热交换器和包括热交换器的分离设备的制作方法

1.本发明涉及一种热交换器和一种包括热交换器的分离设备。热交换器可以是横流式的，但也可以应用于逆流式热交换器，如b.a.hands编辑的“cryogenic engineering”,学术出版社(academic press)，1986，第213-216页，ep1338856和de102018009780中对过冷器的描述。


背景技术：

2.图1示出一种分离设备，其包括：在第一压力下操作的第一塔k1和适于在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔k2，第一塔的顶部与第二塔的罐热连接；和用于将纯化和冷却的空气10至少输送到第一塔的机构。
3.为了在第二塔中产生回流，来自第一塔的罐的富含氧的液体b在过冷和膨胀后被送到第二塔的中间级。同样，来自第一塔顶部的富含氮的液体c通常在与富含氧的液体相同的过冷器s中过冷并且然后膨胀后被送到第二塔的顶部/来自第一塔顶部的富含氮的液体c通常在与富含氧的液体相同的过冷器s中过冷后被送到第二塔的顶部，然后膨胀。这两种液体分别称为富液和贫液。
4.这些液体通过与在过冷器中被加热的第二塔的气态氮流a进行热交换而被冷却。
5.在用于通过低温蒸馏分离空气的设备的过冷器中，特别是在横流式配置中，贫液和富液的冷却发生在两个串联的交换器中，如在us2840994中。这些交换器可以集成在具有多个独立区段的单个交换器中。这意味着富液被冷却到高于贫液入口温度的温度。本发明在于使得能促进富液的冷却，而不会在交换器中产生死通道，同时保留了紧凑性。
6.来自第一塔k1的储罐的富液b在比来自塔k1的顶部的贫液c的入口温度低的温度下离开过冷器s。
7.液态或气态氧90作为产品在塔k2的底部被提取。
8.图2a和图2b示出了构成现有技术热交换器的通道，该热交换器具有用于冷却液体b、c的多个独立区段。
9.图2a示出了由n个通道构成的通道组中的一个通道1，其中:
[0010]-液体b经由箱b1进入根据现有技术的交换器s的第一区段sb，并经由箱b2离开。
[0011]-液体c经由箱c1进入根据现有技术的交换器s的第二区段sc，并经由箱c2离开。
[0012]-sb和sc两个区段是串联的。
[0013]
图2b示出了专用于气体a的由n+1或2n个通道组成的通道组中的一个通道2，该气体a沿着根据现有技术的交换器s的整个长度行进，以便加热/冷却图2a中位于图2b的通道两侧的通道。气体从入口a1开始下降，并在到达出口a2之前在专用的通道组中被加热。因此，在第一区段中，气体a仅与液体b交换热量，而在第二区段中，气体a仅与液体c交换热量。
[0014]
交换器s由结合了两个通道组的通道堆组成，其模式通常如下:(21)*n’2或(212)*n’，n’是该模式的重复次数，n’大于或等于1。
[0015]
图3a和图3b示出了构成现有技术热交换器的通道，该热交换器具有用于冷却液体
b、c的独立区段。
[0016]
图3a示出由n个通道构成的通道组中的一个通道1，该通道1专用于经由箱b1进入交换器s的第一区段sb，并经由箱b2离开的液体b。阴影区域代表死区，在该死区中没有发生热交换，因为没有流体在其中循环。
[0017]
图3b示出了专用于液体c的由p个通道构成的通道组中的一个通道2，该液体c经由箱c1进入交换器s的第二区段sc，并经由箱c2离开。阴影区域代表死区，在该死区中没有发生热交换，因为没有流体在其中循环。
[0018]
图3c示出专用于气体a的由n+p+1或2n+2p个通道构成的通道组中的一个通道3，气体a沿交换器s的整个长度行进，以便加热/冷却位于图3c的通道的两侧的图3a和图3b的通道。气体从入口a1开始下降，并在到达出口a2之前在专用的一系列通道中被加热。因此，在第一区段中，气体a仅与液体b交换热量，而在第二区段中，气体a仅与液体c交换热量。
[0019]
交换器s由结合了图3a、图3b和图3c的三个通道组的通道堆组成，其中，当n＝p时，其模式通常如下:(3132)*n’3或(313323)*n’，n’是模式的重复次数，n’大于或等于1。
[0020]
图4a、图4b和图4c示出了图3a、图3b和图3c的变型，其中液体b在比液体c进入交换器的温度更低的温度下离开交换器。因此，存在交换器的中央区段s
bc
，在该中央区段中，气体a同时与两种液体b、c进行热交换。


技术实现要素：

[0021]
根据本发明的主题，提供了一种热交换器，该热交换器用于待冷却的第一和第二流体与待加热的至少第三流体之间的间接热交换，该热交换器由间隔开的矩形板的叠层制成，该叠层具有长度、宽度和高度，这些板的长度和宽度分别是该叠层的长度和宽度，这些板相互平行，以便在所述板之间限定出多个通道，即用于至少第一和第二流体流动的第一通道组，用于待与第一和第二流体成热交换关系的第三流体流动的第二通道组，所述通道由外周边缘界定，交换器包括：三个区段，每个区段由叠层的高度和宽度以及叠层长度的一部分限定，所述三个区段包括包含叠层的一个端部的第一区段、第二区段和包含叠层的另一端部的第三区段，第二区段在第一和第三区段之间，并且第一、第二和第三区段中的至少两者毗连/连接/并置(juxtaposed)；封闭所述第一通道组的机构，所述第一区段和所述第二区段在所述机构处毗连和/或所述第二区段和所述第三区段在所述机构处毗连；用于将第一流体引入第一通道组的在第一区段的自由端处的通道中的机构；用于将第一流体从第一通道组的在第一区段的通道引出的机构；用于将第一流体引入第一通道组的在第二区段中的仅一部分通道中的机构；用于将第一流体从第一通道组的该一部分通道引出的机构；用于将第二流体引入第一通道组在第二区段中的另一部分通道或者实际上其余通道中的机构；用于将第二流体从所述另一部分通道或者实际上从第一通道组在第二区段中的其余通道引出的机构；用于将第二流体引入第一通道组在第三区段中的通道中的机构；用于将第二流体从第一通道组在第三区段的自由端处的通道引出的机构；用于将第三流体引入第三区段中的机构；用于使第三流体相继通过第三、第二和第一区段的机构；以及用于从第一区段提取第三流体的机构。
[0022]
根据其他可选的方面：
[0023]-第一通道组的n个通道在第一区段中专用于第一流体，第一通道组的n-m个通道
在第二区段中专用于第一流体。
[0024]-在第三区段中，没有通道被连接用于第一流体的流动。
[0025]-第一通道组的n个通道在第三区段中专用于第二流体，并且该第一通道组的q个通道在该第二区段中专用于第二流体，其中q≤m。
[0026]-q≠m。
[0027]-第一通道组的n个通道在第三区段中专用于第二流体，并且第一通道组的m个通道在第二区段中专用于第二流体，其中m《n。
[0028]-在第一区段中，没有通道被连接用于第二流体流动。
[0029]-该第一通道组的在第一区段中专用于第一流体的通道的数量是n，并且该第一通道组的在第二区段中专用于第一流体的通道的数量是n/2。
[0030]-在第二区段中专用于第二流体的通道的数量是n/2，在第三区段中专用于第二流体的通道的数量是n。
[0031]-交换器适用于冷却仅两种流体。
[0032]-板由铝制成，并且所述板通过在通道中形成通路的翅片彼此分开，板和翅片钎焊在一起。
[0033]-交换器包括仅第一通道组和第二通道组。
[0034]-交换器包括用于加热第四流体的第三通道组。
[0035]-第一通道组至少包括至少一个形成在相继两个板之间的第一通道和至少一个形成在相继两个板之间的第二通道，第一通道和第二通道中的每一者均与第二通道组的通道相邻。
[0036]
根据本发明的另一主题，提供了一种空气分离设备，其包括：适于在第一压力下操作的第一塔和适于在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔，第一塔的顶部与第二塔的罐热连接；用于将纯化和冷却的空气送到至少第一塔的机构；用于将为液体的第一流体从第一塔的罐送到第二塔的机构；用于将为液体的第二流体从第一塔的顶部送到第二塔的机构；用于从第二塔提取为富氮气体的第三流体的机构；用于从第二塔提取富氧流体的机构；以及上述的热交换器，该热交换器连接到用于将第一流体从第一塔的罐送到第二塔的机构、连接至用于将第二流体从第一塔的顶部送到第二塔的机构并且连接至用于从第二塔提取第三流体的机构，从而允许通过与被冷却的至少第一和第二流体的间接热交换来加热至少第三流体。
[0037]
本发明在于，在交换器的其中富液和贫液共存的中央区域中，在交换器中叠加两种流体、例如通过针对每种流体而将通道的数量除以2来将一部分通道分配给一种流体并且将至少一部分其它通道分配给另一种流体，其中利用外部再分配箱使得在该中央区域中从n个通道转变为n/2个通道成为可能。
[0038]
这避免了交换器中的死区，提高了效率和紧凑性。
[0039]
本发明适用于横流式交换器，但也可以适用于逆流式交换器。
[0040]
注意，交换器也可以用于加热第三液体。
附图说明
[0041]
将借助附图更详细地描述本发明，其中:
[0042]
图1示出了分离设备。
[0043]
图2a和图2b示出了构成现有技术热交换器的通道，该热交换器具有用于冷却液体b、c的多个独立区段。
[0044]
图3a和图3b示出了构成现有技术热交换器的通道，该热交换器具有用于冷却液体b、c的独立区段。
[0045]
图3c示出专用于气体a的由n+p+1或2n+2p个通道构成的通道组中的一个通道3。
[0046]
图4a、图4b和图4c示出了图3a、图3b和图3c的变型。
[0047]
图5a示出了专用于在交换器中冷却液体的第一通道组中的一个通道1。
[0048]
图5b示出了专用于在交换器中冷却液体的第一通道组中的另一个通道2。
[0049]
图5c示出了专用于在交换器中加热气体第二通道组中的一个通道3。
具体实施方式
[0050]
根据本发明的热交换器由间隔开的矩形板所构成的叠层组成，该叠层具有长度、宽度和高度，这些板的长度和宽度分别是该叠层的长度和宽度，这些板相互平行，使得在所述板之间限定出多个通道。
[0051]
通道包括用于第一和第二流体流动的第一通道组和用于待与第一和第二流体处于热交换关系的第三流体流动的第二通道组。
[0052]
在所描述的情况下，交换器仅包括第一组和第二组。然而，在其他情况下，可以冷却多于两种的液体。
[0053]
第一通道组包括至少一个形成在相继两个板之间的第一通道1和另外的形成在相继两个板之间的至少第二通道2，该第一通道组中的每个通道均与第二通道组中的通道相邻。
[0054]
通道由外周边缘界定。
[0055]
交换器包括三个区段，每个区段均由叠层的高度和宽度以及叠层长度的一部分限定，这三个区段包括包含叠层的一个端部的第一区段、第二区段和包含叠层的另一个端部的第三区段，第二区段在第一和第三区段之间，并且在该示例中第一、第二和第三区段毗连/连接/并置。
[0056]
在交换器的端部处的区段中，第一通道组中的所有通道优选接收单一的待冷却液体。在至少一个中央区段中，第一通道组的仅一部分通道被供应液体b，其他通道，或者实际上其余的通道，被供应液体c。
[0057]
图5a示出了液体b和c在其中被冷却的热交换器的第一通道组中的一个通道1，而图5b示出了液体b和c在其中被冷却的热交换器的第一通道组中的另一个通道2。根据图5c，这些通道中的每一个通道都与用于加热气体a的通道3接触。
[0058]
每个通道组均包括第一区段sb、第二区段s
bc
和第三区段sc。下标参考表示在该区段中被冷却的液体：因此，在第一区段sb中仅液体b被冷却，在第二区段s
bc
中两种液体b、c被冷却，并且在第三区段sc中仅液体c被冷却。
[0059]
参见图5a和图5b，液体b在构成第一区段sb中每个图的通道中的热端的下端部处进入交换器。入口箱b1与该通道组和其它通道1和2连通，从而允许基本上在垂直于交换器轴线的方向上循环。部分过冷的液体b经由箱r1离开第一区段sb，该箱r1不允许液体b循环
通过图5a的通道1，而是将液体b送到图5b的其它通道2，在那里液体b在通道组的一部分中循环，在这种情况下是第二区段s
bc
的一半中循环。接下来，液体b经由图5b的其它通道2的箱b2离开交换器，并且不通过第三区段sc的通道。
[0060]
同样，液体c直接进入第二区段s
bc
，而不通过第一区段sb。在第二区段s
bc
中，液体c仅在图5a的通道1中被冷却，而不在图5b的其它通道2中被冷却。接下来，箱r2将部分冷却的液体c分配到该组通道和其它通道1(图5a)和通道2(图5b)上，使得液体c完全冷却后离开箱c2。
[0061]
气体a依次通过交换器的第三、第二和第一区段，并在被加热后从第一区段排出。
[0062]
因此，这三个区段包括包含叠层的一个端部的第一区段、第二区段和包含叠层的另一端部的第三区段，第二区段位于第一和第三区段之间。这三个区段中的每一个区段都由叠层的高度和宽度以及叠层长度的一部分限定。
[0063]
这里描述的本发明的空气分离设备在第二区段中针对液体b、c，例如富液和贫液具有相同数量的通道。可以想到/推断使用不同数量的通道和不同的或额外的流体。
[0064]
交换器包括由图5a和图5b的通道1和其它通道2组成的第一通道组，以及由图5c的通道3组成的第二通道组。
[0065]
交换器s由结合了两个通道组的通道叠层组成，其模式/图案通常如下：(3132)*n’3或(313323)*n’，n’是该图案/模式的重复次数，n’大于或等于1。
[0066]
在交换器的配置中，没有不存在热交换的死区。
[0067]
交换器被“分割”成3个部分：
[0068]-只有富液b循环的区段sb；
[0069]-富液b和贫液c共存的共用区段s
bc
；
[0070]-只有贫液c循环的区段sc。
[0071]
在空气分离的具体实例中，富液b在底部进入区段sb中的n个通道，然后经由外部箱离开，并且然后再次进入共用区段s
bc
的一部分通道，例如共用区段s
bc
底部的n/2个通道，以便然后在共用区域/区段的顶部离开。
[0072]
贫液c进入一部分通道或实际上其余的通道，例如在共用区段s
bc
底部的n/2个通道，然后经由共用区段顶部的外部箱离开，并再次进入区段sc底部的n个通道，以便然后在区段sc顶部离开。
[0073]
外部箱r1、r2使得改变流体围绕交换器循环的通道数量成为可能。
[0074]
入口/出口b1、b2、c1和c2可以在同一面上，也可以在相反的面上，这取决于通道的数量。
[0075]
该原理可以扩展到富液和贫液之间的通道数量不同的情况，并且在共用区域中的分布可以不是各占一半。
[0076]
还可以有除富液和贫液之外的流体，通常是液态空气、液氮和液态氧。同样，除了残余氮之外，可能还有纯氮。
[0077]
交换器包括封闭第一通道组的壁p，其中第一和第二区段在壁p处毗连和/或第二和第三区段在壁p处毗连。
[0078]
优选地，交换器的板由铝制成，并且通过在通道中形成通道的翅片彼此分开，板和翅片钎焊在一起。
[0079]
根据本发明的交换器可以是横流式的，但是它也可以应用于逆流式交换器。
[0080]
交换器可以集成在空气分离设备中，该空气分离设备包括：适于在第一压力下操作的第一塔和适于在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔，第一塔的顶部与第二塔的罐热连接；用于将纯化和冷却的空气送到至少第一塔的机构；用于将为液体的第一流体b从第一塔的罐送到第二塔的机构；用于将为液体的第二流体c从第一塔的顶部送到第二塔的机构；用于从第二塔提取为富氮气体的第三流体a的机构；用于从第二塔提取富氧流体的机构。热交换器被连接成允许通过与第一和第二流体的间接热交换来加热第三流体，优选第三流体的主轴线垂直于第一和第二流体的主轴线。
[0081]
通过增加至少一个附加的加热通道组或者通过分割第二通道组的通道，热交换器可用于加热至少两种流体，例如两种气态氮流。
[0082]
通过将第二区段的通道分成至少三个部分，热交换器可以用于冷却至少三种流体。

技术特征：
1.一种热交换器，该热交换器用于待冷却的第一流体(b)和第二流体(c)与待加热的至少第三流体(a)之间的间接热交换，该热交换器由间隔开的矩形的板的叠层制成，该叠层具有长度、宽度和高度，所述板的长度和宽度分别是该叠层的长度和宽度，所述板相互平行，以便在所述板之间限定出多个通道，即用于至少第一流体和第二流体流动的第一通道组(1，2)、用于待与第一流体和第二流体成热交换关系的第三流体流动的第二通道组(3)，所述通道由外周边缘界定，所述热交换器包括：三个区段，每个区段由所述叠层的高度和宽度以及所述叠层的长度的一部分限定，所述三个区段包括包含所述叠层的一个端部的第一区段(s
b
)、第二区段(s
bc
)和包含所述叠层的另一端部的第三区段(s
c
)，所述第二区段位于所述第一区段和所述第三区段之间，并且所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段中的至少两者毗连；封闭所述第一通道组的机构(p)，所述第一区段和所述第二区段在所述机构(p)处毗连和/或所述第二区段和所述第三区段在所述机构(p)处毗连；用于将所述第一流体引入所述第一通道组的在所述第一区段的自由端处的通道中的机构(b1)；用于将所述第一流体从所述第一通道组的在所述第一区段的通道引出的机构(r1)；用于将所述第一流体引入所述第一通道组的在所述第二区段中的仅一部分通道中的机构；用于将所述第一流体从所述第一通道组的所述一部分通道引出的机构(b2)；用于将所述第二流体引入所述第一通道组在所述第二区段中的另一部分通道或者实际上其余通道中的机构(c1)；用于将所述第二流体从所述第一通道组在所述第二区段中的所述另一部分通道或者实际上其余通道引出的机构(r2)；用于将所述第二流体引入所述第一通道组在所述第三区段中的通道中的机构；用于将所述第二流体从所述第一通道组的在所述第三区段的自由端处的通道引出的机构(c2)；用于将所述第三流体引入所述第三区段中的机构；用于使所述第三流体相继通过所述第三区段、所述第二区段和所述第一区段的机构；以及用于从所述第一区段提取所述第三流体的机构。2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一通道组的n个通道在所述第一区段(s
b
)中专用于所述第一流体，并且所述第一通道组的n-m个通道在所述第二区段(s
bc
)中专用于所述第一流体。3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，在所述第三区段(s
c
)中，没有通道被连接用于所述第一流体的流动。4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一通道组的n个通道在所述第三区段(s
c
)中专用于所述第二流体，并且所述第一通道组的m个通道在所述第二区段(s
bc
)中专用于所述第二流体，其中m<n。5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，在所述第一区段(s
b
)中，没有通道被连接用于所述第二流体的流动。6.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述第一通道组的在所述第一区段(s
b
)中专用于所述第一流体的通道的数量是n，并且所述第一通道组的在所述第二区段(s
bc
)中专用于所述第一流体的通道的数量是n/2。7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，在所述第二区段(s
bc
)中专用于所述第二流体的通道的数量是n/2，并且在所述第三区段(s
c
)中专用于所述第二流体的通道的数量是n。8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，所述板由铝制成，所述板通过在
通道中形成通路的翅片彼此分开，所述板和所述翅片钎焊在一起。9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其包括仅所述第一通道组(1，2)和所述第二通道组(3)。10.一种空气分离设备，其包括：适于在第一压力下操作的第一塔(k1)和适于在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔(k2)，所述第一塔的顶部与所述第二塔的罐热连接；用于将纯化和冷却的空气送到至少所述第一塔的机构(10)；用于将为液体的第一流体(b)从所述第一塔的罐送到所述第二塔的机构；用于将为液体的第二流体(c)从所述第一塔的顶部送到所述第于从所述第二塔提取富氧流体(90)的机构；以及根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(s)，所述热交换器连接至用于将所述第一流体从所述第一塔的罐送到所述第二塔的机构、连接至用于将所述第二流体从所述第一塔的顶部送到所述第二塔的机构并且连接至用于从所述第二塔提取所述第三流体的机构，从而允许通过与至少所述第一流体和所述第二流体的间接热交换来加热至少所述第三流体，所述第一流体和所述第二流体被冷却。

技术总结
本发明涉及一种热交换器，其用于待冷却的第一流体(B)和第二流体(C)与待加热的至少第三流体(A)之间的间接热交换，其包括多个通道，即用于至少第一流体和第二流体流动的第一通道组(1，2)、用于待与第一流体和第二流体成热交换关系的第三流体流动的第二通道组(3)，该交换器包括：三个区段，第二区段(S


技术研发人员：B
受保护的技术使用者：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/7/12