CN106574825B - 管壳式换热器 - Google Patents

Abstract

一种管壳式换热器(1)，包括第一外壳体(2)和管束(3)，分别与用于第一流体和用于第二流体的壳程和管程连通的入口接口和出口接口，其中，所述换热器包括第二壳体(4)，所述第二壳体(4)在所述第一壳体(2)内部并围绕所述管束(3)；所述第二壳体(4)包括至少一个可拆除的纵向接头(32)和通过可拆除的接头连接的多个纵向部；所述第二壳体(4)在所述管束(3)周围界定所述换热器(1)的所述壳程，并进一步限定与所述壳程连通的冲洗间隙(5)，所述第一流体沿一个或多个纵向通道穿过所述壳程，并且所述第一流体和所述第二流体沿所述一个或多个纵向通道逆流。

Description

管壳式换热器

技术领域

本发明涉及一种管壳式换热器，特别是用于化学或石油化学工业的管壳式换热器。

背景技术

管壳式换热器广泛用于石油化学行业。这些换热器通常具有以下作用：将热量从高温高压流体(例如来自化学反应器的排出气体)向另一种流体(例如水)转移，从而回收包含在气体中的热量或产生蒸汽。

这些装置的工作条件对于材料常常是苛刻的。热流体通常具有高温和高压，并且还可能具有侵蚀性的化学成分。例如，离开氨合成反应器的气体通常具有大约450℃的温度和大约140bar的压力；所述气体还具有高的氢分压(80bar-85bar)和氮分压(大约30bar)。已知在这些操作条件下，氢气和氮气腐蚀钢的表面，引起弱化且可能形成裂纹和裂口。因此，要在这些条件下运行的换热器被加以高应力并需要高质量的钢(例如不锈钢)和非常厚的壁。这大大增加了成本。

为了克服该缺点，即在完全安全的条件下操作的同时限制构造成本，现有技术教导了针对相同的压力值使温度保持尽量低。已知氮气对钢表面的腐蚀(渗氮作用)的速度在370℃-380℃范围内的温度下以指数方式增长，因此现有技术已尝试保持受压部件的温度低于这些值，从而使用比不锈钢更便宜的低合金钢。

特别地，提出的问题在于限制换热器的外壳体的温度。为此目的，已知使用冲洗技术，即，使冷却流经过壳体的内壁。然而，该技术产生许多还未解决的缺点。

例如，在具有U形管的换热器中，用内壁(又称“罩”)进行冲洗。热流体(例如来自反应器的气体)碰撞管束并沿装置的整个长度纵向穿过该装置而变凉；然后，部分冷却的流被输送到壳体与罩之间的空间，从而提供冲洗作用并防止外壳体与进来的热流体之间直接接触。

该结构具有不能应用纯逆流流动的明显缺点。事实上，热流体以大致纵向的运动冲击U形管束，使得仅仅一半管束以逆流交换操作，因此，影响了热交换。

为了克服该缺点，在现有技术中，具体地在从气态流出物(例如在氨设备中)中回收热量期间，使用两个换热器串联的解决方案。使用如上所述的内罩冲洗在较高温度下运行的第一换热器。所述第一换热器直接位于反应器的下游，并通常具有被热流体穿过的壳程，并且冷却流体(例如沸水)在管程中循环。离开所述第一换热器的部分冷却的流体被送往第二换热器(其在管内循环)。这样，第二换热器可以以逆流方式操作，因此，有利于热量交换；然而，明显的缺点是使用两个容器，使得容器以及连接管道系统和地基的成本都更大。在改造现有设备的情况下，该解决方案的进一步的问题是有限量的可用空间，这在某些情况下不允许安装两个换热器。

参考图9能够更好地理解这些问题，图9示出了根据现有技术的设备的方案的示例。

在第一装置102并在第二装置103中冷却从氨反应器100中在高温下流出的流101，第一装置102和第二装置103都包括U形管束。在第一装置102中，流101纵向穿过壳程，同时水流105沿管程行进，作为蒸汽106离开。第一装置102包括围绕U形管束的壁107；气体101，在纵向穿过该装置之后，在间隙108内部上升，沿流动管线109流出。由于该输送作用，第一装置102内部的气体101对于大约一半的管束处于逆流流动，同时其基本以并流流动通过所述管束的剩余部分。从第一装置102流出的气体109被输送至第二装置103(其在管内部循环)，对在壳程中循环的水104进行预热。离开所述装置103的预热过的水形成流向第一装置的流105。

现有技术的换热器遇到的其它问题如下：

为了在壳程中得到多个通道，如有需要，必须提供纵向挡板，然而，该纵向挡板造成针对管束去除或更换的问题。所述挡板还必须被仔细地设计并构造，以防泄漏。

由于壳体与管束之间的距离，在壳体与管束之间的旁路区域中存在另一问题。穿过旁路区域的气体并未与管束接触，而对热交换没有帮助，降低了效率。

尽管有动机解决这些问题(特别是在越来越多地尝试对从气态流出物中回收热量进行优化的化工设备中)，但这些问题还没有得到解决。

发明内容

本发明旨在提供一种换热装置，与现有技术相比，该换热装置能够实现：借助于冲洗降低了外壳体的温度；借助于消除管外围处的旁路区域而增大热效率；对于用于壳程的进气口和出气口的位置，增大了构造的灵活性；结构简单；由于使用较低质量或更小厚度的材料而使成本更低。

利用根据权利要求1的换热器来实现这些目的。在从属权利要求中提及一些优选的性能特征。

有利地，换热器包括挡板系统，该挡板系统在管束周围并在第二壳体内部限定了多个壳程通道，其中，连续的通道具有相反方向的通流，并且第一个或最后一个所述通道与所述冲洗间隙直接连通。例如，在具有两个通道的优选实施方式中，所述挡板系统限定了第一壳程通道和第二壳程通道，所述第一通道和第二通道具有相反方向的通流，并且所述第二通道与所述冲洗间隙直接连通。

每个壳程通道形成在换热器的包括管束的各个管组和/或所述管的各个部的部分中。管程流体供应装置被布置成使得在每个所述部分中的管程流与各个壳程通道总是方向相反。

优选地，所述内壳体与管束结构上为一体。更具体地，在优选实施方式中，管束包括横向于管的多个挡板，并且所述内壳体与所述挡板结构上配合。例如，壳体通过靠在所述挡板上或与其成为一体而与挡板结构上配合。

更优选地，所述第二壳体包括可以被去除的多个周向部和/或纵向部。在一个实施方式中，所述壳体包括至少一个可拆除的纵向接头。有利地，可以沿壳体的两个部分之间的可拆除的纵向接头来容置在壳程中限定了两个通道的纵向挡板。如果管束为U形类型，则该性能特征特别有利。

内壳体还使得减少了旁路区域，比换热器的外壳体更接近管束。在一些实施方式中，所述内壳体具有非圆形横截面，该非圆形横截面能够与横向挡板的边缘保持紧密并靠近管束的外围管。例如，壳体可以具有规则或不规则多边形横截面或包括一个或多个直边或多个曲边的横截面。

根据另一个优选的性能特征，管束的横向挡板与所述内壳体之间的连接是基本上液密的。术语“基本上液密的”意指挡板与壳体之间的连接是密封的或允许旁流，然而，该旁流相对于总流量是可忽略的。所述特征使得例如使用盲板更容易地实现换热器的横向隔板。

可以根据要求来拆卸和构造的内壳体基本上具有以下优点：其限定了用于冲洗外壳体的冲洗间隙，因此，允许降低设计温度和使用较低质量且成本较低的材料；其减少或消除了沿管的外围的旁路区域，因此增加了装置的热效率；其允许壳程流沿着在效率和/或结构简单方面有利的路径输送。

本发明的另一个优点在于以下事实：由于壳程上适当的隔板，壳程中的流相对于在管中循环的流体完全逆流。

本发明的另一个优点是：可以仅使用一个装置而非两个装置而从反应器(通常是氨反应器)的流出物中方便地进行热量回收。由于避免了苛刻的高温流动管线，所以除了节省装置的成本以外，还节省了管道系统和安装作业。由于通常可用空间非常有限，如有必要，紧凑的设计特别适于设备的合理改造。最后，数量减少的连接件降低了潜在危险泄露的风险。

借助于以下涉及多个优选实施方式的详细描述，优点将更加清楚地显现。

附图说明

图1至图4分别示出根据本发明的第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式和第四实施方式的管壳式换热器的横截面示意图；

图5是根据实施本发明的各种模式之一的带有固定到管束的挡板的多边形截面壳体的管束的一部分的立体图；

图6是根据本发明的优选性能特征的带有设置有纵向接头的柱状壳体的具有U形管的管束的一部分的立体图；

图7示出根据本发明的生产壳程蒸汽的设备的示意图；

图8示出根据本发明的生产管程蒸汽的设备的示意图；

图9示出根据现有技术的设备的示意图。

具体实施方式

图1是换热器装置1的示意图，换热器装置1包括：外壳体，由第一壳体2表示；在所述第一壳体2内部的管束3；和内壳体，由第二壳体4表示。

所述第二壳体4围绕管束3并与第一壳体2内部地同轴。因此，在第一壳体2与第二壳体4之间限定了冲洗间隙5。

管束3包括多个固定至管板15的U形管。每个管3包括输出分支3.1、返回分支3.2和连接段3.3。

换热器1具有壳程和管程。壳程与在第二壳体4内部在管束3周围限定的空间基本对应；管程与所述管束3的管的内部对应。

换热器1包括用于第一流体的入口接口6和出口接口7，和用于第二流体的入口接口8和出口接口9。入口接口6和出口接口7与壳程连通；入口接口8和出口接口9经由供应室16和收集室17与管程连通。接口6-9优选形成为喷嘴。

在图1中示出的示例中，热流体H经由入口接口6进入，沿壳程流动被冷却，并从出口接口7离开；冷流体C经由入口接口8进入，沿管程流动被加热，并从出口接口9离开。

换热器1还包括挡板系统，该挡板系统包括纵向挡板10和横向挡板11，它们在壳程内部限定了两个通道。

更具体地，在包含管的返回分支3.2的壳程的部分12中限定第一通道；在包含管的输出分支3.1的同一壳程的部分13中限定第二通道。

纵向挡板10大致沿管束3的管的总长度延伸，并位于管束3的正中面中，因此将各个管的输出分支3.1和返回分支3.2隔开。挡板11以以下方式位于入口接口6附近：沿由图1中的箭头表示的方向将经由所述入口接口6进入的流体输送至壳程的部分12中。

部分12与入口接口6直接连通。部分13经由开口20与冲洗间隙5连通。有利地，入口接口6和开口20以及挡板11都位于管板15附近。

由于挡板10、挡板11、开口20和入口接口6的这种布置，热流体H依次穿过壳程的所述两个部分12和13，即，在由箭头表示意义上说沿着两个流动路径，其中：

-沿第一流动路径，即，在部分12内部，流离开管板15并朝向管束的U形连接区域；

-沿第二流动路径，即，在部分13内部，流沿相反方向，即被朝向管板15输送。

在沿第二部分13流动之后，已经被冷却的流体H通过开口进入冲洗间隙5，并到达出口接口7。以这种方式，在第一壳体2中进行冲洗和冷却作用。

用于管程的入口接口8和出口接口9被布置成使得限定沿位于部分13中的U形管的输出分支3.1的输出流，和位于部分12中的相同管的返回分支3.2在相反方向上的返回流。因此，壳程中的热流体H总是相对于在管内部循环的冷却流体C逆流流动。

优选地，热流体H是气体，例如从化学反应器中收集的反应产物，并且冷却流体C是水，其在经过换热器1内部时，可以被部分或完全蒸发。

以下是同样适应于图1的示例和示出的其它示例的一些优选特点。

有利地，入口接口6形成为进入第一壳体2中的进口喷嘴，其借助于补偿器14连接至第二壳体4。

管束3有利地包括多个横向防振动挡板18，横向防振动挡板18例如使用折流杆构造技术制成。

在一些实施方式中，第二壳体4可以固定至管板15，或可以轴向地(在与反应器1的轴线平行的方向上)固定至一个或多个挡板18。优选地，所述第二壳体4轴向地固定至位于管板15的相对侧的挡板18，即，管的U形连接部的附近。

为了简单起见，在图1和其它附图中，仅示出一个挡板18；有利地，换热器包括以适当的间距间隔开的多个挡板18。在图5和图6中示出所述挡板18的实施方式的示例。

一般来说，所述第二壳体4需要至少一个固定限制点。在一些实施方式中，所述固定限制点在入口6附近实现，因此，如果第一壳体2与第二壳体4之间的径向膨胀差可忽略，则不需要补偿器14。

图2示出与图1中构造相同的换热器，其构件以相同的附图标记来表示。在图2的情况下，热流体H在管程循环，经由出口接口9进入并经由入口接口8离开，而冷流体C在壳程循环，经由出口接口7进入并经由入口接口6离开。

在图2示出的这个实施方式中，冷却流体C最初沿冲洗间隙5流动(沿第一壳体2的冲洗作用)，然后以此顺序流入壳程的区域13和12，即，由挡板10和11限定的两个通道内部。经由出口接口9进入的热流体沿管的返回分支3.2、连接段3.3和输出分支3.1依次流动。同样，在图2中，对于壳程的两个通道，总是以逆流方式进行热交换。

在图1和图2的两个示例中，由于冲洗间隙5的冲洗，同时受益于从纯逆流条件所得的交换效率，第一壳体2和管板15的温度都得以降低。

图3和图4示出具有在壳程中供应的热流体和直管的浮头式换热器，在壳程中分别具有一个通道(图3)和两个通道(图4)。

为了简单起见，与图1和图2中相同的名目用相同的附图标记表示，具体为第一壳体2、管束3、第二壳体4和冲洗间隙5。

在图3所示的实施方式中，换热器1包括直管，该直管具有固定至管板15的一端和固定至浮头19的相对端。

经由入口接口6进入的热流体沿着具有纵向流动路径的壳程(如图3中的箭头所示)流动，然后进入冲洗间隙5，向出口接口7返回。冷流体从供应室16至收集室17以逆流穿过管。

在图4中示出的实施方式中，换热器还具有挡板10，挡板10限定了壳程中的两个通道。因此，为了得到逆流流动，管程中的路径包括在第一组的第一管中的输出分支3.1和在第二组的管中的返回分支3.2(相当于图1-图2的U形管的分支)，并且浮头19包括使管程流体的流动换向的腔室21。

还应注意的是，图3和图4的实施方式具有以下共同特征：换热器总是处于逆流中；借助于经过冲洗间隙5的流而冷却第一壳体2。

图5和图6涉及管束3和第二壳体4的构造示例。

图5示出根据本发明的实施方式中的一个的管束3，其中，第二壳体4包括具有台阶式多边形横截面的壁30。所述壁30与管束3的管在结构上为一体，并可拆卸地固定至挡板，该挡板利用固定至壁30的棒状件31形成。然而，其它等同实施方式是可以的。

能够理解的是，借助于上述多边形壁30形成的第二壳体4保持非常靠近管束3的外围管，所以其布置比圆形截面好得多。因此，减少了管束3周围的可能的旁路空间。

已知，在浮头式换热器中，缺点在于，浮头的径向尺寸导致需要管束3的外围管与第二壳体4的距离更大，从而降低其交换效率。利用所提出的解决方案，该缺点得以克服。

壁30可以由一起环绕管束3的不同的纵向部和/或不同的部分形成。纵向部通过可拆除的接头连接。

图6示出具有柱状第二壳体4并适于U形管束3的结构变型。在该变型中，第二壳体4是由通过纵向凸缘32接合在一起的半壳体4.1和4.2形成。所述凸缘32形成第二壳体4的纵向接头。

所述半壳体支撑纵向隔板10，从而得到分配成两个通道的壳程和期望的相对于管程流动的逆流，例如如图1中可见。该图还示出与图5不同的另一个实施方式中的挡板18。在该实施方式中，挡板18主要包括固定至半壳体4.1或4.2的框架和限定了用于管的通孔的棒状件，为所述管提供防振动支撑。

图7示出了将图1中示出的换热器应用于在壳程中生产蒸汽的设备的示例。从氨反应器50流出的热流体H在管程中循环，并且冷却流体C在壳程中循环。所述冷却流体C最初流动穿过冲洗间隙5，然后进入壳程的区域13和12，即，由挡板10限定的两个通道内部，经过第一壳体2并作为蒸汽流出。

图8示出与图5中相同的设备的示意图，在该设备中，在管程中生产蒸汽。热流体H沿着壳程中由挡板10和11限定的两个流动路径流动，撞击管束3。然后，所述流体H在第一壳体2与第二壳体4之间的冲洗间隙5中输送。相反，如图6所示，水流沿着管程流动。

能够注意到，与根据使用两个装置的图9中示出的现有技术的设备结构不同，在单个装置1中方便地回收了可用热量。

Claims (12)

1.一种管壳式换热器(1)，包括第一壳体(2)和管束(3)，其中，所述管束(3)限定所述换热器的与所述管束的管的内部对应的管程，并且所述换热器包括在所述管束的外部限定的壳程，并且所述换热器(1)包括分别与用于第一流体和用于第二流体的壳程和管程连通的入口接口和出口接口，

其中，

所述换热器包括在所述第一壳体(2)内部并环绕所述管束(3)的第二壳体(4)；

所述第二壳体(4)包括至少一个可拆除的纵向接头(32)并包括通过可拆除的接头连接的多个纵向部；

其中，所述第二壳体(4)围绕所述管束(3)界定所述换热器(1)的所述壳程，并进一步限定在所述第一壳体(2)与所述第二壳体(4)之间界定的冲洗间隙(5)，

所述冲洗间隙(5)与所述壳程连通，

其中，所述第一流体穿过具有一个或多个纵向通道的所述壳程，

并且其中，所述第一流体和所述第二流体沿着在所述壳程中的所述第一流体的所述一个或多个纵向通道为逆流，

所述管束(3)与所述第二壳体(4)结构上为一体，

其中所述管束包括与所述管束(3)的轴线基本垂直的多个挡板(18)，并且所述第二壳体(4)与所述挡板(18)结构上相配合，

其中所述第二壳体(4)靠在所述挡板(18)上或固定至所述挡板(18)。

2.根据权利要求1所述的换热器，包括挡板系统(10，11)，所述挡板系统(10，11)围绕所述管束(3)并在所述第二壳体(4)内部限定了多个壳程通道，其中，连续的通道具有相反方向的流，并且第一个或最后一个所述通道与所述冲洗间隙直接连通。

3.根据权利要求2所述的换热器，其中：

每个所述壳程通道形成在所述换热器的包括所述管束的各个管组和/或所述管的输出分支和返回分支(3.1，3.2)的部分(12，13)中，

并且所述换热器包括用于将所述第二流体分配在所述管程(16，17，21)中的装置，其被布置成使得在通道中在所述管组或所述管的所述输出分支和所述返回分支(3.1，3.2)中的所述管程流相对于在壳程中循环的所述第一流体的流总是逆流。

4.根据权利要求2所述的换热器，其中：所述挡板系统(10，11)在所述壳程中限定了至少两个通道，并且在使用期间，热流体被供应至所述壳程中、沿所述至少两个通道流动、被冷却、然后沿所述冲洗间隙(5)流动。

5.根据权利要求2所述的换热器，其中：所述挡板系统(10，11)在所述壳程中限定了至少两个通道，并且在使用期间，冷流体被供应至所述壳程中、沿所述冲洗间隙(5)流动、然后沿所述壳程的所述至少两个通道流动。

6.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述管束(3)是U形管束。

7.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述管束(3)是具有浮头(19)的直管束。

8.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述第二壳体(4)具有用于紧固至所述管束(3)的至少一个点。

9.根据权利要求8所述的换热器，其中，在所述管束的管板(15)或至少一个挡板(18)之间选择所述用于紧固至所述管束(3)的至少一个点。

10.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述第二壳体(4)具有非圆形横截面。

11.根据权利要求10所述的换热器，其中，所述非圆形横截面选自：具有规则或不规则多边形形式的横截面；包括至少一个直边和至少一个曲边的横截面。

12.根据权利要求11所述的换热器，其中，所述至少一个曲边为圆弧形式的。