CN102472591B - 换热器 - Google Patents

Abstract

一种例如用于合成气反应器的换热设备(1)，该换热设备包括：通道壁(3)，该通道壁限定了流动通道；和一个或多个换热表面(5a-d)，每个换热表面嵌有一条或多条用于流体换热介质的流动通路。支承结构(20)在流动通道内支承换热表面(5a-d)。支承结构(20)包括从中心交叉架(22)延伸到通道壁(3)的多个臂(21)。支承结构的臂(21)可嵌有均匀分布的、例如蜿蜒的内部通道(23)，该内部通道可与换热表面(5a-d)中的流动通路通畅地连接。

Description

换热器

技术领域

本发明涉及一种用于冷却气体的换热设备，该换热设备包括通道以及布置在该通道中且由支承结构支承的一个或多个换热表面。

背景技术

这种换热器可例如在用于生产合成气体或合成气的气化工艺中使用。在这种工艺中，含碳给料在反应器中被部分氧化。离开反应器的合成气典型地具有1300℃-1600℃的温度。热的合成气被急冷到介于100℃与700℃之间的温度，然后被传输到盘管式换热器，该盘管式换热器通常包括多个平行的盘管。

支承结构用于在由通道壁形成的通道内支承换热表面。各部分的热膨胀方面的差异使得可能的支承结构变得复杂。可使用滑动轴承，从而允许一定的运动自由度，但是在这样的反应器中的环境下，这些轴承难以实现且更不可靠。

US 5,482,110公开了一种用于冷却来自部分燃烧反应器的合成气的换热器，该换热器包括由支承件承载的嵌套的换热表面。这种支承结构可导致高的局部应力峰值。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有坚固的支承结构的换热设备，从而能够使得由各部分的热膨胀方面的差异所导致的负载减少。

本发明的目的通过一种换热设备来实现，该换热设备包括：

-通道壁，该通道壁限定出流动通道；

-流动通道内的一个或多个换热表面，每个换热表面嵌有用于流体换热介质的一条或多条流动通路，并且包括用于供给和排放流体换热介质的供给连接件和排放连接件；

-用于支承换热表面的支承结构；

其中，该支承结构包括从中心交叉架延伸到通道壁的多个臂。

换热表面可放置在支承结构上，或者换热表面可从支承结构垂下。一个或多个换热表面可例如通过焊接接头连接到支承结构。支承结构可被联接到通道壁，或者联接到通道壁内部的承载结构。

该设备例如可具有多个有闭合的几何形状的嵌套的换热表面，例如具有如在US 5,482,110中公开的圆筒形几何形状。换热表面被同轴地布置或者被嵌套在通道壁内，其典型地是圆筒形的。可选地，支承结构可支承一系列的两束或更多束嵌套的换热表面。

通常，流体换热介质是水，尽管如果希望的话，可以使用任何其他类型的含水的冷却剂或无水的冷却剂。

支承结构可例如具有三个或更多个臂，例如四个或更多个臂，以形成交叉架。如果希望的话，可使用更大数量的臂。

支承结构可包括多条嵌入的平行内部通道，每条内部通道均与换热表面中的流动通路之一通畅地(open)连接。为了补偿热膨胀，这些内部通道优选地均匀分布并且等距布置。为此，内部通道可蜿蜒穿过支承结构的臂部分。由于蜿蜒的内部通道难以制造，这些臂部分可由许多部段构成，每个部段嵌有平行且等距的内部通道，从而例如形成了大约90度的单个转弯。例如，支承结构的每个臂包括：

-第一下臂部分，该第一下臂部分具有等距布置且平行的流动通路，这些流动通路具有：向上延伸到第一角部的第一部段；和在交叉部段的方向上从第一角部延伸的第二部段；

-第二下臂部分，该第二下臂部分具有等距布置且平行的流动通路，该流动通路具有：与第一下臂部分中的相应流动通路的第二部段成一条直线的第一部段，该第一部段延伸到第二角部；和从第二角部向上延伸的第二部段；

-上臂部分，该上臂部分具有等距布置且平行的流动通路，这些流动通路具有：第一竖直部段和水平的第二部段，该第一竖直部段与第二下臂部分中的相应流动通路的第二部段成一条直线且向上延伸到第三角部，该水平的第二部段从第三角部延伸远离交叉部段。

利用这种构造的热量分布使得连接部分在热膨胀方面的差异不会导致大的机械应力负载。

支承结构的臂可例如形成为块或板，该块或板嵌有操作地连接到管状部分的内部通道。

可替代地，支承结构的臂中的一个或多个臂可全部或部分由管状部分组成，可选地与嵌有操作地连接到管状部分的内部通道的块或板相结合。

如果要支承较大数量的换热表面或者较大重量的换热表面，可增加支承结构的高度。因此，支承结构可在没有增加支承结构臂的厚度的情况下变得更坚固，这可导致支承结构的不期望的高壁温。

支承结构的臂的厚度应当足以给支承结构提供所需要的承载能力。通常，在内部通道两侧处，5-20mm的壁厚使得足够的强度与良好的散热能力相平衡。

尤其是对于冷却来自压力加载的热解和气化反应器的沉淀形成气体，所期望的是换热表面可通过敲击装置进行清洗，该敲击装置可在反应器的运行期间有规律地致动。借助于例如气动操作的敲击装置，促使各换热表面达到烟灰沉积和结垢被有效去除的程度。如果一个换热表面单元中的全部管例如通过将换热表面构造为管中管结构或翅管结构而刚性连接到一个结构化的气密性单元，则通过敲击进行清洗是特别有效的。

换热表面可被组装成多个嵌套的具有闭合的几何形状的换热表面，由此，内部换热表面具有比相邻的外部换热表面大的结构高度，以便每个换热表面可在不必穿过任何其他换热表面的情况下而从外部被敲击。可选地，可使用布置在嵌套装置的内部换热表面内的一个或多个偏转器将热的气流朝向换热表面引导，以便均匀地冷却全部气体。

根据本发明的换热设备可例如是用于生产合成气体的部分燃烧反应器的一部段。

附图说明

参照附图进一步描述本发明。在附图中：

图1A示出了根据本发明的换热设备的纵向截面；

图1B以截面图示出了图1A的设备；

图2A示出了图1的设备的支承结构的侧视图；

图2B示出了图2A的支承结构的平面图；

图3示出了根据本发明的支承结构的第二可能实施例的侧视图；

图4示出了根据本发明的换热设备的另一可能实施例的纵向截面。

具体实施方式

图1A以纵向截面示出了用于生产合成气的部分燃烧反应器的换热部段1。部段1包括圆柱形外壁2。该外壁2围绕同心布置的内部通道壁或膜3，该内部通道壁或膜3由平行的管状管道线路构成，其在附图中通过中心线示意性示出。内部通道壁3的管状管道线路焊接到一起(例如，直接地或通过翅片)，以形成气密形壁。冷却介质(诸如水)流动通过内部通道壁3的管道线路。

内部通道壁3围绕一组四个示意性示出的嵌套的同轴的换热表面5a、5b、5c、和5d。实际上，可使用两个或更多，例如换热表面5a和5b。类似于内部通道壁3，换热表面5a-d由平行的管状线路构成。可选地，换热表面5a-d的管状线路可以是螺旋盘绕的。

内部通道壁或膜3限定出用于沿着换热表面5a-d朝着排放部向下流的热气流的中心通道4a。在内部通道壁3的下端部处，冷却气体可进入内部通道壁3与外壁2之间的环形空间4b。流过内部通道壁3的管道线路的冷却剂将环形通道4b中的冷却气体与中心通道4a中的热气体隔离开。

每个内部换热表面5b-d的下端部6分别延伸穿过相邻的外部换热表面5a-c的下端部6。因此，各换热表面5a-d均可通过使用敲击装置(未示出)而分别进行清洗。

如图1B中示意性示出的，四个或更多个等距布置的冷却剂排放线路7设置在内部通道壁3与外部通道壁2之间。回过来参照图1A，线路7的排放端部8穿过外壁2，以形成用于冷却剂排放的连接件。四条供给线路9与排放线路7排成一条直线并且位于这些排放线路7之下一距离处。供给线路9的上端部10穿过外壁2，以形成用于冷却剂供给的连接件。冷却供给线路16将供给线路9连接到换热表面5a-d。供给线路和排放线路的布置也可以根据冷却介质而变得相反。

水平支承交叉架20具有四个臂21，该四个臂从中心交叉架22延伸到相应的冷却剂排放线路7。在图2A和2B中更加详细地示出该支承交叉架20。平行的内部通道23贯穿臂21，每条内部通道23与换热表面5a-d中的流动通路通畅地连接。内部通道23均匀地分布在相应臂21上。如图1A中所示，每个换热表面5a-d的顶侧包括两个竖直线路部段19，该两个竖直线路部段轴向对称地布置，并朝着支承交叉架20竖直地延伸，在支承交叉架处，它们连接到所嵌入的内部通道23。

每个臂21分别包括第一下臂部分24和第二下臂部分25，以及上臂部分26。在第一下臂部分24中，等距布置的平行流动通路27具有：向上延伸到第一角部27b的第一部分27a；和在交叉部段22的方向上延伸的第二部段27c。

在第二下臂部分25中嵌有等距布置的平行流动通路28。四个第二下臂部分25中的两个形成了单个块，而另两个在该块的相对侧处且与该块呈直角地形成了独立的部分，并且被焊接到该块的中心部段，以形成交叉架，如图2B中所示。回过来参照图2A，第二下臂部分25中的流动通路28具有：与第一部分24中的相应流动通路27c成一条直线的第一水平部段28a，该第一水平部段延伸到第二角部28b；和从第二角部28b向上延伸的第二部段28c。

在上臂部分26中嵌有等距布置的平行流动通路29。该四个上臂部分26中的两个形成了一块，而另两个上臂部分26形成为独立的部分并且被焊接到该块的中心部段，以形成交叉架。上臂部分26中的流动通路29具有：与第二下臂部分25中的相应流动通路28成一条直线的第一竖直部段29a，该第一竖直部段向上延伸到第三角部29b；和从第三角部29b延伸远离交叉部段22的第二部段29c。

与形成交叉部段22的一侧相对地，上臂部分26连接到延伸部分30。这些延伸部分30是具有等距布置的内部通道31的矩形部分，该内部通道31与上臂部分26中的水平通道部段28c成一条直线地嵌入。

在该构造中，支承交叉架20的所有部分通过在臂部分24、25、26、30中均匀分布的内部通道27、28、29、31而被均匀冷却。结果，显著降低由热膨胀方面的差异而导致的机械应力的风险。

臂部分24、25、26、30中的内部通道27、28、29、31的外端部由环形边缘35围绕。臂部分24、25、26、30在这些环形边缘处焊接在一起，以形成密封性联接。

块32(参见图2B)附接到延伸部分30的两侧。块32与内部通道壁3成一条直线并具有相同的曲率。块32设置有内部通道33，这些内部通道操作地连接到通道壁3中的管状线路4。

图3以侧视图示出了用于根据本发明的换热器的可替代支承交叉架40。支承交叉架包括等长度的四个臂41，从而形成了具有中心部分42的交叉架。每个臂41由四个部段组成：下部主部段43、下部中心部段44、上部中心部段45以及上部主部段46。

内部通道47a和47b嵌在下部主部段43中，其中竖直延伸的通道部段47a处于下部主部段43的下侧处，水平延伸的通道部段47b延伸到下部主部段43的横向侧处。通道部段47b中的三个朝着相邻的下部中心部段44延伸。通道部段47b的上部一个使其上部纵向半部形成为下部主部段43中的矩形切口部48中的管路。

内部通道49a和49b嵌入下部中心部段44中，使水平通道部段49a在一个端部处连接到下部主部段43中的通道段47b，而在它们的另一端部处连接到竖直通道部段49b。下部中心部段44与上部中心部段45镜像对称，该上部中心部段嵌有内部通道50a和50b，其中竖直部段50a与下部中心部段44中的竖直内部通道段49b成一条直线。水平通道段50b从竖直通道段50a引导到上部中心段45的与中心22相对的一侧。

上部主部段46由三个水平平行的管道线路51构成，该三个水平平行的管道线路连接到上部中心部段45中的水平通道部段50b。管道线路51利用连接到管道线路51的三个内部通道53引导至延伸块52。

臂部分43、44、45中的内部通道的外端部和上部主部段46的管道线路51中的内部通道的外端部由环形边缘54围绕。臂部分在这些环形边缘54处焊接到一起，以形成密封性联接。

图4示出了类似于图1A和1B的换热设备的换热设备60。在两个实施例中，相同的附图标记用于相同的部分。图4中的换热设备包括两个束61、62，这两个束由四个嵌套的换热表面61a-d、62a-d的一个位于另一个上面地排一条直线。由于不得不被支承的两倍重量，使用了一种比图1A中的支承交叉架20厚的支承交叉架63。

Claims (10)

1.一种换热设备（1），所述换热设备包括：

-通道壁（3），所述通道壁限定出流动通道；

-一个或多个换热表面（5a-5d），每个换热表面嵌有一条或多条用于流体换热介质的流动通路，并且包括用于供给和排放流体换热介质的供给连接件和排放连接件（7、9）；

-支承结构（20），所述支承结构用于在流动通道内支承换热表面（5a-5d）；

其中，支承结构（20）包括从中心交叉架（22）延伸到通道壁（3）的多个臂（21），

其中，这些臂（21）中的至少一部分包括内部通道（23），每条内部通道与换热表面（5a-5d）中的流动通路之一通畅地连接。

2.如权利要求1所述的换热设备，其中，内部通道（23）平行、等距且均匀地分布在相应的臂（21）上。

3.如权利要求2所述的换热设备，其中，内部通道（23）蜿蜒地通过臂（21）。

4.如权利要求3所述的换热设备，其中，臂（21）由两个或更多个臂部分（24、25、26）构成，臂部分中的至少一部分嵌有平行且等距的内部通道段，从而形成单个转弯。

5.如权利要求4所述的换热设备，其中，每个臂（21）包括：

-第一下臂部分（24），所述第一下臂部分具有等距布置的平行的流动通路（27），该流动通路具有：向上延伸到第一角部（27b）的第一部段（27a）；和在中心交叉架（22）的方向上延伸的第二部段（27c）；

-第二下臂部分（25），所述第二下臂部分具有等距布置的平行的流动通路（28），第二下臂部分的流动通路具有与第一下臂部分（24）中的相应流动通路（27）的第二部段（27c）成一条直线的第一部段（28a），其中第二下臂部分的流动通路的第一部段（28a）延伸到第二角部（28b），以及第二下臂部分的流动通路的第二部段（28c）从第二角部（28b）向上延伸；

-上臂部分（26），所述上臂部分具有等距布置的平行的流动通路（29），上臂部分的流动通路具有第一竖直部段（29a），该第一竖直部段与第二下臂部分（25）中的相应流动通路（28）的第二部段（28c）成一条直线，其中第一竖直部段（29a）向上延伸到第三角部（29b），并且其中上臂部分的流动通路的第二部段（29c）从第三角部（29b）延伸远离中心交叉架（22）。

6.如权利要求1-5中任一项所述的换热设备，其中，所述换热设备（1）包括两个或更多个同轴嵌套的换热表面（5a-5d），这些换热表面具有闭合的几何形状。

7.如权利要求1-5中任一项所述的换热设备，其中，支承结构（20）包括成直角的四个臂（21），从而形成交叉架。

8.如权利要求1-5中任一项所述的换热设备，其中，支承结构的臂中的一个或多个臂至少部分地由管状部分构成。

9.如权利要求1-5中任一项所述的换热设备，其中，支承结构的臂中的一个或多个臂至少部分地由与块或板相结合的管状部分构成，所述块或板嵌有操作地连接到该管状部分的内部通道。

10.一种用于生产合成气体的部分燃烧反应器，其中，根据前述权利要求中任一项所述的换热设备（1）是所述部分燃烧反应器的一部段。