CN102792117B - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过与流体换热来使液体气化的热交换器（1），该热交换器包括：本体，其包括分隔板（3）的组件，所述分隔板（3）平行于预定的方向（11）布置并且其间限定有多个通路（4，5）；以及用于接收液体的保持罐（2），其包括大致正交于预定方向（11）的基部（2a），所述基部（2a）包括封闭元件（9，3）和穿设有孔（6a）的主要分配元件（6），所述孔（6a）设计成将液体从保持罐（2）分配到特定通路（4）中。根据本发明，基部（2a）包括跨度（E），跨所述跨度的至少80%且优选全部所述跨度正交于预定方向（11）延伸，并且本发明的特征在于，前述主要分配元件（6）中的每一个都形成延伸到保持罐（2）中的突起部（6f），并且孔（6a）中的每一个都在突起部（6f）中形成开口（6b）。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及通过使用竖板型热交换器与第二流体换热来使液体气化。本发明尤其适用于空气蒸馏设备。

背景技术

在双塔型空气蒸馏设备中，低压塔的罐中的液氧通过与从中压塔顶部流出的气态氮换热而气化。对于低压塔的给定操作压力而言，由于热交换器的结构而必然存在的氧与氮之间的温差决定了中压塔的操作压力；因此，希望这种温差尽可能小，以便使与压缩喷入中压塔内的待处理空气相关的支出最小化。

通常用于这些相变交换器的技术是可以获得提供大的换热面积的高紧凑构件的铝钎焊板翅式热交换器。这些交换器由板组成，所述板之间***有波纹板（ondes）或翅片，从而形成一叠气化“通路”和冷凝“通路”。存在各种波纹板，诸如直波纹板、穿孔波纹板或部分偏移的波纹板（“锯齿状波纹板”）。

在于降膜模式下操作的气化器的情形中，设备的一部分用于将液体分配到气化通路中和换热波纹板的通道之间。

这种针对每个气化器的分配通常根据文献FR-A-2547898中描述的原理来执行：气化通路从冷凝通路的顶部被供给。氧然后经过一行孔，所述孔将氧主要分配（初次分配）到气化通路中。氧然后流经一批水平母线的波纹板，其执行称为二次分配（次级分配）的更精确的分配（将液体摊开到由波纹板形成的通道之间的通路内）。

气化的液氧包含呈溶解形式的杂质。主杂质为一氧化二氮（N₂O）、二氧化碳（CO₂）、烃（C2、C3等）。视操作状况而定，这些杂质可呈固体形式或者呈液体形式沉淀在气化通路中。在工业规模上，重要的是控制这些固体或液体沉淀物的形成，以便避免任何***风险。

每通道或每米待润湿的周界的液体流速是与沉淀物的形成有关的重要参数之一。这是因为，当每通道的液体流速不够高以润湿壁时，沉淀物由气化至干燥而形成。

在这种（薄膜）气化器中，液氧的分配在其操作中起到重要作用（性能和安全）。因此，需要在所有情况下确保液体被正确地分配到每个通道内。为此，液体分配在通道之间必须充分均匀。不均匀的液体分配可能导致尤其是交换器的下部中的波纹板的不良润湿，并因此导致气化至干燥而形成沉淀物。困难在于在每本体和每通路（550通道/通路，55000通道/本体）的通道数量一定的情况下确保全部通道中保持相等的液体流速。

这种液体分配的品质取决于分配器的良好设计和良好的尺寸确定。

EP-A-0797065描述了一种根据权利要求1的前序部分的气化器。对于所述的气化器，液体经一个平面内的开口进入通路，然后滴落到开有槽的棒条上以确保液体靠着通路的壁流动。

液体的主要分配（在通路之间的摊开）通过使液体经过位于定位在通道上方的液池底部中的孔来获得。称为二次分配的分配（在每个通路内摊开）通常使用一批具有水平母线和部分偏移的波纹板获得。

遗憾的是，液体中杂质的存在导致产生执行主要分配的孔变成完全或部分堵塞的风险。这可能引起对通路之间和通道之间的液体分配的显著损害。

因此，要解决的问题是确保通路之间正确的主要分配，同时减少由于液体中可能存在的任何固体杂质而导致分配受损的风险。

发明内容

为此，本发明的方案涉及一种用于通过与流体换热来使液体气化的热交换器，该热交换器包括：

-本体，其包括分隔板组件，所述分隔板平行于确定的方向，并且它们之间限定有大量通路；以及

-用来接收所述液体的保持盘，包括大致正交于所述确定的方向的底部，所述底部包括封闭元件和穿设有孔的主要分配元件，能够且设计成将所述液体从所述保持盘分配到所述通路的一部分；

-所述底部具有正交于所述确定的方向的特定跨度（extension），在所述跨度的至少80%、尤其全部所述跨度上，所述主要分配元件的每一个都在所述保持盘中形成突出部并且所述孔中的每一个都在所述突出部中形成孔口，并且在所述跨度的至少80%、优选100%上，所述底部除所述突出部外位于一个平面内，并且所述孔口在所述确定的方向上位于与所述平面相距至少二毫米且优选至少三毫米的距离处。

二至三毫米代表使得可以完全获得堵塞风险降低的最小距离。因此不存在最大距离。这取决于保持盘的形状。孔口需要位于液池内，并且主要分配元件无需妨碍液体在该池中的自由循环。具体地，需要浴器来维持相同的液位（不会在保持盘中形成液体的“瀑布”）。

所涉及的液体可属于任何类型。根据一个实施例，液氧从蒸馏产生。这种氧通常很纯。流体可属于任何类型。根据一个实施例，流体是来自蒸馏的氮。在换热操作前，流体通常是气态的。液体被加热并变成部分或完全气化。流体冷却并部分或完全冷凝。

分隔板通常是平行的并形成交换器本体的框架。分隔板之间限定有多个平坦通路，因为分隔板在确定的方向或纵向上并且在正交于该方向的方向上是长形的。该确定的方向是当交换器操作时通过所述通路的流体平均而言采取的方向。在通常操作中，该方向是竖直方向。流体平均而言沿通路竖直地循环。仅在以例如用于运输或存储的不同定向想象交换器的情况下，该确定的方向才不再是竖直的，而是变成任意方向。如果交换器侧面朝下，则该方向或多或少是水平的。

液体通常从顶部向下循环通过形成为待气化的液体保留的子集的平直通路的一部分。流体同样通常从顶部向下循环通过其它通路，这形成另一个子集。一般而言，用于液体或流体的通路交替设置，以便使热交换最大化。原则上，流体循环通过全部通路。

液体首先被允许进入位于交换器本体上方的保持盘（在通常操作中）。该盘的底部或多或少正交于所述确定的方向，优选完全正交于确定的方向。通过以铺砌方式将各种元件结合在一起来获得所述底部。这些元件包括穿设有孔的执行主要将液体分配到平直通路的元件和封闭为流体保留的通路的诸如棒条之类的封闭元件。一般而言，分隔板还形成这些封闭元件的一部分；它们的上部可构成保持盘的底部的一部分。

用于液体的主要分配元件通常具有板或棒条的形式并且通常位于许多分隔板之间。底部具有正交于确定的方向的特定延伸部。这在理论上属于该组分隔板。

主要分配元件穿设有许多孔。这些孔优选沿所述确定的方向。它们通常是柱形的。它们通常沿每个棒条均匀地间隔开。在它们的上部中，它们限定有孔口，液体经由这些孔口从保持盘通往平直通路的子集。

在底部的跨度的至少80%、优选全部所述跨度上，主要分配元件在与保持盘相同的一侧沿确定的方向形成突起部。这意味着（当交换器位于使用位置时）孔口能够相对于保持盘底部的其余部分凸出。因此，对于它们变得堵塞而言变得困难得多。这种构型的优点在于液体中可能存在的任何固体颗粒堵塞给定孔口的可能性较低。如果固体颗粒确实积聚，则它们趋于积聚在保持盘的底部中而不是给定孔口的区域内。

本发明的方案是使这些孔口中至少80%尽可能多地凸出，这意味着使正交于确定的方向的底部的跨度的80%以上凸出。该跨度可比作一表面。作为优选，在底部的整个表面上都如此。

在实践中，能够通过在钎焊前使主要分配元件朝向保持盘内侧滑动来实现这一点。

尤其重要的是孔口局部——即相对于包围它的封闭元件——凸出。

此外，根据一些特定实施例，本发明可具有以下特征中的一个或多个：

-所述主分配元件是板。该实施例意味着在蒸发器的制造期间主要分配元件会易于在钎焊步骤前滑落。

-所述主要分配元件穿设有孔，每个孔都具有至少一个壁，并且所述一个或多个壁形成在主要分配元件的本体中。

-在所述跨度超过至少80%、优选全部所述跨度上，所述孔口的中心位于正交于所述确定的方向的同一平面内。这在制造时提供了优势，因为它简化了形成蒸发器的本体和液体保持盘的元件的布置。此外，可以在通往孔的入口处产生相同的液体静压头并且允许良好的分配。

-在所述跨度的至少80%、优选全部所述跨度上，所述主要分配元件包括构成一表面的上部边缘，所述表面在空间O、Ox、Oy、Oz——其中Oz是从所述本体朝所述保持盘定向的所述确定的方向——中的参照系中能由z=f(x,y)这种形式的方程限定，f是连续函数，所述表面具有一个或若干个边缘且其全部最低点在所述边缘上。在通常操作位置，轴线Oz是向外定向的竖直轴线。最低点与函数f的局部最小值对应。于是，上部边缘是如同屋顶作用于雨水一样起作用的连续表面。在不存在位于该屋顶表面的边缘外侧的局部最小值的情况下，雨水不会积聚在屋顶上，或者类似地，固体颗粒不会积聚在主要分配元件的上部边缘上。已经通过孔口的凸出而减轻的堵塞风险由此进一步降低。应该注意，如果孔口不是凸出的，则这种轮廓性质不会降低堵塞风险。

-在所述跨度的至少80%、优选全部所述跨度上，所述上部边缘具有圆顶形或钟形或冠形（biseau）轮廓。这些轮廓具有上述性质（建筑物的屋顶形状）并且建造简单。它们可以避免固体颗粒积聚在主要分配元件的上部边缘上，从而降低执行液体的主分配的孔堵塞的风险。

-孔口的中心位于上部边缘的最高点处。

-在所述跨度的至少80%、优选全部所述跨度上，所述主分配元件包括至少一个凹口，所述凹口用来允许所述主要分配元件均匀地定位——朝所述保持盘的内侧突出。该凹口特别是通过使构件在钎焊前更容易对齐而简化了构件的装配。

-在所述跨度的至少80%、优选全部所述跨度上，所述主要分配元件包括上部边缘和位于所述上部边缘的任一侧的两个凹口，所述凹口用来允许所述主要分配元件与所述封闭元件对齐，所述对齐通过使所述凹口和所述封闭元件与对齐元件、优选水平对齐元件接触来获得，以便保证所述上部边缘相对于所述封闭元件形成特定高度的突出部，所述高度由所述凹口的形状决定。

-所述保持盘布置成使得液体直接到达主要分配元件的孔口内而不经由其它孔口。

-所述孔口具有圆形截面。

-所述孔穿过主要分配元件并具有与确定的方向平行的轴线，该轴线通过主要分配元件的中心。

-所述交换器还包括：

·包括优选具有水平母线和部分竖直偏移的至少一个波纹板的二次分配元件，所述二次分配元件能够并设计成一方面将所述液体分配到所述第一组通路的每个通路中，而另一方面将所述流体分配到所述第二组通路的每个通路中；以及

·具有竖直母线的波纹板，其在所述通路中位于所述二次分配装置下方。

本发明还涉及一种用于通过蒸馏来分离空气的设备，该设备至少包括：

-用来在确定的压力下操作的第一蒸馏塔；

-用来在低于所述确定的压力的压力下操作的第二蒸馏塔；以及

-热交换器，该热交换器能够且设计成通过与所述第一塔的头部气体或空气换热来使所述第二塔的罐液至少部分地气化；

所述设备的特征在于，所述热交换器是如上文所述的热交换器。

附图说明

其它详情和优点将在阅读以下参照附图给出的描述后变得明显，在附图中：

-图1在横剖面中示出了根据本发明的交换器的局部正视图。该剖面通过用于液体的主要分配元件6的孔6a中的一个的轴线。交换器被示出位于其操作位置，即竖直位置。

-图2示出了图1所示的用于液体的主要分配元件6中的一个的放大图。

具体实施方式

图1是通过根据本发明的交换器的竖直剖面。虚线意味着该视图是局部视图；该交换器延续超过这些线。

交换器1由通过堵塞通路的棒条6、9分离的平行竖板3的组件组成。板3平行于确定的方向11，该确定的方向11在本例中恰巧是竖直的。板3之间限定有大量为液氧保留的平直通路4和为气态氮保留的通路5。类型4和5中每一者的通路交替设置。所有这些都由外壁10界定。

元件3、6、9形成用来容纳液体的保持盘2的底部2a。棒条6是设计成执行液体主要分配到通路4中的元件。它们具有均匀地间隔开的孔6a。这些孔6a在棒条6的上部边缘上形成孔口6b。这些孔口6b位于从底部2a的由元件9和3的上部组成的其余部分的给定高度h处。该高度为约3毫米。元件6以竖直方向上约三毫米形成保持盘2中的突出部6f。

这通过使元件6相对于组成保持盘2的底部2a的其它元件3和9偏移来实现。在制造期间，通过钎焊这些元件来将它们固定在该位置。

所述通路还包括用于将氧和氮分配到它们各自的通路中的每一个内的二次分配元件7。所述通路还包括用于在它们的表面处形成液膜的波纹板8。

元件7是由具有水平母线的未穿孔铝板（相对于液氧流以所谓“硬方式（hard way，粗糙方式）”布置）组成的波纹板。以规则间隔，波纹板的每个水平或准水平板面（facette）设置有向上偏移波长的四分之一的凹部（未示出）。凹部沿波纹板的母线测定的宽度与将它们中的每一个与位于同一板面上的两个相邻凹部分离的距离的大小相同。

液氧以由这些孔的孔剖面和孔口6b上方的液头限定的流速经过位于填料7上方的孔6a。因此，孔6a提供了液氧跨通路4的粗略预分配或主要分配。这样预分配的液氧流过波纹板7，这执行了液氧跨每个通路4的整个水平跨度的精确分配或二次分配。液氧因此通过以非常均匀的方式在分配给它的通路的全部壁上涓流——即沿这些壁形成连续的降膜——而到达具有竖直母线8的下波纹板。

同时，气态氮经由分配波纹板（未示出）到达交换器中，然后沿通路5向下流动。同时，气态氮逐渐向相邻的通路4中的液氧散热，以使得氧蒸发，同时使氮冷凝。氮也经过元件7和8，类似于通路4的情况。

图2示出了用于液氧的主要分配元件6的等轴侧放大透视图。该主要分配元件6是一方面用来部分地封闭位于元件6下方的通路4的顶部的板或棒条。元件6穿设有柱形孔6a，所述孔6a是竖直的并均匀地间隔开，并且用来允许液氧从保持盘来到通路4。示出了这些孔中的两个。孔6a在元件6的上部边缘6c上形成孔口6b。

元件6具有上部边缘6c，所述上部边缘6c具有钟形轮廓。在通过原点O以及轴线Ox、Oy和Oz体现的作为正交参照系的空间参照系R中，Oz竖直向上定向，上部边缘是呈屋顶形式的表面，其能够被表达为z=f(x,y)这种形式的方程。在该特定例子中，f例如是y的多项式或正切函数。表面和函数f是连续的。表面在其边缘6g外侧不具有局部最低点。能将孔口视为形成表面的一部分或者未形成表面的一部分，于是，它们的脊部构成或者未构成表面的边缘。其中表面必定不会在其边缘外侧出现任何局部最低点的标准在两个例子中都保持有效。

元件6具有允许它与形成保持盘2的底部2a的铺砌部中包括的其它元件对齐的两个凹口6d和6e。所有这些元件都搁置在正交于确定的方向11的横梁或凸部上。两个凹口形成具有等于约三毫米的高度h的界面（间断面），从而确保元件6在保持盘2中形成相同高度的突出部6f（在方向Oz上）。

Claims (24)

1.一种用于通过与流体换热来使液体气化的热交换器(1)，包括：

--本体，其包括分隔板(3)的组件，所述分隔板(3)平行于确定的方向(11)，并且它们之间限定有大量通路(4，5)，该确定的方向是当热交换器操作时通过所述通路的流体平均而言采取的竖直方向；以及

--用于接收所述液体的保持盘(2)，其包括大致正交于所述确定的方向(11)的底部(2a)，所述底部(2a)包括封闭元件(9，3)和穿设有孔(6a)的主要分配元件(6)，能够且设计成将所述液体从所述保持盘(2)分配到一部分所述通路(4)；

所述底部(2a)具有正交于所述确定的方向(11)的特定跨度(E)，在所述跨度的至少80％，所述主要分配元件(6)中的每一个都在所述保持盘(2)中形成突出部(6f)并且所述孔(6a)中的每一个都在所述突出部(6f)中形成孔口(6b)，

所述热交换器的特征在于，在所述跨度超过至少80％上，所述底部除所述突出部(6f)外位于一个平面内，并且所述孔口(6b)在所述确定的方向(11)上位于与所述平面相距至少两毫米的高度(h)处。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述主要分配元件(6)是板。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述主要分配元件(6)穿设有孔，每个孔都具有至少一个壁，并且所述一个或多个壁形成在所述主要分配元件的本体中。

4.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，在所述跨度的至少80％上，所述孔口(6b)的中心位于正交于所述确定的方向(11)的同一平面内。

5.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在所述跨度的至少80％上，所述主要分配元件(6)包括构成一表面的上部边缘(6c)，所述表面在空间O、Ox、Oy、Oz中的参照系中能够由z＝f(x,y)这种形式的方程限定，其中Oz是从所述主要分配元件的本体朝所述保持盘(2)定向的所述确定的方向(11)，f是连续函数，所述表面具有一个或若干个边缘且其全部最低点位于所述边缘上。

6.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，在所述跨度的至少80％上，所述上部边缘(6c)具有圆顶形或钟形或冠形轮廓。

7.如权利要求5或6所述的热交换器，其中，所述孔口(6b)的中心位于所述上部边缘(6c)的最高点处。

8.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，在所述跨度的至少80％上，所述主要分配元件(6)包括用来允许所述主要分配元件(6)朝所述保持盘(2)的内侧突出的、均匀地定位的至少一个凹口(6d，6e)。

9.如权利要求8所述的热交换器，其特征在于，在所述跨度的至少80％上，所述主要分配元件(6)包括上部边缘(6c)和位于所述上部边缘(6c)的任一侧的两个凹口(6d，6e)，所述凹口用来允许所述主要分配元件(6)与所述封闭元件(3，9)对齐，通过使所述凹口(6d，6e)和所述封闭元件(3，9)与对齐元件接触来获得所述对齐，以便保证所述上部边缘(6c)相对于所述封闭元件(3，9)形成特定高度的突出部(6f)，所述突出部的所述高度由所述凹口(6d，6e)的形状决定。

10.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述保持盘布置成使得液体直接到达所述主要分配元件的所述孔口(6b)中而不经过其它孔口。

11.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述孔口(6b)具有圆形截面。

12.如权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述孔穿过所述主要分配元件并具有平行于所述确定的方向的轴线，所述轴线通过所述主要分配元件的中心。

13.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括：

-二次分配元件(7)，其包括至少一个波纹板，所述二次分配元件(7)能够且设计成一方面将所述液体分配到一部分所述通路(4)中且另一方面将所述流体分配到另一部分所述通路(5)中；以及

-具有在所述确定的方向(11)上的母线的波纹板(8)，其在所述通路(4，5)中位于所述二次分配元件(7)下方。

14.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述主要分配元件(6)中的每一个都在所述保持盘(2)中形成突出部(6f)并且所述孔(6a)中的每一个都在所述突出部(6f)中形成孔口(6b)。

15.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述底部除所述突出部(6f)外位于一个平面内。

16.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述孔口(6b)在所述确定的方向(11)上位于与所述平面相距至少三毫米的高度处。

17.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述孔口(6b)的中心位于正交于所述确定的方向(11)的同一平面内。

18.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上所述主要分配元件(6)包括所述上部边缘(6c)。

19.如权利要求6所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述上部边缘(6c)具有圆顶形或钟形或冠形轮廓。

20.如权利要求8所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述主要分配元件(6)包括所述至少一个凹口(6d，6e)。

21.如权利要求9所述的热交换器，其特征在于，在全部所述跨度上，所述主要分配元件(6)包括所述上部边缘(6c)和所述两个凹口(6d，6e)。

22.如权利要求9所述的热交换器，其特征在于，通过使所述凹口(6d，6e)和所述封闭元件(3，9)与水平对齐元件接触来获得所述对齐。

23.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于，所述至少一个波纹板具有正交于所述确定的方向(11)的母线并在所述确定的方向(11)上局部偏移。

24.一种用于通过蒸馏来分离空气的设备，至少包括：

-用于在确定的压力下操作的第一蒸馏塔；

-用于在低于所述确定的压力的压力下操作的第二蒸馏塔；以及

-热交换器(1)，其能够且设计成通过与所述第一蒸馏塔的头部气体或空气换热来使所述第二蒸馏塔的罐液至少部分地气化；

所述设备的特征在于，所述热交换器(1)是如权利要求1至23中任一项所述的热交换器。