CN114829864A - 具有改进了双相混合物分配的混合装置布置的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，该热交换器包括多个板(2)，该多个板彼此平行且平行于纵向方向(z)布置，所述板(2)以间隔开的方式堆叠而在彼此之间限定至少一个第一组通路(10A，10B)和至少一个第二组通路(20)，该第一组通路被配置用于第一流体(F1)总体上沿纵向方向(z)流动，该第二组通路被配置用于第二流体(F2)流动以与第一流体(F1)形成热交换关系，第一组的至少一个第一通路(10A)包括第一混合装置(3A)，并且第一组的至少一个第二通路(10B)包括第二混合装置(3B)，第一混合装置和第二混合装置(3A，3B)中的每一者包括至少一个侧向通道(31A，31B)、一系列纵向通道(32A，32B)以及至少一个开口(34)，该侧向通道被配置用于第一流体(F1)的第一相(61)从至少一个第一入口(311A，311B)流动，该系列纵向通道沿纵向方向(z)延伸并且各自被配置用于第一流体(F1)的第二相(62)从第二入口(321A，321B)流到第二出口(322A，322B)，所述纵向通道沿正交于纵向方向(z)的侧向方向(y)彼此相继，该开口将所述至少一个侧向通道(31A，31B)流体地连接到至少一个纵向通道(32A，32B)，使得第一混合装置和第二混合装置(3A，3B)被配置为通过第二出口(322A，322B)分配第一相(61)和第二相(62)的混合物。根据本发明，第一混合装置(3A)的纵向通道(32A)至少部分地沿侧向方向(y)布置在与该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)的位置不同的位置处。

Description

具有改进了双相混合物分配的混合装置布置的热交换器
本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括用于要被带到热交换关系的多种流体中的每一种的多组通路，该热交换器包括一种混合装置布置，该布置被配置为在至少一组通路中更均匀地分配至少一种由液气两相构成的混合物。
特别地，本发明可以应用于热交换器，热交换器使液-气混合物的至少一个流(特别是具有多种组成元素的液-气混合物的流，例如包含烃的混合物)通过与至少一种其他流体进行热交换而汽化，该至少一种其他流体例如是冷却或者甚至至少部分地液化的天然气，或者甚至是过冷的液化天然气。
在使用一个或多个以双相冷却剂(即，处于液/气混合物状态)进行的流体制冷循环的方法之中，已知若干种使天然气流液化以获得液化天然气(LNG)的方法。通常，通过压缩机对冷却流(通常是具有多种组成元素的混合物，比如包含烃的混合物)进行压缩，然后将其引入一个交换器或一系列交换器中，在交换器处，该冷却流被完全液化并过冷到该方法的最冷温度，通常是液化天然气流的最冷温度。在交换器的最冷出口处，冷却流通过形成液相和气相而膨胀。这两个相通过相分离器分离，然后被重新引入交换器中，并且在以液-气混合物状态(即，双相状态)被重新引入交换器中之前被重新混合。以双相状态引入交换器中的冷却流在其中逆着液化的烃流并且逆着天然气而汽化。文献WO-A-2017/081374描述了这些已知方法中的一种方法。
使用了钎焊板和翅片式铝交换器以允许提供非常紧凑的装置，该装置提供大的交换表面，从而提高方法的能量性能能力，并且是在有限的体积内做到这样。
这些交换器包括在长度和宽度两个维度上延伸的板堆叠体，因此形成多组彼此上下定位的通路的堆叠体，其中一些通路用于使热传递流体(例如要液化的烃流)循环，并且其他通路用于使冷却剂(例如将汽化的双相冷却流)循环。
热交换结构(比如热交换波纹)通常布置在交换器的这些通路中。这些结构包括在交换器的板之间延伸的翅片，并且允许交换器的热交换表面增加。它们还起到间隔件的作用，并且有助于通路的机械强度。
在实施双相性质的冷却流的交换器中会出现一些问题，特别是当它们的汽化发生在上升的竖直流中时。
实际上，为了确保交换器正确操作，即特别是为了使交换器(特别是对于实施液-气混合物的交换器)的交换表面的使用最大化，液相和气相的比例在所有通路中必须是相同的，并且在同一通路中必须是均匀的。
交换器的尺寸是在假设这些相均匀分配并且因此每个通路中液相汽化结束时具有单一温度(等于混合物的露点)的情况下计算的。
特别是对于具有多种组成元素的混合物，汽化温度的终点将取决于通路中液相和气相的比例，因为这两个相不具有相同的组成。
在两个相分配不均匀的情况下，第一流体的温度曲线将因此取决于通路而变化和/或在同一通路内变化。由于这种不均匀的分配，与两相混合物具有交换关系的一种或多种流体可能具有高于预期温度的交换器出口温度，这因此降低了热交换器的性能能力。
一种将混合物的液相和气相尽可能均匀分配的解决方案包括将它们分别引入交换器中，然后仅在它们处于交换器内后将它们混合在一起。
文献FR-A-2563620或WO-A-2018/172644描述了这样的交换器，其中，带槽杆被插入一组用于引导两相混合物的通路中。这个混合装置包括一系列用于冷却剂的液相流动的单独通道或凹槽、以及另一系列用于冷却剂的气相流动的单独通道。一个系列的通道经由开口流体地连接到另一个系列的通道，使得液-气混合物从混合装置朝向热交换区分配。交换器的每个冷却剂通路都设置有这样的装置。
这种类型的混合装置存在的一个问题是液-气混合物在交换器通路的宽度上的不均匀分配。
实际上，两相混合物在进入通路中的通道出口处进行分配。由于通道彼此相隔一定距离布置，所以液-气混合物跨通路的宽度被离散地引入交换区中。当流体在交换器中沿总体流动方向流动时，特别地借助于这种类型的交换器中通常使用的交换波纹(比如倾向于使一部分流体偏离其流动方向的穿孔波纹或“锯齿状”波纹)可以在正交于总体流动方向的方向上进行分配。
然而，仅在混合物离开混合装置行进了一定距离之后，才能在交换器的宽度上实现流体分配的均匀化。在这个距离上，取决于在交换器宽度上所考虑的位置，流体以不均匀的质量流量供应给交换区。交换波纹的一些通道可能只有有限的供应或者甚至没有供应。交换器的性能能力降低。在一些构型中，甚至可能无法实现可接受的均匀化。当交换区设置有笔直波纹时，情况尤其如此，在这种情况下，不能通过流体的侧向偏转进行分配。
在热传递流体与冷却剂流体之间具有低的温度偏差的情况下工作的交换器对这种不良分配现象更加敏感。此外，在冷却剂混合物具有多种组成元素的情况下，不均匀分配的现象更加突出。
现有的解决方案都不完全令人满意。因此，在混合装置的出口处布置自由空间会引起交换器机械强度方面的问题，并且会导致第一相在该区聚集。在交换器宽度上增加彼此相继的通道的数量将导致每个通道中的流速降低，并且不利于混合物在出口处的适当分配。最后，混合装置出口处的“硬道”型波纹布置或者具有更复杂几何形状的混合装置的布置增加了压力损失，这降低了方法的性能能力。
本发明的目的是解决所有或一些上述问题，特别是通过提出一种提供双相混合物在交换器的宽度上的更均匀分配的混合装置来解决。
根据本发明的解决方案还涉及一种热交换器，该热交换器包括彼此平行且平行于纵向方向布置的多个板，所述板以间隔开的方式堆叠从而一起限定至少一个第一组通路和至少一个第二组通路，该至少一个第一组通路被配置用于第一流体总体上沿纵向方向流动，该至少一个第二组通路被配置用于第二流体流动以与第一流体形成热交换关系，该第一组的至少一个第一通路包括第一混合装置，并且该第一组的至少一个第二通路包括第二混合装置，该第一混合装置和该第二混合装置中的每一者包括：
-至少一个侧向通道，该至少一个侧向通道被配置为使第一流体的第一相从至少一个第一入口流动；
-一系列纵向通道，该一系列纵向通道沿纵向方法延伸，并且每个纵向通道被配置为使第一流体的第二相从第二入口流到第二出口，所述纵向通道沿正交于纵向方向的侧向方向彼此相继；以及
-至少一个开口，该至少一个开口将所述至少一个侧向通道流体地连接到至少一个纵向通道，使得第一混合装置和第二混合装置被配置为经由它们相应的纵向通道的第二出口分配第一相和第二相的混合物，
其特征在于第一混合装置的纵向通道至少部分地沿侧向方向布置在与第二混合装置的纵向通道的位置不同的位置处。
适用时，本发明可以包括以下特征中的一个或多个：
-第二混合装置包括平行于纵向方向延伸的两个纵向边缘，第一混合装置的每个纵向通道沿该侧向方向插置在第二混合装置的两个相继纵向通道之间、或者插置在第二混合装置的纵向通道与纵向边缘之间；
-第一混合装置的单一纵向通道沿侧向方向插置在第二混合装置的两个相继纵向通道之间、或者插置在第二混合装置的纵向通道与纵向边缘之间；
-第一混合装置的纵向通道彼此分开第一恒定距离，并且第二混合装置的纵向通道彼此分开第二恒定距离，优选地该第一距离和该第二距离是相等的；
-第二混合装置的一系列纵向通道相对于第一装置的一系列纵向通道偏移了沿侧向方向测量的偏移距离，优选地该偏移距离在第一距离的25％与75％之间，优选地该偏移距离是第一距离的50％；
-第一距离和/或第二距离的范围在10mm与40mm之间，优选地大于或等于20mm且小于或等于30mm；
-第一通路和第二通路中的每一者具有平行于纵向方向延伸的纵向对称轴线，每个第一混合装置和第二混合装置的纵向通道相对于该纵向对称轴线对称布置；
-第二混合装置的纵向通道沿侧向方向的位置在由侧向方向和纵向方向限定的平面内旋转180°之后，与第一装置的纵向通道沿侧向方向的位置重合；
-该交换器包括多个交替地布置的第一通路和第二通路，第二组中的至少一个通路布置在至少一个第一通路与跟随在所述至少一个第一通路之后的至少一个第二通路之间；
-第一混合装置和第二混合装置的侧向通道和/或纵向通道是笔直的，优选地为平行六面体或总体上平行六面体的形状；
-第一混合装置和第二混合装置各自包括一系列侧向通道，该一系列侧向通道沿侧向方向延伸并且沿纵向方向彼此相继。
根据另一方面，本发明涉及一种用于使作为第二流体的包含烃的流、比如天然气液化的方法，所述方法实施了至少一个根据本发明的交换器，并且包括以下步骤：
a)将烃流引入第二组的通路中；
b)将冷却流引入热交换器的第三组通路中；
c)从热交换器中排出冷却流并且将冷却流膨胀到至少一个压力水平，以便产生至少一种双相冷却流；
d)将源自步骤c)的双相冷却流的至少一部分分离成气相和液相；
e)经由所述第一通路和第二通路的单独入口，将气相的至少一部分和液相的至少一部分分别引入第一组的第一通路和第二通路中的每一者中；
f)将步骤e)中引入的这些相送到第一混合装置和第二混合装置中，以便在第一混合装置和第二混合装置中的每一者的出口处获得由第一相(61)和第二相的混合物形成的第一流体；
g)通过与至少烃流进行热交换，在第一通路和第二通路中汽化源自步骤f)的第一流体的至少一部分，以便在交换器的出口处获得冷却的和/或至少部分地液化的烃流。
表述“天然气”是指含有烃(至少包括甲烷)的任何组合物。这包括“原始”组合物(在任何处理或洗涤之前)，还包括已经被部分处理、基本上处理或完全处理以减少和/或消除一种或多种化合物(包括但不限于硫、二氧化碳、水、汞和某些重芳烃)的任何组合物。
现在通过以下仅以非限制性示例并参考附图提供的描述，将更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的热交换器；
图2是根据本发明一个实施例的第一混合装置的三维示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第一混合装置在垂直于交换器的板的平面内的示意性截面视图；
图4是根据本发明一个实施例的第一混合装置和第二混合装置在平行于交换器的板的平面内的示意性截面视图；
图5是根据本发明另一实施例的第一混合装置和第二混合装置在平行于交换器的板的平面内的示意性截面视图；
图6示出了从根据现有技术配置的混合装置和根据本发明的混合装置输出的流体流动模拟的结果；
图7示意性地示出了根据本发明一个实施例的使烃流液化的方法；
图8示意性地示出了根据本发明另一实施例的使烃流液化的方法。
图1是热交换器1的截面视图，该热交换器包括板2(未示出)的堆叠体，这些板平行于由纵向方向z和侧向方向y限定的平面在二个维度上延伸。板2上下平行地且之间有一定间距地布置，并且因此形成通路堆叠体，这些通路用于流体经由所述板处于间接热交换关系。
优选地，每个通路具有平行六面体的扁平形状。与每个通路沿纵向方向z测量的长度和沿侧向方向y测量的宽度相比，两个相继板之间的间隙较小。
交换器1可以包括多于20块或者甚至多于100块板，这些板一起限定了用于引导至少一种第一流体F1的第一组第一通路10A和第二通路10B(通路10B在图1中未示出)、以及用于引导至少一种第二流体F2的第二组通路20(图1中未示出)，所述流体的流动总体上沿方向z发生。通路10A、10B可以全部或部分地交替地布置和/或邻近于所有或一些通路20布置。交换器1可以包括第三组通路或者甚至更多，用于一种或多种附加流体的流动。这些组的通路相对于彼此堆叠，形成通路堆叠体。
沿着板2的边缘对通路10A、10B、20的密封总体上由附接到板2的侧向密封条和纵向密封条4提供。侧向密封条4没有完全密封通路10A、10B、20，而是有利地在通道的呈对角线相对的拐角中留有流体入口开口和出口开口。
第一组通路10A、10B的开口被布置成彼此上下重合，而第二组的通路20的开口布置在相反拐角处。上下放置的开口分别在半管状歧管40、45、52、55中联合，流体通过这些半管状歧管分配到通路10A、10B、20中并从其中排出。
应当注意，可以使用除了图1所示之外的用于引入和排出流体的构型。因此，通路的开口可以布置在交换器宽度上的其他位置、特别是交换器宽度的中心，和/或交换器长度上的其他位置。在图1的图示中，半管状歧管52和45用于将流体引入交换器1中，并且半管状歧管40、55用于将这些流体从交换器1排出。
在这个替代性实施例中，供应一种流体的歧管和排出另一种流体的歧管位于交换器的同一端部处，因此流体F1、F2反向地流经交换器1。
根据另一替代性实施例，第一流体和第二流体还可以同向循环，其中供应一种流体的器件和排出另一种流体的器件位于交换器1的相反端部处。
优选地，当交换器1操作时，方向z竖直地定向。第一流体F1总体上竖直地向上流动。在不脱离本发明的范围的情况下，显然可以设想流体F1、F2的其他流动方向和路线。
应当注意，在本发明的范围内，具有不同性质的一种或多种第二流体F2可以在第二组通路20内流动。
优选地，第一流体F1是冷却剂，并且第二流体F2是热传递流体。
交换器有利地包括分配波纹51、54，分配波纹以波纹片材的形式布置在两个相继板2之间，从入口开口和出口开口延伸。分配波纹51、54确保流体跨通路10A、10B、20的整个宽度的均匀分配和回收。
此外，通路10A、10B、20有利地包括布置在板2之间的热交换结构。这些结构的目的是增加交换器的热交换表面，并且通过使流动更加紊动来增加流体之间的交换系数。实际上，热交换结构与在通路中循环的流体接触，并且通过传导将热流传递到相邻的板2，热交换结构可以通过钎焊附接到这些相邻的板，这增加了交换器的机械强度。
热交换结构还用作板2之间的间隔件，特别是当通过钎焊来组装交换器时，并且用于在实施加压流体时避免板的任何变形。这些热交换结构还确保流体流在交换器的通路中被引导。
优选地，这些结构包括热交换波纹11，这些热交换波纹在分配波纹沿着通路的长度的延伸范围上，有利地平行于板2跨通路10A、10B、20的宽度和长度延伸。因此，交换器的通路10A、10B、20的长度的主要部分形成热交换部分本身，该热交换部分衬有热交换结构，所述主要部分以衬有分配波纹51、54的分配部分为边界。
图1示出了第一组的第一通路10A，该第一通路被配置用于呈两相混合物形式的第一流体F1的流动，该两相混合物也被称为双相混合物。第一组包括这种类型的多个第一通路10A、以及堆叠在第一通路上并具有与第一通路10A相似的结构的多个第二通路10B。第一流体F1在分离器装置6中被分离成第一相61和第二相62，该第一相和该第二相通过单独的第一歧管30和第二歧管52被分别引入交换器1中。优选地，第一相61是液体，并且第二相62是气体。
然后，第一相61和第二相62通过布置在至少一个第一通路10A中的第一混合装置3A混合在一起。有利地，第一组的若干第一通路10A或者甚至所有通路10A包括第一混合装置3A。类似地，第一相61和第二相62通过布置在至少一个第二通路10B中的第二混合装置3B混合在一起。有利地，第一组的若干第二通路10B或者甚至所有通路10B包括第二混合装置3B。半管状歧管52和55流体地连接到通路10A和10B的入口和出口。第一歧管30流体地连接到第一混合装置3A和第二混合装置3B中的每一者的至少一个第一入口311A、311B。第二歧管52流体地连接到第一混合装置3A和第二混合装置3B中的每一者的至少一个第二入口321A、321B。
应当注意，图1示出了定位在离交换器1的分配区51一定距离处的混合装置3A。根据替代性实施例，第一混合装置3A可以直接定位在分配区之后或者与所述区并置，也就是说，混合装置与分配区为单件。根据后一种可能性，混合装置形成一体式部件，可以通过常规机加工或者通过增材制造(即，通过3D打印、例如通过激光烧结)来制造该一体式部件。
图2是容纳在第一通路10A中的第一混合装置3A的三维视图，该第一混合装置有利地由杆或棒构成。第二混合装置3B可以具有针对第一装置3A描述的所有或一些特征。
第一混合装置3A优选地跨第一通路10A的几乎整个或甚至整个高度延伸到通路10的截面中，使得混合装置与形成第一通路10A的每个板2接触。
第一混合装置3A有利地通过钎焊附接到板2上。
第一混合装置3A有利地具有总体平行六面体形状。
优选地，第一混合装置3A是一体式部件，即，由块形成或作为单件。可以通过常规机加工或增材制造来制造第一混合装置3A。第一混合装置3A可以具有平行于纵向方向z在20mm与200mm之间的范围内的第一维度、以及平行于侧向方向y在100mm与1,400mm之间的范围内的第二维度。
第一混合装置3A包括至少一个侧向通道31A，该至少一个侧向通道被配置用于第一流体F1的第一相61从至少一个第一入口311A流动。优选地，侧向通道31A平行于侧向方向y延伸。
混合装置进一步包括一系列纵向通道32A，该一系列纵向通道平行于纵向方向z延伸、并且被配置用于第一流体F1的第二相62从第二入口321A向上流到第二出口322A，所述纵向通道32沿侧向方向y被布置在相继的位置yi、yi+1......处。
优选地，侧向通道31A跨整个第二维度延伸，和/或纵向通道32A跨整个第一维度延伸。
优选地，混合装置3A包括至少一个与第一歧管30流体连通的第一入口311A、以及与第一入口311分开的(即，不同的)、与第二歧管52流体连通的第二入口321A。第一歧管30流体地连接到第一相源61，并且第二歧管52流体地连接到另一个第二相源62。所述至少一个第一入口311A和所述至少一个第二入口321A经由至少一个开口34流体连通。第一入口和第二入口有利地通过使侧向通道和纵向通道在装置3A、3B的侧向外围边缘和纵向外围边缘出现而形成。
图2示出了经由装置3A的包括多个第一入口311A的端部引入第一相61。根据有利的实施例，第一混合装置3A包括位于装置3A的相反端部处的用于第一相61的至少一个其他第一入口。有利地，通过将侧向通道31A、31B延伸直到这些侧向通道在交换器1的相反侧向边缘处出现来获得这些其他入口。在这种情况下，另一个第一歧管30布置在交换器1的相反侧。当第一相在侧向通道中流动时，在混合装置的任一侧引入第一相61都允许压力损失的影响减小，这促进了双相混合物跨交换器的宽度的更均匀分配。
优选地，第一混合装置3A包括位于纵向通道32A中的混合体积，该纵向通道在开口34中第一相61的流动方向上是在开口34的下游。
侧向通道31A流体地连接到至少一个纵向通道32A，使得当第一相61在侧向通道31A中流动并且第二相62在纵向通道32A中流动时，第一混合装置3A经由通道32A的第二出口322A分配第一相61和第二相62的混合物、优选地液/气两相混合物F1。优选地，纵向通道和/或侧向通道通常是笔直的。
通道31A、32A有利地呈设置在混合装置3中的纵向凹部的形式。这些通道优选地在混合装置3a的上表面3A和下表面3b处出现。
优选地，通道31A、32A具有正方形或矩形横截面，但是可选地可以采取其他形状(圆形、圆形部分等)。
开口34有利地是在装置3A的材料中制成的穿孔34，并且优选地在由方向x和方向y形成的平面内在侧向通道31A与纵向通道32A之间延伸，其中开口34能够相对于方向x倾斜，或者优选地与竖直方向x对准。优选地，开口34具有圆柱对称性，并且更优选地是圆柱形的。
优选地，所述至少一个侧向通道31A包括底壁3c，并且所述至少一个纵向通道32A包括顶壁3d，该顶壁与底壁3c相反地延伸，开口34在侧向通道31的底壁中被穿孔并且出现在纵向通道32A的顶壁中。
图3是图2的混合装置3A在正交于侧向方向y并穿过开口34的截面平面内的视图。
为了方便起见，通常在第一组的通路10A、10B(特别是沿侧向方向y布置在相同位置处的纵向通道)中布置具有相同几何形状的混合装置。
在每个纵向通道的出口处，第一流体F1的两相混合物的流动优选地沿纵向方向z发生，其中流动在通路的宽度上逐渐扩展。仅在混合物覆盖的一定距离之外获得每个通路中这些流的均匀化。在第一组的整个通路10A、10B堆叠体中缺乏混合物F1的这种均匀化。
为了解决这些问题，本发明提出分别在第一组的第一通路10A和第二通路10B中布置第一混合装置3A和第二混合装置3B，所述混合装置具有不同的构型，其中第一混合装置3A的纵向通道32A的至少一部分、优选地全部都沿侧向方向y定位在与第一混合装置3A的纵向通道32B的位置不同的位置处。应当注意，术语“至少一些”应理解为是指该系列中的一个或多个或所有纵向通道32A。
这允许流体F1的两相混合物在交换器宽度上不同地分布的点处被分配。因此，通过考虑由第一通路10A和第二通路10B形成的组件，第二流体经历的双相混合物的均匀化总体上得到改进。实际上，通过考虑将纵向通道32A的出口和纵向通道32B的出口布置在同一平面内，可以减小沿侧向方向y测量的一个通道与下一个通道相隔的距离。而在现有技术中，即两个混合装置具有相同的通道位置，一个通道与下一个通道相隔的距离必须等于每个装置的通道间距离。应当注意，利用本发明，可以实现更好的均匀化，而每个纵向通道中的流体流动不受影响或不受显著影响。
通过本发明，在混合物在混合装置下游进行较短传播距离之后，交换器宽度上的混合速率差异被减小，或者甚至被消除。改进了双相混合物与第二流体F2之间的热交换，并且因此改进了交换器的操作。
此外，改进了在钎焊或其操作期间，交换器的机械强度。实际上，通道32A和32B不再以叠置的方式定位在交换器的堆叠体中，并且在通道32A和32B中产生的材料缺乏得到更好地分配，这使堆叠体坚固。此外，由于第二流体经历的双相混合物的更好分配，热应力减小。
优选地，用于两相混合物流动的第一组通路包括多个第一通路10A和多个第二通路10B，这些通路包括根据本发明配置的第一混合装置和第二混合装置。第一通路10A和第二通路10B有利地交替定位在形成交换器的通路堆叠体内。
优选地，第二组的至少一个通路20布置在至少一个第一通路10A与跟随在所述至少一个第一通路10A之后的至少一个第二通路10B之间。特别地，通路堆叠体可以具有以下交替模式：第一通路10A、通路20、第二通路10B、通路20、第一通路10A、通路20等。因此，冷却剂通路的数量被最小化。根据另一种可能性，通路堆叠体可以具有以下交替模式：第一通路10A、第二通路10B、通路20、第一通路10A、第二通路10B、通路20等。
本发明能够更好地使双相混合物向第二热传递流体的总制冷供给均匀化，并且因此提高了交换器的性能。
图4和图5示出了根据本发明的第一装置3A和第二装置3B的实施例。应当注意，装置3A、3B在同一平面内并排示出，但是在操作期间，它们布置在沿x方向叠置的单独的通路10A、10B中，它们优选地位于沿纵向方向z的相同位置处。纵向通道32A、32B在装置3A、3B内的定位由竖直线示意性地示出。轴线AA表示每个通路10A、10B在由方向y和z形成的平面内的纵向对称轴线。
图4和图5示意性地示出了呈线的形式的纵向通道。应当注意，可以通过考虑每个通道的中心沿侧向方向y的位置来确定每个通道沿侧向方向y的位置yi、yi+1、yi+2......。例如，通过考虑如图2所示的呈平行六面体或总体上平行六面体的凹槽形式的通道，通道沿y方向的位置对应于通道的对称轴线的位置，该对称轴线距通道的侧向壁为相等距离，如图2所示。
优选地，第一混合装置3A的纵向通道32A彼此分开第一恒定距离DA，并且第二混合装置3B的纵向通道32B彼此分开第二恒定距离DB。距离DA、DB是平行于纵向方向y测量的。
优选地，第一距离DA和第二距离DB是相等的。
第一距离DA和/或第二距离DB的范围可以在10mm与40mm之间，优选地大于或等于20mm并且小于或等于30mm。
优选地，混合装置3A、3B各自由两个纵向边缘3e限定。
优选地，混合装置3A、3B的尺寸被确定成至少部分地覆盖、优选地完全覆盖纵向密封条4，这些密封条沿纵向方向z密封这些通路。
因此，混合装置3A、3B具有有效宽度Ly，该有效宽度小于两个纵向边缘3e之间的距离、并且对应于混合装置的暴露给流体的宽度，即通路10A或10B的宽度。混合装置3A、3B具有在两个端部81之间延伸的有效宽度区Ly、和重叠区80，这些重叠区延伸超过通路10A、10B并且这些重叠区的宽度有利地对应于如图1所示的侧向密封条4的宽度。这样的布置确保了堆叠体的刚性和钎焊的组件更好的机械强度。
优选地，第一混合装置3A的每个纵向通道32A沿侧向方向y插置在第二混合装置3B的两个相继纵向通道32B之间、或者插置在第二混合装置3B的纵向通道32B与纵向边缘3e之间。
优选地，第一混合装置3A的单一纵向通道32A沿侧向方向y插置在第二混合装置3B的两个相继纵向通道32B之间、或者插置在第二混合装置3B的纵向通道32B与侧向边缘3e之间。
优选地，第二混合装置3B的每对相继纵向通道32B对应于第一混合装置3A的插置在所述这对通道之间的纵向通道32A，可选地其中，第一混合装置3A的纵向通道32A插置在第二混合装置3B的纵向通道32B与侧向边缘3e之间。
优选地，第二混合装置3B的一系列纵向通道32B相对于第一装置3A的一系列纵向通道32A偏移了预定的偏移距离Dy，该预定的偏移距离是沿侧向方向y测量的。
优选地，偏移距离Dy在第一距离DA的25％与75％之间，优选地偏移距离Dy是第一距离DA的大约50％。表述“大约”是指50％或大致50％，在该值附近的变化大于或小于10％。
在根据图4的构型中，第一混合装置和第二混合装置具有相同的结构，其中一个混合装置相对于另一个混合装置在被安装到其通路中之前在由方向y和z形成的平面内旋转了180°。这种构型的优点在于，仅需要制造一种类型的混合装置，通过简单地使该装置在由方向y和方向z形成的平面内转动，就可以获得纵向通道32A、32B的不同分布。有利地，距离DA和DB是相等的，并且偏移量Dy等于DA的一半。第一混合装置和第二混合装置的纵向通道32A、32B的数量是相同的。纵向通道32A、32B被布置成使得对于混合装置之一，这个系列中的第一纵向通道位于距有效区的一个端部81为距离DA处，并且这个系列中的最后一个纵向通道32A位于距有效区的相反端部81为距离DA/2处，对于另一个混合装置则反过来。
图5示出了替代性实施例，其中第一通路10A和第二通路10B的纵向通道相对于交换器的对称轴线AA对称地布置。这种构型的优点是双相混合物的分配点在交换器的宽度上保持对称分布。有利地，距离DA和DB是相等的，并且偏移量Dy等于DA的一半。第一混合装置和第二混合装置中的一个混合装置相对于另一个混合装置具有附加的纵向通道。纵向通道32A、32B被布置成使得对于混合装置之一，这个系列中的第一纵向通道和最后一个纵向通道32A位于距有效区的每个相反端部81为距离DA处。对于另一个混合装置，这个系列中的第一纵向通道和最后一个纵向通道位于距有效区的相反端部81为距离DA/2处。混合装置的有效宽度Ly是距离DA的倍数。
根据优选实施例，第一混合装置3A和第二混合装置3B布置在它们相应的通路10A、10B中，使得它们的下表面3b(它们的纵向通道32A、32B在该下表面处出现)都沿竖直方向x定向，或者特别地如图3所展示地都沿与竖直方向x相反的方向定向。
根据替代性实施例，这些第一混合装置3A中的至少一个第一混合装置具有相对于至少一个第二混合装置3B和/或至少一个其他第一混合装置3A的下表面3b的取向方向沿相反方向定向的下表面3b，即，至少一个第一混合装置在被布置到其通路中之前围绕平行于方向y的轴线转过了180°。这允许两相混合物的流动朝向第二组的某些相邻通路20定向，以便促进与某些热传递流体而不是其他热传递流体的热交换。例如，可以设想在通路堆叠体中彼此相继的第一混合装置和第二混合装置的下表面3b具有交替的取向。
通过考虑混合装置的两种构型提供了以上描述，应当理解，可以实施三种或更多种构型，并且其包括适用的特征中的一个或多个特征。特别地，附加混合装置的纵向通道沿侧向方向y布置在与第一混合装置和第二混合装置的位置不同的位置。特别地，在三种不同混合装置的情况下，交换器将包括具有纵向通道32C的第三混合装置3C，其中第一混合装置3A和第二混合装置3B的纵向通道沿侧向方向y插置在第三装置的两个相继纵向通道32C之间、或者插置在第三装置3C的纵向通道32C与纵向边缘之间。
为了说明利用本发明获得的总体均匀化效果，图6示出了两相混合物在交换器中的传播的模拟结果，该交换器包括具有相同类型混合装置的常规通路布置(构型A)、以及具有根据本发明配置的第一混合装置和第二混合装置的通路布置(构型B)。
在构型A中，第一组的每个通路包括呈带槽杆形式的混合装置，该带槽杆包括一系列以30mm的规则间隔彼此相继的平行六面体凹槽作为纵向通道、以及一系列平行六面体凹槽作为侧向通道，这些平行六面体凹槽通过对于每个纵向通道而言的单一开口与纵向通道流体地连接。对于所有纵向通道，开口的几何形状都是相同的。每个混合装置的纵向通道以相同的数量布置在沿侧向方向y相同的位置yi、yi+1......处。
在构型B中，第一混合装置和第二混合装置交替地布置在交换器的第一组通路的通路中。第一混合装置和第二混合装置呈与构型A相同的带槽杆的形式，特别地具有彼此相隔距离DA＝DB＝30mm的凹槽，除了形成第二混合装置的纵向通道的这一系了列凹槽相对于形成第一混合装置的纵向通道的一系列凹槽偏移距离Dy＝DA/2。
在构型A和B中，在每个通路中在混合装置的出口处布置了“锯齿”型波纹11(即，部分地偏移的波纹)。这些波纹是“1/8”锯齿型”(1”＝1英寸＝25.4mm)(即，锯齿长度为25.4/8＝3.18mm)，并且具有沿侧向方向y测量的密度为每英寸24个翅片(1英寸＝25.4mm)的波纹。这个模拟的假设是，对于波纹的每个锯齿改变，混合速率被分成两等份。
图6示出了在离开纵向通道之后，通过对交换器的第一组的所有通路上的流量进行平均，沿纵向方向z在侧向方向y上为200mm的传播距离处获得的无量纲质量流量。可以看出，在根据本发明的构型B中，交换器的宽度上的流量变化幅度减小。
图7和图8示出了实施根据本发明的一个或多个交换器的方法的示例。
图7示意性地示出了用于使作为第二流体F2的烃流102液化的方法，该烃流可以是天然气，该天然气可选地在被引入热交换器1之前经过预处理，例如已经经历了以下组成元素中的至少一种组成元素的分离：水、二氧化碳、硫化合物、甲醇、汞。
优选地，以摩尔分数计，烃流包含至少60％、优选地至少80％的甲烷。
烃流102和冷却流202分别经由第三入口25和第四入口21进入交换器1，以便在交换器的专用通路中沿平行于纵向方向z的方向循环，纵向方向在操作期间基本上是竖直的。烃流102循环通过被第三入口25供应的第二组通路20。冷却流202循环通过布置在形成交换器1的堆叠体内的第三组通路。这些流经由第三出口22和第一出口23离开。第二组和第三组的通路全部或部分地交替地布置和/或邻近于第一组的全部或部分通路10A、10B布置。
有利地，用于冷却流202的第四入口21和用于烃流102的第三入口25被布置成使得冷却流202和可选地烃流102同向地向下流向交换器的第二端部1b，该第二端部位于比所述交换器的第一端部1a低的水平。优选地，第一端部1a对应于交换器1的热端部，即，交换器的入口点，流体在交换器的温度中的最高温度下在该入口点处被引入，取决于方法，该入口点可以是第四入口21或第三入口25。
烃流102可以在-130℃与40℃之间的温度范围内被引入交换器1。
根据一种可能性，烃流102在-80℃与-35℃之间的温度范围内以完全气态或部分地液化的状态被引入交换器中。
根据另一种可能性，烃流102在-130℃与-100℃之间的温度范围内以完全液化的状态被引入交换器1中。
离开交换器1的冷却流201通过膨胀部件T3(比如涡轮、阀、或涡轮与阀的组合)膨胀，从而形成包括液相和气相的双相冷却流203。双相冷却流203形成先前考虑的第一流体F1。源自膨胀的双相冷却流203的至少一部分被引入分离器部件27中。分离器部件可以是适于将双相流体一方面分离成主要为气态的流、另一方面分离成主要为液态的流的任何装置。
经由歧管52引入气相62，该歧管供应给布置在第一组的第一通路10A和第二通路10B中的第一混合装置3A和第二混合装置3B的第二入口321A、321B。经由第一歧管30引入液相61，该第一歧管供应给第一混合装置3A和第二混合装置3B(图7中未示出)的第一入口311A、311B。
优选地，气相经由位于与交换器1的冷端部相对应的第二端部1b的区域中的入口(即，交换器中的入口点)被引入，流体在交换器中流体温度的最低温度下在该入口点处被引入。
双相流203的两个相61、62在交换器1内重新组合，并且以液-气混合物状态分配在交换器1的第一通路10A和第二通路10B中，该第一通路和第二通路分别设置有根据本发明的混合装置3的第一混合装置3A和第二混合装置3B。
优选地，双相冷却流203在范围在-120℃与-160℃之间的第一温度T1下被引入热交换器1中，并在高于第一温度T1的第二温度T2下离开热交换器1，优选地T2的范围在-35℃与-130℃之间。
根据另一种可能性，双相冷却流203在范围在-130℃与-80℃之间的第一温度T1下被引入热交换器1中，并且在高于第一温度T1的第二温度T2下离开热交换器1，优选地T2的范围在_10℃与50℃之间。
双相冷却流203的所述至少一部分向上流经通路10A、10B，并且通过使天然气102和冷却流202逆流地冷却而被汽化。因此，在交换器1的出口处获得冷却后的和/或至少部分地液化的烃流101。
汽化的冷却流经由连接到歧管55的第二出口42离开交换器1，以便被压缩机压缩，然后在间接热交换器中通过与例如水或空气等外部冷却流体进行热交换(图1中的26处)而被冷却。在压缩机出口处的冷却流压力的范围可以在2MPa与9MPa之间。间接热交换器的出口处的冷却流温度的范围可以在10℃与45℃之间。
在图7中描述的方法中，没有将冷却流分成单独的部分，但是为了优化交换器1中的途径，也可以将冷却流分成两个或三个部分，其中每个部分以不同的压力水平膨胀，然后被送到压缩机的不同级。
优选地，冷却流202包含具有至多5个碳原子、优选地至多3个、更优选地至多2个碳原子的烃。
优选地，冷却流202例如由烃和氮的混合物形成，比如甲烷、乙烷和氮的混合物，但是还可以包含丙烷、丁烷、异丁烷、正丁烷、戊烷、异戊烷、正戊烷和/或乙烯。
冷却流的组分的摩尔分数比例(％)可以为：
-氮：0％到10％
-甲烷：20％到70％
-乙烷：30％到70％
-乙烯：20％到70％
-丙烷：0％到20％
-正丁烷：0％到30％
-异戊烷：0％到20％
可选地，冷却流可以包括乙烯作为乙烷替代物、以及C4、C5型化合物作为全部或部分丙烷的替代物。
优选地，天然气在一定温度和与天然气的入口压力相同的压力(达到最接近的压力损失)下至少部分地液化101地离开交换器1，该温度优选地比在大气压下产生的液化天然气的泡点温度(泡点温度表示在给定压力下液态天然气中形成第一个蒸气泡时的温度)至少高于10℃。例如，天然气在-100℃与-162℃之间范围内的温度和在2MPa与7MPa之间范围内的压力下离开交换器1。在这些温度和压力条件下，取决于其组成，天然气在膨胀至大气压之后通常不会保持液态。
有利地，根据本发明的使烃流液化的方法可以实施在上述主制冷循环上游进行的一个或多个附加制冷循环，以便将烃流预冷却。
图8示意性地示出了用于使比如天然气等烃流液化的方法，该方法包括附加制冷循环，在该附加制冷循环中使用至少两个不同的膨胀水平将天然气冷却至接近其露点的温度，以便提高循环的效率。该附加制冷循环通过附加热交换器2中的附加冷却流300来实施，该附加热交换器被称为预冷却交换器、在烃流110的流动方向上布置在热交换器1的上游，该热交换器则形成液化交换器。
在该实施例中，供应流110例如在2.5MPa与7MPa之间范围内的压力和在20℃与60℃之间范围内的温度下到达。在供应流110包括比如天然气等烃混合物的情况下，冷却流202和附加冷却流300进入附加交换器2，以便在其中沿向下方向沿平行方向和同向方向循环。
冷却的或甚至至少部分地液化的烃流102离开预冷却交换器2。优选地，烃流102例如在-35℃与-70℃之间的温度范围内以气态或部分地液化的状态离开。冷却流202还可以例如在-35℃与-70℃之间的温度范围内完全冷凝地离开交换器2。流102然后被引入交换器1中。
从图8中可以看出，流203在交换器1中汽化并离开交换器，以便被压缩机K2压缩，然后在间接热交换器C2中通过与例如水或空气等外部冷却流体进行热交换而被冷却。源自交换器C2的冷却流然后返回到附加交换器2。
附加冷却流300可以由烃的混合物(比如乙烷和丙烷的混合物)形成，但是还可以包含甲烷、乙烯、丙烯、丁烷和/或戊烷。第一冷却剂混合物的组分的摩尔分数比例(％)可以为：
-乙烷：30％到70％
-丙烷：30％到70％
-丁烷：0％到20％
在也是钎焊板翅片式的附加交换器2中，源自附加冷却流300的至少两股分流在至少两个不同的出口点上从交换器中抽出，然后膨胀到不同的压力水平，产生各自包括第一相和第二相的部分双相膨胀流。这些部分双相流的至少一部分被引入相应的分离器部件24、25、26中。
在图8的实施例中，相继地提取附加冷却流300的处于第一相的三个部分，也被称为部分流量或流301、302、303。
由每个分离器部件分离的气相和液相经由附加热交换器2的单独入口引入，并在混合装置(未示出)内重新组合，从而形成至少两种以液-气混合物状态引入专用冷却剂通路的冷却剂流体。替代性地，仅液相被注入交换器2中，并且气相被引向压缩机K1的压缩级的入口。这些冷却剂在附加交换器2中通过与供应流110和冷却流200和附加冷却流300进行热交换而被汽化。
有利地，在附加交换器中布置至少两种类型的混合装置2(比如那些可以布置在根据本发明的交换器1内的混合装置)。因此，附加交换器包括至少两个冷却剂通路，每个冷却剂通路包括混合装置，这些装置包括先前针对第一混合装置3A和第二混合装置3B描述的一个或多个特征。
汽化的冷却剂在它们各自的冷却剂通路中被送至压缩机K1的不同级进行压缩，然后在冷凝器中通过与外部冷却流体(例如水或空气)进行热交换而冷凝。源自冷凝器的流返回到附加交换器2。在压缩机K1的出口处的第一冷却流的压力范围可以在2MPa与6MPa之间。冷凝器C1的出口处的附加冷却流的温度范围可以在10℃与45℃之间。
优选地，冷却剂沿纵向方向z从附加交换器2的一个端部2b向上流到另一端部2a。端部2b对应于附加交换器2的冷端部，冷却剂在附加交换器2的温度中的最低温度下在该冷端部处被引入。
当然，本发明不限于在本申请中描述和展示的特定示例。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以设想本领域技术人员能力范围内的其他替代性实施例。例如，取决于要实施的方法所施加的约束，显然可以设想用于将流体注入交换器/从中抽出的其他构型、流体的其他流动路线和方向、其他类型的流体、混合装置、侧向通道和纵向通道的其他形式。

Claims (12)

1.一种热交换器(1)，该热交换器包括彼此平行且平行于纵向方向(z)布置的多个板(2)，所述板(2)以间隔开的方式堆叠从而一起限定至少一个第一组通路(10A，10B)和至少一个第二组通路(20)，该至少一个第一组通路被配置用于第一流体(F1)总体上沿该纵向方向(z)流动，该至少一个第二组通路被配置用于第二流体(F2)流动以与该第一流体(F1)形成热交换关系，该第一组的至少一个第一通路(10A)包括第一混合装置(3A)，并且该第一组的至少一个第二通路(10B)包括第二混合装置(3B)，该第一混合装置和该第二混合装置(3A，3B)中的每一者包括：
-至少一个侧向通道(31A，31B)，该至少一个侧向通道被配置为使该第一流体(F1)的第一相(61)从至少一个第一入口(311A，311B)流动；
-一系列纵向通道(32A，32B)，该一系列纵向通道沿该纵向方向(z)延伸，并且每个纵向通道被配置为使该第一流体(F1)的第二相(62)从第二入口(321A，321B)流到第二出口(322A，322B)，所述纵向通道沿正交于该纵向方向(z)的侧向方向(y)彼此相继；以及
-至少一个开口(34)，该至少一个开口将该至少一个侧向通道(31A，31B)流体地连接到至少一个纵向通道(32A，32B)，使得该第一混合装置和该第二混合装置(3A，3B)被配置为经由它们相应的纵向通道(32A，32B)的第二出口(322A，322B)分配该第一相(61)和该第二相(62)的混合物，
其特征在于该第一混合装置(3A)的纵向通道(32A)至少部分地沿侧向方向(y)布置在与该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)的位置不同的位置处。
2.如权利要求1所述的交换器，其特征在于，该第二混合装置(3B)包括平行于该纵向方向(z)延伸的两个纵向边缘(3e)，该第一混合装置(3A)的每个纵向通道(32A)沿该侧向方向(y)插置在该第二混合装置(3B)的两个相继纵向通道(32B)之间、或者插置在该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)与纵向边缘(3e)之间。
3.如权利要求2所述的交换器，其特征在于，该第一混合装置(3A)的单一纵向通道(32A)沿该侧向方向(y)插置在该第二混合装置(3B)的两个相继纵向通道(32B)之间、或者插置在该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)与纵向边缘(3e)之间。
4.如前述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，该第一混合装置(3A)的纵向通道(32A)彼此分开第一恒定距离(DA)，并且该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)彼此分开第二恒定距离(DB)，优选地该第一距离(DA)和该第二距离(DB)是相等的。
5.如权利要求4所述的交换器，其特征在于，该第二混合装置(3B)的该一系列纵向通道(32B)相对于该第一装置(3A)的该一系列纵向通道(32A)偏移了沿该侧向方向(y)测量的偏移距离(Dy)，优选地该偏移距离(Dy)在该第一距离(DA)的25％与75％之间，优选地该偏移距离(Dy)是该第一距离(DA)的50％。
6.如权利要求4或5中任一项所述的交换器，其特征在于，该第一距离(DA)和/或该第二距离(DB)的范围在10mm与40mm之间，优选地大于或等于20mm并且小于或等于30mm。
7.如前述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，该第一通路和该第二通路(10A，10B)中的每一者具有平行于该纵向方向(z)延伸的纵向对称轴线(AA’)，每个第一混合装置和第二混合装置(3A，3B)的纵向通道(32A，32B)相对于该纵向对称轴线(AA’)对称布置。
8.如权利要求1至6中任一项所述的交换器，其特征在于，该第二混合装置(3B)的纵向通道(32B)沿该侧向方向(y)的位置在由该侧向方向(y)和该纵向方向(z)限定的平面内旋转180°之后，与该第一装置(3A)的纵向通道(32A)沿该侧向方向(y)的位置重合。
9.如前述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，该交换器包括多个交替地布置的第一通路(10A)和第二通路(10B)，该第二组中的至少一个通路(20)布置在至少一个第一通路(10A)与跟随在所述至少一个第一通路(10A)之后的至少一个第二通路(10B)之间。
10.如前述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，该第一混合装置(3A)和该第二混合装置(3B)的侧向通道(31)和/或纵向通道(32)是笔直的。
11.如前述权利要求中任一项所述的交换器，其特征在于，该第一混合装置和该第二混合装置(3)各自包括一系列侧向通道(31A，31B)，该一系列侧向通道沿该侧向方向(y)延伸并且沿该纵向方向(z)彼此相继。
12.一种用于使作为第二流体(F2)的包含烃的流(102)、比如天然气液化的方法，所述方法实施了至少一个如权利要求1至11中任一项所述的交换器(1)，并且包括以下步骤：
a)将该烃流(102)引入该第二组的通路(20)中；
b)将冷却流(202)引入该热交换器(1)的第三组通路中；
c)从该热交换器(1)排出该冷却流(201)并且将该冷却流(201)膨胀到至少一个压力水平，以便产生作为第一流体(F1)的至少一种双相冷却流(203)；
d)将源自步骤c)的该双相冷却流(203)的至少一部分分离成气相(62)和液相(61)；
e)经由所述第一通路(10A)和第二通路(10B)的单独入口(311A，321A，311B，321B)将该气相(62)的至少一部分和该液相(61)的至少一部分分别引入该第一组的第一通路(10A)和第二通路(10B)中的每一者中；
f)将步骤e)中引入的这些相(61，62)送到第一混合装置和第二混合装置(3A，3B)中，以便在该第一混合装置和该第二混合装置(3A，3B)中的每一者的出口处获得作为该第一相(61)和该第二相(62)的混合物的该第一流体(F1)；
g)通过与至少该烃流(102)进行热交换，在该第一通路和该第二通路(10A，10B)中汽化源自步骤f)的该第一流体(F1)的至少一部分，从而在该交换器(1)的出口处获得冷却的和/或至少部分地液化的烃流(101)。
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