换热方法和设备技术

本发明专利技术涉及多股气流与热／冷载体在换热区中经由多路换热通道进行间接换热的方法。这种情况下，气流中仅有一股通过至少一个换热区。换热区内，气流通过的换热通道，局限于换热区的两个端面之间。在所有情况下，气流进入或排出换热通道，都要经过与换热区相连接的收集器／分配器，而在所有情况下，每个收集器／分配器都覆盖换热区的整个端面。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多股气流(gasstream)与热/冷载体(heat/cold carrier)在换热区进行间接换热的方法，在换热区内多股气流通过多路换热通道，仅有一股气流通过至少一个换热区。另外，本专利技术涉及在有多路换热通道的换热区内至少两股气流与热/冷载体进行间接换热的换热设备。在空气低温分馏过程中，要分馏的进料空气必须冷却到工艺温度。习惯上这在主换热器中通过进料空气与所生成的气流进行间接换热。主换热器一般采用板式换热器结构，其对于待处理的气流具有多路换热通道。在加工量很大的空气分馏装置中，需要多个这样的换热区来处理大量的空气和产品。通常，2万～3万Nm3/h空气的主换热器要分成两个区。迄今，通常全部气流和进料气流以及如果还有其它适当气流的话，是通过各单独的换热区的每一个。例如，如果两股不同压力的空气流进入空气分馏装置，所产生的气态产品是氧、纯氮和不纯氮，那么这5种气流必须通过每一换热区。因此，对这些气流每个换热区必须有10个接口，即5个气流入口和5个气流出口。相应地，为了将这些气流分别从各自入口分配到相应的换热通道，同时把这些气流从换热通道排到适当的出口，需要有10套下面称之为收集器/分配器(collector/distributor)的设备。目前，通过结合到换热区的分配段(distribution zones)来实现这些收集器/分配器。在该分配段，至少将某些使各换热通道互相区分开的折流板(lamellae)布置成倾斜的，以使得通过入口流入的气流导入换热通道，或使得从换热通道流出的气流折转通向出口。但是在这种收集器/分配器构成的分配段中，流动状态大大改变。首先，由于折流板的倾斜定向，使流动方向发生变化；其次，换热通道的截面在分配段明显减小。结果，通过的气流流速可能变化。这两种效果均在换热区产生不希望的压力降。德国专利DE-A-42 04 172中公开了把空气分馏装置的主换热器在工艺侧分成多个区，让空气分馏装置产生的每个产品流，通过各自独立的换热区与进料空气流换热。该工艺的目的是降低对每个换热区的控制要求。另一方面，该专利没有涉及换热区分配段造成的压力降，因此也不包括适于减少这种压力降的任何措施。本专利技术的目的是提供一种适于多股气流间接加热或冷却的方法和设备，而且使换热器上的压力降尽可能地小。按照本专利技术一开始叙述的这类方法要达到的目的是，至少一个换热区的一股气流的换热通道局限于该换热区的两个端面之间，在所有情况下，这股气流都是经过联结到换热区的一个收集器/分配器从至少一个换热区的换热通道进入或排出，在所有情况下，收集器/分配器都覆盖换热区的整个端面。本专利技术的换热设备用于至少两股气流与热/冷载体在有多路换热通道的换热区中进行间接换热，其特点是换热区中每一股气流的换热通道局限于换热区两端的端面之间，而且每一个都流动联接到收集器/分配器中，在所有情况下，收集器/分配器都覆盖换热区整个端面。按照本专利技术，至少一股压力降尽可能小的气流通过换热区，在该换热区无其它气流通过。很明显，一股或多股热或冷载体流经这一换热区与气流换热。用于这一气流的换热区的换热通道，从换热区一侧的端面延伸至相对侧的端面，且基本平行。在所有情况下，换热通道两个端面侧都装有一个位于换热区的外面的收集器/分配器，该收集器/分配器覆盖了整个端面，而且与进料或出料管线有接口。因而，换热通道不是通过锥形剖面插入进料或出料管线，流动方向在收集器/分配器中缓慢地改变。因此，在与收集器/分配器相联的换热区中可使压力降最小。按照本专利技术的方法和相应的设备，换热区从入口到出口测得的压力降可能达到约70毫巴。相比之下，在传统换热器中，在入口和出口及换热通道之间，经分配段发生气流的分配和汇合，该分配段接入换热区并具有倾斜的折流板，如果气流来自压力1.2～1.8巴的低压塔，那么所产生的压力降大约为100毫巴。而对不加压的这一侧，本专利技术可使压力降降低了30毫巴左右。这就意味着可以生产比其它方法低30毫巴的低压气流。为了保持主冷凝器的换热条件，在空气压缩机下游空气被压缩到约90毫巴以下就足够了。优选为每股气流提供单独的换热区。首先，这将具有上述低压力降的优点，其次所需的管道数量可以减少。另外，还降低了换热区的成本，因为分配段可明显地更简单。在传统方法中，所有的气流通过每一个换热区，每一股气流在主换热器的冷侧和热侧，都要求有一多支管(manifold line)，该多支管包括通向每个换热区的多条支管，以作为进料管或出料管。相反，如果每股气流通过单独的换热区，就可以省却支管，管道也明显简化。如果经过单独换热区的气速太高，不能在该换热区进行加工，则提供两个或多个换热区，并使该气流的分流通过每个换热区。本专利技术特别适于加工压力低于3.5巴、与热或冷载体进行间接换热的气流，优选1.1～1.8巴的气流，此后将这样的气流称为低压气流。按照本专利技术，在这种情况下，一个换热区只通过这些低压气流中的一股，也就是说对每一股压力低于3.5巴的气流使用一个单独的换热区。在气流压力高于约4巴的情况下，换热区的压力降所起的作用很小，或者可以忽略。因此，将这样的高压气流通过至少一个的、通过低压气流之一的换热区，有时是有利的。本专利技术方法优选用于进料空气的低温分馏。来自双塔精馏系统低压塔的产品气流，具有略超过常压的0.1～0.8巴的过压，所以压力降的降低对其非常重要。氩气产品的情况也类似于此，因为粗氩塔也是在比较低的压力下操作的。特别优选将这些气流与进料空气进行间接换热。这种情况下进料空气可以以不同压力的多股气流通过换热区。因而，一方面，进料空气可以在压力塔压力下通过换热区，然后进入压力塔；另一方面，进料空气可以于换热区上游再压缩，冷却后，膨胀做功产生冷量。在能源费用比较低的地区，降低压力降没有什么好处，因为与节能相关的费用较高。因而，在这些应用中更有用的不是最大程度地降低压力降，而是提高流速，以便达到较高的压力降，最终使换热区减小。优选气流以120～300毫巴的压力降通过换热区，更优选120～200毫巴。提高压力降使流速比传统换热器更高，从而改善传热系数，最终导致换热器体积减小。与已知方法相比，对换热区同样的压力降，本专利技术的方法可能使换热区体积缩小约15％，因此明显节约费用。下面，结合附图，用附图中的实施方案来更加详细地说明本专利技术和其进一步的细节。在附图中附图说明图1表示现有工艺中的具有多个主换热区的大型空气分馏装置的流程布置和结构；图2表示本专利技术的大型空气分馏装置主换热区的流程布置；图3～6表示在换热通道进口区和出口区中折流板的常规排列；图7～8表示在换热通道进口区和出口区中本专利技术的收集器/分配器；图9表示具有氧和氮内部压缩段的本专利技术工艺；图10表示具有氧内部压缩段的本专利技术工艺；图11表示带有氮循环的空气分馏工艺。图1表示现有工艺中加工能力为100000Nm3/h空气的大型空气分馏装置流程图，该装置中必须采用多个单独换热区3的主换热器。压缩和净化后的进料空气1进入装置，部分空气流2直接进入互相平行排列的多个换热区3a～3e，部分空气流4采用压缩机5进行再压缩，在后冷器6中冷却，然后进入换热区3a～3e。带压空气，后面特指要经过透平的空气流7，从换热区3a～3e的中间部位抽出，在透平8中膨胀，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多股气流在换热区中通过多路换热通道与热／冷载体进行间接换热的方法，其中仅有一股气流通过至少一个换热区，其特点是：至少一个换热区（２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）的、用于一股气流（１４、１５、１６）的换热通道，限制于换热区（２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）的两个端面之间，且这股气流（１４、１５、１６）在所有情况下都经过联结到换热区（２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）的收集器／分配器（４１），从至少一个换热区（２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）的换热通道进入或排出；在所有情况下，收集器／分配器都覆盖换热区（２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）的整个端面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：霍斯特科尔迪昂，迪特里希罗特曼，卡尔莱布尔，
申请(专利权)人：林德股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]