СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЕГО ВЫПОЛНЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F28D7/06 

Изобретение относится к технологии теплообмена, более конкретно изобретение относится к процессу осуществления теплообмена и к теплообменнику для его выполнения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Паровой риформинг часто представляет собой существенную стадию в производстве синтез-газа, обогащенного монооксидом углерода. В этой реакции метан и пар преобразуют при подаче тепла в газовую композицию, содержащую водород, двуокись углерода, окись углерода, пар и метан. Температура синтез-газа после риформинга часто находится на уровне от 750°С до 1050°С. Горячий синтез-газ затем охлаждают в бойлере или в пароперегревателе.

Один из серьезных недостатков, связанных с охладителями газа, получаемого в результате риформинга, состоит в коррозии, известной как припыливание металла. Припыливание металла представляет собой результат разрушающего воздействия газа, обогащенного окисью углерода, на сплавы на основе железа и/или никеля. Основная реакция при припыливании металла состоит в разложении окиси углерода в результате восстановительной реакции или реакции Будуара. Припыливание металла происходит только, когда температура поверхности металла ниже, чем равновесная температура в этих реакциях. Она обычно составляет от 750°С до 850°С. Однако если температура ниже, обычно ниже 450°С, скорость реакции будет незначительной. Это означает, что существует промежуточное значение температуры поверхности, которого следует избегать при контакте с газом в охладителях газа при реформинге. Диапазоны этих температур составляют 450-800°С для высоколегированного сплава на основе никеля и 400-800°С для низколегированных сталей.

Поверхности теплопередачи бойлеров отходящей теплоты охлаждаются путем эффективной теплопередачи к кипящей воде и поэтому обычно могут быть выполнены так, чтобы избежать условий припыливания металла. Однако при применении пароперегревателей в качестве охладителей для синтез-газа следует учитывать возможность припыливания металла.

Другие тяжелые условия, которые требуется учитывать в конструкции пароперегревателей, представляют собой возможность коррозийного разрушения под воздействием влажного пара, который подлежит перегреву. Сплавы на основе никеля очень чувствительны к коррозийному разрушению, в то время как низколегированные стали не чувствительны к ней. Сплавы на основе никеля поэтому должны находиться в контакте только с сухим паром.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на теплообменник, который обладает улучшенной стойкостью к припыливанию металла и к коррозийному разрушению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение обеспечивает способ теплообмена, предусматривающий последовательное охлаждение первой текучей среды путем опосредованного теплообмена со второй текучей средой и предусматривающий следующие стадии:

- введения первой текучей среды последовательно по меньшей мере в два пучка концентрических U-образных трубок, образующих по меньшей мере первую зону нагрева, и вторую зону нагрева соответственно;

- введения второй текучей среды на сторону кожуха пучков U-образных трубок, причем каждая зона нагрева частично отделена от другой посредством стенки, первая зона нагрева является более холодной зоной, и вторая зона нагрева является более горячей зоной, пучок трубок в первой более холодной зоне нагрева изготовлен из низколегированной стали, и пучок трубок во второй более горячей зоне нагрева изготовлен из термостойкого и коррозионностойкого сплава;

- отвода охлажденной второй текучей среды и нагретой первой текучей среды.

Изобретение также обеспечивает теплообменник, предназначенный для использования в описанном выше способе, причем теплообменник предназначен для использования в вышеупомянутом теплообменном процессе, при этом теплообменник содержит множество U-образных трубок, обеспечивающих поверхность теплообмена, обеспечивающую теплопередачу между первой и второй текучими средами, причем U-образные трубки расположены по меньшей мере в виде двух последовательных концентричных пучков трубок, пучки трубок образуют по меньшей мере первую и вторую зону нагрева соответственно, и каждая зона нагрева частично отделена от другой посредством стенки, первая зона нагрева представляет собой более холодную зону нагрева, и вторая зона нагрева представляет собой более горячую зону нагрева, причем пучок трубок в первой более холодной зоне нагрева изготовлен из низколегированной стали, и пучок трубок во второй более горячей зоне нагрева изготовлен из термостойкого и коррозионностойкого сплава.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - теплообменник с двумя зонами нагрева.

Фиг.2 - вид теплообменника в горизонтальном сечении.

Фиг.3 - теплообменник с тремя зонами нагрева.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение касается теплообменника, который используют как пароперегреватель и который предназначен для исключения припыливания металла и коррозийного разрушения благодаря правильному выбору комбинаций сплавов металлов и/или потока газа/пара через заданную структуру пучков теплообменных трубок. Теплообменник предназначен для теплообмена между первой и второй текучими средами. Пример таких текучих сред представляет собой пар (первая текучая среда) и синтез-газ (вторая текучая среда). Горячий синтез-газ из реактора парового реформинга охлаждают паром в теплообменнике.

Теплообменник представляет собой теплообменник U-образного типа с толстым трубчатым элементом. Множество U-образных трубок для передачи первой текучей среды расположены параллельно и разнесены от друг от друга с центральным входным отверстием и периферийным выходным отверстием для второй текучей среды. Теплообменник на стороне кожуха усилен посредством дисковой и кольцевой перегородок. Множество трубок расположены в пучках трубок, причем каждый пучок трубок соответствует конкретной зоне нагрева.

Первая текучая среда, например пар, протекает по трубам и вторая текучая среда, например реформинг-газ, протекает вокруг этих трубок, то есть по стороне их кожуха, обеспечивая таким образом поверхность теплопередачи.

Существенный принцип изобретения состоит в том, что в теплообменнике используют по меньшей мере два пучка трубок и они соединены с одним трубчатым элементом в виде концентрических колец. Отсеки для каждого пучка трубок разделены металлическими стенками с отверстиями посередине или на их краях, через которые вторая текучая среда проходит и разделяется на несколько потоков при протекании из одного отсека в другой отсек.

Вторая текучая среда протекает одновременно в противотоке и в параллельном потоке с первой текучей средой в каждом отсеке пучков трубок, как показано стрелками на фиг.1 и 3.

Теплообменник по изобретению будет более подробно описан ниже:

На фиг.1 и 3 направления потоков первой и второй текучей среды обозначены изогнутыми стрелками.

Фиг.1 касается вариант выполнения изобретения, имеющий две зоны нагрева, разделенные стенкой. Первая текучая среда, например пар, поступает в теплообменник через входное отверстие 1. Первая текучая среда затем поступает в отсек, содержащий U-образные трубки первого пучка трубок и образующий первую зону 2 нагрева. После прохождения через U-образные трубки в первой зоне нагрева, при опосредованном теплообмене со второй текучей средой первая текучая среда поступает во второй отсек, содержащий U-образные трубки второго пучка трубок и образующий вторую зону 3 нагрева.

U-образные трубки второго пучка трубок расположены последовательно после U-образных трубок первого пучка трубок. На фиг.1 пучок трубок, образующий вторую зону 3 нагрева, расположен глубже в теплообменнике, в то время как пучок трубок, образующий первую зону 2 нагрева, расположен ближе к краю, и эти два пучка трубок разделены стенкой 12. Стенка 12 может быть металлической и она расположена и выполнена так, чтобы обеспечить отверстия 15 и 16, позволяющие разделение потока второй текучей среды на несколько потоков, при перетекании из одного отсека в другой. Первая текучая среда протекает через U-образные трубки во второй зоне 3 нагрева при опосредованном теплообмене со второй текучей средой. После протекания через вторую зону 3 нагрева первая текучая среда становится нагретой и выходит из теплообменника через выходное отверстие 4.

Вторая текучая среда, например синтез-газ или любой другой горячий газ, который требуется охладить, поступает в теплообменник через входное отверстие 5. Входное отверстие 5 ведет к центральной трубе 13, расположенной в середине более глубоко расположенного пучка трубок. Эта центральная труба 13 имеет отверстие 14, позволяющее второй текучей среде выходить из центральной трубы 13, и поступает во вторую зону 3 нагрева на стороне кожуха по отношению к пучкам трубок, образующих эту зону нагрева. Предпочтительно отверстия 14 не расположены на концах центральной трубы 13 для обеспечения одновременно параллельного потока и противотока.

Вторая текучая среда поступает в середину зоны 3 нагрева через отверстия 14, и текучая среда затем разделяется так, что она протекает в направлении двух концов пучка трубок. Вторая текучая среда, таким образом, контактирует с внешними поверхностями, то есть на стороне кожуха U-образных трубок внутреннего пучка трубок и охлаждается при опосредованном теплообмене с первой текучей средой. Вторая текучая среда после этого протекает через концевые отверстия 15 и 16 в стенке 12, разделяющей два пучка трубок, образующих первую и вторую зоны 2 и 3 нагрева. Отверстие 15 расположено на нижнем крае стенки 12, и отверстие 16 расположено на верхнем крае стенки 12. Вторая текучая среда затем проходит на стороне кожуха пучка трубок, образующих первую зону 2 нагрева, которая окружает внутренний пучок, образующий вторую зону 3 нагрева. Газ затем проходит в пучке трубок от концевых отверстий 15 и 16 в направлении к середине зоны 2 нагрева. Дополнительно охлажденная вторая текучая среда затем выходит из первой зоны 2 нагрева теплообменника через выходное отверстие 6.

На фиг.2 показано размещение пучков труб по отношению друг другу в теплообменнике. Стенка 12 разделяет зоны нагрева на два отсека, в результате чего образуются зоны 2 и 3 нагрева. Пучки трубок расположены в теплообменнике так, что пучок трубок зоны 2 нагрева расположен ближе к наружной стороне, и пучок трубок зоны 3 нагрева расположен глубже внутри.

В варианте выполнения изобретения теплообменник может иметь три зоны нагрева, как показано на фиг.3. В этом случае существует третий пучок U-образных трубок, окружающих второй пучок. Третий пучок также образует зону 11 нагрева, обеспечивающую дополнительный теплообмен первой текучей среды со второй. Вторая текучая среда поступает в середину этой зоны нагрева через центральное отверстие 17 в стенке 18, отделяющей внешний пучок трубок от двух внутренних пучков трубок. Стенка 18 отделяет таким образом зону 11 нагрева от зон 2 и 3 нагрева. Текучая среда затем разделяется на потоки, протекающие в направлении к двум концам пучка трубок.

Стенки, отделяющие отсеки, таким образом могут иметь отверстия на любом из их концов (15 и 16) или посередине (17). Когда присутствует несколько зон нагрева, отверстия в каждой последующей стенке таким образом чередуются и расположены либо на конце стенки или посередине. Это обеспечивает то, что поток второй текучей среды протекает одновременно в параллельном потоке и в противотоке по отношению к потоку первой текучей среды в каждой зоне нагрева. Благодаря этому обеспечивается эффективный теплообмен.

Вторая текучая среда охлаждается таким образом следующим потоком (разделенным потоком) через два или три пучка трубок. Когда присутствуют две зоны нагрева, как показано на фиг.1, первую текучую среду нагревают путем последовательного пропускания через трубки, начиная от внешнего пучка, который является самым холодным и имеет самую низкую температуру, и при этом текучая среда выходит после протекания через внутренний пучок, который является самым горячим и поэтому имеет самую высокую температуру. Внешний пучок труб, образующий зону 2 нагрева, поэтому соответствует холодной зоне (зоне с низкой температурой), и внутренний лучок, образующий зону 3 нагрева, поэтому соответствует горячей зоне (зоне с высокой температурой).

Когда присутствуют три зоны нагрева, как показано на фиг.3, зона 2 нагрева посередине между зонами 3 и 11 нагрева имеет промежуточную температуру между самой горячей (зона с высокой температурой) и самой холодной (зона с низкой температурой) зонами.

В зонах нагрева могут быть расположены перегородки для улучшения распределения тепла. Перегородки, в частности пригодные для теплообменника, представляют собой перегородки в форме диска или в форме кольца. Они позволяют протекание второй текучей среды через зоны нагрева по зигзагообразному пути, и кроме того, способствуют размещению U-образных трубок. Перегородки 7, 8 и 9, показанные на фиг.1, удерживаются на месте с помощью стержней. Перегородка 7 является горячей, то есть подвергается воздействию высокой температуры, и перегородка 8 является холодной, то есть подвергается воздействию низкой температуры. Перегородки 10 в центральной трубе являются горячими перегородками. Перегородки также могут быть расположены в варианте выполнения, показанном на фиг.3.

Горячий (высокотемпературный) пучок труб, образующий зону 3 нагрева, должен быть изготовлен из материала, стойкого к припыливанию металла. Он может представлять собой, например, высоколегированный сплав, такой, как аустенитный сплав никеля/хрома/железа, например сплав Inconel®. Перегородки, стержни и стенки, образующие каналы, в которых установлены пучки трубок, должны также быть стойкими к припыливанию металла. Холодный (низкотемпературный) пучок трубок, образующий зону 2 нагрева, может быть изготовлен из низколегированной стали, и в большинстве случаев перегородки и стержни также могут быть изготовлены из низколегированного сплава. Если присутствует третий пучок трубок, как показано на фиг.3, трубки среднего/промежуточного пучка могут быть изготовлены из низколегированной стали, в то время как стержни, перегородки и стенки/каналы могут быть изготовлены из сплава Inconel®. Низколегированная сталь может представлять собой, например, ферритовое железо, хромовую, молибденовую, углеродистую сталь.

Особенность теплообменника по изобретению состоит в том, что U-образные трубки изготовлены из материала, стойкого к припыливанию металла, когда поверхность материала достаточно горяча, и не возникает риск припыливания металла. U-образные трубки могут быть изготовлены из более дешевой низколегированной стали, когда они расположены в более холодных зонах. Низколегированная сталь не чувствительна к коррозии, возникающей в результате влажных стрессов. Когда первая текучая среда представляет собой пар, она поступает в U-образные трубки из низколегированной стали, и пар не входит в контакт с U-образными трубками из высоколегированных сплавов до тех пор, пока он не станет полностью сухим.

Теплообменник по изобретению имеет улучшенные характеристики теплообмена благодаря улучшенной стойкости к припыливанию металла и коррозионному разрушению.

Обычный процесс, в котором используется теплообменник, представляет собой процесс парового реформинга, который описан ниже: горячий поток, например газа-реформинга, содержащий окись углерода, такой как синтез-газ из реактора реформинга, поступает в пароперегреватель, где температура горячего потока снижается, например, с 1050°С до 475°С, при использовании пара, подаваемого из парового котла. Охлажденный поток затем подают в теплообменник по изобретению, где его температура дополнительно снижается до 360°С в результате теплообмена с паром. Теплообменник функционирует как пароперегреватель. Используемый пар может поступать из парового котла и таким образом может быть нагрет от температуры, например, от 320°С до 400°С.

Изобретение относится к технологии теплообмена, а именно к процессу осуществления теплообмена и к теплообменнику для его выполнения. Описан способ осуществления теплообмена, предусматривающий последовательное охлаждение первой текучей среды путем опосредованного теплообмена со второй текучей средой, в котором выполняются следующие стадии: введения первой текучей среды последовательно, по меньшей мере, в два пучка концентрических U-образных трубок, образующих по меньшей мере первую зону нагрева и вторую зону нагрева, соответственно, введения второй текучей среды на сторону кожуха пучков U-образных трубок, причем каждая зона нагрева частично отделена от другой посредством стенки, первая зона нагрева является более холодной зоной, и вторая зона нагрева является более горячей зоной, пучок трубок в первой, более холодной зоне нагрева изготовлен из низколегированной стали, и пучок трубок во второй, более горячей зоне нагрева изготовлен из термостойкого и коррозионностойкого сплава - отвода охлажденной второй текучей среды и нагретой первой текучей среды. Изобретение также относится к теплообменнику, предназначенному для выполнения описанного выше способа. Техническим результатом является улучшение характеристик теплообмена благодаря улучшенной стойкости к припыливанию металла и коррозионному разрушению. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ осуществления теплообмена, предусматривающий последовательное охлаждение первой текучей среды путем опосредованного теплообмена со второй текучей средой, в котором выполняются следующие стадии:
введения первой текучей среды последовательно в, по меньшей мере, два пучка концентрических U-образных трубок, образующих, по меньшей мере, первую зону нагрева и вторую зону нагрева соответственно,
введения второй текучей среды на сторону кожуха пучков U-образных трубок, причем каждая зона нагрева частично отделена от другой посредством стенки, первая зона нагрева является более холодной зоной, и вторая зона является более горячей зоной, пучок трубок в первой, более холодной зоне нагрева, изготовлен из низколегированной стали, и пучок трубок во второй, более горячей зоне нагрева, изготовлен из термостойкого и коррозионно-стойкого сплава,
отвода охлажденной второй текучей среды и нагретой первой текучей среды.

2. Способ теплообмена по п.1, в котором первая текучая среда представляет собой пар, и вторая текучая среда представляет собой газ реформинга.

3. Способ теплообмена по п.1, в котором термостойкий и коррозионно-стойкий сплав представляет собой аустенитный сплав никеля/хрома/железа.

4. Способ теплообмена по п.2, в котором нагретая первая текучая среда представляет собой перегретый пар.

5. Теплообменник для использования в способе по п.1, содержащий множество U-образных трубок, обеспечивающих поверхность теплообмена, позволяющую теплопередачу между первой и второй текучими средами, причем U-образные трубки расположены, по меньшей мере, в виде двух последовательных концентрических пучков трубок, пучки трубок образуют, по меньшей мере, первую и вторую зоны нагрева соответственно, и каждая зона нагрева частично отделена от другой посредством стенки, при этом первая зона нагрева представляет собой более холодную зону нагрева, и вторая зона нагрева представляет собой более горячую зону нагрева, причем пучок трубок в первой, более холодной зоне нагрева, выполнен из низколегированной стали, и пучок трубок во второй, более горячей зоне нагрева, выполнен из термостойкого и коррозионно-стойкого сплава.

6. Теплообменник по п.5, в котором теплообменник содержит три пучка трубок, причем третий пучок расположен посередине между первым и вторым пучками.

7. Теплообменник по п.5, в котором термостойкий и коррозионно-стойкий сплав представляют собой аустенитный сплав никеля/хрома/железа.

8. Теплообменник по п.5, в котором теплообменник содержит перегородки дисковой и кольцевой формы.

9. Теплообменник по п.6, в котором трубки третьего пучка, расположенные посередине, изготовлены из низколегированной стали, и перегородки и стержни, удерживающие перегородки на месте, а также стенки среднего пучка изготовлены из термостойкого и коррозионно-стойкого сплава.

10. Теплообменник по п.5, в котором стенка, отделяющая зоны нагрева, изготовлена из металла и расположена так, что она разделяет поток второй текучей среды на несколько потоков благодаря тому, что поток протекает через отверстия в стенке.