具有可變擋板角度的立式組合的進料/流出物熱交換器的製作方法

2023-05-08 22:48:36 1

專利名稱：具有可變擋板角度的立式組合的進料/流出物熱交換器的製作方法
技術領域：
本文公開的實施方案廣泛地涉及熱交換器。更具體地，本文公開的實施方案涉及 熱交換器如殼管式熱交換器，其構造成有效率地處理兩相流動。
背景技術：
熱交換器的許多構造是已知的並且用於多種應用。廣泛採用的構造之一，殼管式 熱交換器，如

圖1中所示，包括圓柱形殼體10，其容納一束平行管12，所述平行管12在兩個 端板14之間延伸使得第一流體16可以通過管12。同時，第二流體18流入並且通過兩個端 板之間的空間以與所述管接觸。為了提供兩種流體之間的改善的熱交換，第二流體18的流 路由形成相應通道的中間擋板20限定，安排所述中間擋板20使得第二流體的流動方向在 從一個通道通到下一個通道時改變。擋板20，其或者構造成所示的部分圓弓形(部分弓形 的擋板)，或者構造成圈環和盤，被垂直於殼體10的縱軸22安裝，以提供第二流體18的曲 折流對。在這種布置中，第二流體必須沿著殼體的長度數次急劇地改變其流動方向。這造 成了第二流體動壓力的下降和其非均勻的流動速度，這兩者結合不利地影響熱交換器的性 能。例如，擋板的相對於殼體縱軸的垂直位置導致相對效率低的傳熱速度/壓降比。另外， 這樣的擋板布置產生通過擋板-至-殼體和管-至-擋板間隙的流動旁路，從而導致流動 分布不均，渦流，回流和更高的汙垢率等不希望有的後果。壓降，流動分布和熱交換效率是重要的變量，尤其是在液體進料和產物流之間希 望氣相反應的許多工業化學工藝中。實例工藝可以包括石腦油重整，石腦油加氫處理，柴油 和煤油加氫處理，輕質烴異構化和複分解，以及許多其它工業上重要的工藝。這樣的工藝將 典型地包括進料/流出物熱交換設備，其中蒸發反應器進料流所需的熱量通過反應器流出 物的冷凝或部分冷凝而回收。這樣的熱交換設備在歷史上已經被安排成常規的臥式殼管式 熱交換器。增加單元設計容量(規模經濟)要求大的體積通過量，結果對在有限的溫差傳遞 熱量所需的殼體的數量有影響。然而，由於流動水力問題，即，兩相入口流，氣相和液相的變 化的組成和分子量，以及由相變導致的可變體積流量和壓降，採取數個並聯和串聯的布置 方式的常規交換器殼體的布置是有問題的。對稱管道系統對於進行兩相流動的分配是不可 靠的手段。因為氣相分子量可能遠低於相關液體的分子量，尤其是在其中氣相主要由氫組 成的加氫處理作業中，進入交換器的蒸氣與液體的分布不均可能對相關的沸騰曲線並且因 此對沸騰操作的平均溫差(MTD)具有顯著的影響。立式組合的進料/流出物熱交換器(VCFE)的概念是為了克服這些缺點通過將大 的表面集成到單個立式殼體中而開發的。這樣的單元已經在商業上以不同的構造配置， 包括單個弓形(segmental)擋板設計中的管程(tubeside)沸騰/殼程(shellside)冷凝；單個弓形擋板設計中的管程冷凝/殼程沸騰；螺旋擋板設計中的管程沸騰/殼程冷 凝；螺旋擋板設計中的管程冷凝/殼程沸騰。帶螺旋擋板的交換器描述於例如美國專利 5，832，991，6，513，583 和 6，827，138 中。理論上，殼程沸騰有利於減少所需的表面，因為殼程沸騰係數由於質量傳遞(mass transport)效果通過較大的殼程容積而提高。然而，積垢問題也必須考慮，因為管程通常更容易清潔。認為殼程沸騰布置的缺點在於部分負載或降負荷操作(turndown operation)，其 中殼程速度可能不足以防止相分離和液體餾分向下回流到入口。重質液體餾分在高停留時 間的這種累積可能導致積垢。任何管程沸騰布置的主要缺點在於，氣相和液相餾分必須在多個管入口的每一個 中均勻地分布，以保持每根管中的預期的沸騰特性，並且還沒有發現用以實現這種分布的 廉價和低壓降的方法。因此，存在對於在立式單元中有效處理兩相入口流的熱交換器和擋板設計的需要。發明概述在一個方面，本文公開的實施方案涉及一種熱交換器，其包括殼體，所述殼體具 有流體入口和流體出口 ；多個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將所述流體引導成 為螺旋流型通過所述殼體；其中最接近所述入口的擋板的螺旋角α與最接近所述出口的 擋板的螺旋角β不同。在另一方面，本文公開的實施方案涉及一種殼管式熱交換器，其包括管程入口歧 管，所述管程入口歧管中具有第一流體入口 ；管程出口歧管，所述管程出口歧管中具有第一 流體出口 ；多根管，所述多根管在所述歧管之間延伸並且與其流體相通；殼體，所述殼體在 所述歧管之間延伸並且圍繞所述的管，所述殼體中具有第二流體入口和第二流體出口 ；多 個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將第二流體引導成為螺旋流型通過所述殼體； 其中最接近所述第二流體入口的擋板的螺旋角α與最接近所述第二流體出口的擋板的螺 旋角β不同。在另一方面，本文公開的實施方案涉及一種用於與混合相流體交換熱量的方法， 所述方法包括將包含蒸氣並且包含夾帶的液體和夾帶的固體中的至少一種的混合相流 體進料至熱交換器，所述熱交換器包括殼體，所述殼體具有流體入口和流體出口 ；多個擋 板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將所述流體引導成為螺旋流型通過所述殼體；將所 述混合相流體轉化成基本上全部的蒸氣；和在所述混合相流體和熱交換介質之間間接地交 換熱量；其中最接近所述入口的擋板的螺旋角α保持所述混合相流體的速度大於所述夾 帶的液體或固體的沉降末速(terminal velocity)；並且其中最接近所述出口的擋板的螺 旋角β大於最接近所述入口的擋板的螺旋角α。其它方面和優點將由以下描述和後附權利要求變得明顯。附圖簡述圖1是常規殼管式熱交換器中流動分布的示意圖。圖2是根據本文公開的實施方案具有可變熱擋板角度的立式組合的進料/流出物 熱交換器的示意圖。
發明詳述在一個方面，本文的實施方案廣泛地涉及熱交換器。更具體地，本文公開的實施方 案涉及熱交換器如殼管式熱交換器，其構造成有效率地處理兩相流動。還更具體地，本文 公開的實施方案涉及具有擋板的熱交換器，所述擋板被構造成引導殼程流體以螺旋流型流 動，其中最接近入口的擋板的螺旋角與最接近出口的擋板的螺旋角不同。已經發現，根據本文公開的實施方案的帶具有變化的螺旋角的擋板的熱交換器可 用於經歷相變如蒸發、冷凝、燃燒等的殼程流體。例如，對於兩相入口流，如蒸發液體-蒸 氣混合物，可以設置最接近入口的螺旋角以保持足夠的流體速度以避免蒸氣和液體的相分 離。最接近殼程流體入口的擋板的螺旋角可以接近於垂直於管的位置，因此使引入的稠密 流體以高的速度成漩渦。在液體由於交換器內的傳熱而蒸發時，擋板的螺旋角可以進一步 偏離垂直，如對於更接近殼程出口的擋板，從而為較不稠密的蒸氣在較低速度提供熱交換 和相對低的通過熱交換器的壓降。因為相分離(氣-液，氣-固等)是相對密度、顆粒和/或液滴大小以及氣相速度 的函數，根據本文公開的實施方案的帶具有變化的螺旋角的擋板的熱交換器不以相同的通 過量進行殼程相分離，而具有恆定擋板角度的熱交換器將發生以相同通過量進行的殼程相 分離。因此，根據本文公開的實施方案的帶具有變化的螺旋角的擋板的熱交換器可以以顯 著減小的通過量水平使用，從而避免了與以部分負載或降負載操作運行的立式熱交換器典 型相關的缺陷。最接近殼程入口和出口的擋板所採用的螺旋角可以取決於操作的類型。例如，對 於包含蒸氣和蒸發液體或燃燒固體的流體混合物，最接近入口的擋板的螺旋角可以大於最 接近出口的擋板的螺旋角。以這種方式，可以保持兩相混合物的速度大於夾帶的固體或液 體的傳輸速度，從而避免相分離。在流體蒸發或固體燃燒時，可以採用更小的螺旋角。在其 它實施方案中，螺旋角可以沿著殼體的縱向長度逐漸減小。作為另一實例，對於包含將要在 熱交換器內冷凝的蒸氣的入口進料，最接近殼程入口的擋板的螺旋角可以小於最接近殼程 出口的擋板的螺旋角，從而在冷凝操作過程中增加混合物的速度。現在參考圖2，圖示了根據本文公開的實施方案的帶具有變化的螺旋角的擋板的 立式組合的進料/流出物熱交換器的示意圖。熱交換器30可以包括管程入口歧管32，管 程入口歧管32中具有流體入口 34。管程入口歧管32還可以具有設置在其中的排氣口 (vent) 36。熱交換器30還可以包括管程出口歧管38，管程出口歧管38中具有流體出口 40。 多根管42可以在管程入口歧管32和出口歧管38之間延伸，從而允許流體通過管42從入 口歧管32傳輸到出口歧管38。圖2圖示了 4根管的使用，但是應理解可以使用任何數量的 管。殼體44在入口和出口歧管32，38之間延伸，從而圍繞著管42，並且包括殼程流體 入口 46和殼程流體出口 48。位於殼體44內的是多個擋板50。擋板50可以包括，例如，如 美國專禾IJ 5，832，991，6，513，583和6，827，138中所述的螺旋擋板，這些美國專利中每一個 的全部內容通過引用結合在本文中。擋板50可以包括管孔(未顯示)以允許管42穿過擋 板50，並且允許擋板50將管42保持在對準(aligned)和所需的位置。擋板50可以起到將 殼程流體引導成螺旋流型通過殼體的作用。擋板50被布置在熱交換器30內使得最接近殼程入口 46的擋板50具有與最接近殼程出口 48的擋板50不同的螺旋角。擋板的螺旋角可以例如通過「解開」螺旋，形成二維 螺旋圖而確定。如圖2中對於擋板50a所圖示的，於是將螺旋角確定為殼體圓周C除以間 距P(被延伸360°的擋板弧橫斷的縱向距離)的反正切。間距等於ρ = C*tan ⑷；其中β是螺旋角。因此，螺旋角β等於arctan(p/C)。如所圖示的，熱交換器30配備有垂直取向的螺旋擋板50。最接近殼程入口 46的 擋板50可以具有螺旋角α。最接近殼程出口 48的擋板50可以具有相對於殼體4的縱軸 A-A的螺旋角β。因此，例如，對於經由殼程入口 46進入的蒸發兩相殼程進料流，最接近入 口 46的擋板50被布置在小的螺旋角α ；即，相對於軸A-A比具有螺旋角β的最接近殼程 出口 48的擋板50更接近垂直，在最接近殼程出口 48中預期熱交換為在更高殼程體積流量 的氣體/氣體，如由於殼程流體的蒸發、燃燒和/或加熱。因此，小的螺旋角α可以使兩相 入口流以足以避免相分離的速度在螺旋通道中渦漩。因為殼程流體在最接近出口 48是氣 體/氣體，因此可以採用大於螺旋角α的螺旋角β，從而導致比沿著整個殼體44長度採用 角度α時更低的壓降。在一些實施方案中，介於殼程流體入口 46和出口 48之間的擋板可以具有介於螺 旋角α，β之間的螺旋角Y。例如，擋板50的螺旋角可以從入口 46至出口 48之間增加 或減小，這取決於作業的類型(例如，冷凝，蒸發等)。在其它實施方案中，擋板50的螺旋角 可以經歷一個以上的階躍變化。如上所述，根據本文公開的實施方案的帶具有變化的螺旋角的擋板的熱交換器可 用於預期兩相流體流動的情形。在預期有兩相流動的情況下越小的螺旋角可以提供越高的 氣相速度，從而避免殼程相分離。最接近入口和出口的擋板的螺旋角可以是兩個相的相對 密度、固體和/或液體的顆粒或液滴尺寸(與顆粒或液滴的傳輸速度有關)，典型的進料速 率，部分負載或降負荷進料速率，殼程流體的溫度升高以及本領域技術人員已知的其它變 量的函數。本文描述的立式組合的進料/流出物熱交換器可以採用近似螺旋角在約5°至 45° (包括5°和45° )範圍內的擋板。根據本文公開的實施方案，可以採用產生合適的 螺旋角的擋板角度α，β和γ (如果存在)的任何組合。例如，在一些實施方案中，螺旋角α可以在約5°至約45°的範圍內；在其它實施 方案中在約5°至約35°範圍內；並且在還其它的實施方案中為約5°至約25°。在其它實施方案中，擋板角度β可以在15°至約45°範圍內；在其它實施方案中 在約25°至約45°範圍內；並且在還其它的實施方案中為約35°至約45°。根據本文公開的實施方案的熱交換器可以有利地在具有兩種以上的相的殼程流 體的情況下使用。有利地，根據本文公開的實施方案的熱交換器可以提供殼程流體流動速 度以最小化或避免通過殼體的流體的相分離，例如通過具有在預期有兩相流動的情況下具 有小的螺旋角的擋板。另外在預期單相流動的情況下採用較大的螺旋角可以有利地提供比 在整個殼體中採用恆定螺旋角的情況下更低的壓降。因此，與具有螺旋角恆定的擋板的傳 統熱交換器相比，根據本文公開的實施方案的熱交換器可以保持兩相流體以顯著減小的通 過量水平均勻流動，從而有利地允許更寬的通過量範圍。儘管公開內容包括了有限數量的實施方案，但是受益於本公開內容，本領域技術
人員將理解，可以設計不偏離本公開內容範圍的其它實施方案。因此，本發明的範圍應當僅 受後附權利要求的限制。
權利要求
1.一種熱交換器，所述熱交換器包括殼體，所述殼體具有流體入口和流體出口 ；多個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將所述流體引導成為螺旋流型通過所述 殼體；其中最接近所述入口的擋板的螺旋角α與最接近所述出口的擋板的螺旋角β不同。
2.權利要求1所述的熱交換器，其中螺旋角β小於螺旋角α。
3.權利要求1所述的熱交換器，其中螺旋角α小於螺旋角β。
4.權利要求1所述的熱交換器，其中所述多個擋板的螺旋角從所述流體入口至所述流 體出口減小。
5.權利要求1所述的熱交換器，其中所述多個擋板的螺旋角從所述流體入口至所述流 體出口增大。
6.權利要求1所述的熱交換器，其中介於最接近所述入口的擋板和最接近所述出口的 擋板之間的擋板具有介於螺旋角α和β之間的螺旋角Y。
7.權利要求1所述的熱交換器，其中螺旋角α小於螺旋角β，並且其中螺旋角α在 約5°至約35°的範圍內且其中螺旋角β在約15°至約45°的範圍內。
8.權利要求7所述的熱交換器，其中螺旋角α在約5°至約25°的範圍內。
9.一種殼管式熱交換器，所述殼管式熱交換器包括管程入口歧管，所述管程入口歧管中具有第一流體入口 ；管程出口歧管，所述管程出口歧管中具有第一流體出口 ；多根管，所述多根管在所述歧管之間延伸並且與其流體相通；殼體，所述殼體在所述歧管之間延伸並且圍繞所述的管，所述殼體中具有第二流體入 口和第二流體出口；多個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將第二流體引導成為螺旋流型通過所述 殼體；其中最接近所述第二流體入口的擋板的螺旋角α與最接近所述第二流體出口的擋板 的螺旋角β不同。
10.權利要求9所述的熱交換器，其中螺旋角β小於螺旋角a。
11.權利要求9所述的熱交換器，其中螺旋角α小於螺旋角β。
12.權利要求9所述的熱交換器，其中所述多個擋板的螺旋角從所述流體入口至所述 流體出口減小。
13.權利要求9所述的熱交換器，其中所述多個擋板的螺旋角從所述流體入口至所述 流體出口增大。
14.權利要求9所述的熱交換器，其中介於最接近所述入口的擋板和最接近所述出口 的擋板之間的擋板具有介於螺旋角α和β之間的螺旋角Y。
15.權利要求9所述的熱交換器，其中螺旋角α小於螺旋角β，並且其中螺旋角α在 約5°至約35°的範圍內且其中螺旋角β在約15°至約45°的範圍內。
16.權利要求15所述的熱交換器，其中螺旋角α在約5°至約25°範圍內。
17.一種用於與混合相流體交換熱量的方法，所述方法包括將包含蒸氣並且包含夾帶的液體和夾帶的固體中的至少一種的混合相流體進料至熱交換器，所述熱交換器包括殼體，所述殼體具有流體入口和流體出口 ；多個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將所述流體引導成為螺旋流型通過所述 殼體；將所述混合相流體轉化成基本上全部的蒸氣；和 在所述混合相流體和熱交換介質之間間接地交換熱量；其中最接近所述入口的擋板的螺旋角α保持所述混合相流體的速度大於所述夾帶的 液體或固體的沉降末速；並且其中最接近所述出口的擋板的螺旋角β大於最接近所述入口的擋板的螺旋角α。
18.權利要求17所述的方法，其中所述的轉化包括使所述的夾帶的液體蒸發。
19.權利要求17所述的方法，其中所述的轉化包括使所述的夾帶的固體燃燒。
20.權利要求17所述的方法，其中螺旋角α在約5°至約35°範圍內並且其中螺旋角 β在約15°至約45°範圍內。
全文摘要
一種殼管式熱交換器，如立式組合的進料/流出物熱交換器(VCFE)，其包括殼體，所述殼體具有流體入口和流體出口；多個擋板，所述多個擋板安裝在所述殼體中以將所述流體引導成為螺旋流型通過所述殼體；其中最接近所述入口的擋板的螺旋角α與最接近所述出口的擋板的螺旋角β不同。
文檔編號F28D7/00GK102047062SQ200980120504
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月20日 優先權日2008年6月5日
發明者克裡斯南·S·春南加德, 巴希爾·I·馬斯特爾, 馬克·S·卡爾斯 申請人:魯姆斯科技公司