷却剂介质进入的开口(14)。如图2所示，开口(14)最好是完全圆形的开口。如图1所示，为了使所述关键部件得到最佳的冷却作用，开口(14)位于热遮罩(7)中。上述裙部最好能够旋转对称，例如像图2所示的套筒那样。
如图1和图2所示，位于热遮罩(7)处的管子(4)的入口最好是圆锥形。这就意味着：管子(4)穿过热遮罩(7)时的内部开口大于其穿过支撑板件(8)时的内部开口。介于管子截头圆锥形部分的内部入口表面与管子轴线之间的夹角α优选小于30°，更优选介于5°到25°之间，最优选介于10°到25°之间。介于管子(4)的内部圆锥形表面与热遮罩表面之间的拐角优选是平顺的，以避免热气体通过该位置时产生紊流。申请人已得知，这种结构能够进一步避免在该设备内的一位置上产生局部高温金属表面，在所述位置处所述温度会过高。优选地，裙部型延伸部(13)的形状与管子(4)的入口端的形状保持平行。因此，如图2所示，裙部型延伸部的形状优选由一被固定至截头圆锥形部分的管状部件所组成。更优选地，圆锥形入口的长度与所述前部空间的深度基本相同。接着，裙部型延伸部(3)仅具有截头圆锥形的形状。甚至更优选地是：该裙部从其开始径向扩展的位置点延伸长度为d1。从管子中圆锥形部分开始于径向扩展的位置点测起沿圆锥形入口部分的长度为d，上述长度d1介于长度d的30％与70％之间。长度d为沿着管子的表面在气体流动方向上测得的圆锥形部分的全部长度。电脑模拟的结果显示：该种优选的及更优选的结构能够在热遮罩(7)和管子(4)的入口端处得到最佳的冷却效果。
图2还示出将管子(4)固定至支撑板件(8)内的隔离环(15)。该隔离环(15)有开口(16)，经由开口(16)，从前部空间流出的水能够流入至冷却剂介质隔间(5)内。如美国专利US-A-5671807和US-A-4245696所说的，隔离环(15)可以被安置在环状空间(12)内的任何位置处。隔离环(15)优选被安置在支撑板件(8)面朝冷却剂介质隔间(5)的那一侧的开口(11)内。由于蒸汽能够更加自由地释放至前部空间(9)内，蒸汽经由例如在图中并未显示出来的热虹吸管系统自前部空间(9)被排放出去，因此能够避免蒸汽积聚在环状空间(12)内而产生过热的现象，所以，采用上述位置较为有利。专利US-A-5671807的结构的缺点是，蒸汽会积聚在环状空间内，这是因为蒸汽无法流入前部空间内并经由减压阀而被排出，为了简化的目的，减压阀未在图中示出。清楚的是：管子(4)的大致所有的外部区域与冷却剂介质隔间(5)内的水直接接触。此处大致所有的外部区域是指管子(4)的至少90％的外部表面区域。
图3与图2相类似。在图3所示的一个优选实施例中，裙部延伸过支撑板件(8)，并且减少了对于如图2所示的附加支撑环的需要。除了一个或多个用于允许从环状空间(12)流出的水能够流入至冷却剂介质隔间(5)内的开口(22)以外，裙部型延伸部(20)在其面向冷却剂介质隔间(5)的端部处是封闭的。如图3所示，该裙部型延伸部(20)优选通过焊接部(21)将管子(4)固定至支撑板件(8)上，焊接部(21)则处于裙部型延伸部(20)与支撑板件(8)之间，及处于裙部型延伸部(20)与管子(4)之间。
本发明还涉及上述设备的用途，用于冷却温度在700℃至1600℃、优选介于1000℃至1600℃之间的热气体，并采用水作为冷却剂介质来制备压力高达15MPa的蒸汽。
Claims (10)
1.一种用于冷却热气体介质的设备(1)，其包括有：容器(2)，其中，由多个管子(4)组成的束(3)布置在冷却剂介质隔间(5)内，其中，在使用过程中，液态冷却剂介质(6)在管子束(3)的周围流动；
(i)所述管子(4)至少在其上游端处或上游端附近被安装在热遮罩(7)内，
(ii)所述管子(4)进一步延伸穿过与热遮罩(7)相距一段距离安装的支撑板件(8)，用以在容器(2)内在热遮罩(7)和支撑板件(8)之间界定出与冷却剂介质隔间(5)相隔开的前部空间(9)，
(iii)用于将液态冷却剂添加至所述前部空间(9)内的机构(10)，
(iv)位于支撑板件(8)内的开口(11)大于界定介于管子与支撑板件之间的环状空间(12)的管子(4)，其中，环状空间(12)将前部空间(9)与冷却剂介质隔间(5)流体连通，以便在使用过程中，液态冷却剂可与管子(4)内的热气体介质并行流动而从前部空间(9)流动至所述冷却剂介质隔间(5)，
(v)其中，裙部型延伸部(13)存在于前部空间(9)内的管子(4)周围，且被固定于支撑板件(8)上，且所述裙部型延伸部(13)具有位于热遮罩(7)处的开口(14)。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述管子(4)通过隔离环(15)而被固定在支撑板件(8)上，其中所述隔离环(15)具有将环状空间(12)与冷却剂介质隔间(5)流体连通的开口。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述隔离环(15)被安置在支撑板件(8)的朝向冷却剂介质隔间(5)那一侧的开口(11)中。
4.如权利要求1之一所述的设备，其中，所述裙部型延伸部延伸穿过支撑板件(8)，除了一个或多个用于允许冷却剂介质从环状空间(12)流入冷却剂介质隔间(5)的开口(21)之外，裙部型延伸部(20)在其面向冷却剂介质隔间(5)的端部上是封闭的。
5.如权利要求4所述的设备，其中，裙部型延伸部通过介于裙部型延伸部与支撑板件(8)之间及裙部型延伸部(20)与管子(4)之间的焊接部(21)将管子(4)固定到支撑板件(8)上。
6.如权利要求1-5之一所述的设备，其中，位于热遮罩(7)处的管子(4)的入口是圆锥形的。
7.如权利要求6所述的设备，其中，介于管子(4)的截头圆锥形部分的内部入口表面与管子(4)的轴线之间的夹角α小于30°。
8.如权利要求6或7所述的设备，其中，当从管子中圆锥形部分开始径向扩展的位置点测量时，裙部型延伸部(13)延伸过沿着圆锥形入口部分的长度d的30％至70％之间，其中，所述长度d表示在气体流动的方向上沿着管子的表面测到的锥形部分的总长度。
9.如权利要求1-8之一所述的设备，其中，管子(4)的数目介于6个与24个之间且包括6个和24个。
10.一种如权利要求1-9之一所述设备的使用，用于冷却温度介于700℃至1600℃之间的热气体，并采用水作为冷却剂介质，以制备压力高达15MPa的蒸汽。
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