气‑液混合分配装置、管壳式换热器的制作方法

本发明涉及气-液混合分配装置、管壳式换热器，更加详细而言，涉及被垂直设置的管壳式(shellandtubetype)换热器以及朝所述管壳式换热器的管侧混合投入气体以及液体两种相的流体的气-液混合分配装置。

背景技术：

换热器是指通过传热壁从高温的流体向低温的流体传热的装置。换热器可根据其使用目的以及功能而被分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器，可根据传热壁形态而被分为双重管式、管壳式、平板式以及其他特殊型换热器，其中管壳式换热器最被广泛使用。

管壳式换热器是在炼油以及石油化学工厂被广泛使用，例如，为了在芳香族转化反应(aromaticreforming)、烷基转移反应(trans-alkilationreaction)、异构化反应(isomerizationreaction)以及石脑油、喷气燃料、柴油加氢脱硫反应(naphtha,jet-oil,dieseloilhydrodesulfurizationreaction)等反应回路(reactionloop)中，使高温的反应器流出物和低温的气-液混合流体相互进行热交换，从而从高温的反应器流出物回收废热而使用。

在所述管壳式换热器朝管侧投入气体以及液体两种相的混合流体时，以相同的比例均等分配并投入气体以及液体是在确保换热器的热传递性能、水力学性能、机械稳定性中极其重要的。

但是，由于因气体以及液体的比重差导致的水力学特性之差，投入到各个管的气体以及液体的混合比例有差异，有时还会产生液体不规则地流动的急冲(surge)现象。

如果发生所述现象，则在各个管的内侧流动的流体以及在外侧流动的流体之间的温度差(temperaturedifference)以及热传递系数(filmcoefficient)产生偏差，各个管的金属温度(tubemetaltemperature)也产生偏差。

所述偏差不仅能够降低换热器的热传递性能，增加压力损失，因管的金属温度差导致的热膨胀之差还会对管束(tubebundle)以及伸缩接头(expansionjoint)带来过度的压力，降低机械稳定性以及装置的寿命。

而且，如果产生液体间歇性且不规则地流动的急冲现象，则换热器流出物以及管的金属温度会在一定振幅内不规则且急剧发生变动，所述急剧的变动不仅能够破坏工序稳定性，还能降低装置的寿命。

一方面，目前使用的投入有气-液混合流体的管壳式换热器也存在所述问题点。如图1所示，现有管壳式换热器使用了如下方法，即不设置为了向管以相同的比例均等地投入气体以及液体的任何装置(图1a)或者在管板(tubesheet)下面设置多孔板而稍微改善投入到管的气体/液体分配比例的方法(图1b)。但是，用多孔板不能从根本上阻止因高密度液体具有的冲力(momentum)导致的液体集中现象，也不能阻止在因密度差以及重力导致的液体滑动(slip)现象中伴有的急冲现象。尤其，随着生产工序的大型化以及热回收率的提高，换热器被大型化，由此气体以及液体的不均匀分配以及急冲现象带来了各种问题。

为了改善所述问题，还使用了在管板下面设置多孔板，然后将液体投入到多孔板上面的方法(图1c)，但是该方法也不能阻止液体集中到中间的现象。

因此，该领域中，当为朝管侧投入气体以及液体两种相的混合流体的大型换热器时，用高价且不方便维修的焊接板式(weldedplatetype)换热器代替了管壳式换热器。

技术实现要素：

解决的技术问题

本发明是为解决所述问题点而提出的，其目的在于，提供均匀混合气体以及液体，然后将混合的流体均匀地分配并投入到管壳式换热器的多个管的气-液混合分配装置、利用该装置的管壳式换热器。

技术方案

为达成所述目的，根据本发明的一实施例的气-液混合分配装置，包括：混合头部，包括腔体(chamber)、多个气体喷嘴以及多个液体喷嘴；以及液体供应部，与所述混合头部连接而向所述混合头部供应液体，形成在所述混合头部的多个气体喷嘴以及多个液体喷嘴可以被均匀地混合分布以使从所述混合头部喷出的液体以及气体被均匀混合。

然后，所述多个气体喷嘴喷射从设置有所述气-液混合分配装置的管壳式换热器的气体供应部供应的气体，混合有所述气体以及液体的气液混合流体可通过所述管壳式换热器的管板被供应到管。

而且，所述多个气体喷嘴可由贯穿所述腔体而成的管型喷嘴构成，所述多个液体喷嘴可由形成在所述腔体上板的孔口(orifice)型喷嘴构成。

然后，所述混合头部可进一步包括液体堆粉碎喷嘴，其用于粉碎在所述腔体的上板中与所述液体供应部连接的区域中堆积的液体堆(liquidstack)。

而且，所述混合头部可包括分别由多个气体喷嘴以及多个液体喷嘴构成的多个列，所述多个列的单数列中包含的液体喷嘴和双数列中包含的液体喷嘴其液体喷射方向互相相反。

然后，所述液体供应部可由包含液体供应主管以及与所述液体供应主管连接的多个液体供应歧管的多歧管形态构成，从而向所述混合头部供应液体。

而且，所述多个气体喷嘴可由贯穿所述腔体而成的管型喷嘴构成，所述多个液体喷嘴可由形成在所述管型的多个气体喷嘴的各个壁体上的孔口型喷嘴构成。

然后，所述混合头部和所述液体供应部可以滑动结合以使所述混合头部随着所述管壳式换热器的多个管的热膨胀或者收缩而可上下移动。

一方面，为了达成所述目的，根据本发明的一实施例的管壳式换热器，可包括：多个管，设置在壳体的内部；下部管板，结合有所述管的一端；下部头部，在内部形成有隔壁以朝向所述下部管板以及所述管供应气液混合流体；气-液混合分配装置，在所述下部头部的内部设置有混合头部，并生成所述气液混合流体；以及气体供应部，供应可在所述气-液混合分配装置中使用的气体，所述气-液混合分配装置，包括：混合头部，包括腔体、多个气体喷嘴以及多个液体喷嘴；以及液体供应部，与所述混合头部连接而向所述混合头部供应液体，形成在所述混合头部的多个气体喷嘴以及多个液体喷嘴可以被均匀地混合分布以使从所述混合头部喷出的液体以及气体被均匀混合。

然后，所述下部头部可以是上端面积大于下端面积的圆锥形。

而且，当所述液体供应部的供应压力大于预设压力时，所述混合头部可以设置在所述下部头部的下端区域，当所述液体供应部的供应压力小于预设压力时，所述混合头部可以设置在所述下部头部的中端区域。

然后，所述换热器可以使投入的高温的反应器流出物和所述气液混合流体相互进行热交换，从而从所述高温的反应器流出物中回收废热。

而且，在所述下部头部的下端区域可形成有密封环，所述密封环最大限度地减少所述气体供应部所供应的气体从所述下部头部与设置在所述下部头部的下端区域的混合头部之间的间隙流出。

然后，在所述混合头部的侧面可形成有多个液体喷嘴，所述多个液体喷嘴用于向从所述间隙流出的气体喷射液体。

发明效果

通过在管壳式换热器设置本发明中提供的气-液混合分配装置，从而能够改善热传递性能，节约装置费用。

而且，通过在管壳式换热器设置本发明中提供的气-液混合分配装置，解决引起气液相分配问题的换热器的机械稳定性以及工序稳定性问题，从而可以用价格低廉且方便维修的管壳式换热器代替价格昂贵且不方便维修的焊接板式换热器。

附图说明

图1是说明根据现有技术的管壳式换热器的示意图。

图2是概略示出根据本发明的多种实施例的管壳式换热器的构造图。

图3是示出根据本发明的一实施例的气-液混合分配装置的构造图。

图4是示出根据本发明的其他实施例的气-液混合分配装置的构造图。

图5是示出根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的构造图。

图6是示出根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的构造图。

图7是具体示出根据本发明的一实施例的高速喷射型管壳式换热器的气-液混合分配装置以及密封环结构的构造图。

图8是具体示出根据本发明的一实施例的低速喷射型管壳式换热器的气-液混合分配装置以及滑动接头的结构的构造图。

具体实施方式

以下，参照附图具体说明本发明的多种实施例。

图2是概略示出根据本发明的多种实施例的管壳式换热器的构造图。如图2所示，根据本发明的多种实施例的管壳式换热器100其可根据液体喷射速度而被分为高速喷射型管壳式换热器100-1以及低速喷射型管壳式换热器100-2。

即，当气-液混合分配装置110的液体供应部111的液体供应压力大于预设压力而液体喷嘴112-3的液体喷射速度快时，可以被分类为高速喷射型管壳式换热器100-1。

而且，当气-液混合分配装置110的液体供应部111的液体供应压力小于预设压力而液体喷嘴112-3的液体喷射速度慢时，可以被分类为低速喷射型管壳式换热器。

参照图2a所示的高速喷射型管壳式换热器100-1以及图2b所示低速喷射型管壳式换热器100-2，除了气-液混合分配装置110的设置结构，基本的结构要素可以相同。

具体而言，如图2a及图2b所示，高速喷射型管壳式换热器100-1以及低速喷射型管壳式换热器100-2可以包括：流入部151，投入有高温的反应器流出物等高温流体；第一排放部153，排放高温的反应器流出物等高温流体；第二排放部152，排放气液混合流体；壳体150，形成有所述流入部151、第二排放部152多个管140，设置在壳体150的内部；下部管板130，结合有所述管140的一端；下部头部120，在内部形成有隔壁以朝向下部管板130以及管140供应气液混合流体；气-液混合分配装置110，生成气液混合流体；伸缩接头(expansionjoint)170，可随着多个管140的热膨胀或者收缩而进行膨胀或者收缩；以及气体供应部160，供应可在气-液混合分配装置110中使用的气体。

此处，下部头部120可以是上端面积大于下端面积的圆锥形，在下部头部120的内部可设置有气-液混合分配装置110的混合头部112。

但是，在下部头部120的内部中设置有气-液混合分配装置110的混合头部112的位置，可根据高速喷射型管壳式换热器100-1以及低速喷射型管壳式换热器100-2而不同。

具体而言，如图2a所示，高速喷射型管壳式换热器100-1的气-液混合分配装置110的混合头部112可设置在下部头部120的下端区域。

但是，当液体供应压力不足时，为了降低投入的液体的压力损失(即，喷射速度)，如图2b所示，低速喷射型管壳式换热器100-2的液体喷嘴可设计为相对于高速喷射型管壳式换热器100-1直径非常大。而且，如图2b所示，低速喷射型管壳式换热器100-2的气-液混合分配装置110的混合头部112可设置在与下部管板130接近的下部头部120的中端区域。

因此，低速喷射型管壳式换热器100-2相对于高速喷射型管壳式换热器100-1可确保更宽的喷嘴设置面积，比起高速喷射型管壳式换热器100-1，设置在下部管板130附近，从而能够有利于气液混合流体不被分离而被原样传送至各个管入口。

所述管壳式换热器100可以使投入的高温的反应器流出物等高温流体和在气-液混合分配装置110中生成的气液混合流体相互进行热交换，从而从高温流体中回收废热。

以下，参照图3至图6具体说明在所述高速喷射型管壳式换热器100-1以及低速喷射型管壳式换热器100-2使用的气-液混合分配装置110。

图3a是示出根据本发明的一实施例的气-液混合分配装置的俯视图，图3b是根据本发明的一实施例的气-液混合分配装置的iiib-iiib截面图。

如图3a及图3b所示，气-液混合分配装置110，可包括：混合头部112，包括腔体112-1、多个气体喷嘴112-2以及多个液体喷嘴112-3；以及液体供应部111，与所述混合头部112连接而向所述混合头部112供应液体。

此处，多个气体喷嘴112-2可由贯穿腔体112-1而成的管型喷嘴构成，多个液体喷嘴112-3可由形成在所述腔体112-1上板的孔口型喷嘴构成。

而且，形成在混合头部112的多个气体喷嘴112-2以及多个液体喷嘴112-3可以被均匀地混合分布以使从混合头部112喷出的液体以及气体被均匀混合。

具体而言，混合头部112可包括分别由多个气体喷嘴112-2以及多个液体喷嘴112-3构成的多个列。例如，当混合头部112的上板形成为圆形时，从与具有第一半径的第一同心圆相对应的第一列开始到与具有第n半径的第n同心圆相对应的第n列可分别由多个气体喷嘴112-2以及多个液体喷嘴112-3构成。

此时，在各个列可依次设置有气体喷嘴112-2以及液体喷嘴112-3，在各个喷嘴112-2、112-3的临近区域设有相互不同的喷嘴112-2、112-3。例如，在气体喷嘴112-2的临近区域可设有液体喷嘴112-3，在液体喷嘴112-3的临近区域可设有气体喷嘴112-2。

在图2a所示的高速喷射型管壳式换热器设置所述根据本发明的气-液混合分配装置110时，通过多个被均匀混合并分布的喷嘴112-2、112-3喷射投入的气体以及液体，因此喷射的同时完成气体以及液体的混合，通过由高速喷射的液体的喷射器(ejector)原理产生的气体吸入/混合效果以及高速的液体所引起的强的湍流(turbulance)，从而能够二次完成气体以及液体的混合。

而且，在图2b所示的低速喷射型管壳式换热器设置根据本发明的气-液混合分配装置110时，通过多个被均匀混合并分布的喷嘴112-2、112-3喷射投入的气体以及液体，因此喷射的同时完成气体以及液体的混合，而且虽然没有通过高速喷射的液体的喷射器效果以及湍流效果产生的气体以及液体的混合效果，但是通过相对较快喷射的气体引起的湍流效果，能够二次完成气体以及液体的混合。

一方面，所述气-液混合分配装置110生成的气液混合流体可通过管壳式换热器100的下部管板130被供应到多个管140。

一方面，混合头部112可进一步包括液体堆粉碎喷嘴113，其用于粉碎在腔体112-1的上板中与液体供应部111连接的区域中堆积的液体堆。

具体而言，在连接有液体供应部111的部分(例如，图3为圆形腔体的中央部分)不能设置垂直贯穿腔体112-1的管型气体喷嘴，因此还可以不设置液体喷嘴112-3。此时，在不排列有气体以及液体喷嘴112-2、112-3的腔体112-1的上板上可以堆积不稳定的圆锥形形态的液体堆。

此时，液体堆粉碎喷嘴113向堆积的液体堆注入气体，从而能够细小地粉碎液体堆。

一方面，根据本发明的其他实施例，气-液混合分配装置110可形成为图4所示结构。具体而言，图4a是示出根据本发明的其他实施例的气-液混合分配装置的俯视图，图4b是根据本发明的其他实施例的气-液混合分配装置的ivb-ivb截面图。

如图4a及图4b所示，根据本发明的其他实施例的气-液混合分配装置110可以在液体喷嘴112-3朝向气体喷嘴112-2喷射液体的构造上，与图3的气-液混合分配装置的构造不同。

此时，可构成为双数列中包含的液体喷嘴112-3的液体喷射方向和单数列中包含的液体喷嘴112-3的液体喷射方向互相相反。

具体而言，混合头部112可包括分别由多个气体喷嘴112-2以及多个液体喷嘴112-3构成的多个列，此时，在多个列中单数列所包含的液体喷嘴112-3可朝第一圆周(tangential)方向、双数列所包含的液体喷嘴112-3可朝与第一圆周方向相反的第二圆周方向喷射液体。

根据所述本发明，将排列在单双数同心圆上的液体喷嘴112-3的喷射方向设置为互相相反，则在单双数同心圆上，流体的旋转方向互相相反，从而能够极大限度地减小因离心力导致的液体集中现象，并极大提高混合效果。

一方面，根据本发明的另一其他实施例，气-液混合分配装置110可形成为图5所示结构。具体而言，图5a是示出根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的俯视图，图5b是根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的vb-vb截面图。

如图5a及图5b所示，根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置110可在液体供应部111为多歧管(manifold)形态的结构上，与图3至图4的气-液混合分配装置的结构不同。

具体而言，液体供应部111可由包含液体供应主管111-1以及与液体供应主管连接的多个液体供应歧管111-2的多歧管形态构成，从而向混合头部112供应液体。

根据所述本发明，能够在腔体112-1的多处连接液体供应部111，从而能够有效排列气液喷嘴112-2、112-3。

一方面，根据本发明的另一其他实施例，气-液混合分配装置110可形成为图6所示结构。具体而言，图6a是示出根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的俯视图，图6b是根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置的vib-vib截面图。

如图6a及图6b所示，根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置110在将多个液体喷嘴112-3形成在多个气体喷嘴112-2的各个侧壁而在气体喷嘴112-2内混合并喷射气体以及液体的构造上,与图3至图5的气-液混合分配装置的结构不同。

具体而言，多个气体喷嘴112-2可由贯穿腔体而成的管型喷嘴构成，多个液体喷嘴112-3可由形成在管型的多个气体喷嘴112-2的各个侧壁上的孔口型喷嘴构成。

一方面，其仅是本发明的一实施例，根据其他实施例，为了减少气体以及液体的压力损失，可加大管型的气体喷嘴112-2上部的口径，并在此穿透形成液体喷嘴112-3。

所述根据本发明的另一其他实施例的气-液混合分配装置110被设置在图2b所示的低速喷射型管壳式换热器100-2时更有用。具体而言，低速喷射型管壳式换热器100-2虽然具有确保宽的喷嘴设置面积的优点，但是相反的，因气体喷嘴112-2以及液体喷嘴112-3的设置间距变长而具有能够降低气液混合效率的问题。但是，根据本发明，通过在气体喷嘴112-2混合并喷射气体以及液体，从而能够解决所述问题。

以下，参照图7及图8更加具体地说明所述高速喷射型管壳式换热器100-1以及低速喷射型管壳式换热器100-2的结构。

图7是具体示出根据本发明的一实施例的高速喷射型管壳式换热器的气-液混合分配装置以及密封环结构的构造图。如图7所示，高速喷射型管壳式换热器100-1可包括密封环，所述密封环形成在下部头部120的下端区域，最大限度地减少气体供应部160所供应的气体从混合头部112和下部头部120的下端区域的间隙流出。

具体而言，为了高速喷射型气-液混合分配装置110的有效的气液混合，尽可能使混合头部112以及下部头部120的下端区域之间的间隙形成为较小，从而极大减少气体从间隙缝流出。但是，为了设置混合头部112，需要通过内径小于下部头部120的下端区域的伸缩接头170，因此加大混合头部112的外径来减小间隙很有限。但是，根据本发明，利用密封环121可以最大限度地减少气体供应部160所供应的气体从混合头部112和下部头部120的下端区域的间隙流出。

一方面，即便设置密封环121，也不能完全阻止气体从所述间隙流出。

因此，根据本发明的一实施例，在混合头部112的侧面可形成有多个液体喷嘴112-3，所述多个液体喷嘴用于向从间隙流出的气体喷射液体。如上所述，根据本发明，通过向从间隙流出的气体喷射液体，从而能够制造成与混合头部112的上部喷嘴喷射的气液混合物相同的混合比率的气液混合物。

图8是具体示出根据本发明的一实施例的低速喷射型管壳式换热器的构造图。如图8所示，低速喷射型管壳式换热器100-2可以设置在下部头部120的中端区域。而且，混合头部112和液体供应部111可以滑动结合122以使混合头部112随着低速喷射型管壳式换热器100-2的多个管140的热膨胀或者收缩而可上下移动。

具体而言，当高速喷射型管壳式换热器100-1的混合头部112位于下部头部120的下端区域时，具有随着多个管140的热膨胀或者收缩而混合头部112可上下移动的结构。

但是，当低速喷射型管壳式换热器100-2的混合头部112位于下部头部120的中端区域时，具有随着多个管140的热膨胀或者收缩而混合头部112不能自由上下移动的结构。

因此，根据本发明，在混合头部112的下部设置外径比液体供应部111的内径稍小的管道(pipe)，并插入到液体供应部111的内部，从而混合头部112和液体供应部111可以滑动结合122。此时，为了极大减少气体从滑动结合122之间的间隙流进或者液体流出，能够将间隙尽量设计为较小。为此，低速喷射型管壳式换热器100-2的混合头部112可随着多个管140的热膨胀或者收缩而上下移动。

一方面，形成所述滑动结合122时，图5所示的多歧管形态的液体供应部可粘贴设置在滑动结合122的液体供应部111的上部以及腔体112-1的下部。

一方面，根据所述本发明的各种实施例，例示说明了气体通过管型喷嘴进行喷射，液体通过孔口喷嘴进行喷射，但本发明并不局限于此。例如，在比起液体重量流量，气体重量流量非常小的工序条件中，为了方便设计/制作以及排列喷嘴，可以交换设置气体以及液体喷嘴的位置。即，还可以设计为用腔体上板的孔口型喷嘴喷射气体，用贯穿腔体的管型喷嘴喷射液体。此时，可以在腔体112-1上板中央设置相同目的的液体堆粉碎孔来代替图3所示的液体堆粉碎喷嘴113。而且，供应可在气-液混合分配装置110使用的液体的液体供应部111可用供应气体的气体供应部来代替，供应可在气-液混合分配装置110使用的气体的气体供应部160可用供应液体的液体供应部来代替。

而且，以上虽然图示并说明了本发明的优选实施例，但是本发明并不局限于所述特定实施例，在不脱离权利要求范围中请求的本发明的要旨下，本领域的技术人员可以进行各种变形实施，而且所述变形实施不能从本发明的技术思想或者前景中个别理解。