專利名稱：換熱方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多股氣流(gasstream)與熱/冷載體(heat/cold carrier)在換熱區(qū)進(jìn)行間接換熱的方法，在換熱區(qū)內(nèi)多股氣流通過多路換熱通道，僅有一股氣流通過至少一個換熱區(qū)。另外，本發(fā)明涉及在有多路換熱通道的換熱區(qū)內(nèi)至少兩股氣流與熱/冷載體進(jìn)行間接換熱的換熱設(shè)備。
在空氣低溫分餾過程中，要分餾的進(jìn)料空氣必須冷卻到工藝溫度。習(xí)慣上這在主換熱器中通過進(jìn)料空氣與所生成的氣流進(jìn)行間接換熱。主換熱器一般采用板式換熱器結(jié)構(gòu)，其對于待處理的氣流具有多路換熱通道。在加工量很大的空氣分餾裝置中，需要多個這樣的換熱區(qū)來處理大量的空氣和產(chǎn)品。通常，2萬～3萬Nm3/h空氣的主換熱器要分成兩個區(qū)。
迄今，通常全部氣流和進(jìn)料氣流以及如果還有其它適當(dāng)氣流的話，是通過各單獨(dú)的換熱區(qū)的每一個。例如，如果兩股不同壓力的空氣流進(jìn)入空氣分餾裝置，所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)品是氧、純氮和不純氮，那么這5種氣流必須通過每一換熱區(qū)。因此，對這些氣流每個換熱區(qū)必須有10個接口，即5個氣流入口和5個氣流出口。
相應(yīng)地，為了將這些氣流分別從各自入口分配到相應(yīng)的換熱通道，同時(shí)把這些氣流從換熱通道排到適當(dāng)?shù)某隹?，需要?0套下面稱之為收集器/分配器(collector/distributor)的設(shè)備。
目前，通過結(jié)合到換熱區(qū)的分配段(distribution zones)來實(shí)現(xiàn)這些收集器/分配器。在該分配段，至少將某些使各換熱通道互相區(qū)分開的折流板(lamellae)布置成傾斜的，以使得通過入口流入的氣流導(dǎo)入換熱通道，或使得從換熱通道流出的氣流折轉(zhuǎn)通向出口。
但是在這種收集器/分配器構(gòu)成的分配段中，流動狀態(tài)大大改變。首先，由于折流板的傾斜定向，使流動方向發(fā)生變化；其次，換熱通道的截面在分配段明顯減小。結(jié)果，通過的氣流流速可能變化。這兩種效果均在換熱區(qū)產(chǎn)生不希望的壓力降。
德國專利DE-A-42 04 172中公開了把空氣分餾裝置的主換熱器在工藝側(cè)分成多個區(qū)，讓空氣分餾裝置產(chǎn)生的每個產(chǎn)品流，通過各自獨(dú)立的換熱區(qū)與進(jìn)料空氣流換熱。該工藝的目的是降低對每個換熱區(qū)的控制要求。另一方面，該專利沒有涉及換熱區(qū)分配段造成的壓力降，因此也不包括適于減少這種壓力降的任何措施。
本發(fā)明的目的是提供一種適于多股氣流間接加熱或冷卻的方法和設(shè)備，而且使換熱器上的壓力降盡可能地小。
按照本發(fā)明一開始敘述的這類方法要達(dá)到的目的是，至少一個換熱區(qū)的一股氣流的換熱通道局限于該換熱區(qū)的兩個端面之間，在所有情況下，這股氣流都是經(jīng)過聯(lián)結(jié)到換熱區(qū)的一個收集器/分配器從至少一個換熱區(qū)的換熱通道進(jìn)入或排出，在所有情況下，收集器/分配器都覆蓋換熱區(qū)的整個端面。
本發(fā)明的換熱設(shè)備用于至少兩股氣流與熱/冷載體在有多路換熱通道的換熱區(qū)中進(jìn)行間接換熱，其特點(diǎn)是換熱區(qū)中每一股氣流的換熱通道局限于換熱區(qū)兩端的端面之間，而且每一個都流動聯(lián)接到收集器/分配器中，在所有情況下，收集器/分配器都覆蓋換熱區(qū)整個端面。
按照本發(fā)明，至少一股壓力降盡可能小的氣流通過換熱區(qū)，在該換熱區(qū)無其它氣流通過。很明顯，一股或多股熱或冷載體流經(jīng)這一換熱區(qū)與氣流換熱。用于這一氣流的換熱區(qū)的換熱通道，從換熱區(qū)一側(cè)的端面延伸至相對側(cè)的端面，且基本平行。在所有情況下，換熱通道兩個端面?zhèn)榷佳b有一個位于換熱區(qū)的外面的收集器/分配器，該收集器/分配器覆蓋了整個端面，而且與進(jìn)料或出料管線有接口。因而，換熱通道不是通過錐形剖面插入進(jìn)料或出料管線，流動方向在收集器/分配器中緩慢地改變。因此，在與收集器/分配器相聯(lián)的換熱區(qū)中可使壓力降最小。
按照本發(fā)明的方法和相應(yīng)的設(shè)備，換熱區(qū)從入口到出口測得的壓力降可能達(dá)到約70毫巴。相比之下，在傳統(tǒng)換熱器中，在入口和出口及換熱通道之間，經(jīng)分配段發(fā)生氣流的分配和匯合，該分配段接入換熱區(qū)并具有傾斜的折流板，如果氣流來自壓力1.2～1.8巴的低壓塔，那么所產(chǎn)生的壓力降大約為100毫巴。而對不加壓的這一側(cè)，本發(fā)明可使壓力降降低了30毫巴左右。這就意味著可以生產(chǎn)比其它方法低30毫巴的低壓氣流。為了保持主冷凝器的換熱條件，在空氣壓縮機(jī)下游空氣被壓縮到約90毫巴以下就足夠了。
優(yōu)選為每股氣流提供單獨(dú)的換熱區(qū)。首先，這將具有上述低壓力降的優(yōu)點(diǎn)，其次所需的管道數(shù)量可以減少。另外，還降低了換熱區(qū)的成本，因?yàn)榉峙涠慰擅黠@地更簡單。在傳統(tǒng)方法中，所有的氣流通過每一個換熱區(qū)，每一股氣流在主換熱器的冷側(cè)和熱側(cè)，都要求有一多支管(manifold line)，該多支管包括通向每個換熱區(qū)的多條支管，以作為進(jìn)料管或出料管。相反，如果每股氣流通過單獨(dú)的換熱區(qū)，就可以省卻支管，管道也明顯簡化。
如果經(jīng)過單獨(dú)換熱區(qū)的氣速太高，不能在該換熱區(qū)進(jìn)行加工，則提供兩個或多個換熱區(qū)，并使該氣流的分流通過每個換熱區(qū)。
本發(fā)明特別適于加工壓力低于3.5巴、與熱或冷載體進(jìn)行間接換熱的氣流，優(yōu)選1.1～1.8巴的氣流，此后將這樣的氣流稱為低壓氣流。按照本發(fā)明，在這種情況下，一個換熱區(qū)只通過這些低壓氣流中的一股，也就是說對每一股壓力低于3.5巴的氣流使用一個單獨(dú)的換熱區(qū)。
在氣流壓力高于約4巴的情況下，換熱區(qū)的壓力降所起的作用很小，或者可以忽略。因此，將這樣的高壓氣流通過至少一個的、通過低壓氣流之一的換熱區(qū)，有時(shí)是有利的。
本發(fā)明方法優(yōu)選用于進(jìn)料空氣的低溫分餾。來自雙塔精餾系統(tǒng)低壓塔的產(chǎn)品氣流，具有略超過常壓的0.1～0.8巴的過壓，所以壓力降的降低對其非常重要。氬氣產(chǎn)品的情況也類似于此，因?yàn)榇謿逅彩窃诒容^低的壓力下操作的。
特別優(yōu)選將這些氣流與進(jìn)料空氣進(jìn)行間接換熱。這種情況下進(jìn)料空氣可以以不同壓力的多股氣流通過換熱區(qū)。因而，一方面，進(jìn)料空氣可以在壓力塔壓力下通過換熱區(qū)，然后進(jìn)入壓力塔；另一方面，進(jìn)料空氣可以于換熱區(qū)上游再壓縮，冷卻后，膨脹做功產(chǎn)生冷量。
在能源費(fèi)用比較低的地區(qū)，降低壓力降沒有什么好處，因?yàn)榕c節(jié)能相關(guān)的費(fèi)用較高。因而，在這些應(yīng)用中更有用的不是最大程度地降低壓力降，而是提高流速，以便達(dá)到較高的壓力降，最終使換熱區(qū)減小。
優(yōu)選氣流以120～300毫巴的壓力降通過換熱區(qū)，更優(yōu)選120～200毫巴。提高壓力降使流速比傳統(tǒng)換熱器更高，從而改善傳熱系數(shù)，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器體積減小。與已知方法相比，對換熱區(qū)同樣的壓力降，本發(fā)明的方法可能使換熱區(qū)體積縮小約15％，因此明顯節(jié)約費(fèi)用。
下面，結(jié)合附圖，用附圖中的實(shí)施方案來更加詳細(xì)地說明本發(fā)明和其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。在附圖中

圖1表示現(xiàn)有工藝中的具有多個主換熱區(qū)的大型空氣分餾裝置的流程布置和結(jié)構(gòu)；圖2表示本發(fā)明的大型空氣分餾裝置主換熱區(qū)的流程布置；圖3～6表示在換熱通道進(jìn)口區(qū)和出口區(qū)中折流板的常規(guī)排列；
圖7～8表示在換熱通道進(jìn)口區(qū)和出口區(qū)中本發(fā)明的收集器/分配器；圖9表示具有氧和氮內(nèi)部壓縮段的本發(fā)明工藝；圖10表示具有氧內(nèi)部壓縮段的本發(fā)明工藝；圖11表示帶有氮循環(huán)的空氣分餾工藝。
圖1表示現(xiàn)有工藝中加工能力為100000Nm3/h空氣的大型空氣分餾裝置流程圖，該裝置中必須采用多個單獨(dú)換熱區(qū)3的主換熱器。
壓縮和凈化后的進(jìn)料空氣1進(jìn)入裝置，部分空氣流2直接進(jìn)入互相平行排列的多個換熱區(qū)3a～3e，部分空氣流4采用壓縮機(jī)5進(jìn)行再壓縮，在后冷器6中冷卻，然后進(jìn)入換熱區(qū)3a～3e。帶壓空氣，后面特指要經(jīng)過透平的空氣流7，從換熱區(qū)3a～3e的中間部位抽出，在透平8中膨脹，然后進(jìn)入由壓力塔9和低壓塔10組成的精餾裝置11中的低壓塔10。
換熱區(qū)3a～3e形成了該空氣分餾裝置的主換熱器。在換熱區(qū)3a～3e中冷卻的進(jìn)料空氣2送入精餾裝置11中的壓力塔9。氣態(tài)氧14、氣態(tài)氮15和氣態(tài)不純氮16作為再生氣于1.3巴左右的壓力下從低壓塔抽出。另外，精餾裝置11還可能生產(chǎn)液態(tài)氧12和液態(tài)氮13產(chǎn)品。氣流14、15、16進(jìn)入換熱區(qū)3a～3e的每一個，通過與進(jìn)料空氣流2和透平空氣流7間接換熱而被加溫。
由于所有的氣流14、15、16和逆流的兩股空氣流2、7，即全部5股不同的氣流，都通過換熱區(qū)3a～3e的每一個，每個換熱區(qū)3必須有10個聯(lián)結(jié)入口和出口的收集器/分配器，所有情況下通過進(jìn)料管和出料管以及相應(yīng)的換熱通道形成這種聯(lián)結(jié)。
圖2表示相應(yīng)于圖1的工藝流程，其中與圖1所表明的已知工藝不同之處是，換熱區(qū)3按照本發(fā)明由產(chǎn)品分區(qū)?？諝饬?和透平空氣流7恰如圖1工藝所示進(jìn)入所有的換熱區(qū)23a～23e；不同的是，氣態(tài)氣流14、15、16不再在整個換熱區(qū)23中加溫，而是在每種情況下在指定到氣流14、15或16的具體換熱區(qū)23中加溫。
每種情況下，空氣1總量的大約20％在精餾裝置11中通過空氣1的低溫分餾轉(zhuǎn)變成氣態(tài)氧14和不純氮16。其余60％的空氣1作為氣態(tài)純氮15離開精餾裝置11。換熱區(qū)23的尺寸設(shè)計(jì)使得用于氣態(tài)氧14和不純氮16的換熱區(qū)23a、23e，分別具有最大尺寸的效果，即所說換熱區(qū)23a和23e完全是為預(yù)期數(shù)量的氧和氮而精確設(shè)計(jì)的。由于制造的原因，全部換熱區(qū)23a～23e設(shè)計(jì)為同一尺寸，所以純氮?dú)饬?5需要3個換熱區(qū)23b～23d。
因此，換熱區(qū)23a僅僅進(jìn)行氧氣14和空氣流2、7的換熱，換熱區(qū)23b～23d進(jìn)行純氮15和空氣流2、7的換熱，換熱區(qū)23e進(jìn)行不純氮16和空氣流2、7的換熱。換熱區(qū)23的數(shù)量保持與圖1工藝相同，因?yàn)閮煞N工藝的產(chǎn)量相同，必須與同樣數(shù)量的空氣換熱。
但是換熱區(qū)結(jié)構(gòu)大大簡化。每個換熱區(qū)23只有3股進(jìn)料，兩股空氣流2、7和一股氣流14、15或16，結(jié)果，每個換熱區(qū)23僅僅需要6個收集器/分配器以及相應(yīng)的接口。
按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的換熱區(qū)23見圖7和8。為了比較，在圖3～6中示出了傳統(tǒng)類型換熱區(qū)3的結(jié)構(gòu)。圖3表示分配段31中氧通道34的折流板排列；相應(yīng)地，圖4表示純氮通道35的折流板排列，圖5表示不純氮通道36的折流板排列。圖6表示全部進(jìn)出口排列。
圖1工藝中，換熱區(qū)3中有3股不同的產(chǎn)品流14、15、16與空氣流2和透平空氣流7進(jìn)行換熱。各氣態(tài)產(chǎn)品經(jīng)過分配段31、32、33分配于相應(yīng)的換熱通道34、35、36，這些分配段設(shè)有傾斜的折流板，以使氣流14、15、16從進(jìn)料管線37a、38a、39a分配到通道31、32、33，并使離開通道31、32、33的氣流進(jìn)入出口管線37a、38a、39a。
分配段31、32、33導(dǎo)致流動方向和流動橫截面兩者的變化，而這又會造成流動速度的變化。兩者對通過換熱區(qū)的流動均有不利影響，并在換熱區(qū)3上產(chǎn)生不希望的壓力降。壓力降有不利影響，尤其在氣流壓力比較低時(shí)如1.1～1.8巴時(shí)。將氣流14、15、16的通道34、35、36更換為空氣流2和透平空氣流7的通道，橫向安排入口和出口40a、40b、41a、41b(見圖6)，也沒有改善，因?yàn)榭諝?、7通過類似于圖3～5所示的分配通道分配到相聯(lián)結(jié)的換熱通道，因此發(fā)生類似的流體轉(zhuǎn)向和橫截面變化。
圖7和8表示新型換熱區(qū)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法的主要特點(diǎn)是，在每一個換熱區(qū)23，只有14、15或16中的一股氣流與空氣流2、7逆流換熱。
不同于已知換熱區(qū)(見圖3～5)中具有傾斜的折流板的復(fù)雜分配段32，在新型換熱區(qū)中，在換熱通道出口區(qū)和入口區(qū)優(yōu)選只有狹窄的分配段42。狹窄分配段42中的折流板位于換熱通道折流板之上或之下且與之平行，但是相互之間距離縮短。進(jìn)入收集器41的氣流容易在分配段42的上游集聚，使氣流在分配段42所有通道中、也即在全部換熱通道中均勻分布。
參考圖1和2，本發(fā)明方法的進(jìn)一步好處非常明顯。除了顯著降低換熱區(qū)23上的壓力降外，在新方法中管道大大簡化。除了將換熱區(qū)進(jìn)出口的數(shù)量從每個換熱區(qū)10個減少到6個外，將氣流14、15、16送入換熱區(qū)23也無需多少集合管和分支管。
例如從圖1中可以看出，為了將氮產(chǎn)品分布到5個換熱區(qū)3中，要從氮產(chǎn)品管線15上分出4條支管17a～17d。反過來，為了將加溫后的氮合并返回集合管19，也需要4條支管18a～18d。因此，對通過換熱區(qū)的5股氣流中每一股都需要配備8條支管，總計(jì)要40條支管或管接頭。
相反，按照圖2所示的本發(fā)明方法，僅僅空氣流2和透平氣流7需要在全部5個換熱區(qū)23中分布，相應(yīng)地需要16條支管。此外，有兩條支管20a、b和兩個管接頭21a、b用來在換熱區(qū)23b、c、e上分布氮?dú)饬?5，然后將它們合并進(jìn)入輸出管線19。
在本發(fā)明方法中，需要總計(jì)20條支管，相比之下，按照圖1的傳統(tǒng)方法需要40條支管。這種管線減少50％就充分證實(shí)了管道復(fù)雜程度大大地簡化了。
本發(fā)明方法不僅限于全部產(chǎn)品都是氣態(tài)的工藝，而且例如也適于從精餾裝置輸出內(nèi)部壓縮液體產(chǎn)品的工藝。
圖9表示空氣精餾工藝，其中除氣態(tài)純氮15和氣態(tài)不純氮16外，還有液氮51從精餾裝置11的主冷凝器中輸出，并采用內(nèi)部壓縮泵52升壓。升壓后的液氮51，在換熱區(qū)56與空氣流7和經(jīng)壓縮機(jī)59壓縮的高壓空氣進(jìn)行換熱，加溫氣化。
該工藝中氧氣12也以液態(tài)形式從低壓塔10抽出，并用泵54、55進(jìn)行內(nèi)部壓縮。純氮15和不純氮16在各自結(jié)構(gòu)如圖7和8所示的換熱區(qū)23b、c、d和換熱區(qū)23e中加溫。相反，為了加溫和氣化內(nèi)部壓縮的氣流57、58，要使用高壓換熱區(qū)56。初看起來，高壓換熱區(qū)56對應(yīng)于圖3～6中所描述的換熱區(qū)，但是為了能夠承受內(nèi)部壓縮氣流的高壓，它具有高得多的強(qiáng)度。與來自低壓塔10的氣態(tài)氣流15和16的情況相比，換熱區(qū)56上產(chǎn)生的壓力降對內(nèi)部壓縮氣流57、58的不利影響大大緩解了。
圖10表示了類似圖9的工藝，其中液氧12也經(jīng)內(nèi)部壓縮成54、55，但是不靠高壓空氣進(jìn)行氣化和加溫，而是靠高壓氮進(jìn)行氣化和加溫。為此，將氣態(tài)氮61從壓力塔9中61處抽出，通過換熱區(qū)62，再采用壓縮機(jī)63壓縮后逆流通過換熱區(qū)62，返回壓力塔9。換熱區(qū)62在結(jié)構(gòu)上基本對應(yīng)于圖9中換熱區(qū)56。在這一變換方案中，無需對氮進(jìn)行內(nèi)部壓縮，因?yàn)榭梢詮膲嚎s機(jī)63下游輸出高壓氮64。
圖11是本發(fā)明方法的進(jìn)一步應(yīng)用。在這一情況下，液氧從精餾塔11之12處抽出，并經(jīng)兩個泵54、55進(jìn)行內(nèi)部壓縮。在這一實(shí)施方案中，液氧被從壓力塔9之61處取出的氣化，循環(huán)氮在換熱區(qū)77中加溫，經(jīng)壓縮機(jī)71、72、73壓縮并在換熱區(qū)77中由內(nèi)部壓縮產(chǎn)品冷卻，再經(jīng)過76進(jìn)入壓力塔9。其中一部分氮在壓縮機(jī)71下游膨脹(74)，又返回到氮循環(huán)中。另一部分氮從壓縮機(jī)71、72、73下游換熱區(qū)77的中間部位抽出，然后在換熱區(qū)77中冷卻，在75中膨脹并返回氮循環(huán)中。
權(quán)利要求
1.一種多股氣流在換熱區(qū)中通過多路換熱通道與熱/冷載體進(jìn)行間接換熱的方法，其中僅有一股氣流通過至少一個換熱區(qū)，其特點(diǎn)是至少一個換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的、用于一股氣流(14、15、16)的換熱通道，限制于換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的兩個端面之間，且這股氣流(14、15、16)在所有情況下都經(jīng)過聯(lián)結(jié)到換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的收集器/分配器(41)，從至少一個換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的換熱通道進(jìn)入或排出；在所有情況下，收集器/分配器都覆蓋換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的整個端面。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特點(diǎn)是氣流(14、15、16)中的每一股通過一個單獨(dú)的換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特點(diǎn)是壓力低于3.5巴、優(yōu)選1.1～1.8巴的一股氣流(14、15、16)，通過換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)。
4.按照權(quán)利要求1～3之一所述的方法，其特點(diǎn)是在所有情況下，氣流(14、15、16)的壓力低于3.5巴，優(yōu)選為1.1～1.8巴。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特點(diǎn)是另一股壓力超過4巴的氣流通過至少一個換熱區(qū)。
6.按照權(quán)利要求1～5之一所述的方法，其特點(diǎn)是該氣流由進(jìn)料空氣(1)的低溫分餾所產(chǎn)生。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特點(diǎn)是氣流(14、15、16)與進(jìn)料空氣流(2、7)進(jìn)行間接換熱。
8.按照權(quán)利要求1～7之一所述的方法，其特點(diǎn)是一股氣流以壓力降低于100毫巴、優(yōu)選低于80毫巴的方式通過換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)。
9.按照權(quán)利要求1～8之一所述的方法，其特點(diǎn)是一股氣流(14、15、16)以壓力降為80～300毫巴、優(yōu)選為100～250毫巴的方式通過換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)。
10.按照權(quán)利要求7～9之一所述的方法，其特點(diǎn)是加工的進(jìn)料空氣超過5萬Nm3/h，優(yōu)選超過10萬Nm3/h。
11.一種用于至少兩股氣流與熱/冷載體在具有多路換熱通道的換熱區(qū)中進(jìn)行間接換熱的換熱設(shè)備，其特點(diǎn)是用于氣流(14、15、16)之一的、換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的換熱通道，局限于換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)兩個相對的端面之間，并且以流動方式聯(lián)結(jié)到收集器/分配器(41)上，每個收集器/分配器覆蓋換熱區(qū)(23a、b、c、d、e)的整個端面。
12.按照權(quán)利要求11所述的換熱設(shè)備，其特點(diǎn)是收集器/分配器(41)基本上是半圓柱狀，并具有連接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及多股氣流與熱/冷載體在換熱區(qū)中經(jīng)由多路換熱通道進(jìn)行間接換熱的方法。這種情況下,氣流中僅有一股通過至少一個換熱區(qū)。換熱區(qū)內(nèi),氣流通過的換熱通道,局限于換熱區(qū)的兩個端面之間。在所有情況下,氣流進(jìn)入或排出換熱通道,都要經(jīng)過與換熱區(qū)相連接的收集器/分配器,而在所有情況下,每個收集器/分配器都覆蓋換熱區(qū)的整個端面。
文檔編號F25J3/00GK1321868SQ0111564
公開日2001年11月14日 申請日期2001年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月28日
發(fā)明者霍斯特·科爾迪昂, 迪特里?！ち_特曼, 卡爾·萊布爾 申請人:林德股份公司