管式热交换组件及其热交换设备的制作方法

本分案申请是基于申请号为201510012289.3、申请日为2015年1月9日、发明名称为“管式热交换组件及其热交换设备”的中国专利申请的分案申请。

本发明涉及管式热交换组件和包括这种管式热交换组件的设备。

该设备特别地包括化学反应器，并且更特别地包括由用来生产三聚氰胺的化学反应器。

背景技术：

根据总反应式(1)已知，三聚氰胺通过尿素热解而生成：

6nh2conh2→(cn)3(nh2)3+6nh3+3co2(1)

尿素三聚氰胺

已知该反应是高度吸热的。

将尿素转化为三聚氰胺的工艺被分成两组：在高压下执行尿素热解的工艺和在低压下执行尿素热解的工艺。

典型地，这两种工艺在反应器中执行，反应器被供给有熔融状态的尿素流。优选地，反应器也被供给有氨流。

在高压工艺中，反应室保持在高于60barrel的压力下，并配备有加热装置将反应系统保持在大约360℃-450℃的温度。

在已知的反应器中，在高压和低压工艺中，加热装置包括管束，例如由熔融的盐组成的热交换流体穿过该管束，熔融的盐典型地由钠和钾的硝酸盐和亚硝酸盐的混合物组成。

在典型的高压工艺中，管束包括管板，该管板被锚固到反应器的壳体以便与其界定出反应室140。

如图1和图3中示出的，管束中的每一根管100或管束的分支(如果管束成形为u形或蛇形)借助于焊接部102单独地固定到管板101，该焊接部可以是对接焊接部(图1)或者位于管板的面向反应室140内部的面与每一根管的外侧表面之间的过渡区域上(图3)。

每一根管100在反应室内的端部借助于专门的塞子107*闭合，该塞子可以具有简单的形状，其被成形为倒置的杯子，t形(如图1中所示)或者具有任何其它适合于该目的的形状。

在这点上，注意的是，上文简述的不同类型的塞子107*在附图中被示出。

在图1的放大图中，仅仅为了说明目的，特别地示出两种不同类型的塞子107*。

在每一根管100内，与其共轴且松弛地插入有导管104，该导管在相对的端部处敞开；每一根导管104中的内通道以及被限定在该导管与相应的管100之间的间隙因此限定出熔融的盐的流动路径(向外和向内)。

如图1和图3中示意性地描绘的，管100的第二区段100b和从其突出的相应的导管104的端部分别地连接到第二管板110和第三管板111，这界定出熔融的盐的分配通道和收集通道。

该连结借助于焊接、延伸(expanding)或任何其它适当系统来实现。

具体而言，在图1中示出的管100在反应室的内侧上被对接焊接(butt-welded)到管板101情况中，从反应室外侧到管板110的管板101之间的连结部(其界定出熔融的盐的分配通道和收集通道)借助于通过焊接、延伸或任何其它适当系统连结至该两块板的管区段100c实现。

在反应室140中与工艺流体接触的各种元件(管板和管)由耐腐蚀性高的材料制成，该材料必须接触具有恶劣操作条件的反应系统。

典型地，这些元件由钢或特殊合金制成，该特殊合金例如镍钼铬c276、c22、a59合金、inconel625。

特别地，管板101可以由对反应室条件有抵抗力的单一材料制成，或者通过用操作条件所需的材料101b*涂覆的不太昂贵的材料101a*制成。

该涂覆可以通过填充材料或者通过根据现有技术的任何其它涂覆方法实现。此外，各种元件通过焊接被相互固定。

如已知的，在有或没有填充金属(该填充金属与要被连结的两个元件的基底金属性质相同)的情况下，通过使待焊接条材局部熔化来执行该焊接；这种熔接使得两个元件在具有显著材料连续性的情况下被永久地连接。

典型地，管100沿围绕反应物质再循环导管141的同心圆周分布，该导管总体上位于反应室140的中心处。典型地但不必然地，该反应物质在中心再循环导管中沿下降方向循环，并连合熔融尿素的质量以及优选地供应氨的质量例如借助于特定开口在最靠近管板(该管板在管束中的管100联合至管板的区域中开始接触管束中的管)的区域内以横向于管100的方向流出以向上返回到管之间的空间中。

此外，即使在逆循环的情况中，管100的靠近管板101的区段仍然被沿着横向于管自身的方向再循环的流体撞击。

如已知的，流体对表面的冲击引起表面自身的腐蚀，并且该腐蚀在冲击角度接近90°时更大。

从在根据现有技术构造的管束上执行的检查来看，管束中的管100在与再循环流体冲击的区域中遭受腐蚀现象。

更密切地分析上述现象发现，管束中沿最内圆周分布的管(这些管最靠近再循环物质从中心导管141离开的点)与沿最外圆周分布的那些管相比遭受更大的腐蚀。

在所述检查期间也指出，焊接部显示出疲劳迹象，这可能因存在于某些湍流运动区域中的振动而造成。

也应注意到，所述焊接部在厚度不同的(特别是厚度差大的)表面之间被执行，因此在执行两个有关表面之间的焊接期间，管与管板之间的质量造成在加热、熔化和冷却时间方面的显著差异，从而在材料自身中产生内应力(例如，为了将管外壁与管板焊接，用来熔化管板表面的热量使得对管壁的熔接持续至管的内表面)。

因此，焊接区域受到机械应力，并会与侵蚀性混合物(例如，存在诸如naoh的降解产物的熔融盐)接触而遭受颗粒间腐蚀(intergranularcorrosion)。

为了克服在厚度不同并因此质量不同的情况下在管/管板对接焊接过程中引起的过度加热的缺陷，已知借助于对管板表面101b*的机械加工而形成与管厚度相同的杆108(见图3)。

然而在这种情况中发现，除了熔接材料直接接触加热流体(例如熔融盐)之外，由于造出所述杆所必需的机械加工，所述杆因强应力仍然存在于杆自身中而倾向于遭受颗粒间腐蚀。

还应当指出，在借助于焊接连合各种元件(板和热交换管)之后，实际上不可能使整个管束经受热处理(该热处理例如为退火、再溶或正火)而实现消除由于机械加工或者由于材料的局部加热、后续冷却以及收缩的影响而产生的内应力的目的。

因此显然的是，在通过按照图1的板/管焊接102泄漏的情况下，通过经由焊接部直接泄漏或者在按照图2焊接的情况下通过管部分和/或杆的颗粒间腐蚀，又或者通过与焊接部102a(图3)相关的管侧部分的颗粒间腐蚀，反应室和加热回路处于不同的压力下，引起让两种不同流体接触的泄漏。

特别地，如果反应室在高于加热回路压力的压力下操作，则例如三聚氰胺和氨的工艺流体进入加热回路自身，使得整个加热回路过压并引起破裂的危险。

技术实现要素：

本发明的目标是借助于实现管式热交换组件和包括这种组件的设备(特别地用来生产三聚氰胺的反应器)来解决已知技术的上述缺点(例如，腐蚀和不同厚度之间的焊接)，该设备具有改进的结构强度特性并且允许消除管在管板附近的部分的腐蚀现象。

本发明的另外目标是提供管式热交换组件和包括这种组件的设备(特别地用来生产三聚氰胺的反应器)，该设备可以减小形成裂缝和裂纹的危险。

特别地，本发明的目标是减小在热交换管中形成裂缝和裂纹的危险，因此减小在管内循环的热交换流体与反应室内的材料之间的接触和可能的反应/爆炸危险，不管是外部地撞击管它们自身的要被加热/冷却的流体还是反应系统。

这些和其它目标通过根据所附独立权利要求的一种管式热交换组件和一种设备特别地用来生产三聚氰胺的反应器被实现。

本发明所基于的总体思想是为每一根管布置至少一个套管，该套管在相对的端部处敞开并且固定到管板和管，其中该套管被容纳在孔中并且在管的横穿管板厚度的区段处被装配在管上。

套管优选地通过焊接连接到管板，该焊接部被容纳在热交换室中。这有利地允许实现管板和套管之间的密封，能够防止反应室中包含的流体渗出到被限定在套管外壁与板通孔的壁之间的边界区域中。如果这种渗出发生，则反应室中包含的反应物可以达到板的对反应室的条件没有抵抗力的部分(由于该部分通常由不太昂贵的材料制成)。

具体而言，在用来生产三聚氰胺的反应器的情况中，这种渗出将导致腐蚀并且因此导致管板的急剧损伤。

优选地，仅仅在管与套管之间和/或在套管与管板之间提供一个连接点。

有利地，如此获得的连接可以耐受住受约束的元件的例如可能会在用来生产三聚氰胺的反应器中经历的不同热膨胀。

在这种反应器中，在最初加热阶段期间，即从空的反应器开始，会实现元件的非常不同的加热速度，因此引起元件的不同的膨胀速度。

这种差异是由于，从空的反应器开始(即在每一个元件处于远远低于反应温度的温度下)，处于非常高的温度下的熔融盐穿过热交换管。这引起管的快速变热。

与此相反，套管被管加热，并且套管反过来加热管板，使得它远远更慢地达到反应温度。

因此，管板出现在达到反应温度方面的进一步延迟，这是由于它被套管加热。

因此，已经披露非常有利的是，在元件联接部(管-套管和/或套管-板)之间提供仅仅一个连接点，使得被连接的元件之间的相对膨胀不被阻碍。

此外，套管突出超过管板的第一面，使得其第一敞开端部终止于热交换室的内部。

除了上述组件外，本发明的另外目标也是一种包括这种组件的设备。

以这种方式，如下文将更详细地见到的，与已知方案有关的问题被克服。

另外有利特征是所附权利要求的目标，所附权利要求被看作本文的组成部分。

附图说明

根据附图，本发明将看起来更显然，其中：

图1-3描绘上文讨论的属于现有技术的方案；

图4以第一实施例描绘了根据本发明的设有热交换组件的反应器的示意性剖视图；

图5以第二实施例描绘了根据本发明的设有热交换组件的反应器的示意性剖视图。

具体实施方式

根据本发明并且参考图4和图5，首先描述两个实施例(1和1a)共有的显著特征。

根据本发明，管式热交换组件1和1a包括管板(101)，该管板具有：第一面101a，该第一面在使用情况中面向热交换室140内部；和第二面101b，该第二面与所述第一面101a相对并且在使用情况中面向所述热交换室(140)外部。

在管板101中制造有至少一个通孔103，该至少一个通孔穿过所述管板101的厚度并且通向相对的面101a和101b。有利地，对于上文所强调的目标，孔103被容装在套管200中，该套管在相对的端部处敞开，并被固定到管板101。

在套管200内部，优选地以基本上共轴的方式容装有热交换管100，该热交换管因此穿过通孔103并且延伸到室140中。

管100以本身已知的方式与热交换流体的供应回路操作性地相关联。

因此，套管200在管100的横穿管板101厚度的区段处装配在管100上。

套管200还突出超过管板101的第一面101a，使得套管200的第一敞开端部终止于热交换室140内。

有利地，这使得能够避免在与室140内再循环的流体冲击的区域中的腐蚀现象，因为套管200的伸出超过面101a的部分保护了管100。

有利地，在这个意义上，套管200从第一面101a延伸的长度大于等于再循环导管的径向开口的高度。

注意到，有利地，套管200交替地或组合地通过焊接固定到管板101或到管100。

在两个实施例1和1a中，套管200与板101或管100的固定通过焊接被实现，但更通常地，这些固定部中的至少一个固定部可以不同，例如可以借助于带凸缘的接头或类似物被实现。

几乎难以需要注意在两个实施例1和1a中管100与管板101之间完全没有焊接，因此套管200完全插在这两者之间。

鉴于上文概述的目标，这使得能够避免厚度不同的材料的焊接部之间的问题，因此避免与它们相关联的问题，为了简洁起见将不讨论这些问题。

具体而言，当套管200的厚度小于管板101的厚度并且优选地其厚度相似于或小于管壁100的厚度时，这种布置是特别有利的。

至于套管200的第二敞开端部，即面向室140外部的端部，通常可能出现不同的情况。

在一些实施例中，第二敞开端部与板101的第二面101b齐平地终止，而在其它优选方案中，套管200突出超过管板101的第二面101b，使得第二敞开端部终止于所述热交换室140外部，突出超过该面101b一定的距离。

现在对比地参考实施例1和1a，这些通过以下事实相关联：套管200借助于第一焊接部105被焊接到管板101，该第一焊接部从管板101的第一面101a一侧形成在套管200的本体部分与孔103的边缘之间，以这种方式，第一焊接被容纳在热交换室140中。

这两个实施例的不同之处在于第二焊接部的位置，该第二焊接部即将套管200和管100固定在一起的焊接部，在第一实施例1中，第二焊接部形成在套管200的第一敞开端部与所述管100的外侧表面的邻接部分之间，使得第二焊接部被容纳在热交换室140中；而在第二实施例1a中，第二焊接部改为形成在套管200的第二敞开端部与所述管100的外侧表面的邻接部分(contiguousportion)之间，使得第二焊接部被容纳在热交换室140外部。

本发明的组件1和组件1a然后被包含在还包括壳体壁的热交换设备中，并且其中，管板101被布置成用以与壳体合作地界定出热交换室140；管板101的第一面101a是面向热交换室140内部的那一面。

更详细地，该设备包括用于处于熔融状态的尿素的至少一个入口，在所述热交换室140内，该尿素处于压力下并优选地具有135℃-145℃的温度，使得所述热交换室实际上构成反应室用于热解尿素并形成三聚氰胺。

对于实施例1和1a，现在参考图4和图5，注意到，为了方便，已经用相同的附图标记指示组件以及图1-3的反应器的相同部件(在上文被讨论并且将不再被讨论)。

为了详细理解地本发明，现在特别参考管100到管板101的组装，根据本发明，提供了优选地与管由相同材料制成的套管200，该套管至少在管板101处装配在管100上。

套管200的厚度相似于，或者优选地等于，或者更优选地小于管100它们自身的厚度。

更详细地，管板101在厚度上被多个孔103横穿，在该多个孔的每一个内插入有相应的套管200，该套管在相对的端部处敞开，该相对的端部中的一个端部延伸超过管板101的面向反应室140内部的面101a，并且另一个端部在这个示例中与管板101的相对的面101b齐平地终止(图4)，或者如在第二实施例1a中(图5)，从管板101的相对的面101b突出。

在每一个套管200内，插入有相应的管100，该管分别延伸超过套管200的在反应室140内的第一区段100a内以及在反应室140外的第二区段100b的相对端部。

更详细地，每一个套管200通过第一焊接部105固定到管板101，该第一焊接部形成在管板的面向反应室140内部的面101a与各套管200的侧向表面之间的过渡区域，由此界定出套管的终止于反应室外部的区段与管板之间的空隙201。

以这种方式，有利地，如果从焊接区域105泄漏，则工艺流体将泄漏通过空隙201，该空隙在大气压区域中与管束的外部连通，并因此没有任何工艺流体与加热流体之间接触的危险。

管100改为借助于第二焊接部106固定到相应的套管200，该第二焊接部形成在套管200在反应室140内延伸的端部和管100的在套管200外且在反应室140内延伸的第一区段100a的外侧向表面的对应部分处；在此也显然的是，如果从焊接区域106泄漏，则工艺流体将泄漏通过空隙201a，该空隙在大气压区域中与管束的外部连通，并且因此没有任何工艺流体与加热流体之间接触的危险。

支撑着管100的套管200具有部分200a，该部分200a在反应室内延伸一定长度以保护管100的表面免于与反应室内再循环的流体冲击而引起腐蚀现象。

按照本教导并且根据反应器的特定几何结构，本领域技术人员可以容易地选择该部分200a的精确长度，而不因此偏离本发明的保护范围。

在一些实施例中，支撑着位于最靠近再循环导管的区域中的管100的套管长度大于支撑着最外面的管100的那些套管，支撑着最外面的管100的那些套管可以改为较短以便不阻碍热交换。

在其它实施例中，替代地，套管200具有完全一样的长度。

在图5中示出一种变型，同样在这个情况中，上文描述的并且将不被进一步讨论的相同部件由相同的附图标记指示。

在这个变型中，管100和套管200之间的结合的第三焊接部(由附图标记107指示)形成在套管200的从管板101的面101b突出在反应室之外并因此处于大气压区域中的端部与管100的在套管之外延伸的区段100b的对应部分之间。

加热/冷却流体循环回路在这里不再被描述，这是由于它与该技术的上述状态相比没有改变。

最后，至于塞子，其可以为上面描述的已知类型，特定类型的塞子的使用被认为不影响至此已经描述的内容。

在这点上，仅仅注意的是，这种塞子通常联接到管100，或者通过焊接(诸如杯形塞子)联接，或者借助于受力插入然后焊接的方式(诸如“t形”塞子)联接；在附图中，与管100随机联接的数种类型的塞子被示出以理解它们可以具有各种用途。