CN102620580B - 热交换器 - Google Patents

Abstract

一种U形管热交换器，具有设置在压力中立的入口管板中的入口管，加热媒介经由入口管流入设置在管板中的U形管，其中媒介一分为二并且从U形管的两端流入加热媒介出口腔并且经由出口喷嘴退出热交换器。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及U形管热交换器中的热交换，其中U形管热交换器设计为在例如高温、大温差、高压差以及侵蚀媒介的危险工艺条件下工作。更具体地，本发明涉及一种U形管废热锅炉，并且更具体地涉及一种使用水或蒸汽作为冷却媒介的合成气废热锅炉。

以下将解释本发明，其涉及一种使用合成气作为加热媒介并且使用水或蒸汽作为冷却媒介的废热锅炉。需要理解的是，根据本发明的热交换器也适用于使用其他加热和冷却媒介的废热锅炉，或者甚至适用于具有挑战性工作条件的其他热交换领域，其中将对材料损伤给予适当关注而热交换器中没有不可接受的高压损失。

氨的工业生产是基于氨合成工艺，借由氨合成工艺氢和氮在放热工艺中反应形成氨。当氮和氢流过具有合适催化剂的床时，在处于高压和升高温度的反应器中执行氨合成。这种反应器称为氨转换器。经常通过在合成气废热锅炉中产生蒸汽来回收在转换器中由放热工艺产生的热量。合成气废热锅炉是一种热交换器，在其中通过至沸水的间接热传递冷却来自氨转换器的热气。

合成气废热锅炉工作在挑战性条件下，在许多方面挑战性条件要求锅炉的特殊设计。最严厉的条件涉及进气管与管板的接合处。

在根据本发明的热交换器中，没有进气管与管板的接合处。此外，管板以及管板接合处仅在加热媒介冷却之后暴露给该加热媒介。因此，根据本发明的设计避免了引起锅炉故障的许多原因。

背景技术

例如合成气废热锅炉的热交换器要经受许多特殊条件，这难以通过在一个设计中的组合来解决。

这些条件涉及压力、温度、氮化、氢侵蚀以及应力腐蚀。

氨合成气通常将处于120～220巴的压力。沸水通常将处于低压（5～15巴）、中压（30～50巴）或高压（90～130巴）。合成气与沸水之间的间隔壁必须设计为应对两种流体的最高压力差。在管壳式热交换器中，这将通常导致非常厚的管板，通常具有300～450mm的厚度。

氨合成气在锅炉的入口处可以介于380℃与500℃之间，而在出口处可以介于200℃与380℃之间。取决于蒸汽压力，沸水可以介于150℃与330℃之间。

通常将合成气废热锅炉设计为具有非常厚管板的U形管交换器。厚管板将获得接近板穿透管的气体温度的金属温度。在U形管的情况中，这在现有技术中意味着入口管区域将是热的，而出口管区域将是冷的。因此如果在入口和出口气体之间的温差太高，将存在高热诱导应力的风险。在需要产生低压和中压蒸汽的情况中，200℃至300℃的温差将是可以接受的。但是在现有技术中显示难以或者不可能设计出U形管废热锅炉用于这种大的温差。

氮化是由合成气的氨组分引起的材料侵蚀。氮化的强度取决于金属合金和金属温度。低合金钢不可接受地在380℃被侵蚀。不锈钢可以用于450℃或更高，而铬镍铁合金（Iconell）甚至在500℃也不被严重侵蚀。在U形管锅炉中管板的入口管区域经常比420℃更热。因此与合成气接触的材料必须为高合金。在管板的气体侧以及整个入口孔表面将需要通过敷层或加衬来保护表面。

当材料暴露给含氢气体时，氢侵蚀将引起材料脆化。重要的参数是氢分压、温度以及钢铁的合金成分。工业合成气组分、压力以及温度通常要求2％Cr以及1％Mo的钢铁合金。

对于与水有关的材料，存在应力腐蚀的风险。但是这种腐蚀对于铁素体材料不严重，但是奥氏体材料对于这种腐蚀敏感。

典型的合成气废热锅炉是在管侧具有合成气而在壳侧具有水/蒸汽的U形管热交换器。管板非常厚。通过铬镍铁合金（Inconell）敷层来保护管板的入口侧。如果管焊接至管板的气体侧，在整个管板上就必须使用铬镍铁合金在内表面上全部加衬。如果管焊接至管板的水侧，就必须通过铬镍铁合金衬来保护管板的入口。

由于所述机械和/或腐蚀现象的一个或组合引起的裂缝，合成气废热锅炉经常故障。这之中最严厉的条件集中在入口管孔周围。这是由于高温、入口管与出口管之间的温差、应力腐蚀、在不同组分的材料之间的氢聚积（build up）、氮化以及氢侵蚀。合成气锅炉的另一方面是流经交换器的合成气的压降，由于考虑到合成气压缩机的功率/能耗，必须保持低压降。

在US3568764中，公开了一种U形管热交换器，其中在靠近多管程热交换器的管板的出口侧设有导流板。一部分冷输入流体流经导流板与管板之间，而不是流经管，因此管板维持为大致均匀并且冷的温度。套圈将已加热的出口气体部分从管输送至通道的出口腔。但是由于部分输入流体绕过热交换器管，热交换效率降低了。加热流体在交换器的壳侧上，与本发明相反，本发明中冷却流体在壳侧上。

在EP0860673中，公开了一种上述问题的解决方案，通过一种具有多个热交换管的火管热交换器，其中热交换管形式为双管，双管具有一端封闭的外管以及一端开启的内管，内管与外管间隔开，适合在外管的管侧上的热气与管的壳侧上的流体之间进行热交换。尽管解决了上述问题，但是该解决方案与U形管交换器相比在管侧上具有相当大的压降，由于与对于给定压降增大的热交换表面相关的花费，这导致该解决方案更昂贵。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种具有良好传热、材料退化抵抗力以及低压降的U形管热交换器，避免现有技术热交换器特别是已知的废热锅炉的缺点。

这是通过根据本发明特征的热交换器来实现的。

本发明的特征：

1．一种U形管热交换器，用于加热媒介与冷却媒介的热交换，该热交换器包括：

·冷却媒介腔，具有入口和出口；

·加热媒介入口腔，具有入口；

·加热媒介出口腔，具有出口；

·管板，具有多个管板孔，管板将第一侧上的冷却媒介腔与第二侧上的加热媒介出口腔分开；

·多个热交换U形管，具有第一端和第二端；

·多个入口管，具有入口和出口端，每个入口管对应于U形管之一；

·入口管板，设置入口管板以使其将加热媒介入口腔与加热媒介出口腔分开，入口管板具有多个入口管板孔；

所述多个热交换U形管设置在管板中，其中所述第一端和第二端连接至每个管板孔的周边，U形管在冷却媒介腔中延伸，与U形管的壳侧上的冷却媒介接触，并且所述多个入口管设置在入口管板中，其中入口端连接至每个入口管板孔的周边，其中每个入口管的出口端部分地设置在相应的热交换U形管的第一端内，在每个U形管的至少其中设置有对应的入口管的部分中每个入口管的外侧直径小于相应热交换U形管第一端的内侧直径，加热媒介入口腔与管板和U形管内侧之间仅有的流体连接是经由入口管的流体通路，借由该流体通路U形管的第一端和第二端以及管板均仅与U形管和管板的管侧上的已冷却的加热媒介接触。

2．根据特征1所述的U形管热交换器，其中，该冷却媒介是水或蒸汽、合成气或工艺气体。

3．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，该热交换器是废热锅炉，并且该冷却媒介是水或蒸汽。

4．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，该热交换器是合成气废热锅炉，并且该加热媒介是合成气。

5．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，退出多个U形管的每一个的第一端的已冷却的加热媒介的温度大致等于退出多个U形管的每一个的第二端的已冷却的加热媒介的温度。

6．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，退出多个U形管的每一个的第一端的已冷却的加热媒介与退出该多个U形管的每一个的第二端的已冷却的加热媒介之间的温度差在0℃～50℃的范围内，优选地在0℃～20℃范围内。

7．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，设置在相应U形管内的多个入口管的至少部分是热绝缘的。

8．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，在设置在相应的热交换U形管的第一端内的每一个入口管的部分与该相应的热交换U形管的第一端之间具有环形空间。

9．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，该多个入口管不与该多个U形管接触。

10．根据前述特征任一项所述的U形管热交换器，其中，每个U形管的第二端的直径小于所述U形管的第一端的直径。

11．一种用于在根据特征1的U形管热交换器中加热媒介与冷却媒介热交换的方法，该方法包括步骤：

a） 经由冷却媒介入口提供冷却媒介流进入冷却媒介腔，在冷却媒介腔中冷却媒介接触U形管的壳侧，并且经由冷却媒介出口将冷却媒介流排出冷却媒介腔，

b）经由加热媒介入口提供加热媒介流至加热媒介腔，

c）提供加热媒介流进一步通过入口管板孔进入入口管入口端，进一步流过入口管并排出入口管出口端，并且与所述U形管第一端相距一距离进入每个相应的U形管中，

d）将每个U形管中的加热媒介流分为第一部分流与第二部分流，第一部分流在经由第一端退出每个U形管之前流过在入口管与U形管之间的环形空间中的每个U形管的第一部分，第二部分流流过每个U形管的第二部分并且借由第二端退出每个U形管，第一和第二部分流均经由U形管壁与冷却媒介间接热交换，并且当其流过U形管时被冷却媒介冷却，

e）收集在加热媒介出口腔中所有已冷却的加热媒介流，在加热媒介出口腔中已冷却的加热媒介与管板第二侧接触，并且进一步经由加热媒介出口提供排出加热媒介出口腔的已冷却加热媒介流。

12．根据特征11所述的用于加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，冷却媒介是水或蒸汽。

13．根据特征11或12所述的加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，冷却媒介入口温度在100℃～350℃范围内，优选地在250℃～325℃范围内，冷却媒介出口温度在100℃～350℃范围内，优选地在250℃～325℃范围内，加热媒介入口温度在300℃～500℃范围内，优选地在390℃～450℃范围内，以及加热媒介出口温度在120℃～390℃范围内，优选地在300℃～370℃范围内。

14．根据特征11－13任一项所述的加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，当退出每个U形管的第一端和第二端进入加热媒介出口腔时，第一部分已冷却加热媒介流与第二部分已冷却加热媒介流的每一个之间的温度差在0℃～50℃范围内，优选地在0℃～20℃范围内。

15．根据特征1～10任一项所述的热交换器的用途，用于将水或蒸汽与合成气的热交换。

附图说明

以下将参考涉及废热锅炉热交换器的附图中的特定实施例来详细讨论本发明：

图1 是根据本发明的废热锅炉的实施例的截面图，以及

图2 是根据本发明的废热锅炉的实施例中U形管细节的截面图。

附图标记

101） 管板

102） 管板孔

103） 热交换U形管

104） 入口管

105） 入口管板

106） 冷却媒介侧压力壳

107） 冷却媒介腔

108） 冷却媒介入口喷嘴

109） 冷却媒介出口喷嘴

110） 加热媒介侧压力壳

111） 加热媒介腔

112） 加热媒介入口腔

113） 加热媒介出口腔

114） 加热媒介入口喷嘴

115） 加热媒介出口喷嘴

116） 入口管绝缘层。

具体实施方式

管板（101）一侧连接至冷却媒介侧压力壳（106）（例如水/蒸汽），并且另一侧连接至加热媒介侧压力壳（110），并且在冷却媒介腔（107）与加热媒介腔（111）（例如合成气）之间形成分隔。管板打孔成具有多个管板孔（102）。热交换U形管（103）在这些U形管的两端在管板孔（102）中焊接到管板（101）上。热交换U形管（103）延伸进入冷却媒介腔（107）。入口管板（105）布置在加热媒介腔（111）的内部。入口管板（105）打孔成具有与管板（101）中的孔对应的孔。入口管（104）外直径小于热交换U形管（103）的内直径，入口管固定至入口管板（105）的孔中并且延伸进入热交换U形管（103）的内部。入口管板（105）借由形成气密加热媒介入口腔（112）的板和壳而连接至加热媒介喷嘴（114）。入口管绝缘层（116）覆盖入口管（104）。

冷却媒介例如是来自蒸汽鼓的沸腾给水，冷却媒介通过冷却媒介入口喷嘴（108）流入冷却媒介腔（107）。热交换U形管（103）提供用于在冷却媒介腔（107）中沸腾的热量。水和蒸汽的混合物通过冷却媒介出口喷嘴（109）离开冷却媒介腔（107）。加热媒介例如是来自氨转换器的热合成气，加热媒介通过加热媒介入口喷嘴（114）进入加热媒介入口腔（111）。合成气随后流经入口管板（105）的孔，通过入口管（104）进入热交换U形管（103）。在每个热交换U形管中，合成气流的第一部分改变流向，在环形空间中的U形管中（在入口管（104）的外侧以及热交换U形管（103）的内侧）返回，并且回到加热媒介出口腔（113）。在每个热交换U形管中的合成气流的第二部分进一步流到U形管的U形弯，并且流至加热媒介出口腔（113）。合成气随后通过加热媒介出口喷嘴（115）离开热交换器。

当合成气在入口管（104）与热交换U形管（103）之间的环形空间中流动时，合成气被冷却，这时其通过间接热传递而将其热量传递给沸水。借由入口管绝缘层（116）来避免在入口管（104）内部流动的入口气体与在环形空间中流动的气体之间的热传递。

根据本发明的热交换器的特性优点在于，厚的管板（101）将仅与已冷却的合成气接触。因此最小化了如上所述与热入口气体以及厚管板中管之间温差相关的合成气废热锅炉所经历的问题。本发明的入口管板（105）是薄的，因为其是非压力部件，并且其可以由奥氏体高合金钢铁制成，因为其不与水接触。根据本发明的热交换器与盲管热交换器相比具有减小的压降，因为气流离开入口管时一分为二。可以平衡压降以及流过U形管的第一和第二部分和出口的第一和第二气流的热传递系数，以使得合成气温度将均与U形管出口端相似。在一个实施例中，这可通过减小如图2中所示U形管的第二端的直径来实现。

Claims (14)

1.一种U形管热交换器，用于加热媒介与冷却媒介的热交换，该热交换器包括：

·冷却媒介腔，具有入口和出口；

·加热媒介入口腔，具有入口；

·加热媒介出口腔，具有出口；

·管板，具有多个管板孔，所述管板将第一侧上的所述冷却媒介腔与第二侧上的所述加热媒介出口腔分开；

·多个热交换U形管，具有第一端和第二端；

·多个入口管，具有入口和出口端，每个入口管对应于所述U形管之一；

·入口管板，设置所述入口管板以使其将所述加热媒介入口腔与所述加热媒介出口腔分开，所述入口管板具有多个入口管板孔；

所述多个热交换U形管设置在所述管板中，所述第一端和第二端每一个连接至一个管板孔的周边，所述U形管在所述冷却媒介腔中延伸，与所述U形管的壳侧上的冷却媒介接触，并且所述多个入口管设置在所述入口管板中，其中所述入口端每一个连接至一个入口管板孔的周边，其中，每个入口管的出口端部分地设置在相应的U形管的所述第一端内，在每个U形管的至少其中设置有相应的入口管的部分中，每个入口管的外侧直径小于相应的U形管的第一端的内侧直径，所述加热媒介入口腔与所述管板和所述U形管内侧之间仅有的流体连接是经由所述入口管的流体通路，借由该流体通路所述U形管的第一端和第二端以及所述管板均仅与在所述U形管和所述管板的管侧上的已冷却的加热媒介接触,

其中，在每个入口管的设置在相应的U形管的第一端内的部分与该相应的U形管的第一端之间具有环形空间，从而使得在加热媒介进入每个U形管后，加热媒介流被分为第一部分流与第二部分流，所述第一部分流在经由所述第一端退出每U形管之前在所述环形空间中流过每个U形管的第一部分，而所述第二部分流流过每个U形管的第二部分并且借由第二端退出每个U形管。

2.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，所述冷却媒介是水或蒸汽。

3.根据前述权利要求任一项所述的U形管热交换器，其中，所述热交换器是废热锅炉，并且所述冷却媒介是水或蒸汽。

4.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，所述热交换器是合成气废热锅炉，并且所述加热媒介是合成气。

5.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，退出所述多个U形管的每一个的第一端的已冷却的加热媒介的温度大致等于退出所述多个U形管的每一个的第二端的已冷却的加热媒介的温度。

6.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，退出所述多个U形管的每一个的第一端的已冷却的加热媒介与退出所述多个U形管的每一个的第二端的已冷却的加热媒介之间的温度差在0℃～50℃的范围内。

7.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，所述多个入口管的至少设置在相应U形管内的部分是热绝缘的。

8.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，所述多个入口管不与所述多个U形管接触。

9.根据权利要求1所述的U形管热交换器，其中，每个所述U形管的第二端的直径小于所述U形管的第一端的直径。

10.一种用于在根据权利要求1所述的U形管热交换器中加热媒介与冷却媒介热交换的方法，该方法包括步骤：

a） 经由冷却媒介入口提供冷却媒介流进入冷却媒介腔，在冷却媒介腔中所述冷却媒介接触U形管的壳侧，并且经由冷却媒介出口将所述冷却媒介流排出所述冷却媒介腔，

b）经由加热媒介入口将加热媒介流提供至加热媒介入口腔，

c）提供所述加热媒介流进一步通过入口管板孔进入入口管入口端，进一步流过所述入口管并排出入口管出口端，并且与所述U形管第一端相距一距离进入每个相应的U形管中，

d）将每个所述U形管中的所述加热媒介流分为第一部分流与第二部分流，所述第一部分流在经由所述第一端退出每个所述U形管之前在所述入口管与所述U形管之间的环形空间中流过每个U形管的第一部分，所述第二部分流流过每个U形管的第二部分并且借由第二端退出每个U形管，所述第一和第二部分流均经由U形管壁与所述冷却媒介间接热交换，并且当其流过所述U形管时被所述冷却媒介冷却，

e）收集在加热媒介出口腔中所有的已冷却的加热媒介流，其中所述已冷却的加热媒介与管板第二侧接触，并且进一步经由加热媒介出口提供排出加热媒介出口腔的已冷却加热媒介流。

11.根据权利要求10所述的加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，所述冷却媒介是水或蒸汽。

12.根据权利要求10或11所述的加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，冷却媒介入口温度在100℃～350℃范围内，冷却媒介出口温度在100℃～350℃范围内，加热媒介入口温度在300℃～500℃范围内，以及加热媒介出口温度在120℃～390℃范围内。

13.根据权利要求10或11所述的加热媒介与冷却媒介热交换的方法，其中，当退出每个U形管的所述第一端和第二端进入所述加热媒介出口腔时，第一部分已冷却加热媒介流与第二部分已冷却加热媒介流的每一个之间的温度差在0℃～50℃范围内。

14.根据权利要求1～9任一项所述的热交换器的用途，用于水或蒸汽与合成气的热交换。