CN105829824B

CN105829824B - 具有多边形截面的壳体的壳管式热交换器和加压设备

Info

Publication number: CN105829824B
Application number: CN201480068125.6A
Authority: CN
Inventors: 恩里科·里奇
Original assignee: Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: EP2886999A1; WO2015091442A1; US9919281B2; CN105829824A; US20160303533A1; SA516371354B1; EP3084333A1

Abstract

一种热交换器，其包括管束(1)和围绕所述管束(1)的壳体(2)，所述管束包括正方形排列或三角形排列布置的管(3)，其中，所述壳体(2)在垂直于所述管的平面内具有不规则多边形的形式的横截面；所述不规则横截面的多边形的边的数目在所述管具有三角形排列或正方形排列时为3的倍数或4的倍数；所述横截面的多边形的所述边平行于所述管的方向线。

Description

具有多边形截面的壳体的壳管式热交换器和加压设备

技术领域

本发明涉及包括壳体内部的管束(壳管式)的管式热交换器和加压设备。

背景技术

包括管束的交换器总是包括在用于高压的壳体(高压壳体)的内部，该交换器能够承受工艺流体的压力或在任何情况下它们容纳在反应器的内部，该交换器还装备有高压壳体。

出于机械强度的原因，这些壳体具有圆形横截面。前述的反应器的内部构造还通常具有轴对称性并且包括具有圆形横截面的同心圆柱。容纳在前述设备内部的壳管式交换器可以设置有其本身的壳体，其本身的壳体通常不会受到内部和外部之间的显著的压差，并且为此该壳体被称为低压壳体。在现有技术中，所述低压壳体还通常为具有圆形横截面的圆柱，该管通常以正方形排列或三角形排列(pitch)布置。

管的具有正方形排列或三角形排列布置形成管的包络部，该包络部不完全地匹配圆形横截面。因此，由于壳体的圆柱形状，不可避免地存在管束的外围和壳体本身之间的旁路区域。

事实上，以正方形或三角形排列布置的管不能密切地匹配圆柱壳体的圆形横截面，并且设计者必须有必要在壳体的邻近处留下自由区域(不具有管)。所述区域被称为“旁路区域”，这因为通过它们的流体围绕管束流动，而不是流动通过该管束，并且事实上其不与管交换热。这些区域不可忽略，并且在一些情况下呈现了高达整个可使用的横截面的10％或20％。

当管的直径相较于壳体的直径相对大时，该问题甚至更严重。具有相对大的直径的管事实上易于留下较大的旁路区域。在其中管基本上布置在围绕中心管道(例如，用于向下或向上传输液流)的圆形环中的所谓的环形管束的情况下，该问题更严重，因为它们既在内圆周上(即，接近中心管道)又在接近于壳体的外圆周上形成旁路区域。

例如，前述的旁路区域降低了包括管束交换器的催化反应器的性能，该催化反应器例如被内冷却的等温反应器或多床反应器。

在现有技术中，在某些情况下，利用以正多边形形式的横截面的壳体，已经进行了多种尝试来减少这些缺陷，该多边形例如具有三角形排列的管的六边形。这些壳体尽管密切地配合管的布置并且消除了旁路区域，但是这些壳体不匹配形成反应器的内部构造的高压壳体或元件的圆形横截面。

因此，高压壳体必须被制成比通常所需要的直径更大的直径。例如，在六边形的情况下，可应用的壳体的最小直径被外切于该六边形的圆给出，即，接触所述正多边形的顶点的圆。这导致了非最优地使用设备的内部体积。

例如，具有1000mm的直径的壳体具有大约785,000mm²的内部横截面，同时内切于内部的六边形具有大约650,000mm²的横截面，并且内切的八边形具有大约707,000mm²的横截面。在六边形壳体的情况下，相较于具有785,000mm²的横截面的壳体，可使用的交换横截面仅仅为650,000mm²(大约83％)，这意味着该设备的横截面的大约17％不能被利用。类似地，可以计算出，八边形壳体的横截面的大约10％是不可用的。

前述值指的是其中低压壳体的顶点与高压壳体一致的情况，事实上由于结构原因和与工艺相关的原因不会发生该情况，因此，在实践中，高压壳体的直径的增大比前面所估计的更大。

该现有技术的描述可以在US5251693A、CN201772781U和JP S59229186A中找到。

关于这点，重要的是要注意到，高压壳体通常是昂贵的，并且对于相同的设计条件(压力和温度)，壳体的直径的增大导致厚度的增大、具有明显更大的重量并且因此较高的成本。该差异是以上三者越大，设备的设计条件(压力和温度)更严格。还应当考虑突缘和盖的成本。

例如，考虑由钢制成的10m长并且在5bar的压力(和200℃)下设计的圆柱设备，500mm的直径对应于大约430kg的重量，同时1000mm的直径对应于大于1100kg的重量。如果需要承受更大的压力，更大的直径还需要厚度的增大，并随之的大得多的重量。

发明内容

本发明旨在克服前述的缺点。该目的通过根据本发明的热交换器实现。

形成本发明基础的理念是提供一种具有不规则多边形的横截面的壳体，所述不规则多边形具有平行于所述管的方向线的边。所述不规则多边形的边的数目为表达管的布置的数目的倍数，对于具有三角形排列的管，所述参数等于3；对于具有正方形排列的管，所述参数等于4。这形成了具有可能被限定为交错的或阶梯形的形式的低压壳体。

术语管的“方向线”表示在通过所述管的横截面的中心而与管的轴线(也被称为管束的纵向轴线)垂直的平面内的直线。对于具有正方形排列的管，所述方向线具有间隔开45°角的方向；对于具有三角形排列的管，所述方向线具有间隔开60°角的方向。参考具有0°的常规方向的第一方向线，所述方向线分别具有以下的方向：

(a)对于以三角形排列布置的管，方向为60°和120°；或

(b)对于具有正方形排列的管，方向为45°、90°、135°。

在所述管具有三角形排列时，所述边的数目为3的倍数；在所述管具有正方形排列时，所述边的数目为4的倍数。所述不规则多边形的边平行于正切于管的束的外围的平面。

如果p表示管的布置的参数，则壳体的边n的数目可以通过以下等式表示：

n＝m p

其中，对于具有三角形排列的管，p等于3；对于具有正方形排列的管，p等于4，

m为大于1的整数。

根据本发明提供的不规则多边形形式的横截面导致了与圆形横截面的良好匹配，并且因此壳体的壁保持接近于外围管，并且因此旁路区域很小。在催化反应器中，该优点还等效于用于催化剂的更大的可用体积。

根据本发明的壳体基本上消除了旁路区域并且使与管数目有关的高压壳体的直径并且因此热交换容量(占空)最小化。因此，本发明克服了具有圆形横截面的壳体和具有正多边形横截面的壳体的缺点，尽管易于构造，但是其相较于理论上需要的最小值而具有旁路区域和/或更大的直径的缺点。

因此，根据本发明的壳体呈现在构造简化和需要使加压本体的直径最小化之间的折中。该折中越有利，高压壳体的设计条件越严格。

如已知的具有很大数目的边的多边形趋向于密切地匹配圆形，即，多边形壳体趋向于朝向圆柱壳体的形式。然而，申请人已经发现，倍数m在2和4之间的实施方式可能是令人满意的。在优选的实施方式中，对于正方形排列，边的数目等于24；而对于三角形排列，边的数目等于18。

本发明的优选实施方式的数目涉及用于具有其自身壳体的设备的内部构件的热交换器，例如用于化学反应器的内部构件。在这些应用中，操作压力由设备的壳体负荷，该设备的壳体可以为常规的圆柱壳体。具有多边形横截面的壳体(或内壳体)反而受到内部和外部之间的相对较小的压力差(例如，几bar)并且可以被称为“低压”壳体。

例如，所述操作压力可以是对于例如用于氨或甲醇合成的化学反应器必要的高压。例如，内壳体所经受的压力的差可能由于压力损耗。

在一些实施方式中，该设备设置有中心管。例如，具有中心管的实施方式应用在化学反应器中用于在流体开始沿着壳体侧通过之后而向上输送预热的流体。优选地，该中心管还具有阶梯形形式。

在一些优选实施方式中，管束包括用于支撑所述管并且用于防止振动的挡板。所述挡板限定用于管的贯通开口的合适的配置，例如它们限定了用于水平、竖直或对角的管的各个行的拉长狭槽。更优选地，邻近的挡板具有用于支撑不同支撑面内的管的开口配置，从而防止在任何方向上的振动。例如，这些结构元件是已知的折流杆(rod baffle)，并且不需要详细描述。

优选地，管束可从壳体抽取。然而，该特征不是必要的。

本发明的优点包括围绕外围管的旁路区域的减小，这是由于壳体的阶梯形形式的结果。在横截面中观看，棱柱壳体的面为平行于管的方向线的线；结果，所述壳体的所述面实际上正切于外围管，无论它们具有正方形排列还是三角形排列。获得本发明的优点用于圆柱壳体和具有规则的棱镜形状的壳体，例如具有以正多边形形式的横截面。本发明的另一优点是，对于相同数目的管，壳体的尺寸可以是受限的。在用于交换器或催化反应器的内部构件的设备中，该优点可以导致针对用于催化剂的有用体积或体积的增大。其它相关的优点包括更小的重量和更低的成本。

借助于下文中涉及优选实施方式的数目的详细描述，本优点将更清晰地显示出来。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的管式设备的示意性横截面视图；

图2显示了图1的细节；

图3是根据本发明的第二实施方式的管式设备的示意性横截面视图；

图4显示了图3的细节；

图5显示了根据第三实施方式的示意性横截面视图；

图6显示了根据另一实施方式的具有中心管道的管式设备的示意性横截面视图；

图7显示了图6的细节；

图8是根据本发明的各种实施方式中的一者的管束的一部分的轴测视图。

具体实施方式

图1示意性显示了具有壳体2的管束1的横截面。管束1包括以正方形排列布置的多个管3。

如从图2中显示的细节可以注意到的是，四个邻近的管3的轴线以正方形的顶点的方式布置。由于正方形排列布置，管3沿着间隔开45°的方向线3.1、3.2、3.3以及3.4而布置。例如，将与方向线3.1一致的直线作为参照，管的方向线由角0°、45°、90°和135°限定。

壳体2具有不规则多边形的横截面。该截面被理解为从垂直于管3的平面中观看，即，垂直于管束的纵向轴线(对应于图1和图2的平面)。

所述不规则多边形的边的数目n为参数p的倍数，该参数p通常表示管3的布置。对于三角形排列，所述参数p等于3，对于正方形排列，所述参数p等于4。

在图1中显示的具有带正方形排列的管的示例中，壳体2基本上为包括24个面的棱镜。从横截面观看的多边形因此出现为具有24个边的不规则多边形。

壳体2的横截面的多边形的边平行于管的方向线。每一边平行于方向线中的一者。在图2中，例如，可以看到的是，边2.1平行于方向线3.1，边2.2平行于方向线3.4，边2.3平行于方向线3.1，边2.4平行于方向线3.4，边2.5平行于方向线3.3。

在其它设备中，如从图1可以注意到，横截面的多边形包括还平行于其它方向线3.2的边。

看图1，可以看到的是，阶梯形壳体2能够围绕具有正方形排列的管束(例如，所显示的束1)，而不留下围绕外围管的任何主旁路区域，这与常规的圆柱壳体不同。

图3和图4显示了管的具有三角形排列的实施方式的变型。出于简洁，使用了如图1中那些附图标记相同的附图标记。

壳体2具有带18个边的不规则多边形的横截面。横截面平面内的管3.1、3.2、3.3的方向线间隔开60°的角，即，例如相对于平行于方向3.1的参考方向，以0°、60°和120°的角定向。在图3中显示的细节中，可以看到的是，边2.1平行于方向线3.1，边2.2平行于方向线3.3，以此类推。

图5显示了具有更多数目的边的壳体2的细节，特别是具有三角形管排列的60个边。可以看到的是，阶梯形壳体2密切地匹配圆柱壳体，圆柱壳体的横截面由附图中的虚线4表示。然而，阶梯形壳体具有以下优点：其不留下旁路区域，例如，如由5表示的区域。

图6显示了其中设备还包括中心管道6的实施方式。因此，管束1布置在壳体2和管道6之间的环中。有利地，根据前面所描述的，管道6还具有阶梯形横截面，其边平行于管的方向线。

内部管道的横截面的多边形的边同样为表示管的排列的参数的倍数，并且平行于管的方向线。内部管道的边(即，面)的数目不必等于外壳的边的数目，优选地，内部管道的边的数目更小。

例如在图7中显示了管道6的两个边6.1、6.2。管道6具有带12个边的横截面，同时壳体2具有带24个边的横截面。

还具有阶梯形横截面的内部管道的设计具有另一优点：允许容纳某些数目的附加管。该优点显示在图7中，可以注意到的是，由于管道6的阶梯形形式，用于容纳三个管的有用体积8可被恢复。

图6中的示出仅仅作为示例而提供，并且从外围到中心更换管的优点可以在设置有更多数目的管的设备的情况下更明显。

图8显示了管束的具有三角形排列的简化的轴测视图，管束设置有根据本发明的壳体2。该附图还显示了管束的轴线9(其平行于管3)；图1至图7中显示的横截面为沿着垂直于所述轴线9的平面的横截面。

Claims

1.一种热交换器，其包括管束(1)和围绕所述管束的壳体(2)，所述管束包括以正方形排列或三角形排列布置的管(3)，其特征在于，

所述壳体(2)在垂直于所述管的平面内具有不规则多边形的形式的横截面；

所述横截面的多边形的边的数目在所述管具有三角形排列时为3的倍数，在所述管具有正方形排列时为4的倍数；

所述壳体(2)的所述横截面的多边形的所述边(2.1-2.5)平行于所述管束的所述管的方向线(3.1-3.4)，

并且在于，所述热交换器包括中心管道(6)，其中，所述管束的所述管布置在所述壳体(2)和所述中心管道(6)之间的环内。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管束(1)的所述管(3)具有正方形排列，并且所述管的所述方向线为在与所述管的轴线垂直的平面内的直线，所述方向线具有间隔开45°角的方向。

3.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管束(1)的所述管(3)具有三角形排列，并且所述管的所述方向线为在与所述管的轴线垂直的平面内的直线，所述方向线具有间隔开60°角的方向。

4.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述中心管道(6)还在垂直于所述管的平面内具有不规则多边形的形式的横截面；并且其中，

所述管道(6)的所述横截面的多边形的边的数目在所述管具有三角形排列时为3的倍数，在所述管具有正方形排列时为4的倍数；

所述管道(6)的所述横截面的多边形的所述边(6.1，6.2)还平行于所述管束的所述管的方向线(3.1-3.4)。

5.如权利要求4所述的热交换器，其中，所述管道(6)的横截面的多边形的边(6.1，6.2)的数目小于所述壳体(2)的横截面的多边形的边的数目。

6.如权利要求1-5中任一项所述的热交换器，其中，所述管束能够从所述壳体抽取。

7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管束包括用于支撑所述管并且用于防止振动的挡板。

8.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器用于用作加压设备或化学反应器的内部交换器。

9.一种加压设备，所述加压设备包括如权利要求1-8中任一项所述的热交换器。

10.如权利要求9所述的加压设备，其中，所述加压设备为化学反应器。

11.如权利要求10所述的加压设备，其中，所述加压设备为用于氨或甲醇的合成的催化反应器。