CN111886469B - 壳管式热交换器 - Google Patents

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Abstract

壳管式热交换器设备(1)，包括：外壳(2)；彼此同轴的第一管束(3)和第二管束(4)；第一内壳(5)和第二内壳(6)；所述第一内壳围绕所述第一管束并且布置在所述两个管束之间；所述第二内壳围绕所述第二管束并且布置在所述第二管束与所述外壳(2)之间的空间中；所述第一管束(3)用作预热器；所述第二管束(4)用作热水器；同轴的内壳(5、6)限定了穿过壳侧的热流体的逆流路径。

Description

壳管式热交换器
技术领域
本发明涉及壳管式热交换器的领域，特别是应用在化工行业中。
背景技术
壳管式设备广泛用于化工厂领域。例如，这些设备用作预热器或热水器，以通过从热过程流体中，例如从放热转换部分的流出物中，回收热量来产生蒸汽。另外的应用包括氨反应器的启动加热器。
从结构的角度来看，所述设备基本上包括外壳和包扩直管或U形管的管束。壳侧与管侧这样定义：壳侧，包括由围绕着管的壳所限定的空间；管侧，包括由所述管的内部。第一流体和第二流体分别在第一侧和第二侧中循环。
在具有相当长的管束的设备中，还已知的是提供垂直于管的轴线的一系列挡板，这些挡板防止振动，并且可选地以合适的方式在壳侧中分隔空间。
专利文献中描述了对壳管设备的一些改进，包括以下内容：
US 5,058,664和US 5,642,778描述了已知的杆式挡板结构，其中配置有一系列杆，这些杆平行且适于从管的支撑挡板中定向；
EP 2 887 001公开了一种设备，其中管束被非承重式内壳包围，该非承重式内壳与挡板在结构上协作并且可以实现为薄壳装配件(segmental shell)；
EP 2 975 353公开了一种具有模块化内壳的设备；
EP 3 115 734公开了一种具有挡板的管束，挡板可以相对于管具有游隙地自由安装，并且可以通过移位(移位锁定)或旋转(扭转锁定)的方式固定位置。
壳管设备，特别是在高压和/或高温或腐蚀环境下工作时，产生高昂成本。昂贵的部件包括例如：外壳、管束和管板。所述部件需要利用大量高质量的材料(例如合金钢)，因此价格昂贵，如果它们需要禁得起更挑剔的操作条件和环境，就需要增加材料厚度或者使用更高质量的材料，价格将会更加高昂。
此外，在涉及蒸汽生产中的热回收的应用中，现有技术教导了使用两个独立的设备分别作为水预热器和热水器。通常为气体(例如通过放热合成反应产生)的热流体依次经过热水器和预热器。
这种双设备配置被广泛用于例如氨厂中，以冷却合成物中的流出物。其具有以下优点：优化了热交换，并且针对各自的工作条件特别地设计了两个设备。但是，其具有的缺点是，这两个设备以及热水器和预热器之间(无论是对于热气还是水)的连接管道的成本都很高。所述连接管道昂贵，耗散热量并且造成水头损失，特别是用于热气的部分。
更详细地介绍氨厂，这些设备的工作条件将所涉及的材料置于相当大的压力下。来自氨合成反应器的输出气体通常具有约450℃的温度和约140bar的压力。此外，其具有较高的氢分压(80-85bar)和氮分压(约30bar)，并且众所周知的是，在这种操作条件下氢和氮腐蚀钢的表面。这要求使用高质量的钢和大厚度的壁，从而显著增加了成本。管道也是相对昂贵的物品，因为其必须从反应器到热水器和从热水器到预热器输送热气，且这些热气具有高压且具有化学侵蚀性。不同设备之间的连接管道也存在着安全问题，因为它们是潜在的气体泄漏源。
发明内容
本发明提议改进关于壳管设备的现有技术。更特别地，本发明的目的之一是降低包括预热器和热水器的热回收部分的成本和复杂性，同时保持两个单独设备可能的设计灵活性。
这些目的是通过一种壳管式热交换器设备实现，该壳管式热交换器设备包括：外壳，彼此同轴的第一管束和第二管束，其中：
所述第一管束的管是直的；
所述第二管束被布置为围绕在所述第一管束外部，所述第二管束的管是U形管，所述U形管包括与所述第一管束的管平行的直的向外部分和直的返回部分。
所述设备包括第一内壳和第二内壳；
所述第一内壳围绕所述第一管束并且布置在所述第一管束和所述第二管束之间；
所述第二内壳围绕所述第二管束并且布置在所述第二管束与所述外壳之间；
所述第一管束和第二管束形成所述设备的单管侧，所述单管侧可供流体通过；
所述设备包括：第一入口和出口接口，用于在管的外侧上的壳侧中循环的第一流体，以及第二入口和出口接口，用于在管侧中循环的第二流体。
所述设备配置为：
所述第一流体沿着所述壳侧流动，依次流过由所述第一内壳围成的第一空间和在所述第一内壳和所述第二内壳之间限定的第二空间；
所述第二流体沿着所述管侧依次流动通过所述第二管束和所述第一管束。
所述设备设计为通过所述两个管束将热量从所述第一流体(热流体)传递到所述第二流体。
特别地，所述第一流体和所述第二流体的入口和出口接口的布置，允许获得所描述的路径顺序的流动路径。
当通过所述第一空间(第一流动路径)时，所述第一流体流过所述第一管束的管；当通过所述第二空间(第二流动路径)时，所述第一流体流过所述第二管束的管。因此，沿着第一流动路径，第一流体将热量传递到所述第一管束，并且沿着第二流动路径，所述第一流体将热量传递到所述第二管束。传递到所述第一管束的热量温度平均高于传递到所述第二管束的热量温度。所述第二流体以相应的方式在其通过所述第二管束和所述第一管束的过程中逐渐接收热量。在一些实施方式中，所述第二流体可以经历相变。
在优选的实施方式中，所述第一内壳和所述第二内壳中的至少一者包括通过可移除的接头连接的多个纵向部分。根据上述，优选地，所述第一内壳和所述第二内壳中的至少一者是分段型的。
在优选的实施方式中，所述第一内壳和所述第二内壳中的至少一者与靠在所述管束的至少一个挡板上的至少一个所述管束在结构上配合。所述管束和所述壳因此形成单个结构。有利地，所述第一内壳与第一管束在结构上配合和/或所述第二内壳与第二管束在结构上配合。
根据这种实施方式，所述两个内壳可以由薄壁制成，因为它们不承重，只是本质上具有适当地输送壳侧流体的功能。承载功能由管束执行。由于在管束的一个或多个挡板上有轴承接触，因此作用在内壳上的压力至少部分地由管束支撑。通过实现两个壳体的薄壁结构，大大降低了设备内部的成本、重量和负担。
进一步的优选方面在本发明提供的方案中描述。
由于存在适当地引导壳侧的流体的两个管束和两个壳，根据本发明的设备可以执行两个交换器的功能，特别是预热器和热水器，因此将它们集成在单个设备中可以大幅度地节省成本。
在优选的应用中，本发明的设备用作用于第二流体、最好是水的预热器/热水器。
更优选地，根据本发明的预热器-热水器设备包括用于收集和分配第二流体的多个腔室，其设计用于以下操作：将第二流体给到第二管束；收集从所述第二管束流出的第二流体并将其分配到所述第一管束内部；收集从第二管束流出的部分地蒸发的流体；可选地，在流出的流体中将气相与液相分离，并将液相重新引入第二管束内部。
在优选实施方式中，所述多个腔室包括：
第一腔室，接收流入所述设备的第二流体，并与第二管束的入口侧直接连通；
第二腔室，直接与第一管束的入口侧连通；
第三中间腔室，布置为接收从第二管束流出的流体，并且与第一管束的出口侧直接连通，收集从所述第一管束流出的部分地蒸发的两相流体流，
其中，第三中间腔室位于第二腔室的下方，并且所述第二腔室和第三中间腔室由第二管板隔开并通过竖直的立管连通，这样第一管束的流出物通过所述立管从第三腔室流到第二腔室。
有利地，所述立管终止于位于所述第一管束的入口上方的端部。通过这种布置，由于液滴向下回落，从立管流出的液/气两相流倾向于分离液相。气相收集在所述第三腔室的顶部。优选地，除雾器也可以安装在所述第三腔室的所述顶部中。所述第三腔室优选还用作液相和气相的重力分离器。
在更优选的实施方式中，所述设备包括第一管板和第二管板，所述第三中间腔室被限定在所述两个管板之间。所述第二管板可形成所述第二腔室的底部，其位于所述第三中间腔室上方。
在优选实施方式中，第一管束的管是卡口管，每个卡口管包括各自的向外管和各自的返回管，向外管固定于所述第一管板上，返回管的与该向外管同轴并在其外侧，所述返回管固定于所述第二管板。以这种方式，向外管具有在所述第二腔室中开口的入口，而所述返回管具有向所述第三中间腔室开口的出口。
在直立式设备的优选实施方式中，设备的底部容纳两个同轴管束，并且设备的顶部容纳用作蒸汽收集腔室的第二腔室。设备的顶部也可以设置有与所述第三腔室分开的蒸汽鼓。
在一些实施方式中，该设备可以设想在第一管束、中间腔室、立管和第二腔室之间的自然循环。
如上所述，本发明的优点之一是提供了用单个设备代替两个设备的可能性，同时保持两个设备的设计灵活性。与双设备配置相比，该设备不再需要以下组件：加压壳体，连接管道和基座。另外的优点是，两个内壳可以以较小的厚度制成，并因此使用少量的材料。
消除连接管道及相关的连接件可以提高设备的安全性，同时减少了易燃气体(例如氢气)或有毒气体(例如氨气)泄漏的可能性。
本发明的另一个优点是用单个设备代替两个设备减少了基座的成本并增加了设备的紧凑性。这对于新工厂和改造现有工厂而言都是重要的优势。
本发明的另外的优点在于，在水或蒸汽的下降和上升过程中，由于两个同轴内壳的存在，壳侧内的流体可以被导向以形成相对于管内循环的流体的逆流。
根据本发明的设备可以被定义为结合式设备，因为它能够将两个单独设备的功能结合。
本发明的一个方面还涉及一种用于改造化工厂的方法，特别是用于改造氨合成的化工厂的方法，其中：
工厂包括使用工艺气体的热量作为热源的水预热器和蒸汽发生器；并且，
所述方法的特征在于用根据本发明的壳管式热交换器设备替换所述预热器和所述蒸汽发生器。
更特别地，根据本发明的方法可以有利地应用于一种布置，该布置中最初将所述工艺气体引导至蒸汽发生器的第一侧，从所述蒸汽发生器中抽出气体并将其引导至所述预热器的第一侧；将水流供给至预热器的第二侧，预热后将水提取出来，并将其供给至热水器的第二侧。
本发明的方法可以将所述工艺气体重新引导至所述设备的相应的热气入口，并且将所述水流重新引导至同一设备的相应的水入口。
借助于以下通过非限制性实施例提供的与本发明的优选实施方式有关的详细描述，优点将更加清楚地显现。
附图说明
图1是本发明优选实施方式中的设备的截面示意图。
图2至图7是根据图1的设备的细节图。
图8和9是沿着图1中显示的平面VIII-VIII和IX-IX的设备的横截面图。
图10是根据现有技术的、特别是氨厂中的现有技术的用于从热气中回收热量的预热器和热水器的布置示意图。
图11是用根据本发明的设备代替预热器和热水器而修改图10的示意图。
具体实施方式
图1以示意性形式示出了根据本发明的实施方式的预热器-热水器设备1。
设备1主要包括以下部件：
外壳2；
第一管束3；
第二管束4；
第一内壳5；
第二内壳6；
第一管板7；
第二管板8；
头部9；
立管10；
进水口11；
蒸汽出口12；
热气入口13；
热气出口14。
第一管束3和第二管束4同轴布置，第二管束4在第一管束3的外侧。
第一管束3包括沿着设备1的纵向轴线A-A的直管20。在优选的实施方式中，所述管20是卡口管20，如下文中将详细解释的。为了清楚地示意，图1仅示出了管20中的一个。
第二管束4包括U形管，该U形管具有平行于第一管束的管20的直的向外部分21和直的返回部分22。向外部分21和返回部分22通过U形管的弯曲部分23连接。
第一内壳5围绕第一管束3，并布置在第一管束3和第二管束4之间。
第二内壳6围绕第二管束4，布置在第二管束4和设备的外壳2之间(图2)。
优选地，外壳2以及第一内壳5和第二内壳6是圆柱形的。第一内壳5和第二内壳6是同轴的并且是同心的。
由图2可以知道限定有空间24和基本上环形的空间25，空间24由第一内壳5包围并包含第一管束3，第二空间25限定在第一内壳5和第二内壳6之间并包含第二管束4。也限定位于第二内壳6和外壳2之间的间隙42。
第一管束3和第二管束4形成单管侧。设备意图作为预热器-热水器运行；特别地，第二管束4用作预热器，而第一管束3用作热水器。因此，经由进水口11进入的水首先流入预热管束4，然后流入蒸发管束3。
设备的壳侧包括空间24和空间25，其中，热气(热源)分别将热量传递到第一管束3和第二管束4。特别是，热气首先穿过空间24，然后进入空间25。
为了更容易描述，现在参照管侧和壳侧更详细地描述设备的结构和操作。
管侧(水/蒸汽)：
第一管板7支撑第一管束3的管20和第二管束4的U形管21。特别地，第一管板7的中心区域支撑管20，而第一管板7的基本上呈环形的外围区域支撑U形管21。
在第一管板7和第二管板8之间限定以下内容：腔室26，与进水口11和第二管束4的入口侧连通；用于预热水的集水腔室27，与所述第二管束4的出口侧连通；蒸汽收集腔室28，与第一管束3的出口侧连通(图3)。所述腔室26和27由挡板29分隔。
通道30将集水腔室27和位于头部9内侧的上覆腔室31相连。此外，立管10将所述腔室31与蒸汽收集腔室28相连。
液滴分离器(除雾器)32可选地设置在腔室31的顶部，在蒸汽出口12的上游。
第一管束3的管20是具有同轴结构的卡口管，其在图4和5中示例性地示出。
每个卡口管20基本上包括向外管201和返回管202。向外管201固定于第二管板8，并且具有朝向上部的腔室31开口的入口部分203。返回管202同轴地配置在向外管201的周围，并固定于第一管板7。所述返回管202具有朝向所述蒸汽收集腔室28开口的出口部分204。所述出口部分204具有基本上围绕管201的主体延伸的环形形状。
卡口管20的远端在图5中示出。向外管201具有开口的远端205，而同轴的返回管202具有封闭的远端206。
从上面能够知道的是，设备1基本上包括三个用于在管侧循环流体(水或蒸汽)的腔室：
包括腔室26的第一腔室，与第二管束4的入口以及进水口11直接连通；
包括腔室31的第二腔室，布置为接收通过腔室27和通道30的预热的水，并且与第一管束3的入口、特别是与卡口管20的入口203直接连通；
包括腔室28的第三中间腔室，与第一管束3的出口、特别是与卡口管20的出口204直接连通。
在直立式设备中，第三中间腔室28位于第二腔室31的下方。所述第二腔室31和第三中间腔室28由第二管板8分隔，该第二管板8还用作两个腔室28和31之间的分隔壁。所述两个腔室之间的流体通道由竖直的立管10提供。
应当注意的是，卡口管的入口203在腔室31的底部上，基本上在由凸缘8限定的平面上。相反，立管10的顶端101位于腔室31内侧的一定高度处。
壳侧(气体)：
热气入口13越过第二内壳6直接与壳侧的空间24连通。因此，入口13允许将热气引入到容纳第一管束3的空间中。热气入口13位于设备的底部，以具有指向上方的气流和相对于下降到管201内的水的逆流。
壳侧的区域25，即第一内壳5和第二内壳6之间限定的区域并且其中定位有预热管束4，通过分隔壁44(图9)进一步被分成两个通道251和252。
通道251限定为围绕U形管的部分22(返回部分)，而通道252限定为围绕U形管的向外部分21。
第一内壳5包括第一开口40，该第一开口40将区域26与区域25的通道251相连(图6)。所述开口40优选位于热交换区的顶部，即在图1所示的位置中第一管板7附近。
第二内壳6包括第二开口41(图7)，第二开口41将区域25的通道252连接于在内壳6和加压外壳2之间限定的区域42(也称为冲洗区域)。所述区域42顺次与设备底部的腔室43以及气体出口14连通。
图6和图7示出了热气通道G。
设备的操作
现在可以描述设备的工作原理。
所述设备本质上操作为预热器和热水器，分别在管束4和3中与壳侧中的热气逆流热交换。
进入的水充满腔室26，沿着U形管的部分21向下流动，并沿着相对的部分22向上流动；其预热后流出并流入腔室27中，并通过通道30进入上部的腔室31。
水从上部的腔室31通过卡口管20的入口203(内管201的入口)进入蒸发管束3。
在卡口管20内，至少一部分水蒸发。这样获得的蒸汽或混合的水/蒸汽流占据腔室28并通过立管10向上流入腔室31的水头。
存在于立管10流出物中的所有水滴(液相)由于重力而向着腔室31的底部回落，水滴从腔室31底部再次被馈送到管束3中。相反，汽相朝着除雾器32(如果存在)和蒸汽出口12回流。
在使用过程中，腔室31部分地充水至给定水位(管10的出口开口101的下方)，从而形成了管20内部循环流的水头。通过合适的尺寸设计，设备可以在有在腔室31、卡口管20、中间腔室28和立管10之间的自然循环的情况下运行。在一些实施方式中，可在腔室31上方提供单独的蒸汽鼓，以增加扬程。
经由进气口13进入的热气首先进入区域24，在该区域24中，其相对于下降到管内的水逆流向上流动。由于第一开口40和第二开口41的布置，相对于在第二管束4中预热的水而言，气体再次逆流并随后穿过通道251和252。最终，气体进入内部空间42，从而冲洗外壳2并防止所述外壳过热。
图10和11示出了本发明在化工厂例如氨工厂的改进中的应用。
图10示出了现有技术的配置，其中从设备100流出的热处理气体101用作热源，用于借助于预热器104和热水器105将水流102转换成蒸汽103。
预热器104和热水器105是两个分开的设备，例如两个管束交换器。设备100例如是氨合成反应器。
从反应器100流出的气体101首先将热量提供给热水器105；从所述热水器输出的较低温度的气体106向预热器104供热并作为冷却气体107流出。在该示例中，气体在设备104和105的管侧中循环。
给水102在预热器104的壳侧被预热；预热的水108被供给到热水器105的壳侧，预热的水在热水器105中至少部分地蒸发，形成流103。图11示出了根据本发明的结合式设备1替代预热器104和热水器105。热气101被供给到入口13，水102被供给到入口11。设备1产生蒸汽流103和冷却气体流107。
可以看出，本发明如何消除了现有技术的两个设备之间的连接管道，如图10中的线106和108所示。
因此，借助于该设备可以实现上述目的。

Claims (15)

1.壳管式热交换器设备(1)，包括：外壳(2)，彼此同轴的第一管束(3)和第二管束(4)，其中：
所述第一管束(3)的管是直的；
所述第二管束(4)被布置围绕在所述第一管束(3)外部，并且所述第二管束(4)的管是U形管，该U形管包括与所述第一管束(3)的管平行的直的向外部分和直的返回部分；
所述设备(1)包括第一内壳(5)和第二内壳(6)，
所述第一内壳(5)围绕所述第一管束(3)并布置在所述第一管束(3)和所述第二管束(4)之间；
所述第二内壳(6)围绕所述第二管束(4)并布置在所述第二管束(4)和所述外壳(2)之间；
所述第一管束(3)和第二管束(4)形成所述设备的单管侧，该单管侧可供流体通过；
所述设备包括：第一入口和出口接口，用于在所述第一管束和第二管束的管的外侧上的壳侧中循环的第一流体，以及第二入口和出口接口，用于在管侧中循环的第二流体；
所述设备配置为：
所述第一流体沿所述壳侧流动，依次经过由所述第一内壳(5)围成的第一空间和在所述第一内壳(5)和所述第二内壳(6)之间限定的第二空间(25)；
所述第二流体沿管侧流动，依次首先经过所述第二管束(4)，然后经过所述第一管束(3)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一内壳(5)和所述第二内壳(6)中的至少一者包括通过可移除的接头连接的多个纵向部分。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一内壳和所述第二内壳中的至少一者与靠在所述管束的至少一个挡板上的至少一个管束在结构上配合。
4.根据权利要求1所述的设备，包括所述第一流体的入口，所述入口与所述第一内壳限定的空间连通，该空间内容纳有所述第一管束，并且所述第一内壳包括通道，所述通道能够在所述第一内壳和所述第二内壳之间的间隙中分配所述第一流体，所述第二管束容纳在该间隙中，使得所述第一流体依次流过所述第一管束和所述第二管束。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一管束(3)和所述第二管束(4)分别用作热水器和所述第二流体的预热器，从所述第一管束流出的所述第二流体至少部分地蒸发。
6.根据权利要求5所述的设备，包括用于收集和分配所述第二流体的多个腔室，布置为：将进入所述设备的所述第二流体分配到所述第二管束(4)中；收集从所述第二管束流出的所述第二流体并将其分配到所述第一管束中；收集从所述第二管束流出的至少部分地蒸发的流体；在流出的流体中将蒸汽相与液相分离；重新引入所述第二个管束内部的液相。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个腔室包括：
第一腔室，接收进入所述设备的所述第二流体，并与所述第二管束(4)的入口侧直接连通；
第二腔室(31)，布置为接收从所述第二管束流出的流体，并与所述第一管束(3)的入口侧直接连通；
第三中间腔室(28)，与所述第一管束的出口侧直接连通，收集来自所述第一管束的至少部分地蒸发的流体，
其中，所述第三中间腔室位于所述第二腔室的下方，并且所述第二腔室和第三中间腔室由第二管板(8)隔开并通过竖直的立管(10)连通，从而使得所述第一管束的流出物经由所述立管(10)从所述第三中间腔室(28)流到所述第二腔室(31)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述立管(10)终止于位于所述第二腔室(31)内部的端部，并且所述端部(101)位于所述第一管束的入口上方，因此所述第二腔室(31)能够作为从第一管束流出的流体中所包含的液相和蒸汽相的重力分离器而发挥作用。
9.根据权利要求8所述的设备，包括第一管板(7)和第二管板(8)，所述第三中间腔室(28)被限定在所述第一管板(7)和所述第二管板(8)之间，并且所述第二管板(8)还形成所述第二腔室(31)的底部。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一管束(3)的管(20)是卡口管，每个所述卡口管包括各自的向外管(201)和各自的返回管(202)，所述向外管(201)固定于所述第二管板(8)，所述返回管(202)与所述向外管(201)同轴并位于其外侧，所述返回管(202)固定于所述第一管板(7)，每个卡口管具有所述向外管(201)的入口(203)和所述返回管(202)的出口(204)，所述入口(203)向所述第二腔室(31)开口，所述出口(204)向所述第三中间腔室(28)开口。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述第二管束的管是U形管，该U形管固定于所述第一管板(7)的外环区域。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，所述设备是直立的，所述设备的底部容纳两个同轴管束，所述设备的顶部容纳用作蒸汽收集腔室的第二腔室。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第一管束、所述中间腔室、所述立管和所述第二腔室之间存在自然循环。
14.用于改造化工厂的方法，其中：
待改建的工厂包括使用工艺气体的热量作为热源的水预热器(104)和蒸汽发生器；
所述方法的特征在于用根据前述权利要求中任一项所述的壳管式热交换器设备(1)替换所述预热器和所述蒸汽发生器。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：将所述工艺气体重新定向到所述设备(1)的热气入口(13)，以及将最初指向所述预热器的水流重新定向到所述设备(1)的水入口。
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