CN103033074B - 变换气冷却器用低温缠绕管式换热器 - Google Patents

变换气冷却器用低温缠绕管式换热器 Download PDF

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Abstract

变换气冷却器用低温缠绕管式换热器主要应用于煤制气、煤制甲醇等煤化工领域，包括-70℃低温甲醇工艺等气体低温净化、低温液化分离技术领域，为逆流型两股流独立管束型缠绕管式低温换热器，两股管束之间不再层内及层间交叉缠绕，各自按缠绕先后顺序拥有独立的缠绕区域，沿轴向具有不同的缠绕高度，按照换热温度梯度及两股管束温度与壳程流体温度差值大小，由里向外设置换热管束的缠绕次序及各自适当的缠绕高度，按计算温度梯度采用中段打入第二冷源的方式，以达到提高单位体积换热面积及换热效率的目的。换热过程中避免了两股冷源管束由于存在较大温差而相互传热的过程，节约了换热面积，提高了换热效率，缩小了换热器体积。

Description

变换气冷却器用低温缠绕管式换热器
技术领域
本发明涉及变换气冷却器用低温缠绕管式换热器，主要应用于煤制气、煤制甲醇等煤化工领域，包括-70℃低温甲醇洗工艺等气体低温净化、低温液化分离技术领域。
背景技术
变换气冷却器用低温缠绕管式换热器是一种换热管道经层层缠绕后形成的一种双管束螺旋盘管型热交换设备，主要应用两股冷源管束即管程-51.3℃工艺尾气混合气及管程-21.24℃合成气混合气冷却壳程37.74℃变换原料混合气，使之温度降至-15.06℃，两股管程气体温度升高至31.24℃。变换气主要成份为H2(46.02％)、CO2(32.1％)、CO(19.02％)、H2S(0.23％)、N2(0.94％)、H2O(1.44％)等；合成气主要成份为CH4、CH3OH、H2、CO等；工艺尾气主要成份为CO、H2、CH4、CH3OH等。壳程设计压力小于6.3MPa，温度介于-70～+60℃，管程设计压力分别小于6.3MPa及0.7MPa，温度介于-70～+60℃。换热器实际进出口参数可根据实际工况进行调整，调整后可重新计算换热工艺流程。首先，传统的变换气冷却器采用两台独立的单股流列管式换热器进行换热，换热器体积较大，单位体积换热面积较小，换热效率较低。其次，由于变换气冷却器换热温区中两股冷源的温度分别为-51.3℃及-21.24℃，在冷却37.74℃变换气的过程中，由于两股冷流之间存在较大温差，如果应用传统的双股流换热器，管程进口处-21.24℃合成气冷源将吸收-51.3℃尾气冷源的冷量，合成气温度降低后，再共同冷却壳程37.74℃变换气至-15.06℃，即-21.24℃合成气将经历先降温再升温的过程，从而导致冷源之间重复换热，换热效率降低，换热面积增大。再者，由于目前现有的缠绕管式换热器主要应用于低温环境，内部多股流管束交叉缠绕，换热过程复杂，没有通用的设计标准，也没有统一的设计计算方法，随着工艺流程或物性参数不同而存在较大差别，因此，给变换气冷却器用低温缠绕管式换热器设计开发带来了障碍。最后，由于变换气冷却器用低温缠绕管式换热器中的缠绕管束相互缠绕的方法很多，没有统一的管道缠绕模式及理论设计计算方法用于计算机辅助计算过程，给变换气冷却器用低温缠绕管式换热器的科学计算及标准化带来了障碍。为了提高变换气冷却器的换热效率，增大单位体积换热面积，缩小换热器体积，减少换热设备数量，推进变换气冷却器用低温缠绕管式换热器标准化过程，本发明将独立缠绕管束相结合的复合型缠绕管式换热器的基本结构及换热工艺计算方法进行了系统研究，对变换气冷却器用双股流缠绕管式换热器采用管束独立缠绕、先里后外的同心圆模式依次设计缠绕管束总体结构，按照温度梯度采用中段引进中温冷源，形成总体双股流换热、各股相对独立、管束长度可灵活设置的换热原则，改进不同温位冷源的换热效率，给出变换气冷却器用低温缠绕管式换热器的基本结构及换热工艺流程，以此替代传统的单股流列管式换热器或传统的双股流缠绕管式换热器，使其具有结构紧凑，单位体积换热面积大，换热效率高，传热管热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少低温净化工艺中的换热设备数量等特点。
发明内容
变换气冷却器用低温缠绕管式换热器主要包括技术解决方案、基本原理、技术特点等内容，主要涉及换热器基本结构、主要部件位置关系、连接关系、换热工艺技术等方面。
本发明的技术解决方案：
变换气冷却器用低温缠绕管式换热器由上封头(1)、尾气出口管板(2)、尾气出口管箱(3)、尾气出口接管(4)、合成气出口管束(5)、第一支持圈(6)、上壳体(7)、中间隔板(8)、合成气进口接管(9)、合成气进口管箱(10)、合成气进口管板(11)、隔板(12)、下壳体(13)、尾气进口管束(14)、下封头(15)、变换气出口接管(16)、裙座(17)、尾气进口管板(18)、尾气进口管箱(19)、尾气进口接管(20)、第三支持圈(21)、锥形过渡壳体(22)、合成气进口管束(23)、第二支持圈(24)、合成气缠绕管束(25)、尾气缠绕管束(26)、芯筒(27)、合成气出口管板(28)、合成气出口接管(29)、合成气出口管箱(30)、尾气出口管束(31)、变换气进口接管(32)组成，尾气缠绕管束(26)沿连续层数独立缠绕，合成气缠绕管束(25)沿连续层数独立缠绕，尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)之间不再层内及层间交叉缠绕，尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)两者具有不同的缠绕高度。
尾气缠绕管束(26)绕芯筒(27)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)及下壳体(13)内；合成气缠绕管束(25)绕尾气缠绕管束(26)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)内；芯筒(27)一端安装第一支持圈(6)，中间安装第二支持圈(24)，一端安装第三支持圈(21)，第一支持圈(6)固定于上壳体(7)上部，第二支持圈(24)固定上壳体(7)下部，第三支持圈(21)固定于下壳体(13)下部，尾气缠绕管束(26)缠绕于第一支持圈(6)与第三支持圈(21)之间，合成气缠绕管束(25)缠绕于第一支持圈(6)与第二支持圈(24)之间。
上壳体(7)上部右侧安装合成气出口管板(28)，合成气出口管板(28)右侧联接合成气出口管箱(30)、合成气出口管箱(30)右侧联接合成气出口接管(29)；上壳体(7)上部左侧安装尾气出口管板(2)，尾气出口管板(2)左侧联接尾气出口管箱(3)，尾气出口管箱(3)左侧联接尾气出口接管(4)；上壳体(7)下部左侧安装合成气进口管板(11)，合成气进口管板(11)左侧联接合成气进口管箱(10)，合成气进口管箱(10)左侧联接合成气进口接管(11)；上壳体(7)底部联接锥形过渡壳体(22)，锥形过渡壳体(22)底部联接下壳体(13)；下壳体(13)下部右侧安装尾气进口管板(18)，尾气进口管板(18)右侧联接尾气进口管箱(19)，尾气进口管箱(19)右侧联接尾气进口接管(20)；下壳体(13)下部下封头(15)联接变换气出口接管(16)；下壳体(13)底部联接裙座(17)。
变换气冷却器用低温缠绕管式换热器应用缠绕管式换热器管程工艺尾气逆流换热并冷却壳程变换气，再采用中段引进合成气中温冷源构成双股流独立管束型缠绕管式换热器，应用两股冷源管束即管程工艺尾气独立管束及管程合成气独立管束逆流换热并预冷壳程变换气。
尾气在-51.3℃、0.196MPa时通过尾气进口接管(20)进入尾气进口管箱(19)，再经尾气进口管束(14)分配于尾气缠绕管束(26)，尾气缠绕管束(26)经螺旋缠绕后在下壳体(13)内被来自上壳体(7)内的变换气加热，温度升高至-21.24℃、压力降低至0.1795MPa，再进入上壳体(7)，被来自上壳体(7)的变换气加热，尾气温度升高至31.24℃、压力降低至0.163MPa，再经尾气出口管束(31)进入尾气出口管箱(3)，通过尾气出口接管(4)流出换热器。
合成气在-21.24℃、5.508MPa时通过合成气进口接管(9)进入合成气进口管箱(10)，再经合成气进口管束(23)进入合成气缠绕管束(25)，合成气缠绕管束(25)经螺旋缠绕后在上壳体(7)内被来自上壳体(7)的变换气加热，合成气温度升高至31.24℃、压力降低至5.468MPa，再经合成气出口管束(5)流至合成气出口管箱(30)，通过合成气出口接管(29)流出换热器。
变换气在37.74℃、5.674MPa时通过变换气进口接管(32)进入上壳体(7)，与螺旋盘管外部的合成气缠绕管束(25)内的合成气及螺旋盘管内部的尾气缠绕管束(26)内的尾气进行换热，温度降至11.34℃、压力降至5.654MPa时，通过锥形过渡壳体(22)进入下壳体(13)，继续与尾气缠绕管束(26)内的低温尾气进行换热，温度降至-15.06℃、压力降至5.634MPa时通过变换气出口接管(16)流出下壳体(13)，完成整个预冷过程。
方案所涉及的原理问题：
变换气冷却器用低温缠绕管式换热器主要应用于煤化工领域或低温甲醇洗工艺技术包，为逆流型双股流独立管束型缠绕管式低温换热器，尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)之间不再层内及层间交叉缠绕，各自按缠绕先后顺序拥有独立的缠绕区域，沿轴向具有不同的缠绕高度，按照换热温度梯度及两股管束温度与壳程流体温度差值大小，由里向外设置换热管束的缠绕次序及各自适当的缠绕高度，按计算温度梯度采用中段打入第二股流体的方式，以达到提高单位体积换热面积及换热效率的目的。换热器主要包括尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)共同换热的双股流换热区域及尾气缠绕管束(26)单独换热的单股流换热区域两部分。本发明对变换气冷却器用独立管束型逆流双股流缠绕管式低温换热器的基本结构及换热工艺计算方法进行了系统研究，首先，传统的变换气冷却器采用两台独立的单股流列管式换热器进行换热，换热器体积较大，单位体积换热面积较小，换热效率较低，而本发明采用独立管束型双股流缠绕管式变换气冷却器替代传统的单股流列管式换热器，其具有结构紧凑，单位体积换热面积大，可实现双股流换热，传热管热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少低温气体净化工艺中的换热设备数量等特点，以替代传统的单股流变换气冷却器用列管式换热器。其次，变换气冷却器换热温区中两股流的温度分别为-51.3℃及-21.24℃，在冷却37.74℃变换气过程中，两股冷流之间由于存在温差，相互传热，如果单独应用双股流换热器，管程进口处-21.24℃合成气将吸收-51.3℃尾气的冷量，温度降低，再共同冷却37.74℃变换气，使壳程变换气温度降至-15.06℃，即-21.24℃合成气将经历先降温再升温的过程，导致总体换热面积增大，换热效率降低。本发明采用逆流型双股流独立管束型缠绕管式低温换热器换热形式，两股管束独立缠绕，先沿芯筒(27)方向缠绕尾气管束(26)，待尾气管束(26)缠绕完毕后，在尾气管束(26)缠绕基础上，再沿芯筒(27)轴向缠绕合成气管束(25)，合成气管束(25)沿轴向的起始高度及实际缠绕高度可根据合成气进出口温度及经详细计算的温度分布梯度大小适时决定，并及时在壳体中段引出合成气缠绕管束(25)。利用-51.3℃尾气在单股流区域单独冷却壳程11.34℃变换气至-15.06℃，尾气温度升至-21.24℃时，将-21.24℃合成气打入换热器并形成双股流缠绕管式区域，将37.74℃变换气冷却至11.34℃后，尾气及合成气温度升至31.24℃时分别引出双股流缠绕管式换热器，两股管束之间不再进行换热，-21.24℃合成气不再经历被冷却过程，在两股流换热器中可直接冷却进气变换气，节约了换热面积，提高了换热器换热效率。变换气中间温度11.34℃可根据详细的换热工艺计算过程确定或根据实际进出温度参数进行调整，调整后再确定变换气中间温度的大小，并根据中间温度的大小调整变换气缠绕管束的高度。变换气预冷过程中按温度梯度采用先双股流换热再单股流换热的自上而下的换热工艺流程，中段引进-21.24℃合成气中温冷源逆流换热形式，改进了不同温位换热器的换热效率，给出了逆流型双股流独立管束缠绕管式低温换热器的基本结构及换热工艺流程，以利于变换气冷却器用低温缠绕管式换热器的标准化。
本发明的技术特点：
本发明提出了变换气冷却器用低温缠绕管式换热器，采用双股流独立管束型缠绕管式变换气冷却器替代传统的单股流列管式换热器，两股管束之间按缠绕先后顺序拥有独立的缠绕管束，各自单独缠绕，缠绕后可按次序单独加工并安装，管道每层之间不再进行交叉缠绕，各管束沿轴向缠绕高度可以不同，按照壳程温度梯度及两股管束温度与壳程流体温差值大小，由里向外设置换热管束的缠绕次序及管束缠绕高度，采用中段设置第二管束并打入第二冷源的方式，达到提高单位体积换热效率的目的。该换热器具有结构紧凑，单位体积换热面积大，可实现多股流换热，传热管热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少工艺换热设备数量等特点，以替代传统的单股流变换气冷却器用换热器。本发明主要应用管程尾气及管程合成气两股冷流预冷壳程变换气，是一种双股流管束按先后次序经层层缠绕后形成的独立管束型双股流螺旋缠绕管式热交换设备，根据换热温度梯度设置换热器独立管束缠绕高度，采用中段打入中温冷源、双股流及单股流换热区域上下设置，通过锥形过渡壳体(22)连接，整体换热器为上大下小的塔式换热器，以满足变换气冷却器利用系统工艺余冷对变换气进行预冷的工艺特点。换热过程中避免了两股冷源管束由于存在较大温差而相互传热的过程，节约了换热面积，提高了换热效率，缩小了换热器体积。本发明给出了变换气冷却器用低温缠绕管式换热器的基本结构及换热工艺流程，再根据目前已有双股流缠绕管式换热器螺旋管束的缠绕方法及换热工艺计算方法，可获得变换气冷却器用低温缠绕管式换热器的完整设计计算方法。
附图说明
图1所示为变换气冷却器用低温缠绕管式换热器主要部件图
具体实施方式
首先，加工制造变换气冷却器用低温缠绕管式换热器主要部件，包括上封头(1)、尾气出口管板(2)、尾气出口管箱(3)、尾气出口接管(4)、合成气出口管束(5)、第一支持圈(6)、上壳体(7)、中间隔板(8)、合成气进口接管(9)、合成气进口管箱(10)、合成气进口管板(11)、隔板(12)、下壳体(13)、尾气进口管束(14)、下封头(15)、变换气出口接管(16)、裙座(17)、尾气进口管板(18)、尾气进口管箱(19)、尾气进口接管(20)、第三支持圈(21)、锥形过渡壳体(22)、合成气进口管束(23)、第二支持圈(24)、合成气缠绕管束(25)、尾气缠绕管束(26)、芯筒(27)、合成气出口管板(28)、合成气出口接管(29)、合成气出口管箱(30)、尾气出口管束(31)、变换气进口接管(32)等。其次，加工制造管芯，联接各部件并分别组装缠绕管式换热器壳体及联接件，将尾气缠绕管束(26)绕芯筒(27)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)及下壳体(13)内；合成气缠绕管束(25)绕尾气缠绕管束(26)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)内；芯筒(27)一端安装第一支持圈(6)，中间安装第二支持圈(24)，一端安装第三支持圈(21)，第一支持圈(6)固定于上壳体(7)上部，第二支持圈(24)固定上壳体(7)下部，第三支持圈(21)固定于下壳体(13)下部，尾气缠绕管束(26)缠绕于第一支持圈(6)与第三支持圈(21)之间，合成气缠绕管束(25)缠绕于第一支持圈(6)与第二支持圈(24)之间。上壳体(7)上部右侧安装合成气出口管板(28)，合成气出口管板(28)右侧联接合成气出口管箱(30)、合成气出口管箱(30)右侧联接合成气出口接管(29)；上壳体(7)上部左侧安装尾气出口管板(2)，尾气出口管板(2)左侧联接尾气出口管箱(3)，尾气出口管箱(3)左侧联接尾气出口接管(4)；上壳体(7)下部左侧安装合成气进口管板(11)，合成气进口管板(11)左侧联接合成气进口管箱(10)，合成气进口管箱(10)左侧联接合成气进口接管(11)；下壳体(13)下部右侧安装尾气进口管板(18)，尾气进口管板(18)右侧联接尾气进口管箱(19)，尾气进口管箱(19)右侧联接尾气进口接管(20)；下壳体(13)下部下封头(15)联接变换气出口接管(16)；下壳体(13)底部联接裙座(17)。然后，联接上下壳体，将上壳体(7)底部联接锥形过渡壳体(22)，锥形过渡壳体(22)底部联接下壳体(13)。最后，通过检测合格后接入工艺流程。将尾气在-51.3℃、0.196MPa时通过尾气进口接管(20)进入尾气进口管箱(19)，再经尾气进口管束(14)分配于尾气缠绕管束(26)，尾气缠绕管束(26)经螺旋缠绕后在下壳体(13)内被来自上壳体(7)内的变换气加热，温度升高至-21.24℃、压力降低至0.1795MPa，再进入上壳体(7)，被来自上壳体(7)的变换气加热，尾气温度升高至31.24℃、压力降低至0.163MPa，再经尾气出口管束(31)进入尾气出口管箱(3)，通过尾气出口接管(4)流出换热器。将合成气在-21.24℃、5.508MPa时通过合成气进口接管(9)进入合成气进口管箱(10)，再经合成气进口管束(23)进入合成气缠绕管束(25)，合成气缠绕管束(25)经螺旋缠绕后在上壳体(7)内被来自上壳体(7)的变换气加热，合成气温度升高至31.24℃、压力降低至5.468MPa，再经合成气出口管束(5)流至合成气出口管箱(30)，通过合成气出口接管(29)流出换热器。将变换气在37.74℃、5.674MPa时通过变换气进口接管(32)进入上壳体(7)，与螺旋盘管外部的合成气缠绕管束(25)内的合成气及螺旋盘管内部的尾气缠绕管束(26)内的尾气进行换热，温度降至11.34℃、压力降至5.654MPa时，通过锥形过渡壳体(22)进入下壳体(13)，继续与尾气缠绕管束(26)内的低温尾气进行换热，温度降至-15.06℃、压力降至5.634MPa时通过变换气出口接管(16)流出下壳体(13)，完成整个预冷过程。

Claims (3)

1.变换气冷却器用低温缠绕管式换热器，包括上封头(1)、尾气出口管板(2)、尾气出口管箱(3)、尾气出口接管(4)、合成气出口管束(5)、第一支持圈(6)、上壳体(7)、中间隔板(8)、合成气进口接管(9)、合成气进口管箱(10)、合成气进口管板(11)、隔板(12)、下壳体(13)、尾气进口管束(14)、下封头(15)、变换气出口接管(16)、裙座(17)、尾气进口管板(18)、尾气进口管箱(19)、尾气进口接管(20)、第三支持圈(21)、锥形过渡壳体(22)、合成气进口管束(23)、第二支持圈(24)、合成气缠绕管束(25)、尾气缠绕管束(26)、芯筒(27)、合成气出口管板(28)、合成气出口接管(29)、合成气出口管箱(30)、尾气出口管束(31)、变换气进口接管(32)，其特征在于：尾气缠绕管束(26)绕芯筒(27)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)及下壳体(13)内；合成气缠绕管束(25)绕尾气缠绕管束(26)缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于上壳体(7)内；芯筒(27)一端安装第一支持圈(6)，中间安装第二支持圈(24)，另一端安装第三支持圈(21)，第一支持圈(6)固定于上壳体(7)上部，第二支持圈(24)固定上壳体(7)下部，第三支持圈(21)固定于下壳体(13)下部，尾气缠绕管束(26)缠绕于第一支持圈(6)与第三支持圈(21)之间，合成气缠绕管束(25)缠绕于第一支持圈(6)与第二支持圈(24)之间；上壳体(7)上部右侧安装合成气出口管板(28)，合成气出口管板(28)右侧联接合成气出口管箱(30)、合成气出口管箱(30)右侧联接合成气出口接管(29)；上壳体(7)上部左侧安装尾气出口管板(2)，尾气出口管板(2)左侧联接尾气出口管箱(3)，尾气出口管箱(3)左侧联接尾气出口接管(4)；上壳体(7)下部左侧安装合成气进口管板(11)，合成气进口管板(11)左侧联接合成气进口管箱(10)，合成气进口管箱(10)左侧联接合成气进口接管(11)；上壳体(7)底部联接锥形过渡壳体(22)，锥形过渡壳体(22)底部联接下壳体(13)；下壳体(13)下部右侧安装尾气进口管板(18)，尾气进口管板(18)右侧联接尾气进口管箱(19)，尾气进口管箱(19)右侧联接尾气进口接管(20)；下壳体(13)下部下封头(15)联接变换气出口接管(16)；下壳体(13)底部联接裙座(17)。
2.根据权利要求1所述变换气冷却器用低温缠绕管式换热器，其特征在于：尾气缠绕管束(26)沿连续层数独立缠绕，合成气缠绕管束(25)沿连续层数独立缠绕，尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)之间不再层内及层间交叉缠绕，尾气缠绕管束(26)与合成气缠绕管束(25)两者具有不同的缠绕高度。
3.根据权利要求2所述变换气冷却器用低温缠绕管式换热器，其特征在于：变换气冷却器用低温缠绕管式换热器应用缠绕管式换热器管程工艺尾气逆流换热并冷却壳程变换气，再采用中段引进合成气中温冷源构成双股流独立管束型缠绕管式换热器，应用两股冷源管束即管程工艺尾气独立管束及管程合成气独立管束逆流换热并预冷壳程变换气；尾气在-51.3℃、0.196MPa时通过尾气进口接管(20)进入尾气进口管箱(19)，再经尾气进口管束(14)分配于尾气缠绕管束(26)，尾气缠绕管束(26)经螺旋缠绕后在下壳体(13)内被来自上壳体(7)内的变换气加热，温度升高至-21.24℃、压力降低至0.1795MPa，再进入上壳体(7)，被来自上壳体(7)的变换气加热，尾气温度升高至31.24℃、压力降低至0.163MPa，再经尾气出口管束(31)进入尾气出口管箱(3)，通过尾气出口接管(4)流出换热器；合成气在-21.24℃、5.508MPa时通过合成气进口接管(9)进入合成气进口管箱(10)，再经合成气进口管束(23)进入合成气缠绕管束(25)，合成气缠绕管束(25)经螺旋缠绕后在上壳体(7)内被来自上壳体(7)的变换气加热，合成气温度升高至31.24℃、压力降低至5.468MPa，再经合成气出口管束(5)流至合成气出口管箱(30)，通过合成气出口接管(29)流出换热器；变换气在37.74℃、5.674MPa时通过变换气进口接管(32)进入上壳体(7)，与螺旋盘管外部的合成气缠绕管束(25)内的合成气及螺旋盘管内部的尾气缠绕管束(26)内的尾气进行换热，温度降至11.34℃、压力降至5.654MPa时，通过锥形过渡壳体(22)进入下壳体(13)，继续与尾气缠绕管束(26)内的低温尾气进行换热，温度降至-15.06℃、压力降至5.634MPa时通过变换气出口接管(16)流出下壳体(13)，完成整个预冷过程。
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