专利名称：塔内换热器的护罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及在塔内进行热传递的方法和设备。本发明更具体地涉及保 护塔内换热器以使该换热器不与液体接触。
背景技术：
石化、化学、石油精炼等许多工业都使用塔来分离混合物。这种塔通 常为柱形竖向容器，其中，上升的蒸气和下降的液体相接触、进行组分传 递、分离并分别朝向塔的顶部和底部移动。通常，塔包含有汽-液接触装置， 以增强汽相和液相的接触和分离。汽-液接触装置的示例包括塔盘和填料。 这些蒸气/液体接触装置中很多都具有相当多变的设计。例如，蒸气/液体接 触装置的塔盘类型包括泡帽塔盘、筛塔盘、阀塔盘和多下导管塔盘，这些 塔盘通常允许液体下降而蒸气上升通过塔盘。填料包括以例如拉西环(Raschig rings )填料或贝尔鞍形(Berl saddles )填料填充的散装填料和 规整填料。为实现所处理的较大差别的混合物的各式各样的分离，各塔的 特定的运行条件显著不同。使用这种塔的工艺示例包括汽提(stripping)、 精馏和各种形式的蒸馏如分馏、水蒸汽蒸馏、反应蒸馏和分壁式塔中的蒸 馏。这些工艺可分批进行或按连续模式操作。设计和运行的共同目标是减 少塔的安装成本和运行成本。很多情况下，降低成本主要着眼于用于提供 热量和将热量从塔内排出的装备和效用。通常地，通过如下方式提供热量或将热量从塔内排出从塔中移出一 股流，使其通过塔壳体外部的换热器，并使因此被冷却或加热的该股流的 至少一部分返回至塔中。例如，可将从塔顶部抽取出的顶部蒸气送至位于 塔壳体外部的塔顶系统(overhead system )中的换热器中，该换热器使来
自顶部蒸气的液体冷凝，并使被冷凝的液体的至少 一部分返回塔中以提供 回流。换热器通常以类似的方式通过对从塔底部排出的液流加热来向, 供蒸气。蒸气和液流可以取自塔顶部和底部之间的中部，经加热或冷却后 返回至塔中。US 2,044,372、 US 4,218,289、 US 5,507,356和DE 198 30 163 Al都描述了使用各种塔内换热器以在塔的顶部至少部分地冷凝蒸气。与将换热器置于塔壳体外部相比，使用塔内换热器具有多种益处。例 如，取消某些塔顶系统装备及相关的支承结构既可节省费用又可节省空间。 同时，内部换热器与相当的外部高架系统相比可具有较低的压降，在低于 大气压力下操作时，这一点被证明非常重要。在许多使用两个换热器来冷 却塔内蒸气的应用中，由于将第二换热器置于塔外部而使将第一换热器置 于i^内所得的益处严重受损。发明内容将两个换热器置于塔内来冷却塔内蒸气存在这样的一个问题在最顶 部换热器中形成的液体与较低的换热器接触并影响其运行。下降的液体可 例如改变所期望的热传递，从而使得回收的热量不足以用于其它地方。另 外，下降的液体会淹没并阻碍换热器内的一些或全部的蒸气流动路径，从 而导致压降增加和/或运行不稳定。本发明为前述问题提供了一种新颖的、 经济有效的解决方案。本发明也可用于遮护塔内换热器，所述塔内换热器 在任何存在下降液体的地方、例如在两个蒸气/液体接触装置之间与蒸气相 换热。本发明的 一个实施例提供了通过使塔内的第 一 蒸气相通过塔内的换热 器以与第一股流交换热量并在塔内产生第二蒸气相来在塔内进行热交换的 方法。使第二蒸气相通过置于换热器上方的遮护装置。该遮护装置防止下 降的液体与换热器接触。在本发明的扩展实施例中，在遮护装置上方增设第二换热器。遮护装 置上方的第二蒸气相中的至少一部分通过塔内的第二换热器以与第二股流 进行热交换。本发明的设备实施例提供了一种用于与置于塔内的换热器进行热交换 的设备。该换热器与塔内的一蒸气相和第一股流流体连通。在换热器上方 设置包含隔板的遮护装置，该遮护装置具有一液体出口和一蒸气通道。该 蒸气通道具有在遮护装置下方与塔流体连通的蒸气入口和在遮护装置上方 与塔流体连通的蒸气出口 。遮护装置的设置防止换热器与下降的液体接触。
图1示出本发明一实施例的塔的局部侧视图；图2是图1中被圏起的区域"B"的放大视图；图3是沿图l所示的剖线3-3的截面俯视图；图4示出本发明一实施例的塔的局部侧视图；图5是沿图4所示的剖线5-5的截面俯视图；图6A和6B分别表示本发明一实施例的侧剖视图和俯视图；图7A和7B分别表示本发明一实施例的侧剖视图和俯视图；图8表示本发明一实施例的侧剖视图；以及图9A是本发明一实施例的俯视图，图9B和9C是该实施例的侧视图。
具体实施方式
根据本发明的塔可根据需要进行设计，也可与其中塔通常用于例如反 应 一 一但典型用于在例如各种类型的蒸馏塔中分离混合物 一 一的任何应用相匹配。参考附图对本发明进行详细说明。这些附图是不按比例的简化示意图， 仅示出理解本发明所必须的塔部件。图1示出具有壳体2的塔l的顶部。第一蒸气相从最上部蒸气/液体接 触装置34上升并通过第一换热器4。该换热器4也可被描述为间接式换热 器，其中，彼此进行热交换的流体不直接接触。塔中的蒸气/液体接触装置 的形式和细节对于本发明并不重要。因此，它们可以是任何类型的塔盘、 填料，或者是上升的蒸气和下降的液体在其中相接触并被分离的其它装置， 如反应区。在一未示出的实施例中，第一蒸气相通过其它元件如置于最上部蒸气/液体接触装置34和第一换热器4之间的吸附剂床或催化剂床。在 不包含蒸气/液体接触装置的塔中，液体被引入塔中或在塔中形成的最大水 平高度等于最上部蒸气/液体接触装置34的水平高度。从壳体2延伸有可 选的挡板IO，以引导几乎全部的第一蒸气相通过第一换热器4。该挡板可 由适于塔内运行条件的任何合适材料制成。该挡板10可由一件或多件构造 成，并可通过焊接、密封焊、螺栓连接和衬垫(gasketing)等任何常规的 方法固定于壳体2上和彼此固定。在未示出的另一实施例中，可除去或设 置挡板IO,以允许第一蒸气相的一部分绕过第一换热器4.第一股流通过第一管路6到达第一换热器4的入口 ，并以平行的方式 在中空板件内部向下流动，其流向与通过板件之间的间隔上升的第一蒸气 相的流向相反。该第一股流经由换热器4出口流出，并通过第二管路8。 从第一蒸气相中凝结出第一冷凝物，该第一冷凝物从第一换热器4下降至 最上部蒸气/液体接触装置34，以形成塔的回流的至少一部分。在一未示出 的实施例中，换热器4中形成的冷凝物被收集、计量和/或分布在蒸气/液体 接触装置34上。在一未示出的另一实施例中，收集的冷凝物被计量和/或 分配至塔内其它部位，并根据特定的应用要求从塔中取出。第一换热器4产生第二蒸气相，该第二蒸气相经遮护装置12中的蒸气 通道18通过遮护装置12。该遮护装置12包括两个隔板14和16,这两个 隔板被设置成限定蒸气通道18。隔板14可以是大致垂直于塔轴线的平面 部分和大致竖直的筒形壁或筒形部分13的组合。隔板14从壳体2延伸， 并限定构成蒸气入口 17的圆形开口 。隔板16可几乎平行于隔板14的平面 部分，并被示出有一可选的滴水檐15，以防止液体蔓过隔板16的边缘并 沿其底部侧通过蒸气通道18降落到第一换热器上。该滴水檐可被认为是隔 板16的一部分，并可具有本领域普通技术人员所知的任何适当的形状和设 计，以使液体降落到隔板14的平面部分上。蒸气通道18可包括蒸气入口 17、筒形壁或筒形部分13和蒸气出口 19，所述蒸气入口 17在遮护装置12 下方提供与塔的流体连通。所述假想柱形蒸气出口 19被限定位于隔板14 上方、在隔板16与筒形壁或筒形部分13的上边缘之间。该蒸气出口 19 在遮护装置12上方提供与塔的流体连通。因此，蒸气可通过如箭头"A" 所示的路径通过遮护装置12。为使蒸气通道清楚起见，图l省略了筒形壁 或筒形部分13的顶部和底部边缘。图1示出有用于保持隔板16与隔板14 间隔开的四个支承件中的一个支承件20。蒸气入口 17设置在相当于从筒 形壁13的最接近蒸气通道18的一侧垂直延伸的假想立式筒的内部，蒸气 出口 19设置在该假想立式筒的外部。因此，在蒸气入口、蒸气出口和换热 器中，没有一个沿竖向对齐，从而防止液体与换热器4接触。在一个实施 例中，蒸气出口 19的筒形面积比蒸气入口 17的圆形面积大至少1.5倍。蒸气通道18的数量和设计的确定必须权衡具体应用目的，例如在保持 蒸气在遮护装置12上方的所需分布的同时使通过遮护装置12的压降最小。 类似地，隔板的数量和布置必须根据具体应用和制造与安装的简易性进行 确定。隔板可由任何适当的材料形成，并形成具有任何适当的厚度。它们 可以由单件形成或由加接在一起的多件形成。只要塔盘允许蒸气通过遮护 装置并且蒸气与液体接触，则也可将塔盘用作隔板或部分隔板。但是，必 须对塔盘进行改造或连同另一隔板一起设置，以防止液体与换热器4接触。 在结合有塔盘的实施例中，遮护装置提供另一级蒸气/液体接触，在塔的同 一部段中蒸气相和液相之间进行热量传递和质量传递。在使各单件加接在一起或将其加接在壳体2上时，这些单件应包含能基本防止液体通过遮护 装置降落到第一换热器4上的结构或密封件。密封示例包括密封焊或使用 垫片和螺栓。多种支承件如棒状物、突起件或加接在隔板、壳体或塔内其 它元件上的缆索等均可使多个隔板根据要求相对于彼此固定。在遮护装置12的上方，第二蒸气相通过第二换热器22,并从该第二 蒸气相中凝结出第二冷凝物。类似于挡板IO的可选的第二挡板49从壳体 2延伸，以引导几乎全部的第二蒸气相通过第二换热器22。第二股流通过 第三管路24到达第二换热器22的入口，并在串联的中空板件内部流动通 过该第二换热器，其流动方向横向于蒸气在板件之间上升的方向；该股流
经由出口流出该第二换热器22,并通过第四管路26。来自第二换热器的未 经冷凝的残余蒸气全部作为顶部蒸气产品28从塔中排出。第二冷凝物从第二换热器降落，并被遮护装置12的隔板14和16拦截。 在壳体2中设有遮护装置12的液体出口 21,该液体出口 21与用于将液体 移出遮护装置12的液体管路30连通。如图2中"B"部分的放大图所示， 隔板14的最低部在液体管路30最低部的上方布置成具有重叠38，以使液 体从遮护装置12中自由排出。在未示出的实施例中，所述遮护装置可包含 小的滴孔，以确保例如在(液体管路30)关闭时排流。但是，通过滴孔的 任何滴漏将不会显著影响换热器4的运行。优选地，滴孔不与换热器4竖 向对齐，以防止滴漏液体与换热器4接触。液体管路30可包含阀(未示出)， 从而使得被拦截的液体可被导向塔中其它部位，例如图示的最上部蒸气/ 液体接触装置34，或被作为液体产品32从塔中排出，或根据需要在这两 种目的部位之间进行分配。管的具有"J"部的液封柱33防止蒸气向上流 入液体管路。本领域的普通技术人员还熟知其它用于实现这一目的的装置 如集液器(liquid trap)。可选地，可从塔中自最上部蒸气/液体接触装置 34提取出液体产品36。在图1所示的实施例中，换热器4和22都是板式冷凝器和/或板式冷 凝器的一部分，蒸气相经过方向大致竖直的板件上升通过该冷凝器。优选 使用板式换热器，与其它类型的换热器相比，通常可提供更大的换热系数 和更大的单位体积表面积，并使得蒸气相在换热器板件的暴露表面上的上 升路线比较直，从而降低了流过换热器的压降。两个换热器的具有的设计细节不是本发明的要点，并且可显著变化以 满足具体应用的要求。换热器的其它合适的几何结构包括管状或管壳式； 蒸气相下降或水平通过换热器；顺流、逆流或交叉流布置。同样地，换热 器的功能也可根据具体应用的要求而改变。例如，可将第一换热器4设计 成用于加热第一蒸气相，但是更典型地，该换热器4是用于产生所需回流 的冷凝器或部分冷凝器，或被设计成例如通过在第一股流中产生用于其它 目的的水蒸汽或用于与处理流进行热结合的水蒸汽来减少装置总数量。可
将第二换热器22设计成用于增加产品回收量或满足顶部蒸气产品的各种 产品规范，如所需的存储温度或纯度规范。图3示出遮护装置12在第一换热器4上方的布置。该图示出隔板14 和16下方的第一换热器4的轮廓。该图示出这些隔板可如何重叠，以通过 拦截塔中下降的液体并引导该液体通过液体出口到达液体管路30来遮蔽 至换热器4的竖直通道。如上所述，支承件20使隔板16与竖直的筒形部 分13的顶部间隔开。该支承件20将隔板14的平面部分加接在隔板16的 底部侧上。可选的滴水檐示出为15。在未示出的其它实施例中，用于隔板 16的支承件可从隔板16的顶侧和/或边缘延伸至壳体2和/或塔内部件。在未示出的另一实施例中，隔板16可包括多个大致平行的间隔开的 "V"槽，这些"V"槽重叠成基本覆盖蒸气通道18，从而拦截下降的液 体并将其沿边侧导向壳体2以降落至隔板14的平面部分，同时在"V"槽 间提供更直的蒸气上升路径。该布置适于低压降情况下的应用。图4和图5示出本发明的位于塔1中两个蒸气/液体接触装置之间的实 施例，所述塔1具有壳体2。在图4中与图1中相应元件构造不同的元件 以相应数字加""，的方式标识。第一蒸气相从较低的蒸气/液体接触装置 50上升并通过换热器4'。如前所述，蒸气/液体接触装置和换热器的具体 形式和细节不是本发明的要点。第一股流通过第一管路6到达第一换热器4'的入口 ，顺流于上升通过 各板件之间的间隔的第一蒸气相在中空板件内以平行的方式向上流动，经 由一出口流出第一换热器4'，并通过第二管路8，以根据需要加热或冷却 第一蒸气相。如果换热器4'是用于从第一蒸气相凝结出冷凝物的冷凝器或 部分冷凝器，则冷凝物将降落至较低的蒸气/液体接触装置50。第一换热器4'产生第二蒸气相，该第二蒸气相在遮护装置12'的蒸气 通道18'中通过该遮护装置12'。在另一实施例中(未示出)，从较低的蒸 气/液体接触装置上升的一些蒸气绕过换热器4'，同样也经过遮护装置12'。 该遮护装置12'包括两个倾斜的隔板14'和16',它们与壳体2的内表面共 同限定了蒸气通道18'。隔板14'和16'可具有用于排流的竖直分量和用于 遮护的水平分量。隔板14'包括一倾斜的平面部分和一可选的竖直壁13'， 该竖直壁13'与壳体2内表面一起限定了一弦。蒸气通道18'在隔板14'的 倾斜平面部分的似弦的上边缘和壳体2的弯曲内表面之间具有一蒸气入口 17',并具有限定在隔板16'与竖直壁13'的上边缘之间的矩形蒸气出口 19'。 因此，蒸气按箭头"A"所示路径流动通过遮护装置。按上文所述构造隔 板14'和16'并将其加接到壳体上。使隔板14'和16'根据需要形成角度和重 叠，以保护换热器使其不与下降的液体接触。可选的竖直部分13'进一步防 止液体降落通过蒸气通道18'并与换热器接触。隔板14'和16'拦截从较高的蒸气/液体接触装置51降下的液体。在隔 板14'的最低边缘和壳体2的内表面上加接有壁35的顶部部分，以限定遮 护装置12'的液体出口 21'。壁35从隔板14'向下延伸，以与壳体2共同限 定液体管路30'。因此，液体从遮护装置自由排出通过液体出口 21'到达液 体管路30'。如图所示，液体管路30'引导被拦截的液体到达较低的蒸气/ 液体接触装置50，或经由未示出的分液装置到达塔内其它部位。集液器40 提供液体密封，以防止蒸气向上流向液体管路。在其它未示出的实施例中， 液体出口 2r和液体管路30'可有分支和/或具有另外的出口和管路，以将被 拦截的液体输送至塔内和/或塔外的多个目的地。图5示出遮护装置12'在换热器4'上方的布置，其中示出在隔板14'和 16'下方的换热器4'的轮廓。图6-9示出另外的关于遮护装置的布置的非限制性示例，即可实际无 限变型的示例，所述遮护装置将保护第 一换热器使其不与下降的液体接触， 并为上升的蒸气提供蒸气通道。换热器(未示出)将在这些遮护装置下方 占据塔的大的横断面积。在图6-9所示的实施例中，在蒸气入口、蒸气出 口和换热器中至少一个不竖直对齐，以防止液体与换热器接触。如果在某 应用中所使用的换热器仅占据塔中较小的横断面积，那么就很容易设置同 样遮护该换热器的遮护装置，例如在分壁式塔中。图6、 7、 8和9中与其 它图中对应元件构造不同的元件分别用"a" 、 "b" 、 "c，，和"d"标识。图6A和6B将隔板16a表示为覆盖隔板14a中的矩形蒸气入口 17a的ii 矩形平面部，该隔板在周边处向下折角以使被拦截的液体发生转向而落至隔板14a上。可将用于隔板16a的支承件20a加接到隔板14a的竖直部分 13a上。隔板14a具有Ji^液沟(liquid retention trench) 44。在壳体2的同 时形成贮液沟44的边界的部段中设有液体出口 21a。在另一未示出的实施 例中，贮液沟从隔板14a的似弦的边缘向下倾斜。图7A和7B所示的隔板14b具有围绕其整个周长的贮液沟44b，该贮 液沟44b由壳体2的内表面部分地限定。隔板14b覆盖了塔的除蒸气入口 17b和液体出口 21b外的整个横断面积。形式为带弯折的管的隔板16b覆 盖蒸气入口 17b以使下降的液体发生偏转而落至隔板14b上。可利用蒸气 出口 19b处的另一弯折或突起部25进一步提供液体遮护。贮液沟44b底 部的四个液体出口 21b提供了与液体管路30b的流体连通。液体管路30b 在阻止液体与未示出的换热器接触的同时将液体导向壳体内和/或壳体外 部的其它部位。当液体管路与蒸气空间流体连通时，利用例如"J"部或集 液器的液体密封以阻止蒸气向上流向液体管路30b。图8示出一单隔板14c,该隔板14c完全覆盖塔的横断面积，以通过 拦截下降的液体和将其导向液体出口 21c来遮护下方的未示出的换热器。 壳体2中的蒸气入口 17c在遮护装置下方提供了与塔的流体连通，壳体2 中的蒸气出口 19c在遮护装置上方提供了与塔的流体连通。因此，遮护装 置包括位于壳体2外部的蒸气通道18c。对于具体的应用，可根据需要调 整隔板14c的坡度——如果坡度存在——和隔板14c上方的蒸气出口 19c 的高度。液体出口 21c最低处的水平高度位于蒸气出口 19c最低处的水平 高度的下方，从而提供了用于使液体不流入蒸气通道18c而从遮护装置排 出的路径。壳体2在蒸气入口 17c和蒸气出口 19c之间的部分设有第二隔 板13c。与之前的附图相比，先前附图中的隔板的边缘用单实线表示，而图9A、 9B和9C用两条线表示隔板的边缘或隔板的局部，每条线表示一侧。矩形 蒸气入口 17d在隔板14d中包括一开口 ，该隔板14包含横断面积为矩形 的竖直管路13d，该竖直管路13d部分地限定了由四侧限制成的蒸气通道 18d。隔板16d覆盖管路13d的上部边缘。加接在管路13d较长侧上的两 个支承件20d使得隔板16d与管路13d相间隔。隔板16d还通过加接在管 路13d的较短侧上的两个较短的端板45进行支撑，并与管路13d间隔开 来。隔板16d的每一较长侧都具有从隔板16d的顶部平面向上延伸的壁46， 以形成一槽，从而使得被隔板16d拦截的液体被引导至隔板14d的平面部 分，并通过较短的端板45防止该液体进入蒸气通道18d。所示的蒸气出口 19d位于管路13d的两较长侧。
权利要求
1. 一种在塔内进行热交换的方法，包括使从塔内的蒸气/液体接触装置上升的第 一蒸气相通过塔内的换热器， 以与第一股流进行换热，该换热器生成塔内第二蒸气相；使第二蒸气相通过遮护装置；该遮护装置^c置于所述换热器的上方， 并防止下降的液体与所述换热器接触。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一蒸气相上升 通过的换热器是第一间接式换热器；所述第二蒸气相中的至少一部分在所 述遮护装置上方通过塔内的第二换热器，以与第二股流进行换热。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括将从所述遮护装置下降的液体中的至少一部分送至塔内的其它部位。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述换热器使第一蒸气相产生出冷凝物。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括收集所述冷凝 物中的至少一部分并将该部分冷凝物移至塔外。
6. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述遮护装置 和其中所述第一蒸气相上升通过的换热器置于两个蒸气/液体接触装置之间。
7. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每一个换热器都 位于最上部蒸气/液体接触装置的上方。
8. —种用于在塔内进行热交换的设备，包括置于塔(1)内部并产生蒸气相的蒸气/液体接触装置(34);置于塔(1)内部、位于所述蒸气/液体接触装置(34)上方的换热器 (4)，该换热器(4)与塔(1)内的蒸气相和第一股流流体连通；置于所述换热器上方的遮护装置(12),该遮护装置具有一液体出口 (21)和一蒸气通道，该蒸气通道(18)具有在遮护装置(12)下方与塔 (1)流体连通的蒸气入口 (17)和在遮护装置(18)上方与塔(1)流体 连通的蒸气出口 (19)，该遮护装置包括隔板(14， 16);以及该设备设置用于保护换热器(4 )以防止该换热器与下降的液体接触。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述遮护装置(12) 包括至少两个隔板(14， 16)，隔板中的至少一个(14)限定所述蒸气入 口 (17)，而隔板中的至少一个(16)限定所述蒸气出口 (19),所述遮 护装置(12 )被设置成使得液体出口 ( 21)的最低部分位于所述蒸气出口(19)的最低部分的下方。
10. 根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，还包括置于塔(1) 内位于遮护装置(12)上方的第二换热器(22);该第二换热器(22)与 塔(1)内的第二蒸气相和第二股流流体连通。
11. 根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述换热器(4) 为间接式换热器。
全文摘要
本发明公开了一种用于在塔中进行热交换的方法和设备，其通过使第一蒸气相通过塔内换热器(4)而与第一股流进行换热，并产生塔内第二蒸气相。使该第二蒸气相通过置于换热器(4)上方的遮护装置(12)，该遮护装置(12)防止下降的液体与换热器(4)接触。可将该遮护装置(12)置于两个塔内换热器(4，22)之间。
文档编号B01F3/04GK101146599SQ200580049228
公开日2008年3月19日 申请日期2005年3月24日 优先权日2005年3月24日
发明者C·P·塔加莫利拉, F·J·奥德里斯科尔 申请人:环球油品公司