CN1650144A - 用于使热交换反应器中的热膨胀副作用最小的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热交换反应器，其包括外壳、安装在外壳内并且能够运载第一流体的多个管、以及具有多个用于接收管的孔的挡板。所述挡板的结构能够引导外壳内配备的第二流体在通常垂直于管的方向上流动。这种热交换反应器包括多个不同的用于使挡板和管的热膨胀副作用最小的结构。考虑到热膨胀反应器的结构、诸如通过定型挡板上的孔来使工作状态和非工作状态下挡板与管之间的机械膨胀最小。反应器沿反应器内的大温度梯度区处的管长度还包括热绝缘体。反应器还包括只与一个管接触的热传递翅片。

Description

用于使热交换反应器中的热膨胀副作用最小的方法和装置
发明领域
本发明涉及热交换反应器和热交换反应器的构建方法。
背景技术
经常利用热交换反应器来完成化学反应，在化学反应中必须将大量的热量从第一反应流体加入或去除到第二热传递流体中，该热传递流体可以发生反应也可以不发生反应。这些热交换反应器经常非常类似于简单的热交换器，但经常具有额外的特征例如催化剂固定床、专门的流路设计、奇异材料等。可以许多形式来构建热交换反应器，包括散热片式和管式阵列。
在热交换反应器内进行的一个反应实例是，用于生成含烃气体混合物的烃原料的蒸汽转化。在该过程中，使蒸汽与烃的混合物通过一个液压管路，而热流体(通常是燃烧产物)通过单独的液压管路并将热量传递到第一反应流体内，从而促进高度吸热的蒸汽转化反应的实施。一个散热片式烃蒸汽转化器实例表示在Lesieur的U.S.5,733,347中。已经披露了几个管式热交换转化器实例，诸如Buswell等人的U.S.3,446,594。Lomax等人的序列号为09/642,008和09/928,437的美国申请公开了一种显著优越于其它构造的改进型管式转化器构造，因此这两件申请作为参考全部并入本文。
本发明人已经确定，许多热交换反应器由于第一反应流体与第二热传递流体之间的温差，而面临着严峻的机械设计挑战。这些温差由于热交换反应器的构建材料的膨胀性不同，而导致热应变或置换。如果热交换反应器的构造不允许自由膨胀，那么不现实的应变就导致热应力的产生。这些热应力在烃蒸汽转化器中尤其是个难题，因为温度梯度通常非常高。而且，用于蒸汽转化的现代热交换反应器力争减小反应器的实际尺寸，以便减少成本和容易在对空间和重量敏感的应用(例如车辆)中使用。实际尺寸的减小导致由于猛烈增大热交换反应器内的热梯度而产生的热应力问题加重。
在通常的管式热交换反应器中，尤其是在序列号为09/642,008的美国申请的改进型反应器中，获得更紧凑反应器的一个途径是，提供挡板特征，以便在基本上正交或垂直于管轴的方向上诱发第二流体的流动。将这样的流动设置定义为交叉流动。通过沿热交换反应器管的长度放置几个挡板特征，可以诱导第二热交换流体流过管阵列几次。通过最佳选择挡板的数目和间隔，可以使管式热交换反应器的机械构造的某些因素(例如实际尺寸、第二流体压力降和其它重要特征)最佳。
管式阵列热交换反应器中特征的提供表示由沿管轴的热梯度导致的难题加大。这些难题是由于以下事实造成的：即，给定温度下的热膨胀与温度、构建材料和实际尺寸这三个因素相关。用关系式ΔL＝αΔTL0来表示热膨胀，其中α在名义上由构建材料来恒定确定(即，热膨胀系数)，ΔT是感兴趣的温度与参比温度之间的偏差，而L0是该特征在参比温度时的初始长度。由于挡板通常是与管正交的大范围平坦部分，因此与管自身的膨胀相比，挡板随温度变化的膨胀非常大，而挡板在与管轴正交的平面内一般要小得多。
在序列号为09/642,008的美国申请中公开的那种新型热交换蒸汽转化反应器中，发明人已经确定，与热膨胀有关的问题被复杂化，因为管阵列在两端比在中心更冷。由于这些管与管两端刚性压头的端板接合，因此管在与管纵轴正交的平面内的相对膨胀被压头温度所固定。在位于管两端之间中心的更高温度区域，与管正交的平坦部分(例如挡板和平坦的翅片)以比更冷的压头成比例增大的量膨胀。该发明人已经确定，如果整个反应器是由热膨胀系数(α)近似的材料构成的，那么平坦特征易于施加与管轴正交的很重的力。这些力能够导致反应器的过早结构失败，除非采用异常强的管，由于以下几个原因，该结构是不期望的：在反应器的构建中材料的用量令人讨厌地增多，以及反应器的体积和重量附带增大。
发明内容
为了努力消除这些问题，本发明人已经构建了一种热交换反应器，该反应器的结构能够使热膨胀的副作用最小(如下所述)。
因此，本发明提供的方法和构造能够减小热交换反应器内的热应力，使热交换反应器管的耐腐蚀性增强，以及与其它构造相比，减少了管材料的总用量。
本发明有益地提供了一种热交换反应器，这种反应器包括外壳、安装在外壳内并且能够运载第一流体的多个管、以及具有多个用于接收管的孔的挡板。所述挡板的结构能够引导外壳内配备的第二流体在通常垂直于管的方向上流动。这种热交换反应器还有益地包括多个不同的、用于使至少一个挡板和多个管的热膨胀副作用最小的装置。
在本发明的一个实施例中，该热交换反应器还包括：将管的第一端安装到外壳内的第一端板，和将管的第二端安装到外壳内的第二端板。在该实施例中，用于使热膨胀的副作用最小的装置包括：用于减小第一端板、第二端板和挡板之间的热膨胀差(differential thermalexpansion)的装置。例如，通过选择这些部件的材料，能够减小热膨胀差，而这些部件根据该部件在外壳内的具体安装温度区域，而提供类似的热膨胀。
在本发明的另一实施例中，热交换反应器的结构使得用于使热膨胀副作用最小的装置包括：用于使热交换反应器的工作状态和非工作状态中的挡板与多个管之间的机械干扰最小的装置。例如，当多个不同的部件已经热膨胀时，多个孔中的至少一个孔的形状使得贯穿至少一个孔的对应管之间的机械干扰最小，从而使得热交换反应器的工作状态和非工作状态中的挡板与对应管之间的机械干扰最小。
在本发明的又一实施例中，热交换反应器的构造使得用于使热膨胀副作用最小的装置包括：用于沿热交换反应器内的大温度梯度区处的管长度提供热绝缘区的装置。
在本发明的又一实施例中，热交换反应器还包括与至少一个管接触的热传递翅片，从而热传递翅片的构造使其能够接触外壳内配备的第二流体。该热交换反应器包括用于使热传递翅片的热膨胀副作用最小的装置。例如，热传递翅片能够与多个管之一接触，从而不会将该热传递翅片附着到多个管中的另一个管上。
附图简述
通过参照下面的详细描述，尤其是当结合附图考虑时，对本发明的更完全评价及其许多附带优点将变得清晰可见，其中：
图1是相关技术的管式热交换反应器的示意性侧视图，其中在管头与沿管头之间的管轴定位的区域之间具有热梯度；
图2是图1所示的管式反应器阵列和反应器挡板的平面图；
图3表示出由挡板的热膨胀所导致的、图1的挡板与管之间的机械干扰问题；
图4表示出按照本发明的多种不同的挡板孔结构，这些结构能够减轻挡板与管之间的机械干扰；
图5是具有按照本发明的热传递翅片的多个不同实施例的两个管的截面图；以及
图6是按照本发明的包括热绝缘层的热交换反应器的示意图。
具体实施方式
图1表示出管式热交换反应器10的核心。反应器10包括封装多个管50的外壳20，将管50机械连接在第一歧管组件30的端板34一端以及第二歧管组件40的端板44的对置端。第一歧管组件30配有第一流体入口32，而第二歧管组件配有出口42。第一流体通过入口32流到第一歧管组件30中，而第一歧管组件30通过多个管50将第一流体分配到第二歧管组件40中，第一流体然后通过出口42流出。流过管50的第一流体与外壳20内配备的至少一种第二流体发生热交换接触，并与管50的外表面51(在图5中标出)接触。
热交换反应器10包括松散地安装在外壳20的壁22上的狭缝内的挡板60，这些挡板引导外壳20内的一种或多种额外流体在基本上垂直于管纵轴的方向上流动。在图1中，第一温度下的第二流体流进入口24，通过管50的壁从第一流体提取热量，同时第二流体以由挡板60、热交换反应器壁22和分隔器壁23引导的蛇形方式流动，并在出口25处的第二更高温度下从核心排出。既可加热第二流体，也可在入口26处的第三还要高的温度下引入第三流体，然后在挡板60的引导下，该流体在几个连贯的横流通道内横向流过管50。经入口26进入的流体，通过管50的壁将热量传递给第一流体，并在出口27处的第四更低温度下从外壳20排出。通过采用延伸的热传递表面70，可加强第一与第二(或第三)流体蒸汽之间的热交换。在图1中，这些延伸的表面是散热片式的，包括平坦的热交换表面，通过机械膨胀、铜焊、焊接或本领域普通技术人员显而易见的其它方法，将该热交换表面附着到多个管50上。
在图1的热交换反应器10的核心中，核心的平均金属温度在高温入口26处最高，而在流动歧管组件30和40处较低。图1表示出与序列号为09/642,008的美国申请中所述的相同的整个流动几何形状，然而也可以考虑产生本发明所述热梯度的其它流动几何形状。例如，反应器的中心区与两端相比可以位于更低的温度下。图1还表示出与序列号为09/928,437的美国申请中所述的类似的反应器壁22，然而也可以采用其它反应器壁类型，例如壳式壁，并且还可以将本发明有益地应用到这样的构造中。
图2是组装的非工作、环境状态下图1的管50和挡板60的平面图。通过孔62将管50的阵列52放置到挡板60中。图2所示的挡板60是平的，且一般沿图1中的反应器核心的长度定位。应该注意，容纳管50的孔62的直径稍大于管50的外径，然而，孔62与管50之间的余隙很小，从而能够阻止流体绕过挡板60以及流过孔62。在挡板60的平面图中，延伸的热交换表面70都是相似的，然而，使热交换表面70与管50密切相连，以便提供有效的导热性，由此，对于散热片式延伸热传递表面来说，在图2所示的管壁与挡板孔之间就不存在环形空间。
图3是加热的工作状态下图1的反应器核心高温区中的挡板60的平面图。与图2所示的非工作状态相比，挡板60由于温度的升高而膨胀。该热膨胀能够在管50及其远离管50阵列52的中心轴54的孔62之间产生机械干扰63。已经看到，孔62距离阵列52的中心54越近，管50与挡板孔62之间的相关运动和机械干扰63就越发成比例地减小。实际上，图3所示的相关运动导致挡板60与管50之间发生机械接触，从而在这两个部件上产生相当大的应力。所生成的应力根据选择的材料，使管50、挡板60或二者发生永久变形。而且，局部应力能够明显缩短热交换反应器10的有效工作寿命。对于散热片式延伸热交换表面70来说，如图1所示，其最初与每个管50接触，因此由于散热片70与管50的直接接合而使热膨胀差作用更加显著，从而热膨胀差作用甚至在相当小的温度梯度都产生应力。
本发明有益地提供了一种在挡板60和翅片70的温度高于歧管组件30和40的温度时，用于减小挡板60和/或翅片70相对于端板34和44的相对或热膨胀差大小的方法。该方法包括：选择用于构建挡板60和/或翅片70的材料，该材料的热膨胀系数(α)低于用于构建端板34和44的材料的热膨胀系数。同样，在挡板60和翅片70处于比歧管组件30和40低的温度时，就利用具有比用于构建端板34和44的材料高的热膨胀系数的材料，来构建挡板60和翅片70。利用具有不同热膨胀系数的材料构建用于高温服务的复合组件，这一点与相关技术的教导恰恰相反，并且尤其对构建序列号为09/642,008的美国申请中所述那种类型的管式热交换反应器有利。构建热交换反应器10的这个第一种方法减小了挡板60、翅片70与端板34和44之间的相对运动或差动的幅度，但是并不能将其消除。因此，期望将该方法与下述进一步减小热膨胀差副作用的其它方法合并使用。
图4表示出用于消除歧管式挡板的热膨胀差问题的其它优选方法。图4是挡板60的平面图，该挡板包括：三种不同结构的、用于使挡板60与刚性歧管30及40的端板34和44之间的热膨胀差副作用最小的装置。图4是为采用序列号为09/642,008的美国申请的流动几何形状的管式热交换反应器而描绘的，其中使挡板60位于高温区，而使歧管组件30和40位于低温区，图4是在非工作、环境状态(即，无膨胀差)下作出的。
图4所示的所有结构在单独使用而无需本发明的其它方法时，都能够完全消除挡板60与管50之间的机械干扰。当图4所示的结构与选择具有合适热膨胀系数的材料以减小热膨胀差的方法合并使用时，由于需要避免机械干扰而减小孔62的整个尺寸，而获得减少通过挡板孔62的流动旁路的额外益处。
用于消除机械干扰的第一种结构使得通过挡板60的孔64具有更大的直径，而孔64与通过孔64延伸的管50同心。选择更大直径孔64的直径，是以能够避免工作状态和非工作状态下孔64与通过其延伸的管50之间的机械干扰为准。根据挡板60与歧管30及40的端板34和44之间的温度梯度、关注的管50与管阵列52的中心54之间的距离、以及用于构建挡板60和歧管组件30及40的端板34和44的材料的热膨胀系数，而在实验上或理论上来选择该直径。因此，可以为距离管阵列中心线最远的那些管提供更大直径的孔，而在管阵列中心线附近选择更小的孔。注意，图4仅仅示出了一个更大直径的孔64，然而，在以上方式中也可以扩大挡板60的其余孔62，以避免机械干扰。对于任何给定管，选择完全避免由于温度循环而造成的机械干扰的最小直径孔是优选的，以便最佳控制挡板的流动旁路，从而减小热交换反应器的热传递性能。
在上述实施例中，根据孔相对于管阵列中心的定位，来确定挡板上的孔尺寸。然而，对于具有不与管阵列中心一致的几何中心的部件(例如挡板60)来说，要对本发明的方法稍作改动，以便考虑相对于挡板几何中心的挡板膨胀与相对于端板几何中心的端板膨胀的差。在计算部件在膨胀过程中的相对运动时，能够考虑端板中心、预定挡板中心与管阵列中心之间的偏移，以便确定在工作和非工作状态中避免管与挡板孔之间的干扰所需的挡板上的孔尺寸。在这种结构中，能够相对于端板与挡板之间的相对膨胀中心，而形成挡板孔。实践中，该差异一般较小，但对于采用大直径管的大管阵列或阵列，却变得更重要。
一种用于消除由于温度循环而造成的机械干扰的更优选方式是，提供圆形孔66，该孔的中心向管阵列52的中心64偏移。对于相同量的相对热膨胀而言，能够构建比孔64小的更优选的孔66，借此与孔64相比，可减少通过孔66绕过挡板60的流动。通过采用更靠近管50阵列52中心线54的更小孔，可进一步减少流动旁路。注意，图4仅仅示出了一个偏移孔66，然而，在上述方式中也可以构建挡板60的其余孔62，以避免机械干扰。
通过提供非圆形孔68，即沿在关注的管50的中心与管阵列52中心54之间延伸的膨胀或径向线56将孔加长，可进一步减少不需要的流动旁路。如果挡板中心和/或端板中心与管阵列中心之间存在差异，那么在上述方式中，可以使膨胀轴向相对膨胀中心移动。再者，移动作用通常是较小的，除非采用大的阵列，或者如果偏置是可取的。非圆形孔68的总面积可以有利地比不同心的圆形孔66小，而孔66本身又比同心的圆形孔64的面积小。根据挡板的制造方法，非圆形孔的配备相对于采用圆形孔的方法，可以不期望地增加制造成本。于是，最优选的方法取决于，挡板的制造成本和热传递性能因素的相对重要性、通过采用不同心的圆形孔而将第一种因素最佳化、通过利用非圆形孔方法而将第二种因素最佳化。注意，图4仅仅表示出一个加长孔68，然而，在上述方式中，也可以构建挡板60的其余孔62，以避免机械干扰。
注意，如果需要的话，可以修改管50和挡板60上的孔62的位置。
上述用于消除由于热膨胀而造成的机械干扰的方法，能够使挡板60和其它部件歧管流动，而这些部件无需在该部件与阵列52中的各个管50之间发生直接机械接触。在热交换转化器中用作延伸的热传递表面的上述翅片70，需要与每个管发生密切的机械接触，以便提供导热性。为了减小热应力，图4所示的结构不适合与延伸的热传递表面70一起使用。
本发明提供了改进型延伸热传递表面80，其应用于沿管50的轴具有温度梯度的管式热交换反应器10中。图5表示出本发明的热传递表面80的几个实施例，该图示出了具有三种不同结构(84，86和88)的按照本发明的附着延伸热传递表面80的两个管50的截面。
参照图5，管50配有多个延伸的热传递部件80，这些部件与单独一个管相连并因此不与阵列中的另一个管连接。由于每个管具有独立于其它管的延伸热传递表面80，因此由于热膨胀而导致的管的相对运动并没有将应力施加到翅片80上。在平坦的形式中，各个延伸热传递部件或翅片80可以是圆形的、卵形的、多边形的或任何其它形状。在如图5所示的附着结构中，翅片80具有通常与管50的外表面51平行并接触的环部81，以及与环部81相连并在与管50的轴相反方向上延伸的翅片部分82。翅片80的结构如图5所示，并不覆盖相邻管的翅片，或者可替换地，翅片80的尺寸使其能够覆盖相邻管的翅片。
可利用各种方法诸如加氢重整、激光切割、机械加工和冲压，来形成延伸的热传递表面80。冲压是优选的制造方法，因为该方法可使制造最快，而使废品最少。通过焊接(soldering)、铜焊、粘接、焊接(welding)或机械膨胀，可将热传递表面80附着到管50的外表面51上。由于应用是蒸汽转化器，因此机械膨胀是优选的附着方法。
在图5所示的第一种结构中，使翅片84沿管轴隔开，以便将下面管50的外表面51的截面暴露于在管外流动的热传递流体中。该结构具有管的单位长度采用更少热传递翅片的优点，并且与其它结构相比，可提供更低的压力降。如上所述，因为每个管具有独立于其它管的延伸热传递表面80，因此由于热膨胀而造成的管的相对运动并没有将应力施加到翅片80上，因此也不会将应力施加到管50上。这使得任何给定厚度的管能够在更低的总应力状态下工作。对于高温应用例如具有给定管壁厚度的蒸汽转化器，热交换反应器10在更低的总应力下工作时，将保持更长的有效工作寿命。或者是，可以减小管壁厚度，以便减小制管成本，同时改善热交换反应器的热传递性能。
当考虑采用给定材料来制备具有固定外径的管50时，由三个因素来确定管壁的厚度。用于确定管壁厚度的因素包括平均金属温度、总应力状态和腐蚀容限。而且，腐蚀速度与管的表面温度紧密相关，并且通常随着温度的升高而呈指数地增大。因此，在用于采用序列号为09/642,008的美国申请中的流动几何形状进行蒸汽转化的热交换反应器中，最高温度区(图1中的流体入口26)于是对整个反应器具有壁厚的要求，因为高峰温度是在该区域出现的。有利的是确保通过实施本发明的改进型方法能够使应力状态最小，以便减小或消除热应力的出现。还需要提供一种抗击腐蚀作用的方式，以及机械支撑最高温度区域中的管的方式(如下所述)。
鉴于以上考虑，本发明的延伸热传递表面80的一个更优选实施例包括翅片86，将翅片86放置在使其能够沿管50的长度彼此紧密接触的位置上，以便用翅片86的金属环部81完全覆盖管的外表面51。最优选的实施例包括翅片88，翅片88放置的位置使得翅片88的、与管轴平行的环部81重叠。通过增大环部81与翅片部分82之间的弯接头的半径(如图5所示)，或者通过提供锥形环，可容易地实现重叠，其中使锥形环利用管的机械膨胀作用，与管的外表面51和翅片88的配合部适贴配合。翅片结构86和88都在高温、腐蚀性第二工艺流体与管壁的外表面51之间提供连续屏障。在采用具有重叠环的翅片的最优选实施例中，防护障并没有被腐蚀作用所降解。如果该实施例使翅片86彼此接触，流体的腐蚀作用将最终侵蚀防护层并接触外表面51，但这仅仅是在相当长的时间之后。与翅片不彼此接触的翅片结构84相比，翅片结构86和88都能够提供显著增强的耐腐蚀性。
适当选择翅片材料能够提供显著增强的耐腐蚀性和/或明显高于管本身的强度。与相关技术的反应器相比，这能够容易地大大减小管壁的厚度。当管的外径是固定值时，管壁厚度的减小具有增大每单位管长度的内部容积的额外优点。对于热交换反应器蒸汽转化器结构而言，每单位管长度的内部容积的增大容易进一步显著减小所需的管长度，以及减小通过管流动的流体的第一流体压力降。翅片80优选地是由具有非常高强度和耐腐蚀性的第一种材料构成的。然后用具有较低强度和/或耐腐蚀性的第二种材料构成管50，该材料对于与第一流体接触的管50内的工作环境来说是最佳的。优选的是，第二种材料也非常便宜，更易于制成管，并且比第一种材料更容易机械膨胀。
沿具有序列号为09/642,008的美国申请中的流动几何形状的管式热交换反应器中的管轴的热梯度，由于挡板60及延伸热传递表面70与歧管端板34和44之间的膨胀差，而产生热应力。从图1中能够理解，根据口25和26处的第二流体温度，可以获得特别剧烈的纵向热梯度。这些梯度可在管50的壁上产生相当大的内应力，从而导致具有给定管厚度的管的寿命减小。
本发明提供了减小这些梯度的方式，如图6所示。图6表示出与图1所示的反应器类似的管式热交换反应器10。二者的主要差别是，图6所示的反应器配有热绝缘区或热绝缘体90，该热绝缘区或热绝缘体在入口26附近的最高温度区与出口25附近的较低温度区之间的大温度梯度区产生热屏障。通过在这两个区之间提供热绝缘体90，这些区之间的导热性的减小由此导致温度逐渐过渡，从而减少管50上内部热应力的出现。
热绝缘区90可作为一体由与工作条件相符的任何适宜绝缘材料形成。热绝缘区90在其任一面配有挡板94和96。热绝缘体90包括通过其延伸、用于接收管50的孔92，这些孔在图6中的热绝缘体的部分截面图中示出。然而，此一体化绝缘块与歧管端板34和44之间的热膨胀差可要求为热绝缘体90提供超大孔(诸如，在图4和相应的上下文中所公开的)。然而，这些超大孔不期望地提供了从区域25至26的直接流体旁路路线。更优选的是，热绝缘体90是由与反应器10内的工作条件相符并具有孔的弹性绝缘材料形成，其中这些孔于工作和非工作状态过程中在绝缘体90的孔与管50的外表面51之间具有极少或根本没有余隙。这样的弹性绝缘材料优选地使端板34和44膨胀，而不会使热绝缘体90永久性变形或在管50上施加大应力。这些材料的实例包括耐火毡、玻璃纤维毡和毛毡。这些材料表现出能够花费非常小的制造成本容易地冲切片材。在另一实施例中，可用多层绝缘材料形成热绝缘体90，例如，通过堆积多个符合环保法规的冲切层，能够获得所需总厚度的热绝缘区。优选的是，这些符合环保法规的层与管50适贴配合，由此大大减少了两个区之间的流体旁路。
本发明着重于对通过绝缘区90的其它没有支撑的管50进行机械加固。如果利用管机械膨胀的优选技术来组装管式反应器10，就可以将诸如套筒之类的管98的短截面围绕阵列52中的每个管50放入热绝缘区90内。管98的这些截面在机械膨胀之后，开始密切接触管外壁的外表面51。对于本发明的翅片80而言，通过适当选择管截面98的材料和厚度，可以增强管50的机械强度和耐腐蚀性(如上所述)。
本发明的补充管截面98优选地具有足以传递位于热绝缘区90的任一面上的挡板94与96之间的负荷的壁厚度，并且补充管截面98优选地具有外表面99，该外表面具有能够避免管截面98通过挡板94和96上的孔的外径。这种结构具有两个令人惊奇的优点。第一，补充管截面98不能通过挡板94和96上的孔的事实，在具有补充管截面98的管50与挡板94和96上的孔内表面之间进行热循环的过程中可避免意外产生机械干扰，由此丧失本发明的改进型挡板孔的优点。第二个优点是，在制造过程中能够通过管式反应器核心的整个组件传递机械负荷。这使得挡板和延伸热传递表面的平面度公差减轻，因为通过将机械负荷施加到整个组件上，可去除这些平面度偏差。这相比于相关技术的方法，显著提高了制造的简易性。
通过参照以下三个详细实例，本发明的这些优点更加清晰易懂。
在第一实例中，管式热交换反应器配有100根外径为0.5英寸的管，这些管的取向使得管的中心间隔相当于两个外径的距离，并且定向在一平方单位的图形或阵列内。使管式热交换反应器在450℃的歧管端板温度和950℃的挡板高峰温度下工作。为了组装目的，通过挡板的每个孔需要至少0.010英寸的径向余隙。四个角管的中心线距离管阵列的中心7.071英寸。此处要考虑位于管阵列中心的对称挡板。而且，假设管阵列也位于端板的中心。距离管阵列中心最近的四个管的中心距离管阵列中心0.707英寸。如果构建材料具有0.000018m/m℃的热膨胀系数，并且整个反应器是由相同材料构成的，那么可以用关系式ΔL＝αΔTL0计算歧管端板与挡板之间的膨胀差。对于最外面的角管，膨胀差为0.063英寸。对于最里面的管，膨胀差为0.006英寸。于是，对于该实例，如果在室温下构建管之后，使管名义上位于挡板孔的中心，那么最里面的管就表现出不干扰挡板孔，而这些角管必须克服0.053英寸(即10％的管直径)的机械干扰(膨胀差减去径向余隙)。
在第二个实例中，如果第一个实例的管式反应器配有按照本发明的第一种方法、用较低热膨胀材料制成的挡板，那么就可减小由于反应器内的热差异而造成的膨胀差。如果用来构建歧管端板的材料是奥氏体合金，那么就能够选择具有代表性的铁素合金来构建具有0.0000135m/m℃热膨胀系数的挡板。在从25℃加热到450℃时，歧管端板处的角管中心的位置由于端板的热膨胀而移动0.054英寸。挡板上的对应管孔中心在从25℃加热到950℃时，移动0.088英寸。于是，这两个中心之间的净差(膨胀差)为0.034英寸，比第一个实例的0.063英寸有明显的改进。对于距离管阵列中心最近的管，总的膨胀差被减小到0.003英寸。
在第三个实例中，通过应用按照本发明的图4所示的那些结构(即，配备与管轴同心的尺寸增大的圆形挡板孔、配备与管不同心的尺寸增大的圆形挡板孔、和/或配备非圆形挡板孔)，能够完全消除由于在第一和第二实例中出现热膨胀而产生的机械干扰。这些结构中的每一种都产生不同的孔面积，并由此产生不同的泄漏路径面积。计算第一和第二实例的管式反应器最外面角管的每个孔的孔尺寸和部分有效孔面积，并将结果列在表1中。表1示出了正如本发明所教导的，将挡板材料的选择方法与通过孔扩大挡板的方法合并后的额外效果。在所有的情形下，在工作中以及在室温进行组装的过程中，都要保持0.010英寸的径向余隙。这些孔面积和有效孔面积对于最外面的管来说是最坏的值。按照本发明的教导，对于位于距离管阵列中心更近位置的管，可减小这些孔尺寸。
                                  表1
           例1             例2
  孔面积(平方英寸) 开口面积百分数     孔面积(平方英寸) 开口面积百分数
  同心，圆形     0.328     40％     0.272     28％
  非同心，圆形     0.267     26％     0.241     19％
  非圆形     0.256     23％     0.236     17％
应该注意，本文所示和所述的示范性实施例是本发明的优选实施例，无论如何并不意味着对权利要求的范围的限制。
在上述教导的指引下，本发明的许多修改和变型都是可能的。因此应该理解，在后面所附权利要求书的范围内，可以用本文具体所述之外的方式来实施本发明。

Claims (71)

1、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述多个管安装在所述外壳内；
具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动；以及
用于使所述挡板和所述多个管的至少一个的热膨胀副作用最小的装置。
2、根据权利要求1所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，其中，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于减小所述第一端板、所述第二端板和所述挡板之间的热膨胀差的装置。
3、根据权利要求2所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于使在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述多个管之间的机械干扰最小的装置。
4、根据权利要求1所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于使在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述多个管之间的机械干扰最小的装置。
5、根据权利要求3所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置还包括：用于沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，提供热绝缘区的装置。
6、根据权利要求1所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，提供热绝缘区的装置。
7、根据权利要求5所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：
与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触；以及
用于使所述热传递翅片的热膨胀副作用最小的装置。
8、根据权利要求1所述的热交换反应器，其特征在于，还包括
与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触；以及
用于使所述热传递翅片的热膨胀副作用最小的装置。
9、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；
与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触；以及
用于使所述热传递翅片和所述多个管的至少一个的热膨胀副作用最小的装置。
10、根据权利要求9所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，其中，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于减小所述第一端板、所述第二端板和所述热传递翅片之间的热膨胀差的装置。
11、根据权利要求10所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置还包括：用于沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，提供热绝缘区的装置。
12、根据权利要求9所述的热交换反应器，其特征在于，用于使热膨胀的副作用最小的所述装置包括：用于沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，提供热绝缘区的装置。
13、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；
具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动；以及
将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，
其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，其中将所述第一端板配备在所述第一温度区内，而将所述挡板配备在所述第二温度区内，以及
其中所述第一端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的，而所述挡板是由具有第二热膨胀系数的材料制成的，所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数不同。
14、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，将所述第二端板配备在所述第一温度区内。
15、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，所述第二端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的。
16、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，所述第一温度区的温度高于所述第二温度区的温度，并且所述第二热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
17、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，所述第一温度区的温度低于所述第二温度区的温度，并且所述第二热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数。
18、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触，其中将所述热传递翅片配备在所述第二温度区内，并且所述热传递翅片是由具有第二热膨胀系数的所述材料制成的。
19、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，所述多个孔的至少一个孔的形状使得贯穿所述至少一个孔的所述多个管中的对应管之间的机械干扰最小，从而使得在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述对应管之间的机械干扰最小。
20、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：与所述多个管中的一个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片不附着到所述多个管的另一个管上，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触。
21、根据权利要求13所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，限定出热绝缘区的热绝缘件，所述热绝缘件具有用于接收所述多个管的多个孔。
22、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；
与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触；以及
将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，
其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，其中将所述第一端板配备在所述第一温度区内，而将所述热传递翅片配备在所述第二温度区内，以及
其中所述第一端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的，而所述热传递翅片是由具有第二热膨胀系数的材料制成的，所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数不同。
23、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，将所述第二端板配备在所述第二温度区内。
24、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，所述第二端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的。
25、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，所述第一温度区的温度高于所述第二温度区的温度，并且所述第二热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
26、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，所述第一温度区的温度低于所述第二温度区的温度，并且所述第二热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数。
27、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动，其中所述多个孔的至少一个孔的形状使得贯穿所述至少一个孔的所述多个管中的对应管之间的机械干扰最小，从而使得在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述对应管之间的机械干扰最小。
28、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，所述热传递翅片不附着到所述多个管的另一个管上。
29、根据权利要求22所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，限定出热绝缘区的热绝缘件，所述热绝缘件具有用于接收所述多个管的多个孔。
30、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；以及
具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动；
其中所述多个孔的至少一个孔的形状使得贯穿所述至少一个孔的所述多个管中的对应管之间的机械干扰最小，从而使得在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述对应管之间的机械干扰最小。
31、根据权利要求30所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端刚性安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端刚性安装在所述外壳内的第二端板。
32、根据权利要求30所述的热交换反应器，其特征在于，所述的多个孔构成一个阵列，所述阵列具有一个中心。
33、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔具有预定尺寸，所述预定尺寸大于贯穿所述至少一个孔的一部分所述对应管的外表面尺寸，并取决于所述至少一个孔与所述阵列的所述中心之间的距离。
34、根据权利要求33所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端刚性安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端刚性安装在所述外壳内的第二端板，其中所述预定尺寸还取决于所述第一端板、所述第二端板与所述挡板之间的热膨胀差。
35、根据权利要求33所述的热交换反应器，其特征在于，所述挡板的第一孔相比于所述挡板的第二孔，距离所述阵列的所述中心更近些，并且所述第一孔具有小于所述第二孔的预定尺寸。
36、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端刚性安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端刚性安装在所述外壳内的第二端板，其中所述至少一个孔具有预定尺寸，所述预定尺寸大于贯穿所述至少一个孔的一部分所述对应管的外表面尺寸，并取决于所述至少一个孔与所述第一端板、所述第二端板和所述挡板之间的相对膨胀的中心之间的距离。
37、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔从所述阵列的所述中心偏移，并且当所述热交换反应器处于非工作、环境温度下时所述至少一个孔与所述对应管同心对准。
38、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔从所述阵列的所述中心偏移，并且当所述热交换反应器处于非工作、环境温度下时所述至少一个孔与所述对应管不同心对准。
39、根据权利要求38所述的热交换反应器，其特征在于，当所述热交换反应器处于非工作、环境温度下时，所述至少一个孔的中心相比于所述对应管的中心，距离所述阵列的所述中心更远些。
40、根据权利要求39所述的热交换反应器，其特征在于，当所述热交换反应器处于工作温度下时，所述至少一个孔的所述中心相比于所述对应管的所述中心，距离所述阵列的所述中心更近些。
41、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔是圆形的。
42、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，贯穿所述至少一个孔的一部分所述对应管具有截面为圆形的外表面。
43、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔是非圆形的。
44、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，所述至少一个孔在沿所述阵列的所述中心的径向线延伸的方向上加长。
45、根据权利要求32所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：将所述多个管的第一端刚性安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端刚性安装在所述外壳内的第二端板，其中使所述至少一个孔在沿所述第一端板、所述第二端板和所述挡板之间的相对膨胀中心的径向线延伸的方向上加长。
46、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；
与所述多个管中的一个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片不附着到所述多个管的另一个管上，所述热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触。
47、根据权利要求46所述的热交换反应器，其特征在于，所述热传递翅片包括：
与所述多个管的所述一个管的外表面接触的环部；以及
翅片部分，所述翅片部分与所述环部相连，并在与所述多个管的所述一个管的轴相反的方向上延伸。
48、根据权利要求47所述的热交换反应器，其特征在于，所述环部在平行于所述多个管的所述一个管的所述轴的方向上延伸。
49、根据权利要求47所述的热交换反应器，其特征在于，所述多个管的所述一个管具有多个热传递翅片。
50、根据权利要求49所述的热交换反应器，其特征在于，所述多个热传递翅片具有沿所述多个管的所述一个管的一定长度毗邻的环部。
51、根据权利要求49所述的热交换反应器，其特征在于，所述多个热传递翅片具有沿所述多个管的所述一个管的一定长度相隔的环部。
52、根据权利要求46所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：与所述多个管中的另一个管接触的额外热传递翅片，所述额外热传递翅片只与所述多个管中的所述另一个管接触，所述额外热传递翅片的构造使其能够与所述外壳内配备的第二流体接触。
53、根据权利要求46所述的热交换反应器，其特征在于，所述热传递翅片的构造能够引导所示外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动。
54、一种热交换反应器，包括：
外壳；
能够运载第一流体的多个管，所述的多个管安装在所述外壳内；以及
热绝缘件，所述热绝缘件沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，限定出热绝缘区，所述热绝缘件具有用于接收所述多个管的多个孔。
55、根据权利要求54所述的热交换反应器，其特征在于，所述热绝缘件是由一个一体化绝缘材料形成的。
56、根据权利要求54所述的热交换反应器，其特征在于，所述热绝缘件是由弹性材料形成的。
57、根据权利要求54所述的热交换反应器，其特征在于，所述热绝缘件是由多个堆叠层形成的。
58、根据权利要求54所述的热交换反应器，其特征在于，还包括：围绕所述多个管之一的外表面配置的补充管截面，将所述补充管截面配置在所述热绝缘区内。
59、根据权利要求58所述的热交换反应器，其特征在于，所述热绝缘件具有配置在其第一端的第一挡板，和配置在其第二端的第二挡板，每个所述第一挡板和所述第二挡板都具有用于接收所述多个管的多个孔，将所述补充管截面配置在所述第一挡板与所述第二挡板之间。
60、根据权利要求59所述的热交换反应器，其特征在于，所述补充管截面具有比所述第一挡板和所述第二挡板上的孔大的直径。
61、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；以及具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动，其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，所述方法包括以下步骤：
根据挡板材料在所述第一温度区或所述第二温度区内的位置，选择具有预定热膨胀系数的挡板材料。
62、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动；以及将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，所述方法包括以下步骤：
通过根据材料在所述第一温度区或所述第二温度区内的位置，选择具有预定热膨胀系数、用于所述第一端板、所述第二端板和所述挡板的材料，而减小所述第一端板、所述第二端板与所述挡板之间的热膨胀差。
63、根据权利要求62所述的方法，其特征在于，将所述第一端板和所述第二端板配置在所述第一温度区内，而将所述挡板配置在所述第二温度区内。
64、根据权利要求62所述的方法，其特征在于，所述第一端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的，所述挡板是由具有第二热膨胀系数的材料制成的，所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数不同。
65、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；以及与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够接触所述外壳内配备的第二流体，其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，所述方法包括以下步骤：
根据热传递翅片材料在所述第一温度区或所述第二温度区内的位置，选择具有预定热膨胀系数的热传递翅片材料。
66、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够接触所述外壳内配备的第二流体；以及将所述多个管的第一端安装在所述外壳内的第一端板，和将所述多个管的第二端安装在所述外壳内的第二端板，其中所述外壳具有第一温度区和第二温度区，所述第一温度区和所述第二温度区的温度不同，所述方法包括以下步骤：
通过根据材料在所述第一温度区或所述第二温度区内的位置，选择具有预定热膨胀系数、用于所述第一端板、所述第二端板和所述热传递翅片的材料，而减小所述第一端板、所述第二端板与所述热传递翅片之间的热膨胀差。
67、根据权利要求66所述的方法，其特征在于，将所述第一端板和所述第二端板配置在所述第一温度区内，而将所述热传递翅片配置在所述第二温度区内。
68、根据权利要求66所述的方法，其特征在于，所述第一端板是由具有第一热膨胀系数的材料制成的，所述热传递翅片是由具有第二热膨胀系数的材料制成的，所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数不同。
69、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；以及具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动，所述方法包括以下步骤：
提供所述多个孔中的至少一个孔，其中所述多个孔中的至少一个孔的形状使得贯穿所述至少一个孔的所述多个管中的对应管之间的机械干扰最小，从而使得在所述热交换反应器的工作状态和非工作状态中的所述挡板与所述对应管之间的机械干扰最小。
70、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管；以及与至少一个所述多个管接触的热传递翅片，所述热传递翅片的构造使其能够接触所述外壳内配备的第二流体，所述方法包括以下步骤：
将所述热传递翅片热连接到所述多个管的一个管上，其中所述热传递翅片不附着到所述多个管的另一个管上。
71、一种使热交换反应器内的热膨胀副作用最小的方法，所述热交换反应器包括：外壳；安装在所述外壳内并且能够运载第一流体的多个管，所述外壳的结构适合运载第二流体，所述方法包括以下步骤：
提供热绝缘件，所述热绝缘件沿所述热交换反应器内大温度梯度区处的所述多个管的一定长度，限定出热绝缘区，所述热绝缘件具有用于接收所述多个管的多个孔。
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