用于减小在芯壳式热交换器中的运动的影响的方法和装置

摘要

本发明提供了用于减小在芯壳式热交换器中的运动的影响的方法和装置。一种用于减小在热交换器中的运动的影响的方法，其包括：(a)利用汽化流体充填热交换器，其中热交换器包括限定在壳体内的内部容积和设置在壳体的内部容积中的多个分隔开的芯体；(b)将热工艺进料流引入到上部容器中，其中，所述上部容器位于所述热交换器上方，其中，所述上部容器经由多个导管管道连接到所述热交换器上。

说明书

相关申请的交叉援引

本发明根据35USC第119(e)要求于2011年12月20日提交的美国 临时专利序列号61/578,144的优先权，该文献的全部公开内容以引用方式 并入本申请，并与于2012年12月18日提交的“Internal Baffle For  Suppressing Slosh in a Core-in-Shell Heat Exchanger(用于抑制芯壳式热 交换器中的晃动的内部挡板)”相关。

技术领域

本发明涉及用于减小在芯壳式热交换器中的运动的影响的方法和装 置。

背景技术

天然形式的天然气必须在进行浓缩之后才能经济地输送。天然气的使 用由于其环境友好性、清洁燃烧特性而已在近年显著增加。燃烧天然气比 任何其它石油燃料产生更少的二氧化碳，这是很重要的，因为人们已意识 到二氧化碳排放是导致温室效应的重要因素。随着对环境问题的日益关注， 很可能在人口密集的城市地区越来越多地使用液化天然气(LNG)。

丰富的天然气储备位于世界各地。其中许多天然气储备都在那些无法 通过陆地取得的海上位置，并且基于现有技术的应用被认为是无法获取的 天然气储备。天然气储备的当前技术比石油储备补给得更快，这使得LNG 的使用对于满足未来能源消费的需求更加重要。液态形式的LNG占据比 气相天然气少600倍的空间。因为技术、经济或政治局限的原因使得管道 不能到达世界的许多地区，所以将LNG加工厂设置在海上并利用海上船 舰直接将离岸LNG从加工厂运送到运输船舰上可以减少初始资金支出， 并获得原本不经济的海上储备。

浮式液化厂为陆上液化厂和用于无法获取的海上储备的高成本的海底 管线提供了海上替代。浮式液化厂可离开海岸停泊，或者接近气田或位于 气田停泊。它也代表了可移动的资产，当气田已接近其生产寿命的终止时， 或当经济、环境或政治条件需要时，浮式液化厂可以重新定位到一个新的 地点。

浮式液化容器的一个问题是，汽化流体在热交换器内部的晃动。热交 换器中的晃动可能会导致产生可以影响热交换器的稳定性和控制性的力。 如果允许汽化流体在热交换器的壳体内自由地晃动，那么移动的流体会对 热交换器芯体的热功能产生不利影响。此外，运动的周期性可能会导致热 传导效率的周期性行为，并因此可能影响LNG液化厂的处理条件。这些 不稳定性可能会导致较差的总体工厂性能，可能造成更窄的工作/使用状态 范围，并对可用生产能力产生限制。

因此，存在对用于减小在芯壳式热交换器中的运动的影响的方法和装 置的需求。

发明内容

在一个实施例中，提供了用于减小在热交换器中的运动的影响的方法， 该方法包括：(a)利用汽化流体充填热交换器，其中，所述热交换器包括 限定在壳体内的内部容积和设置在壳体的内部容积中的多个分隔开的芯 体；(b)将热工艺进料流引入到上部容器中，其中，所述上部容器位于热 交换器上方，所述上部容器经由多个导管管道连接到所述热交换器上，所 述导管管道包括用于使上部容器和多个分隔开的芯体相连接的外部管道， 所述导管管道还包括内部汽化物提升管，其中，所述内部汽化物提升管安 装到多个芯体的顶部并在导管管道内浮动，用以允许所述多个芯体热膨胀 和收缩；(c)经由导管管道将热进料流输送至位于壳体的内部容积中的芯 体，其中，所述热工艺进料流经受与汽化流体的间接热交换，借此产生暖 的液体流和未汽化流，其中，所述未汽化流包括汽化物和液体的混合物； 以及(d)经由导管管道将未汽化流输送到上部容器中用以进行分离。

在另一实施例中，提供了用于减小在热交换器中的运动的影响的方法， 该方法包括：(a)利用汽化流体充填热交换器，其中，所述热交换器包括 限定在壳体内的内部容积和设置在壳体的内部容积中的多个分隔开的芯 体；(b)将热工艺进料流引导至分离容器中，其中，所述分离容器位于所 述热交换器上方，所述分离容器经由多个外部管道连接到所述热交换器上； (c)经由外部管道将热工艺进料流输送至位于壳体的内部容积中的芯体， 其中，所述热工艺进料流经受与汽化流体的间接热交换，借此产生暖的液 体流和未汽化流，其中，所述未汽化流是汽化物和液体的混合物；以及(d) 将未汽化流输送到分离容器中用以进行分离。

在又一实施例中，提供了用于减小在热交换器中的运动的影响的方法， 该方法包括：(a)利用汽化流体充填热交换器，其中，所述热交换器包括 限定在壳体内的内部容积和设置在壳体的内部容积中的多个分隔开的芯 体；(b)将热工艺进料流引导至分离容器中，其中，所述分离容器位于比 热交换器高的高度，其中，所述分离容器包括液体出口和汽化物入口；(c) 在芯体顶部处或靠近芯体顶部经由液体出口将热进料流输送至位于壳体的 内部容积中的芯体，其中，所述热进料流经受与汽化流体的间接热交换， 借此产生暖的液体流和未汽化流，其中，所述未汽化流是汽化物和液体的 混合物；以及(d)将未汽化流输送到分离容器中用以进行分离。

在又一实施例中，提供了一种装置，其包括：(a)热交换器，所述热 交换器包括限定在壳体内的内部容积和设置在壳体的内部容积中的多个分 隔开的芯体，其中，所述内部容积被汽化流体充填；和(b)连接到所述热 交换器上的分离容器，其中，所述分离容器位于比热交换器高的高度，所 述分离容器以使得向热交换器输送热进料流并从热交换器接收未汽化流的 方式连接到热交换器上。

附图说明

可以通过结合所附附图参考以下描述来更好地理解本发明及其更多优 点，其中：

图1是根据本发明一个实施例的包括外部水平分离器的芯壳式热交换 器的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的包括竖向分离器的芯壳式热交换器的 示意图。

图3是根据本发明一个实施例的包括外部竖向分离器的芯壳式热交换 器的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。 各示例以说明的方式提供，而不是作为限制。对本领域技术人员而言明显 的是，可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的范围或精神。 例如，作为一个实施例的一部分的所示或所述特征可以用于另一实施例以 产生又一实施例。因此，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等同方案 的范围之内的这些修改和变型。

参见图1至图3，示出了热交换器10，其基本上包括壳体12和多个分 隔开的芯体——即，位于壳体12内的第一芯体16、第二芯体18和第三芯 体20。在热交换器10内的多个分隔开的芯体包括至少一个芯体。为了说 明性目的，热交换器水平设置；然而，热交换器可以任何商业性操作方式 定位，如竖向地定位。位于壳体12内的多个分隔开的芯体完全浸没在、即 充填在汽化流体——即液态制冷剂——中。

芯壳式热交换器(core-in-shell heat exchanger)的原理设计提供了热 的工艺进料流与较冷的汽化流体的交叉式交换。汽化流体存在于压力容器 中，钎焊铝紧凑热交换器芯体安装在该压力容器中并完全浸没在处于或接 近沸点的汽化流体中。液体被吸入到热交换器的底面，在该底面处所述液 体接触芯体内的更热的表面。然后，汽化流体通过交换器芯体通道传递热 量。热传递的大部分来自汽化流体的汽化潜热。热的工艺进料流随着其经 过交换器芯体中的通道的对向侧而被冷却或冷凝。

芯壳式热交换器的热和液压性能取决于交换器中的液体液位。用于使 汽化流体循环到交换器芯体的驱动力是热虹吸效应。热虹吸效应是由天然 对流热力引起的被动流体输送现象。当流体汽化发生时，汽化流体被加热， 且汽化流体的密度降低了。随着其自然地在通道中向上流动，新的液体被 吸入。这导致由芯体内的热梯度诱发的汽化流体进入芯体通道的自然循环。 不是通道中的全部汽化流体都汽化，液体和汽化物的混合物通常被向上输 送通过交换器芯体通道，并经所述芯体的顶部排出。在芯体上方，必须为 汽化物和液体分离提供足够的空间，使得只有汽化物离开芯体的壳体侧的 顶部区段。在交换器的上部区段分离的液体然后重新循环到容器的底部， 随后在该底部处在芯体中汽化。使液体和气体在芯壳式热交换器的上部区 段中分离的驱动力是重力。

通过芯体内的有效液体液位与芯体外的液体液位之间的外部液压压力 (液位差)增强或削弱了芯体中的热虹吸循环效应。随着壳体中的液体液 位下降，用于使液体转移到交换器芯体中的驱动力降低了，并且有效的热 传递降低了。当液体液位下降到低于芯体时，由于失去了热虹吸效应—— 这导致热传递损失，汽化流体循环停止。如果热交换器在高于芯体(即， 被充填)的液体液位下运行，则所传递的热量进一步削弱，这是因为芯体 中产生的汽化物必须克服额外水头以从芯体中逸出。

为了克服被充填的热交换器的影响以及确保未汽化流(汽化物和液体 的混合物)的分离，利用了诸如图1中描绘的上部容器30。上部容器30 位于热交换器10上方，并包括多个汽化物分离导管管道32，所述导管管 道将上部容器30连接到热交换器10的壳体12上。导管管道32由连接两 个容器的外部管道组成。在导管管道内部存在直径更小的汽化物提升管。 汽化物提升管(未在图1中示出)安装至芯体16、18、20的顶部，并在导 管管道32内部浮动用以允许交换器芯体16、18、20热膨胀和收缩。所述 汽化物提升管终止于上部容器30内部位于上部容器30的正常液体液位之 上。所述汽化物提升管藉由芯体16、18、20上的顶部歧管而紧固到芯体 16、18、20的顶部上，从而收集离开内部芯体16、18、20的未汽化流。 未汽化流被引入到上部容器30中。未汽化流然后在上部容器30中被分离， 使得液体藉由多个导管管道32沿着导管管道32的环形空间(该环形空间 介于汽化物提升管的外侧与导管管道的内侧之间)向下流动到热交换器10 的壳体12内。

当藉由多个连接管道进入到热交换器10的壳体内时，热的工艺进料流 藉由外部连接管道被输送至多个分隔开的芯体，用以单独地经受与汽化流 体的间接热交换。多个分隔开的芯体中的每一个芯体都接受单独的热工艺 进料流，以允许汽化流体与单独的热工艺进料流之间进行同时间接热交换。 汽化流体与热工艺进料流以交叉流方式在位于每个芯体内的交替板翅式通 道中流动。

如前所述，仅一部分汽化流体在芯体中汽化，由此形成存在于芯体的 顶部的汽化物和液体的混合物——即，未汽化流，该未汽化流必须在上部 容器30中被分离。汽化物提升管设计成使得离开芯体的未汽化流保持为混 合相流，并且所述汽化物提升管的通路设定在藉由在热交换器10的多个芯 体16、18、20的顶部的歧管连接的内部管道中，所述汽化物提升管终止于 上部容器30内部位于上部容器30中的正常液体液位上方。来自未汽化流 的汽化物在上部容器30中被分离出来，并与来自进入到上部腔室30的未 汽化流的汽化物混合。液体与热工艺进料流分离，并与来自汽化物提升管 的、流动到导管管道32的外环形空间中并流动到热交换器底部的再循环液 体混合。在本实施例中，上部容器包括用于使液体表面运动最小化的晃动 抑制挡板。

替代地，可以使用如图2中所示的分离容器40来克服被充填(灌注， flood)的热交换器的影响，以确保未汽化流的分离。分离容器40竖向地 布置在热交换器10上方，并包括多个连接到热交换器10上的导管管道42。 未汽化流被引导至分离容器40中。未汽化流中的汽化物和液体在分离容器 40中分离，液体藉由贯通分离容器40的底部的多个导管管道42而经外部 的分离容器流动到热交换器10中。导管管道内的汽化物提升管设计成使得 离开芯体的未汽化液体汽化物混合物保持为混合两相流，并且所述汽化物 提升管的通路设定在藉由在多个芯体16、18、20的顶部的歧管连接的内部 管道中，并且所述汽化物提升管终止于分离容器40内位于水平回流集管 43中的正常液体液位上方，所述水平回流集管连接至分离容器40的汽化 物空间。来自多个芯体16、18、20的汽化物在分离容器40中被分离出来， 并与来自进入分离容器40的未汽化流的汽化物混合，并从分离容器40的 顶部离开。再循环的液体藉由导管管道的环形空间或藉由分离容器40的底 部返回至壳体12的底部。

当经由多个连接管道进入到热交换器10的壳体12内时，热工艺进料 流经由外部连接管道被输送至多个分隔开的芯体，用以单独地经受与汽化 流体的间接热交换。多个分隔开的芯体各自接收单独的热工艺进料流，以 允许所述汽化流体与热工艺进料流之间进行同时间接热交换。汽化流体与 热工艺进料流以交叉流方式在每个芯体内的交替板翅式通道中流动。

所产生的未汽化流在多个外部管道42中被分离。液体流通过导管管道 42内的环形管道的外侧重新循环回到热交换器10内。汽化物流通过外部 管道42流入到分离容器40中。借助外部液体液位控制阀保持分离容器中 的液体液位。由于分离容器40是竖向的，所以可能不需要运动抑制。然而， 在一实施例中，在分离容器中使用了晃动抑制挡板。

参见图3，位于比热交换器10的高度高或与热交换器10同样高的高 度的分离容器50可以用于克服运动的影响，并且是完全充填热交换器10 的替代方法。在图3中，分离容器50位于热交换器10的旁边，并且包括 进料液体出口管道52和多个汽化物分离导管入口管道54。热工艺进料 流——即，混合相的进料流——被引入分离容器50中。汽化流体从分离容 器50经一个或多个自由排放部藉由进料出口管52被输送至热交换器10。 当经由多个连接管道进入热交换器壳体12时，热工艺进料流经由外部连接 管道被输送至多个分隔开的芯体，用以单独地经受与汽化流体的间接热交 换。多个分隔开的芯体各自接收单独的进料流，允许汽化流体和单独的进 料流之间进行同时间接热交换。汽化流体和进料流以交叉流方式在每个芯 体内的交替板翅式通道中流动。

所产生的未汽化流在多个汽化物入口管道54中被分离。液体流重新循 环回到热交换器10中。汽化物流通过汽化物分离导管入口管道进入到分离 容器50中。经由外部液体液位控制阀保持分离容器50中的液体液位。由 于分离容器50是竖向的，所以可以不需要运动抑制。然而，在一个实施例 中，在分离容器50中使用了晃动抑制挡板。

为了使外部或整体分离器装置所需的汽化物分离空间的尺寸最小化， 可以利用诸如轮叶组件的内部装置、除沫垫或气旋装置来减小分离器中的 所需直径，并进而减小从汽化物流中除去液滴所需的总体尺寸。

最后，应注意的是，对任何参考——特别是在本申请的优先权日之后 的日期的出版物的任何参考——的讨论并不是承认其对本发明而言是现有 技术。同时，下面的每一个权利要求都被并入本详细描述或作为本发明的 附加实施方案说明。

虽然已对本申请所描述的系统和方法进行了详细描述，但应当理解可 以进行各种变化、替换和更改而不脱离本发明的由所附权利要求限定的精 神和范围。本领域技术人员能够研究优选实施方案并识别其它的方式来以 与本文所述不完全相同的方式实践本发明。发明人希望本发明的变型和等 同方案都包括在权利要求的范围内，而描述、摘要和附图不应被用于限制 本发明的范围。本发明特别旨在与所附权利要求及其等同方案同样广泛。