Вертикальний комбінований сировинний/продуктовий теплообмінник зі змінюваним кутом відбивача

Реферат: Кожухотрубний теплообмінник, такий як вертикальний комбінований теплообмінник завантажуваного матеріалу/продукту реакції (VCFE), який включає: кожух, який має впуск для плинного середовища та випуск для плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування плинного середовища через кожух за спіральною траєкторією, причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску, відрізняється від кута спіралі  відбивача, наближеного до випуску. UA 101194 C2 (12) UA 101194 C2 UA 101194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ГАЛУЗЬ ВИНАХОДУ Описані авторами варіанти втілення в цілому стосуються теплообмінника. Більш конкретно описані авторами варіанти втілення стосуються такого теплообмінника, як кожухотрубний теплообмінник, сконфігурований для ефективної обробки двофазного потоку. РІВЕНЬ ТЕХНІКИ Для різних випадків застосування відомі численні конфігурації теплообмінників. Одна з широко застосовуваних конфігурацій - кожухотрубний теплообмінник, показаний на Фігурі 1 включає циліндричний кожух 10, який містить групу паралельних труб 12, які проходять між двома торцевими пластинами 14, таким чином, щоб перше плинне середовище 16 могло проходити через труби 12. Тим часом друге плинне середовище 18 втікає й протікає через простір між двома торцевими пластинами для входження у контакт з трубами. Для забезпечення поліпшеного теплообміну між двома плинними середовищами шлях протікання другого плинного середовища 18 визначається проміжними відбивачами 20, які утворюють відповідні проходи, які розташовуються таким чином, що потік другого плинного середовища змінює свій напрямок при протіканні з одного проходу до наступного. Відбивачі 20, сконфігуровані або як часткові кругові сегменти, як показано (часткові сегментоподібні відбивачі), або як кругові кільця та диски, є встановленими перпендикулярно подовжній осі 22 кожуха 10 для забезпечення зигзагоподібного потоку 24 другого плинного середовища 18. При цьому розташуванні друге плинне середовище має кілька разів різко змінювати свій напрямок потоку уздовж довжини кожуха. Це викликає зниження динамічного тиску другого плинного середовища та нерівномірність швидкості її потоку, що у поєднанні негативно впливає на функціональність теплообмінника. Наприклад, а перпендикулярна позиція відбивачів відносно подовжньої осі кожуха в результаті призводить до відносно неефективного співвідношення теплопередачі / падіння тиску. Крім того, такі розташування відбивачів створюють обхідний потік через зазори між відбивачем та кожухом і між трубою та відбивачем, що призводить, крім інших небажаних наслідків, до нерівномірного розподілу потоку, завихрення, зворотного потоку та прискорення забруднення. Ефективність падіння тиску, розподілу потоку та теплопередачі є важливими змінними, зокрема, у багатьох промислових хімічних процесах, коли вимагається реакція у паровій фазі між завантажуваним матеріалом у рідкій фазі та потоками продукту. Прикладами процесів можуть бути реформінг лігроїну, гідроочищення лігроїну, гідроочищення дизельного пального та гасу, ізомеризація та обмінний розклад легких вуглеводнів та багато інших важливих для промисловості процесів. Такі процеси зазвичай передбачають обладнання для теплообміну між завантажуваним матеріалом та продуктом реакції, коли теплоту, яка вимагається для випарювання потоку реакційної суміші, видобувають шляхом конденсації або часткової конденсації продукту реакції. Таке обладнання для забезпечення теплопередачі традиційно конструюється як горизонтальні кожухотрубні теплообмінники. Підвищення продуктивності модульної конструкції (економія масштабу) вимагає великого об'єму переробки, що в результаті впливає на кількість кожухів, які вимагаються для передачі теплоти при обмеженому перепаді температур. Однак через гідравлічні характеристики потоку, тобто, двофазний впускний потік, різний склад та молекулярну масу парової та рідинної фаз і мінливість об'ємної витрати та падіння тиску в результаті зміни фаз конструкція традиційних кожухів теплообмінників з кількома паралельними та послідовними конструкціями є проблематичною. Симетричний трубопровід є ненадійним засобом для здійснення розділення двофазного потоку. Оскільки молекулярна маса пари може бути значно нижчою, ніж у асоційованої рідини, зокрема, в установках для гідроочищення, де пара значною мірою складається з водню, нерівномірний розподіл пари з рідиною, що входить до обмінника, може мати помітний вплив на відповідну криву кипіння, а отже, середню різницю температур (MTD) операції кипіння. Ідею вертикального комбінованого теплообмінникa завантажуваного матеріалу / продукту реакції (VCFE) було розроблено для подолання зазначених недоліків шляхом об'єднання великих поверхонь у єдиний вертикальний кожух. Такі агрегати випускаються промисловістю у різних конфігураціях, включаючи: трубне кипіння / міжтрубну конденсацію у єдиній конструкції сегментоподібного відбивача; трубну конденсацію / міжтрубне кипіння у єдиній конструкції сегментоподібного відбивача; трубне кипіння / міжтрубну конденсацію у спіральній конструкції відбивача; трубну конденсацію / міжтрубне кипіння у спіральній конструкції відбивача. Теплообмінники зі спіральними відбивачами описуються, наприклад, у патентах США №№ 5,832,991, 6,513,583 та 6,827,138. Теоретично перевагу віддають міжтрубному кипінню для зменшення необхідної поверхні, оскільки коефіцієнт міжтрубного кипіння підвищується через відносно великий об'єм 1 UA 101194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 міжтрубного простору під впливом масопередачі. Однак слід також враховувати проблему забруднення, оскільки трубний простір зазвичай легше піддається чищенню. Недолік конструкції з міжтрубним кипінням спостерігається при роботі з частковим завантаженням або витратою, коли міжтрубна швидкість може бути недостатньою для запобігання розділенню фаз та зворотному потокові рідинної фракції назад до впуску. Таке накопичення важкої рідинної фракції при тривалому часі утримання може призводити до забруднення. Головний недолік будь-якої конструкції з трубним кипінням полягає у тому, що парова та рідинна фракції повинні рівномірно розподілятися у кожному з багатьох впусків труб для того, щоб підтримувати очікувані характеристики кипіння у кожній трубі, а недорогого способу з низьким падінням тиску для досягнення цього розподілу ще не знайдено. Відповідно, існує потреба у конструкціях теплообмінників та відбивачів для ефективної обробки двофазного впускного потоку у вертикальних установках. КОРОТКИЙ ОПИС ВИНАХОДУ В одному аспекті описані авторами варіанти втілення стосуються теплообмінника, який включає: кожух, який має впуск для плинного середовища та випуск для плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування потоку плинного середовища по спіральній траєкторії через кожух; причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску, відрізняється від кута спіралі  відбивача, наближеного до випуску. В іншому аспекті описані авторами варіанти втілення стосуються кожухотрубного теплообмінника, який включає: впускний колектор трубного простору, який має впуск для першого плинного середовища; випускний колектор трубного простору, який має випуск для першого плинного середовища; певну кількість труб, які проходять між трубопроводами і у гідравлічному сполученні з ними; кожух, який проходить між трубопроводами і включає вищезгадані труби, причому кожух має впуск для другого плинного середовища та випуск для другого плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування другого плинного середовища по спіральній траєкторії через кожух; причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску для другого плинного середовища, відрізняється від кута спіралі  відбивача, наближеного до випуску для другого плинного середовища. В іншому аспекті описані авторами варіанти втілення стосуються способу обміну теплоти з флюїдом змішаної фази, причому спосіб включає: подачу флюїду змішаної фази, який включає пару та принаймні один компонент, яким може бути захоплене плинне середовище або захоплена тверда речовина, до теплообмінника, причому теплообмінник включає: кожух, який має впуск для плинного середовища, та випуск для плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування плинного середовища по спіральній траєкторії через кожух; перетворення флюїду змішаної фази практично цілком на пару; та непрямий обмін теплоти між флюїдом змішаної фази та теплообмінним середовищем; причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску, підтримує швидкість флюїду змішаної фази на рівні, вищому за кінцеву швидкість захопленого плинного середовища або твердої речовини; і кут спіралі  відбивача, наближеного до випуску, є більшим за кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску. Інші аспекти та переваги стануть зрозумілими по ознайомленню з представленими нижче описом та супровідною формулою винаходу. КОРОТКИЙ ОПИС ФІГУР Фігура 1 є діаграмою розподілу потоку у традиційному кожухотрубному теплообміннику. Фігура 2 є схематичним зображенням вертикального комбінованого теплообмінника завантажуваного матеріалу / продукту реакції зі змінюваним кутом теплового екрана згідно з описаними авторами варіантами втілення. ДЕТАЛЬНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ В одному аспекті описані авторами варіанти втілення в цілому стосуються теплообмінника. Більш конкретно описані авторами варіанти втілення стосуються такого теплообмінника, як кожухотрубний теплообмінник, сконфігурований для ефективної обробки двофазного потоку. Ще конкретніше описані авторами варіанти втілення стосуються теплообмінника, який має відбивачі, сконфігуровані для спрямування потік міжтрубного флюїду по спіральній траєкторії, причому кут спіралі відбивача, наближеного до впуску, відрізняється від кута спіралі відбивача, наближеного до випуску. Було виявлено, що теплообмінники, які мають відбивачі зі змінюваним кутом спіралі згідно з описаними авторами варіантами втілення, можуть застосовуватися для міжтрубних флюїдів, які зазнають зміни фаз, такої, як випарювання, конденсація, згоряння і т. ін. Наприклад, для двофазного впускного потоку, такого, як випарна рідинно-парова суміш, кути спіралі, наближені 2 UA 101194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 до впуску, можуть бути передбачені для підтримання достатньої швидкості флюїду з метою уникнення розділення фаз пари та плинного середовища. Кути спіралі відбивачів, наближені до міжтрубного впуску для плинного середовища, можуть бути наближені до позиції, перпендикулярної трубам, таким чином, викликаючи завихрення вхідного густого флюїду з високою швидкістю. З випарюванням плинного середовища через теплопередачу у межах обмінника кут спіралі відбивачів може віддалятися від перпендикуляра, як для відбивачів, ближчих до міжтрубного випуску, забезпечуючи теплообмін з більшою швидкістю для менш густої пари і відносно низьке падіння тиску через теплообмінник. Оскільки розділення фаз (пара - рідина, пара - тверда речовина і т. ін.) залежить від відносної густини, розміру частинок та/або крапель та швидкості парової фази, теплообмінники, які мають відбивачі зі змінюваним кутом спіралі згідно з описаними авторами варіантами втілення, не піддаються міжтрубному розділенню фаз з такою самою пропускною здатністю, яка б мала місце для теплообмінника, який має незмінний кут відбивача. Відповідно, теплообмінники, які мають відбивачі зі змінюваним кутом спіралі згідно з описаними авторами варіантами втілення, можуть застосовуватися зі значно зниженим рівнем пропускної здатності, що, таким чином, дозволяє уникати недоліків, які зазвичай є пов'язаними з вертикальними теплообмінниками, які працюють з частковим завантаження або витратою. Кут спіралі, який застосовують для відбивачів, наближених до міжтрубних впуску та випуску, може залежати від режиму роботи. Наприклад, для суміші флюїдів, яка включає пару та випарне плинне середовище або тверде паливо, кут спіралі відбивачів, наближених до впуску, може бути більшим за кут спіралі відбивачів, наближених до випуску. У такий спосіб швидкість двофазної суміші може підтримуватися на рівні, вищому за швидкість перенесення захопленої твердої речовини або плинного середовища, що, таким чином, дозволяє уникнути розділення фаз. У разі випарювання рідини або згоряння твердої речовини може застосовуватися менший кут спіралі. В інших варіантах втілення кут спіралі може поступово зменшуватися уздовж довжини кожуха. В іншому прикладі для завантажуваного через впуск матеріалу, який включає пару, яка підлягає конденсації у теплообміннику, кут спіралі відбивачів, наближених до міжтрубного впуску, може бути меншим за кут спіралі відбивачів, наближених до міжтрубного випуску, що, таким чином, збільшує швидкість суміші під час операції конденсації. На Фігурі 2 схематично показано вертикальний комбінований теплообмінник завантажуваного матеріалу / продукту реакції, який має відбивачі зі змінюваними кутами спіралі згідно з описаними авторами варіантами втілення. Теплообмінник 30 може включати впускний колектор трубного простору 32, який має впуск для плинного середовища 34. Впускний колектор трубного простору 32 всередині також може мати вентиляційний отвір 36. Теплообмінник 30 також може включати випускний колектор трубного простору 38, який має випуск для плинного середовища 40. Певна кількість труб 42 може проходити між впускним колектором 32 та випускним колектором38 трубного простору, що дозволяє переміщувати флюїд з впускного колектора 32 до випускного колектора 38 через труби 42. Фігура 2 показує застосування чотирьох труб, хоча слід розуміти, що може застосовуватися будь-яка кількість труб. Кожух 44 проходить між впускним та випускним колекторами 32, 38, містить труби 42 і включає міжтрубний впуск для плинного середовища 46 та міжтрубний випуск для плинного середовища 48. У межах кожуха 44 розташовується певна кількість відбивачів 50. Відбивачі 50 можуть включати, наприклад, спіральні відбивачі, як описано у патентах США №№ 5,832,991, 6,513,583 та 6,827,138, повний зміст кожного з яких включено до цього опису шляхом посилання. Відбивачі 50 можуть включати отвори для труб (не показано), які дозволяють трубам 42 проходити крізь відбивачі 50 і дозволяють відбивачам 50 утримувати труби 42 у належним чином орієнтованій позиції. Відбивачі 50 можуть діяти для спрямування міжтрубного флюїду по спіральній траєкторії через кожух. Відбивачі 50 розташовуються у межах теплообмінника 30 таким чином, що відбивачі 50, наближені до міжтрубного впуску 46, мають інший кут спіралі, ніж у відбивачів 50, наближених до міжтрубного випуску 48. Кут спіралі відбивачів може визначатися, наприклад, шляхом "розкручування" спіралі, що утворює двовимірне представлення спірального малюнка. Як показано на Фігурі 2 для відбивача 50а, кут спіралі у цьому разі має визначатись як арктангенс окружності С кожуха, ділений на крок р (подовжню відстань, яку проходить дуга відбивача за 360°). Крок дорівнює: p=Ctan(); де  є кутом спіралі. Отже, кут спіралі  дорівнює арктангенсові (р/С). Як показано, теплообмінник 30 оснащено спіральними відбивачами 50, орієнтованими вертикально. Відбивачі 50, наближені до міжтрубного впуску 46, можуть мати кут спіралі . Відбивачі 50, наближені до міжтрубного випуску 48, можуть мати кут спіралі  відносно 3 UA 101194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 подовжньої осі А-А кожуха 44. Таким чином, наприклад, для випарювання потоку двофазного матеріалу, що надходить у міжтрубний простір через міжтрубний впуск 46, відбивачі 50, наближені до впуску 46, розташовуються під малим кутом спіралі ; тобто, ближчим до перпендикуляра відносно осі А-А, ніж у відбивачі 50, наближених до міжтрубного випуску 48, які мають кут спіралі , якщо очікується, що теплообмін відбуватиметься між газами при вищій міжтрубній об'ємній витраті, наприклад, через випарювання, згоряння та нагрівання міжтрубного флюїду. Малий кут спіралі , таким чином, може викликати завихрення двофазного впускного потоку по спіральній траєкторії зі швидкістю, достатньою для уникнення розділення фаз. Оскільки міжтрубний флюїд являє собою газ/газ, наближений до випуску 48, може застосовуватися кут спіралі , більший за кут спіралі , що, таким чином, забезпечує менше падіння тиску, ніж у разі, коли кут  застосовується по всій довжині кожуха 44. У деяких варіантах втілення відбивачі між впуском 46 та випуском 48 для плинного середовища у міжтрубному просторі можуть мати кут спіралі , який має проміжне значення між значеннями кутів спіралі , . Наприклад, кути спіралі відбивачів 50 можуть поступово збільшуватися або зменшуватися від впуску 46 до випуску 48, залежно від режиму роботи (наприклад, конденсації, випарювання і т. ін.). В інших варіантах втілення кути спіралі для відбивачів 50 можуть зазнавати однієї або кількох ступінчастих змін. Як було зазначено вище, теплообмінники, які мають відбивачі зі змінюваним кутом спіралі згідно з описаними авторами варіантами втілення, можуть застосовуватись у випадках, коли очікується потік двофазного флюїду. Менші кути спіралі у випадках, коли очікується двофазний потік, можуть забезпечувати більшу швидкість парової фази, що дозволяє уникати розділення фаз у міжтрубному просторі. Кути спіралі відбивачів, наближених до впуску та випуску, можуть залежати від відносної густини двох фаз, розміру частинок або крапель твердих речовин та/або рідин (пов'язаного зі швидкістю перенесення частинок або крапель), типової швидкості подачі, швидкості часткового завантаження або витрати, підвищення температури міжтрубного флюїду та інших змінних, відомих спеціалістам у даній галузі. У вертикальних комбінованих сировинних / продуктових теплообмінниках, описаних у контексті даного винаходу, можуть застосовуватися відбивачі, які мають приблизний кут спіралі у межах приблизно від 5° до 45° включно. Будь-яка комбінація кутів відбивачів ,  та  (за наявності), яка створює належний кут спіралі, може застосовуватися згідно з описаними авторами варіантами втілення. Наприклад, у деяких варіантах втілення кут спіралі  може становити від приблизно 5° до приблизно 45°; від приблизно 5° до приблизно 35° в інших варіантах втілення; і від приблизно 5° до приблизно 25° в інших варіантах втілення. В інших варіантах втілення кут відбивача  може становити від приблизно 15° до приблизно 45°; від приблизно 25° до приблизно 45° в інших варіантах втілення; і від приблизно 35° до приблизно 45° в інших варіантах втілення. Теплообмінники згідно з описаними авторами варіантами втілення можуть вигідно застосовуватися з міжтрубними флюїдами, які мають дві або більше фаз. В оптимальному варіанті теплообмінники згідно з описаними авторами варіантами втілення можуть забезпечувати швидкість потоку міжтрубного флюїду, яка дозволяє мінімізувати або уникати розділення фаз флюїдів, які протікають через кожух, наприклад, завдяки відбивачам з малим кутом спіралі, якщо очікується двофазний потік. Крім того, застосування більших кутів спіралі, якщо очікується однофазний потік, може забезпечувати нижче падіння тиску, ніж у випадках, коли незмінний кут спіралі застосовується в усьому кожусі. Таким чином, порівняно з традиційними теплообмінниками, які мають відбивачі з незмінним кутом спіралі, теплообмінники згідно з описаними авторами варіантами втілення можуть підтримувати потік двофазного флюїду навіть при значно зниженому рівні пропускної здатності, що, таким чином, допускає ширший діапазон пропускної здатності. Хоча опис охоплює обмежену кількість варіантів втілення, спеціалістам у даній галузі на основі цього опису стане зрозумілою можливість інших варіантів втілення без відхилення від обсягу представленого опису. Відповідно, цей обсяг обмежується лише супровідною формулою винаходу. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Теплообмінник, який включає: кожух, який має впуск для плинного середовища та випуск для плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування плинного середовища через кожух за спіральною траєкторією, 4 UA 101194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску, відрізняється від кута спіралі  відбивача, наближеного до випуску. 2. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі . 3. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі . 4. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що кут спіралі певної кількості відбивачів зменшується від впуску плинного середовища до випуску плинного середовища. 5. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що кут спіралі певної кількості відбивачів збільшується від впуску плинного середовища до випуску плинного середовища. 6. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що відбивач між відбивачем, наближеним до впуску, та відбивачем, наближеним до випуску, має кут спіралі γ між кутами спіралі  та . 7. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі , і кут спіралі  становить від приблизно 5° до приблизно 35°, і кут спіралі  становить від приблизно 15° до приблизно 45°. 8. Теплообмінник за п. 7, який відрізняється тим, що кут спіралі  становить від приблизно 5° до приблизно 25°. 9. Кожухотрубний теплообмінник, який включає: впускний колектор трубного простору, який має впуск для першого плинного середовища; випускний колектор трубного простору, який має випуск для першого плинного середовища; певну кількість труб, які проходять між колекторами і у гідравлічному сполученні з ними; кожух, який проходить між колекторами і включає вищезгадані труби, причому кожух має впуск для другого плинного середовища та випуск для другого плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування другого плинного середовища через кожух за спіральною траєкторією, причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску для другого плинного середовища, відрізняється від кута спіралі  відбивача, наближеного до випуску для другого плинного середовища. 10. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі . 11. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі . 12. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що кут спіралі певної кількості відбивачів зменшується від впуску плинного середовища до випуску плинного середовища. 13. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що кут спіралі певної кількості відбивачів збільшується від впуску плинного середовища до випуску плинного середовища. 14. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що відбивач, між відбивачем, наближеним до впуску, та відбивачем, наближеним до випуску, має кут спіралі γ між кутами спіралі  та . 15. Теплообмінник за п. 9, який відрізняється тим, що кут спіралі  є меншим за кут спіралі , і кут спіралі  становить від приблизно 5° до приблизно 35°, і кут спіралі  становить від приблизно 15° до приблизно 45°. 16. Теплообмінник за п. 15, який відрізняється тим, що кут спіралі  становить від приблизно 5° до приблизно 25°. 17. Спосіб теплообміну зі змішанофазним плинним середовищем, який включає: подачу змішанофазного плинного середовища, яке включає пару та принаймні один компонент, яким може бути захоплена рідина або захоплена тверда речовина, до теплообмінника, причому теплообмінник включає: кожух, який має впуск для плинного середовища та випуск для плинного середовища; певну кількість відбивачів, закріплених у кожусі, для спрямування плинного середовища через кожух за спіральною траєкторією; перетворення змішанофазного плинного середовища практично цілком на пару; та непрямий обмін теплоти між змішанофазним плинним середовищем та теплообмінним середовищем, причому кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску, підтримує швидкість змішанофазного плинного середовища на рівні, вищому за кінцеву швидкість захопленої рідини або твердої речовини; і кут спіралі  відбивача, наближеного до випуску, є більшим за кут спіралі  відбивача, наближеного до впуску. 18. Спосіб за п. 17, який відрізняється тим, що перетворення включає випарювання захопленої рідини. 19. Спосіб за п. 17, який відрізняється тим, що перетворення включає згоряння захопленої твердої речовини. 5 UA 101194 C2 20. Спосіб за п. 17, який відрізняється тим, що кут спіралі  становить від приблизно 5° до приблизно 35°, і кут спіралі  становить від приблизно 15° до приблизно 45°. 6 UA 101194 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7