CN102470333B - 用于等温化学反应器的板式热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种嵌入在等温化学反应器(1)的催化床中的径流板式热交换器(5)具有热交换板(10)，该热交换板(10)包括流体通道(13)，流体通道(13)在第一金属片(20)与第二金属片(21)之间，所述第一金属片(20)和所述第二金属片(21)由在所述板的第一表面(A)上的周边焊缝(23)连接，热交换流体的进料通道(14)和收集通道(15)由合适的金属片形成，所述金属片被直接缝焊(25)至所述板的反面(B)，该结构实现了用自动缝焊工艺制造板(10)，例如，激光焊接。

Description

用于等温化学反应器的板式热交换器
技术领域
本发明涉及包括嵌入在催化床中的板式热交换器的等温化学反应器。本发明尤其涉及用于化学反应器的板式热交换器、配有所述热交换器的反应器以及所述热交换器的板的制造方法。例如，本发明可应用于甲醇或氨的转化炉。优选的应用是等温反应器中的径流气/气热交换器。
背景技术
WO03/035241公开了用于等温径向化学反应器或等温轴-径向化学反应器的板式热交换器。热交换板排列于催化反应器中，并且具有平行于反应器轴的长边和径向短边。由排列在所述板的长边上的纵向流体管分发和收集热交换流体。所述板由两个金属片形成且具有平行于短边的大量焊缝，所述焊缝界定径向流体通道。每个流体通道可具有内部折流板以界定蛇行的流体路径。
EP2062640也公开了一种具有板式热交换器的等温反应器，该板式热交换器适于在相关的内外压差下工作。
以上已知的技术可满足许多应用，但是，为了把流体管接合于板的长边以及提供相应焊缝，需要大量且昂贵的手工焊接操作。例如，圆筒状的进出口管不能利用宜于自动缝焊且用于焊接热交换器的板的其余部分(板体)的设备焊接。
发明内容
本发明目的在于提供用在等温化学反应器中的板式热交换器的新型装置，其适于采用搭接焊缝技术(例如激光焊接)的制造方法以降低制造成本。
根据本发明，提供了一种用在等温化学反应器中的热交换器，所述热交换器具有多个热交换板，每个板包括分别提供板的第一侧面和相反的第二侧面的第一金属片和第二金属片、热交换流体进料器和热交换流体收集器以及第一金属片和第二金属片之间的多个内部流体通道，其特征在于：
-通过在第一侧面上制作的焊缝，连接第一金属片和第二金属片，
-所述流体进料器由进料通道形成，所述流体收集器由收集通道形成，所述通道具有平行于所述第二侧面的焊接部分并且通过在板的所述第二侧面上形成的焊缝与第二金属片接合。
平行于所述第二侧面的焊接部分允许将所述通道直接自动缝焊至所述第二侧面。形成热交换板的金属片的第一侧面和第二侧面恰当地平坦并且光滑以实现自动缝焊工艺。
在优选实施方式中，每个板的进料通道和收集通道是由相应的金属片形成的箱形管道。更优选地，进料通道和收集通道由Ω形金属片形成。通过形成板的第二金属片的多个贯穿孔，进料通道和收集通道与板的内部流体通道流体连通。
根据本发明的另一方面，进料器包括进料通道内的另一进料管道。内部进料管道相对于外部通道自由地纵向移动以补偿热伸长。通过提供具有与第二金属片的所述贯穿孔相反的出口的内部进料管道，优选地，在该进料通道中引起热交换流体的合适循环。
根据本发明的实施方式，在第一金属片和第二金属片之间形成的横向流体通道可以是隔开的或者彼此部分地流体连通。
在本发明的一些实施方式中，在第一金属片和第二金属片之间设置合适的隔离金属片，以便界定横向流体通道。第一侧面上的焊缝贯穿第一金属片和中间垫片的总厚度，以及贯穿第二金属片的部分厚度。
本发明的另一目的是用于制造根据以上所述的板式热交换器的热交换板。本发明的再一目的是等温化学反应器，所述等温化学反应器包括催化床和嵌入在所述催化床中的径流板式热交换器，该热交换器与本发明上文所公开的热交换器相符。在本发明的特别优选的应用中，该热交换器是气/气交换器，其中，板内部的新鲜气态装料与流经催化床反应的气态产物换热。
主要优点是板可以用自动搭接焊接工艺制造，例如，激光焊接、电子束焊接、电阻焊接或等同的焊接方式。利用可用的自动焊缝工艺和设备，两个金属片能够焊接到一起(可能与中间片焊接在一起)以形成内部流体通道。然后，流体进料器和收集器可以用相同的工艺焊接，与已知的板式装置相反，在已知的板式装置中，圆筒形侧通道需要更加昂贵的手工焊接。所述热交换器的板的结构制造简易，热交换器的成本随之显著降低。
然后，本发明的另一个目的是一种用于热交换板的制造方法，所述方法包括以下步骤：
-通过用自动焊接工艺至少沿周边线制作焊缝，连接第一金属片和第二金属片，以形成在所述第一金属片和第二金属片之间具有横向内部通道的板，所述焊接工艺是以焊接装置作用在第一金属片的表面上进行的；
-将板翻转，使得第二金属片的表面受焊接装置的作用；
-将纵向流体进料通道或纵向流体收集通道置于第二金属板的表面上，所述通道具有平行于所述第二侧面并接触所述第二侧面的纵向焊接部分，以及
-通过所述焊接装置作用在所述焊接部分上的自动工艺，将所述通道缝焊至第二金属片的表面。
为了在板的金属片之间形成横向流体通道，本发明的一个方面是在第一金属片与第二金属片之间夹入中间金属片。中间金属片具有相应于内部通道的切口，使得第一金属片与第二金属片对应于所述通道而保持隔开。该方法是可行的，但由于在中间片上提供大的切口，产生一定的材料碎片。可替换地，本发明的另一方面是在所述第一金属片上提供开槽，所述开槽布置成：当所述第一金属片连接至第二金属片时，所述开槽形成内部流体通道。该实施方式具有的优点是，结构进一步被简化，仅包括两个金属片、流体进料器和收集器。
进行该可替换的实施方式的优选方法包括步骤：在第一金属片上冲压横向开槽，并在第一侧面上将第一金属片缝焊至第二金属片，以便获得横向(径向)通道。随后，如前文所述，纵向流体通道可以被焊接至板的第二侧面上。
本发明的优选应用领域是化学反应器的低压、径流、气/气热交换器，所述化学反应器例如为甲醇转化炉。在上面提到的气/气热交换器中，热交换器既用于制冷催化床又用于预热补充合成气的新鲜装料。术语低压是指板内侧与外侧之间的压差，在此情况下，压差在数巴的范围内。
根据以下对优选实施方式的具体描述，本发明的特征和优点将更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的包含催化床和径流热交换器的等温反应器的简化截面图；
图2是根据本发明的热交换板、且是图1的反应器的热交换板的主视图；
图3是依据图2的直线III-III的截面图；
图4是图3的详图；
图5是图3的详图；
图6是图3的详图；
图7是依据图2的直线VII-VII的截面图；
图8是用于形成图2中的板的金属片之间的内部流体通道的中间片的主视图；
图9是图2中的热交换板的制造工艺的示意图；
图10是用于本发明的另一实施方式的金属片的示意图；
图11是依据图10的直线XI-XI的截面图；
图12是根据另一实施方式的、依据图11的截面图；
图13是本发明的一个实施方式中连接以形成热交换板的金属片的详图。
具体实施方式
等温化学反应器1(图1)包含嵌入在基本呈环形的催化床2中的板式热交换器5。热交换器5具有多个径向排列在催化床2中的热交换板10。板10连接到热交换流体的合适的管道布置(未示出)。气体反应物的新鲜装料被送入催化床2周围的空间3并径向流经该催化床。在中心管道4收集产物。
图2示出了其中一个热交换板10。板10的形状基本上为矩形，具有长边11a、11b和短边12a、12b。热交换流体的进料器14和收集器15平行排列并靠近长边11a、11b。板10还包括用于热交换流体的多个横向内部通道13，使得在工作中，热交换流体从进料器14流入内部通道13，然后由收集器15收集。
从图3到图7可以更好地观察板10的结构。板10主要由连接到第二金属片21的第一金属片20组成。金属片20和金属片21分别提供了板10的彼此相反的侧面A和侧面B。金属片20和金属片21可选地被中间金属片(隔离物)22的部分22a、22b隔开，如此成形以便在主金属片20、21的内面之间形成通道13。优选地，表面A和B平坦并且光滑。
通过至少一个连续的周边焊缝23(图4、图5)连接金属片20、21。在本发明的一些实施方式中，可提供双焊缝以更好地密封通道13。焊缝23从表面A开始，贯穿金属片20和中间片22的厚度以及相对的片21的部分厚度。焊缝23的深度a(图6)稍小于板20、21及22所形成的夹层结构的总厚度，使得表面B的平滑度基本上未受提供焊缝23影响。
由板10的反面(也就是第二金属片21的表面B)上的另一焊缝25连接进料器14和收集器15。
图4示出了进料器14的优选实施方式的细节。Ω形金属片24具有纵向焊接部分，如侧翼24a，侧翼24a平行于板表面B并且通过焊缝25连接至所述表面B。所述焊缝25(图6)贯穿金属片24的相应侧翼24a的厚度以及金属片21的部分厚度。
当连接至金属片21时，Ω形金属片24界定一纵向流体分配腔室27，纵向流体分配腔室27通过在第二金属片21中开的槽29来与板10的流体通道13连通。优选地，第二板21针对每个通道13具有一个槽29。
在示出的优选实施方式中，进料器14还包括内部管道26，内部管道26位于流体分配腔室的内部并且通过紧靠Ω形片24的内表面32的合适隔板30保持在适当的位置中。
隔板30可由焊接至管道26的多个金属板制成。隔板30并不固定在表面32上，使得内部管道26可相对于片24自由地纵向移动，以补偿管26和片24在操作中因不同温度引起的热伸长，片24与催化床2接触。
借助第二金属片21的纵向排列的槽29，流体分配腔室与横向流体通道13连通；另一进料管道26具有流体出口28，流体出口28与分配腔室27连通并与所述槽29反向。由于出口28的该位置，在通过槽29进入通道13之前，热交换流体流在片24的表面上流动，因此，与催化床接触的进料器14的外表面B1也有效地用于热交换。
用另一Ω形金属片31制成收集器15(图5)，侧翼31a通过另一焊缝25连接至板10的表面B。通过金属片21的多个孔33，提供与通道13的流体连通。
在示出的优选实施方式中，将进料器14和收集器15连接在表面B上的焊缝25设置在双焊缝23的接缝之间，双焊缝23在相反的表面A上连接金属板20和金属板21。
还通过在板20、21和中间板22的横梁22b之间的横向焊缝34(图2、图7)形成流体通道13。所述焊缝34可以是连续的或间断的。在本发明的一些实施方式中，间断的焊缝34可允许流体在平行通道13之间存在一定流动。优选地，焊缝34的间断制成与焊缝25相符，以方便制造工艺。
中间板22(图8)基本上是具有对应于流体通道13的切口22c的薄金属板。从图中可以明显看出，切口22c分出纵梁22a和横梁22b。通过在片20和片21之间夹入板22以及制作焊缝23和焊缝34，形成了具有横向流体通道13的板10。
图9示出了板10的制造方法。板10的夹层结构由叠置在平面40上的片20、片21和片22形成，在平面40上，操作LBW(激光焊接)装置41。在第一步骤中，LBW装置41在表面A上形成一个或一个以上的焊缝23以将片20和片21连接在一起，接着形成横向焊缝34以形成内部流体通道13(图9-A)。
在第二步骤中，将板10翻转并再次置于表面40上，使得现在表面B暴露于LBW装置41。应当注意，表面B不受先前所形成的焊缝23影响，焊缝23仅贯穿片21的部分厚度。
翻转板10后，定位Ω片24或Ω片31并用反面B上的焊缝25将其接合至片21。重复该步骤以在进料器14或收集器15(图9-B)的两侧形成两个焊缝25。
在本发明的另一实施方式中，不存在中间板22。通过冲压、优选地通过冷冲压，在第一金属片20上形成多个横向开槽40(图10、11)，使得当金属片20直接连接至另一金属片21时，形成流体通道13。板10的制造方法包括以下步骤：冲压金属片20以形成横向开槽40(图11)；通过至少一个焊缝23，将第一金属片20连接至第二金属片21，获得在片20和片21之间的横向通道13；对第二片21的平表面B上的纵向流体通道14和15进行缝焊。
如图12所示，另一可替换的实施方式是可能的，其中，在第一金属片20上加工开槽40，例如，用铣削工艺。
图13示出了如图11所示的具有通过冲压变形所形成的开槽的金属片20，其连接至第二金属片21。当所述金属片连接时，出现与开槽40相对应的通道13。金属片20的框架41留成平面，以允许设置焊缝23。随后，将进料器14和收集器15焊接至第二金属片21的表面B。
板10按照如下工作。通过通道27中的管道26和孔28，送入热交换流体。当从孔28流至槽29的时候，流体与与催化床接触的表面B1交换部分热。随后，流体横向通过板的通道13，即，相对于反应器1(图1)为径流，如图2中的箭头F所示，并收集在收集器15中。
在本发明的优选应用中，反应器1是甲醇转化炉，其中，含有氢气和碳氧化物的补充合成气转化为甲醇。在新鲜补充合成气到达催化床2之前，其首先被送入热交换器5，使得补充合成气本身充当热交换流体。在这种情况下，热交换器5是在气态补充合成气与合成气和产物的混合物之间的气/气交换器。
每个热交换板10接收进料器14中的补充合成气流，当补充合成气流流经通道13时被预热；随后，管道15所收集的预热合成气被送入空间3，当流经催化床2时发生化学反应，通过对送入的补充合成气预热，催化床被冷却。板10外的压力就是催化床的压力，基本上与在内部流动的新鲜装料的压力相同。低压差避免了焊缝上的过量应力。

Claims (15)

1.一种用在等温化学反应器(1)中的热交换器(5)，所述热交换器具有多个热交换板(10)，每个板(10)包括分别提供所述板(10)的第一侧面(A)和相反的第二侧面(B)的第一金属片(20)和第二金属片(21)、热交换流体进料器(14)和热交换流体收集器(15)以及在所述第一金属片和所述第二金属片之间的多个内部流体通道，
所述第一金属片(20)和所述第二金属片(21)通过在所述第一侧面(A)上形成的一个或多个第一焊缝(23)连接，以及
所述流体进料器(14)由进料通道(24)形成，所述流体收集器(15)由收集通道(31)形成，
其特征在于：
所述进料通道(24)和所述收集通道(31)分别包括焊接部分(24a，31a)，所述焊接部分(24a，31a)平行于所述第二侧面(B)并通过在所述板的所述第二侧面(B)上形成的第二焊缝(25)连接至所述第二金属片(21)。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，每个板(10)包括中间金属片(22)，所述中间金属片(22)设置在所述第一金属片(20)和所述第二金属片(21)之间以限定横向流体通道，所述第一焊缝(23)贯穿所述第一金属片和所述中间金属片的整个厚度以及贯穿所述第二金属片的部分厚度，
或者：所述第一金属片(20)包括横向开槽(40)，所述横向开槽(40)被布置成：当所述第一金属片连接至所述第二金属片(21)时，形成所述内部流体通道。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，每个板的所述进料通道和所述收集通道是箱形管道的形式。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其中，每个板的所述进料通道和所述收集通道由Ω形金属片制成。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述流体进料器(14)包括在所述进料通道(24)内部的另一进料管道(26)。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其中，每个板(10)具有形成所述流体进料器(14)的进料管道，所述进料管道由焊接至所述第二金属片(21)的所述第二侧面(B)的金属片制成并提供流体分布腔室(27)；所述流体分布腔室通过所述第二金属片(21)的多个纵向排列的孔(29)与横向流体通道连通；另一进料管道设置在所述Ω形金属片内部且具有与所述孔(29)相反的流体出口(28)。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器具有环形结构，该环形结构具有径向排列的板(10)；每个板(10)具有长边(11a，11b)和短边(12a，12b)；所述流体进料器(14)和所述流体收集器(15)平行于所述长边纵向排列；所述内部流体通道平行于所述短边排列以允许热交换流体径向流动。
8.一种等温化学反应器(1)，包括催化床(2)和嵌入在所述催化床中的板式热交换器(5)，所述热交换器是根据权利要求1到7中任一项所述的热交换器。
9.根据权利要求8所述的反应器，其中，所述热交换器是在所述板(10)的内部流动的新鲜气态装料和流经所述催化床的气态反应物之间的气/气热交换器。
10.根据权利要求9所述的反应器，其中，所述反应器是甲醇转化炉或氨转化炉。
11.一种用于制造热交换板(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过用自动焊接工艺至少沿周边线形成第一焊缝(23)连接第一金属片(20)和第二金属片(21)，以形成在所述第一金属片和第二金属片之间具有横向内部通道的板(10)，所述焊接工艺是以焊接装置(41)作用在所述第一金属片的表面(A)上执行的；
b)翻转所述板(10)，使得所述第二金属片的表面(B)受所述焊接装置的作用；
c)将纵向流体进料通道或纵向流体收集通道置于所述第二金属片的所述表面(B)上，所述纵向流体进料通道或纵向流体收集通道具有平行于所述第二金属片的所述表面(B)并接触所述第二金属片的所述表面(B)的纵向焊接部分(24a，31a)，以及
d)通过所述焊接装置作用在所述焊接部分上的自动工艺，将所述纵向流体进料通道或纵向流体收集通道缝焊至所述第二金属片的所述表面(B)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述焊接工艺选自激光焊、电子束焊、电阻焊。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过在所述第一金属片(20)和第二金属片(21)之间放置中间金属片(22)，获得在所述第一金属片和所述第二金属片之间的横向内部通道，所述中间金属片(22)具有对应于所述内部通道的切口(22c)。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过在所述第一金属片(20)上提供横向开槽(40)，获得在所述第一金属片和所述第二金属片之间的横向内部通道，所述开槽(40)被排列成：当所述第一金属片连接至所述第二金属片(21)以形成所述板(10)时，限定内部流体通道。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法包括以下步骤：冲压所述第一金属片(20)以便形成所述横向开槽(40)；在所述第一金属片的所述表面(A)上，将所述第一金属片(20)缝焊至所述第二金属片(21)，以在所述板之间形成横向通道；将所述纵向流体进料通道和纵向流体收集通道缝焊至所述板(10)的所述第二金属片的所述表面(B)上。
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