CN108351176B - 用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间的热交换装置以及相关的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间的热交换装置以及相关的设备和方法，装置(10)具有：壳体(30)，限定接纳第一流体的内部容积(34)并沿纵向轴线(A‑A’)延伸；管束(32)，布置在壳体(30)内，管束(32)在内部容积(34)中纵向延伸以接纳第二流体；分离部件(44)，能对来自内部容积(34)的曳出流体进行气液分离，分离部件(44)布置在管束(32)的上方。在垂直于纵向轴线(A‑A')的至少一个平面上，分离部件(44)具有至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)和至少一个防止流体通过的中间区域(88，89)。

Description

用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间 的热交换装置以及相关的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间热交换用的热交换装置，其具有：

-壳体，其限定接纳第一流体的内部容积，沿纵向轴线延伸；

-管束，其布置在壳体内，该管束在内部容积中纵向延伸以接纳第二流体；

-分离部件，其能对来自内部容积的曳出流体进行气液分离，分离部件布置在管束的上方。

背景技术

热交换装置例如用于布置在液烃生产设备、特别是天然气液化设备的冷却系统中。

天然气液化在烃输送和包装方面具有许多优点。生产的天然气越来越大量地在大容量液化设备中进行液化。

为了预冷却天然气，经常使用上述类型的热交换装置。在这种情况下，第一流体例如是丙烷。丙烷以液态或者二相态输入到壳体的内部容积中，被汽化，同时回收从管束中流通的天然气放出的热量。因此，天然气在通过热交换装置时被预冷却。

可替换地，上述类型的装置用于冷却或者冷凝制冷回路中的制冷剂(而不是天然气)。

对第一流体的加热致使其部分汽化，产生曳出流体，曳出流体在再次液化之前进行再次压缩。

曳出流体一般具有液滴，液滴必须在气态流输入到压缩机中之前与气态流分离。

为此，热交换装置一般配有分离部件，分离部件例如由穿孔格架组成，曳出流体通过格架以除去液滴。

分离部件位于液态丙烷容积的上方，与该容积保持最小距离，以便不浸没在液态丙烷中。此外，围绕管存在的液态丙烷由于其局部汽化而经受相当大的紊流运动，从而增大分离部件与管束之间的最小距离。

鉴于液化所需的冷却能力，热交换装置尺寸较高。由此，在天然气液化设备中，特别是在大容量的天然气液化设备中，液化系统占有相当大的空间。例如，在一些装置中，液化系统的长度可达几十米。当可用占地区较大时，这是可以接受的，但在可用占地区较小的其他情况下，可能产生问题。

发明内容

本发明的一目的是减小冷却和/或液化流体生产设备中的热交换装置的尺寸，而不损害其效率与运行。

为此，本发明涉及一种上述类型的装置，其特征在于，在垂直于所述纵向轴线的至少一个平面上，分离部件具有至少两个分开的流体通过区域和至少一个防止流体通过的中间区域。

根据本发明的一些具体实施例，根据本发明的装置具有可单独考虑或者根据任何可能的技术组合考虑的下列一个或多个特征：

-每个流体通过区域由穿孔隔板形成；

-穿孔隔板由具有格状构造的格架、平行条组件和/或泡沫金属形成；

-流体通过区域限定下游气体回收空间，下游气体回收空间相对于分离部件与内部容积对置；

-所述一个或者每个防止流体通过的中间区域也限定下游气体回收空间，其相对于分离部件与内部容积对置；

-流体通过区域水平间隔开和/或沿竖向间隔开；

-分离部件具有位于第一高度的至少一个第一水平流体通过区域和在第一高度上方、位于第二高度的至少一个第二水平流体通过区域；

-分离部件具有竖向上与第一水平流体通过区域位于相同高度的至少一个第三水平流体通过区域，第一水平流体通过区域和第三水平流体通过区域之间限定中间空间，第二水平流体通过区域覆盖中间空间；

-分离部件具有至少一个第一竖向流体通过区域和至少一个第二竖向流体通过区域，第二竖向流体通过区域与第一竖向流体通过区域水平间隔开；

-分离部件具有至少两个穿孔纵向隔板，第一流体通过区域由第一穿孔纵向隔板限定，第二流体通过区域由第二穿孔纵向隔板限定；

-中间区域位于第一流体通过区域之下和第二流体通过区域之下；

-分离部件具有围绕竖直轴线呈回转状的穿孔隔板，有利的是圆柱形的穿孔隔板；

-其具有布置在壳体上方的套管，分离部件布置在套管中；

-在与所述纵向轴线垂直的平面上，管束限定水平细长形的罩体，特别是长圆形或者准梯形状的罩体；

-其具有用于将第一流体输入到内部容积中的入口，输入第一流体用的入口在壳体下部通到内部容积的底部；

-分离部件在壳体的整个长度上延伸。

本发明还涉及烃液化设备，其具有至少一个液化系统，液化系统具有上述装置。

本发明还涉及用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间的热交换方法，其包括下列步骤：

-提供上述装置，

-使第一流体进入内部容积中；

-使第二流体进入管束的管中；

-通过与第二流体的热交换加热第一流体，并且第一流体至少部分汽化以形成含有气体和液滴的曳出流体；

-使曳出流体通过流体通过区域，而将曳出流体中存在的液体收集于分离部件中。

本发明还涉及用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间的热交换装置，其具有：

-壳体，其限定接纳第一流体的内部容积，沿纵向轴线延伸；

-管束，其布置在壳体内，管束在内部容积中纵向延伸；

-分离部件，分离部件能对来自内部容积的曳出流体进行气液分离，分离部件布置在管束的上方；

其特征在于，在与所述纵向轴线垂直的平面上，管束限定水平细长形的罩体，特别是长圆形或者准梯形状的罩体。

在这种情况下，分离部件不一定在与纵向轴线垂直的至少一个平面上具有至少两个分开的流体通过区域和至少一个防止流体进入的中间区域。

但是，其可以具有单独考虑或者根据任何可行的技术组合考虑的上述一个或多个特征。

附图说明

通过阅读下面参照附图仅作为例子给出的说明，本发明将得到更好理解，附图中：

图1是根据本发明的第一热交换装置的沿纵向平面的局部剖面图；

图2是沿根据图1的装置的横向平面II-II的局部剖面图；

图3是根据本发明的第二热交换装置的类似于图2的视图；

图4是根据本发明的第三热交换装置的类似于图2的视图；

图5是根据本发明的第四热交换装置的类似于图2的视图；

图6是第四热交换装置的沿纵向平面的局部剖面图；

图7是根据本发明的热交换装置的分离部件的格栅形式的穿孔隔板的俯视图；

图8是用于根据本发明的热交换装置的分离部件的相邻条形式的穿孔隔板的局部透视图；

图9和10是多流管束的沿横向平面的剖面图；

图11是根据本发明的第五热交换装置的热交换器的视图。

具体实施方式

在下述说明中，术语“上游”和“下游”应理解为相对于流体在热交换装置中的正常流向而言。

根据本发明的第一热交换装置10示于图1，用在流体生产设备12、特别是天然气液化设备中。

热交换装置10用于在制冷循环中循环的第一流体与设备12的第二流体之间形成热交换关系。第一流体能在装置10中至少部分地加热和汽化，以产生曳出流体。第二流体能在装置10中被冷却，有利地被液化。

在该实施例中，第一流体是烃，例如丙烷，或者是烃混合物。

第二流体有利地是天然气，或者是制冷剂混合物。第二流体在热交换装置10的上游为气态或者二相态。第二流体在通过热交换装置10之后为液态或者二相态或者气态。

设备12具有布置在热交换装置10的上游的呈气态的第二流体源14、以及布置在热交换装置10下游的用于收集液化的第二流体的贮存器16。

设备12还具有制冷循环18，第一流体在其中循环。

制冷循环18例如在装置10的上游具有膨胀部件20和气体/液体分离器22，膨胀部件20例如是静态膨胀阀或者是动态膨胀涡轮，能够使第一流体膨胀以使之冷却，气体/液体分离器22布置在膨胀部件20与热交换装置10之间。制冷循环18具有压缩机24，该压缩机布置在热交换装置10的下游。

如图1所示，热交换装置10是具有壳体和管束的类型。

热交换装置具有细长形的壳体30、布置在壳体30的内部容积34中的管束32、以及能分配第二流体到管束32中和在其流出管束32时收集第二流体的分配器/收集器36。图1仅以一个管示意地表示所述管束。

热交换装置10还具有至少一个用于将第一流体输入到内部容积34中的下部入口38、至少一个用于排出过量液态第一流体的下部出口40、以及布置在壳体30上方的至少一个用于排出曳出气态流的上部出口42。

热交换装置10还具有分离部件44，其间置在管束32与上部出口42之间，以除去通过上部出口42的曳出气态流中存在的液滴。

壳体30沿纵向延伸轴线A-A’延伸，在图1所示的实施例中，该轴线为水平轴线。

壳体具有在内部限定内部容积34的壁46、支承管束32的多个撑板48、以及在该实施例中的内壁50，该内壁用于围绕管束32保持第一流体，该内壁在管束32的端部附近在内部容积34中竖直凸起。

管束51例如包括超过5000个的管。

每个管51的内径尤其在1.6厘米(5/8英寸)至3.8厘米(1.5英寸)之间。管51优选具有圆形截面。管没有固体填充材料，例如填塞料或者催化剂。

在该实施例中，每个管51具有平行于轴线A-A'线性延伸的上游部分52和下游部分54、以及使部分52、54连接的中间弯曲部分56。部分52、54相应在上游和下游通到分配器/收集器36中。

在图2所示的实施例中，管束32的管51在沿与轴线A-A'呈横向的平面的截面上限定具有圆形轮廓的罩体55。

可替换地，如图3或图5所示，管51在沿与轴线A-A'呈横向的平面的截面上限定沿水平轴线B-B'具有细长形轮廓的罩体55。该罩体例如基本上为具有直边的长圆形(参见图3)，或者呈具有由两个圆弧形轮廓边连接的两个平行水平边的准梯形(参见图5)。

当管51限定的罩体为细长形时，对于分开管束32与分离部件44的一定高度来说，热交换装置10的结构紧凑性得到改进。

分配器/收集器36具有上游隔间60和下游隔间62，上游隔间60用于分配呈气态或二相态的第二流体，下游隔间62用于收集呈液态或二相态的第二流体。

上游隔间60一方面连接于第二流体源14，另一方面连接于管51的上游部分52。

下游隔间62一方面连接于管51的下游部分54，另一方面连接于用于收集呈液态或二相态的第二流体的贮存器16。

下部入口38竖直连接在壳体30下面，向上通到管束32对面。下部入口能使呈液态或二相态的第一流体通过溢流输入到内部容积34中。其在上游有利地通过液体/气体分离器22连接于膨胀部件20。

保持壁50的高度高于管束32的高度。其能保持通过下部入口38输入的第一流体，以使管束32基本上完全浸在第一流体中。

下部出口40竖直连接在壳体30下面，相对于保持壁50与管束32对置。

内部容积34中未被汽化的液态第一流体可由保持壁50上方溢流出，通过下部出口40排出。

上部出口42竖直连接在壳体30上方，优选和管束32相对，相对于管束32与分离部件44对置。其在下游连接于压缩机24。

分离部件44用于除去管束上方曳出流体中存在的液滴。

分离部件在管束32上方水平地间置在管束32与上部出口42之间。其有利地在壳体46的整个长度上延伸。

最小高度h1保持在管束32的管51与分离部件44之间。该高度例如大于600毫米。

分离部件44具有至少一个穿孔隔板，穿孔隔板由如图7所示的具有格状构造70的格架形成、或者由如图8所示的例如为人字纹形式的一组平行条72形成。

穿孔隔板限定格网74，其可使载有液滴的气态曳出流体通过，而液滴被收集在通道的周边。

在图2所示的实施例中，分离部件44具有第一穿孔纵向隔板80和第二穿孔纵向隔板82，纵向隔板80位于第一高度处，纵向隔板82与第一穿孔纵向隔板80竖向分开，在第一高度上方位于第二高度处。

分离部件44还具有第三穿孔纵向隔板84，其与第一隔板80水平分开，与第一隔板80位于相同的高度上。

纵向隔板80、82、84由在壳体30的整个长度上水平延伸的穿孔板形成。

第一隔板80和第三隔板84之间限定中间空间86，该中间空间向上由第二隔板82覆盖。

第二隔板82的宽度大于中间空间86的宽度。因此，第二隔板82的至少一个侧部在第一隔板80的对面延伸，第二隔板82的至少一个侧部在第三隔板84的对面延伸。

第一隔板80由第一倾斜实心壁88连接于第二隔板82。第三隔板84由第二倾斜实心壁89连接于第二隔板82。

因此，根据本发明，在垂直于纵向轴线A-A'的每个横向平面上，分离部件44具有至少两个分开的流体通过区域90、92、94和至少一个防止流体通过的中间区域98、99。

在图2所示的实施例中，至少一个第一流体通过区域90限定在第一穿孔隔板80上，第二流体通过区域92限定在第二穿孔隔板82上，第三流体通过区域94限定在第三隔板84上。第二流体通过区域92位于第一流体通过区域90和第三流体通过区域94的上方，同时与这些区域90、94完全分开。

防止流体通过的中间区域98、99分别由实心壁88、89进行限定。

第二流体通过区域92相对于流体通过区域90、94沿竖向错开，因此可以在壳体30中升高分离部件44，而不减小用于曳出流通过的有效穿孔面积。

因此，热交换装置10结构更为紧凑，同时保持除去曳出流中存在的液滴的适当性能。

现在来说明使用根据本发明的装置10进行的热交换方法。

在该方法中，呈气态的第二流体从流体源14输入到分配器/收集器36的分配隔间60。第一流体分配到管束32的管51之间，相继在上游部分52、中间弯曲部分56、然后是下游部分54中流通。

在这种通过管束32的期间，第二流体通过热交换而冷却和冷凝，而不与在内部容积34中管束32的管51外的第一流体接触。

第二流体以液态收集于收集隔间62中，然后排出装置10外排到贮存器16中。

同时，通过膨胀部件20膨胀获得的呈液态或二相态的第一流体，通过下部入口38连续输入到内部容积34中。第一流体形成液浴，管束32的管51浸在该液浴中。

第一流体所收集的第二流体的热量致使围绕管束32的第一流体局部汽化并在管束32的上方释放曳出流。

曳出流主要由气体组成，但可能在分离部件44的上游含有液滴。

在通过分离部件44的期间，曳出流穿过穿孔隔板80、82、84的流体通过区域90、92、94。液滴由隔板80、82、84的结构束持住，以致曳出流在相对于分离部件44与管束32对置的下游回收空间100中完全呈气态。

然后，曳出流通过上部出口42排出，以输送到压缩机24。

在内部容积34中，过量的未汽化的第一流体在进行再循环之前，从保持壁50溢出流到下部出口40。

因此，具有分开的流体通过区域的分离部件44的存在，提高了热交换装置10的结构紧凑性，而不会损害除去曳出流中液滴的能力，同时在管束32与分离部件44之间保持足够的距离。

图4所示的根据本发明的一种替换装置10与图2所示装置10的不同之处在于，纵向隔板80、82在壳体30的整个长度上彼此平行地竖直延伸。实心壁88在隔板80、82下水平延伸，以向下封闭下游空间100。

实心壁88在壁80、82的两侧都侧向突出，以强制曳出流向壳体30外侧向流动，然后弯折到达穿孔隔板80、82。

和前面一样，穿孔隔板80、82分别在横向于轴线A-A'的每个平面上限定分开的第一流体通过区域90和第二流体通过区域92。这里，区域90、92竖向延伸。

第一流体通过区域90和第二流体通过区域92由位于管束32对面的水平实心区域98进行彼此连接。

图4所示装置10的运行类似于图2所示装置10的运行。

根据本发明的另一种替换的装置10示于图5和6。

与图1所示的装置10不同地，图5和6所示的装置10具有在壳体30上方竖直凸起的套管(chimney)110。

套管110基本上呈圆柱形，具有竖直轴线C-C'。其通到内部容积34中并在管束32的上方。

上部出口42布置在套管110的自由端处。

分离部件44容纳在套管110中。

在该实施例中，分离部件44具有圆柱形的穿孔隔板80，该隔板具有竖直轴线，优选与套管110同轴。其具有实心壁88和环形实心壁89，实心壁88向上封闭穿孔隔板80，环形实心壁89使穿孔隔板80的下边连接于套管110的周边。

圆柱形的穿孔隔板80在环形实心壁89内向下通到管束32的对面。

和前面一样，在垂直于轴线A-A'的至少一个横向平面上，如图5所示，穿孔隔板80限定分开的第一流体通过区域90和第二流体通过区域92。这里，区域90、92竖向延伸。

中间壁88限定连接这些区域90、92的实心中间区域98。

此外，管束32限定水平细长形的罩体，这里，罩体为准梯形。

在图3所示装置10的一替换例(未示出)中，分离部件44具有水平延伸的仅一个穿孔纵向隔板80。分离部件44在与纵向轴线A-A’垂直的至少一个平面上不具有至少两个分开的流体通过区域和至少一个防止流体通过的中间区域。

在图9所示的替换例中，管束32是多流管束。管束32的第一区域200的管51连接于制冷剂混合物源202。第二区域204的管51连接于天然气源14。

在该实施例中，区域200、204一个位于另一个上方。

在图10所示的替换例中，区域200、204并排布置。

在图11所示的根据本发明的第五装置10中，管51是直管，平行于壳体的轴线A-A'穿过壳体30。

在一替换例中，穿孔隔板由泡沫金属制成。

在另一替换例中，穿孔隔板具有限定开孔的壁和定位在壁的开孔上的泡沫金属。

泡沫金属例如是一种泡沫铝，例如ERG航空航天公司销售的

泡沫材料。

此外，如附图中清楚地示出，相对于分离部件44与内部容积对置的下游气体回收空间100，一方面由流体通过区域限定，另一方面由所述或每个防止流体通过的区域限定。

如上所述，下游空间100含有穿过了流体通过区域的仅气态的流体。

Claims (9)

1.一种用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间热交换用的热交换装置(10)，热交换装置具有：

-壳体(30)，壳体限定接纳第一流体的内部容积(34)，壳体沿纵向轴线(A-A’)延伸；

-管束(32)，管束布置在壳体(30)内，管束(32)在内部容积(34)中纵向延伸以接纳第二流体；

-分离部件(44)，分离部件能对来自内部容积(34)的曳出流体进行气液分离，分离部件(44)布置在管束(32)的上方；

其特征在于，在垂直于所述纵向轴线(A-A')的至少一个平面上，分离部件(44)具有至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)和至少一个防止流体通过的中间区域(88，89)；并且，分离部件(44)具有位于第一高度的至少一个第一水平流体通过区域和在第一高度上方、位于第二高度的至少一个第二水平流体通过区域。

2.根据权利要求1所述的热交换装置(10)，其特征在于，所述至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)中的每一个均由穿孔隔板形成。

3.根据权利要求1或2所述的热交换装置(10)，其特征在于，所述至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)限定下游气体回收空间(100)，下游气体回收空间相对于分离部件(44)与内部容积(34)对置。

4.根据权利要求1或2所述的热交换装置(10)，其特征在于，所述至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)水平间隔开和/或沿竖向间隔开。

5.根据权利要求1所述的热交换装置(10)，其特征在于，分离部件(44)具有竖向上与第一水平流体通过区域位于相同高度的至少一个第三水平流体通过区域，第一水平流体通过区域和第三水平流体通过区域之间限定中间空间(86)，第二水平流体通过区域覆盖中间空间(86)。

6.根据权利要求1或2或5所述的热交换装置(10)，其特征在于，热交换装置具有布置在壳体(30)上方的套管(110)，分离部件(44)布置在套管中。

7.根据权利要求1或2或5所述的热交换装置(10)，其特征在于，在与所述纵向轴线(A-A’)垂直的平面上，管束(32)限定水平细长形的罩体。

8.一种烃液化设备(12)，其具有至少一个液化系统，液化系统具有根据权利要求1至7中任一项所述的热交换装置(10)。

9.一种用于汽化的第一流体与用于冷却和/或冷凝的第二流体之间热交换用的热交换方法，其特征在于，热交换方法包括下列步骤：

-提供根据权利要求1至7中任一项所述的热交换装置(10)；

-使第一流体进入内部容积(34)中；

-使第二流体进入管束(32)的管(51)中；

-通过与第二流体的热交换加热第一流体，并且第一流体至少部分汽化以形成含有气体和液滴的曳出流体；

-使曳出流体通过所述至少两个分开的流体通过区域(90，92，94)，而将曳出流体中存在的液体收集于分离部件(44)中。

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