Теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа
Изобретение относится к теплообменнику для резкого охлаждения реакционного газа. Теплообменник содержит: охлаждаемую трубу с двойной стенкой, включающую в себя внутреннюю трубчатую стенку и наружную трубчатую стенку, причем указанная внутренняя трубчатая стенка предназначена для передачи указанного реакционного газа, подлежащего резкому охлаждению, при этом пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой, предназначено для передачи теплоносителя; трубчатый соединительный элемент, имеющий раздваивающееся в продольном направлении сечение и содержащий наружную часть стенки и внутреннюю часть стенки, образующие промежуточное пространство, заполненное огнеупорным наполнительным материалом, причем сходящийся конец указанного соединительного элемента предназначен для соединения с подающей трубой для неохлаждаемого реакционного газа, при этом указанная наружная часть стенки соединена с указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, причем между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой имеется осевой зазор; уплотнительный элемент, предназначенный для уплотнения указанного осевого зазора между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой; при этом кромка указанной внутренней трубчатой стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом, содержит по меньшей мере частично скошенную кромку, включающую в себя скос, взаимодействующий с указанным уплотнительным элементом. Технический результат - эффективная герметизация огнеупорного наполнительного материала в разных температурных диапазонах на всех этапах процесса. 17 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к теплообменнику для резкого охлаждения реакционного газа.
Подобное устройство, в целом, известно и может встречаться, например, в крекинг-печи завода по производству этилена, где оно используется для быстрого охлаждения крекинг-газа с целью предотвращения побочных реакций. Теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа в целом содержит:
- охлаждаемую трубу с двойной стенкой, включающую в себя внутреннюю трубчатую стенку и наружную трубчатую стенку, причем указанная внутренняя трубчатая стенка предназначена для передачи указанного реакционного газа, подлежащего резкому охлаждению, при этом пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой, предназначено для передачи теплоносителя;
- трубчатый соединительный элемент, имеющий раздваивающееся в продольном направлении сечение и содержащий наружную часть стенки и внутреннюю часть стенки, образующие промежуточное пространство, заполненное огнеупорным наполнительным материалом, причем сходящийся конец указанного соединительного элемента предназначен для соединения с подающей трубой для неохлаждаемого реакционного газа, при этом указанная наружная часть стенки соединена с указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, причем между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой имеется осевой зазор;
- уплотнительный элемент, предназначенный для уплотнения указанного осевого зазора между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
Примеры подобных теплообменников, например, можно найти в документе US 5,732,981, в котором описано соединение между горячей неохлаждаемой трубой и охлаждаемой трубой, причем конец неохлаждаемой трубы раздваивается в сечении и включает в себя гибкий компонент, например уплотнительное кольцо, расположенное между поверхностью охлаждаемой трубы и поверхностью внутренней части неохлаждаемой трубы и плотно прижимающееся к ним. Между тем, недостатком данного известного устройства является то, что уплотнительный элемент может повреждаться, поскольку из-за осевого расширения внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента при проходе горячего реакционного газа уплотнительный элемент может сминаться. Без надлежащего уплотнения горячий реакционный газ может просачиваться во внутреннее пространство, заполненное огнеупорным наполнительным материалом, который в этом случае также может повреждаться.
В документе US 2010/0319888 описан другой пример известного теплообменника для охлаждения реакционного газа. В целях повышения защиты уплотнительного элемента, доступ к уплотнительному элементу с внутренней стороны трубчатого соединительного элемента стал невозможен, что значительно затрудняет замену указанного уплотнительного элемента, если возникнет необходимость в подобной замене, например, в случае износа через какое-то время.
Другая проблема, присущая указанным известным теплообменникам, заключается в том, что указанный огнеупорный наполнительный материал может повреждаться или сминаться из-за разницы теплового расширения внутренней части стенки и наружной части стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
Еще одна проблема заключается в отсутствии эффективного потока теплоносителя в пространстве, определяемом указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы решить или устранить одну или несколько из вышеуказанных проблем. В частности, согласно первому аспекту изобретение направлено на усовершенствование теплообменника для резкого охлаждения реакционного газа, обеспечивающего эффективную герметизацию огнеупорного наполнительного материала в разных температурных диапазонах на всех этапах процесса. Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить теплообменник, позволяющий, в случае необходимости, эффективно произвести его ремонт. Согласно второму аспекту изобретение направлено на усовершенствование теплообменника для резкого охлаждения реакционного газа, обеспечивающего компенсацию разницы теплового расширения внутренней части стенки и наружной части стенки указанного трубчатого соединительного элемента. Согласно третьему аспекту изобретение направлено на усовершенствование теплообменника для резкого охлаждения реакционного газа, способного обеспечить эффективный поток теплоносителя в указанном пространстве, ограниченном указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
Для решения вышеуказанных задач, согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа, охарактеризованный признаками п. 1 формулы изобретения. В частности, кромка указанной внутренней трубчатой стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом, содержит по меньшей мере частично скошенную кромку, включающую в себя скос, взаимодействующий с указанным уплотнительным элементом. Поскольку уплотнительный элемент взаимодействует со скосом по меньшей мере частично скошенной кромки указанной внутренней трубчатой стенки, уплотнительный элемент может постепенно смещаться вдоль указанного скоса при осевом тепловом расширении указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента, тем самым частично компенсируя разницу тепловых расширений указанной внутренней части стенки и указанной наружной части стенки указанного трубчатого соединительного элемента. За счет этого можно предотвратить смятие указанного уплотнительного элемента между кромкой указанной внутренней трубчатой стенки и расширяющейся в осевом направлении внутренней частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения указанный уплотнительный элемент может содержать подвижно нахлестывающиеся утоненные концы. При соединении указанных подвижно нахлестывающихся утоненных концов может образовываться кольцеобразный уплотнительный элемент. Благодаря ограниченному в осевом направлении пространству между указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной внутренней частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента в том месте, где находится уплотнительный элемент, в частности, при тепловом расширении указанного уплотнительного элемента происходит окружное расширение указанного уплотнительного элемента, которое компенсируется указанными подвижно нахлестывающимися утоненными концами таким образом, что можно добиться надежного уплотнения в разных температурных диапазонах более эффективно, чем при использовании уплотнительного элемента замыкаемого типа. Одновременно с этим указанные подвижно нахлестывающиеся утоненные концы могут также компенсировать незначительное изменение в диаметре указанного кольцеобразного уплотнительного элемента вдоль указанного скоса при осевом тепловом расширении указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
Предпочтительно, указанный уплотнительный элемент содержит пружинный элемент, выполненный с возможностью прижатия указанного уплотнительного элемента к указанной по меньшей мере частично скошенной кромке указанной внутренней трубчатой стенки. Упругость указанного пружинного элемента может обеспечивать надежное уплотнение во всех температурных диапазонах. В частности, указанный пружинный элемент может обеспечивать быстрый возврат уплотнительного элемента в исходную форму при отключении, которое сопровождается резким падением температуры.
Согласно одному из более предпочтительных вариантов осуществления изобретения указанная кромка указанной внутренней трубчатой стенки может быть скошена радиально внутрь. Преимущество такого скоса радиально внутрь заключается в том, что уплотнительный элемент может быть установлен в таком месте, где к нему имеется доступ с внутренней стороны указанного трубчатого соединительного элемента, что упрощает его техническое обслуживание в случае необходимости. Как вариант, указанная кромка указанной внутренней трубчатой стенки также может быть скошена радиально наружу.
Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов осуществления кромка указанной внутренней части стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом, может содержать частично скошенную кромку, включающую в себя скос, расположенный в радиальном направлении на расстоянии от указанной по меньшей мере частично скошенной кромки указанной торцевой стороны указанной внутренней трубчатой стенки и по существу параллельно этой кромке. При тепловом расширении указанной внутренней части стенки указанная внутренняя часть стенки, в частности указанный скос, могут расширяться как в радиальном, так и в осевом направлении, а следовательно, входить в контакт с указанной по меньшей мере частично скошенной кромкой указанной торцевой стороны указанной внутренней трубчатой стенки, образуя второе уплотнение между внутренней стороной указанного трубчатого соединительного элемента и указанным промежуточным пространством, заполненным огнеупорным наполнительным материалом. Специалисту в данной области техники будет понятно, что радиальное и/или осевое расстояние между двумя скосами, предпочтительно, меньше или равно максимальной разнице теплового расширения указанного трубчатого соединительного элемента.
Указанный уплотнительный элемент, предпочтительно, может взаимодействовать с нескошенной частью указанной частично скошенной кромки указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента. Поскольку уплотнительный элемент, таким образом, взаимодействует с одной осевой стороны со скосом по меньшей частично скошенной кромки указанной внутренней трубчатой стенки, а с другой осевой стороны – с нескошенной частью указанной частично скошенной кромки указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента, то нескошенная часть обеспечивает относительно свободное и легкое радиальное смещение указанного уплотнительного элемента при осевом тепловом расширении указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента, обеспечивая при этом относительно прочную посадку указанного уплотнительного элемента на указанной нескошенной части указанной частично скошенной кромки указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
Согласно одному из преимущественных вариантов осуществления изобретения указанный огнеупорный наполнительный материал может содержать по меньшей мере два сектора из огнеупорного наполнительного материала, разделенных по меньшей мере двумя прорезями, проходящими в осевом и радиальном направлениях Указанные по меньшей мере две прорези могут демпфировать тепловое расширение указанного огнеупорного наполнительного материала в окружном направлении в целях предотвращения повреждения указанного огнеупорного наполнительного материала, который может сминаться между радиально более сильно расширяющейся внутренней частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента и радиально менее сильно расширяющейся наружной частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента, причем разница в расширении возникает из-за разной степени приближенности к горячему реакционному газу. Огнеупорный наполнительный материал также может быть разделен, например, на два сектора по 180°, либо, например, на три сектора по 120°, либо может быть разделен на неравные сектора. Непосредственно один только этот признак уже можно рассматривать в качестве изобретательского шага.
Согласно одному из более преимущественных вариантов осуществления изобретения указанные по меньшей мере две прорези могут содержать слой бумаги из керамического волокна, которая широко используется в условиях высоких температур. Указанный слой бумаги из керамического волокна, который является относительно мягким наполнительным материалом, может демпфировать разницу в тепловом расширении в окружном направлении указанных внутренней и наружной частей стенки указанного трубчатого соединительного элемента. Как вариант, указанные по меньшей мере две прорези могут содержать ламинированный керамический материал.
Предпочтительно, слой бумаги из керамического волокна находится между указанным огнеупорным наполнительным материалом и указанной наружной частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента. Толщину указанного слоя можно выбирать с учетом достаточной компенсации разницы теплового расширения указанных внутренней и наружной частей стенки указанного трубчатого соединительного элемента. Как вариант, указанный слой бумаги из керамического волокна можно заменить беззольным терморазлагаемым полимерным материалом, который может переходить в газообразное состояние в процессе высыхания огнеупорного материала.
Указанный огнеупорный наполнительный материал, предпочтительно, может содержать в осевом направлении по меньшей мере два слоя огнеупорного наполнительного материала с разной теплопроводностью, причем теплопроводность указанных по меньшей мере двух слоев огнеупорного материала уменьшается в сторону указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой. Таким образом, по мере приближения к указанной охлаждаемой трубе с двойной стенкой теплоизоляция увеличивается, тогда как напряжение на сходящемся конце трубчатого соединительного элемента может уменьшаться.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления указанная наружная трубчатая стенка указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой по меньшей мере частично изготовлена из марганца и/или молибдена. Использование одного или обоих из этих материалов позволяет уменьшить толщину и увеличить длину указанной наружной трубчатой стенки, в результате чего обеспечивается снижение осевой компрессии указанной внутренней трубчатой стенки из-за разницы в тепловом расширении указанных внутренней и наружной трубчатых стенок указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой. Как вариант, для изготовления указанной наружной трубчатой стенки указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой также можно использовать углеродистую сталь, либо другой соответствующий материал, известный специалистам в данной области техники.
Согласно одному из преимущественных вариантов осуществления изобретения указанная охлаждаемая труба с двойной стенкой содержит впускной патрубок для теплоносителя, предназначенный для подачи теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, с нижней концевой стороны указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, рядом с указанным трубчатым соединительным элементом. Таким образом, теплоноситель попадает в трубу с двойной стенкой в той части, где горячий газ внутри указанной внутренней трубчатой стенки имеет наибольшую температуру и где существует наибольшая потребность в теплоносителе.
Согласно одному из более преимущественных вариантов осуществления указанный впускной патрубок для теплоносителя является частью кожуха охлаждения, проходящего между указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой и указанной наружной частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента и окружающего указанную внутреннюю трубчатую стенку указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой. Расположение кожуха охлаждения между указанной охлаждаемой трубой с двойной стенкой и указанным трубчатым соединительным элементом позволяет достаточно легко адаптировать данную часть с учетом конструктивных ограничений, определяемых впускным патрубком для теплоносителя, требующих, например, наличия более толстой наружной трубчатой стенки. Как вариант, впускной патрубок для теплоносителя может находиться непосредственно в указанной наружной трубчатой стенке указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
Предпочтительно, теплообменник содержит по меньшей мере одну перегородку, предназначенную для направления потока теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой. Подобная перегородка может усиливать охлаждающий эффект за счет регулировки потока теплоносителя. Помимо этого, перегородка может предотвращать застой потока теплоносителя и может предотвращать коррозию под твердыми отложениями в нижней части охлаждаемой трубы с двойной стенкой с противоположной стороны от указанного впускного патрубка для теплоносителя. Коррозия под твердыми отложениями возникает в том случае, когда происходит оседание солей, содержащихся в небольших количествах в теплоносителе. Если область, на которой происходит их оседание, подвергнется воздействию теплового потока, то теплоноситель, например вода, испарится, оставив после себя соли. Подобные сильно концентрированные соли будут воздействовать на поверхность водяного объема под отложениями.
Указанная по меньшей мере одна перегородка, предпочтительно, неподвижно соединена с наружной частью указанной внутренней трубчатой стенки указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой. Таким образом, указанная по меньшей мере одна перегородка находится внутри кольцевого пространства, пропускающего теплоноситель между указанными внутренней и наружной трубчатыми стенками указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, обеспечивая эффективный поток теплоносителя вокруг указанной внутренней трубчатой стенки. Как вариант, указанная по меньшей мере одна перегородка также может быть неподвижно прикреплена к наружной трубчатой стенке указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой либо к стенке указанного кожуха охлаждения, в частности к стенке указанного впускного патрубка для теплоносителя.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере одна перегородка может проходить в направлении указанного впускного патрубка для теплоносителя. Такая по меньшей мере одна перегородка может способствовать разделению и направлению потока теплоносителя, поступающего из указанного впускного патрубка для теплоносителя, вокруг нижней торцевой стороны указанной внутренней трубчатой стенки охлаждаемой трубы с двойной стенкой, рядом с указанным трубчатым соединительным элементом. Как альтернативный вариант, указанная по меньшей мере одна перегородка также может находиться в другом положении в указанном кольцевом пространстве, ограниченном указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной трубы с двойной стенкой, например, непосредственно над указанным впускным патрубком для теплоносителя в указанном кожухе охлаждения.
Предпочтительно, указанная по меньшей мере одна перегородка смещена относительно центральной оси указанного впускного патрубка для теплоносителя. В этом случае можно создавать неравномерное завихрение вокруг внутренней трубчатой стенки указанной трубы с двойной стенкой, усиливающее охлаждающий эффект.
Согласно одному из более преимущественных вариантов осуществления изобретения указанный теплообменник может содержать по меньшей мере две перегородки, расположенные взаимно перпендикулярно, так чтобы поток указанного входящего теплоносителя направлялся в двух поперечных направлениях, усиливая эффект завихрения теплоносителя, проходящего вокруг указанной внутренней трубчатой стенки указанной трубы с двойной стенкой.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа, охарактеризованный признаками п. 19 формулы изобретения. Такой теплообменник может обеспечивать одно или несколько из вышеупомянутых преимуществ.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа, охарактеризованный признаками п. 22 формулы изобретения. Такой теплообменник может обеспечивать одно или несколько из вышеупомянутых преимуществ.
Настоящее изобретение станет более понятно со ссылкой на фигуры с примерами вариантов осуществления изобретения. Схожие элементы обозначены схожими ссылочными позициями.
На фиг. 1 показан вид в продольном разрезе одного из предпочтительных вариантов осуществления теплообменника согласно изобретению;
на фиг. 2 – увеличенный вид области, выделенной кружком на фиг. 1, в ненагретом состоянии;
на фиг. 3 – указанный увеличенный вид, изображенный на фиг. 2, в нагретом состоянии;
на фиг. 4 – один из предпочтительных вариантов осуществления уплотнительного элемента теплообменника, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 5 – увеличенный вид области, обведенной рамкой на фиг. 4;
на фиг. 6 – вид в поперечном сечении вдоль линии Х-Х, показанной на фиг. 1, огнеупорного наполнительного материала;
на фиг. 7 – увеличенный вид области, обведенной рамкой на фиг. 1;
на фиг. 8 – схематичный вид спереди, в осевом направлении, впускного патрубка для теплоносителя теплообменника, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 9 – альтернативные формы перегородки, показанной на фиг. 8, виды сбоку.
На фиг. 1 показан вид в продольном разрезе одного из предпочтительных вариантов осуществления теплообменника согласно изобретению. Теплообменник содержит охлаждаемую трубу 1 с двойной стенкой, включающую в себя внутреннюю трубчатую стенку 4 и наружную трубчатую стенку 3. Указанная внутренняя трубчатая стенка 4 предназначена для перемещения указанного реакционного газа, подлежащего охлаждению или резкому охлаждению. Пространство 15, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой 4 и указанной наружной трубчатой стенкой 3, предназначено для перемещения теплоносителя, например воды. Указанная наружная трубчатая стенка 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой может быть, например, по меньшей мере частично изготовлена из марганца и/или молибдена, либо из углеродистой стали или любого другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники. Толщина наружной трубчатой стенки 3 может составлять, например, 5–20 мм. Наружный диаметр указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой может находиться в диапазоне, например, 100–200 мм. Указанная внутренняя трубчатая стенка 4 толщиной, например, 5–14 мм может быть, например, изготовлена из стального сплава, например 0,5Mo или 1,25Cr-0,5Mo, либо из другого соответствующего материала. Наружный диаметр внутренней трубы, определяемый указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной трубы 1 с двойной стенкой, может, например, находиться в диапазоне 60–140 мм. Теплообменник дополнительно содержит трубчатый соединительный элемент 10, имеющий раздвоение в продольном сечении и содержащий наружную часть 11 стенки и внутреннюю часть 14 стенки, образующие промежуточное пространство 21, заполненное огнеупорным наполнительным материалом 6, 7. Указанный трубчатый соединительный элемент может быть изготовлен, например, по меньшей мере частично из стального сплава, например 25Cr-35NiNb, либо из любого другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники. Толщина наружной части 11 стенки и внутренней части 14 стенки, например, может находиться в диапазоне 7–14 мм. Сходящийся конец 16 указанного соединительного элемента 10 предназначен для соединения с трубой 17 подачи неохлаждаемого реакционного газа. Указанный сходящийся конец 16 может быть, например, приварен к указанной трубе 17 подачи газа либо соединен с ней иным образом. Наружная часть 11 стенки соединена с указанной наружной трубчатой стенкой 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, например, непосредственно при помощи сварного шва, либо опосредованно – при помощи промежуточного кожуха 2 охлаждения, как показано на фиг. 1. Внутренний диаметр указанного соединительного элемента 10 может быть равен или может быть чуть меньше (<2 мм) внутреннего диаметра внутренней трубы, определяемого указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной трубы 1 с двойной стенкой. Между внутренней частью 14 стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной трубы 1 с двойной стенкой оставлен осевой зазор 27. Теплообменник также включает в себя уплотнительный элемент 9, предназначенный для уплотнения указанного осевого зазора 27 между указанной внутренней частью 14 стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной трубы 1 с двойной стенкой. Охлаждаемая труба 1 с двойной стенкой теплообменника может дополнительно включать в себя впускной патрубок 5 для теплоносителя, предназначенный для подачи теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой 4 и указанной наружной трубчатой стенкой 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, в нижнюю часть указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, рядом с указанным трубчатым соединительным элементом. Впускной патрубок 5 может тангенциально или радиально подходить к наружной трубчатой стенке 3 трубы 1 с двойной стенкой. Внутренний диаметр такого впускного патрубка 5 для теплоносителя может, например, находиться в диапазоне 60–125 мм. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, указанный впускной патрубок 5 для теплоносителя является частью кожуха 2 охлаждения, проходящего между указанной наружной трубчатой стенкой 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой и указанной наружной частью 11 стенки указанного трубчатого соединительного элемента 10 и окружающего указанную внутреннюю трубчатую стенку 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. Кожух 2 охлаждения, наружный диаметр которого, например, находится в диапазоне 110–220 мм, может быть, например, изготовлен из углеродистой стали, или из другого сплава, например 1,25Cr-0,5Mo, либо из другого соответствующего материала. Кожух 2 охлаждения может быть, например, приварен 13 к указанной наружной трубчатой стенке 3 и к указанной наружной части 11 стенки, например, при помощи цилиндрического удлинения 12 указанного кожуха 2 охлаждения, либо может быть подсоединен иным образом. Кожух 2 охлаждения также может быть неподвижно соединен, например приварен 13, к внутренней трубчатой стенке 4 в нижней части указанной трубы 1 с двойной стенкой. Кожух 2 охлаждения может иметь усиленную наружную оболочку с толщиной в диапазоне, например, 10–24 мм, которая может быть больше толщины наружной части 11 стенки или наружной трубчатой стенки 3, однако это не является обязательным требованием.
На фиг. 2 и 3 показан увеличенный вид области, выделенной кружком на фиг. 1, позволяющий более детально рассмотреть область, в которой внутренняя часть 14 стенки трубчатого соединительного элемента 10 стыкуется с внутренней трубчатой стенкой 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. Между указанной внутренней частью 14 стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой оставлен осевой зазор 27. Уплотнительный элемент 9 предназначен для уплотнения указанного осевого зазора 27 между указанной внутренней частью 14 стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой с целью защиты огнеупорного наполнительного материала 6, 7 в промежуточном пространстве 21 трубчатого соединительного элемента 10 от горячего реакционного газа, просачивающегося в указанное промежуточное пространство 21 и повреждающего указанный огнеупорный наполнительный материал 6, 7. В целях улучшения указанного защитного уплотнения промежуточного пространства 21 во всех температурных диапазонах процесса охлаждения, кромка указанной внутренней трубчатой стенки 4, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом 9, содержит в соответствии с изобретением по меньшей мере частично скошенную кромку, включающую в себя скос 18, взаимодействующий с указанным уплотнительным элементом 9. Согласно предпочтительному варианту, показанному на фиг. 2 и 3, указанная кромка указанной внутренней трубчатой стенки 4 скошена радиально внутрь таким образом, чтобы доступ к уплотнительному элементу 9 мог обеспечиваться изнутри трубчатого соединительного элемента 10 и/или через охлаждаемую трубу 1 с двойной стенкой. Кроме того, кромка указанной внутренней части 14 стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом 9, может содержать частично скошенную кромку, включающую в себя скос 19, который за счет радиального зазора 20 находится в радиальном направлении на расстоянии от указанной по меньшей мере частично скошенной кромки указанной торцевой стороны указанной внутренней трубчатой стенки 4 и проходит по существу параллельно ей, как это показано на фиг. 2 и 3. Кроме того, уплотнительный элемент 9 взаимодействует с нескошенной частью указанной частично скошенной кромки указанной внутренней части 14 стенки указанного трубчатого соединительного элемента 10. Поэтому в ненагретом состоянии теплообменника, изображенном на фиг. 2, промежуточное пространство 21 уплотняется лишь уплотнительным элементом 9. Вследствие нагрева, происходящего в результате прохождения горячего реакционного газа, подвергаемого резкому охлаждению, различные части теплообменника расширяются, однако подобное тепловое расширение обусловлено лишь близостью к горячему реакционному газу и подверженностью его воздействию. Например, внутренняя часть 14 стенки расширяется в осевом и радиальном направлениях сильнее, чем внутренняя трубчатая стенка 4. Поэтому при тепловом расширении положение уплотнительного элемента 9 будет немного меняться, как это показано на фиг. 3: уплотнительный элемент 9 будет немного смещаться вдоль скоса 18 внутренней трубчатой стенки 4, а также будет немного смещаться радиально внутрь на нескошенной части частично скошенной кромки указанной внутренней части 14 стенки трубчатого соединительного элемента 10. Вследствие радиального теплового расширения внутренней части 14 стенки указанного трубчатого соединительного элемента 10, скос 19 частично скошенной кромки трубчатого соединительного элемента 10 будет входить в контакт со скосом 18 по меньшей мере частично скошенной кромки внутренней трубчатой стенки 4, образуя, тем самым, второе защитное уплотнение огнеупорного наполнительного материала 6, 7 в промежуточном пространстве 21 трубчатого соединительного элемента 10.
На фиг. 4 показан один из предпочтительных вариантов осуществления уплотнительного элемента 9 теплообменника, изображенного на фиг. 1. Уплотнительный элемент 9 содержит утоненные концы 9а, 9b, которые могут быть соединены для образования кольцевой конструкции с подвижно нахлестывающимися утоненными концами 9а, 9b, как это более подробно показано на фиг. 5, представляющей собой увеличенный вид области, выделенной рамкой на фиг. 4. Длина утоненных концов 9а, 9b выбрана так, чтобы обеспечить минимальный и первоначальный нахлест L3, обеспечивающий уплотнительную функцию в самом начале процесса охлаждения, до возникновения любых тепловых расширений. Утоненные концы 9a, 9b, в частности длину L2, также выбраны так, чтобы не препятствовать окружному тепловому расширению непосредственно самого уплотнительного элемента 9. Вследствие расположения уплотнительного элемента 9 между охлаждаемой трубой 1 с двойной стенкой и трубчатым соединительным элементом 10, тепловое расширение кольца будет по существу ограничено окружным расширением. Уплотнительный элемент 9 также, предпочтительно, содержит пружинный элемент, предназначенный для прижатия указанного уплотнительного элемента 9 к указанной по меньшей мере частично скошенной кромке указанной внутренней трубчатой стенки 4. Уплотнительный элемент 9 может быть, например, изготовлен из высоколегированного никелевого сплава, например из сплава, содержащего железо, хром и никель, такого как UNS N08330 или DIN 1.4886, либо из другого материала, известного специалистам в данной области техники.
На фиг. 6 показан вид в поперечном сечении вдоль линии Х-Х, показанной на фиг. 1, огнеупорного наполнительного материала 6, 7 в промежуточном пространстве 21 трубчатого соединительного элемента 10, причем толщина огнеупорного наполнительного материала 6, 7 в радиальном направлении составляет, например, 15–25 мм. Как видно из фиг. 1, указанный огнеупорный наполнительный материал 6, 7 может содержать в осевом направлении по меньшей мере два слоя 6 и 7 огнеупорного наполнительного материала с разной теплопроводностью. Теплопроводность указанных по меньшей мере двух слоев огнеупорного наполнительного материала, предпочтительно, уменьшается в направлении указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. Первый слой огнеупорного наполнительного материала 6, например, может быть слоем из плотного огнеупорного материала с высокой теплопроводностью, например слоем из карбида кремния или любого другого соответствующего материала с коэффициентом теплопроводности, например, 8–12 Вт/(м2·К), а второй слой может содержать мягкий изоляционный наполнитель 7, например слой из Superwool® PlusTM или любого другого соответствующего материала, с коэффициентом теплопроводности, например, 0,05–0,2 Вт/(м2·К). Инновационным образом огнеупорный наполнительный материал 6, 7 из предпочтительного варианта осуществления, показанного на фиг. 6, содержит три сектора 26 огнеупорного наполнительного материала, разделенных тремя прорезями 22, проходящими в осевом и радиальном направлениях. Огнеупорный материал также может содержать два, четыре или более секторов 26 и прорезей 22. Прорези 22, например, могут быть разделены под углом 180°, 120° или 90°, либо под любым другим углом. Ширина прорезей 22, например, может составлять 1–2 мм. Сектора 26 могут, но необязательно, быть равными. По меньшей мере две прорези 22 могут, например, содержать воздух, либо могут содержать слой бумаги из керамического волокна для демпфирования теплового расширения в радиальном и окружном направлениях между огнеупорным наполнительным материалом 6, 7 и более сильно расширяющейся внутренней частью 14 стенки, выталкивающей указанный огнеупорный наполнительный материал 6, 7 в направлении менее сильно расширяющейся наружной части 11 стенки указанного трубчатого соединительного элемента 10. Как видно из фиг. 1, слой бумаги 8 из керамического волокна также может находиться между указанным огнеупорным наполнительным материалом 6 и указанной наружной частью 11 стенки указанного трубчатого соединительного элемента 10. Данный тонкий слой бумаги 8 из керамического волокна, толщина которого составляет, например, 0,5–1,0 мм, а коэффициент теплопроводности находится в диапазоне, например, 0,05–1,0 Вт/(м2·К), может охватывать лишь часть огнеупорного наполнительного материала, например лишь первый осевой слой 6 огнеупорного наполнительного материала, как показано на фиг. 1, либо может охватывать огнеупорный наполнительный материал по всей осевой длине промежуточного пространства 21.
На фиг. 7 показан увеличенный вид области, выделенной рамкой на фиг. 1, иллюстрирующей впускной патрубок 5 для теплоносителя, предназначенный для подачи теплоносителя, например воды, в пространство, ограниченное внутренней трубчатой стенкой 4 и указанной наружной трубчатой стенкой 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. На фиг. 8 схематично показан вид спереди в осевом направлении впускного патрубка 5 для теплоносителя теплообменника, изображенного на фиг. 1. Согласно данному предпочтительному варианту осуществления изобретения впускной патрубок 5 для теплоносителя является частью кожуха 2 охлаждения, окружающего указанную внутреннюю трубчатую стенку 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. На фиг. 7 кожух 2 охлаждения имеет усиленную оболочку, толщина которой больше, чем толщина наружной трубчатой стенки 3, хотя это не является обязательным требованием. Теплообменник содержит по меньшей мере одну перегородку 23, 24, 25, предназначенную для направления потока теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой 4 и указанной наружной трубчатой стенкой 3 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, предотвращая тем самым застой потока и коррозию под твердыми отложениями, в частности, в области 28 (см. фиг. 1) в нижней части охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, напротив указанной по меньшей мере одной перегородки 23, 24, 25, поскольку указанная область 28 наиболее подвержена коррозии под твердыми отложениями. Указанная по меньшей мере одна перегородка 23, 24, 25 может быть, например, неподвижно прикреплена к внутренней части наружной трубчатой стенки 3 либо к внутренней части впускного патрубка для теплоносителя, точно также как перегородка 25. Предпочтительно, по меньшей мере одна перегородка неподвижно прикреплена к наружной части указанной внутренней трубчатой стенки 4 указанной охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой, как, например, перегородка 23 или 24. Перегородка 25 продолжается во впускном патрубке 5 для теплоносителя, направляя теплоноситель в нижнюю часть охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. Перегородки 23 и 24 находятся внутри пространства с теплоносителем между наружной и внутренней трубчатыми стенками 3 и 4 и, предпочтительно, проходят в направлении указанного впускного патрубка 5 для теплоносителя. По меньшей мере одна перегородка 23, 24, 25 может быть, например, отражательной пластиной, в которой могут быть выполнены отверстия, либо может быть сплошной пластиной. Отражательные пластины 23, 24, 25 могут быть постоянной или переменной высоты и могут быть разной формы, например прямоугольной, трапециевидной, в частности скошенной, либо, предпочтительно, L-образными отражательными пластинами (см. фиг. 9). По меньшей мере одна перегородка может частично проходить в окружном направлении вокруг внутренней трубчатой стенки 4 либо может быть ограничена впускной областью для теплоносителя, рядом с впускным патрубком 5 для теплоносителя или обращенной к нему. Предпочтительный вариант осуществления изобретения, изображенный на фиг. 7 и 8, содержит по меньшей мере две взаимно перпендикулярно расположенные перегородки 23 и 24. Перегородка 24 расположена параллельно центральной оси впускного патрубка 5 для теплоносителя, направляя теплоноситель в нижнюю часть охлаждаемой трубы 1 с двойной стенкой. Перегородка 23 расположена поперечно перегородке 24, деля поток теплоносителя на потоки, вращающиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки вокруг внутренней трубчатой стенки 4. Как наиболее наглядно показано на фиг. 8, указанная по меньшей мере одна перегородка 23, 24, 25, предпочтительно, смещена относительно центральной оси указанного впускного патрубка 5 для теплоносителя. Смещенное относительно центра положение указанной перегородки 23, 24, 25 улучшает циркуляцию, а следовательно, повышает эффективность теплоносителя в нижней части трубы 1 с двойной стенкой, где существует наибольшая потребность в теплоносителе. По меньшей мере одна перегородка 23, 24, 25 может быть изготовлена, например, из углеродистой стали или из любого другого соответствующего материала, известного специалистам в данной области техники.
Для того чтобы сделать описание изобретения более ясным и кратким, признаки изобретения рассматриваются в нем в качестве частей одного и того же или разных вариантов осуществления, между тем следует понимать, что объем изобретения охватывает варианты осуществления, включающие в себя комбинации всех или некоторых из рассматриваемых признаков. Следует понимать, что рассматриваемые варианты осуществления имеют одинаковые или схожие компоненты, кроме случаев, когда указано, что они являются разными.
В формуле изобретения любые ссылочные позиции, указанные в скобках, не следует рассматривать в качестве ограничения пункта формулы изобретения. Термин «содержащий» не исключает наличия других признаков или этапов, помимо тех, которые перечислены в пункте формулы изобретения. Кроме того, артикли «а» и «an» не ограничены понятием «лишь один», а используются в значении «по меньшей мере один» и не исключают наличия множественного числа. Сам факт того, что отдельные признаки упоминаются во взаимно различных пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация подобных признаков не может использоваться с пользой. Специалистам в данной области техники будут очевидны различные модификации. Считается, что все модификации входят в объем изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения.
1. Теплообменник для резкого охлаждения реакционного газа, содержащий:
- охлаждаемую трубу с двойной стенкой, включающую в себя внутреннюю трубчатую стенку и наружную трубчатую стенку, причем указанная внутренняя трубчатая стенка предназначена для передачи указанного реакционного газа, подлежащего резкому охлаждению, при этом пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой, предназначено для передачи теплоносителя;
- трубчатый соединительный элемент, имеющий раздваивающееся в продольном направлении сечение и содержащий наружную часть стенки и внутреннюю часть стенки, образующие промежуточное пространство, заполненное огнеупорным наполнительным материалом, причем сходящийся конец указанного соединительного элемента предназначен для соединения с подающей трубой для неохлаждаемого реакционного газа, при этом указанная наружная часть стенки соединена с указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, причем между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой имеется осевой зазор;
- уплотнительный элемент, предназначенный для уплотнения указанного осевого зазора между указанной внутренней частью стенки и указанной внутренней трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой;
при этом кромка указанной внутренней трубчатой стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом, содержит по меньшей мере частично скошенную кромку, включающую в себя скос, взаимодействующий с указанным уплотнительным элементом.
2. Теплообменник по п. 1, в котором указанный уплотнительный элемент содержит подвижно нахлестывающиеся утоненные концы.
3. Теплообменник по п. 1 или 2, в котором указанный уплотнительный элемент содержит пружинный элемент, выполненный с возможностью прижатия указанного уплотнительного элемента к указанной по меньшей мере частично скошенной кромке указанной внутренней трубчатой стенки.
4. Теплообменник по любому из пп. 1–3, в котором указанная кромка указанной внутренней трубчатой стенки скошена радиально внутрь.
5. Теплообменник по любому из пп. 1–4, в котором кромка указанной внутренней части стенки, взаимодействующая с указанным уплотнительным элементом, содержит частично скошенную кромку, включающую в себя скос, расположенный в радиальном направлении на расстоянии от указанной по меньшей мере частично скошенной кромки указанной торцевой стороны указанной внутренней трубчатой стенки и по существу параллельно этой кромке.
6. Теплообменник по п. 5, в котором указанный уплотнительный элемент выполнен с возможностью взаимодействия с нескошенной частью указанной частично скошенной кромки указанной внутренней части стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
7. Теплообменник по любому из пп. 1–6, в котором указанный огнеупорный наполнительный материал содержит по меньшей мере два сектора из огнеупорного наполнительного материала, разделенные по меньшей мере двумя прорезями, проходящими в осевом и радиальном направлениях.
8. Теплообменник по п. 7, в котором указанные по меньшей мере две прорези содержат слой бумаги из керамического волокна.
9. Теплообменник по любому из пп. 1–8, в котором слой бумаги из керамического волокна находится между указанным огнеупорным наполнительным материалом и указанной наружной частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента.
10. Теплообменник по любому из пп. 1–9, в котором указанный огнеупорный наполнительный материал содержит в осевом направлении по меньшей мере два слоя огнеупорного наполнительного материала с разной теплопроводностью, причем теплопроводность указанных по меньшей мере двух слоев огнеупорного материала уменьшается в сторону указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
11. Теплообменник по любому из пп. 1–10, в котором указанная наружная трубчатая стенка указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой по меньшей мере частично изготовлена из марганца и/или молибдена.
12. Теплообменник по любому из пп. 1–11, в котором указанная охлаждаемая труба с двойной стенкой содержит впускной патрубок для теплоносителя, предназначенный для подачи теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, в нижней части указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, рядом с указанным трубчатым соединительным элементом.
13. Теплообменник по п. 12, в котором указанный впускной патрубок для теплоносителя является частью кожуха охлаждения, проходящего между указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой и указанной наружной частью стенки указанного трубчатого соединительного элемента и окружающего указанную внутреннюю трубчатую стенку указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
14. Теплообменник по любому из пп. 1–13, содержащий по меньшей мере одну перегородку, выполненную с возможностью направления потока теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
15. Теплообменник по п. 14, в котором указанная по меньшей мере одна перегородка неподвижно соединена с наружной частью указанной внутренней трубчатой стенки указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой.
16. Теплообменник по п. 12 или 13, содержащий по меньшей мере одну перегородку, выполненную с возможностью направления потока теплоносителя в указанное пространство, ограниченное указанной внутренней трубчатой стенкой и указанной наружной трубчатой стенкой указанной охлаждаемой трубы с двойной стенкой, при этом указанная по меньшей мере одна перегородка проходит в направлении указанного впускного патрубка для теплоносителя.
17. Теплообменник по п. 16, в котором указанная по меньшей мере одна перегородка смещена относительно центральной оси указанного впускного патрубка для теплоносителя.
18. Теплообменник по любому из пп. 14–17, который содержит по меньшей мере две взаимно перпендикулярно расположенные перегородки.
