CN111527366A - 板翅式流体处理装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

板翅式流体处理装置包括活动层，其中每个活动层包括夹在分隔板之间的翅片，从而在分隔板之间限定了活动流体空间。活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层。未定层主体位于最外侧活动层附近，并且包括位于分隔板和盖板之间的翅片。该未定层主体具有相对于大气密封的流体空间。压力监测系统与未定层主体的流体空间相连通。紧急泄压装置被配置为当超过预设压力时释放流体空间内的压力。

Description

板翅式流体处理装置、系统和方法
优先权要求
本申请要求于2017年10月31日提交的美国临时申请第62/579,270号；于2018年3月9日提交的美国临时申请第62/640,981号；和于2018年10月24日提交的美国发明申请第16/169,703号的权益，上述每篇的内容通过引用在此并入。
技术领域
本主题大体上涉及流体处理装置，特别是，涉及具有泄漏检测系统的板翅式流体处理装置和系统以及该系统的操作方法。
背景技术
紧凑型板翅式流体处理装置的特征在于其高“区域密度”，其中其具有很高的热传递表面与热交换器体积之比。因此，其普遍用作加热或冷却过程流体的热交换器，或者用作过程物流与位于该设备中的催化剂相遇的反应器。在某些流体处理应用中，这两个功能可结合在一起。
在板翅式热交换器中，板堆(a stack of plates)可与另外的相邻板之间的翅板、翅片或翅组装在一起，以使板堆隔开不同的流体物流。翅片增加了结构的强度，并且可设置有穿孔或锯齿以为流体提供额外的流动路径。
图1中的20大体上示出了现有技术的板翅式流体处理装置的芯部的简化示例。板翅式装置基本上使用Chart Energy&Chemicals,Inc.of La Crosse,Wisconsin的钎焊铝热交换器(BAHX)和反应器的技术。更具体地，如图1所示，通过堆叠如22a-22c处所示的波纹状翅来构造该装置，该波纹状翅由分隔板或板24a和24b隔开，并且沿着侧杆或端杆26a-26f的边沿密封。盖板28a和28b形成该结构的外表面。所有组件通常都由铝制成，并且该组件在真空炉中钎焊以形成整体的刚性的块、主体或芯部。
图1提供了一种简化图示，其中板翅式热交换器的芯部通常特征在于比所示的三层多很多。
如箭头32a和32b所示，流体可以第一方向流动通过翅22a和22c，同时流体可以第二方向流动通过翅22b，该第二方向如箭头34所横切于箭头32a和32b的方向。可替代地，可以图2中的22b'所示的方式配置图1的翅22b，以包括平行于翅22a和22c延伸的翅36，以使通过翅22b'的一部分的流动可与通过翅22a和22c的流动成逆流。当然，其他流动方向在本领域中是已知的。
热交换器芯部的第二个示例大体上如图3中的40所示，其中相应部件使用与图1中相同的编号。如图2(38a和38b)和图3(42a-42e)中所示，具有喷嘴(图2中的44a和44b，图3中的46a-46e)的集管位于翅板的开口端上，流体管路连接到喷嘴以指引流体流动进入该层和接受来自该层的流体流动。
在现有技术中已知的是，包含平行于热交换器堆顶部和底部的活动层的流体流动方向延伸的非活动层。例如，在图1的在盖板28a和最外侧活动翅片22a之间设置了非活动的附加翅片和附加分隔板(非活动翅片被夹在盖板28a和附加分隔板之间)。类似地，在图1的盖板28b和翅片22c之间设置非活动的附加翅板和附加分隔板(非活动翅板被夹在盖板28b和附加分隔板之间)。这些活动层中的每一个都设有端杆和用于压力测试的至少一个集管和喷嘴。在压力测试后，通常用临时塞密封喷嘴开口以在运输和存储期间将水分和碎屑保持在非活动区域之外。操作时去除塞以防止压力积累。
非活动层保护热交换器的活动层免受外力和冲击，例如在运输和安装过程中可能发生的外力和冲击。非活动层还可以为芯部提供更大的表面积以附接集管和其他固定装置。
在热交换器使用寿命即将结束时，可能会出现流体泄漏，尤其是在盖板或最外侧活动层中。理想的是在这样的流体泄漏形成之前对其进行预测，以及在操作过程中检测泄漏以将这些泄漏通知操作者，从而可以完成对热交换器的修理或更换。
发明内容
本主题有几个方面，这些方面可在下文所描述和要求保护的装置和系统中单独或共同体现。这些方面可以单独使用，也可以与本文所述主题的其他方面结合使用，并且这些方面的描述在一起并不旨在排除单独或以与本文所附权利要求中所阐述的不同组合来使用这些方面。
在一个方面，一种板翅式流体处理装置包括多个活动层，其中每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片以使得在分隔板之间限定了活动流体空间。多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层。未定层主体(contingent layer body)位于最外侧活动层附近，并且包括位于分隔板与盖板之间的翅片。未定层主体具有相对于大气密封的流体空间，并且包含处于高于或低于大气压的预定压力下的惰性气体。压力监测系统与未定层主体的流体空间相连通。紧急泄压装置被配置为当超出预设压力时释放流体空间内的压力。
在另一方面，一种用于检测板翅式流体处理装置的泄漏的方法，其中板翅式流体处理装置具有多个活动层，每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片以使得在分隔板之间限定出活动流体空间，并且其中多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层，该方法包括以下步骤：将处于高于或低于大气压的预定压力下的惰性气体存储在位于最外侧活动层附近的未定层主体；检测未定层主体中的压力升高或降低；和向操作者传递未定层主体中已发生压力升高或降低的信号。
在仍然另一个方面，一种板翅式流体处理装置包括多个活动层。每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片以使得在分隔板之间限定出活动流体空间。多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层。未定层主体位于最外侧活动层附近。未定层主体包括位于分隔板与盖板之间的翅片，并且具有相对于大气压密封的流体空间和约等于或大于最外侧活动层的设计压力的设计压力。第一泄压装置与未定层主体的流体空间流体连通。压力监测系统与未定层主体的流体空间相连通，并且被配置为连续测量流体空间内的压力。信号传递装置连接到压力监测系统，并且在流体空间内的压力超过预定水平时被激活。
附图说明
图1是现有技术的板翅式流体处理装置的芯部或主体的透视图。
图2是现有技术的板翅式流体处理装置的翅片、侧杆、集管和喷嘴的俯视图。
图3是现有技术的板翅式流体处理装置的透视图。
图4是本公开的板翅式流体处理装置的第一实施方式的局部透视图。
图5是包括图4的板翅式流体处理装置的本公开的板翅式流体处理系统的第一实施方式的示意图。
图6是本公开的板翅式流体处理系统的第二实施方式的示意图。
图7是示出图6的板翅式流体处理系统的各个实施方式中的泄漏遏制和泄压路径的示例的图示。
图8是本公开的板翅式流体处理装置的第二实施方式的透视图。
图9是图8的板翅式流体处理装置的泄压回路的放大透视图。
图10是本公开的板翅式流体处理装置的第三实施方式中的泄压回路的透视图。
具体实施方式
适用于本公开的流体处理装置的实施方式中的构造的示例在以下文献中阐述：共同拥有的美国专利第6,510,894和6,736,201号，二者均授予Watton等人；美国专利第7,998,345号，授予Jia等人；和美国专利第5,193,611号，授予Hesselgreaves，上述每篇的内容通过引用并于本文。
尽管下面的实施方式以热交换器方式描述，但是应当理解，本公开的流体处理装置也可结合到反应器或其他流体处理应用中。
此外，尽管示出了波纹状翅片，但是翅可以呈现本领域已知的其他形状，包括仅作为示例的人字形或V形翅片。
发明人已经发现，在许多情况下，板翅式热交换器的外部非活动层可能具有通过非活动层的外部盖板的不希望的流体连通，随后具有通过活动层的内部分隔板的不希望的流体连通。
在图4所示的本公开的板翅式流体处理装置的实施方式中，板翅式热交换器(通常用45表示)的非活动层43构成未定层主体，并且限定相对于大气密封并用惰性气体加压至预定压力(例如约100psi)的流体空间(仅作为示例)。预定压力优选被选择为高于环境压力但低于最外侧活动层46的物流的操作压力的压力。仅作为示例，可使用氮气对未定层主体或非活动层43的流体空间加压，但可选择其他惰性气体，包括但不限于干燥空气(通常包括干燥空气)。
如果热应力或累积热疲劳损伤导致在外部盖板47(图4)中形成裂缝，则至少在最外侧非活动层43中的惰性气体通过裂缝逸出，并且非活动层中的压力降低。
如图5所示，未定层主体或非活动层43设置有压力监测装置或系统48，该压力监测装置或系统48检测非活动层的流体空间内的任何压力降低或升高。这种压力监测系统可以包括压力传感器或本领域已知的任何其他压力检测/监测装置或系统。压力传感器可以连接到任何信号传递系统或装置，例如闪光灯、警铃或喇叭，其在压力偏离预定范围时被激活。或者，可以将压力传感器连接到工厂控制逻辑，以提供信号传递或其他功能。
通过压力监测系统48检测因盖板破裂所致的非活动层43中的压力降低，并且如图5中的49所示地，将信号提供给系统操作者。
类似地，在裂缝形成于分隔非活动层43与最外侧活动层46的分隔板中的情况下，非活动层的流体空间中的压力会由于所产生的泄漏路径(在图5中用箭头50表示)而升高，以匹配最外侧活动层的压力。此故障也通过非活动层压力监测系统48检测。
未定层主体或非活动层43设有紧急泄压装置，如图5中的51和大体上如图4中的51所示，其用于在超过预设压力的情况下将非活动层的流体空间向大气中或向处置系统通风以防止过压。处置系统的示例包括但不限于火炬、焚烧炉、热氧化器或发电机回收系统。仅作为示例，参考图4，紧急泄压装置51可以包括压力激活阀52或类似的部件，其位于管道53的远端，该管道53连接到非活动层43的集管55的喷嘴。因此，管道53和集管55向非活动层43的内部流体空间开放。仅作为示例，压力激活阀52可以包括止回阀、压力调节器或本领域已知的其他压力操作阀或装置。当一个或多个活动层43中的压力超过设定值(例如最外侧活动层的设计压力或略高于该设计压力的压力)时，压力激活阀会自动开放以释放压力。
如图5所示，未定层主体或非活动层43还具有包括阀的低点排泄57，该阀可以在最外侧活动层与非活动层之间发生泄漏并且紧急泄压装置51不能容纳泄漏的情况下开放以排空非活动或未定层的液体或其他流体。低点排泄阀可以手动、自动或远程开放。低点排泄也可以在入口处使用，以给未定层的流体空间充压。
在本公开的板翅式流体处理装置的替代实施方式中，图4的板翅式热交换器的未定层主体的非活动层43限定了相对于大气密封的流体空间，其具有至少部分真空，以使流体空间处于低于大气压的压力下。在热应力或累积热疲劳损伤导致在外部盖板47中形成裂缝的情况下(图4)，来自大气的空气进入未定层主体的流体空间，从而使其中的压力升高。这样的压力上升通过非活动层压力监测系统(图5中的48)检测。
同样，在裂缝形成于隔开非活动层43与最外侧活动层46(图4)的分隔板中的情况下，非活动层的流体空间中的压力会由于最终的泄漏路径(在图5中用箭头50表示)而上升以与最外侧活动层的压力相匹配。该故障也将由非活动层压力监测系统48检测。
在图6中呈现了说明本公开的板翅式流体处理装置的替代实施方式中的最外侧活动层52以及相邻或附近的未定层54的示意图。应当理解，虽然示出了单个未定层54，但是该未定层可以包括多个层，其中每一层包括夹在一对分隔板(或分隔片和盖板)之间的翅片。未定层的翅的强度(设计压力)至少等于相邻的最外侧活动层中最弱的翅。
此外，尽管图6说明了在热交换器一端的相邻的最外侧活动层和未定层，但应理解的是，热交换器的另一端还将包括相邻的最外侧活动层和未定层，其以下文中针对图6所述的方式操作。
最外侧活动层和每个未定层存在流体空间。当术语“流体空间”在下文中涉及未定层使用时，应理解为它涵盖了在热交换器的一侧上的所有未定层的流体空间。
如图6所示，压力监测装置56与未定层54的流体空间相连通。仅作为示例，压力监测装置可以是压力传感器。压力传感器可以连接到任何信号传递系统或设备，例如闪光灯、警铃或喇叭。或者，可以将压力传感器连接到工厂控制逻辑上。
第一泄压装置58以下述方式连接在未定层54和最外侧活动层52之间。另外，第二泄压装置62连接到最外侧活动层52的流体空间。仅作为示例，第二泄压装置62可以包括压力激活阀或类似的装置，其位于与活动层52的集管的喷嘴相连接的管道中。
在如图6中的64处所示的泄漏发生在热交换器的最外侧活动层52和未定层54之间的情况下，未定层的流体空间被加压。当压力超过预定水平时，压力监测装置会向操作者呈现已发生向未定层中泄漏的警告。这可用作一个信号，表明已消耗了热交换器的大部分使用寿命。
每当未定层中的压力超过预定水平或达到预定设定点时，诸如达到最外侧活动层中的压力时，第一泄压装置58就会激活以允许流体从未定层54流入最外侧活动层52(或如下所述的其他相关目的地)。仅作为示例，泄压装置58可以包括止回阀、压力调节器或本领域中已知的其他压力操作阀或装置。
第二泄压装置62可以采用止回阀、压力调节器或本领域已知的其他压力操作阀或装置的形式。当最外侧活动层52中的压力超过设定值(例如最外侧活动层的设计压力或略高于设计压力的压力)时，第二泄压装置会自动开放以释放压力。
未定层54也具有包括阀的低点排泄66，该阀在最外侧活动层和未定层之间产生泄漏并且第一泄压装置58不能容纳泄漏的情况下可被开放以排空未定层的液体或其他流体。低点排泄阀可以手动、自动或远程开放。
转到图7，未定层通常用54表示，包括未定层芯部或主体72(如上所述，其可包括多个层)，该未定层芯部或主体72配备有一对集管74a和74b，每个集管分别具有一个或多个喷嘴76a和76b。集管74a和74b各自与未定层主体的入口或出口流体连通。需要用集管74a和74b以及喷嘴76a和76b来对未定层主体72充水和排水进行压力测试，并且由于未定层不是在热交换器的标准操作条件期间使用，因此喷嘴的开口可以在此类测试后密封，也可以改为连接到压力监测装置、第一泄压装置或低点排泄。
与未定层54相似，最外侧活动层大体上如图7中的52所示，包括最外侧活动层芯部或主体82(包括最外侧活动层)，该最外侧活动层芯部或主体82配有一对集管84a和84b，集管84a和84b各自分别具有一个或多个喷嘴86a和86b。集管84a和84b各自与活动层的入口或出口流体连通。集管84a和84b以及喷嘴86a和86b将流体提供到热交换器的最外侧活动层以及位于最外侧活动层之间的热交换器的其他活动层并且将流体从其中移除。
如图7所示，存在许多选项用于将未定层54经由第一泄压装置(图6的58)连接到最外侧活动层52。
在一个实施方式中，如图8和9所示，板翅式热交换器92特征在于未定层主体72和相邻的最外侧活动层82，该未定层主体72的特征在于多个未定层。大体上如94所示的泄压回路的特征在于第一泄压装置58以及流体连接管线60a和60b，该流体连接管线60a和60b连接到未定层集管74a的喷嘴76a中的端口和最外侧活动层82的集管84a中的端口。这在图7中也显示为箭头94。参照图9，未定层主体72的未定层的杆98和最外侧活动层主体82的杆100被配置为使得未定层的翅仅对未定层集管74a(以及可能的另一个未示出的集管)开放，并且最外侧活动层的翅仅向集管84a(以及另一个未示出的集管)开放。值得注意的是，除了泄压回路94所允许的以外，未定层主体72的未定层与集管84a不流体连通。
如上所述，当最外侧活动层主体82和未定层主体72之间发生泄漏时，未定层主体内的压力上升。当通过泄压装置58根据集管84a与未定层主体72之间的压差检测到该压力超过最外侧活动层主体内的压力时，泄压装置打开，以使得来自未定层主体的流体流到集管84a(如图9中的箭头102和图7中的箭头94所示)。
参考图8，热交换器92的相反一端的未定层主体和最外侧活动层存在类似布置，大体上如箭头104所示。
在图10所示的另一个实施方式中，大体上如110所示的未定层的特征在于被夹在盖板114和分隔板116之间并且在一侧被杆112拦住(bordered)的翅片(在图10中不可见)。大体上如120所示的相邻的最外侧活动层的特征在于被夹在分隔板116与分隔板122之间并且在一侧被杆124拦住的翅片(在图10中不可见)。
大体上如126所示的泄压回路的特征在于第一泄压装置58和流体连接管线128a和128b，该流体连接管线128a和128b连接到形成在侧杆112和124中的端口。这在图7中也显示为箭头126。
如上所述，当最外侧活动层120和未定层110之间发生泄漏时，未定层内的压力上升。当通过泄压装置58根据两层的流体空间之间的压差检测该压力超过最外侧活动层内的压力时，泄压装置打开以使得来自未定层的流体流向最外侧活动层(如图10中的箭头132和图7中的箭头126所示)。
如图7中其余箭头所示，在替代实施方式中，第一泄压装置(图6中的58)可以经由喷嘴、集管或未定层主体的主体部分连接到未定层主体，并且可以经由喷嘴、集管、最外侧活动层的主体部分、包含与最外侧活动层相同的物流的其他层或者与最外侧活动层相关的上游或下游管道连接到最外侧活动层。
仅作为示例，如上所述的热交换器可以设计为适应30psi至1300psi范围内的流体流动压力。作为另一个示例，热交换器可以适应200至300psi之间的流体流动压力。在一些实施方式中，第一泄压装置可被配置为在未定层流体空间的压力高于热交换器设计压力的任何时间激活。
因此，本公开的板翅式流体处理装置的实施方式提供了一种检测非活动层的盖板(或外部板)何时开裂的装置和方法，其是热交换器的大部分工作寿命已被耗尽的指示。此外，还提供了隔开非活动层和活动层的分隔板是否受损的指示。
尽管参考特定结构、方法和示例描述了本主题，但这仅是出于说明的目的，并且应当理解，本主题适用于在特定构造和外观上可能有所区别但仍采用本主题的多种装置和系统。
尽管已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在其中进行改变和变型，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种板翅式流体处理装置，包括：
a.多个活动层，其中每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片以使得在分隔板之间限定出活动流体空间，并且其中多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层；
b.未定层主体，该未定层主体位于最外侧活动层附近，所述未定层主体包括位于分隔板和盖板之间的翅片，所述未定层主体具有相对于大气密封并且包含处于预定压力下的惰性气体的流体空间，所述预定压力高于或低于大气压；
c.压力监测系统，该压力监测系统与未定层主体的流体空间相连通；和
d.紧急泄压装置，该紧急泄压装置被配置为当超过预设压力时释放流体空间内的压力。
2.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中预定压力高于环境压力但低于最外侧活动层的物流的操作压力。
3.如权利要求2所述的板翅式流体处理装置，其中预定压力为约100psi。
4.如权利要求3所述的板翅式流体处理装置，其中惰性气体是氮气。
5.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中惰性气体是选自氮气和干燥空气的气体。
6.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中未定层主体包括低点排泄。
7.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中未定层主体包括多个未定层，每个未定层包括位于一对分隔板之间或分隔板与端盖之间的翅片。
8.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中紧急泄压装置包括与未定层主体的流体空间成流体连通的未定层集管和与未定层集管成流体连通的压力激活阀。
9.如权利要求1所述的板翅式流体处理装置，其中未定层主体的流体空间包括部分真空。
10.一种检测板翅式流体处理装置泄漏的方法，其中板翅式流体处理装置具有多个活动层，其中每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片以使得在分隔板之间限定出活动流体空间，并且其中多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层，所述方法包括以下步骤：
a.将处于高于或低于大气压的预定压力下的惰性气体存储在位于最外侧活动层附近的未定层主体内；
b.检测未定层主体内压力的升高或降低；
c.向操作者传递在未定层主体中已发生压力升高或降低的信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中预定压力高于环境压力但低于最外侧活动层的物流的操作压力。
12.如权利要求11所述的方法，其中预定压力为约100psi。
13.如权利要求12所述的方法，其中惰性气体是氮气。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：当达到未定层主体内的预设压力时，将未定层主体向大气或处置系统通风。
15.如权利要求14所述的方法，其中预设压力是板翅式流体处理装置的活动层的设计压力。
16.如权利要求10所述的方法，其中步骤a包括在未定层主体中保持部分真空。
17.如权利要求10所述的方法，其中惰性气体是选自氮气和干燥空气的气体。
18.一种板翅式流体处理装置，包括：
a.多个活动层，其中每个活动层包括被夹在分隔板之间的翅片，以使得在分隔板之间限定出活动流体空间，并且其中多个活动层包括具有入口和出口的最外侧活动层；
b.未定层主体，该未定层主体位于最外侧活动层附近，所述未定层主体包括位于分隔板和盖板之间的翅片，所述未定层主体具有相对于大气密封的流体空间和约等于或大于最外侧活动层的设计压力的设计压力；
c.第一泄压装置，该第一泄压装置与未定层主体的流体空间成流体连通；
d.压力监测系统，该压力监测系统与未定层主体的流体空间相连通，并且被配置为不断测量流体空间内的压力；和
e.信号传递装置，该信号传递装置连接到压力监测系统，当流体空间内的压力超过预定水平时，所述信号传递装置激活。
19.如权利要求18所述的板翅式流体处理装置，其中第一泄压装置被配置为当未定层主体的流体空间内的压力超过预定设定点时与未定层主体的流体空间和最外侧活动层的活动流体空间或最外侧活动层的出口流体连通。
20.如权利要求18所述的板翅式流体处理装置，其中流体空间包括处于高于或低于大气压的预定压力下的惰性气体的未定层主体进一步包含第二泄压装置，所述第二泄压装置与最外侧活动层的活动流体空间流体连通。
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