Кожухотрубный теплообменник
В заявке описан кожухотрубный аппарат (1), включающий: внешний кожух (2), первый трубный пучок (3) и второй трубный пучок (4), проходящие коаксиально друг с другом; первый внутренний кожух (5) и второй внутренний кожух (6); причем первый внутренний кожух окружает первый трубный пучок и расположен между указанными двумя трубными пучками; второй внутренний кожух окружает второй трубный пучок и расположен в пространстве между вторым трубным пучком и внешним кожухом (2); первый трубный пучок (3) работает в качестве парогенератора; второй трубный пучок (4) работает в качестве устройства предварительного нагрева; коаксиальные внутренние кожухи (5, 6) формируют проход для противотока горячей текучей среды, которая проходит в межтрубном пространстве. Технический результат - снижение сложности секции утилизации тепла, включающей устройство предварительного нагрева и парогенератор, обеспечивая в то же время такую же гибкость, как и в случае с двумя отдельными устройствами. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к кожухотрубным теплообменникам, в частности для использования в химической промышленности.
Уровень техники
Кожухотрубные аппараты широко используются на химических заводах/установках. Например, эти аппараты используются в качестве устройств для предварительного нагрева или парогенераторов для производства пара путем утилизации тепла из горячей технологической текучей среды, например, из потока, выходящего из секции экзотермической конверсии. Другое применение относится к пусковым нагревателям реакторов синтеза аммиака.
Конструктивно такие аппараты включают по существу внешний кожух и трубный пучок, содержащий прямые трубы или трубы, имеющие U-образную форму. В теплообменнике формируется межтрубная зона, представляющая собой пространство, окружающее трубы, и внутритрубная зона, представляющая собой пространство внутри труб. В первой и второй зонах циркулируют, соответственно, первая и вторая текучие среды.
Как известно, в аппаратах с трубными пучками, имеющими значительную длину, обеспечивается ряд перегородок, установленных перпендикулярно оси труб, которые предотвращают вибрации и опционально разделяют межтрубное пространство подходящим образом.
Ряд улучшений кожухотрубных аппаратов описывается в патентных документах, включая следующие:
US 5,058,664 и US 5,642,778, в которых описывается известная конфигурация стержневых перегородок, в которых ряды параллельных брусьев, ориентированных подходящим образом, формируют несущие перегородки труб;
ЕР 2 887 001, в котором раскрывается аппарат, трубный пучок которого окружен внутренним ненесущим кожухом, конструктивно взаимодействующим с перегородками, и который может быть реализован как сборный кожух;
ЕР 2 975 353, в котором раскрывается аппарат с модульным внутренним кожухом;
ЕР 3 115 734, в котором раскрывается трубный пучок с перегородками, которые могут быть установлены с возможностью смещений относительно труб и которые могут быть зафиксированы в нужном положении путем линейного смещения или поворота перегородок (с запиранием).
Кожухотрубные аппараты, особенно когда они работают при высоких давлениях и/или температурах, или в коррозионной среде, требуют больших затрат. Наиболее дорогостоящими компонентами являются, например, внешний кожух, трубные пучки и трубные решетки. Для изготовления этих компонентов необходимо большое количество высококачественного материала (например, легированной стали) и, соответственно, в тех случаях, когда они должны работать в критических условиях, приходится увеличивать толщину стенок или даже использовать материала более высокого качества.
Кроме того, в применениях, включающих утилизацию тепла при производстве пара, в установках предшествующего уровня обычно использовались два отдельных аппарата, такие как устройство предварительного нагрева воды и парогенератор. Горячая текучая среда, в качестве которой обычно используется газ (например, выходящий в результате экзотермической реакции синтеза), проходит последовательно через парогенератор и устройство предварительного нагрева.
Такая конфигурация с двумя аппаратами широко используется, например, при производстве аммиака для охлаждения потока, выходящего из реактора синтеза. Такая конфигурация отличается следующими достоинствами: оптимизируется теплообмен, и оба аппарата специально конструируются для соответствующих условий работы. Однако эта конфигурация имеет недостаток, связанный с повышением стоимости двух используемых аппаратов и соединительных трубопроводов, как для воды, так и для горячего газа, между парогенератором и устройством предварительного нагрева. Эти соединительные трубопроводы требуют больших затрат, рассеивают тепло и приводят к падению напора, особенно в части, предназначенной для горячего газа.
Что касается установок по производству аммиака, то условия, в которых работают такие аппараты, создают значительные нагрузки на их материалы. Газ, выходящий из реактора синтеза аммиака, обычно имеет температуру примерно 450°С и давление примерно 140 бар, и, кроме того, в нем высокие парциальные давления водорода (80-85 бар) и азота (примерно 30 бар), и, как известно, водород и азот при таких рабочих условиях вызывают коррозию поверхностей стальных частей. В этом случае необходимо использование высококачественных сталей, и стенки оборудования должны иметь большую толщину, что существенно повышает стоимость оборудования. Трубопроводы также представляют собой сравнительно дорогостоящую часть оборудования, поскольку по ним проходит химически агрессивный горячий газ под высоким давлением из реактора в парогенератор и из парогенератора в устройство предварительного нагрева. Соединительные трубопроводы между различными аппаратами также создают проблему обеспечения безопасности, поскольку они являются потенциальным источником утечек газа. Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается улучшение кожухотрубных аппаратов предшествующего уровня. Более конкретно, одной из целей изобретения является снижение стоимости и сложности секции утилизации тепла, включающей устройство предварительного нагрева и парогенератор, обеспечивая в то же время такую же гибкость, как и в случае с двумя отдельными устройствами.
Указанные цели достигаются с помощью кожухотрубного теплообменного аппарат, включающего: внешний кожух, первый трубный пучок и второй трубный пучок, проходящие коаксиально друг с другом, причем:
трубы первого пучка прямые;
второй пучок расположен снаружи вокруг первого пучка, и второй пучок включает U-образные трубы, содержащие прямые отводящие секции и прямые возвратные секции, проходящие параллельно трубам первого пучка;
аппарат содержит первый внутренний кожух и второй внутренний кожух;
первый внутренний кожух окружает первый трубный пучок и расположен между первым пучком и вторым пучком;
второй внутренний кожух окружает второй трубный пучок и расположен в пространстве между вторым трубным пучком и внешним кожухом;
первый и второй трубные пучки формируют единое внутритрубное пространство аппарата, через которое может проходить текучая среда;
аппарат содержит первые впускной и выпускной соединители для первой текучей среды, циркулирующей в межтрубном пространстве снаружи труб, а также вторые впускной и выпускной соединители для второй текучей среды, циркулирующей во внутритрубном пространстве;
аппарат сконфигурирован таким образом, что:
первая текучая среда протекает в межтрубном пространстве, проходя последовательно через первое пространство, окруженное первым внутренним кожухом, и через второе пространство, сформированное между первым внутренним кожухом и вторым кожухом;
вторая текучая среда протекает во внутритрубном пространстве, проходя последовательно через второй трубный пучок и через первый трубный пучок.
Аппарат предназначен для передачи тепла от первой текучей среды (горячая текучая среда) второй текучей среде с помощью двух трубных пучков.
Расположение впускных и выпускных соединителей первой и второй текучих сред обеспечивает возможность формирования вышеуказанной последовательности путей потока.
При прохождении первого пространства (первый путь потока) первая текучая среда обтекает трубы первого трубного пучка, и при прохождении второго пространства (второй путь потока) первая текучая среда обтекает трубы второго трубного пучка. Соответственно, при прохождении по первому пути первая текучая среда передает тепло первому трубному пучку, и при ее прохождении по второму пути она передает тепло второму трубному пучку. Тепло передается первому трубному пучку при температуре, которая в среднем выше температуры тепла, передаваемого второму трубному пучку. Таким образом, вторая текучая среда получает тепло, последовательно проходя через второй трубный пучок и первый трубный пучок. В некоторых вариантах происходит фазовое превращение второй текучей среды.
В одном из предпочтительных вариантов по меньшей мере один из первого внутреннего кожуха и второго внутреннего кожуха содержит продольные секции, соединенные с помощью разъемных соединителей. В соответствии с вышеуказанным по меньшей мере один из первого внутреннего кожуха и второго внутреннего кожуха предпочтительно состоит из сегментов.
В одном из предпочтительных вариантов по меньшей мере один из первого внутреннего кожуха и второго внутреннего кожуха взаимодействует конструктивно по меньшей мере с одним трубным пучком, опираясь по меньшей мере на одну разделительную перегородку этого трубного пучка. Указанный трубный пучок и указанный кожух формируют единую конструкцию. В предпочтительном варианте первый внутренний кожух конструктивно объединен с первым пучком и/или второй внутренний кожух конструктивно объединен со вторым пучком.
В соответствии с этим вариантом стенки этих двух внутренних кожухов могут быть тонкими, поскольку они не являются несущими, а по существу выполняют функцию перемещения текучей среды подходящим образом в межтрубном пространстве. В этом случае нагрузку воспринимает трубный пучок. В результате рабочего контакта на одной или нескольких перегородках трубного пучка нагрузки, действующие на внутренний кожух, по меньшей мере частично воспринимаются трубным пучком. Реализация двух кожухов с тонкими стенками снижает стоимость, вес и препятствия внутри аппарата.
Другие предпочтительные аспекты описаны в формуле изобретения.
Аппарат по настоящему изобретению за счет двух трубных пучков и двух кожухов, которые подходящим образом направляют текучую среду в межтрубном пространстве, может выполнять функцию двух теплообменников, в частности устройства предварительного нагрева и парогенератора, которые, таким образом, интегрированы в одном аппарате со значительной экономией средств.
В одном из предпочтительных применений аппарат по настоящему изобретению работает в качестве устройства предварительного нагрева и парогенератора для второй текучей среды, в качестве которой предпочтительно используется вода.
Более предпочтительно, аппарат по настоящему изобретению, включающий устройство предварительного нагрева и парогенератор, содержит камеры для сбора и распределения второй текучей среды, предназначенные для выполнения следующих функций: подача во второй трубный пучок; сбор второй текучей среды, выходящей из второго трубного пучка, и распределение ее внутри первого трубного пучка; сбор текучей среды, по меньшей мере частично превращенной в пар, выходящей из первого трубного пучка; опционально, отделение паровой фазы от жидкой фазы в указанной выходящей текучей среде; и повторное введение жидкой фазы во второй трубный пучок.
В одном из предпочтительных вариантов указанные камеры включают: первую камеру, которая принимает вторую текучую среду, поступающую в аппарат, и которая сообщается непосредственно с впускной стороной второго трубного пучка;
вторую камеру, которая сообщается непосредственно с впускной стороной первого трубного пучка;
третью, промежуточную камеру, которая предназначена для сбора текучей среды, выходящей из второго трубного пучка, и которая сообщается непосредственно с выпускной стороной первого трубного пучка, собирая поток, по меньшей мере частично преобразованный в пар, из первого трубного пучка;
причем третья камера расположена под второй камерой, и вторая камера и третья камера разделены перегородкой и сообщаются через вертикальную трубу, так что поток, выходящий из первого трубного пучка проходит из третьей камеры во вторую камеру через эту вертикальную трубу.
Конец вертикальной трубы предпочтительно расположен выше впускной стороны первого трубного пучка. В этом случае из двухфазного потока (жидкость/пар), выходящего из вертикальной трубы, будет отделяться жидкая фаза, поскольку капельки жидкости будут падать вниз. Паровая фаза собирается в верхней части третьей камеры. В предпочтительном варианте в верхней части третьей камеры также может быть установлен каплеуловитель. Третья камера предпочтительно работает также как гравитационный сепаратор для жидкой фазы и паровой фазы.
В одном из более предпочтительных вариантов аппарат содержит первую трубную решетку и вторую трубную решетку, причем третья, промежуточная камера сформирована между этими трубными решетками. Вторая трубная решетка может формировать днище второй камеры, которая расположена над промежуточной камерой.
В одном из предпочтительных вариантов трубы первого трубного пучка представляют собой байонетные трубы, каждая из которых содержит соответствующую отводящую трубу, прикрепленную к первой трубной решетке, и соответствующую возвратную трубу, которая проходит коаксиально с отводящей трубой снаружи нее, причем возвратная труба прикреплена ко второй трубной решетке. В этом случае отводящая труба имеет впускное отверстие, которое открывается во вторую камеру, в то время как возвратная труба имеет выпускное отверстие, которое открывается в третью, промежуточную камеру.
В одном из предпочтительных вариантов вертикального аппарата его нижняя часть содержит два коаксиальных трубных пучка, а верхняя часть аппарата содержит вторую камеру, работающую в качестве камеры-сборника пара. Верхняя часть аппарата может быть также снабжена паровым барабаном, отделенным от третьей камеры.
В некоторых вариантах в аппарате может обеспечиваться свободная циркуляция между первым трубным пучком, промежуточной камерой, вертикальной трубой и второй камерой.
Как уже указывалось, одно из достоинств изобретения заключается в возможности замены двух устройств одним аппаратом с сохранением гибкости конструкции, обеспечиваемой двумя устройствами. По сравнению с конфигурацией, содержащей два устройства, исключаются следующие компоненты: кожух, работающий под давлением, соединительные трубопроводы и фундамент. Другое достоинство заключается в том, что два внутренних кожуха могут иметь небольшую толщину стенок, так что обеспечивается экономия материала.
В результате исключения соединительных трубопроводов и необходимых соединительных средств повышается безопасность оборудования, поскольку снижается вероятность утечек горючего газа (например, водорода) или токсичного газа (например, аммиака).
Другое достоинство изобретения заключается в том, что замена двух устройств одним аппаратом снижает стоимость фундаментов и повышает компактность оборудования. Это важное достоинство, как для новых установок, так и для модернизации существующих установок.
Еще одно достоинство изобретения заключается в том, что поток в межтрубном пространстве, благодаря двум коаксиальным внутренним кожухам, может быть направлен таким образом, чтобы обеспечивался противоток относительно текучей среды, циркулирующей в трубах, как для потока вниз, так и для потока вверх воды или пара.
Аппарат по настоящему изобретению может быть указан как комбинированное устройство, поскольку он совмещает функции двух отдельных устройств.
Один аспект изобретения относится к способу модернизации химической установки (завода), в частности установки синтеза аммиака:
содержащий устройство предварительного нагрева воды и парогенератор, в которых в качестве источника тепла используется тепло технологического газа, и
причем способ отличается заменой устройства предварительного нагрева и парогенератора комбинированным аппаратом по настоящему изобретению.
Более конкретно, способ по настоящему изобретению может быть с выгодой применен к оборудованию, в котором обеспечивается сначала направление технологического газа в первую сторону парогенератора, отбор газа из парогенератора и направление его в первую сторону устройства предварительного нагрева; подача потока воды во вторую сторону устройства предварительного нагрева воды, отбор нагретой воды и подача ее во вторую сторону парогенератора.
Способ по настоящему изобретению предусматривает перенаправление горячего газа в соответствующее впускное отверстие для горячего газа комбинированного аппарата и перенаправление потока воды в соответствующее отверстие для воды этого аппарата.
Достоинства настоящего изобретения будут более понятны после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием, относящемся к одному из предпочтительных вариантов его осуществления, который является неограничивающим примером.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - схематический вид сечения аппарата по одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения;
на фиг. 2-7 - виды деталей аппарата, показанного на фиг. 1;
на фиг. 8, 9 - виды сечений аппарата по плоскостям VIII-VIII и IX-IX, показанным на фиг. 1;
на фиг. 10 - блок-схема устройства предварительного нагрева и парогенератора для утилизации тепла горячего газа в соответствии с предшествующим уровнем, в частности в установке по производству аммиака;
на фиг. 11 - вид схемы фиг. 10, модифицированной с помощью аппарата по настоящему изобретению, которое заменяет устройство предварительного нагрева и парогенератор.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 приведен схематический вид аппарата 1, обеспечивающего предварительный нагрев и генерацию пара, по одному из вариантов осуществления изобретения.
Аппарат 1 по существу включает следующие компоненты:
внешний кожух 2; первый трубный пучок 3; второй трубный пучок 4; первый внутренний кожух 5; второй внутренний кожух 6; первая трубная решетка 7; вторая трубная решетка 8; верхняя часть 9; вертикальная труба 10; впуск 11 для воды; выходное отверстие 12 для пара; впуск 13 для горячего газа; выпуск 14 для горячего газа.
Трубные пучки 3 и 4 проходят коаксиально, причем пучок 4 расположен снаружи пучка 3.
Первый пучок 3 содержит прямые трубы 20, проходящие по направлению продольной оси А-А аппарата 1. В предпочтительном варианте трубы 20 представляют собой байонетные трубы, как это будет подробно описано ниже. Чтобы не загромождать чертеж, на фиг. 1 показана лишь одна труба 20.
Второй пучок 4 содержит U-образные трубы с прямыми отводящими секциями 21 и прямыми обратными секциями 22, которые проходят параллельно трубам 20 первого пучка. Секции 21 и 22 соединяются криволинейными частями 23 U-образных труб.
Первый внутренний кожух 5 охватывает первый трубный пучок 3 и расположен между первым пучком 3 и вторым пучком 4.
Второй внутренний кожух 6 окружает второй трубный пучок 4 и расположен между вторым трубным пучком 4 и внешним кожухом 2 аппарата (фиг. 2).
Предпочтительно внешний кожух 2 и внутренние кожухи 5, 6 имеют цилиндрическую форму. Внутренние кожухи 5 и 6 проходят коаксиально и концентрично.
Как показано на фиг. 2, формируется пространство 24, охватываемое первым кожухом 5 и содержащее первый трубный пучок 3, и по существу кольцевое пространство 25 между двумя кожухами 5 и 6, содержащее второй трубный пучок 4. Также формируется внутреннее пространство 42 между кожухами 6 и 2.
Два трубных пучка 3 и 4 формируют единое внутритрубное пространство. Аппарат предназначен для работы в качестве предварительного нагревателя-парогенератора, причем пучок 4 работает в качестве устройства предварительного нагрева, а пучок 3 работает в качестве парогенератора. Поэтому вода, поступающая через впуск 11, поступает сначала в пучок 4 предварительного нагрева и затем в испарительный пучок 3.
Межтрубное пространство аппарата включает пространства 24 и 25, в которых горячий газ (источник тепла) передает тепло пучку 3 и пучку 4, соответственно. В частности, горячий газ сначала проходит через пространство 24 и затем поступает в пространство 25.
Конструкция и работа аппарата описывается далее более подробно, для лучшего понимания с отдельными описаниями внутритрубного пространства и межтрубного пространства.
Внутритрубное пространство (вода/пар)
Первая трубная решетка 7 поддерживает трубы 20 первого пучка 3 и U-образные трубы 21 второго пучка 4. В частности, центральная часть решетки 7 поддерживает трубы 20, а периферийная часть решетки 7, по существу в форме кольца, поддерживает трубы 21.
Между первой трубной решеткой 7 и второй трубной решеткой 8 формируются следующие полости: камера 26, сообщающаяся с впуском 11 для воды и с впускной стороной трубного пучка 4; камера-сборник 27 для предварительно нагретой воды, которая сообщается с выпускной стороной трубного пучка 4; камера-сборник 28 для пара, которая сообщается с выпускной стороной первого трубного пучка 3 (фиг. 3). Камеры 26 и 27 отделены перегородкой 29.
Камера-сборник 27 для воды соединяется с вышележащей камерой 31, которая расположена внутри верхней части 9, по каналу 30. Кроме того, вертикальная труба 10 соединяет камеру 31 с камерой-сборником 28 для пара.
Опционально в верхней части камеры 31, выше по потоку выпуска 12 для пара, обеспечивается каплеоотделитель (туманоуловитель) 32.
Трубы 20 первого трубного пучка 3 представляют собой байонетные трубы, проходящие коаксиально, которые показаны для примера на фиг. 4 и 5.
Каждая байонетная труба 20 по существу содержит отводящую трубу 201 и возвратную трубу 202. Отводящая труба прикреплена ко второй решетке 8 и имеет впуск 203, открывающийся в верхнюю камеру 31. Возвратная труба 202 расположена вокруг отводящей трубы 201, проходит коаксиально с ней и прикреплена к первой решетке 7. Возвратная труба 202 имеет выпускную секцию 204, которая открывается в камеру-сборник 28 для пара. Выпускная секция 204 имеет по существу кольцевую форму и охватывает трубу 201.
Дистальный конец трубы 20 показан на фиг. 5. Отводящая труба 201 имеет дистальный конец 205, который открыт, а коаксиальная возвратная труба 202 имеет дистальный конец 206, который закрыт.
В связи с вышеизложенным можно отметить, что аппарат 1 содержит по существу три камеры для текучей среды (вода или пар), циркулирующей во внутритрубном пространстве:
первая камера состоит из камеры 26, которая сообщается непосредственно с впускной стороной трубного пучка 4, а также с впуском 11 для воды;
вторая камера состоит из камеры 31, которая выполнена и расположена для приема предварительно нагретой воды через камеру 27 и проход 30 и которая сообщается непосредственно с впускной стороной первого трубного пучка 3, в частности с впускными отверстиями 203 байонетных труб 20;
третья, промежуточная камера состоит из камеры 28, которая сообщается непосредственно с выпускной стороной первого трубного пучка 3, в частности с выпускными отверстиями 204 байонетных труб 20.
В вертикальном аппарате третья камера 28 расположена под второй камерой 31. Вторая камера 31 и третья камера 28 разделены трубной решеткой 8, которая также действует в качестве разделительной стенки между двумя камерами 28 и 31. Проход для текучей среды между этими двумя камерами обеспечивается вертикальной трубой 10.
Следует отметить, что впускные отверстия 203 байонетных труб расположены в нижней части камеры 31, по существу в плоскости, определяемой фланцем 8. А верхний конец 101 вертикальной трубы 10 расположен на некоторой высоте внутри камеры 31.
Межтрубное пространство (газ)
Впуск 13 для газа сообщается непосредственно с зоной 24 межтрубного пространства с прохождением газа через второй внутренний кожух 6. Поэтому обеспечивается возможность прохождения горячего газа через впуск 13 в пространство, в котором находится первый трубный пучок 3. Впуск 13 для газа расположено в нижней части аппарата, так чтобы поток газа направлялся вверх противотоком относительно воды, опускающейся внутри труб 201.
Зона 25 межтрубного пространства, то есть, зона, сформированная между внутренними кожухами 5 и 6, внутри которой расположен трубный пучок 4 предварительного нагрева, разделена на два прохода 251 и 252 с помощью разделительных стенок 44 (фиг. 9).
Проход 251 сформирован вокруг секций 22 (возвратные секции) U-образных труб, а проход 252 сформирован вокруг отводящих секций 21 этих труб.
Первый внутренний кожух 5 снабжен первыми отверстиями 40, соединяющими зону 24 с проходом 251 зоны 25 (фиг. 6). Эти отверстия находятся предпочтительно в верхней части теплообменной зоны, то есть, возле решетки 7 в положении, показанном на фиг. 1.
Второй внутренний кожух 6 снабжен вторыми отверстиями 41 (фиг. 7), соединяющими проход 252 зоны 25 с зоной 42, сформированной между внутренним кожухом 6 и внешним кожухом 2, находящимся под давлением (также указывается как "зона омывания"). Эта зона 42, в свою очередь, сообщается с камерой 43 в нижней части аппарата и с выпуском 14 для газа.
На фиг. 6 и 7 показан путь прохождения горячего газа G.
Работа аппарата
Ниже будет описан принцип работы аппарата.
По существу аппарат работает как предварительный нагреватель и водогрейный котел в трубных пучках 4 и 3, соответственно, в которых осуществляется теплообмен в противотоке с горячим газом в межтрубном пространстве.
Входящая вода заполняет камеру 26, течет вниз по секциям 21 U-образных труб и возвращается вверх по противолежащим секциям 22, затем предварительно нагретая вода поступает в камеру 27 и далее в верхнюю камеру 31 через проход 30.
Из верхней камеры 31 вода поступает в испарительный пучок 3 через впускные отверстия 203 байонетных труб 20 (впускные отверстия внутренних труб 201).
Внутри байонетных труб 20 вода испаряется, по меньшей мере частично. Поток пара или пароводяной смеси, полученный таким образом, занимает камеру 28 и поднимается в верхнюю часть камеры 31 по трубе 10.
Водяные капельки (жидкая фаза), присутствующие в потоке, выходящем из трубы 10, под действием силы тяжести падают в нижнюю часть камеры 31, откуда они подаются снова в трубный пучок 3. А паровая фаза направляется вверх в туманоуловитель 32, если он имеется, и в выпуск 12 для пара.
В процессе работы камера 31 частично заполнена водой до заданного уровня (ниже выпускного отверстия 101 трубы 10), в результате чего создается напор для циркуляции потока внутри труб 20. За счет выбора подходящих размеров аппарат может работать со свободной циркуляцией между камерой 31, байонетными трубами 20, промежуточной камерой 28 и вертикальной трубой 10. В некоторых вариантах над камерой 31 может обеспечиваться паровой коллектор для повышения напора.
Горячий газ, входящий через впуск 13 для газа, проходит сначала в зону 24, где он поднимается в противотоке с водой, опускающейся внутри труб. Отверстия 40 и 41 расположены таким образом, что газ последовательно поступает в проходы 251 и 252 снова в противотоке с водой, предварительно нагреваемой в пучке 4. Затем газ проходит в промежуточное внутреннее пространство 42, "омывает" стенку кожуха 2, предотвращая его перегрев.
На фиг. 10 и 11 иллюстрируется применение изобретения для модернизации химической установки/завода, такой как установка по производству аммиака.
На фиг. 10 показана конфигурация оборудования предшествующего уровня, в котором горячий технологический газ, выходящий из аппарата 100, используется в качестве источника тепла для получения пара 103 из потока воды 102 с помощью устройства 104 предварительного нагрева и парогенератора 105.
Устройство 104 предварительного нагрева и парогенератор 105 - это два отдельных устройства, например, два теплообменника с пучками труб. Аппарат 100 может быть, например, реактором синтеза аммиака.
Газ 101, выходящий из реактора 100, обеспечивает тепло сначала в парогенераторе 105, затем выходит из него при пониженной температуре, обеспечивая тепло в устройстве 104 предварительного нагрева, и выходит из него как охлажденный газ 107. В рассматриваемом примере газ циркулирует во внутритрубном пространстве обоих устройств 104 и 105.
Подаваемая вода 102 сначала нагревается в межтрубном пространстве устройства 104 предварительного нагрева и затем подается в межтрубное пространство парогенератора 105, внутри которого она испаряется, по меньшей мере частично, формируя поток 103. На фиг. 11 показано, что комбинированный аппарат 1 по настоящему изобретению заменяет устройство 104 предварительного нагрева и парогенератор 105. Горячий газ 101 подается во впуск 12, а вода 102 подается во впуск 11. Аппарат 1 производит поток пара 103 и поток охлажденного газа 107.
Как можно видеть, изобретение позволяет исключить соединительные трубопроводы между двумя устройствами предшествующего уровня, показанные линиями 106 и 108 на фиг. 10.
Таким образом, с помощью этого аппарата можно достичь вышеупомянутых целей.
1. Кожухотрубный теплообменный аппарат (1), включающий:
внешний кожух (2), первый трубный пучок (3) и второй трубный пучок (4), проходящие коаксиально друг с другом, причем трубы первого трубного пучка (3) прямые, второй трубный пучок (4) расположен снаружи вокруг первого трубного пучка (3), и второй трубный пучок (4) включает U-образные трубы, содержащие прямые отводящие секции и прямые возвратные секции, проходящие параллельно трубам первого пучка (3);
первый внутренний кожух (5) и второй внутренний кожух (6), причем первый внутренний кожух (5) окружает первый трубный пучок (3) и расположен между первым трубным пучком (3) и вторым трубным пучком (4), второй внутренний кожух (6) окружает второй трубный пучок (4) и расположен между вторым трубным пучком (4) и внешним кожухом (2), и первый и второй трубные пучки (3, 4) формируют единое внутритрубное пространство аппарата, через которое может проходить текучая среда;
первые впускной и выпускной соединители для первой текучей среды, циркулирующей в межтрубном пространстве снаружи труб первого и второго трубных пучков, а также вторые впускной и выпускной соединители для второй текучей среды, циркулирующей во внутритрубном пространстве;
причем аппарат сконфигурирован так, что обеспечивается:
протекание первой текучей среды в межтрубном пространстве последовательно через первое пространство (24), окруженное первым внутренним кожухом (5), и через второе пространство (25), сформированное между первым внутренним кожухом (5) и вторым внутренним кожухом (6), и
протекание второй текучей среды во внутритрубном пространстве последовательно сначала через второй трубный пучок (4) и затем через первый трубный пучок (3).
2. Аппарат по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого внутреннего кожуха (5) и второго внутреннего кожуха (6) содержит несколько продольных секций, соединенных с помощью разъемных соединителей.
3. Аппарат по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере один из первого внутреннего кожуха и второго внутреннего кожуха взаимодействует конструктивно с по меньшей мере одним трубным пучком, опираясь на по меньшей мере одну разделительную перегородку этого трубного пучка.
4. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, имеющий впуск для первой текучей среды, сообщающийся с пространством, сформированным первым внутренним кожухом, внутри которого размещен первый трубный пучок, и первый внутренний кожух содержит проходы, обеспечивающие возможность распределения первой текучей среды в промежуточном пространстве между первым и вторым внутренними кожухами, причем второй трубный пучок размещен в этом промежуточном пространстве таким образом, что первая текучая среда обтекает последовательно первый трубный пучок и второй трубный пучок.
5. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, в котором первый трубный пучок (3) и второй трубный пучок (4) выполнены с возможностью работы, соответственно, в качестве парогенератора и устройства предварительного нагрева второй текучей среды, и вторая текучая среда выходит из первого трубного пучка по меньшей мере частично превращенной в пар.
6. Аппарат по п. 5, содержащий группу камер для сбора и распределения второй текучей среды, расположенных таким образом, чтобы: распределять вторую текучую среду, поступающую в аппарат, во второй трубный пучок; собирать вторую текучую среду, выходящую из второго трубного пучка, и распределять ее в первый трубный пучок; собирать текучую среду, по меньшей мере частично превращенную в пар, выходящую из первого трубного пучка; отделять паровую фазу от жидкой фазы в указанной выходящей текучей среде; вновь вводить жидкую фазу во второй трубный пучок.
7. Аппарат по п. 6, в котором группа камер включает:
первую камеру (26), которая предназначена для приема второй текучей среды, поступающей в аппарат, и которая сообщается непосредственно с впускной стороной второго трубного пучка (4);
вторую камеру (31), которая предназначена для приема текучей среды, выходящей из второго трубного пучка и которая сообщается непосредственно с впускной стороной первого трубного пучка (3);
третью, промежуточную, камеру (28), которая сообщается непосредственно с выпускной стороной первого трубного пучка, обеспечивая сбор потока, по меньшей мере частично превращенного в пар, из первого трубного пучка;
причем третья камера расположена под второй камерой, и вторая камера и третья камера разделены перегородкой (8) и сообщаются через вертикальную трубу (10), так что поток, выходящий из первого трубного пучка, проходит из третьей камеры (28) во вторую камеру (31) через эту вертикальную трубу.
8. Аппарат по п. 7, в котором вертикальная труба (10) имеет конец (101) внутри второй камеры (31), и этот конец (101) находится выше впускной стороны первого трубного пучка, так что вторая камера (31) способна работать в качестве гравитационного сепаратора жидкой фазы и паровой фазы, содержащихся в текучей среде, выходящей из первого трубного пучка.
9. Аппарат по п. 8, включающий первую трубную решетку (7) и вторую трубную решетку (8), причем третья, промежуточная, камера (28) сформирована между двумя трубными решетками (7, 8), и вторая трубная решетка (8) формирует днище второй камеры (31).
10. Аппарат по п. 9, в котором трубы (20) первого трубного пучка (3) представляют собой байонетные трубы, каждая из которых содержит соответствующую отводящую трубу (201), прикрепленную ко второй трубной решетке (8), и соответствующую возвратную трубу (202), которая проходит коаксиально с отводящей трубой снаружи нее, причем возвратная труба прикреплена к первой трубной решетке (7), каждая байонетная труба имеет впускное отверстие (203) отводящей трубы (201), открывающееся во вторую камеру (31), и выпускное отверстие (204) возвратной трубы (202), открывающееся в третью, промежуточную, камеру (28).
11. Аппарат по п. 9 или 10, в котором трубы второго трубного пучка представляют собой U-образные трубы, прикрепленные к внешней кольцевой зоне первой трубной решетки (7).
12. Аппарат по любому из пп. 7-11, который устанавливается вертикально, причем нижняя часть аппарата содержит два коаксиальных трубных пучка, а верхняя часть аппарата содержит вторую камеру, способную работать в качестве камеры-сборника пара.
13. Аппарат по п. 12, в котором обеспечивается свободная циркуляция между первым трубным пучком, промежуточной камерой, вертикальной трубой и второй камерой.
14. Способ модернизации химической установки, в частности установки синтеза аммиака, в котором:
установка, подлежащая модернизации, содержит устройство (104) предварительного нагрева воды и парогенератор (105), в которых в качестве источника тепла используется тепло технологического газа (101),
отличающийся тем, что осуществляют замену устройства предварительного нагрева и парогенератора одним новым аппаратом (1) по одному из предыдущих пунктов.
15. Способ по п. 14, включающий перенаправление технологического газа (101) к впуску (13) для горячего газа аппарата (1), и перенаправление потока воды, первоначально направляемого в устройство предварительного нагрева, к впуску (11) для воды аппарата (1).
