管壳式热交换器装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及管壳式热交换器装置。更具体地，本发明的管壳式热交换器装置旨在相对于现有技术简化相邻加热器单元之间的相互连接，并且有助于清洁这样的加热器单元的壳侧。
【背景技术】
[0002]以下【背景技术】的讨论仅旨在促进对本发明的理解。讨论并未承认或认可任何所引用的材料在本申请的优先权日是或曾经是公知常识的一部分。
[0003]本申请人是涉及多单元加热系统的多个在先专利的注册所有人，这些在先专利包括澳大利亚专利676920、697381和2006201746。这些在先专利的加热器系统已经主要开发用于在氧化铝精炼行业中使用的闪蒸装置。但是，那些专利中描述的发明的有用应用不限于该特定行业，而是可延伸到遇到与下文所述那些类似或相同的加工问题的所有行业部门。
[0004]为了理解本申请人的在先发明所提供的优点、上述专利的主题以及本申请所提供的进一步的优点的相关性，解释一些所遇到的问题是有帮助的。因此，现在将提供对所涉及过程的简要描述。
[0005]氧化铝或三氧化二铝在化学式称为A1203。是工业上用于制造从研磨剂到铝金属的多种产品的重要矿物质。其商业量的存在主要是作为铝土矿，其中铝以水合物和硅酸盐的形式存在。这些之中，以氧化铝一水合物和氧化铝三水合物二者存在的水合物是唯一提取的化合物，并且必须将其与矿石的其余部分分开。典型的商业铝土矿含有约30%至约60%的可提取氧化招。
[0006]工业上，氧化招的提取通过拜耳法(Bayer process)实现，在奥地利化学家K JBayer于1888年开发此方法后就如此称谓。在该方法中，将细磨的铝土矿与苛性钠水溶液混合并加热。这造成氧化铝水合物进入溶液，使得能够将其与残余固体分离。商业上，后者步骤通过沉降和过滤相结合来执行。
[0007]滤液的冷却消除了加热过程的影响，溶解的氧化铝水合物沉淀，同时剩余液体恢复至其初始状态并且可再用于重复该过程。所述过程的温度范围取决于铝土矿的质量。在这点上，三水合物矿石的消化通常需要低于150°C的温度，而一水合物矿石的消化需要范围高达300 °C的温度范围。
[0008]在工业设备中，氧化铝的提取通常以连续过程大规模地进行。根据拜耳法的需要，苛性液流连续再循环并且交替地加热和冷却。但是，由于大的操作规模，液流的能含量非常高(特别是在高温精炼厂中)，并且有效的能量管理对于经济和设备的耐久性必不可少。因此，安装在氧化铝精炼厂中的大部分装置专用于热回收。
[0009]用于热回收的主要区域是精炼厂的消化部分，在该部分，热从流出的热拜耳溶液传递到流入的冷铝土矿浆料。这在管式加热器中实现，其中冷浆料从管的内侧流过，而热闪蒸蒸汽在管的内侧流动。蒸汽在冷(较冷)的管上冷凝，这导致蒸汽释放其蒸发热，所述热然后被冷浆料流吸收。
[0010]这种加热过程通常以若干阶段进行。热力学理论表明，该热回收过程的效率随着所使用的加热阶段的数目而增加。在实践中，阶段的数目受到经济考虑的限制。特别地，每个额外阶段需要更多装置，因此有这样一个点，超过所述点，效率的微小增加并不能保证额外的追加投资。
[0011]在拜耳法设备的消化部分的管式加热器中，特别是在高温拜耳设备中的那些中，出现了若干问题，其大大增加了用于设备的资本成本，以及用于操作和维护设备的成本。
[0012]特别地，为了在含有氧化铝一水合物和氧化铝三水合物二者的铝土矿上操作拜耳法，必须将铝土矿的浆料和含水苛性钠加热到高达300°C的温度以成功溶解一水合物。但是，如下文将更详细描述的，与其中通常使用热交换器的大部分过程相比，这需要将浆料加热到污垢极度沉积的温度下。
[0013]即使在浆料仅被加热到用于三水合物消化的约150°C的温度时，污垢的沉积也很显著。
[0014]在这点上，随着浆料温度升高，三水合物容易进入溶液，但是一部分三水合物转化成一水合物。一水合物不容易溶解，直到其达到更高的温度，因此一水合物污垢趋向于沉淀和沉积在加热器壁上。同样的，其他类型的污垢如硅酸盐和钛酸盐也沉积。
[0015]任何加热器单元上污垢积累造成的主要问题在于其严重影响传热系数。污垢沉积还增加流体流动阻力，因此大幅增加维持通过装置的所需流动的必要的水力梯度。为了提供用于除垢的加热器停机时间(清洁周期)之间的最小可接受时间间隔，在最初设计时通常设置丰富的安全因素。因此，加热器设置有比在污垢沉积不是重要因素的行业中的可比较加热器大几倍的表面积。这大大增加了加热器管的总长。因此栗送头较高，这继而要求设备及其连接管在工作下禁受比其他情况下高得多的压力。
[0016]明显地，这些设计余地具有积累效应并对设备装置的资本成本和操作成本具有大的影响。
[0017]此外，尽管在设备的设计和成本里包括了重要的安全因素，其使用寿命依然有限。其依然需要相当大的停机时间周期以对管除垢以及进行相关维护，例如更换被堵塞的管等。因此，行业中的常规做法是提供大量备用设备，以便可以在轮流的基础上进行清洁，而不影响设备生产或操作的连续性。事实上，在大的常规精炼厂中，在热回收部分具有30%至50%备用设备是很寻常的。
[0018]最后，加热器的热性能与蒸发器容器中产生闪蒸蒸汽的速率直接相关，这对从加热器系列收集的冷凝水的质量和使用具有重要影响。
[0019]毫无意外的是，行业中对于积极开发改进消化设备已经进行了许多年。这些改进是关于工艺改进、装置改进、操作改进或其组合。
[0020]—种这样的改进使用设置有加热夹套而非常规壳的管系统，其中所述管以小的组具有夹套。所述管与标准热交换器管相比直径较大，并且在整个加热器系统的长度上基本连续不间断。夹套不是连续的，而是根据蒸发器的数目间断地应用，并且适合拆卸加热器元件用于清洁和维护。关于热设计，这样的管式加热器与常规加热器之间基本没有差异，但是在机械上差异显著。
[0021]但是，该设计主要目的在于取消老式高压釜型消化器，其中污垢的积累与现代氧化铝精炼厂中被认为是坏的污垢积累极不成比例。因此没有特别地解决现代大规模设备中现在依然存在的问题。
[0022]之后，开发了有些类似的设计，起具有寻找对老式高压釜的合适替代物的类似目的。由于管式消化器的按比例放大依然是问题，采用在每个夹套中包含3个管的加热器设计。这些管中的两个输送铝土矿浆料，第三个输送废液。在加热器系统的末端并且消化之前，三种流体合以提供必需一致性的消化浆料。定期切换通过管的流动，以便三个管线中的每一个都轮流经受废液流，其目的是使污垢溶解。这个过程在操作条件(即，温度)下原位进行并且除去至少一部分污垢。但是，需要定期用酸清洁设备，以除去在废液中不可溶或保持为未溶解的污垢组分，该清洁过程不能在操作条件下进行。
[0023]由于该过程产生的废液高于140°C，冶金影响更严重并且不能包含在碳钢中。这需要及其昂贵的合金，或者如果仅适当昂贵，例如铁素体不锈钢，则难以焊接。
[0024]另一种开发是保持常规管壳式热交换器并且向其安装垂直而非平行的管束。已证明这在限制管内污垢的增加上相当有效，并且证明了重力对管壁的沉淀和沉积/粘结的影响。
[0025]本申请人的在先发明(为上述专利的主题)已经涉及提供多单元加热系统，其允许在装置的其余部分保持运行的同时对个别加热器单元系列进行清洁。例如，Addit1n的澳大利亚专利2006201746提供了一种用于通过若干加热器单元系列将三水合物铝土矿浆料的温度升高到高至160 °C的温度的多单元加热系统，所述加热系统包括加热器单元的阵列，所述阵列包括多个加热器单元系列和多个加热器单元堆叠，每个堆叠与各自的热源相关联并且流体连通，并且每个系列通过相邻堆叠中对齐的单个加热器单元限定以便可将浆料分成通过两个或更多个系列的流以便借此加热，阵列被配置使得在其一侧具有入口温度，并且在其另一侧具有出口温度，其中系列、堆叠、单元和热源的互相连接使得每个加热器单元系列和每个加热器单元能够与加热介质隔离