КОЖУХОТРУБНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ИЗ ГОРЯЧЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТОКА
SHELL-AND-TUBE APPARATUS FOR HEAT RECOVERY FROM HOT PROCESS STREAM

Область техники
Изобретение относится к кожухотрубному теплообменнику, выполненному с возможностью рекуперации тепла из технологического потока путем испарения некоторой среды, например воды. Такой вид теплообменника обычно называют котлом-утилизатором.
Уровень техники
Общей потребностью в химических и нефтехимических установках является рекуперация тепла из горячего газа, например из продуктов процесса горения или строго экзотермической реакции. Обычно тепло извлекается путем испарения воды и создания горячего потока под соответствующим давлением; этот поток может использоваться внутри самого процесса, там, где это целесообразно, или направляться во вспомогательное устройство, например в компрессор.
Для удовлетворения этой потребности широко используются вертикальные кожухотрубные паровые котлы. Например, в типичном вертикальном паровом котле горячий газ проходит в пакете U-образных труб, направленных вверх и соединенных с трубной доской в нижней части; испарение воды происходит в межтрубном пространстве, образующем встроенный разделительный барабан для отделения пара.
Такая конструкция относительно компактна и не требует наличия внешнего разделительного барабана; однако она подвержена проблемам коррозии, в основном вызываемой осаждением на трубах и трубной доске взвешенных в воде твердых частиц. Следует отметить, что в добавление к естественному осаждению за счет силы тяжести осаждение взвешенных в воде твердых частиц вызывается также неоднородностью распределения воды в межтрубном пространстве. Повышенное осаждение твердых частиц наблюдается в зонах межтрубного пространства, где подача воды затруднена, и испарение - более интенсивное, приводящее к возможному высушиванию. Термин высушивание означает выделение из пузырьков кипения и резкое снижение коэффициента теплообмена, что также может привести к перегреву труб. Другая проблема связана с осаждением и окислением, которые могут происходить в процессе изготовления и не могут быть устранены конечным потребителем из-за недоступности данного участка.
Другой недостаток данной конструкции связан с тем фактом, что при поступлении горячего газа в трубы первая часть трубы внутри трубной доски не охлаждается испаряющейся средой и, следовательно, становится намного горячее части трубы, погруженной в испаряющуюся среду. Если входная температура газа слишком высока для данного материала трубы или превышает предельное значение, это может привести к коррозии трубного материала, и для входной части труб требуется специальная конструкция. Эта специальная конструкция может включать внутренний защитный металлический наконечник, соединение трубы с трубной доской на задней стороне или защитный элемент в канале трубной доски. Эти элементы увеличивают стоимость и сложность конструкции и снижают ее надежность и ремонтопригодность.
Описанная выше конструкция может быть переведена в горизонтальную компоновку. Даже если в данной компоновке можно избежать проблем с осаждением в трубной доске, другие недостатки сохраняются.
В альтернативной конструкции кожухотрубного котла-утилизатора обеспечивается, чтобы вода циркулировала внутри труб, но и в данном случае всегда предусматривается наличие внешнего разделительного барабана для отделения пара. Внешний разделительный барабан и связанный с ним трубопровод повышают стоимость оборудования, монтажа и требования к пространству размещения.
Рекуперация тепла из горячих технологических потоков является важным направлением в повышении общей энергетической эффективности многих химических установок и процессов. С другой стороны высокие инвестиционные затраты на котел-утилизатор или риск выхода его из строя (например, из-за коррозии) могут снизить привлекательность этой рекуперации энергии. В предшествующем уровне техники не предлагается полностью удовлетворительного решения из-за недостатков, присущих известным котлам-утилизаторам.
Раскрытие изобретения
Изобретение обеспечивает усовершенствованную конструкцию котла-утилизатора, в которой преодолены приведенные выше недостатки, присущие предшествующему уровню техники.
Эти цели достигаются посредством кожухотрубного устройства, содержащего резервуар с теплообменной секцией и разделительной секцией, в котором:
теплообменная секция заключает в себе пакет U-образных труб, имеющих соответствующие входные концы труб и выходные концы труб, и горячую камеру, охватывающую трубы и сообщающуюся с входом технологического потока,
разделительная секция содержит сборную камеру, сообщающуюся с выходными концами труб,
при этом устройство содержит также вход испаряемой жидкой среды, сообщающийся с входными концами труб,
так чтобы при работе трубы подвергались воздействию горячего технологического потока при его прохождении по горячей камере, и испаряемая среда нагревалась и по меньшей мере частично испарялась при протекании внутри труб, и эта по меньшей мере частично испаренная среда после выхода из труб поступала в сборную камеру,
при этом разделительная камера выполнена с возможностью обеспечения отделения паровой фракции и жидкой фракции от по меньшей мере частично испаренной среды.
Разделительная секция устройства может быть выполнена с возможностью обеспечения отделения паровой фракции от жидкой фракции (например, пара от воды) за счет силы тяжести, возможно, с помощью соответствующего сепаратора, предпочтительно расположенного в верхней части сборной камеры. Сепаратор может представлять собой, например, влагоуловитель или циклон.
Предпочтительно разделительная секция выполнена с возможностью обеспечения того, чтобы пар, отделенный силой тяжести, имел чистоту по меньшей мере 98 мас.%. Более предпочтительно, разделительная секция выполнена с возможностью обеспечения пара, отделенного силой тяжести, с чистотой 99,5 мас.% или более. Чистота пара может быть еще улучшена соответствующими средствами, например с помощью паросушителя, при его использовании.
Предпочтительно устройство содержит регулирующее средство для поддержания регулируемого уровня жидкости в сборной камере. Регулирование уровня жидкости может включать управление подачей новой (свежей) воды и частичным рециклированием неиспаренной жидкой фракции. Поэтому устройство может содержать соответствующее средство регистрации уровня жидкости в сборной камере и регулирования количества новой воды и количества рециклированной жидкости, поступающей в трубы.
Уровень жидкости в сборной камере может регулироваться таким образом, чтобы над ним оставался надлежащий свободный объем. Этот свободный объем определяется, например, тем, чтобы обеспечивалось отделение за счет силы тяжести паровой фракции (или по меньшей мере соответствующей ее части). Уровень жидкости может также регулироваться таким образом, чтобы обеспечивалось достаточное давление для естественной циркуляции рециклированной неиспаренной жидкой фракции. Входное давление котла также может использоваться для облегчения рециркуляции.
Рециркуляция неиспаренной жидкой фракции может происходить за счет силы тяжести или в некоторых вариантах выполнения одним или несколькими циркуляционными устройствами, например насосами или эжекторами. Смешивание рециклированной неиспаренной жидкой фракции с новой жидкостью может выполняться внутри или вне устройства. Часть неиспаренной жидкости предпочтительно отводится из сборной камеры для поддержания требуемой степени чистоты.
Устройство может быть скомпоновано вертикально или горизонтально согласно различным вариантам выполнения изобретения.
В вертикальной компоновке разделительная секция предпочтительно находится над теплообменной секцией.
В вертикальной компоновке пакет U-образных труб предпочтительно обращен вниз. Согласно этому предпочтительному варианту выполнения каждая труба имеет начинающуюся у входного конца первую прямолинейную часть, по которой испаряемая среда протекает вниз, вторую прямолинейную часть, по которой среда протекает вверх до достижения выходного конца трубы, и U-образную часть, соединяющую первую и вторую прямолинейные части.
В горизонтальной компоновке пакет U-образных труб располагается горизонтально и предпочтительно имеет входную секцию в нижней части. Соответственно, каждая труба имеет начинающуюся у входного конца первую, нижнюю прямолинейную часть, по которой среда протекает в направлении U-образной части, соединяющей первую, нижнюю часть со второй, верхней частью, по которой эта среда протекает до достижения выходного конца трубы.
В большинстве вариантов выполнения испаряемая среда представляет собой воду, частично превращающуюся в пар для рекуперации тепла. Поэтому нижеследующее подробное описание приведено со ссылкой на воду/пар.
Изобретение имеет следующие основные преимущества: так как испарение жидкости происходит во внутритрубном объеме, уменьшаются мертвые зоны и риск отложения взвешенных твердых частиц. Все трубы равномерно запитываются и нагреваются, поэтому отсутствуют участки, где может иметь место вышеупомянутое явление осушения. Отделение паровой фракции в сборной камере избавляет от необходимости во внешнем сепараторе, снижая тем самым общие затраты. Вышеупомянутый риск перегрева первой части труб внутри трубной доски также устраняется.
Свойства и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из описания, приведенного далее в качестве примера и не имеющего ограничительных функций, в котором делается ссылка на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых схематически показано:
на фиг. 1 - сечение вертикального кожухотрубного устройства согласно одному из вариантов выполнения изобретения;
на фиг. 2 - сечение горизонтального кожухотрубного устройства согласно другому варианту выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображен вертикальный кожухотрубный котел-утилизатор 1 согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения.
Котел 1 выполнен с возможностью извлечения тепла из горячего газа G путем нагрева и испарения подаваемого водного потока W с получением пара S под соответствующим давлением.
Данный котел 1 в основном состоит из нижней теплообменной секции 2, заключающей в себе кожухотрубный теплообменник, и верхней разделительной секции 3, принимающей пароводяной поток, вытекающий из труб, и выполненной с возможностью отделения пара от неиспаренной воды.
В частности, нижняя секция 2 содержит пакет труб 4, имеющих соответствующие входные концы 5 труб и выходные концы 6 труб, и "горячую" камеру (камеру нагрева) 7, охватывающую эти трубы 4. Нижняя секция 2 действует, в основном, как кожухотрубный теплообменник, в котором в трубы подается вода W, и межтрубное пространство, а именно горячая камера 7, продувается горячим газом G.
Пакет труб изображен схематически. Каждая труба представляет собой U-образную трубу, имеющую: первую прямолинейную часть 4а, вторую прямолинейную часть 4b и U-образную часть 4с, соединяющую эти прямолинейные части. Трубы закрепляются трубной доской 32.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения в вертикальной компоновке (фиг. 1) трубы в вертикальном котле обращены вниз, то есть U-образное соединение 4с располагается в нижней части вертикального пучка.
Горячая камера 7 сообщается с входом 8 горячего газа G. Этот газ G может представлять собой, например, продукты сгорания, реформинга или экзотермической химической реакции.
c
Газовый выход 9 охлажденного газа G также сообщается с горячей камерой 7. Охлажденный газ покидает камеру 7 через кольцевую область 10, охватывающую камеру 7. На фиг. 1 показаны также распределитель 11 и отражающая пластина 12 для горячего газа G, а также трубопровод 13, по которому горячий газ G поступает в камеру 7.
Входные концы 5 труб 4 сообщаются с входом 14 подаваемого нового водного потока W через подающую камеру 15. В некоторых вариантах выполнения новая вода W перед поступлением в трубы 4 может смешиваться с соответствующим количеством неиспаренной воды, рециклированной из разделительной камеры 3.
Разделительная камера 3 котла 1 содержит сборную камеру 16, соединенную с пакетом труб 4 и сообщающуюся с их выходными концами для приема смешанного пароводяного выходного потока из этих труб. Поэтому при работе сборная камера обычно содержит некоторое количество воды. Уровень жидкости внутри камеры 16 обозначен позицией 17. Позицией 29 обозначено свободное пространство над уровнем 17 жидкости.
Уровень 17 жидкости регулируется блоком управления 18. В камере 16 поддерживается нужный уровень жидкости, способствующий отделению пара за счет силы тяжести и оставляющий таким образом свободное пространство 29, достаточное для высвобождения пара из воды.
Разделительная камера 3 котла 1 может быть также снабжена соответствующим парожидкостным сепаратором. В показанном варианте выполнения котел 1 содержит паросушитель 19, расположенный в верхней части верхней секции 3 и формирующий тем самым поровую камеру 20, находящуюся над сборной камерой 16 и сообщающуюся с паровым выходом 21.
Неиспаренная вода покидает сборную камеру 16 через основной выход 22 и дополнительные выходы 23, 24, используемые для отвода соответствующего количества воды (водной продувки) с целью недопущения накопления взвешенных в воде твердых включений в сборной камере 16. В частности, выход 23 соединяется с трубой 23а и используется для непрерывной продувки, в то время как выход 24 предпочтительно используется, при необходимости, для периодической водной продувки.
Регулятор 18 уровня в основном содержит два датчика 25, 26 давления и блок 27 управления, определяющий уровень 17 жидкости как функцию от разницы давлений между этими датчиками. При этом уровень 17 предпочтительно регулируется путем изменения расхода новой воды W, подаваемой в трубы 4, и количества рециклированной воды, отведенной из камеры 16.
Рециркуляция неиспаренной воды может происходить внутри или вне котла 1. Например, внутренняя рециркуляция может выполняться путем подачи некоторого количества неиспаренной воды в водяную камеру 15, а внешняя рециркуляция может производиться путем смешивания части воды с выхода 22 с новым подаваемым водным потоком W до подачи на вход 14 котла 1. Котел 1 может включать средства, например насосы или эжекторы, для рециркуляции воды, не показанные на фиг. 1 для упрощения.
Показанный вариант выполнения обеспечивает также то, что сборная камера 16 имеет первую часть, ограниченную внутренней стенкой 30, и вторую часть, ограниченную куполом 28 с диаметром большим, чем остальной кожух.
На фиг. 2 представлен горизонтальный вариант выполнения. Для простоты элементы, соответствующие элементам с фиг. 1, на фиг. 2 обозначены теми же ссылочными номерами. При этом они подробно не описываются, и может быть сделана ссылка на приведенное выше описание фиг. 1.
Можно видеть, что горизонтальный теплообменник на фиг.2 содержит теплообменную секцию 2 и разделительную секцию 3, расположенные бок о бок друг с другом.
Теплообменная секция 2 содержит горизонтальный пакет U-образных труб 4. На чертеже показан вариант выполнения, в котором входная прямолинейная часть 4а труб 4 находится в нижней части пакета, в то время как выходная прямолинейная часть 4b находится в верхней части пакета.
Разделительная секция 3 в основном содержит сборную камеру 16, воспринимающую частично испаренный выходной поток из труб 4, паросушитель 19, регулятор 18 уровня, служащий для управления уровнем 17 воды, выход 21 пара, сообщающийся с паровой камерой 20, основной выход 22 пара и выходы 23, 24 для водной продувки. В представленном варианте выполнения выход 22 имеет также водный коллектор 22а.
Сборная камера 16 имеет первую часть, ограниченную внутренними стенками 30, 31, и вторую часть, ограниченную увеличенной частью кожуха 28.
Действие устройства происходит следующим образом. Теплообменная секция 2 действует как кожухотрубный испаритель, в котором вода нагревается и частично испаряется в трубах 4 за счет теплообмена с горячим газом G, проходящим по горячей камере 7 в контакте с наружной поверхностью труб 4.
Смешанный пароводяной поток выходит из труб 4 и поступает в сборную камеру 16 разделительной секции 3 котла. В пространстве 29 над уровнем 17 жидкости пар за счет силы тяжести разделяется и далее очищается при прохождении через паросушитель 19, так что на паровом выходе 21 получается сухой пар, в основном свободный от воды.
Неиспаренная вода отводится через выход 22. Часть этой неиспаренной воды может быть рециклирована и направлена снова в трубы 4 вместе с новой водой W, как рассмотрено выше.
Должно быть понятно, что данный котел-утилизатор решает задачи изобретения. По сравнению с известным котлом со встроенным разделительным барабаном и испарением воды в межтрубном пространстве, преимущество предлагаемой конструкции заключается в том, что вода находится во внутритрубном пространстве, и, следовательно, отсутствуют мертвые зоны, в которых скорее всего должны оседать взвешенные твердые частицы. Все трубы 4 запитываются и нагреваются одинаково, и поэтому отсутствуют участки, на которых может происходить осушение. Рециклированная вода для подачи в трубы может отбираться с более высокого уровня, чем в отдельном нагревательном барабане, без твердых частиц, концентрирующихся у дна. Подаваемая новая вода может смешиваться с рециклированной водой, подаваемой в трубы, обеспечивая отсутствие в кипящей воде избыточной концентрации твердых частиц. По этим причинам предотвращается коррозия, а также в значительной мере снижение теплопередачи и перегрев из-за отложения твердых частиц на теплопередающих поверхностях. Кроме того, часть труб, находящаяся внутри трубной доски 32, не нагревается горячим газом, и поэтому все части труб, подвергающиеся воздействию горячего газа, охлаждаются кипящей водой внутри труб.
По сравнению с известным котлом с испарением во внутритрубном пространстве, преимущество данной системы состоит с том, что пар разделяется внутри котла без необходимости во внешнем разделительном оборудовании и в соответствующей перекачке по трубопроводу.