Вертикальный комбинированный теплообменник типа "сырье/продукт" с переменным углом перегородок

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ТИПА Кожухотрубный теплообменник, такой как вертикальный комбинированный теплообменник типа"сырье/продукт" (VCFE), включающий кожух, имеющий впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; в котором уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска является иным, чем уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска. Предпосылки изобретения Область техники, к которой относится изобретение Раскрытые здесь варианты исполнения в основном относятся к теплообменнику. Более конкретно представленные здесь варианты исполнения относятся к теплообменнику, такому как кожухотрубный теплообменник, скомпонованный для эффективной обработки двухфазного потока. Уровень техники Множество конфигураций теплообменников известно и используется во множестве вариантов применения. Одна из широко распространенных компоновок, кожухотрубный теплообменник, показанный на фиг. 1, включает цилиндрический кожух 10, заключающий в себе пучок параллельных труб 12, проходящий между двумя торцевыми плитами 14 так, что первая текучая среда 16 может проходить по трубам 12. Между тем, вторая текучая среда 18 протекает в пространстве и через него между двумя торцевыми плитами так, что приходит в контакт с трубами. Для обеспечения улучшенного теплообмена между двумя текучими средами маршрут течения второй текучей среды 18 определяется промежуточными перегородками 20, формирующими соответствующие проходы, которые размещены так, что поток второй текучей среды изменяет свое направление при прохождении из одного прохода к следующему. Перегородки 20, скомпонованные либо как частичные круглые сегменты, как показано (частичные сегментные перегородки), либо как круговые кольца и диски, вмонтированы перпендикулярно продольной оси 22 кожуха 10 для создания зигзагообразного потока 24 второй текучей среды 18. В этой компоновке вторая текучая среда должна резко менять направление своего течения несколько раз вдоль длины кожуха. Это вызывает снижение динамического давления второй текучей среды и неравномерную скорость ее течения, которые в сочетании оказывают вредное воздействие на производительность теплообменника. Например, перпендикулярное положение перегородок относительно продольной оси кожуха обусловливает относительно недостаточное отношение скорости теплопереноса к падению давления. Дополнительно, такое расположение перегородок создает обходное течение через зазоры между перегородками и кожухом и между трубами и перегородками, приводя к неравномерному распределению потока, завихрениям, обратному течению и повышенным скоростям засорения, помимо прочих нежелательных последствий. Падение давления, распределение потока и эффективности теплообмена представляют собой важные переменные параметры, в особенности во многих промышленных химических процессах, где желательно взаимодействие в паровой фазе между подводимой жидкостной фазой и потоками продукта. Примерные процессы могут включать риформинг нафты, гидрообработку нафты, гидрообработку дизельного топлива и керосина, изомеризацию легких углеводородов и метатезис, и многие другие промышленно важные процессы. Такие процессы типично будут включать теплообменное оборудование типа "сырье/продукт", где теплоту, необходимую для испарения подводимого в реактор потока, извлекают конденсацией или частичной конденсацией потока, выходящего из реактора. Такое теплообменное оборудование всегда ранее компоновали как традиционные горизонтальные кожухотрубные теплообменники. Повышение проектных уровней производительности оборудования (для экономии габаритов) требует обеспечения высокой объемной пропускной способности с результирующим влиянием на число оболочек, необходимых для переноса теплоты при ограниченных разностях температур. Однако вследствие проблемных гидравлических параметров течения, т.е. двухфазного входного потока, варьирования состава и молекулярной массы паровой и жидкостной фаз, и переменных объемной скорости течения и падения давления, обусловленных фазовым превращением, компоновка традиционных кожухов теплообменников в виде нескольких параллельных и последовательных конструкций является проблематичной. Симметричное размещение системы труб является ненадежным средством эффективного распределения двухфазного потока. Поскольку молекулярная масса паров может быть гораздо меньшей, чем связанной с ней жидкости,в особенности в процессах гидрообработки, где пары главным образом состоят из водорода, неравномерное распределение паров и жидкости, поступающих в теплообменник, может оказывать заметное влияние на соответствующую кривую кипения и, следовательно, на среднюю разность температур (MTD) в процессе кипения. Концепция вертикального комбинированного теплообменника типа "сырье/продукт" (VCFE) была разработана для преодоления этих недостатков путем сведения воедино обширных поверхностей в единичном вертикальном кожухе. Такие устройства были реализованы в промышленном масштабе в различных конфигурациях, включающих компоновку с кипением в трубах и конденсацией на кожухе с единичной сегментной перегородкой; компоновку с конденсацией в трубах и кипением на кожухе с единичной сегментной перегородкой; компоновку с кипением в трубах и конденсацией на кожухе со спиральной конструкцией перегородки; компоновку с конденсацией в трубах и кипением на кожухе со спиральной конструкцией перегородки. Теплообменники со спиральными перегородками описаны, например, в патентах США 5832991, 6513583 и 6827138. Из теоретических соображений кипение на кожухе является благоприятным в плане сокращения необходимой поверхности, так как коэффициент теплоотдачи при кипении на кожухе повышается благодаря относительно большому объему пространства кожуха вследствие эффектов массопереноса. Однако следует также учитывать соображения в плане засорения, поскольку трубную систему обычно легче очищать. Недостаток компоновки с кипением на кожухе проявляется при частичной нагрузке или при работе в условиях выведения из режима, где скорости в пространстве кожуха могут быть недостаточными для предотвращения разделения фаз и обратного течения жидкостной фракции обратно к впускному патрубку. Такое накопление тяжелой жидкостной фракции при длительном времени пребывания может приводить к засорению. Главный недостаток любой компоновки с кипением в трубах состоит в том, что паровые и жидкостные фракции должны быть равномерно распределены на каждый из множества впусков труб, чтобы поддерживать ожидаемые характеристики кипения в каждой трубе, причем недорогой способ с низким падением давления для достижения такого распределения так и не был найден. Соответственно этому существует потребность в теплообменнике и конструкциях перегородок для эффективной обработки двухфазного входного потока в вертикальных устройствах. Сущность изобретения В одном аспекте представленные здесь варианты исполнения относятся к теплообменнику, включающему кожух, имеющий впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; в котором уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска является иным, нежели уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска. В еще одном аспекте раскрытые здесь варианты исполнения относятся к кожухотрубному теплообменнику, включающему входной коллектор со стороны труб, имеющий размещенный в нем впуск для первой текучей среды; выходной коллектор со стороны труб, имеющий размещенный в нем выпуск для первой текучей среды; множество труб, проходящих между коллекторами и сообщающихся с ними по текучей среде; кожух, проходящий между коллекторами и охватывающий указанные трубы, причем кожух имеет впуск для второй текучей среды и выпуск для второй текучей среды; множество перегородок,установленных в кожухе для направления второй текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; в котором уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска для второй текучей среды является иным, нежели уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска для второй текучей среды. В еще одном аспекте представленные здесь варианты исполнения относятся к способу теплообмена со смешанно-фазной текучей средой, причем способ включает стадии, на которых подают смешаннофазную текучую среду, включающую пар и по меньшей мере одно из увлекаемой жидкости и увлекаемого твердого вещества, в теплообменник, причем теплообменник включает кожух, имеющий впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; преобразуют смешанно-фазную текучую среду, по существу, полностью в пары и производят косвенный теплообмен между смешаннофазной текучей средой и теплообменной средой; в котором уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска поддерживает скорость смешанно-фазной текучей среды более высокой, чем предельная скорость увлеченных жидкости или твердого вещества; в котором уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска является большим, чем уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска. Другие аспекты и преимущества будут очевидными из нижеследующего описания и прилагаемых пунктов формулы изобретения. Краткое описание фигур Фиг. 1 представляет схематический вид распределения потока в традиционном кожухотрубном теплообменнике. Фиг. 2 представляет схематическое изображение вертикального комбинированного теплообменника типа "сырье/продукт" с переменным углом наклона тепловых перегородок согласно раскрытым здесь вариантам исполнения. Подробное описание В одном аспекте представленные здесь варианты исполнения в основном относятся к теплообменнику. Более конкретно, раскрытые здесь варианты исполнения относятся к теплообменнику, такому как кожухотрубный теплообменник, скомпонованный для эффективной обработки двухфазного потока. Еще более конкретно, представленные здесь варианты исполнения относятся к теплообменнику, имеющему перегородки, скомпонованные для направления потока текучей среды в пространстве кожуха в виде спиралеобразного течения, где угол наклона спиральной перегородки вблизи впуска является иным, нежели угол наклона спиральной перегородки вблизи выпуска. Было найдено, что теплообменники, имеющие перегородки с переменным углом наклона спирали согласно раскрытым здесь вариантам исполнения, применимы для фазового превращения текучих сред в кожухе, таких как испарение, конденсация, сгорание и т.п. Например, для двухфазного входного потока,такого как смесь испаряемой жидкости и паров, углы наклона спирали вблизи впуска могут быть созда-2 017912 ны для поддержания скорости течения текучей среды, достаточной, чтобы избежать разделения фаз паров и жидкости. Угол наклона спиральных перегородок вблизи впуска для текучей среды на кожухе может быть близким к положению, перпендикулярному трубам, тем самым обеспечивая завихрение поступающей плотной текучей среды с высокой скоростью. Когда жидкость испаряется в результате теплопереноса внутри теплообменника, угол наклона спиральных перегородок может быть более далеким от перпендикуляра, таких как перегородки вблизи выпуска на кожухе, обеспечивая теплообмен при пониженных скоростях для менее плотных паров и относительно низком падении давления в пределах теплообменника. Поскольку разделение фаз (паровой и жидкостной, паровой и твердофазной и т.д.) является функцией относительных плотностей, размера частиц и/или капелек и скорости течения паровой фазы, теплообменники, имеющие перегородки с переменным углом наклона спирали согласно раскрытым здесь вариантам исполнения, не подвержены разделению фаз в кожухе при такой же пропускной способности,какая имела бы место для теплообменника, имеющего постоянный угол наклона перегородки. Соответственно этому теплообменники, имеющие перегородки с переменным углом наклона спирали согласно представленным здесь вариантам исполнения, могут быть использованы при значительно сниженных уровнях пропускной способности, тем самым избегая недостатков, типично связанных с вертикальными теплообменниками, работающими при частичной нагрузке или при работе в условиях выведения из режима. Угол наклона спирали, используемый для перегородок вблизи впуска и выпуска на кожухе, может зависеть от типа технологической операции. Например, для смешенной текучей среды, включающей пары и испаряемую жидкость или сжигаемый твердый материал, угол наклона спиральных перегородок вблизи впуска может быть большим, чем угол наклона спиральных перегородок вблизи выпуска. Этим путем скорость двухфазной смеси можно поддерживать на более высоком уровне, чем скорость транспортирования увлеченного твердого вещества или жидкости, тем самым избегая разделения фаз. По мере того как текучая среда испаряется или твердый материал сгорает, может быть использован меньший угол наклона спирали. В других вариантах исполнения угол наклона спирали может постепенно уменьшаться вдоль продольной оси кожуха. В качестве еще одного примера для поступающего сырьевого материала,включающего пары, которые конденсируются внутри теплообменника, угол наклона спиральных перегородок вблизи впуска на кожухе может быть меньшим, чем угол наклона спиральных перегородок вблизи выпуска на кожухе, тем самым повышая скорость течения смеси во время технологической операции конденсации. Теперь с привлечением фиг. 2 иллюстрировано схематическое изображение вертикального комбинированного теплообменника типа "сырье/продукт", имеющего перегородки с переменными углами наклона спирали согласно раскрытым здесь вариантам исполнения. Теплообменник 30 может включать в себя входной коллектор 32 со стороны труб, имеющий впуск 34 для текучей среды. Входной коллектор 32 со стороны труб также может иметь размещенный в нем вентиляционный канал 36. Теплообменник 30 также может включать выходной коллектор 38 со стороны труб, имеющий выпуск 40 для текучей среды в нем. Между входным коллектором 32 со стороны труб и выходным коллектором 38 со стороны труб может проходить множество труб 42, обеспечивая транспортировку текучей среды из входного коллектора 32 к выходному коллектору 38 через трубы 42. Фиг. 2 иллюстрирует применение четырех труб, однако должно быть понятно, что может быть применено любое число труб. Кожух 44 проходит между входным и выходным коллекторами 32, 38, охватывая трубы 42, и включает впуск 46 для текучей среды на кожухе и выпуск 48 для текучей среды на кожухе. Внутри кожуха 44 размещено множество перегородок 50. Перегородки 50 могут включать, например, спиральные перегородки, как описано в патентах США 5832991, 6513583 и 6827138, полное содержание каждого из которых включено здесь ссылкой. Перегородки 50 могут включать отверстия для труб (не показаны), чтобы трубы 42 могли проходить сквозь перегородки 50 и чтобы перегородки 50 могли удерживать трубы 42 в выровненном и желательном положении. Перегородки 50 могут действовать как направляющие текучую среду в кожухе в спиралеобразное течение через кожух. Перегородки 50 размещены внутри теплообменника 30 так, что перегородки 50 вблизи впуска 46 на кожухе имеют иной угол наклона спирали, чем перегородки 50 вблизи выпуска 48 на кожухе. Угол наклона спиральных перегородок может определяться, например, "разматыванием" спирали, формируя двумерное представление спиральной картины. Как показано на фиг. 2 для перегородки 50 а, угол наклона спирали тогда определялся бы как арктангенс окружности С кожуха, деленный на шаг "р" (продольное расстояние, которое проходит дуга перегородки, протяженная на 360). Шаг равен гдепредставляет угол наклона спирали; поэтому уголнаклона спирали равен арктангенсу (р/С). Как иллюстрировано, теплообменник 30 оснащен спиральными перегородками 50, ориентированными вертикально. Перегородки 50 вблизи впуска 46 на кожухе могут иметь уголнаклона спирали. Перегородки 50 вблизи выпуска 48 на кожухе могут иметь уголнаклона спирали относительно продольной оси А-А кожуха 44. Так, например, для испаряемого двухфазного сырьевого потока, поступаю-3 017912 щего в кожух через впуск 46 на кожухе, перегородки 50 вблизи впуска 46 размещены с малым угломнаклона; т.е. ближе к перпендикуляру относительно оси А-А, чем перегородки 50 вблизи выпуска 48 на кожухе, имеющие уголнаклона, где, как предполагается, происходит газо-газовый теплообмен с более высоким объемным расходом потока в кожухе, такой как в результате испарения, сгорания и/или нагревания текучей среды в кожухе. Малый уголнаклона спирали тем самым может обусловливать завихрение поступающего двухфазного потока по спиральному маршруту со скоростью, достаточной для того,чтобы избежать разделения фаз. Поскольку текучая среда в кожухе представляет собой газо-газовое сочетание вблизи выпуска 48, может быть использован уголнаклона спирали, больший, чем уголнаклона спирали, тем самым приводя к меньшему падению давления, чем там, где уголиспользуют вдоль всей длины кожуха 44. В некоторых вариантах исполнения перегородки, находящиеся между впуском 46 на кожухе и выпуском 48 кожуха, могут иметь уголнаклона спирали, промежуточный между углами ,наклона спирали. Например, углы наклона спиральных перегородок 50 могут постепенно увеличиваться или уменьшаться от впуска 46 до выпуска 48, в зависимости от типа технологической операции (например,конденсация, испарение и т.д.). В других вариантах исполнения углы наклона спиральных перегородок 50 могут иметь одно или более ступенчатых изменений. Как упомянуто выше, теплообменники, имеющие перегородки с переменным углом наклона спирали согласно представленным здесь вариантам исполнения, могут быть применимыми там, где предполагается двухфазный поток текучей среды. Меньшие углы наклона спирали, где ожидается двухфазное течение, могут обеспечивать более высокую скорость течения паровой фазы во избежание разделения фаз в кожухе. Углы наклона спиральных перегородок вблизи впуска и выпуска могут представлять собой функцию относительных плотностей двух фаз, размера частиц или капелек твердых веществ и/или жидкостей (относящихся к скорости транспортирования частиц или капелек), типичных скоростей подачи,величин расхода подачи при частичной нагрузке или при работе в условиях выведения из режима, повышения температуры текучей среды в кожухе и прочих переменных параметров, как известно квалифицированным специалистам в этой области технологии. В описанных здесь вертикальных комбинированных теплообменниках типа "сырье/продукт" могут быть применены перегородки, имеющие приблизительный угол наклона спирали в пределах диапазона от около 5 до 45 включительно. Любая комбинация углов ,инаклона перегородок (если таковые присутствуют), которая создает надлежащий угол наклона спирали, может быть использована в соответствии с представленными здесь вариантами исполнения. Например, в некоторых вариантах исполнения уголнаклона спирали может быть в пределах диапазона от около 5 до около 45; в пределах диапазона от около 5 до около 35 в других вариантах исполнения и от около 5 до около 25 в других дополнительных вариантах исполнения. В других вариантах исполнения уголнаклона перегородки может быть в пределах диапазона от 15 до около 45; в пределах диапазона от около 25 до около 45 в других вариантах исполнения и от около 35 до около 45 в других дополнительных вариантах исполнения. Теплообменники согласно представленным здесь вариантам исполнения преимущественно могут быть использованы с текучими средами в кожухе, имеющими две или более фаз. Преимущественно теплообменники согласно раскрытым здесь вариантам исполнения могут предусматривать такую скорость течения текучей среды в кожухе, чтобы свести к минимуму или избежать разделения фаз текучих сред,протекающих через кожух, например, с помощью перегородок с малым углом наклона спирали, где предполагается двухфазное течение. Дополнительно, применение увеличенных углов наклона спирали,где ожидается однофазное течение, может преимущественно обеспечивать меньшее падение давления,чем там, где по всему кожуху используют постоянный угол наклона. Таким образом, по сравнению с традиционными теплообменниками, имеющими перегородки с постоянным углом наклона спирали, теплообменники согласно раскрытым здесь вариантам исполнения могут поддерживать двухфазное течение даже при значительно сниженных уровнях пропускной способности, тем самым преимущественно обеспечивая более широкий диапазон величин пропускной способности. В то время как описание включает ограниченное число вариантов исполнения, квалифицированным специалистам в этой области техники, для которых настоящее изобретение будет полезным, будет понятно, что могут быть разработаны другие варианты исполнения, которые не выходят за пределы области настоящего изобретения. Соответственно этому данная область должна быть ограничена только прилагаемыми пунктами формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Теплообменник, включающий кожух, имеющий впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; причем уголнаклона спиральных перегородок вблизи впуска является иным, чем уголнаклона спиральных перегородок вблизи выпуска. 2. Теплообменник по п.1, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали. 3. Теплообменник по п.1, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали. 4. Теплообменник по п.1, в котором угол наклона спирали множества перегородок уменьшается от впуска для текучей среды до выпуска для текучей среды. 5. Теплообменник по п.1, в котором угол наклона спирали множества перегородок увеличивается от впуска для текучей среды до выпуска для текучей среды. 6. Теплообменник по п.1, в котором перегородка, находящаяся между перегородкой вблизи впуска и перегородкой вблизи выпуска, имеет уголнаклона спирали, промежуточный между угламиинаклона спирали. 7. Теплообменник по п.1, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали, причем уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 5 до около 35, и уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 15 до около 45. 8. Теплообменник по п.7, в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 5 до около 25. 9. Кожухотрубный теплообменник, включающий входной коллектор со стороны труб, имеющий в нем впуск для первой текучей среды; выходной коллектор со стороны труб, имеющий в нем выпуск для первой текучей среды; множество труб, проходящих между коллекторами и сообщающихся с ними по текучей среде; кожух, проходящий между коллекторами и охватывающий указанные трубы, причем кожух имеет впуск для второй текучей среды и выпуск для второй текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления второй текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; причем уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска для второй текучей среды является иным, чем уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска для второй текучей среды. 10. Теплообменник по п.9, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали. 11. Теплообменник по п.9, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали. 12. Теплообменник по п.9, в котором угол наклона спирали множества перегородок уменьшается от впуска для текучей среды до выпуска для текучей среды. 13. Теплообменник по п.9, в котором угол наклона спирали множества перегородок увеличивается от впуска для текучей среды до выпуска для текучей среды. 14. Теплообменник по п.9, в котором перегородка, находящаяся между перегородкой вблизи впуска и перегородкой вблизи выпуска, имеет уголнаклона спирали, промежуточный между угламиинаклона спирали. 15. Теплообменник по п.9, в котором уголнаклона спирали является меньшим, чем уголнаклона спирали, и в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 5 до около 35 и в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 15 до около 45. 16. Теплообменник по п.15, в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 5 до около 25. 17. Способ теплообмена со смешанно-фазной текучей средой, причем способ включает стадии, на которых подают смешанно-фазную текучую среду, включающую пар и по меньшей мере одно из увлекаемой жидкости и увлекаемого твердого вещества, в теплообменник, причем теплообменник включает кожух, имеющий впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; множество перегородок, установленных в кожухе для направления текучей среды в спиралеобразное течение через кожух; преобразуют смешанно-фазную текучую среду, по существу, полностью в пар и производят косвенный теплообмен между смешанно-фазной текучей средой и теплообменной средой; причем уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска поддерживает скорость смешаннофазной текучей среды более высокой, чем предельная скорость увлеченных жидкости или твердого вещества; уголнаклона спиральной перегородки вблизи выпуска является большим, чем уголнаклона спиральной перегородки вблизи впуска. 18. Способ по п.17, в котором стадия преобразования включает испарение увлеченной жидкости. 19. Способ по п.17, в котором стадия преобразования включает сгорание увлеченного твердого вещества. 20. Способ по п.17, в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 5 до около 35 и в котором уголнаклона спирали находится в пределах диапазона от около 15 до около 45.