Кожухотрубное оборудование с обводом - RU2728574C1
Код документа: RU2728574C1
Чертежи
Описание
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение к относится кожухотрубному оборудованию, а конкретнее – к холодильнику технологического газа или ХТГ.
Холодильники технологического газа – это специальные теплообменники, устанавливаемые в технологической цепочке после химических реакторов. Холодильник технологического газа получает технологический газ при высоких температуре и давлении и обеспечивает охлаждение газа посредством охлаждающей текучей среды, которая может быть испаряющейся водой, недогретой до температуры насыщения водой, водяным паром или любой другой жидкостью либо любым другим газом. Технологический газ зачастую содержит химические вещества, подобные монооксиду углерода, водороду и аммиаку, которые могут вызывать коррозию стандартных конструкционных сталей или разлагать их иным образом при высоких температуре и давлении. Несколькими примерами технологических газов являются те, которые отводятся из реакторов парового риформинга метана, реакторов автотермического риформинга, высокотемпературных реакторов сдвига фаз «вода–газ» и реакторов синтеза аммиака.
Наибольшее число холодильников технологического газа представляют собой теплообменники кожухотрубного типа с прямыми или U–образными трубами и предусматривают установку, которая может быть вертикальной или горизонтальной. Горячий технологический газ может быть распределен либо во внутритрубном пространстве, либо в межтрубном пространстве. Если газ течет во внутритрубном пространстве, охлаждающая текучая среда течет в межтрубном пространстве; в случае, если охлаждающая текучая среда представляет собой испаряющуюся воду, она предпочтительно течет в условиях естественной циркуляции. Из–за тяжелых и специфических условий эксплуатации, холодильники технологического газа часто имеют конструкцию, характеризующуюся специальными компоновками трубного пучка, конфигурациями перегородок межтрубного пространства и конструкционными материалами.
Поскольку технологический газ подвергается химическим синтезам, температуру выпускаемого газа холодильника технического газа зачастую надо сохранять имеющей постоянное значение. Как следствие, главной проблемой эксплуатации многих холодильников технологического газа является управление температурой выпускаемого газа с целью противодействия флуктуациям эффективности теплообмена. Например, обрастание ракушками и водорослями на поверхностях обмена может значительно увеличить сопротивление теплопередаче, и поэтому охлаждение технологического газа слабеет. Кроме того, изменения нагрузки и снижения производительности, при которых обеспечивается эксплуатация, приводят к отходу от нормальных условий эксплуатации с воздействием на температуру выпускаемого газа. И, наконец, незапланированные проблемы в технологической цепочке перед оборудованием и после него могут вынуждать работу оборудования в отличающихся условиях эксплуатации.
Когда надо управлять температурой выпускаемого газа, холодильник технологического газа обычно оснащают обводной системой, которая позволяет обводить часть технологического газа с тем, чтобы изменять количество тепла, передаваемого охлаждающей текучей среде. Соответственно, горячий технологический газ разделяется на два потока, располагаемые параллельно. Один поток («обводной поток») не принимает участие или не полностью участвует в теплообмене, тогда как другой поток («основной поток») участвует в теплообмене. После теплообмена оба потока имеют разные температуры, а также объединяются и смешиваются. Если температура объединенного потока или выпускаемого технологического газа не имеет целевого значения, обводная система допускает соответственное изменение объема основного потока и обводного потока.
На фиг.1 и 2 показаны два типичных холодильника технологического газа с технологическим газом во внутритрубном пространстве и обводной системой. Эти холодильники технологического газа представляют известные технические решения в соответственной области техники.
Холодильник 100 технологического газа содержит впускной канал 102, по которому горячий технологический газ 104 попадает в холодильник 100 технологического газа, выпускной канал 106, по которому охлажденный технологический газ 108 выпускается из холодильника 100 технологического газа, впускную трубную решетку 110, гидравлически соединенную со впускным каналом 102, и выпускную трубную решетку 112, гидравлически соединенную с выпускным каналом 106. Холодильник 100 технологического газа также содержит множество труб 114, соединенных на своих концах с трубными решетками 110 и 112 и делающих сообщающимися впускной и выпускной каналы 102 и 106, и кожух 116, огораживающий трубы 114 и соединенный со впускной и выпускной трубными решетками 110 и 112. В качестве альтернативной возможной компоновки, кожух 116 мог бы быть соединен со впускным и выпускным каналами 102 и 106. В этом случае впускная и выпускная трубные решетки 110 и 112 соответственно соединены либо со впускным и выпускным каналами 102 и 106, либо с кожухом 116. Для внутритрубного пространства предусмотрено множество впускных сопел 118 и выпускных сопел 120, тогда как для межтрубного пространства предусмотрено множество впускных и выпускных сопел 122.
Обводная система холодильника 100 технологического газа, показанная на фиг.1, содержит обводную трубу 124 с внутренним изолирующим материалом 126, содержащуюся в кожухе 116 и соединенную на своих концах со впускной и выпускной трубными решетками 110 и 112. В выпускном канале 106 содержится стенка 128, которая снабжена, по меньшей мере, одним первым проходом или проходным отверстием 130 и разделяет выпускной канал 106 на две камеры 132 и 134. В выпускном канале 106 заключен трубный удлинитель 136 обводной трубы 124. От выпускной трубной решетки 112 до разделительной стенки 128 или за нее простирается трубный удлинитель 136, снабженный, по меньшей мере, одним вторым проходным отверстием 138. В выпускном канале 106 предусмотрен, а конкретнее – установлен в соответственном проходе или проходном отверстии 130, первый регулирующий клапан 140 для основного потока 142 технологического газа, текущего в трубах 114. В выпускном канале 106 также предусмотрен, а конкретнее – установлен в трубном удлинителе 136 (предпочтительно – во втором проходном отверстии 138), второй регулирующий клапан 144 для обводного потока 146 технологического газа, текущего в обводной трубе.
Как показано на фиг.1, холодильник 100 технологического газа может быть снабжен разными конфигурациями обводной системы. Например, разделительная стенка 128, первые проходные отверстия 130 и первые регулирующие клапаны 140 могут отсутствовать, и поэтому в холодильнике 100 технологического газа окажутся установленными только обводная труба 124, трубный удлинитель 136 и второй регулирующий клапан 144.
В соответствии с известным техническим решением, показанным на фиг.1, горячий технологический газ 104 во впускном канале 102 разделяется на два потока: основной поток 142 на впуске, который попадает в трубы 114, и обводной поток 146, который попадает в обводную трубу 124. Основной поток 142 на впуске осуществляет косвенный теплообмен с охлаждающей текучей средой, циркулирующей по межтрубному пространству, и поэтому выпускаемый основной поток 148 из выпускных труб 114 оказывается холодным. Наоборот, обводной поток 146 не участвует в теплообмене с охлаждающей текучей средой или принимает в нем незначительное участие, поскольку изолирующий материал 126, укладываемый в обводной трубе 124, действует как барьер теплопередачи. Как следствие, оба потока 146 и 148 имеют разные температуры в выпускных трубах 114, а в частности, выпускаемый основной поток 148 оказывается холоднее обводного потока 146.
Объемы выпускаемого основного потока 148 и обводного потока 146 определяются проходным отверстием регулирующих клапанов 140 и 144. Поскольку регулирующие клапаны 140 и 144 установлены в обоих потоках 146 и 148 по–разному, регулирующие клапаны 140 и 144 предпочтительно действуют в соответствии с комплементарной логикой. Когда первый регулирующий клапан 140 открывается, второй регулирующий клапан 144 закрывается, и наоборот.
Охлажденный основной поток 148 во впускных трубах 114 отводится в камеру 132. Этот выпускаемый основной поток 148 не контактирует непосредственно с обводным потоком 146. Таким образом, выпускаемый основной поток 148 движется из камеры 132 в камеру 134 через первое проходное отверстие 130 и первый регулирующий клапан 140. Затем выпускаемый основной поток 148 отводится в камеру 134. Обводной поток 146 течет по обводной трубе 126 и трубному удлинителю 136, а потом проходит второе проходное отверстие 138 и второй регулирующий клапан 144. Обводной поток 146, который горячее, чем выпускаемый основной поток 148, отводится в камеру 134.
В камере 134, выпускаемый основной поток 148 и обводной поток 146 находятся в непосредственном контакте, смешиваются друг с другом, а объединенный технологический газ 108 выпускается из холодильника 100 технологического газа через выпускное сопло 120. Температуру выпускаемого технологического газа 108 измеряют около выпускного сопла 120. Если температура выпускаемого газа не имеет целевого значения, регулируют положения регулирующих клапанов 140 и 144, а вследствие этого происходит коррекция объемов основного и обводного потоков. Коррекция объемов потоков оказывает влияние на полную теплопередачу от технологического газа к охлаждающей текучей среде, а значит – и на температуру выпускаемого газа. Коррекция происходит до тех пор, пока не достигается целевая температура в выпускном сопле 120.
Холодильник технологического газа 200, показанный на фиг.2, содержит впускной канал 202, по которому горячий технологический газ 204 попадает в холодильник 200 технологического газа посредством множества впускных сопел 218, и выпускной канал 206, по которому охлажденный технологический газ 208 выпускается из холодильника 200 технологического газа посредством множества выпускных сопел 220. Выпускной канал 206 и впускной канал 202 расположены так, что выпускной канал 206 огорожен впускным каналом 202. Холодильник 200 технологического газа также содержит трубную решетку 212, гидравлически соединенную со впускным каналом 202 и с выпускным каналом 206, множество U–образных труб 214, соединенных на своих концах с трубной решеткой 212, и кожух 216, огораживающий трубы 214 и соединенный с трубной решеткой 212 на противоположной стороне выпускного канала 206. Кожух 216 снабжен множеством впускных и выпускных сопел 222. Трубы 214 сообщаются по текучей среде со впускным каналом 202 на одном конце и с выпускным каналом 206 на другом конце.
Обводная система холодильника технологического газа 200, показанная на фиг.2, содержит обводной проход или обводное проходное отверстие 238, предусматриваемый или предусматриваемое во впускном канале 202, и заключена в выпускном канале 206. В выпускном канале 206 содержится стенка 228, которая снабжена, по меньшей мере, одним первым проходным отверстием 230 и разделяет выпускной канал 206 на две камеры 232 и 234. Обводной проход или обводное проходное отверстие 238 простирается от впускного канала 202 до разделительной стенки 228 или за нее. В выпускном канале 206 предусмотрен, а конкретнее – установлен в соответственном проходе или проходном отверстии 230, первый регулирующий клапан 240 для основного потока 242 технологического газа, текущего в трубах 214. В выпускном канале 206 также предусмотрен второй регулирующий клапан 244 для обводного потока 246 технологического газа, текущего в обводном проходе или обводном проходном отверстии 238.
Как показано на фиг.2, холодильнику 200 технологического газа могут быть приданы разные конфигурации обводной системы. Например, разделительная стенка 228, первые проходные отверстия 230 и первые регулирующие клапаны 240 могут отсутствовать, и поэтому в холодильнике 200 технологического газа будет предусматриваться только обводной проход или обводное проходное отверстие 238.
В соответствии с известным техническим решением, показанным на фиг.2, горячий технологический газ 204 во впускном канале 202 разделяется на потоки: основной поток 242 на впуске, который попадает в трубы 214, и обводной поток 246, который попадает в обводной проход или обводное проходное отверстие 238. Основной поток 242 на впуске осуществляет косвенный теплообмен с охлаждающей текучей средой, циркулирующей по межтрубному пространству, и поэтому выпускаемый основной поток 248 оказывается холодным. Наоборот, обводной поток 246 не участвует в теплообмене с охлаждающей текучей средой. Как следствие, оба потока 246 и 248 имеют разные температуры в выпускном канале 206, а в частности, выпускаемый основной поток 248 оказывается холоднее обводного потока 246. Прохождение, смешивание и объединение выпускаемого основного потока 248 и обводного потока 246, а также уместное логическое управление температурой выпускаемого технологического газа 208, аналогичны тем, которые описаны для холодильника технологического газа, показанного на фиг.1.
Раскрыты несколько вариантов осуществления холодильников технологического газа, аналогичных известным техническим решениям согласно фиг.1 и 2. Эти варианты осуществления охватывают кожухотрубные теплообменники с обводом, в частности, предназначенные для охлаждения горячего технологического газа. Например, в документе WO 90/12993 раскрыта обводная система, в состав которой входят обводная труба, содержащаяся в кожухе, устройство управления для обводного потока и короб для сбора основного потока, содержащегося в выпускном канале. В документе WO 90/12993 описаны разных типов устройства управления для обводного потока, а также устройство управления для основного потока.
В документе WO 2012/041344 описан короб с регулирующим клапаном, устанавливаемый в выпускном канале, собирающий и обводной поток, и часть основного потока. Оба потока смешиваются в коробе прежде, чем достигают регулирующего клапана. После прохождения через клапан, смешанный поток, объединяется с остальной частью основного потока в выпускном канале.
В документе GB 2036287 описаны крановый регулирующий клапан для управления объемом обводного потока и стенка для смешивания обводного и основного потоков, устанавливаемые в выпускном канале. В документе EP 1498678 раскрыта обводная система, в состав которой впускает обводная труба, содержащаяся в кожухе и снабженная в выпускном канале направляющей трубой, в которой поршень движется вдоль оси направляющей трубы, перекрывая и освобождая поперечное сечение обводной трубы.
В документе EP 0617230 описан теплообменник для охлаждения горячего технологического газа, текущего в трубах, причем два разных трубных пучка заключены в одном и том же кожухе, а каждый из трубных пучков имеет свое устройство управления, устанавливаемое в выпускном канале. Косвенный теплообмен между технологическим газом внутритрубного пространства и охлаждающей водой межтрубного пространства является разным для обоих пучков и корректируется устройствами управления, которые позволяют измерять объем технологического газа, текущего в обоих пучках.
В документе EP 0690262 раскрыта обводная система, включающая в себя изолированную обводную трубу и сопло в выпускном канале, которое нагнетает текучую среду к концу обводной трубы с тем, чтобы управлять объемом обводного потока. В документе WO 2013/167180 раскрыта обводная система, по меньшей мере, с одной обводной трубой, заключенной в кожухе, и – в выпускном канале – с двумя коробами, проводящими, соответственно, обводной и основной поток в вихревой смеситель.
В документе US 4294312 описан кожухотрубный теплообменник для косвенного охлаждения высокотемпературной среды, текущей в трубах, охлаждающей средой, текущей в кожухе. Состав теплообменника включает впускную и выпускную трубные решетки, трубы которых соединены своими концами, а также впускной и выпускной каналы, соединенный со на впускной и выпускной трубными решетками, соответственно. Теплообменник отличается промежуточной трубной решеткой – или третьей трубной решеткой, – устанавливаемой во впускном канале, и вставными трубами, концентрично вставленными в основные трубы, тем самым образуя межтрубное пространство в промежутках между основными трубами и вставными трубами по всей длине труб. Такие вставные трубы соединены с промежуточной трубной решеткой и выходят за впускную и выпускную трубные решетки в соответственные каналы. Горячая среда, нагнетаемая во впускной канал, попадает во вставные трубы и течет по вставным трубам, не вступая в непосредственный контакт с основными трубами, которые охлаждаются в межтрубном пространстве охлаждающей средой. В результате, в трубной решетке впуска и на впускном участке основных труб тепловая нагрузка снижается. Впускаемая горячая среда, текущая по вставным трубам с малым или умеренным теплообменом, на выпуске из вставных труб может быть либо обведена с помощью устройства, устанавливаемого в выпускном канале, либо развернута на 180° и течь в межтрубном пространстве в направлении, противоположном, по отношению к течению во вставных трубах.
В документе US 2015/0004552 описан кожухотрубный теплообменник для косвенного теплообмена между горячей средой, текущей в межтрубном пространстве, и охлаждающей средой, текущей во внутритрубном пространстве, в соответствии с конфигурацией с противотоком, снабженный обводной системой. В соответствии с фиг.2 и фиг.3 согласно US 2015/0004552, в состав обводной системы входят впускной короб для обводного потока и впускной короб для основного потока, принимающие, соответственно, обводной поток и основной поток, поступающие из предшествующего в технологической цепочке клапана управления, который установлен снаружи корпуса теплообменника и разделяет впускаемую холодную среду во внутритрубном пространстве на два потока. Впускной короб для обводного потока оканчивается у первой трубной решетки, с которой соединены обводные трубы. Впускной короб для основного потока оканчивается у второй трубной решетки, с которой соединены обводные трубы, а впускной короб для основного потока соединен с первой трубной решеткой, чтобы герметично окружать обводные трубы в промежутке между первой и второй трубными решетками. Обводные трубы концентрично вставлены в основные трубы на протяжении части общей длины основных труб, чтобы образовывать межтрубное пространство в промежутке между основными трубами и обводными трубами. Обводные трубы имеют свой конец внутри основных труб открытым, чтобы сообщаться с основными трубами. Основные трубы оканчиваются за пределами обводных труб в выпускной секции. Холодный обводной поток, поступающий из клапана управления, нагнетается во впускной короб для обводного потока, а потом течет внутри обводных труб. Холодный основной поток, поступающий из клапана управления, нагнетается во впускной короб для основного потока, а потом течет в межтрубном пространстве в промежутках между основными и обводными трубами. Холодный основной поток в межтрубном пространстве находится в непосредственном контакте с основными трубами, которые в межтрубном пространстве находятся в непосредственном контакте с горячей средой. Наоборот, холодный обводной поток, текущий в обводных трубах, не находится в непосредственном контакте с основными трубами. Как следствие, холодный основной поток, текущий в межтрубном пространстве, имеет теплообмен интенсивнее, чем теплообмен холодного обводного потока. Оба потока объединяются в конце обводных труб, смешиваются друг с другом, а объединенный поток движется вдоль остальной части основных труб, где происходит остальной теплообмен с горячей средой межтрубного пространства. Если на выпуске из основных труб температура объединенного потока не имеет целевого значения, предшествующий в технологической цепочке разделительный клапан корректируют с целью изменения объемов обводного и основного потоков, а вследствие этого – изменения тепла, передаваемого из межтрубного пространства во внутритрубное пространство.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРТЕНИЯ
Поэтому одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать кожухотрубное оборудование с обводом, которое способно устранить недостатки известных технических решений простым, недорогим и гарантирующим конкретную функциональность способом.
Говоря подробнее, одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать кожухотрубное оборудование с обводом, в котором обводные трубы не установлены в соответственном кожухе снаружи труб трубного пучка, и поэтому внутренний диаметр получающегося кожуха можно уменьшить.
Другая задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать кожухотрубное оборудование с обводом, в котором обводной поток предварительно охлаждается в трубных пучках, так что вся обводная система в целом работает в более холодных условиях, а коррозия из–за технологического газа значительно снижается.
Дополнительная задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать кожухотрубное оборудование с обводом, в котором обводные компоненты целиком заключены в корпусе кожухотрубного оборудования, так что их не следует относить к элементам, работающим под давлением.
Еще одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать кожухотрубное оборудование с обводом, в котором обводная система может быть легко извлечена наружу из кожухотрубного оборудования для всестороннего осмотра и технического обслуживания.
В соответствии с данным изобретением, эти задачи решаются путем разработки кожухотрубного оборудования с обводом, а также способа управления температурой на выпуске из кожухотрубного оборудования с обводом, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, эти задачи решаются посредством кожухотрубного оборудования, содержащего:
по меньшей мере, один впускной канал, снабженный, по меньшей мере, одним впускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для введения первой текучей среды;
по меньшей мере, один выпускной канал, снабженный, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для вывода первой текучей среды;
множество труб трубного пучка, имеющих первый открытый конец, сообщающийся по текучей среде со впускным каналом, и второй открытый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускным каналом;
по меньшей мере, одну трубную решетку, соединенную со вторыми открытыми концами упомянутого множества труб;
кожух, герметично огораживающий камеру вокруг труб трубного пучка, причем упомянутый кожух снабжен, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для впуска второй текучей среды в упомянутую камеру, и, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для выпуска упомянутой второй текучей среды из упомянутой камеры после косвенного теплообмена с упомянутой первой текучей средой через упомянутые трубы трубного пучка; и
обводную систему для управления температурой на выпуске первой текучей среды с поддержанием некоторого целевого значения.
Обводная система содержит:
по меньшей мере, один короб, устанавливаемый внутри выпускного канала, причем упомянутый короб снабжен, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом, регулирующим клапаном и трубной решеткой короба;
множество обводных байонетных труб, сообщающихся по текучей среде с коробом через трубную решетку короба, причем каждая байонетная труба простирается от трубной решетки короба до некоторой точки в промежутке между первым открытым концом и вторым открытым концом труб трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу трубного пучка, так что в промежутке между каждой трубой трубного пучка и соответственной байонетной трубой образуется кольцевой зазор, посредством чего поток первой текучей среды – в зависимости от положения упомянутого регулирующего клапана – разделяется на основной поток, текущий в упомянутом кольцевом зазоре, и обводной поток, текущий в упомянутых байонетных трубах, и упомянутый основной поток отводится из упомянутых труб трубного пучка при первом значении температуры, тогда как упомянутый обводной поток отводится из упомянутой обводной системы при втором значении температуры, которое отличается от первого значения температуры.
В одном варианте осуществления, первая текучая среда представляет собой первую текучую среду, подлежащую охлаждению, вторая текучая среда представляет собой вторую охлаждающую текучую среду, а второе значение температуры выше, чем первое значение температуры. Это подразумевает, что впускное сопло внутритрубного пространства предназначено для впуска первой текучей среды, подлежащей охлаждению, выпускное сопло внутритрубного пространства предназначено для выпуска охлажденной первой текучей среды, обводная система предназначена для управления температурой на выпуске охлажденной первой текучей среды с поддержанием некоторого целевого значения. Это недвусмысленно подразумевает, что вышеупомянутые задачи решаются посредством кожухотрубного оборудования, содержащего:
по меньшей мере, один впускной канал, снабженный, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для впуска первой текучей среды, подлежащей охлаждению;
по меньшей мере, один выпускной канал, снабженный, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для выпуска охлажденной первой текучей среды;
множество труб трубного пучка, имеющих первый открытый конец, сообщающийся по текучей среде со впускным каналом, и второй открытый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускным каналом;
по меньшей мере, один трубную решетку, соединенную со вторыми открытыми концами упомянутого множества труб;
кожух, герметично огораживающий камеру вокруг труб трубного пучка, причем упомянутый кожух снабжен, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для впуска второй охлаждающей текучей среды в упомянутую камеру, и, по меньшей мере, одним выпускным соплом внутритрубного пространства, предназначенным для выпуска упомянутой второй охлаждающей текучей среды из упомянутой камеры после косвенного теплообмена с упомянутой первой текучей средой через упомянутые трубы трубного пучка; и
обводную систему для управления температурой на выпуске охлажденной первой текучей среды с поддержанием некоторого целевого значения.
Обводная система содержит:
по меньшей мере, один короб, устанавливаемый внутри выпускного канала, причем упомянутый короб снабжен, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом, регулирующим клапаном и трубной решеткой короба;
множество обводных байонетных труб, сообщающихся по текучей среде с коробом через трубную решетку короба, причем каждая байонетная труба простирается от трубной решетки короба до некоторой точки в промежутке между первым открытым концом и вторым открытым концом труб трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу трубного пучка, так что в промежутке между каждой трубой трубного пучка и соответственной байонетной трубой существует кольцевой зазор, посредством чего поток первой текучей среды – в зависимости от положения упомянутого регулирующего клапана – разделяется на основной поток, текущий в упомянутый кольцевой зазор, и обводной поток, текущий в упомянутых байонетных трубах, а упомянутый основной поток отводится из упомянутых труб трубного пучка при первом значении температуры, тогда как упомянутый обводной поток отводится из упомянутой обводной системы при втором значении температуры, которое выше, чем первое значение температуры.
Эти задачи также решаются посредством способа управления температурой на выпуске первой текучей среды из кожухотрубного оборудования с поддержанием некоторого целевого значения посредством обводной системы. Способ заключается в том, что:
– впускают первую текучую среду во впускной канал через выпускное сопло внутритрубного пространства, предусмотренное во впускном канале;
– распределяют первую текучую среду во множество труб трубного пучка, имеющих первый открытый конец, сообщающийся по текучей среде со впускным каналом, и второй открытый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускным каналом, причем второй открытый конец соединен с трубной решеткой;
– разделяют первую текучую среду – в зависимости от положения регулирующего клапана – на обводной поток, текущий во множестве обводных байонетных труб обводной системы, и основной поток, текущий в кольцевом зазоре, образованном в промежутке между каждой трубой трубного пучка и соответственной обводной байонетной трубой, причем обводная система содержит короб, снабженный проходным отверстием или проходом, регулирующим клапаном и трубной решеткой короба, при этом каждая байонетная труба простирается от трубной решетки короба до некоторой точки в промежутке между первым открытым концом и вторым открытым концом труб трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу трубного пучка, причем множество обводных байонетных труб сообщаются по текучей среде с коробом через трубную решетку короба, при этом короб установлен внутри выпускного канала;
– впускают вторую текучую среду в камере вокруг труб трубного пучка посредством впускного сопла межтрубного пространства, предусмотренного в кожухе, герметично огораживающем камеру;
– выпускают вторую текучую среду из камеры через выпускное сопло межтрубного пространства, предусмотренное в кожухе, после косвенного теплообмена с первой текучей средой через трубы трубного пучка;
– отводят основной поток из кольцевого зазора труб трубного пучка в выпускную камеру при первом значении температуры;
– отводят обводной поток из обводной системы в выпускную камеру при втором значении температуры, которое отличается от первого значения температуры;
– выпускают первую текучую среду из выпускного канала через выпускное сопло внутритрубного пространства, предусмотренное в выпускном канале, при температуре на выпуске.
В одном варианте осуществления, первая текучая среда представляет собой первую текучую среду, подлежащую охлаждению, вторая текучая среда представляет собой вторую охлаждающую текучую среду, а второе значение температуры выше, чем первое значение температуры. Это подразумевает, что первая текучая среда охлаждается в кожухотрубном оборудовании, первая текучая среда, впускаемая во впускной канал, представляет собой первую текучую среду, подлежащую охлаждению, а первая текучая среда, впускаемая из выпускного канала, представляет собой охлажденную первую текучую среду. Это недвусмысленно подразумевает, что вышеупомянутые задачи решаются посредством управления температурой на выпуске первой текучей среды, охлажденной в кожухотрубном оборудовании, с поддержанием некоторого целевого значения посредством обводной системы. Способ заключается в том, что:
– впускают первую текучую среду, подлежащую охлаждению, во впускной канал через выпускное сопло внутритрубного пространства, предусмотренное во впускном канале,
– распределяют первую текучую среды во множество труб трубного пучка, имеющих первый открытый конец, сообщающийся по текучей среде со впускным каналом, и второй открытый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускным каналом, причем второй открытый конец соединен с трубной решеткой,
– разделяют первую текучую среду – в зависимости от положения регулирующего клапана – на обводной поток, текущий во множестве обводных байонетных труб обводной системы, и основной поток, текущий в кольцевом зазоре, образованном в промежутке между каждой трубой трубного пучка и соответственной обводной байонетной трубой, причем обводная система содержит короб, снабженный проходным отверстием или проходом, регулирующим клапаном и трубной решеткой короба, при этом каждая байонетная труба простирается от трубной решетки короба до некоторой точки в промежутке между первым открытым концом и вторым открытым концом труб трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу трубного пучка, причем множество обводных байонетных труб сообщаются по текучей среде с коробом через трубную решетку короба, при этом короб установлен внутри выпускного канала;
– впускают вторую охлаждающую текучую среду в камере вокруг труб трубного пучка посредством впускного сопла межтрубного пространства, предусмотренного в кожухе, герметично огораживающем камеру;
– выпускают вторую охлаждающую текучую среду из камеры через выпускное сопло межтрубного пространства, предусмотренное в кожухе, после косвенного теплообмена с первой текучей средой через трубы трубного пучка;
– отводят основной поток из кольцевого зазора труб трубного пучка в выпускную камеру при первом значении температуры;
– отводят обводной поток из обводной системы в выпускную камеру при втором значении температуры, которое выше, чем первое значение температуры;
– выпускают охлажденную первую текучую среду из выпускного канала через выпускное сопло внутритрубного пространства, предусмотренное в выпускном канале, при температуре на выпуске.
Говоря подробнее, оборудование в соответствии с данным изобретением, как правило, представляет собой кожухотрубного типа холодильник технологического газа, предназначенный для косвенного охлаждения технологического газа и снабженный обводной системой для управления температурой газа на выпуске из холодильника. Холодильник технологического газа также снабжен, по меньшей мере, одной трубной решеткой, с которой соединены обменные трубы. Горячий технологический газ течет во внутритрубном пространстве, а охлаждающая среда течет в межтрубном пространстве. Горячий технологический газ может представлять собой любую газовую среду, поступающую из химического реактора, с температурой более 400°C и абсолютным давлением более 0,15 МПа на впуске в холодильник. Охлаждающая среда предпочтительно представляет собой воду в условиях насыщения или в условиях недогрева до температуры насыщения. Горячий технологический газ и охлаждающая среда находятся в косвенном контакте в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком, параллельным потоком и/или противотоком. Горячий технологический газ и охлаждающая среда могут находиться в косвенном контакте в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком, либо в конфигурациях и с параллельным потоком, и с противотоком. Обводная система целиком заключена во внутритрубном пространстве корпуса холодильника технологического газа, а точнее – почти полностью установлена в выпускном канале холодильника технологического газа. В частности, короб, включающий в себя трубную решетку короба, проходное отверстие или проход и регулирующий клапан, полностью установлен в выпускном канале. Обводная система имеет основной задачей управление температурой на выпуске технологического газа.
Кожухотрубное оборудование в соответствии с данным изобретением существенно отличается от кожухотрубного оборудования согласно документу US 4294312, поскольку оборудование согласно документу US 4294312:
имеет основной задачей предотвратить высокую тепловую нагрузку на трубной решетке впуска и на впускном участке труб;
имеет вставные трубы, вставленные в основные трубы по всей их длине и простирающиеся за пределы обеих трубных решеток и обоих концов основных труб;
имеет третью – промежуточную – трубную решетку, с которой соединены вставные трубы, устанавливаемую во впускном канале и образующую промежуточную камеру;
имеет реверсивную камеру на выпуске из основных труб;
имеет поток во вставных трубах и поток в межтрубном пространстве, являющиеся потоками в конфигурации с противотоком.
Кожухотрубное оборудование в соответствии с данным изобретением также существенно отличается от кожухотрубного оборудования согласно документу 2015/0004552, поскольку оборудование согласно документу US 2015/0004552:
имеет целью снижение перегрева внутренних компонентов теплообменника;
относится к чисто противоточному кожухотрубному теплообменнику;
имеет горячую среду в межтрубном пространстве и охлаждающую среду во внутритрубном пространстве;
клапан управления не заключен в корпусе теплообменника;
клапан управления представляет собой клапан трехходового типа;
камера или короб обводного потока не заключен в корпусе теплообменника или в коробе основного потока;
обводная система установлена у впуска во внутритрубное пространство теплообменника;
объединение обводного и основного потоков происходит в трубах.
Дополнительные отличительные признаки изобретения подчеркиваются зависимыми пунктами формулы изобретения, которая является неотъемлемой частью данного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Отличительные признаки и преимущества кожухотрубного оборудования с обводом в соответствии с данным изобретением станут яснее из нижеследующего, имеющего характер примеров и неограничительного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, при этом:
на фиг.1 и 2 схематически показано соответственное кожухотрубное оборудование с обводом, соответствующее известным техническим решением;
на фиг.3 схематически показан первый предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования с обводом, соответствующего данному изобретению;
на фиг.4 представлен частичный вид кожухотрубного оборудования согласно фиг.3, причем показаны потоки текучей среды;
на фиг.5 схематически показан второй предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования с обводом, соответствующего данному изобретению;
на фиг.6 представлен частичный вид кожухотрубного оборудования согласно фиг.5, причем показаны потоки текучей среды; и
на фиг.7 схематически показан третий предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования с обводом, соответствующего данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Обращаясь к фиг.3 и 4, отмечаем, что здесь показан предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования 10 с обводом (байпасом), соответствующего данному изобретению.
Кожухотрубное оборудование 10, в типичных случаях – холодильник технологического газа, содержит, по меньшей мере, один впускной канал 12, причем первая текучая среда 14, подлежащая охлаждению, в типичных случаях – горячий технологический газ, попадает в кожухотрубное оборудование 10, и, по меньшей мере, один выпускной канал 16, по которому первая охлажденная текучая среда 18 выпускается из кожухотрубного оборудования 10. Кожухотрубное оборудование 10 также содержит впускную трубную решетку 20, сообщающуюся по текучей среде со впускным каналом 12 и находящуюся в технологической цепочке после упомянутого впускного канала 12, и выпускную трубную решетку 22, сообщающуюся по текучей среде с выпускным каналом 16 и предшествующую в технологической цепочке упомянутому выпускному каналу 16. Выпускную трубную решетку 22 можно назвать трубной решеткой основного потока.
Кожухотрубное оборудование 10 дополнительно содержит множество труб 24 трубного пучка, соединенных на своем первом или впускном открытом конце со впускной трубной решеткой 20, а на своем втором или выпускном открытом конце – с выпускной трубной решеткой 22. Иными словами, первый открытый конец каждой трубы 24 сообщается по текучей среде со впускным каналом 12, тогда как второй открытый конец каждой трубы 24 сообщается по текучей среде с выпускным каналом 16, так что впускной канал 12 сообщается по текучей среде с выпускным каналом 16 по трубам 24 трубного пучка. Кожух 26 герметично огораживает камеру вокруг труб 24 трубного пучка. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.3 и 4, кожух 26 герметично подсоединен между впускной трубной решеткой 20 и выпускной трубной решеткой 22. В альтернативном варианте осуществления кожух 26 может быть непосредственно соединен со впускным каналом 12 и выпускным каналом 16.
Во впускном канале 12 для впуска первой текучей среды 14 предусмотрено, по меньшей мере, одно впускное сопло 28 внутритрубного пространства, тогда как в выпускном канале 16 для выпуска первой текучей среды 14 предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное сопло 30 внутритрубного пространства. Аналогичным образом, в кожухе 26 для впуска второй охлаждающей текучей среды в камеру, огороженную упомянутым кожухом 26, предусмотрено, по меньшей мере, одно впускное сопло 32 межтрубного пространства, тогда как в кожухе 26 для выпуска второй охлаждающей текучей среды из камеры, огороженной упомянутым кожухом 26, предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное сопло 34 межтрубного пространства. Вторая текучая среда, как правило, представляет собой охлаждающую среду, которая осуществляет косвенный теплообмен с первой текучей средой 14, подлежащей охлаждению.
В соответствии с первым, предпочтительным вариантом осуществления внутри выпускного канала 16 установлены, по меньшей мере, один короб 36, множество обводных (байпасных) байонетных труб 38, разделительная стенка 40, по меньшей мере, один первый регулирующий клапан 42 и, по меньшей мере, один второй регулирующий клапан 44. Короб 36 снабжен, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом 46, находящимся у соответствующего второго регулирующего клапана 44, и трубной решеткой 48 короба. Байонетные трубы 38 сообщаются по текучей среде с коробом 36 посредством трубной решетки 48 короба.
Каждая байонетная труба 38 простирается назад от трубной решетки 48 короба до некоторой точки в промежутке между впускной трубной решеткой 20 и выпускной трубной решеткой 22 и частично вставлена в соответствующую трубу 24 трубного пучка, в идеальном варианте – согласно концентрической компоновке так, чтобы в промежутке между каждой трубой 24 трубного пучка и соответственной байонетной трубой 38 образовывался кольцевой зазор. Иными словами, наружный диаметр каждой байонетной трубы 38 всегда меньше, чем внутренний диаметр соответственной трубы 24 трубного пучка, вследствие чего обеспечивается байонетное вставление и образование вышеупомянутого кольцевого зазора. Концы 50 байонетных труб, вставленные внутрь труб 24 трубного пучка, открыты, оказываясь сообщающимися по текучей среде с упомянутыми трубами 24 трубного пучка.
Разделительная стенка 40 разделяет выпускной канал 16 на первую камеру 52, которая огораживает участок выпускного канала 16, сообщающийся по текучей среде с выпускной трубной решеткой 22, и вторую камеру 54, которая огораживает еще один участок выпускного канала 16, сообщающийся по текучей среде с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства. Разделительная стенка 40 снабжена, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом 56, которое или который обуславливает сообщение первой камеры 52 со второй камерой 54. Первая камера 52 сообщается с трубами 24 трубного пучка и собирает первый объем 58 («основной поток») первой текучей среды, выходящей из упомянутых труб 24 трубного пучка. Вторая камера 54 сообщается с первой камерой 52 через проходное отверстие или проход 56, с коробом 36 через проходное отверстие или проход 46 и с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства. Поэтому вторая камера 54 собирает как второй объем 60 («обводной поток») первой текучей среды, поступающей из короба 36, так и первый объем 58 первой текучей среды, поступающей из первой камеры 52, а затем обеспечивает подачу объединенных объемов 18 первой текучей среды в выпускное сопло 30 внутритрубного пространства. Проходное отверстие или проход 46 снабжено или снабжен вторым регулирующим клапаном 44, который регулирует живое сечение упомянутого проходного отверстия или прохода 46, доступное для обводного (байпасного) потока 60 первой текучей среды. Проходное отверстие 56 снабжено первым регулирующим клапаном 42, который регулирует живое сечение упомянутого проходного отверстия или прохода 56, доступное для основного потока 58 первой текучей среды.
Первая текучая среда 14 (горячий технологический газ) попадает во впускной канал 12 через впускное сопло 28 внутритрубного пространства. Затем горячий технологический газ 14 распределяется в трубы 24 трубного пучка, где он обменивается теплом со второй текучей средой межтрубного пространства (охлаждающей средой). Горячий технологический газ и охлаждающей среда вступают в косвенный контакт согласно конфигурации с перекрестным потоком, конфигурации с параллельным потоком и/или конфигурации с противотоком. Когда технологический газ 14 достигает концов 50 байонетных труб, в зависимости от положения регулирующих клапанов 42 и 44, упомянутый технологический газ 14 может разделяться на два потока – основной поток 58, текущий в кольцевом зазоре между трубами 24 трубного пучка и байонетными трубами 38, и обводной поток 60, текущий в байонетных трубах 38.
Основной поток 58 находится в непосредственном контакте с трубами 24 трубного пучка, которые, в свою очередь, находятся в непосредственном контакте с охлаждающей средой в межтрубном пространстве. И наоборот, обводной поток 60 не находится в непосредственном контакте с трубами 24 трубного пучка. В результате, основной поток 58 имеет больший теплообмен, чем обводной поток 60. Основной поток 58 выпускается из труб 24 трубного пучка или – конкретнее – из кольцевого зазора, в первую камеру 52 выпускного канала 16 при первом значении T1 температуры, тогда как обводной поток 60 выпускается из байонетных труб 38 в короб 36 при втором значении T2 температуры, которое выше, чем первое значение T1 температуры. Иными словами, после труб 24 трубного пучка основной поток 58 холоднее, чем обводной поток 60.
Основной поток 58 движется из первой камеры 52 во вторую камеру 54 через первый регулирующий клапан 42. Обводной поток 60 движется из короба 36 во вторую камеру 54 через второй регулирующий клапан 44. Основной и обводной потоки 58 и 60 текут, выходя, соответственно, из клапанов 42 и 44, объединяются во второй камере 54, смешиваются друг с другом, а затем объединенный поток 18, который имеет третье значение T3 температуры в диапазоне между T1 и T2, покидает выпускной канал 16 через выпускное сопло 30 внутритрубного пространства.
Температуру выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства. Если температура выпускаемого газа 18 не имеет целевого значения, положение регулирующих клапанов 42 и 44 корректируют, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, изменяется весь теплообмен на участке труб 24 трубного пучка, где заключены байонетные трубы 38, а температуру T3 выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значения. В предпочтительном варианте клапаны 42 и 44 регулируют сообразно следующему логическому алгоритму: когда первый регулирующий клапан 42 закрывается, второй регулирующий клапан 44 открывается, и наоборот.
В соответствии со вторым вариантом осуществления кожухотрубного оборудования 10 первый регулирующий клапан 42, размещаемый в проходном отверстии или проходе 56 разделительной стенки 40, может и не присутствовать. В этом варианте осуществления температуру выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства, и если упомянутая температура не имеет целевого значения, то корректируют лишь положение регулирующего клапана 44, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, весь теплообмен на участке труб 24 трубного пучка, в которых заключены байонетные трубы 38, изменяется, а температуру выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значения.
В соответствии с третьим вариантом осуществления кожухотрубного оборудования 10, и разделительная стенка 40, и соответственное проходное отверстие или проход 56, а также первый регулирующий клапан 42, в упомянутом кожухотрубном оборудовании 10 не присутствуют. В этом варианте осуществления выпускной канал 16 больше не разделен на две камеры и собирает как основной поток 58, выходящий из труб 24 трубного пучка, так и обводной поток 60, выходящий из короба 36. Основной и обводной потоки 58 и 60 можно объединять и смешивать в выпускном канале 16. Температуру T3 выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства, и если упомянутая температура не имеет целевого значения, корректируют лишь положение регулирующего клапана 44, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, весь теплообмен на участке труб 24 трубного пучка, где заключены байонетные трубы 38, изменяется, а температуру выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значения.
Независимо от конкретного варианта осуществления кожухотрубного оборудования 10, байонетные трубы 38 могут быть:
имеющими разную форму и размеры, не одинаковые друг с другом, хотя наружный диаметр будет всегда меньшим, чем внутренний диаметр труб 24 трубного пучка;
отличающимися друг от друга;
вставленными только в первый набор труб 24 трубного пучка, тогда как в остальном наборе труб 24 трубного пучка байонетных труб 38 нет.
Обводную (байпасную) систему можно разобрать на несколько компонентов, а потом эти компоненты можно извлечь из кожухотрубного оборудования 10, по меньшей мере, через один люк 62, предусмотренный в выпускном канале 16. В альтернативном варианте обводную систему можно извлечь как один–единственный блок или как несколько блоков посредством съемного основного фланца 64, предусмотренного в выпускном канале 16. Обводная система может быть изготовлена из любого конструкционного материала.
Обращаясь к фиг.5 и 6, отмечаем, что здесь показан второй предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования 11 с обводом в соответствии с данным изобретением. Кожухотрубное оборудование 11, в типичных случаях – холодильник технологического газа, содержит, по меньшей мере, один впускной канал 71, по которому первая текучая среда 14, подлежащая охлаждению, в типичных случаях – горячий технологический газ, попадает в кожухотрубное оборудование 11, и, по меньшей мере, один выпускной канал 70, по которому первая охлажденная текучая среда 18 выпускается из кожухотрубного оборудования 11. Выпускной канал 70 и впускной канал 71 расположены так, что выпускной канал 70 огораживает впускной канал 71, и так, что впускной канал 71 и выпускной канал 70 не сообщаются друг с другом непосредственно. Кожухотрубное оборудование 11 также содержит одну–единственную трубную решетку 72, сообщающуюся по текучей среде со впускным каналом 71 и выпускным каналом 70. Единственную трубную решетку 72 можно назвать трубной решеткой основного потока.
Кожухотрубное оборудование 11 дополнительно содержит множество U–образных труб 74 трубного пучка, соединенных на их первом открытом конце – или на впускном конце – с трубной решеткой 72 и сообщающихся по текучей среде со впускным каналом 71, а на втором открытом конце – или на выпускном конце – с трубной решеткой 72 и сообщающихся по текучей среде с выпускным каналом 70. Иными словами, первый открытый конец каждой трубы 74 сообщается по текучей среде со впускным каналом 71, тогда как второй открытый конец каждой трубы 74 сообщается по текучей среде с выпускным каналом 70, так что впускной канал 71 сообщается по текучей среде с выпускным каналом 70 через трубы 74 трубного пучка. Кожух 73 герметично огораживает камеру вокруг труб 74 трубного пучка. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.5 и 6, кожух 73 герметично подсоединен к трубной решетке 72. В альтернативном варианте осуществления кожух 73 может быть непосредственно соединен с выпускным каналом 70.
Для впуска первой текучей среды 14 в выпускном канале 70 предусмотрено по меньшей мере, одно впускное сопло 28 внутритрубного пространства, тогда как для выпуска первой текучей среды 14 из внутритрубного пространства в выпускном канале 70 предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное сопло 30. Аналогичным образом, в кожухе 73 для впуска второй охлаждающей текучей среды в камеру, огороженную упомянутым кожухом 73, предусмотрено, по меньшей мере, одно впускное сопло 32 межтрубного пространства, тогда как для выпуска второй охлаждающей текучей среды из камеры, огороженной упомянутым кожухом 73, в кожухе предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное сопло 34. Вторая текучая среда, как правило, представляет собой охлаждающую среду, осуществляющую косвенный теплообмен с первой текучей средой 14, подлежащей охлаждению.
В соответствии с этим вариантом осуществления внутри выпускного канала 70 установлены, по меньшей мере, один короб 36, множество обводных байонетных труб 38, разделительная стенка 40, по меньшей мере, один первый регулирующий клапан 42 и, по меньшей мере, один второй регулирующий клапан 44. Короб 36 снабжен, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом 46, находящимся у соответствующего второго регулирующего клапана 44, и трубной решеткой 48 короба. Байонетные трубы 38 сообщаются по текучей среде с коробом 36 через трубную решетку 48 короба.
Каждая байонетная труба 38 простирается назад от трубной решетки 48 короба до некоторой точки в промежутке между первым концом и вторым концом труб 74 трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу 74 трубного пучка, в идеальном варианте – согласно концентрической компоновке так, чтобы в промежутке между каждой трубой 74 трубного пучка и соответственной байонетной трубой 38 образовывался кольцевой зазор. Иными словами, наружный диаметр каждой байонетной трубы 38 всегда меньше, чем внутренний диаметр соответственной трубы 74 трубного пучка, вследствие чего обеспечивается байонетное вставление и образование вышеупомянутого кольцевого зазора. Концы 50 байонетных труб, вставленные внутрь труб 74 трубного пучка, открыты, оказываясь сообщающимися по текучей среде с упомянутыми трубами 74 трубного пучка.
Разделительная стенка 40 разделяет выпускной канал 70 на первую камеру 52, которая огораживает участок выпускного канала 70, сообщающийся по текучей среде со вторым концом труб 74 трубного пучка, и вторую камеру 54, которая огораживает еще один участок выпускного канала 70, сообщающийся по текучей среде с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства. Разделительная стенка 40 снабжена, по меньшей мере, одним проходным отверстием или проходом 56, которое или который обуславливает сообщение первой камеры 52 со второй камерой 54. Первая камера 52 сообщается со вторым концом труб 74 трубного пучка и собирает первый объем 58 («основной поток») первой текучей среды, выходящей из упомянутых труб 74 трубного пучка. Вторая камера 54 сообщается с первой камерой 52 проходным отверстием или проходом 56, с коробом 36 проходным отверстием или проходом 46 и с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства. Следовательно, вторая камера 54 собирает как второй объем 60 («обводной поток») первой текучей среды, поступающей из короба 36, так и первый объем 58 первой текучей среды, поступающей из первой камеры 52, а затем обеспечивает подачу объединенных объемов 18 первой текучей среды в выпускное сопло 30 внутритрубного пространства. Проходное отверстие или проход 46 снабжено или снабжен вторым регулирующим клапаном 44, который регулирует живое сечение упомянутого проходного отверстия или прохода 46, доступное для обводного потока 60 первой текучей среды. Проходное отверстие 56 снабжено первым регулирующим клапаном 42, который регулирует живое сечение упомянутого проходного отверстия или прохода 56, доступное для основного потока 58 первой текучей среды.
Первая текучая среда 14 (горячий технологический газ) попадает во впускной канал 71, который огорожен в выпускном канале 70, через впускное сопло 28 внутритрубного пространства. Затем горячий технологический газ 14 распределяется в трубы 74 трубного пучка, где он обменивается теплом со второй текучей средой межтрубного пространства (охлаждающей средой). Горячий технологический газ и охлаждающая среда вступают в косвенный контакт согласно конфигурациям с перекрестным потоком, с параллельным потоком и/или с противотоком. Когда технологический газ 14 достигает концов 50 байонетных труб, в зависимости от положения регулирующих клапанов 42 и 44, упомянутый технологический газ 14 может разделяться на два потока – основной поток 58, текущий в кольцевом зазоре между трубами 74 трубного пучка и байонетными трубами 38, и обводной поток 60, текущий в байонетных трубах 38.
Основной поток 58 находится в непосредственном контакте с трубами 74 трубного пучка, которые, в свою очередь, находятся в непосредственном контакте с охлаждающей средой в межтрубном пространстве. И наоборот, обводной поток 60 не находится в непосредственном контакте с трубами 74 трубного пучка. В результате, основной поток 58 имеет больший теплообмен, чем обводной поток 60. Основной поток 58 выводится из труб 74 трубного пучка или – конкретнее – из кольцевого зазора, в первую камеру 52 выпускного канала 70 при первом значении T1 температуры, тогда как обводной поток 60 выводится из байонетных труб 38 в короб 36 при втором значении T2 температуры, которое выше, чем первое значение T1 температуры. Иными словами, после труб 74 трубного пучка основной поток 58 холоднее, чем обводной поток 60.
Основной поток 58 движется из первой камеры 52 во вторую камеру 54 через первый регулирующий клапан 42. Обводной поток 60 движется из короба 36 во вторую камеру 54 через второй регулирующий клапан 44. Основной и обводной потоки 58 и 60 текут и выводятся, соответственно, из клапанов 42 и 44, объединяются во второй камере 54, смешиваются друг с другом, а затем объединенный поток 18, который имеет третье значение T3 температуры в диапазоне между T1 и T2, покидает выпускной канал 16 через выпускное сопло 30 внутритрубного пространства.
Температуру выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства. Если температура газа 18 на выпуске не имеет целевого значения, положение регулирующих клапанов 42 и 44 корректируют, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, изменяется весь теплообмен на участке труб 74 трубного пучка, где заключены байонетные трубы 38, а температуру T3 выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значения. В предпочтительном варианте клапаны 42 и 44 регулируют сообразно следующему логическому алгоритму: когда первый регулирующий клапан 42 закрывается, второй регулирующий клапан 44 открывается, и наоборот.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления кожухотрубного оборудования 11 первый регулирующий клапан 42, размещаемый в проходном отверстии или проходе 56 разделительной стенки 40, может и не присутствовать. В этом варианте осуществления температуру выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства, и если упомянутая температура не имеет целевого значения, то корректируют лишь положение регулирующего клапана 44, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, изменяется весь теплообмен на участке труб 74 трубного пучка, где заключены трубы 38, а температуру выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значение.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления кожухотрубного оборудования 11, как разделительная стенка 40, так и соответственное проходное отверстие или проход 56, а также первый регулирующий клапан 42, не присутствуют в упомянутом кожухотрубном оборудовании 11. В этом варианте осуществления выпускной канал 16 больше не разделен на две камеры и собирает как основной поток 58, выходящий из труб 74 трубного пучка, так и обводной поток 60, выходящий из короба 36. Основной и обводной потоки 58 и 60 можно объединять и смешивать в выпускном канале 70. Температуру T3 выпускаемого технологического газа 18 измеряют в технологической цепочке после выпускного сопла 30 внутритрубного пространства, и если упомянутая температура не имеет целевого значения, корректируют лишь положение регулирующего клапана 44, чтобы изменить объем основного и обводного потоков 58 и 60. Соответственно, весь теплообмен на участке труб 24 трубного пучка, где заключены байонетные трубы 38, изменяется, а температуру выпускаемого технологического газа 18 корректируют до достижения целевого значения.
Независимо от конкретного варианта осуществления кожухотрубного оборудования 11, байонетные трубы 38 могут быть:
– имеющими разную форму и размеры, не одинаковые друг с другом, хотя наружный диаметр будет всегда меньшим, чем внутренний диаметр труб 74 трубного пучка;
– отличающимися друг от друга;
– вставленными только в первый набор труб 74 трубного пучка, тогда как в остальном наборе труб 74 трубного пучка байонетных труб 38 нет.
Обводную систему можно разобрать на несколько компонентов, а потом эти компоненты можно извлечь из кожухотрубного оборудования 11, по меньшей мере, через один люк 62, предусмотренный в выпускном канале 70. В альтернативном варианте обводную систему можно извлечь как один–единственный блок или как несколько блоков посредством съемного основного фланца 64, предусмотренного в выпускном канале 70. Обводная система может быть изготовлена из любого конструкционного материала.
Обращаясь к фиг.7, отмечаем, что здесь показан третий предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного оборудования 13 с обводом в соответствии с данным изобретением. Кожухотрубное оборудование 13, в типичных случаях – холодильник технологического газа, аналогично кожухотрубному оборудованию 11 согласно фиг.5 за исключением труб 79 трубного пучка, которые не снабжены U–образными коленами 75, показанными на фиг.5. Кожухотрубное оборудование 13 содержит трубы 79 трубного пучка, предусмотренные в промежутке между своим первым открытым концом и своим вторым открытым концом, соединенными с трубной решеткой 72, при наличии промежуточного соединения с промежуточной трубной решеткой 76. Кожухотрубное оборудование 13 также содержит промежуточный канал 77, соединенный с промежуточной трубной решеткой 76 или кожухом 73, сообщающийся по текучей среде с трубами 79 трубного пучка. Каждая байонетная труба 38 простирается назад от трубной решетки 48 короба до некоторой точки в промежутке между промежуточной трубной решеткой 76 и трубной решеткой 72 и частично вставлена в соответствующую трубу 79 трубного пучка. Обводная система, описанная для фиг.6, жизнеспособна также для кожухотрубного оборудования 13 согласно фиг.7. Эту трубную решетку 72 можно назвать первой трубной решеткой или трубной решеткой основного потока.
Согласно вышеизложенному описанию фиг.3—7, ясно, что раскрытая здесь обводная система концептуально идентична и для кожухотрубного оборудования как с прямыми трубами (двумя трубными решетками), так и с U–образными трубами (одной трубной решеткой). Для всех вариантов осуществления, описанных выше, чтобы снизить или исключить теплопередачу через байонетные трубы 38 между обводным и основным потоками 60 и 58, можно разработать либо байонетные трубы 38 с тепловым барьером, который может быть изолирующим слоем, укладываемым на одной стороне или обеих сторонах байонетных труб 38, либо байонетная трубы 38, состоящие из двойной стенки с промежуточным пространством, которое заполнено заторможенным газом или изолирующим материалом. Обводные трубы 38 частично установлены внутри выпускного канала 16; 70 и частично вставлены в трубы 24; 74; 79 трубного пучка. Регулирующий клапан 44 короба 36 представляет собой двухходовой клапан. Регулирующий клапан 42 короба 36 также представляет собой двухходовой клапан.
Первая текучая среда 14, которой может быть горячий технологический газ, находится в косвенном контакте со второй охлаждающей текучей средой в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком, с параллельным потоком и/или с противотоком. Первой текучей средой 14 согласно предлагаемому способу может быть горячий технологический газ, вводимый в косвенный контакт со второй охлаждающей текучей средой в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком. Первой текучей средой 14 согласно предлагаемому способу может быть горячий технологический газ, вводимый в косвенный контакт со второй охлаждающей текучей средой в соответствии с конфигурациями и с перекрестным потоком, и с противотоком.
Выпускной канал 16, 70 может быть снабжен, по меньшей мере, одним люком 62 для осуществления извлечения компонентов обводной системы сразу же после того, как ее разберут.
Выпускной канал 16; 70 может быть снабжен съемным основным фланцем 64 для осуществления извлечения компонентов обводной системы как одного–единственного блока или как нескольких блоков.
В соответствии с одним аспектом, данное изобретение относится к способу управления температурой на выпуске первой текучей среды, охлажденной в кожухотрубном оборудовании 10; 11; 13, с поддержанием некоторого целевого значения посредством обводной системы. Способ заключается в том, что:
– впускают первую текучую среду 14 во впускной канал 12; 71 через впускное сопло 28 внутритрубного пространства, предусмотренное во впускном канале 12; 71;
– распределяют первую текучую среду 14 во множество труб во множество труб 24; 74; 79 трубного пучка, имеющих первый открытый конец, сообщающийся по текучей среде со впускным каналом 12; 71, и второй открытый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускным каналом 16; 70, причем второй открытый конец соединен с трубной решеткой 22; 72;
– разделяют первую текучую среду 14 – в зависимости от положения регулирующего клапана 44 – на обводной поток 60, текущий во множестве обводных байонетных труб 38 обводной системы, и основной поток 58, текущий в кольцевом зазоре, образованном в промежутке между каждой трубой 24 трубного пучка 74; 79 и соответственной обводной байонетной трубой 38, причем обводная система содержит короб 36, снабженный проходным отверстием или проходом 46, регулирующий клапан 44 и трубную решетку 48 короба, при этом каждая байонетная труба 38 простирается от трубной решетки 48 короба до некоторой точки в промежутке между первым открытым концом и вторым открытым концом труб 24; 74; 79 трубного пучка и частично вставлена в соответствующую трубу 24; 74; 79 трубного пучка, причем множество обводных байонетных труб 38 сообщаются по текучей среде с коробом 36 через трубную решетку 48 короба, при этом короб 38 установлен внутри выпускного канала 16; 70;
– впускают вторую текучую среду в камере вокруг труб 24 трубного пучка 74; 79 посредством впускного сопла 32 межтрубного пространства, предусмотренного в кожухе 26; 73, герметично огораживающем камеру;
– выпускают вторую текучую среду из камеры через выпускное сопло 34 межтрубного пространства, предусмотренного в кожухе 26; 73, после косвенного теплообмена с первой текучей средой через трубы 14 через трубы 24; 74; 79 трубного пучка;
– отводят основной поток 58 из кольцевого зазора труб 24; 74; 79 трубного пучка в выпускную камеру 16; 70 при первом значении температуры T1;
– отводят обводной поток 60 из обводной системы в выпускную камеру 16; 70 при втором значении T2 температуры, которое выше, чем первое значение T1 температуры;
– выпускают первую текучую среду 14 из выпускного канала 16; 70 посредством выпускного сопла 30 внутритрубного пространства, предусмотренного в выпускном канале 16; 70, при температуре T3 на выпуске.
Способ может дополнительно включать в себя этап, на котором:
– объединяют основной поток 58 и обводной поток 60 в объединенный поток 18 (охлажденной) первой текучей среды, имеющий температуру T3 на выпуске, причем этот этап проводят после этапов, на которых отводят основной поток и обводной поток, и перед этапом, на котором выводят (охлажденную) первую текучую среду. Объединяют и смешивают основной поток 58 и обводной поток 60 в выпускном канале 16; 70. Температура на выпуске является результатом объединения основного потока и обводного потока. Когда объединяют основной поток и обводной поток, основной поток и обводной поток смешивают.
В способе, при осуществлении которого объем основного потока 58 и объем обводного потока 60, на которые разделяют первую текучую среду 14, можно регулировать посредством регулирующего клапана 44. Этого можно достичь путем регулирования объема основного потока 58 и объема обводного потока 60, и при этом регулирующий клапан 44 разделяет первую текучую среду 14.
Способ может дополнительно включать в себя этап, на котором:
– корректируют положение регулирующего клапана 44, чтобы изменить объем основного потока 58 и обводного потока 60, если температура T3 на выпуске (охлажденной) первой текучей среды не имеет целевого значения, что осуществляют после этапа, на котором выпускают охлажденную первую текучую среду. В случае холодильника технологического газа, если температура T3 на выпуске, выше, чем целевое значение, объем основного потока 58 увеличивают, а объем обводного потока 60 уменьшают. Соответственно, если температура T3 на выпуске ниже, чем целевое значение, объем основного потока 58 уменьшают, а объем обводного потока 60 увеличивают.
Этап, на котором отводят основной поток 58 из кольцевого зазора труб 24; 74; 79 трубного пучка в выпускную камеру 16; 70 при первом значении T1 температуры, можно проводить путем отвода основного потока 58 в первую камеру 52, которая огораживает первый участок выпускного канала 16; 70, сообщающийся по текучей среде со вторым концом труб 24; 74; 79 трубного пучка. Выпускной канал 16; 70 может быть разделен разделительной стенкой 40 обводной системы на первую камеру 52, которая огораживает первый участок выпускного канала 16; 70, сообщающийся по текучей среде со вторым концом труб 24; 74; 79 трубного пучка, и вторую камеру 54, которая огораживает второй участок выпускного канала 16; 70, сообщающийся по текучей среде с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства.
Этап, на котором отводят основной поток 58 может предусматривать:
– сбор основного потока 58 в первое камере 52.
Этап, на котором отводят основной поток 58, может дополнительно предусматривать:
– сбор, как основного потока 58, так и обводного потока 60, во второй камере 54.
Разделительная стенка 40 может быть снабжена проходным отверстием или проходом 56, обеспечивающим сообщение первой камеры 52 со второй камерой 54. Вторая камера 54 может сообщаться с первой камерой 52 через проходное отверстие или проход 56, с коробом 36 и с выпускным соплом 30 внутритрубного пространства.
Этап, на котором отводят основной поток 58, можно проводить путем отвода основного потока 58 во вторую камеру 54 выпускной камеры 16; 70 через проходное отверстие или проход 56. Основной поток 58 можно отводить из первой камеры 52 во вторую камеру 54.
Этап, на котором отводят обводной поток 60, можно проводить путем отвода обводного потока 60 во вторую камеру 54 выпускной камеры 16; 70. Обводной поток 60 можно сбрасывать в выпускную камеру 16; 70 через проходное отверстие или проход 46. Обводной поток 60 можно сбрасывать из короба 36 в выпускную камеру 16; 70. Обводной поток 60 можно сбрасывать из короба 36 во вторую камеру 54.
Этап, на котором выпускают охлажденную первую текучую среду, может предусматривать подачу объединенного потока 18 в выпускное сопло 30 внутритрубного пространства.
Этап разделения может предусматривать:
– регулирование живого сечения проходного отверстия или прохода 46, которое доступно для обводного потока 60 посредством регулирующего клапана 44, предусмотренного в проходном отверстии или проходе 46, причем через это проходное отверстие или проход 46 вторая камера 54 сообщается с коробом 36.
В случае, если регулирующий клапан 42 стенки 40 предусмотрен, этап разделения может предусматривать:
– регулирование живого сечения проходного отверстия или прохода 56, которое доступно для основного потока 58, с помощью регулирующего клапана 42, предусмотренного в проходном отверстии или проходе 56, причем через это проходное отверстие или проход 56 первая камера 52 сообщается со второй камерой 54.
В случае, если регулирующий клапан 42 стенки 40 предусмотрен, способ может включать в себя этап, на котором:
– корректируют положение регулирующего клапана 44 короба 36 и регулирующего клапана 42 стенки 40, чтобы изменить объем основного потока 58 и обводного потока 60, если температура T3 на выпуске охлажденной первой текучей среды не имеет целевого значения, что осуществляют после этапа, на котором выпускают охлажденную первую текучую среду.
Первая текучая среда 14 согласно предлагаемому способу, которой может быть горячий технологический газ, находится в косвенном контакте со второй охлаждающей текучей средой в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком, с параллельным потоком и/или с противотоком. В альтернативном варианте первая текучая среда 14, которой может быть горячий технологический газ, находится в косвенном контакте со второй охлаждающей текучей средой в соответствии с конфигурацией с перекрестным потоком либо в соответствии с конфигурациями и с параллельным потоком, и с противотоком.
Таким образом, видно, что кожухотрубное оборудование с обводом, а также способ управления температурой на выпуске из кожухотрубного оборудования с обводом в соответствии с данным изобретением, решают ранее поставленные задачи.
Следует подчеркнуть, что короб 36 установлен внутри выпускного канала 16; 70. Короб снабжен регулирующим клапаном 44 и трубной решеткой 48 короба. Вследствие этого, регулирующий клапан 44 установлен внутри выпускного канала 16; 70. Трубная решетка 48 короба также установлена внутри выпускного канала 16; 70. Кроме того, внутри выпускного канала 16; 70 установлены регулирующий клапан 42, а также стенка 40.
Предлагаемое кожухотрубное оборудование фактически обладает следующими основополагающими преимуществами:
кожухотрубное оборудование не имеет обводных труб, устанавливаемых в кожухе, снаружи труб трубного пучка, и поэтому внутренний диаметр получающегося кожуха можно уменьшить по отношению к аналогичному известному кожухотрубному оборудованию (фиг.1);
обводной поток предварительно охлаждается на первом участке труб трубного пучка, т.е. там, где байонетных труб нет; поэтому вся обводная система в целом работает в более холодных условиях по отношению к аналогичному известному кожухотрубному оборудованию (фиг.1 и 2), а коррозия и износ значительно уменьшаются;
обводные компоненты больше не являются частями, находящимися под давлением, а классифицируются как внутренние с точки зрения механических циркуляций;
обводную систему можно извлекать наружу из кожухотрубного оборудования для всестороннего осмотра и технического обслуживания.
Поскольку короб 36, трубная решетка 48 короба и проходное отверстие или проход 46 и регулирующий клапан 44 обводной системы, а также регулирующий клапан 42, проходное отверстие или проход 56 и его стенка 40 предусмотрены внутри выпускного канала 16; 70, эти части можно классифицировать как внутренние компоненты, а не находящиеся под давлением части. Эти части находятся под одним и тем же давлением и внутри, и с наружи, вследствие чего эти части не приходится проектировать выдерживающими внешнее или внутреннее давление. Следовательно, конструкция этих частей упрощается, приобретая, например, меньшую толщину, а потребность в создании и техническом обслуживании этих частей снижается. Это снижает затраты. Кроме того, поскольку эти части установлены в выпускном канале, охлаждать их будет охлажденный основной поток, так что они работают при пониженной температуре, что уменьшает риск перегрева и коррозии. Это продлевает расчетный срок службы и снижает затраты. Поскольку эти части установлены в выпускном канале, горячий обводной поток оказывается заключенным в кожухотрубном оборудовании и смешивается с холодным основным потоком перед тем, как покидает кожухотрубное оборудование. За счет этого, надежность и безопасность гарантируются, благодаря умеренной рабочей температуре частей, работающих под давлением.
Таким образом подразумевается, что кожухотрубное оборудование с обводом, а также способ согласно данному изобретению в любом случае допускают введение многочисленных модификаций и вариантов, причем все они будут находиться в рамках того же самого изобретательского замысла; в дополнение к этому, все упомянутые подробности можно заменить технически эквивалентными элементами. На практике, возможны используемые материалы, а также формы и размеры, любого типа в соответствии с техническими требованиями.
Поэтому объем защиты изобретения ограничивается лишь прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Кожухотрубное оборудование содержит впускной канал для первой текучей среды, подлежащей охлаждению, выпускной канал для охлажденный первой текучей среды, множество труб трубного пучка, по меньшей мере, одну трубную решетку, кожух, герметично огораживающий трубы трубного пучка, и обводную систему для управления температурой на выпуске первой текучей среды с поддержанием некоторого целевого значения. Обводная система содержит короб, устанавливаемый внутри выпускного канала. Короб снабжен проходным отверстием или проходом, регулирующим клапаном и трубной решеткой короба. Короб дополнительно снабжен обводными байонетными трубами. Каждая байонетная труба частично вставлена в соответствующую трубу трубного пучка. Технический результат – снижение габаритов и температурных условий работы оборудования, повышение ремонтопригодности и коррозионной стойкости оборудования. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.
