RU2457415C2

RU2457415C2 - Heat exchange unit

Info

Publication number: RU2457415C2
Application number: RU2009149767/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Гуреев (RU); Виктор Михайлович Гуреев; Юрий Федорович Гортышов (RU); Юрий Федорович Гортышов; Василий Степанович Краснянский (RU); Василий Степанович Краснянский; Марс Гиниятович Хуснуллин (RU); Марс Гиниятович Хуснуллин; Иван Федорович Калачев (RU); Иван Федорович Калачев; Сэркан Абузарович Танрыверди (RU); Сэркан Абузарович Танрыверди; Алмаз Лутович Низамиев (RU); Алмаз Лутович Низамиев; Лут Бурганович Низамиев (RU); Лут Бурганович Низамиев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Татарский центр катализа Эрэфэн" (ЗАО "ТЦК Эрэфэн")
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2012-07-27
Also published as: RU2009149767A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: heat exchange unit contains housing in the form of flattened cone with heads; inlet and outlet branch pipes of heat carriers to tube and inter-tube space, tube sheets in the holes of which there fixed along concentrical circles and inclined to axis of the units are tubes in the form of flattened cones, vertical central pipe for location of thermocouples; at that, tubes in the form of flattened cone have simultaneous inclination relative to the unit axis and in the direction about the unit axis.

EFFECT: improving heat exchange intensity at low metal consumption.

3 cl, 3 dwg

Description

втИзобретение относится к теплоэнергетике, к теплообменной аппаратуре и может быть применено в энергетической, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, при осуществлении гетерогенно-каталитического окисления, дегидрирования и других процессов.The invention relates to a power system, to a heat exchange apparatus, and can be applied in the energy, chemical, petrochemical, and other industries, when carrying out heterogeneous catalytic oxidation, dehydrogenation, and other processes.

Известен кожухотрубный теплообменный аппарат, содержащий кожух цилиндрической формы, трубы с трубными решетками, поперечные решетки и перегородки винтообразной формы в межтрубном пространстве, днища и патрубки входа и выхода потоков, (авт.свид. СССР №345336, МПК F28D 7/16, опубл. 1970 г.). Теплообменник сложный в изготовлении и обладает большой металлоемкостью.Known shell-and-tube heat exchanger containing a casing of cylindrical shape, pipes with tube sheets, transverse lattices and screw-shaped partitions in the annulus, bottoms and nozzles of the inlet and outlet of flows, (autosv. USSR No. 345336, IPC F28D 7/16, publ. 1970). The heat exchanger is difficult to manufacture and has a large metal consumption.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий винтообразно закрученные теплообменные трубы овального профиля. При циркуляции теплообменивающихся сред в трубах и в межтрубном пространстве поддерживаются закрученные потоки посредством закрученной конструкции труб (а.с. СССР №840662, МПК F28D 7/00, F28F 1/06, опубл. 1979 г.). Данный теплообменник может быть использован в ограниченных случаях, так как при больших скоростях потоков возможно усиление вибрации, ремонт и очистка труб достаточно проблематичны.Known shell-and-tube heat exchanger containing helically twisted oval-shaped heat transfer tubes. During the circulation of heat-exchanging media in pipes and in the annular space, swirl flows are maintained by means of a swirl design of pipes (AS USSR No. 840662, IPC F28D 7/00, F28F 1/06, published in 1979). This heat exchanger can be used in limited cases, since at high flow rates it is possible to increase vibration, repair and cleaning of pipes are quite problematic.

Известен реактор для каталитической очистки газообразных выбросов, содержащий в цилиндрическом корпусе ряд устройств, в том числе трубчатый теплообменник, трубы которого выполнены наклонными и расположены по круговому периметру корпуса, а также закреплены в трубных досках, отделяющих полости корпуса для очищаемого и очищенного газовых потоков. Газы, проходя через трубы, затем между трубами, должны подвергаться закручиванию из-за наклона труб, усиливая теплообмен между исходным и нагретым потоками (патент РФ 2299089, МПК B01D 53/86, F23G 7/06, опубл. 2005 г.). Недостатками являются неравномерные скорости в центральном и периферийном участках аппарата, а также нерациональное использование рабочего объема.A known reactor for the catalytic purification of gaseous emissions, containing a number of devices in a cylindrical body, including a tubular heat exchanger, the pipes of which are made inclined and located along the circumferential perimeter of the body, and are also fixed in pipe boards separating the body cavities for the cleaned and purified gas flows. Gases passing through the pipes, then between the pipes, must be twisted due to the inclination of the pipes, increasing the heat exchange between the initial and heated flows (RF patent 2299089, IPC B01D 53/86, F23G 7/06, publ. 2005). Disadvantages are uneven speeds in the central and peripheral areas of the apparatus, as well as irrational use of the working volume.

Известен теплообменный аппарат, наиболее близкий к заявляемому изобретению, который содержит корпус в виде усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, перегородки, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченных конусов под углом к центральной оси аппарата, а также одну центральную трубу, ось которой совпадает с осью аппарата (патент РФ №2372572, МПК F28D 15/00, опубл. 2009 г.).Known heat exchanger closest to the claimed invention, which contains a housing in the form of a truncated cone with bottoms, nozzles for the input and output of coolants in the pipe and annular spaces, partitions, tube sheets, in the openings of which pipes in the form of truncated cones are fixed at an angle to the central axis apparatus, as well as one Central pipe, the axis of which coincides with the axis of the apparatus (RF patent No. 2372572, IPC F28D 15/00, publ. 2009).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности теплообмена при уменьшении металлоемкости, сопротивления потоку в межтрубном пространстве и упрощении конструкции.The technical result, which the invention is directed to, is to increase the heat transfer rate while reducing the metal consumption, flow resistance in the annulus and simplifying the design.

Технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата трубы в форме усеченных конусов, вертикальную центральную трубу для расположения термопар, новым является то, что трубы в форме усеченного конуса выполнены с одновременным наклоном относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата.The technical result is achieved by the fact that in a heat exchanger containing a truncated cone-shaped body with bottoms, coolant inlet and outlet pipes into the pipe and annular spaces, pipe grids, in the openings of which are mounted along concentric circles obliquely to the pipe apparatus axis in the form of truncated cones, vertical central tube for the location of thermocouples, new is that the pipes in the shape of a truncated cone are made with a simultaneous inclination relative to the axis of the apparatus and in the direction around the axis a Paraty.

Трубы в форме усеченного конуса наклонены в направлении вокруг оси аппарата путем смещения концов по окружностям их размещения, при этом углы наклона труб составляют 0,5-50,0 градусов.The pipes in the form of a truncated cone are inclined in the direction around the axis of the apparatus by displacing the ends along the circumferences of their placement, while the angle of inclination of the pipes is 0.5-50.0 degrees.

Отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами.The holes in the tube sheets are made under truncated cones of the same height with closed small tops.

На фиг.1 представлен разрез теплообменного аппарата с наклонными трубами; на фиг.2 - вид по поперечному сечению А-А; на фиг.3 - узел I (выполнение отверстий в трубных решетках).Figure 1 presents a section of a heat exchanger with inclined pipes; figure 2 is a view in cross section aa; figure 3 - node I (making holes in the tube sheets).

Теплообменный аппарат (фиг.1) содержит корпус 1 в форме усеченного конуса с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 соответственно ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, трубные решетки 8 и 9, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченного конуса 10 и 11. В центральной вертикальной трубе 11 в кожухе расположены термопары 12. Трубы 10 расположены под углом к центральной оси корпуса 1, расширяются в направлении его расширения, при этом угол наклона труб 10, расположенных ближе к центральной оси корпуса меньше углов наклонов труб 10, расположенных на периферии. Наклоны труб 10, полученные смещением концов труб 10 по окружностям их размещения на решетках 8 и 9, существенно больше наклона относительно оси аппарата. Величина углов дополнительных наклонов труб 10 составляет 0,5÷50 градусов. Смещению труб 10 могут быть подвергнуты как верхние, так и нижние концы, а также одновременно, но в противоположные направления. Форма корпуса 1 и труб 10, представляющая собой усеченные конусы, а также наличие наклона относительно оси аппарата позволяют добиться дополнительного наклона труб 10 в направлении вокруг оси аппарата на достаточно большие углы относительно секущих плоскостей, проходящих через трубы 10 в радиальном направлении. В результате, не меняя расстояния между трубами 10, достигают оптимального их расположения для протока теплоносителей в закрученном режиме в трубном и межтрубном пространствах. В целях упрощения сборки, отверстия в трубных решетках 8 и 9 выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами. Корпус аппарата 1, трубный пучок и трубы 10 и 11, имеющие форму усеченного конуса, наличие наклонов труб 10 одновременно относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата в совокупности позволили пропускать теплоносители в режиме закрученных потоков более равномерно во всем объеме межтрубного пространства. При этом увеличивается интенсивность теплообмена без применения дополнительных устройств - интенсификаторов, а также уменьшается высота трубного пучка по сравнению с высотой пучка в аппарате-прототипе, и следовательно, уменьшается объем межтрубного пространства, что позволяет увеличить расход теплоносителя.The heat exchanger (figure 1) contains a housing 1 in the form of a truncated cone with bottoms 2 and 3, nozzles 4 and 5 of the inlet and outlet of the coolant of the pipe space, nozzles 6 and 7, respectively, of the input and output of the coolant of the annulus, tube sheets 8 and 9, the holes of which the pipes are fixed in the form of a truncated cone 10 and 11. In the central vertical pipe 11, thermocouples 12 are located in the casing 12. The pipes 10 are located at an angle to the central axis of the housing 1, expand in the direction of its expansion, while the angle of inclination of the pipes 10 located near to the central axis of the casing, there are less tilt angles of the pipes 10 located on the periphery. The slopes of the pipes 10, obtained by displacing the ends of the pipes 10 along the circumferences of their placement on the grids 8 and 9, are significantly larger than the slope relative to the axis of the apparatus. The magnitude of the angles of the additional slopes of the pipes 10 is 0.5 ÷ 50 degrees. The displacement of the pipes 10 can be subjected to both the upper and lower ends, as well as simultaneously, but in opposite directions. The shape of the housing 1 and the pipes 10, which is a truncated cones, as well as the presence of an inclination relative to the axis of the apparatus allow to achieve an additional inclination of the pipes 10 in the direction around the axis of the apparatus at sufficiently large angles relative to the secant planes passing through the pipes 10 in the radial direction. As a result, without changing the distance between the pipes 10, they reach their optimal location for the coolant flow in a swirling mode in the pipe and annular spaces. In order to simplify the assembly, the holes in the tube sheets 8 and 9 are made under truncated cones of the same height with closed small vertices. The casing of the apparatus 1, the tube bundle and pipes 10 and 11, having the shape of a truncated cone, the presence of the slopes of the pipes 10 simultaneously with respect to the axis of the apparatus and in the direction around the axis of the apparatus together made it possible to pass the heat carriers in the swirl flow mode more evenly throughout the entire annulus. At the same time, the heat transfer rate increases without the use of additional devices - intensifiers, and also the height of the tube bundle decreases compared to the height of the bundle in the prototype apparatus, and therefore, the volume of the annular space decreases, which makes it possible to increase the coolant flow rate.

Теплообменный аппарат работает следующим образом. При организации работы аппарата прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 4 и днище большого диаметра 2 в трубы 10 и 11 (фиг.1), затем, проходя в виде закрученного потока по этим трубам 10 и 11, отдавая или принимая тепло через стенки от теплоносителя межтрубного пространства, выходит через днище малого диаметра 3 и патрубок 5 из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает в аппарат через патрубок 6, проходя в виде закрученного потока, отдает или принимает тепло через стенки труб 10 и 11 и выходит через патрубок 7.The heat exchanger operates as follows. When organizing the operation of the apparatus by direct flow, the coolant of the pipe space enters through the pipe 4 and the bottom of a large diameter 2 into the pipes 10 and 11 (Fig. 1), then, passing in the form of a swirling flow through these pipes 10 and 11, giving or receiving heat through the walls from coolant annulus exits through the bottom of a small diameter 3 and pipe 5 from the apparatus. The annular coolant enters the apparatus through the pipe 6, passing in the form of a swirling flow, transfers or receives heat through the walls of the pipes 10 and 11 and exits through the pipe 7.

По мере продвижения теплоносителей в область малых диаметров корпуса 1 и труб 10 и 11, разность температур между теплоносителями постепенно уменьшается; в то же время потоки сужаются, следовательно, скорости потоков увеличиваются. Это компенсирует уменьшающуюся интенсивность теплообмена, вызываемую уменьшением разности температур. В результате интенсивность теплообмена остается более постоянной на всей теплообменной поверхности. Одновременно, существенное отклонение от прямолинейного движения потока в трубах 10, вызванное изменениями углов атак на внутренние стенки, из-за наклонов труб 10, усиливает теплопередачу и приближает к значениям, достигаемым при использовании дополнительных устройств-интенсификаторов. Если высокая интенсивность теплообмена вблизи входа теплоносителей определялась высокой температурной разностью, то вблизи выхода - высокими скоростями потоков. В закрученном потоке теплоносителя меньше разность температур в радиальном направлении между центральным и пристенным участками труб 10, что весьма важно при низких теплопроводностях загруженного материала и потока. В заполненных высокопористыми ячеистыми материалами или твердыми катализаторами трубах 10 и 11 меньше вероятность неравномерного износа, накопления загрязнений и образования каналов наименьшего сопротивления.As the coolants move into the region of small diameters of the housing 1 and pipes 10 and 11, the temperature difference between the coolants gradually decreases; at the same time, the flows narrow, therefore, the flow rates increase. This compensates for the decreasing heat transfer intensity caused by the decrease in temperature difference. As a result, the heat transfer rate remains more constant over the entire heat transfer surface. At the same time, a significant deviation from the rectilinear motion of the flow in the pipes 10, caused by changes in the angles of attack on the inner walls, due to the slopes of the pipes 10, enhances the heat transfer and approaches the values achieved using additional intensifier devices. If the high heat transfer rate near the inlet of the coolants was determined by the high temperature difference, then near the outlet - by high flow rates. In the swirling flow of the coolant, the temperature difference in the radial direction between the central and wall sections of the pipes 10 is smaller, which is very important at low thermal conductivities of the loaded material and the flow. In the pipes 10 and 11 filled with highly porous cellular materials or solid catalysts, the probability of uneven wear, accumulation of contaminants and the formation of channels of least resistance is less.

При использовании теплообменного аппарата в качестве реактора экзотермического процесса реакционная смесь начальной высокой концентрации реагирующих веществ подвергается через стенки труб 10 и 11 воздействию свежего теплоносителя межтрубного пространства, а также большему количеству катализатора на единице пути. Интенсивная реакция, сопровождаемая интенсивным тепловыделением, протекает в зоне интенсивной теплопередачи, вызванной большой разностью температур. При поступлении в область сужений реакционная масса в трубном пространстве обедняется реагирующими компонентами, скорость реакции уменьшается, тепловыделение должно было бы уменьшаться. Однако в этой области скорости теплоносителей увеличиваются, благоприятствуя сдвигу равновесия в сторону образования целевых продуктов, частота столкновений с частицами катализатора также увеличивается, уменьшенный диаметр труб способствует быстрой передаче тепла реакции. Вследствие этих факторов интенсивность реакции и тепловыделение остаются высокими, интенсивность теплообмена не снижается. В итоге происходит более полное и равномерное протекание процесса в аппарате. Более того, увеличение скорости реакционной массы вблизи выхода из аппарата позволяет избежать распада некоторой части целевого продукта, который усиливается при долгом пребывании в реакционной зоне. Ориентировочные расчеты показали увеличение выхода целевого продукта на 3,0-5,0% за счет оптимизации теплосъема.When using a heat exchanger as an exothermic process reactor, the reaction mixture of an initial high concentration of reacting substances is exposed through the walls of pipes 10 and 11 to the fresh coolant of the annulus, as well as to a larger amount of catalyst per unit path. An intense reaction, accompanied by intense heat generation, proceeds in the zone of intense heat transfer caused by a large temperature difference. When entering the narrowing region, the reaction mass in the tube space is depleted in the reacting components, the reaction rate decreases, and the heat release should decrease. However, in this region, the velocities of the coolants increase, favoring a shift in the equilibrium towards the formation of the target products, the frequency of collisions with catalyst particles also increases, and the reduced diameter of the pipes facilitates the rapid transfer of reaction heat. Due to these factors, the reaction intensity and heat generation remain high, the heat transfer rate does not decrease. As a result, a more complete and uniform course of the process in the apparatus occurs. Moreover, an increase in the speed of the reaction mass near the exit of the apparatus allows avoiding the decomposition of a certain part of the target product, which increases with a long stay in the reaction zone. Approximate calculations showed an increase in the yield of the target product by 3.0-5.0% due to the optimization of heat removal.

В случае организации теплообмена прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11; при прохождении по трубам 10 и 11 происходит теплообмен с теплоносителем межтрубного пространства, затем через днище 2 и патрубок 4 выходит из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7, проходит, закручиваясь и обмениваясь теплом с теплоносителем трубного пространства, между трубами 10 и 11 и выходит через патрубок 6 из аппарата. В процессах каталитического превращения углеводородов в начальный период реакции реакционная смесь богата сырьем, интенсивность реакции и теплопоглощение высоки. Подача свежего теплоносителя в область высоких скоростей обеих теплоносителей (в область входа сырья), а также закрученность потоков компенсируют начальное теплопоглощение. По мере продвижения реакционной смеси вдоль аппарата она обедняется сырьем, при этом поглощение тепла уменьшается. Постепенно начинает влиять увеличение катализаторной массы в единице длины труб 10 и 11. Образование целевых продуктов остается на прежнем уровне. Использование предлагаемого аппарата в качестве реактора дегидрирования по этой схеме позволяет избежать затухания реакции и увеличивать выход целевых продуктов на 5-7 процентов, а также несколько снизить начальную температуру нагревающего теплоносителя.In the case of organizing direct-flow heat exchange, the coolant of the tube space enters through pipe 5 and bottom 3 into pipes 10 and 11; when passing through pipes 10 and 11, heat exchange occurs with the coolant of the annulus, then through the bottom 2 and pipe 4 leaves the apparatus. The annular coolant enters through the nozzle 7, passes, twisting and exchanging heat with the coolant of the annulus, between the pipes 10 and 11 and exits through the nozzle 6 from the apparatus. In the processes of catalytic conversion of hydrocarbons in the initial reaction period, the reaction mixture is rich in raw materials, the intensity of the reaction and heat absorption are high. The supply of fresh heat carrier to the region of high speeds of both heat carriers (to the region of input of raw materials), as well as swirling flows, compensate for the initial heat absorption. As the reaction mixture moves along the apparatus, it is depleted in raw materials, and heat absorption decreases. Gradually, an increase in the catalyst mass per unit length of the pipes 10 and 11 begins to influence. The formation of the target products remains unchanged. Using the proposed apparatus as a dehydrogenation reactor according to this scheme allows avoiding the attenuation of the reaction and increasing the yield of the target products by 5-7 percent, as well as slightly lowering the initial temperature of the heating coolant.

При организации теплообмена противотоком нагревающийся поток поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11 и выходит через днище 2 и патрубок 4. Нагревающий поток поступает через патрубок 6, проходя между трубами 10 и 11, выходит через патрубок 7. Данная схема предпочтительна в случае использования аппарата в качестве испарителя или кипятильника. В этом случае испаряющийся теплоноситель проходит по трубам 10 и 11, а испаряющий - по межтрубному пространству. По мере приближения этого потока в область расширений, он нагревается до кипения за счет все более увеличивающегося повышения теплосодержания испаряющего теплоносителя и пути прохождения. У выхода из трубок общая площадь испарения или кипения увеличивается за счет расширения труб 10 и 11. Следовательно, процесс парообразования и теплообмена происходит более интенсивно. Дополнительное тепло, необходимое для парообразования, компенсируется начальной высокой температурой испаряющего теплоносителя и закрученных потоков.When organizing counterflow heat exchange, the heating stream enters through the pipe 5 and the bottom 3 into the pipes 10 and 11 and exits through the bottom 2 and the pipe 4. The heating stream enters through the pipe 6, passing between the pipes 10 and 11, leaves through the pipe 7. This scheme is preferred in when using the device as an evaporator or boiler. In this case, the evaporating coolant passes through the pipes 10 and 11, and the evaporating - through the annular space. As this stream approaches the expansion region, it heats up to a boil due to an ever-increasing increase in the heat content of the evaporating heat carrier and the passage path. At the exit of the tubes, the total area of evaporation or boiling increases due to the expansion of the tubes 10 and 11. Consequently, the process of vaporization and heat transfer occurs more intensively. The additional heat required for vaporization is compensated by the initial high temperature of the evaporating coolant and swirling flows.

Начальное соприкосновение теплоносителя в межтрубном пространстве с поверхностями периферийных труб 10 происходит под углом гораздо меньшим 90 градусов. Поток быстрее и с меньшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением в аппарате-прототипе, распределяется в объеме около входа и выхода, что позволяет избежать местных перегревов. Это в сочетании с закручиванием потока обеспечивает более равномерную его плотность, стабильную турбулентность и уменьшение сопротивления.The initial contact of the coolant in the annulus with the surfaces of the peripheral pipes 10 occurs at an angle much less than 90 degrees. The flow is faster and with lower resistance compared to the resistance in the prototype apparatus, is distributed in volume near the inlet and outlet, which avoids local overheating. This, combined with the swirling of the flow, ensures a more uniform density, stable turbulence and a decrease in resistance.

Уменьшение высоты трубного пучка позволяет уменьшить объем межтрубного пространства, что приводит к увеличению объемного расхода теплоносителя при неизменном начальном расходе в межтрубном пространстве и способствует более интенсивному теплообмену и осуществлению высокотемпературных процессов, кроме того, уменьшаются габариты теплообменного аппарата и, следовательно, металлоемкость.Reducing the height of the tube bundle allows to reduce the volume of the annular space, which leads to an increase in the volumetric flow rate of the coolant with a constant initial flow rate in the annular space and contributes to more intensive heat transfer and the implementation of high-temperature processes, in addition, the dimensions of the heat exchanger and, therefore, metal consumption are reduced.

Claims

1. A heat exchanger containing a housing in the form of a truncated cone with bottoms, nozzles for the input and output of coolants into the pipe and annular spaces, tube sheets, in the openings of which are mounted along concentric circles obliquely to the axis of the apparatus of the pipe in the form of truncated cones, a vertical central pipe for location thermocouples, characterized in that the pipes in the form of a truncated cone are made with a simultaneous inclination relative to the axis of the apparatus and in the direction around the axis of the apparatus.

2. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the pipes in the form of a truncated cone are inclined in the direction around the axis of the apparatus by shifting the ends along the circumferences of their placement, while the angle of inclination of the pipes is 0.5-50.0 °.

3. The heat exchanger according to claim 1, characterized in that the holes in the tube sheets are made under truncated cones of the same height with closed small vertices.