ГАЗО-ГАЗОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2015 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к теплообменнику, предназначенному, в частности, для использования в контактной группе установки по производству серной кислоты и содержащему камеру, в которой пучок трубок расположен по круговому кольцу, причем между пучком трубок и окружающим его корпусом камеры образовано газовое пространство, отверстие для подачи газа, выполненное в корпусе камеры и предназначенное для введения газа в указанное пространство, по существу, в радиальном направлении относительно пучка трубок, и газовыпускное отверстие, примыкающее к внутреннему пространству, окруженному пучком трубок, по существу, в осевом направлении.

В контактной группе установок по производству серной кислоты обычно применяются теплообменники с пучками трубок, установленные в вертикальной конфигурации, так что возможный конденсат серной кислоты может стекать по направлению к донному лотку и может быть отведен оттуда во избежание коррозии. В целом, газ SO₂ направляется по стороне корпуса, а газ SO₂/SO₃ направляется по стороне трубок. В коммерческих установках свыше 1500 tato МН используются теплообменники дискотороидного типа (см., например, Winnacker/Kuchler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte (Химическая техника: процессы и продукты) под редакцией Roland Dittmeyer и др., том 3: Anorganische Grundstoffe, Zwischenprodukte (Неорганические вещества, побочные продукты), стр.96 и далее, журнал Wiley-VCH, Вайнхайм, 2005).

Холодный газ SO₂, как правило, направлен навстречу потоку охлаждаемого газа, содержащего SO₃. Было обнаружено, что конденсат серной кислоты приводит к сильной коррозии, в частности, в первой камере теплообменника, вследствие чего необходимо использовать высоколегированные и дорогие материалы из нержавеющей стали. Для снижения расходов теплообменник был разделен на две части, так что в случае избыточной коррозии необходимо заменять не весь теплообменник, а только область, которая подвержена воздействию холодного газа и в которой имеет место особенно сильная коррозия. При начальном допущении равномерного разделения теплопередающей области заявителем недавно были использованы теплообменники, в которых в холодной теплообменной секции (первая камера) располагалась только малая часть всей теплопередающей поверхности. Кроме того, вместо конфигурации, в которой вертикально ориентированные теплообменники расположены рядом друг с другом и в которой имеются проблемы, связанные с дренажем, использовалась конструкция, в которой камера, в которую подается холодный газ SO₂, расположена горизонтально. Из этой первой камеры конденсат серной кислоты может быть простым образом отведен со дна. Газ, содержащий SO₂, затем передавался в примыкающую вертикальную секцию с большей теплопередающей поверхностью. Однако было установлено, что в случае радиального набегающего потока, имеющего место в пучке трубок, в горизонтальной секции теплообменника может возникать неравномерный поток газа и, как следствие, ухудшение передачи тепла.

Таким образом, целью изобретения является обеспечение равномерной передачи тепла. Необходимо по возможности избежать падения температуры ниже точки конденсации серной кислоты.

Данная цель, по существу, достигается с помощью изобретения, обладающего признаками п.1 формулы изобретения, вследствие того, что центр пучка трубок смещен относительно центра корпуса камеры в направлении от отверстия для подачи газа.

В обычном теплообменнике пучок трубок, расположенный в виде кругового кольца, размещен концентрически относительно камеры теплообменника, выполненной также. по существу, цилиндрической. Однако в изобретении имеется отклонение от этой концентричности, и пучок трубок смещен относительно корпуса камеры так, что газовое пространство, образованное между пучком трубок и корпусом камеры, все больше сужается от максимальной ширины, обращенной к отверстию для подачи газа, к противоположной стороне пучка трубок. При набегающем потоке газа, подаваемого в теплообменник, давление в газовом пространстве вследствие сужения все больше возрастает до максимума на стороне, обращенной от отверстия для подачи газа. Благодаря этому может быть скомпенсировано увеличение давления при ударении газа о пучок трубок в области отверстия для подачи газа, так что газ проходит через пучок трубок по всей его периферии и входит во внутреннее пространство, окруженное указанным пучком, с равномерной скоростью. Во всех областях пучка трубок может быть обеспечена равномерная передача тепла.

В соответствии с изобретением особенно равномерное распределение потока достигается, в частности, когда центр пучка трубок смещен относительно корпуса камеры на 30-70%, предпочтительно приблизительно на 50% ширины центрического газового пространства. В данном документе под «центрическим газовым пространством» понимается газовое пространство, получаемое при концентричном расположении пучка трубок относительно корпуса камеры. При цилиндрической конструкции камеры пучок трубок в данном случае расположен на равномерном расстоянии до стенки камеры по всей своей окружности. Газовое пространство при этом также имеет равномерную ширину. Из этого положения пучок трубок смещают примерно на 30-70% ширины газового пространства. Если вместо цилиндрической камеры используется многоугольная камера или камера другой формы, то минимальные расстояния до стенки камеры являются решающими для смещения пучка трубок. Однако многоугольные камеры имеет недостатки с точки зрения распределения потока.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения отверстие для подачи газа имеет овальное поперечное сечение, причем максимальный диаметр указанного отверстия предпочтительно составляет 70-95%, более предпочтительно 85-95% расстояния между трубными пластинами, ограничивающими пучок трубок в осевом направлении. Таким образом, отверстие для подачи газа проходит по существенной части длины пучка трубок.

В соответствии с изобретением главная ось камеры ориентирована, по существу, горизонтально, так что обеспечена возможность простого отвода серной кислоты, скапливающейся в нижней области. Для этого в соответствии с изобретением в нижней области камеры выполнено дренажное выпускное отверстие.

В соответствии с предпочтительным аспектом изобретения первая камера теплообменника содержит только примерно 10-30%, предпочтительно 15-20% всей теплообменной поверхности теплообменника. В результате повышение температуры двуокиси серы (SO₂) может быть ограничено до примерно 5-3 К, предпочтительно 15-20 К, так что падение температуры ниже точки конденсации серной кислоты в большей степени предотвращается. Соответственно, конденсация серной кислоты сведена к минимуму.

В соответствии с усовершенствованием, предложенным в изобретении, вертикальная теплообменная секция примыкает к камере, в которой расположена группа трубок, по существу, в вертикальном направлении. В соответствии с изобретением вертикальная теплообменная секция содержит примерно 70-90% теплообменной поверхности теплообменника. Поскольку в данной области вследствие более высоких температур существуют лишь небольшие риски коррозии, вертикальная теплообменная секция может быть изготовлена из менее дорогостоящих материалов.

Другие цели, особенности и возможные варианты применения изобретения могут быть очевидны из нижеследующего описания иллюстративного варианта выполнения и чертежей. Все описанные и/или проиллюстрированные особенности образуют сущность изобретения сами по себе или в любой комбинации, независимо от их включения в пункты формулы изобретения или обратной ссылки на них.

На чертежах:

фиг. 1 схематически изображает разрез теплообменника в соответствии с изобретением,

фиг. 2 схематически изображает разрез первой камеры теплообменника.

Газо-газовый теплообменник 1 согласно изобретению содержит, по существу, горизонтальную камеру 2, которая при помощи газовыпускной трубки 3, примыкающей к газовыпускному отверстию, соединена с вертикальной теплообменной секцией 4. Камера 2 и секция 4 прикреплены ко дну с помощью соответствующих опор 5.

При использовании теплообменника 1 в контактной группе установки по производству серной кислоты холодный газ, содержащий SO₂, подается в камеру 2 через отверстие 6 для подачи газа. В камере 2 расположен теплообменник 7 дискотороидного типа. Камера 2 закрыта крышками 8, 9, причем через крышку 9, обращенную к вертикальной теплообменной секции 4, проходит газовыпускная трубка 3.

Вертикальная теплообменная секция 4 также выполнена в виде теплообменника дискотороидного типа, как схематично показано на фиг. 1. Газ, подаваемый по центру через трубку 3, отклоняется в радиально наружном направлении и проходит через пучки 10 трубок, которые показаны на данном чертеже только схематически и по которым проходит охлаждаемый газ, содержащий SO₃. За диском 11 газ, содержащий SO₂, вновь отклоняется во внутреннем направлении и снова проходит через пучок 10 трубок. Конструкция вертикального теплообменника 4 является общепринятой и поэтому не описана подробно в данном документе.

На фиг. 2 подробно изображена конструкция первой теплообменной камеры 2. В камере 2, по существу, цилиндрической формы расположен пучок 12 трубок, выполненный в виде кругового кольца и образованный трубками 14, проходящими параллельно корпусу 13 камеры 2. Между корпусом 13 и пучком 12 трубок образовано газовое пространство 15. Во внутренней части кольцеобразного пучка 12 образовано внутреннее пространство 16, переходящее в газовыпускную трубку 3. В осевом направлении пучок 12 трубок ограничен трубными пластинами 17 (дисками), обозначенными на фиг. 1. Поскольку пластины 17 расположены вертикально, образовавшийся конденсат серной кислоты может стекать в направлении вниз с предотвращением скопления на трубных пластинах конденсата, вызывающего коррозию. В нижней области камеры 2 выполнено по меньшей мере одно дренажное выпускное отверстие 18 для отведения накопившегося конденсата серной кислоты.

Отверстие 6 для подачи газа имеет овальную форму, причем максимальный диаметр отверстия 6 составляет 70-95% от расстояния между пластинами 17 и, следовательно, длины пучка 12 трубок. В результате содержащий SO₂ газ, подаваемый через отверстие 6, вводится в пространство 15, по существу, по всей длине пучка 10.

Как четко показано на фиг. 2, пучок 12 смещен относительно корпуса 13 камеры. В соответствии с изобретением смещение в данном случае выбрано так, что центр ZR пучка трубок смещен относительно центра ZK камеры 2 на 30-70%, в частности примерно на 50% ширины В центрического газового пространства (определенной при мысленном расположении пучка 12 трубок концентричным образом в камере 2).

После введения газа, содержащего SO2, в камеру 2 через отверстие 6, он распространяется в пространстве 15 и затем проходит в радиальном направлении между трубками 14 пучка 12 во внутреннее пространство 16. Благодаря расположению пучка трубок со смещением относительно корпуса 13 камеры обеспечивается равномерный радиальный поток газа по всей окружности пучка 12. В результате достигается равномерная передача тепла по всей окружности пучка трубок и, следовательно, более эффективный теплообмен.

Содержащий SO₂ газ, поступающий во внутреннее пространство 16 и нагреваемый вследствие теплообмена с газом, проходящим в пучке 12 трубок, вводится в вертикальную теплообменную секцию 4 через трубку 3 и подвергается дальнейшему нагреванию в противотоке относительно газа, содержащего SO₃ и вводимого в секцию 4 в основном сверху.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

1 теплообменник

2 камера

3 газовыпускная трубка

4 вертикальная теплообменная секция

5 опора

6 отверстие для подачи газа

7 теплообменник дискотороидного типа

8, 9 крышки

10 пучок трубок

11 диски

12 пучок трубок

13 корпус камеры

14 трубки

15 газовое пространство

16 внутреннее пространство

17 трубные пластины

18 дренажное выпускное отверстие

А главная ось камеры 2

В ширина газового пространства 15

ZK центр камеры 2

ZR центр пучка 12 трубок

Теплообменник, в частности, для использования в контактной группе установки по производству серной кислоты, содержит камеру (2), в которой пучок (12) трубок расположен по круговому кольцу, причем между пучком (12) трубок и окружающим его корпусом (13) камеры образовано газовое пространство (15), отверстие (6) для подачи газа, выполненное в корпусе (13) камеры и предназначенное для введения газа, по существу, в радиальном направлении относительно пучка (12) трубок, и газовыпускное отверстие, примыкающее к внутреннему пространству (16), окруженному пучком (12) трубок, по существу, в осевом направлении. Равномерный набегающий поток в пучке (12) трубок достигается вследствие того, что центр (ZR) пучка (12) трубок смещен относительно центра (ZK) корпуса (13) камеры в направлении от отверстия (6) для подачи газа. Технический результат - обеспечение равномерной передачи тепла, предотвращение падения температуры ниже точки конденсации серной кислоты. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплообменник (1), предназначенный, в частности, для использования в контактной группе установки по производству серной кислоты и содержащий камеру (2), в которой пучок (12) трубок расположен по круговому кольцу и между пучком (12) трубок и окружающим его корпусом (13) камеры образовано газовое пространство (15), отверстие (6) для подачи газа, выполненное в корпусе (13) камеры и предназначенное для введения газа в газовое пространство (15), по существу, в радиальном направлении относительно пучка (12) трубок, и газовыпускное отверстие, примыкающее к внутреннему пространству (16), окруженному пучком (12) трубок, по существу, в осевом направлении, отличающийся тем, что центр (ZR) пучка (12) трубок смещен относительно центра (ZK) корпуса (13) камеры в направлении от отверстия (6) для подачи газа.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что центр пучка (12) трубок смещен относительно центра (ZK) корпуса (13) камеры на 30-70% ширины (В) центрического газового пространства (15).

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что отверстие (6) для подачи газа имеет овальное поперечное сечение.

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что максимальный диаметр отверстия (6) для подачи газа составляет 70-95% расстояния между трубными пластинами (17), ограничивающими пучок (12) трубок в осевом направлении.

5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что главная ось (А) камеры (2) ориентирована, по существу, горизонтально.

6. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в камере (2) выполнено дренажное выпускное отверстие (18).

7. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что камера (2) теплообменника (1) содержит примерно 10-30% его теплообменной поверхности.

8. Теплообменник по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что за газовпускным отверстием камеры (2) выполнена вертикальная теплообменная секция (4), в которой расположена группа трубок, по существу, в вертикальном направлении.

9. Теплообменник по п. 8, отличающийся тем, что вертикальная теплообменная секция (4) содержит примерно 70-90% теплообменной поверхности теплообменника (1).