用于使热交换反应器中的热膨胀副作用最小的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种热交换反应器，其包括外壳、安装在外壳内并且能够运载第一流体的多个管、以及具有多个用于接收管的孔的挡板。所述挡板的结构能够引导外壳内配备的第二流体在通常垂直于管的方向上流动。这种热交换反应器包括多个不同的用于使挡板和管的热膨胀副作用最小的结构。考虑到热膨胀反应器的结构、诸如通过定型挡板上的孔来使工作状态和非工作状态下挡板与管之间的机械膨胀最小。反应器沿反应器内的大温度梯度区处的管长度还包括热绝缘体。反应器还包括只与一个管接触的热传递翅片。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热交换反应器和热交换反应器的构建方法。
技术介绍
经常利用热交换反应器来完成化学反应，在化学反应中必须将大量的热量从第一反应流体加入或去除到第二热传递流体中，该热传递流体可以发生反应也可以不发生反应。这些热交换反应器经常非常类似于简单的热交换器，但经常具有额外的特征例如催化剂固定床、专门的流路设计、奇异材料等。可以许多形式来构建热交换反应器，包括散热片式和管式阵列。在热交换反应器内进行的一个反应实例是，用于生成含烃气体混合物的烃原料的蒸汽转化。在该过程中，使蒸汽与烃的混合物通过一个液压管路，而热流体(通常是燃烧产物)通过单独的液压管路并将热量传递到第一反应流体内，从而促进高度吸热的蒸汽转化反应的实施。一个散热片式烃蒸汽转化器实例表示在Lesieur的U.S.5,733,347中。已经披露了几个管式热交换转化器实例，诸如Buswell等人的U.S.3,446,594。Lomax等人的序列号为09/642,008和09/928,437的美国申请公开了一种显著优越于其它构造的改进型管式转化器构造，因此这两件申请作为参考全部并入本文。本专利技术人已经确定，许多热交换反应器由于第一反应流体与第二热传递流体之间的温差，而面临着严峻的机械设计挑战。这些温差由于热交换反应器的构建材料的膨胀性不同，而导致热应变或置换。如果热交换反应器的构造不允许自由膨胀，那么不现实的应变就导致热应力的产生。这些热应力在烃蒸汽转化器中尤其是个难题，因为温度梯度通常非常高。而且，用于蒸汽转化的现代热交换反应器力争减小反应器的实际尺寸，以便减少成本和容易在对空间和重量敏感的应用(例如车辆)中使用。实际尺寸的减小导致由于猛烈增大热交换反应器内的热梯度而产生的热应力问题加重。在通常的管式热交换反应器中，尤其是在序列号为09/642,008的美国申请的改进型反应器中，获得更紧凑反应器的一个途径是，提供挡板特征，以便在基本上正交或垂直于管轴的方向上诱发第二流体的流动。将这样的流动设置定义为交叉流动。通过沿热交换反应器管的长度放置几个挡板特征，可以诱导第二热交换流体流过管阵列几次。通过最佳选择挡板的数目和间隔，可以使管式热交换反应器的机械构造的某些因素(例如实际尺寸、第二流体压力降和其它重要特征)最佳。管式阵列热交换反应器中特征的提供表示由沿管轴的热梯度导致的难题加大。这些难题是由于以下事实造成的即，给定温度下的热膨胀与温度、构建材料和实际尺寸这三个因素相关。用关系式ΔL＝αΔTL0来表示热膨胀，其中α在名义上由构建材料来恒定确定(即，热膨胀系数)，ΔT是感兴趣的温度与参比温度之间的偏差，而L0是该特征在参比温度时的初始长度。由于挡板通常是与管正交的大范围平坦部分，因此与管自身的膨胀相比，挡板随温度变化的膨胀非常大，而挡板在与管轴正交的平面内一般要小得多。在序列号为09/642,008的美国申请中公开的那种新型热交换蒸汽转化反应器中，专利技术人已经确定，与热膨胀有关的问题被复杂化，因为管阵列在两端比在中心更冷。由于这些管与管两端刚性压头的端板接合，因此管在与管纵轴正交的平面内的相对膨胀被压头温度所固定。在位于管两端之间中心的更高温度区域，与管正交的平坦部分(例如挡板和平坦的翅片)以比更冷的压头成比例增大的量膨胀。该专利技术人已经确定，如果整个反应器是由热膨胀系数(α)近似的材料构成的，那么平坦特征易于施加与管轴正交的很重的力。这些力能够导致反应器的过早结构失败，除非采用异常强的管，由于以下几个原因，该结构是不期望的在反应器的构建中材料的用量令人讨厌地增多，以及反应器的体积和重量附带增大。
技术实现思路
为了努力消除这些问题，本专利技术人已经构建了一种热交换反应器，该反应器的结构能够使热膨胀的副作用最小(如下所述)。因此，本专利技术提供的方法和构造能够减小热交换反应器内的热应力，使热交换反应器管的耐腐蚀性增强，以及与其它构造相比，减少了管材料的总用量。本专利技术有益地提供了一种热交换反应器，这种反应器包括外壳、安装在外壳内并且能够运载第一流体的多个管、以及具有多个用于接收管的孔的挡板。所述挡板的结构能够引导外壳内配备的第二流体在通常垂直于管的方向上流动。这种热交换反应器还有益地包括多个不同的、用于使至少一个挡板和多个管的热膨胀副作用最小的装置。在本专利技术的一个实施例中，该热交换反应器还包括将管的第一端安装到外壳内的第一端板，和将管的第二端安装到外壳内的第二端板。在该实施例中，用于使热膨胀的副作用最小的装置包括用于减小第一端板、第二端板和挡板之间的热膨胀差(differential thermalexpansion)的装置。例如，通过选择这些部件的材料，能够减小热膨胀差，而这些部件根据该部件在外壳内的具体安装温度区域，而提供类似的热膨胀。在本专利技术的另一实施例中，热交换反应器的结构使得用于使热膨胀副作用最小的装置包括用于使热交换反应器的工作状态和非工作状态中的挡板与多个管之间的机械干扰最小的装置。例如，当多个不同的部件已经热膨胀时，多个孔中的至少一个孔的形状使得贯穿至少一个孔的对应管之间的机械干扰最小，从而使得热交换反应器的工作状态和非工作状态中的挡板与对应管之间的机械干扰最小。在本专利技术的又一实施例中，热交换反应器的构造使得用于使热膨胀副作用最小的装置包括用于沿热交换反应器内的大温度梯度区处的管长度提供热绝缘区的装置。在本专利技术的又一实施例中，热交换反应器还包括与至少一个管接触的热传递翅片，从而热传递翅片的构造使其能够接触外壳内配备的第二流体。该热交换反应器包括用于使热传递翅片的热膨胀副作用最小的装置。例如，热传递翅片能够与多个管之一接触，从而不会将该热传递翅片附着到多个管中的另一个管上。附图简述通过参照下面的详细描述，尤其是当结合附图考虑时，对本专利技术的更完全评价及其许多附带优点将变得清晰可见，其中附图说明图1是相关技术的管式热交换反应器的示意性侧视图，其中在管头与沿管头之间的管轴定位的区域之间具有热梯度；图2是图1所示的管式反应器阵列和反应器挡板的平面图；图3表示出由挡板的热膨胀所导致的、图1的挡板与管之间的机械干扰问题；图4表示出按照本专利技术的多种不同的挡板孔结构，这些结构能够减轻挡板与管之间的机械干扰；图5是具有按照本专利技术的热传递翅片的多个不同实施例的两个管的截面图；以及图6是按照本专利技术的包括热绝缘层的热交换反应器的示意图。具体实施例方式图1表示出管式热交换反应器10的核心。反应器10包括封装多个管50的外壳20，将管50机械连接在第一歧管组件30的端板34一端以及第二歧管组件40的端板44的对置端。第一歧管组件30配有第一流体入口32，而第二歧管组件配有出口42。第一流体通过入口32流到第一歧管组件30中，而第一歧管组件30通过多个管50将第一流体分配到第二歧管组件40中，第一流体然后通过出口42流出。流过管50的第一流体与外壳20内配备的至少一种第二流体发生热交换接触，并与管50的外表面51(在图5中标出)接触。热交换反应器10包括松散地安装在外壳20的壁22上的狭缝内的挡板60，这些挡板引导外壳20内的一种或多种额外流体在基本上垂直于管纵轴的方向上流动。在图1中，第一温度下的第二流体流进入口24，通过管50的壁从第一流体提取热量，同时第二流体以由挡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热交换反应器，包括：外壳；能够运载第一流体的多个管，所述多个管安装在所述外壳内；具有用于接收所述多个管的多个孔的挡板，所述挡板的结构能够引导所述外壳内配备的第二流体在通常垂直于所述多个管的方向上流动；以及 用于使所述挡板和所述多个管的至少一个的热膨胀副作用最小的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小富兰克林D洛马克思，迈克尔S斯特里克斯，斯蒂芬怀德，
申请(专利权)人：H二GEN创新公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]