用于熱交換器或反應器的內部構件的管式熱交換單元的制作方法
【專利摘要】一種用于熱交換器或反應器的內部構件的管束式熱交換單元(1)，所述熱交換單元(1)包括：至少一個管束(2)；多個擋板(3)，所述多個擋板(3)與所述管束關聯并且根據預定布置限定貫穿開口，每一個開口由管束的一根或多根管穿過；以及殼體(6)，所述殼體(6)圍繞所述管束和所述擋板，其中，所述管束和所述殼體的組件可被拆卸并且所述殼體與所述管束通過所述擋板在結構上配合。
【專利說明】
用于熱交換器或反應器的內部構件的管式熱交換單元
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于熱交換器或反應器、特別是用于化學或石化工業的反應器的內部構件的管式熱交換器單元。本發明的優選應用包括用于催化反應器、例如中間冷卻的多床反應器的內部構件的氣與氣交換器。本發明通常還應用在管式設備(例如，熱交換器或反應器)中，所述管式設備包括適合于承受預定操作壓力的外殼體和圍繞管束的第二內殼體。
【背景技術】
[0002]已知需要將管束式熱交換單元安裝在化學反應器、熱交換器或其它設備的內部。著名的示例是在多個床之間包括一個或多個中間的氣與氣熱交換器的多床反應器，例如在EP O 376 000中描述的反應器。
[0003]被設計用于反應器或其它設備的內部構件的熱交換器單元具有其本身的殼體，該殼體通常被限定為內殼體或低壓殼體。該反應器或設備包括另一殼體，即，外殼體，該外殼體被合適地設計成承受操作壓力并且被限定為高壓殼體。
[0004]外殼體或高壓殼體通常應當承受從內部到外部的操作壓力，該操作壓力通常為幾十巴(bar)或在一些情況下大于10bar，并且所述外殼體或高壓殼體被相應地設計。
[0005]反而，內殼體或低壓殼體通常經受從外部到內部(S卩，指向軸線)操作的徑向壓力。事實上，在包括已知的“助熔(fluxed)”氨反應器的大多數應用中，殼體內部和外部的壓力由流體本身產生，該流體穿過殼體外部的第一通道，并且之后進入內部。因此，殼體內部的壓力低于作用在外表面上的壓力，這由于流體流的壓力損失。換句話說，該殼體可被認為是圓柱體，該圓柱體經受來自外部的壓力，所述壓力等于流體的壓力損失(delta-p，即Δρ)。
[0006]如眾所周知的，甚至在相對低的壓力下，經受外部壓力的圓柱體上所施加的應力也可能引起圓柱體的不穩定性和崩潰。為此，無論如何，內殼體的壁必須具有這樣的厚度，該厚度增加了其重量并提高了其成本。
[0007]現有技術的另一共同特征是擋板的存在，擋板支撐管，從而防止振動。制造所述擋板的已知方法是所謂的折流桿配置，其在其它文獻中被描述在US 5，058，664和US 5，642，778中。所述配置提供用于支撐該擋板的縱向桿的框架。
[0008]用于構造用于內部構件的熱交換器單元的已知技術基本如下:由管束、擋板和相應的框架形成的組件被實現并且被引入到圓柱殼體的內部。具有其各的擋板的管束與殼體在結構上是獨立的，這意味著殼體被設計用于自主地承受內部和外部之間的操作壓力的差(delta-p即△ p)。根據上述技術實現的殼體被限定為自支撐的。
[0009]該技術具有若干的問題和缺點，這些問題和缺點迄今尚未得到克服。
[0010]第一問題由表示橫穿殼側的流體的管束的旁路而給出。該效果是由于殼體和管束之間的區域的存在，該區域未被管(旁路區域)占據并且不能被消除。擋板的環有助于形成所述旁路區域:事實上所述環的厚度限定了鄰近于所述殼體的不能被管占據的區域。
[0011]當管的直徑相較于殼體的直徑而相對大時，旁路區域是更大的，并且這在用于反應器(該反應器的殼體具有小的直徑)的內部的熱交換器的領域中經常是這樣的情況。在一些情況下，旁路區域可以大于可使用的流動橫截面的20%到30%。在一些實施方式中，管以圓環、在內管和外殼體之間被分布，并且因此，在內圓周和外圓周上均存在旁路區域。
[0012]當熱交換器為可抽出式的管束型時，擋板外圓周和殼體內直徑之間的間隙量(這確保了管束抽出)增大至旁路區域。
[0013]支撐擋板的框架是重的并且成本高的結構，并且導致了用于管的有效體積的損失。而且，眾所周知的，管組裝是困難的。管應當利用非常精確的配合穿過擋板的開口，否則擋板將不能夠防止管的振動。可適用的規范規定了管和擋板之間非常小的間隙量(實際上是零間隙)并且通常管必須被約束在管束內部，這引起了長的組裝時間和損壞的風險。
[0014]替選的實施方式提供了焊接或固定在殼體內部的擋板。然而，在這些實施方式中，管束不可抽出并且不可拆卸的，這引起了顯著的缺點。不可拆卸的管束使得維修操作更加復雜。而且，由于焊接擋板的存在，管必須在擋板與殼體組裝之后被插入，這涉及到很大的困難。因此，所述替選的實施方式尚不能獲得很大的成功。
[0015]實際上，現有技術教導了可抽出的管束需要結構上獨立的殼體并且該技術迄今已經被視為可唯一適用的。
[0016]在現有技術中尚未完全實現的另一需求如下。在一些應用中，令人滿意的是將殼側分成若干個分隔部，或提供給殼側流體以預定入口和/或出口位置。例如，在多床反應器中，離開殼側的氣體通常必須被供給至隨后的催化床，并且熱交換器單元應當被優選地設計，從而在床的供給點處容納氣體出口，否則需要專用的管或歧管，以便重新導向該氣體，這導致若干的缺點，例如更大的復雜度、更大的尺寸、壓力損失。
[0017]還存在與尺寸的減小而相關聯的問題。例如，關于催化反應器，熟知的是，反應器內部的空間是非常重要的，這因為其基本上確定了催化劑的體積，即，有助于轉化的有效體積。這尤其是旨在增加產量的改造操作的情況下是正確的，其中進行了多種嘗試來恢復現有的反應器內部的有效體積。位于隨后的床之間的交換器的體積對于催化劑是不可用的，并且因此存在很大的動機來減小交換器的尺寸。另一重要的因素是交換效率，其反過來影響了尺寸。
【發明內容】
[0018]本發明旨在解決前述的問題并且提供用于高壓設備的內部構件的交換器，相較于現有技術，其允許更高的效率;針對相同的性能(交換區域、壓力損失)更緊湊的設計;針對用于殼側的氣體的入口和出口的位置允許配置的更大的靈活性;對于維修操作易于執行和拆卸;更低的成本。
[0019]因此，這些目的通過根據所附的權利要求1的熱交換單元來實現。
[0020]熱交換單元的特征是，由所述管束和所述殼體形成的組件是可拆卸的，也就是說，其可被拆卸，并且所述殼體與所述管束通過所述擋板在結構上配合。因此，殼體上可能的應力部分地由所述管束本身承受。例如，所述應力為從外部操作在殼體上的壓力。
[0021]術語“可被拆卸的組件”表示管束可以與殼體分離，而無需抽出管。這可以優選地通過殼體和管束的擋板之間的可拆卸的連接來實現。根據本發明，可拆卸的組件還可以包括若干的焊接點，設置所述焊接點是局部的并且被制成是可接近的，以便在拆卸過程中允許容易的研磨而不損壞部件。
[0022]在一個優選的實施方式中，管束的擋板包括外圍邊緣環，并且通過殼體停靠在所述環上給出殼體與管束之間的結構上的配合。因此，作用在殼體上的應力(例如外部壓力或外部壓力和內部壓力之間的差)至少部分地被傳遞至環，該環充當了殼體本身的加強元件。
[0023]相對于現有技術，擋板與管之間的連接(該連接是沒有間隙或具有非常小的間隙量)給出了殼體、擋板和管之間的結構上的單元，使得對于相同的機械抵抗力，具有擋板的更薄的環和更薄的殼體的構造是可能的。這還確保了更高的熱交換效率。
[0024]通常，殼體的外表面經受了高于操作在內表面上的壓力的壓力，因此，作用在所述殼體上的應力基本上與作用在所經受來自外部的等于外部和內部之間的壓力差的壓力的殼體上的應力相同。
[0025]殼體和擋板的環之間的接觸區域可以沿著環的整個周長延伸，或沿著所述周長的一部分延伸。優選地，所述殼體在所述管束的所述擋板的所述環上停靠在所述管束的所述擋板的所述環的周長的至少50%。優選地，環具有圓形形狀并且其周長通過圓周來表示。
[0026]根據本發明，殼體可以被限定為非自支撐的。殼體的厚度小于設計應力所需要的厚度，該設計應力可以根據標準規則(即，ASME)來計算，并且殼體抵抗力通過與管束結構上配合來給出。該特征在下文中將簡短地被指示為“小厚度”。
[0027]在某些實施方式中，擋板通過直接地固定至殼體的桿而實現，并且在該情況下，所述桿基本上充當殼體的支柱。
[0028]殼體可以由圍繞管束的一個或多個圓周的扇形件形成，所述一個或多個圓周的扇形件的邊緣沿著一個或多個縱向接頭而接合。更詳細地說，殼體的一個或多個扇形件可以通過平面金屬片表示，所述平面金屬片在組裝過程中被彎折，以便圍繞該管束。這通過殼體的小厚度是可行的。
[0029]以上提出了相對于現有技術的實質差異。在現有技術中，可以從殼體抽出的管束被構造成擋板充當將管保持就位的支撐元件，但是它們不與殼體在結構上配合，并且后者被設計成具有大的厚度的自支撐。
[0030]本發明的優點基本如下:殼體可以利用小的厚度實現，因此較輕并且成本較低，這是由于多虧與內部管束的結構配合，故其不需要是自支撐的；擋板的環也是薄的，因此減小了殼體和管束之間的間隙量，并且因此減小了不想要的旁路。擋板被殼體軸向地支撐并且導向，并且不需要現有技術的復雜的并且成本較高的支撐框架。框架的不存在增大了可用于管的空間，因此，針對相同的尺寸，熱交換效率提高了。
[0031]可拆卸的設計使得更容易接近管束以用于清潔或檢查。另一顯著的優點是緊湊性。在催化反應器中，該優點是特別欣賞的，這是由于其允許恢復有效的催化體積。
[0032]針對相同的性能，本發明可以減少所需要的擋板的數目。在現有技術中，教導了一些額外的擋板通過使液流從殼體的壁朝向管束的中心偏離而具有減小旁路的唯一功能。然而，額外的擋板將在殼側中引入另外的壓力損失。本發明基本上移除了旁路并且允許僅安裝用于避免管振動所需要的擋板，結果降低了成本并且減小了壓力損失。
[0033]另一重要的優點在于，容易地提供殼側上的橫向分隔部和縱向分隔部的可能性。例如，利用盲擋板可以獲得殼側上的橫向分隔部，同時殼體接頭允許容易獲得如在U形管的情況下所需要的幾乎完美的密封的縱向分隔部，避免了在現有技術中反而不可缺少的成本更高的密封構件。
[0034]本發明的另一顯著的優點通過以下事實給出:允許如權利要求所限定的創新性的組裝技術。該組裝技術基本上設想:
[0035]提供包括管和各個擋板的管束，所述擋板至少在相對于所述管的軸向方向上自由地運動；
[0036]通過將一個或多個縱向殼體部重疊在管束上來組裝殼體，
[0037]其中，所述殼體一旦定位就將停靠在管束的擋板上，并且此外，擋板通過殼體相對于管束而軸向地保持在其各個操作位置中。
[0038]由于擋板所提供的貫穿開口，根據本發明的組裝方法具有簡化管的插入的顯著優點。在組裝殼體之前，盡管在管和擋板中的開口之間的精確的公差，擋板相對于管也并未被軸向地限制并且具有某種運動自由度。這顯著地方便了管的插入。例如，直的管束必須僅僅固定在兩個管板上的中心。然后，例如通過模板，擋板被依次放置就位并且在組裝殼體時被鎖定在所期望的配置中。這顯著地減少了組裝時間和困難度并因此降低了成本。
[0039]本發明的其它方面和應用以及另外的優點在下文中描述并且表示了從屬權利要求的目的。
[0040]在一些實施方式中，殼體具有非圓形的橫截面。將殼體固定至管束的擋板事實上促進了非圓柱的殼體的構造。例如，該殼體可以具有:具有規則的多邊形形式的橫截面;具有不規則的多邊形形式的橫截面;包括一個或多個直線邊和一個或多個曲線邊、優選地為圓弧的橫截面。根據優選的實施方式，殼體具有6、8或12條邊的規則的或不規則的多邊形橫截面。本發明的其它變型包括:具有階梯形的橫截面的殼體;具有緊密地匹配圓形橫截面的多邊形橫截面的殼體。所述階梯形的橫截面例如由近似圓形的以90°鄰近并連續布置的多條邊形成。
[0041]這些實施方式的優點是進一步減小了旁路區域，這是由于這樣的事實:非圓形的橫截面保持接近于擋板的邊緣并且接近于管束的外圍管。
[0042 ]殼體可以包括多個縱向部，優選地具有基本上等于管束的兩個連續的擋板之間的距離或是該距離的倍數的長度。所述距離還被稱為擋板的間距。這些實施方式可以被限定為“分段殼體”。作為單個并且可移除的部件形成的殼體可被視為單個段。
[0043]在本發明的一些實施方式中，擋板由直接地緊固至殼體的直桿形成的各個組件所形成。擋板因此不具有外圍邊緣或框架。
[0044]通常，包括擋板但無框架的實施方式具有設置有用于容納形成擋板的桿的座部的殼體。所述座部例如可以為圓形孔或合適形狀(例如矩形形狀)的狹槽。
[0045]在包括擋板但無框架的實施方式中，用于便于組裝的另一措施如下。殼體由縱向部分形成，并且用于容納擋板的桿的座部可以:
[0046]-由形成在殼體的鄰近部分的邊緣中的兩個半腔構成，或
[0047]-整體形成在多個部分的一者的邊緣中。
[0048]例如，在第二種情況下，該多個部分具有頂部邊緣和平滑的底部邊緣，所述頂部邊緣具有形成在其中的合適地成形的切口。當殼體的多個部分中的一者堆疊在另一者之上時，用于容納擋板的桿的座部被沿著兩個部分之間的邊緣限定。
[0049]優選地，所述擋板和所述殼體之間的連接基本上液密的。術語“基本上液密的”被理解為意味著所述擋板和所述殼體之間的連接可被密封，或可以允許相較于所參與的整體吞吐量然而是可以忽略的旁路。
[0050]在一些實施方式中，管束的擋板的至少一者是盲的，即形成密封阻擋件，所述阻擋件防止在殼側中的氣體通道。盲擋板針對形成管束的管的外部是密封的。
[0051 ] 一個或多個密封的盲擋板的存在(一個或多個密封的盲擋板可以與一個或多個縱向擋板組合和/或與由縱向部分形成的殼體組合)允許兩個或多個流體通道形成在殼側中，而具有很大的自由度和靈活性。例如，殼側流體的入口點和出口點可以由設計者確定，這比現有技術具有更大的自由度。
[0052]本發明還涉及到一種設備、特別是一種用于化學或石化工業的反應器、或熱交換器，所述設備包括能夠承受預定操作壓力的外殼體并且包括根據所附權利要求的熱交換單
J L ο
[0053]優選的應用在于中間冷卻的多床催化反應器。在這種情況下，一個催化床和下一個床之間的熱交換器或催化床的出口處的熱交換器根據本發明而有利地實現。
[0054]中間冷卻的多床反應器在現有技術中熟知。通常，所述反應器包括環形催化床和一個或多個管式熱交換器;所述熱交換器的每一者同軸地插入到床的中心中；來自床的廢氣在進入下一個床之前穿過交換器的殼側。在管的內部，冷卻流體(例如可以為水、蒸汽或新鮮氣體(反應物))循環并且因此被預熱。
[0055]本發明還應用于現有的反應器的現代化。例如，中間冷卻的多床型的反應器可以通過把一個或多個現有的中間床熱交換器替換為根據本發明的熱交換器(即，包括管束、多個管束擋板以及與擋板在結構上形成一體的殼體的熱交換器)而現代化。
[0056]由于存在廣泛的中間冷卻的絕熱床反應器，特別是在氨和甲醇生產領域中，故本申請是令人關注的，并且有迫切的需求通過提高這些反應器的能力而使其現代化。
[0057]在具有環形床和在床的中心中的中間交換器的反應器中，把常規的交換器替換為根據本發明的交換器允許第一床和第二床的內部收集器的直徑減小，恢復在圓形殼體的情況下產生了旁路效果的作為氣體的流出橫截面的外表面。由于更高的交換效率，還可以減少管的數目并且獲得更為緊湊的交換器。在一些實施方式中，單個的管束可以替換兩個或多個常規的交換器，特別是由于分段殼體。以這樣的方式，獲得了例如管板的數目的減少的更有利的設計。
[0058]在部分打開的反應器中(也被稱為“瓶式反應器”)，所述內部收集器的直徑的減小可以導致進一步結構的簡化。例如，這些反應器的內部僅僅經由具有相對小直徑的開口(人孔)而進入，并且內收集器由多個部件形成，所述多個部件必須依次被引入到人孔內側并然后被焊接在反應器內。該操作由于需要在反應器本身內部執行焊接，故時間長并且復雜。較小的內部收集器(其通過本發明是可行的)可作為一個零件而被引入通過人孔，具有顯著的簡化并且降低了成本。
[0059]借助于涉及到多個優選實施方式的以下詳細說明，多個優點將更加清晰地出現。
【附圖說明】
[0060]圖1為根據本發明的第一實施方式的管式熱交換單元的示意圖。
[0061]圖2為根據本發明的多個不同實施方式中一者的管束的一部分的透視圖，其中殼體被固定至管束的擋板。
[0062]圖3和圖4為圖2的細節。
[0063]圖5為具有圓柱殼體與管束的一部分的透視圖，圓柱殼體設置有縱向接頭并且在構造期間顯示打開的。
[0064]圖6為用于提供圖5中顯示的圓柱殼體的縱向接頭的優選實施方式的細節。
[0065]圖7顯示根據圖5的通過各個縱向接頭閉合的殼體。
[0066]圖8顯示通過殼體支撐擋板的優選方式的細節。
[0067]圖9顯示具有由縱向部分形成的圓柱殼體的實施方式。
[0068]圖10顯示圖9的細節“A”。
[0069]圖11顯示包括擋板但框架和桿沒有直接地固定至殼體的實施方式的示例。
[0070]圖12示出了用于組裝根據本發明的一個實施方式的管式熱交換單元的步驟的示例。
[0071 ]圖13顯示具有U形管的實施方式。
[0072]圖14、圖15、圖16和圖17為類似于圖1的示意圖，其顯示了本發明的多個其它實施方式。
[0073]圖18顯示常規類型的多床催化反應器。
[0074]圖19顯示包括根據本發明的熱交換單元的多床催化反應器。
【具體實施方式】
[0075]圖1示出了用于反應器的內部構件的熱交換單元I，其包括管束2(出于簡潔，僅僅指示出管軸線)和一系列的擋板3。該示例顯示了兩個管板4和5之間的直管，但是在其它實施方式中，管束2例如可以為U形。
[0076]擋板3防止管的振動、促進熱交換并且限定了貫穿開口，每一個貫穿開口由一根或多根管(例如一排管)穿過。根據折流桿結構技術或其它已知的技術，鄰近的擋板可以在不同方向上支撐管。
[0077]交換器I包括殼體6，所述殼體6圍繞管束2，并且根據本發明，所述殼體6與穿過擋板3的管束2在結構上形成一體并且可以被拆卸。圖1的箭頭G表示穿過交換器2的殼側、靠近板4進入并且靠近板5離開的流體。
[0078]擋板3彼此間隔開間距p，該間距優選地是恒定的。
[0079]液流G與在管束2內部穿過的另一液流交換熱。在一些應用中，交換器I為氣與氣交換器;氣體G包含反應物和反應產物并且為催化床的廢物;例如，管內部的液流包含被預熱的反應物。在其它應用中，管內部的流體可以包含水、蒸汽等等。
[0080]現在參考結構方面，圖2顯示可行的實施方式中的一者，其中殼體6由具有階梯形的多邊形形狀的壁7形成。所述壁7通過銷釘8可移除地固定至擋板3的框架10。附圖標記9表示形成管束2的多根管。
[0081]該設備包括多個擋板3，所述多個擋板3以類似于圖1中顯示的方式間隔開間距p。擋板用附圖標記3統一表示。圖2顯示具有用于管的開口的不同布置的兩個擋板3.1和擋板3.2，特別是成90°定向的不同布置。
[0082]擋板3的形式和到壁7(形成殼體6)的結構連接在圖3和圖4中更為清晰地可見。
[0083]擋板3基本上包括外圍框架或邊緣環10和以桿11形式的直的且平行的元件，它們限定了用于管9的開口 12。每一開口 12容納某一數目的管。在鄰近擋板中的開口 12可以在垂直于管的軸線的平面內不同地定向，例如它們定向成90°，以便在互補的支撐平面中支撐管，如通過比較圖3和圖4中顯示的細節而可被理解。
[0084]應當注意的是，桿11表示多個擋板3的結構形式中的一者，并且針對不同類型的擋板(例如，網格擋板)可以有等效的實施方式，其本身是已知的并因此在這里不再詳細描述。
[0085]在所顯示的示例中，框架10具有階梯形的多邊形形式，這基本上類似壁7的形式；在其它的實施方式中，框架10具有不同的形式，例如其為規則或不規則的多邊形或圓周。
[0086]殼體6的壁7可以由不同的縱向部分和/或由一起圍繞管束2的不同部分形成。
[0087]銷釘8與壁7的孔眼13和擋板3的框架10的對應的凸耳14的孔15接合，確保了對所述擋板3的定位和軸向支撐。多個孔15的一者在圖4中可見。
[0088]可以理解的是，通過與銷釘8的可拆卸的連接，殼體6在結構上與擋板3配合。殼體直接地支撐擋板3并且特定的框架或結構不是必要的，這反而在現有技術中是必需的。相同的擋板3充當殼體6的橫肋，與可被特別地輕薄制成的殼體的強度配合。
[0089]由于階梯形的多邊形形式，管的潛在的旁路空間(在圖2中用標記Sbp表示)非常小。這是因為階梯形的壁7保持非常靠近于該管束2的外圍管9并且比圓形橫截面更良好地匹配它們的布置。此外，如在圖3和圖4中可以注意到的，框架10的小的厚度(由于結構配合)有助于減小所述旁路空間Sbp。
[0090]通常存在于擋板的外圓周和殼體的內壁之間的間隙量同樣被移除了，這導致了提高的熱交換效率。密封襯墊可以設置在擋板3和壁7之間，盡管其不是必要的并且通常不存在。
[0091]圖2顯示了一個實施方式，在該實施方式中，管束2具有環形配置并且熱交換單元還包括具有內管的功能的內壁7’，該功能例如為在穿過殼側的通道之后將液流向上輸送。優選地，所述內壁7’具有與外壁7相同的配置，例如圖2中所示的階梯形的配置或多邊形的配置或圓形的配置。
[0092]有利地，殼體6包括一個或多個縱向(S卩，平行于管9的方向)布置的接頭。
[0093]圖5顯示了圓形殼體6的示例，該圓形殼體6由包裹在管束2的周圍的金屬片16形成，并且具有單個縱向接頭17。同樣，圖5顯示了兩個擋板3(由標記3.1和3.2表示)。應當注意的是，金屬片16可被彎折并且包裹在管束的周圍，形成圓柱(如圖5所示)，這是由于金屬片本身的小的厚度，使得通過結構配合是可能的。
[0094]根據一個優選的實施方式，縱向接頭17的細節顯示在圖6中。每一擋板3的框架10具有例如以燕尾形式的座部19，以用于容納片16的端部18。所述片16的端部18有利地被配置成接合座部19，例如它們被折疊成鉤形。例如，如在圖6中所顯示的，片16包裹在管束2的周圍，并且通過成形型材20鎖定。
[0095]圖7顯示了具有縱向接頭17的組裝殼體。可以注意的是，在該示例中，還示出了具有中心管21的環形管束2。
[0096]接頭17通過示例而單獨描述;其它類型的接頭是可以的，例如具有孔眼和楔形物的接頭或具有重疊部分的常規類型的接頭。為了簡化殼體6在管束2的周圍的包裹，如圖9的實施方式中，殼體6可以有利地由多個部分形成。
[0097]圖8中的細節顯示了與殼體關聯的并且適合于在所期望的位置中支撐擋板3的支撐構件的示例。在顯示的實施方式中，通過示例，所述支撐構件由成對的楔子(cleat)22形成，所述楔子22被固定至殼體6(即，片16)的內壁。本身支撐擋板3的殼體6的結構配合因此是容易理解的。
[0098]還應當注意的是，由于將殼體6固定至擋板3的結構，所述擋板3隨著殼體6相對于管9而縱向地膨脹。因此，加熱以及特別是溫度瞬變(例如，在化學反應器的啟動期間，單元I被插入到化學反應器的內部)不會引起殼體和擋板之間的張力。
[0099]縱向接頭(例如上面所描述的接頭17)和任何圓周的接頭還可以是不可拆卸的，例如它們可以是焊接的和/或鉚接的。當殼體的移除特征不是必要的或不是必需的時，非可拆卸的接頭可以是優選的。同樣在該情況下，焊接部分將被配置成確保容易移除該焊接部而不會引起對部件的任何損壞，從而這些部件可被再次利用。同樣關于該方面，可容易拆卸的部分是期望的。在任何情況下確保了殼體6和擋板3之間的結構的統一性。
[0100]圖9顯示了一個實施方式，在該實施方式中，殼體6包括多個縱向部分。該示例顯示了類似于圖7的結構，即具有圓柱殼體，其中兩個部分16.1和16.2是可見的。優選地，部分的長度L等于擋板3的間距P(圖1中顯示的)或等于多倍間距。
[0101]圖9中的示例還顯示了焊接結構，如從圖10中顯示的細節可以理解的。形成殼體6的擋板16.1和16.2等被焊接至擋板3。在圖3中，可以看到擋板3的邊緣成形以容納片16.1和16.2的端部。
[0102]圖11顯示了一個變型，其中限定了用于管的開口12的元件11被直接地固定至殼體6，即擋板3不具有框架10。
[0103]該附圖顯示了一個示例，在該示例中，基本圓形的桿11被焊接在壁7中的孔23內部。在具有由數個部分形成的套筒的變型中，所述孔23有利地由形成在多個部分的邊緣中的半腔形成。應當注意的是，桿11和殼體中的對應的座部(等效于孔23)的其它形式是可能的。
[0104]應當注意的是，圖11顯示了由階梯形的壁7形成的殼體6(如在圖2中)，但是必須被考慮的是，包括無框架的擋板的所述變型同樣適用于所有的其它實施方式，例如包括圖5至圖9中所顯示的圓形殼體的那些實施方式。
[0105]中心管道(如果存在的話，例如，如圖7或圖9中顯示的)應當設置有用于所述元件的合適的盲座部。
[0106]圖12示出了另外形成本發明的一個方面的制造方法的示例。該附圖顯示了主要的組件，即多根管9的管束2、板4和板5、以及擋板5。擋板3可軸向地(即在平行于管9的方向上)運動，并且在某些情況下還橫向地(即在開口 12的方向上)運動。該附圖顯示了由于該橫向移動性而交錯的擋板3。該橫向移動性在某些情況(例如在具有限定狹槽開口的擋板的情況)下只要不安裝外圍管就是可能的；一旦所有的管被安裝或在其它類型的擋板(例如，網格擋板)的情況下，所述橫向移動性可被阻止。
[0107]從圖12中可以理解的是，大大地促進了在組裝期間將管9引入到擋板3的開口2中。在現有技術中，事實上，當擋板3已經被鎖定在其限定位置中時，管被插入，這意味著管必須與一連串的具有最小間隙的開口 12精確地接合。這引起了主要的組裝問題。另一方面，通過本發明，擋板3的移動性使管更容易且更快速地插入。然后，如所需要地，將擋板3以間距P間隔開地定位，并且通過模板或其它輔助構件而鎖定;殼體6之后例如利用圖5至圖9所示出的步驟而安裝。殼體6—旦被安裝，就例如通過上面所描述的楔子22將擋板3保持就位。該示例甚至更清晰地示出了殼體和擋板之間的結構配合。
[0108]圖13顯示特別地適合于U形的管束2的另一結構變型。在該變型中，殼體6(其可被分成多個縱向部分)由通過縱向突緣25接合起來的半殼體24.1和24.2形成。所述半殼體有利地成形有弓形部分和在突緣25中終止的平坦部分26，并且支撐夾持在所述突緣25之間的縱向分隔部27。
[0109]已知的是，U形管交換器通常需要縱向分隔部，以便獲得相對于管逆流的殼側通道;圖13顯示了縱向分隔部27可以由殼體6直接支撐，殼體6依次被固定至擋板3。
[0110]換句話說，在U形管交換器中殼側的分隔是特別簡單并且有利的，這是由于其確保了對中心分隔部27的絕對的密封，提高了效率并且降低了成本。如從附圖中可以看到的是，通過平坦部分26終止的兩個半殼體24.1和24.2的形狀是這樣的，使得縱向突緣25保持在常規的圓柱殼體的外部尺寸內。殼側的數個縱向分隔部是可以的;例如通過兩個分隔部(其可以在結構上類似于附圖中所示的分隔部27)獲得具有三個縱向通道的殼體。
[0111]由于本發明，圖14至圖17顯示了許多可行的配置中的一些。
[0112]圖14顯示了具有直管的交換器，其中殼體6基本上由三個縱向部分6.1,6.2和6.3形成。這些部分的端部間隔開，從而為氣體入口和氣體出口留下開口。此外，交換器包括在一個縱向部分和下一部分之間的盲擋板3.C。不同于擋板3(由細線表示)，所述擋板3.c不允許在殼側中的氣體通道。然后，獲得了三個殼側通道，如通過附圖中的箭頭所顯示的。
[0113]圖15顯示了具有U形管(而非直管)的視圖，并且因此具有單個管板4。縱向分隔部也存在并且該殼側被分成6個部分。
[0114]在殼側中流動的流體可以在一個通道和另一通道之間經歷給定的處理步驟。所述處理步驟可以例如包括熱交換和/或化學反應階段。換句話說，圖14或圖15中顯示的交換器可以基本執行與三個不同的交換器相同的功能，同時比三個分開的交換器在結構上更簡單并且成本更低，這是因為無論取決于管是U形或直的，圖14或圖15中顯示的交換器僅具有一個或兩個管板。
[0115]例如，圖14中顯示的交換器可以插入到用于氨合成的反應器中，并且在殼側上的這三個通道執行催化床之間的中間冷卻。
[0? Ι?]圖16和圖17顯不了兩種配置，其中殼側被分成兩個通道。在圖16中，在盲擋板3.c和殼部分6.1之間有密封件，其中第一通道出口在入口旁邊。所述配置在某些應用中是有利的，例如在反應器中的豎直交換器中是有利的，其中令人滿意的是，殼側氣體的入口和出口均位于頂部處。
[0117]本發明可被應用到以新的設備形式的新反應器，或可以用來使現有的反應器現代化。
[0118]本發明的應用之一涉及到圖18中顯示的該類型的反應器的現代化。通過用根據本發明的管式交換器替換一個或多個已存的管式交換器，可以獲得優點，包括:更高的效率、用于催化劑的有效體積的恢復、減少內部管件的可能性。
[0119]所述圖18示意性顯示了用于氨或甲醇的高壓合成的多床反應器30，包括催化床
31、32、33和兩個中間冷卻交換器34、35。反應器30裝備有能夠經受操作壓力的外殼體36。反應器30的操作原則從現有技術中已知，并且不需要詳細描述。反應物氣體流徑向地穿過第一床31，由于放熱反應而溫度升高;離開床31的熱流在穿過交換器34的殼側時被冷卻，并且穿入到用于隨后發生的反應階段的床32;—旦離開床32，氣體在穿入到交換器32的殼側中時冷卻并且進入到用于最后的轉化階段的床33中。
[0120]圖19顯示了修改的反應器，其通過附圖標記30’表示。催化床之間的熱交換通過根據本發明的單元I執行，單元I具有由兩個部分6.1和6.2(其替代了兩個交換器34、35)形成的分段殼體(segmental shell)。殼側氣體的路徑通過合適的密封件37管理。
[0121]本發明的優點之一存在于這樣的事實中:由于殼體的分段結構，單個的管束是足夠的并且因此僅僅需要兩個管板。根據圖18的常規結構反而需要兩個管束，每一管束具有兩個各自的板。
[0122]應當注意的是，殼體36可以承受升高的反應壓力。內部單元I的殼體6.1、6.2經受基本上由于壓力損失并因此被限制到幾巴的壓差。
[0123]參考圖19，可以看到的是，單元I的殼體內部的壓力低于所述殼體外部的壓力。殼體所經受的應力基本上等于經受的來自外部的壓力的圓柱的應力。由于結構配合，應力部分地由擋板和管束承受，并且殼體被構造有小的厚度。
【主權項】
1.一種用于熱交換器或反應器的內部構件的管束式熱交換單元(I)，所述熱交換單元(I)包括: -管束(2)，所述管束(2)依次包括多根管和多個支撐所述管的擋板(3); -殼體(6)，所述殼體(6)圍繞所述管束； -其中，所述擋板(3)垂直于所述管束的縱向軸線并且根據預定方案限定用于所述管的貫穿開口(12)， 所述熱交換單元的特征在于: -由所述管束和所述殼體形成的組件為可拆卸的； -所述殼體(6)與所述管束通過所述擋板在結構上配合，從而作用在所述殼體上的應力部分地由所述管束本身承受。2.根據權利要求1所述的熱交換單元，其特征在于:所述管束的所述擋板(3)包括各個外圍邊緣環(10)，以及所述殼體與所述管束之間的結構上的配合通過所述殼體停靠在所述環上給出。3.根據權利要求2所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體沿著所述管束的所述擋板的所述環的周長的至少50%、并且優選地沿著整個周長而停靠在所述管束的所述擋板的所述環上。4.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述擋板包括基本上充當所述殼體的支柱的桿。5.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體(6)為非自支撐的，所述殼體的厚度小于在操作中作用在所述殼體上的應力所需要的最小厚度，并且通過與所述管束的結構上的配合而給出所述殼體抵抗所述應力。6.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體(6)由包裹在所述管束周圍的一個或多個扇形件形成，所述一個或多個扇形件的邊緣沿著一個或多個縱向接頭而連接。7.根據權利要求6所述的熱交換單元，其中，所述殼體的所述一個或多個扇形件由基本上平面的金屬片表示，所述基本上平面的金屬片被彎折以用于圍繞所述管束。8.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體(6)包括多個縱向部分(6.1-6.3; 16.1,16.2)。9.根據權利要求8所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體(6)包括至少兩個縱向部分，所述熱交換單元包括至少一個在所述殼體的兩個連續的部分之間的盲擋板(3.C)，所述盲擋板形成所述設備的殼側中的氣密阻擋件，所述設備的殼側因此被分成至少兩個分開的氣體通道。10.根據權利要求8所述的熱交換單元，其特征在于:所述縱向部分具有在縱向方向上基本上等于所述管束的所述擋板(3)之間的距離或間距(P)的長度。11.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體具有選自以下中的橫截面:具有規則或不規則的多邊形的形式的橫截面;階梯形的橫截面;包括至少一個直線邊和至少一個曲線邊、優選地圓弧的橫截面。12.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于:所述殼體(6)包括用于限制所述擋板(3)、在平行于所述管束的軸向方向上作用的構件(22)，所述擋板(3)因此被所述殼體軸向地保持在預定位置中。13.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，其特征在于在所述擋板與所述殼體之間的基本上液密的接頭。14.根據前述權利要求中任一項所述的熱交換單元，所述熱交換單元包括至少一個不能滲透的密封的分隔部(27)，所述分隔部(27)為縱向的并且相對于所述管束平行。15.—種加壓設備(30’)，優選地為化學反應器并且更優選地為用于氨合成的反應器或用于甲醇合成的反應器，所述加壓設備(30’)包括抵抗預定操作壓力的外殼體(36)和至少一個根據前述權利要求中任一項所述的內管式的熱交換單元(I)。16.根據權利要求15所述的加壓設備，其中，所述設備為包括多個絕熱的催化床的多床型的化學反應器，并且所述化學反應器內部的至少一個管式熱交換單元為用于在兩個催化床之間中間冷卻的熱交換器。17.—種用于組裝熱交換器或反應器的內部構件的管式熱交換單元的方法，所述方法包括: -提供具有多個擋板(3)的管束(2)，所述擋板能夠至少在相對于所述管束的軸向方向上自由地運動； -提供圍繞所述管束的殼體(6)，并且其中，所述殼體一旦圍繞所述管束被定位，就將所述擋板相對于所述管束軸向地保持在各個操作位置中，所述殼體與所述管束通過所述擋板在結構上配合。18.根據權利要求17所述的方法，其中，在組裝期間，所述殼體由被彎折并且包裹在所述管束周圍的一個或多個部分形成。
【文檔編號】F28D7/16GK105849497SQ201480070038
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月16日
【發明人】恩里科·里奇
【申請人】卡薩爾公司