CN105849497B - 管式热交换单元、加压设备和组装管式热交换单元的方法 - Google Patents

管式热交换单元、加压设备和组装管式热交换单元的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于热交换器或反应器的内部构件的管束式热交换单元(1)，所述热交换单元(1)包括：至少一个管束(2)；多个挡板(3)，所述多个挡板(3)与所述管束关联并且根据预定布置限定贯穿开口，每一个开口由管束的一根或多根管穿过；以及壳体(6)，所述壳体(6)围绕所述管束和所述挡板，其中，所述管束和所述壳体的组件可被拆卸并且所述壳体与所述管束通过所述挡板在结构上配合。

Description

管式热交换单元、加压设备和组装管式热交换单元的方法
技术领域
本发明涉及一种用于热交换器或反应器、特别是用于化学或石化工业的反应器的内部构件的管式热交换器单元。本发明的优选应用包括用于催化反应器、例如中间冷却的多床反应器的内部构件的气与气交换器。本发明通常还应用在管式设备(例如，热交换器或反应器)中，所述管式设备包括适合于承受预定操作压力的外壳体和围绕管束的第二内壳体。
背景技术
已知需要将管束式热交换单元安装在化学反应器、热交换器或其它设备的内部。著名的示例是在多个床之间包括一个或多个中间的气与气热交换器的多床反应器，例如在EP 0 376 000中描述的反应器。
被设计用于反应器或其它设备的内部构件的热交换器单元具有其本身的壳体，该壳体通常被限定为内壳体或低压壳体。该反应器或设备包括另一壳体，即，外壳体，该外壳体被合适地设计成承受操作压力并且被限定为高压壳体。
外壳体或高压壳体通常应当承受从内部到外部的操作压力，该操作压力通常为几十巴(bar)或在一些情况下大于100bar，并且所述外壳体或高压壳体被相应地设计。
反而，内壳体或低压壳体通常经受从外部到内部(即，指向轴线)操作的径向压力。事实上，在包括已知的“助熔(fluxed)”氨反应器的大多数应用中，壳体内部和外部的压力由流体本身产生，该流体穿过壳体外部的第一通道，并且之后进入内部。因此，壳体内部的压力低于作用在外表面上的压力，这由于流体流的压力损失。换句话说，该壳体可被认为是圆柱体，该圆柱体经受来自外部的压力，所述压力等于流体的压力损失(delta-p，即Δp)。
如众所周知的，甚至在相对低的压力下，经受外部压力的圆柱体上所施加的应力也可能引起圆柱体的不稳定性和崩溃。为此，无论如何，内壳体的壁必须具有这样的厚度，该厚度增加了其重量并提高了其成本。
现有技术的另一共同特征是挡板的存在，挡板支撑管，从而防止振动。制造所述挡板的已知方法是所谓的折流杆配置，其在其它文献中被描述在US 5,058,664和US 5,642,778中。所述配置提供用于支撑该挡板的纵向杆的框架。
用于构造用于内部构件的热交换器单元的已知技术基本如下：由管束、挡板和相应的框架形成的组件被实现并且被引入到圆柱壳体的内部。具有其各的挡板的管束与壳体在结构上是独立的，这意味着壳体被设计用于自主地承受内部和外部之间的操作压力的差(delta-p，即Δp)。根据上述技术实现的壳体被限定为自支撑的。
该技术具有若干的问题和缺点，这些问题和缺点迄今尚未得到克服。
第一问题由表示横穿壳侧的流体的管束的旁路而给出。该效果是由于壳体和管束之间的区域的存在，该区域未被管(旁路区域)占据并且不能被消除。挡板的环有助于形成所述旁路区域：事实上所述环的厚度限定了邻近于所述壳体的不能被管占据的区域。
当管的直径相较于壳体的直径而相对大时，旁路区域是更大的，并且这在用于反应器(该反应器的壳体具有小的直径)的内部的热交换器的领域中经常是这样的情况。在一些情况下，旁路区域可以大于可使用的流动横截面的20％到30％。在一些实施方式中，管以圆环、在内管和外壳体之间被分布，并且因此，在内圆周和外圆周上均存在旁路区域。
当热交换器为可抽出式的管束型时，挡板外圆周和壳体内直径之间的间隙量(这确保了管束抽出)增大至旁路区域。
支撑挡板的框架是重的并且成本高的结构，并且导致了用于管的有效体积的损失。而且，众所周知的，管组装是困难的。管应当利用非常精确的配合穿过挡板的开口，否则挡板将不能够防止管的振动。可适用的规范规定了管和挡板之间非常小的间隙量(实际上是零间隙)并且通常管必须被约束在管束内部，这引起了长的组装时间和损坏的风险。
替选的实施方式提供了焊接或固定在壳体内部的挡板。然而，在这些实施方式中，管束不可抽出并且不可拆卸的，这引起了显著的缺点。不可拆卸的管束使得维修操作更加复杂。而且，由于焊接挡板的存在，管必须在挡板与壳体组装之后被插入，这涉及到很大的困难。因此，所述替选的实施方式尚不能获得很大的成功。
实际上，现有技术教导了可抽出的管束需要结构上独立的壳体并且该技术迄今已经被视为可唯一适用的。
在现有技术中尚未完全实现的另一需求如下。在一些应用中，令人满意的是将壳侧分成若干个分隔部，或提供给壳侧流体以预定入口和/或出口位置。例如，在多床反应器中，离开壳侧的气体通常必须被供给至随后的催化床，并且热交换器单元应当被优选地设计，从而在床的供给点处容纳气体出口，否则需要专用的管或歧管，以便重新导向该气体，这导致若干的缺点，例如更大的复杂度、更大的尺寸、压力损失。
还存在与尺寸的减小而相关联的问题。例如，关于催化反应器，熟知的是，反应器内部的空间是非常重要的，这因为其基本上确定了催化剂的体积，即，有助于转化的有效体积。这尤其是旨在增加产量的改造操作的情况下是正确的，其中进行了多种尝试来恢复现有的反应器内部的有效体积。位于随后的床之间的交换器的体积对于催化剂是不可用的，并且因此存在很大的动机来减小交换器的尺寸。另一重要的因素是交换效率，其反过来影响了尺寸。
US-A-4 689 969公开了一种冷藏气体分离设备的管束式热交换单元，所述管束式热交换单元包括壳体和多个挡板。
发明内容
本发明旨在解决前述的问题并且提供用于高压设备的内部构件的交换器，相较于现有技术，其允许更高的效率；针对相同的性能(交换区域、压力损失)更紧凑的设计；针对用于壳侧的气体的入口和出口的位置允许配置的更大的灵活性；对于维修操作易于执行和拆卸；更低的成本。
因此，这些目的通过根据本发明的热交换单元来实现。
热交换单元的特征是，由所述管束和所述壳体形成的组件是可拆卸的，也就是说，其可被拆卸，并且所述壳体与所述管束通过所述挡板在结构上配合。因此，壳体上可能的应力部分地由所述管束本身承受。例如，所述应力为从外部操作在壳体上的压力。
术语“可被拆卸的组件”表示管束可以与壳体分离，而无需抽出管。这可以优选地通过壳体和管束的挡板之间的可拆卸的连接来实现。根据本发明，可拆卸的组件还可以包括若干的焊接点，设置所述焊接点是局部的并且被制成是可接近的，以便在拆卸过程中允许容易的研磨而不损坏部件。
在一个优选的实施方式中，管束的挡板包括外围边缘环，并且通过壳体停靠在所述环上给出壳体与管束之间的结构上的配合。因此，作用在壳体上的应力(例如外部压力或外部压力和内部压力之间的差)至少部分地被传递至环，该环充当了壳体本身的加强元件。
相对于现有技术，挡板与管之间的连接(该连接是没有间隙或具有非常小的间隙量)给出了壳体、挡板和管之间的结构上的单元，使得对于相同的机械抵抗力，具有挡板的更薄的环和更薄的壳体的构造是可能的。这还确保了更高的热交换效率。
通常，壳体的外表面经受了高于操作在内表面上的压力的压力，因此，作用在所述壳体上的应力基本上与作用在所经受来自外部的等于外部和内部之间的压力差的压力的壳体上的应力相同。
壳体和挡板的环之间的接触区域可以沿着环的整个周长延伸，或沿着所述周长的一部分延伸。优选地，所述壳体在所述管束的所述挡板的所述环上停靠在所述管束的所述挡板的所述环的周长的至少50％。优选地，环具有圆形形状并且其周长通过圆周来表示。
根据本发明，壳体可以被限定为非自支撑的。壳体的厚度小于设计应力所需要的厚度，该设计应力可以根据标准规则(即，ASME)来计算，并且壳体抵抗力通过与管束结构上配合来给出。该特征在下文中将简短地被指示为“小厚度”。
在某些实施方式中，挡板通过直接地固定至壳体的杆而实现，并且在该情况下，所述杆基本上充当壳体的支柱。
壳体可以由围绕管束的一个或多个圆周的扇形件形成，所述一个或多个圆周的扇形件的边缘沿着一个或多个纵向接头而接合。更详细地说，壳体的一个或多个扇形件可以通过平面金属片表示，所述平面金属片在组装过程中被弯折，以便围绕该管束。这通过壳体的小厚度是可行的。
以上提出了相对于现有技术的实质差异。在现有技术中，可以从壳体抽出的管束被构造成挡板充当将管保持就位的支撑元件，但是它们不与壳体在结构上配合，并且后者被设计成具有大的厚度的自支撑。
本发明的优点基本如下：壳体可以利用小的厚度实现，因此较轻并且成本较低，这是由于多亏与内部管束的结构配合，故其不需要是自支撑的；挡板的环也是薄的，因此减小了壳体和管束之间的间隙量，并且因此减小了不想要的旁路。挡板被壳体轴向地支撑并且导向，并且不需要现有技术的复杂的并且成本较高的支撑框架。框架的不存在增大了可用于管的空间，因此，针对相同的尺寸，热交换效率提高了。
可拆卸的设计使得更容易接近管束以用于清洁或检查。另一显著的优点是紧凑性。在催化反应器中，该优点是特别欣赏的，这是由于其允许恢复有效的催化体积。
针对相同的性能，本发明可以减少所需要的挡板的数目。在现有技术中，教导了一些额外的挡板通过使液流从壳体的壁朝向管束的中心偏离而具有减小旁路的唯一功能。然而，额外的挡板将在壳侧中引入另外的压力损失。本发明基本上移除了旁路并且允许仅安装用于避免管振动所需要的挡板，结果降低了成本并且减小了压力损失。
另一重要的优点在于，容易地提供壳侧上的横向分隔部和纵向分隔部的可能性。例如，利用盲挡板可以获得壳侧上的横向分隔部，同时壳体接头允许容易获得如在U形管的情况下所需要的几乎完美的密封的纵向分隔部，避免了在现有技术中反而不可缺少的成本更高的密封构件。
本发明的另一显著的优点通过以下事实给出：允许如本发明所描述的创新性的组装技术。该组装技术基本上设想：
提供包括管和各个挡板的管束，所述挡板至少在相对于所述管的轴向方向上自由地运动；
通过将一个或多个纵向壳体部重叠在管束上来组装壳体，
其中，所述壳体一旦定位就将停靠在管束的挡板上，并且此外，挡板通过壳体相对于管束而轴向地保持在其各个操作位置中。
由于挡板所提供的贯穿开口，根据本发明的组装方法具有简化管的插入的显著优点。在组装壳体之前，尽管在管和挡板中的开口之间的精确的公差，挡板相对于管也并未被轴向地限制并且具有某种运动自由度。这显著地方便了管的插入。例如，直的管束必须仅仅固定在两个管板上的中心。然后，例如通过模板，挡板被依次放置就位并且在组装壳体时被锁定在所期望的配置中。这显著地减少了组装时间和困难度并因此降低了成本。
本发明的其它方面和应用以及另外的优点在下文中描述。
在一些实施方式中，壳体具有非圆形的横截面。将壳体固定至管束的挡板事实上促进了非圆柱的壳体的构造。例如，该壳体可以具有：具有规则的多边形形式的横截面；具有不规则的多边形形式的横截面；包括一个或多个直线边和一个或多个曲线边、优选地为圆弧的横截面。根据优选的实施方式，壳体具有6、8或12条边的规则的或不规则的多边形横截面。本发明的其它变型包括：具有阶梯形的横截面的壳体；具有紧密地匹配圆形横截面的多边形横截面的壳体。所述阶梯形的横截面例如由近似圆形的以90°邻近并连续布置的多条边形成。
这些实施方式的优点是进一步减小了旁路区域，这是由于这样的事实：非圆形的横截面保持接近于挡板的边缘并且接近于管束的外围管。
壳体可以包括多个纵向部，优选地具有基本上等于管束的两个连续的挡板之间的距离或是该距离的倍数的长度。所述距离还被称为挡板的间距。这些实施方式可以被限定为“分段壳体”。作为单个并且可移除的部件形成的壳体可被视为单个段。
在本发明的一些实施方式中，挡板由直接地紧固至壳体的直杆形成的各个组件所形成。挡板因此不具有外围边缘或框架。
通常，包括挡板但无框架的实施方式具有设置有用于容纳形成挡板的杆的座部的壳体。所述座部例如可以为圆形孔或合适形状(例如矩形形状)的狭槽。
在包括挡板但无框架的实施方式中，用于便于组装的另一措施如下。壳体由纵向部分形成，并且用于容纳挡板的杆的座部可以：
-由形成在壳体的邻近部分的边缘中的两个半腔构成，或
-整体形成在多个部分的一者的边缘中。
例如，在第二种情况下，该多个部分具有顶部边缘和平滑的底部边缘，所述顶部边缘具有形成在其中的合适地成形的切口。当壳体的多个部分中的一者堆叠在另一者之上时，用于容纳挡板的杆的座部被沿着两个部分之间的边缘限定。
优选地，所述挡板和所述壳体之间的连接基本上液密的。术语“基本上液密的”被理解为意味着所述挡板和所述壳体之间的连接可被密封，或可以允许相较于所参与的整体吞吐量然而是可以忽略的旁路。
在一些实施方式中，管束的挡板的至少一者是盲的，即形成密封阻挡件，所述阻挡件防止在壳侧中的气体通道。盲挡板针对形成管束的管的外部是密封的。
一个或多个密封的盲挡板的存在(一个或多个密封的盲挡板可以与一个或多个纵向挡板组合和/或与由纵向部分形成的壳体组合)允许两个或多个流体通道形成在壳侧中，而具有很大的自由度和灵活性。例如，壳侧流体的入口点和出口点可以由设计者确定，这比现有技术具有更大的自由度。
本发明还涉及到一种设备、特别是一种用于化学或石化工业的反应器、或热交换器，所述设备包括能够承受预定操作压力的外壳体并且包括根据本发明的热交换单元。
优选的应用在于中间冷却的多床催化反应器。在这种情况下，一个催化床和下一个床之间的热交换器或催化床的出口处的热交换器根据本发明而有利地实现。
中间冷却的多床反应器在现有技术中熟知。通常，所述反应器包括环形催化床和一个或多个管式热交换器；所述热交换器的每一者同轴地插入到床的中心中；来自床的废气在进入下一个床之前穿过交换器的壳侧。在管的内部，冷却流体(例如可以为水、蒸汽或新鲜气体(反应物))循环并且因此被预热。
本发明还应用于现有的反应器的现代化。例如，中间冷却的多床型的反应器可以通过把一个或多个现有的中间床热交换器替换为根据本发明的热交换器(即，包括管束、多个管束挡板以及与挡板在结构上形成一体的壳体的热交换器)而现代化。
由于存在广泛的中间冷却的绝热床反应器，特别是在氨和甲醇生产领域中，故本申请是令人关注的，并且有迫切的需求通过提高这些反应器的能力而使其现代化。
在具有环形床和在床的中心中的中间交换器的反应器中，把常规的交换器替换为根据本发明的交换器允许第一床和第二床的内部收集器的直径减小，恢复在圆形壳体的情况下产生了旁路效果的作为气体的流出横截面的外表面。由于更高的交换效率，还可以减少管的数目并且获得更为紧凑的交换器。在一些实施方式中，单个的管束可以替换两个或多个常规的交换器，特别是由于分段壳体。以这样的方式，获得了例如管板的数目的减少的更有利的设计。
在部分打开的反应器中(也被称为“瓶式反应器”)，所述内部收集器的直径的减小可以导致进一步结构的简化。例如，这些反应器的内部仅仅经由具有相对小直径的开口(人孔)而进入，并且内收集器由多个部件形成，所述多个部件必须依次被引入到人孔内侧并然后被焊接在反应器内。该操作由于需要在反应器本身内部执行焊接，故时间长并且复杂。较小的内部收集器(其通过本发明是可行的)可作为一个零件而被引入通过人孔，具有显著的简化并且降低了成本。
借助于涉及到多个优选实施方式的以下详细说明，多个优点将更加清晰地出现。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施方式的管式热交换单元的示意图。
图2为根据本发明的多个不同实施方式中一者的管束的一部分的透视图，其中壳体被固定至管束的挡板。
图3和图4为图2的细节。
图5为具有圆柱壳体与管束的一部分的透视图，圆柱壳体设置有纵向接头并且在构造期间显示打开的。
图6为用于提供图5中显示的圆柱壳体的纵向接头的优选实施方式的细节。
图7显示根据图5的通过各个纵向接头闭合的壳体。
图8显示通过壳体支撑挡板的优选方式的细节。
图9显示具有由纵向部分形成的圆柱壳体的实施方式。
图10显示图9的细节“A”。
图11显示包括挡板但框架和杆没有直接地固定至壳体的实施方式的示例。
图12示出了用于组装根据本发明的一个实施方式的管式热交换单元的步骤的示例。
图13显示具有U形管的实施方式。
图14、图15、图16和图17为类似于图1的示意图，其显示了本发明的多个其它实施方式。
图18显示常规类型的多床催化反应器。
图19显示包括根据本发明的热交换单元的多床催化反应器。
具体实施方式
图1示出了用于反应器的内部构件的热交换单元1，其包括管束2(出于简洁，仅仅指示出管轴线)和一系列的挡板3。该示例显示了两个管板4和5之间的直管，但是在其它实施方式中，管束2例如可以为U形。
挡板3防止管的振动、促进热交换并且限定了贯穿开口，每一个贯穿开口由一根或多根管(例如一排管)穿过。根据折流杆结构技术或其它已知的技术，邻近的挡板可以在不同方向上支撑管。
交换器1包括壳体6，所述壳体6围绕管束2，并且根据本发明，所述壳体6与穿过挡板3的管束2在结构上形成一体并且可以被拆卸。图1的箭头G表示穿过交换器2的壳侧、靠近板4进入并且靠近板5离开的流体。
挡板3彼此间隔开间距p，该间距优选地是恒定的。
液流G与在管束2内部穿过的另一液流交换热。在一些应用中，交换器1为气与气交换器；气体G包含反应物和反应产物并且为催化床的废物；例如，管内部的液流包含被预热的反应物。在其它应用中，管内部的流体可以包含水、蒸汽等等。
现在参考结构方面，图2显示可行的实施方式中的一者，其中壳体6由具有阶梯形的多边形形状的壁7形成。所述壁7通过销钉8可移除地固定至挡板3的框架10。附图标记9表示形成管束2的多根管。
该设备包括多个挡板3，所述多个挡板3以类似于图1中显示的方式间隔开间距p。挡板用附图标记3统一表示。图2显示具有用于管的开口的不同布置的两个挡板3.1和挡板3.2，特别是成90°定向的不同布置。
挡板3的形式和到壁7(形成壳体6)的结构连接在图3和图4中更为清晰地可见。
挡板3基本上包括外围框架或边缘环10和以杆11形式的直的且平行的元件，它们限定了用于管9的开口12。每一开口12容纳某一数目的管。在邻近挡板中的开口12可以在垂直于管的轴线的平面内不同地定向，例如它们定向成90°，以便在互补的支撑平面中支撑管，如通过比较图3和图4中显示的细节而可被理解。
应当注意的是，杆11表示多个挡板3的结构形式中的一者，并且针对不同类型的挡板(例如，网格挡板)可以有等效的实施方式，其本身是已知的并因此在这里不再详细描述。
在所显示的示例中，框架10具有阶梯形的多边形形式，这基本上类似壁7的形式；在其它的实施方式中，框架10具有不同的形式，例如其为规则或不规则的多边形或圆周。
壳体6的壁7可以由不同的纵向部分和/或由一起围绕管束2的不同部分形成。
销钉8与壁7的孔眼13和挡板3的框架10的对应的凸耳14的孔15接合，确保了对所述挡板3的定位和轴向支撑。多个孔15的一者在图4中可见。
可以理解的是，通过与销钉8的可拆卸的连接，壳体6在结构上与挡板3配合。壳体直接地支撑挡板3并且特定的框架或结构不是必要的，这反而在现有技术中是必需的。相同的挡板3充当壳体6的横肋，与可被特别地轻薄制成的壳体的强度配合。
由于阶梯形的多边形形式，管的潜在的旁路空间(在图2中用标记SBP表示)非常小。这是因为阶梯形的壁7保持非常靠近于该管束2的外围管9并且比圆形横截面更良好地匹配它们的布置。此外，如在图3和图4中可以注意到的，框架10的小的厚度(由于结构配合)有助于减小所述旁路空间SBP。
通常存在于挡板的外圆周和壳体的内壁之间的间隙量同样被移除了，这导致了提高的热交换效率。密封衬垫可以设置在挡板3和壁7之间，尽管其不是必要的并且通常不存在。
图2显示了一个实施方式，在该实施方式中，管束2具有环形配置并且热交换单元还包括具有内管的功能的内壁7’，该功能例如为在穿过壳侧的通道之后将液流向上输送。优选地，所述内壁7’具有与外壁7相同的配置，例如图2中所示的阶梯形的配置或多边形的配置或圆形的配置。
有利地，壳体6包括一个或多个纵向(即，平行于管9的方向)布置的接头。
图5显示了圆形壳体6的示例，该圆形壳体6由包裹在管束2的周围的金属片16形成，并且具有单个纵向接头17。同样，图5显示了两个挡板3(由标记3.1和3.2表示)。应当注意的是，金属片16可被弯折并且包裹在管束的周围，形成圆柱(如图5所示)，这是由于金属片本身的小的厚度，使得通过结构配合是可能的。
根据一个优选的实施方式，纵向接头17的细节显示在图6中。每一挡板3的框架10具有例如以燕尾形式的座部19，以用于容纳片16的端部18。所述片16的端部18有利地被配置成接合座部19，例如它们被折叠成钩形。例如，如在图6中所显示的，片16包裹在管束2的周围，并且通过成形型材20锁定。
图7显示了具有纵向接头17的组装壳体。可以注意的是，在该示例中，还示出了具有中心管21的环形管束2。
接头17通过示例而单独描述；其它类型的接头是可以的，例如具有孔眼和楔形物的接头或具有重叠部分的常规类型的接头。为了简化壳体6在管束2的周围的包裹，如图9的实施方式中，壳体6可以有利地由多个部分形成。
图8中的细节显示了与壳体关联的并且适合于在所期望的位置中支撑挡板3的支撑构件的示例。在显示的实施方式中，通过示例，所述支撑构件由成对的楔子(cleat)22形成，所述楔子22被固定至壳体6(即，片16)的内壁。本身支撑挡板3的壳体6的结构配合因此是容易理解的。
还应当注意的是，由于将壳体6固定至挡板3的结构，所述挡板3随着壳体6相对于管9而纵向地膨胀。因此，加热以及特别是温度瞬变(例如，在化学反应器的启动期间，单元1被插入到化学反应器的内部)不会引起壳体和挡板之间的张力。
纵向接头(例如上面所描述的接头17)和任何圆周的接头还可以是不可拆卸的，例如它们可以是焊接的和/或铆接的。当壳体的移除特征不是必要的或不是必需的时，非可拆卸的接头可以是优选的。同样在该情况下，焊接部分将被配置成确保容易移除该焊接部而不会引起对部件的任何损坏，从而这些部件可被再次利用。同样关于该方面，可容易拆卸的部分是期望的。在任何情况下确保了壳体6和挡板3之间的结构的统一性。
图9显示了一个实施方式，在该实施方式中，壳体6包括多个纵向部分。该示例显示了类似于图7的结构，即具有圆柱壳体，其中两个部分16.1和16.2是可见的。优选地，部分的长度L等于挡板3的间距p(图1中显示的)或等于多倍间距。
图9中的示例还显示了焊接结构，如从图10中显示的细节可以理解的。形成壳体6的挡板16.1和16.2等被焊接至挡板3。在图3中，可以看到挡板3的边缘成形以容纳片16.1和16.2的端部。
图11显示了一个变型，其中限定了用于管的开口12的元件11被直接地固定至壳体6，即挡板3不具有框架10。
该附图显示了一个示例，在该示例中，基本圆形的杆11被焊接在壁7中的孔23内部。在具有由数个部分形成的套筒的变型中，所述孔23有利地由形成在多个部分的边缘中的半腔形成。应当注意的是，杆11和壳体中的对应的座部(等效于孔23)的其它形式是可能的。
应当注意的是，图11显示了由阶梯形的壁7形成的壳体6(如在图2中)，但是必须被考虑的是，包括无框架的挡板的所述变型同样适用于所有的其它实施方式，例如包括图5至图9中所显示的圆形壳体的那些实施方式。
中心管道(如果存在的话，例如，如图7或图9中显示的)应当设置有用于所述元件的合适的盲座部。
图12示出了另外形成本发明的一个方面的制造方法的示例。该附图显示了主要的组件，即多根管9的管束2、板4和板5、以及挡板5。挡板3可轴向地(即在平行于管9的方向上)运动，并且在某些情况下还横向地(即在开口12的方向上)运动。该附图显示了由于该横向移动性而交错的挡板3。该横向移动性在某些情况(例如在具有限定狭槽开口的挡板的情况)下只要不安装外围管就是可能的；一旦所有的管被安装或在其它类型的挡板(例如，网格挡板)的情况下，所述横向移动性可被阻止。
从图12中可以理解的是，大大地促进了在组装期间将管9引入到挡板3的开口2中。在现有技术中，事实上，当挡板3已经被锁定在其限定位置中时，管被插入，这意味着管必须与一连串的具有最小间隙的开口12精确地接合。这引起了主要的组装问题。另一方面，通过本发明，挡板3的移动性使管更容易且更快速地插入。然后，如所需要地，将挡板3以间距p间隔开地定位，并且通过模板或其它辅助构件而锁定；壳体6之后例如利用图5至图9所示出的步骤而安装。壳体6一旦被安装，就例如通过上面所描述的楔子22将挡板3保持就位。该示例甚至更清晰地示出了壳体和挡板之间的结构配合。
图13显示特别地适合于U形的管束2的另一结构变型。在该变型中，壳体6(其可被分成多个纵向部分)由通过纵向突缘25接合起来的半壳体24.1和24.2形成。所述半壳体有利地成形有弓形部分和在突缘25中终止的平坦部分26，并且支撑夹持在所述突缘25之间的纵向分隔部27。
已知的是，U形管交换器通常需要纵向分隔部，以便获得相对于管逆流的壳侧通道；图13显示了纵向分隔部27可以由壳体6直接支撑，壳体6依次被固定至挡板3。
换句话说，在U形管交换器中壳侧的分隔是特别简单并且有利的，这是由于其确保了对中心分隔部27的绝对的密封，提高了效率并且降低了成本。如从附图中可以看到的是，通过平坦部分26终止的两个半壳体24.1和24.2的形状是这样的，使得纵向突缘25保持在常规的圆柱壳体的外部尺寸内。壳侧的数个纵向分隔部是可以的；例如通过两个分隔部(其可以在结构上类似于附图中所示的分隔部27)获得具有三个纵向通道的壳体。
由于本发明，图14至图17显示了许多可行的配置中的一些。
图14显示了具有直管的交换器，其中壳体6基本上由三个纵向部分6.1、6.2和6.3形成。这些部分的端部间隔开，从而为气体入口和气体出口留下开口。此外，交换器包括在一个纵向部分和下一部分之间的盲挡板3.c。不同于挡板3(由细线表示)，所述挡板3.c不允许在壳侧中的气体通道。然后，获得了三个壳侧通道，如通过附图中的箭头所显示的。
图15显示了具有U形管(而非直管)的视图，并且因此具有单个管板4。纵向分隔部也存在并且该壳侧被分成6个部分。
在壳侧中流动的流体可以在一个通道和另一通道之间经历给定的处理步骤。所述处理步骤可以例如包括热交换和/或化学反应阶段。换句话说，图14或图15中显示的交换器可以基本执行与三个不同的交换器相同的功能，同时比三个分开的交换器在结构上更简单并且成本更低，这是因为无论取决于管是U形或直的，图14或图15中显示的交换器仅具有一个或两个管板。
例如，图14中显示的交换器可以插入到用于氨合成的反应器中，并且在壳侧上的这三个通道执行催化床之间的中间冷却。
图16和图17显示了两种配置，其中壳侧被分成两个通道。在图16中，在盲挡板3.c和壳部分6.1之间有密封件，其中第一通道出口在入口旁边。所述配置在某些应用中是有利的，例如在反应器中的竖直交换器中是有利的，其中令人满意的是，壳侧气体的入口和出口均位于顶部处。
本发明可被应用到以新的设备形式的新反应器，或可以用来使现有的反应器现代化。
本发明的应用之一涉及到图18中显示的该类型的反应器的现代化。通过用根据本发明的管式交换器替换一个或多个已存的管式交换器，可以获得优点，包括：更高的效率、用于催化剂的有效体积的恢复、减少内部管件的可能性。
所述图18示意性显示了用于氨或甲醇的高压合成的多床反应器30，包括催化床31、32、33和两个中间冷却交换器34、35。反应器30装备有能够经受操作压力的外壳体36。反应器30的操作原则从现有技术中已知，并且不需要详细描述。反应物气体流径向地穿过第一床31，由于放热反应而温度升高；离开床31的热流在穿过交换器34的壳侧时被冷却，并且穿入到用于随后发生的反应阶段的床32；一旦离开床32，气体在穿入到交换器32的壳侧中时冷却并且进入到用于最后的转化阶段的床33中。
图19显示了修改的反应器，其通过附图标记30’表示。催化床之间的热交换通过根据本发明的单元1执行，单元1具有由两个部分6.1和6.2(其替代了两个交换器34、35)形成的分段壳体(segmental shell)。壳侧气体的路径通过合适的密封件37管理。
本发明的优点之一存在于这样的事实中：由于壳体的分段结构，单个的管束是足够的并且因此仅仅需要两个管板。根据图18的常规结构反而需要两个管束，每一管束具有两个各自的板。
应当注意的是，壳体36可以承受升高的反应压力。内部单元1的壳体6.1、6.2经受基本上由于压力损失并因此被限制到几巴的压差。
参考图19，可以看到的是，单元1的壳体内部的压力低于所述壳体外部的压力。壳体所经受的应力基本上等于经受的来自外部的压力的圆柱的应力。由于结构配合，应力部分地由挡板和管束承受，并且壳体被构造有小的厚度。

Claims (23)

1.一种用于热交换器或反应器的内部构件的管式热交换单元(1)，所述热交换单元(1)包括：
-管束(2)，所述管束(2)依次包括多根管和多个支撑所述管的挡板(3)；
-壳体(6)，所述壳体(6)围绕所述管束；
-其中，所述挡板(3)垂直于所述管束的纵向轴线并且根据预定方案限定用于所述管的贯穿开口(12)，
-其中，由所述管束和所述壳体形成的组件为可拆卸的，而无需抽出所述管；
所述热交换单元的特征在于：
-所述壳体(6)与所述管束通过所述挡板在结构上配合，从而作用在所述壳体上的应力部分地由所述管束本身承受。
2.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述管束的所述挡板(3)包括各个外围边缘环(10)，以及所述壳体与所述管束之间的结构上的配合通过所述壳体停靠在所述环上给出。
3.根据权利要求2所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体沿着所述管束的所述挡板的所述环的周长的至少50％而停靠在所述管束的所述挡板的所述环上。
4.根据权利要求3所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体沿着所述管束的所述挡板的所述环的整个周长而停靠在所述管束的所述挡板的所述环上。
5.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述挡板包括基本上充当所述壳体的支柱的杆。
6.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体(6)为非自支撑的，所述壳体的厚度小于在操作中作用在所述壳体上的应力所需要的最小厚度，并且通过与所述管束的结构上的配合而给出所述壳体抵抗所述应力。
7.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体(6)由包裹在所述管束周围的一个或多个扇形件形成，所述一个或多个扇形件的边缘沿着一个或多个纵向接头而连接。
8.根据权利要求7所述的热交换单元，其中，所述壳体的所述一个或多个扇形件由基本上平面的金属片表示，所述基本上平面的金属片被弯折以用于围绕所述管束。
9.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体(6)包括多个纵向部分(6.1-6.3；16.1,16.2)。
10.根据权利要求9所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体(6)包括至少两个纵向部分，所述热交换单元包括至少一个在所述壳体的两个连续的部分之间的盲挡板(3.c)，所述盲挡板形成所述热交换单元的壳侧中的气密阻挡件，所述热交换单元的壳侧因此被分成至少两个分开的气体通道。
11.根据权利要求9所述的热交换单元，其特征在于：所述纵向部分具有在纵向方向上基本上等于所述管束的所述挡板(3)之间的距离或间距(p)的长度。
12.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体具有选自以下中的横截面：具有规则或不规则的多边形的形式的横截面；包括至少一个直线边和至少一个曲线边的横截面。
13.根据权利要求12所述的热交换单元，其特征在于：所述多边形的形式的横截面为阶梯形的横截面。
14.根据权利要求12所述的热交换单元，其特征在于：所述曲线边为圆弧。
15.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：所述壳体(6)包括用于限制所述挡板(3)、在平行于所述管束的轴向方向上作用的构件(22)，所述挡板(3)因此被所述壳体轴向地保持在预定位置中。
16.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于：在所述挡板与所述壳体之间提供基本上液密的接头。
17.根据权利要求1所述的热交换单元，所述热交换单元包括至少一个不能渗透的密封的分隔部(27)，所述分隔部(27)为纵向的并且相对于所述管束平行。
18.一种加压设备(30’)，所述加压设备(30’)包括抵抗预定操作压力的外壳体(36)和至少一个根据权利要求1至17中任一项所述的管式热交换单元(1)。
19.根据权利要求18所述的加压设备，其中，所述加压设备为化学反应器。
20.根据权利要求19所述的加压设备，其中，所述化学反应器为用于氨合成的反应器或用于甲醇合成的反应器。
21.根据权利要求18所述的加压设备，其中，所述加压设备为包括多个绝热的催化床的多床型的化学反应器，并且所述化学反应器内部的至少一个管式热交换单元为用于在两个催化床之间中间冷却的热交换器。
22.一种用于组装如权利要求1至17中任一项所述的用于热交换器或反应器的内部构件的管式热交换单元的方法，所述方法包括：
-提供具有多个挡板(3)的管束(2)，所述挡板能够至少在相对于所述管束的轴向方向上自由地运动；
-提供围绕所述管束的壳体(6)，并且其中，所述壳体一旦围绕所述管束被定位，就将所述挡板相对于所述管束轴向地保持在各个操作位置中，以及所述壳体与所述管束通过所述挡板在结构上配合，
-以便作用在所述壳体上的应力由所述管束本身部分地承受。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，在组装期间，所述壳体由被弯折并且包裹在所述管束周围的一个或多个部分形成。
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