阅读说明：本技术 用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器 (Compact composite tube plate steam generator for suspension bed hydrogenation device ) 是由 曹占飞 王健 刘洋 杜美婷 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明为一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器,包括管箱和换热蒸汽发生结构,管箱内设置第一管腔和第二管腔,第一管腔上连通设置反应产物入口,第二管腔上连通设置换热后产物出口；换热蒸汽发生结构包括壳体,壳体内设置反应产物通道和饱和水通道,反应产物通道的入口与第一管腔连通,反应产物通道的出口与第二管腔连通；管箱和壳体之间通过双管板结构隔离密封连接,双管板结构的内部设置允许外界空气流通的隔离腔,反应产物通道的两端均密封穿过双管板结构和隔离腔。该蒸汽发生器可以对高温高压工况下的反应产物进行余热回收,减少泄露发生的可能性；安全可靠,结构紧凑,压缩了双管板的材料费用,具有良好的经济性能。(The invention relates to a compact composite tube plate steam generator for a suspension bed hydrogenation device, which comprises a tube box and a heat exchange steam generation structure, wherein a first tube cavity and a second tube cavity are arranged in the tube box, the first tube cavity is communicated with a reaction product inlet, and the second tube cavity is communicated with a heat exchange product outlet; the heat exchange steam generation structure comprises a shell, wherein a reaction product channel and a saturated water channel are arranged in the shell, the inlet of the reaction product channel is communicated with the first tube cavity, and the outlet of the reaction product channel is communicated with the second tube cavity; the tube box and the shell are in isolation and sealing connection through a double-tube plate structure, an isolation cavity allowing outside air to circulate is arranged inside the double-tube plate structure, and two ends of the reaction product channel penetrate through the double-tube plate structure and the isolation cavity in a sealing mode. The steam generator can recover waste heat of reaction products under the high-temperature and high-pressure working condition, so that the possibility of leakage is reduced; the double-tube plate is safe and reliable, has a compact structure, reduces the material cost of the double-tube plate, and has good economic performance.)

用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，尤其涉及一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器。

背景技术

在悬浮床加氢装置中，固定床反应器的出口产物压力高、温度高，余热回收操作条件苛刻。如果工艺介质(油气)漏入饱和水中，产生蒸汽带油现象，将严重影响蒸汽品质，甚至会引起下游蒸汽使用设备的***危险。因此，为回收出口产物的余热，并防止泄露，研究新型蒸汽发生器具有重要意义。

目前在用的复合管板结构主要是连接式双管板和分离式双管板两种形式。连接式双管板和分离式管板，两块管板之间的距离较大，设计人员通常将两块管板作为独立部件，分别计算各自强度。这种计算方法使得上述两种形式的双管板设计过程便与单管板无异，在实际工程中应用较多。但这样设计出的两块管板材料消耗较多，尤其是在高温高压的设计条件下，两块管板的费用更为高昂。

另外，由于悬浮床加氢装置中的反应产物温度较高，通常在300℃以上，而饱和水温度较低，这使得常规的双管板两侧的温度相差较大，继而导致管板的弯曲变形。管板变形严重时，便会引起管头焊缝开裂，造成工艺介质泄露。泄漏不仅导致装置非正常停工，而且由于泄露原因分析不明确而导致材质过分升级，造成极大的直接经济损失和间接经济损失。一台直径1500mm的蒸汽发生器由于提高材质而导致的直接费用增加大概为500万，全行业每年由此产生的直接经济损失至少上亿。

如何压缩双管板的材料费用，减少蒸汽发生器泄露的可能性，这已成为行业内急需解决的难题。因此，研究新型的管板结构，对于降低项目建设成本，提高装置运行安全具有重要的经济价值。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，克服现有技术中存在的材料费用高、蒸汽发生器泄露的可能性大等问题，可以对高温高压苛刻工况下的反应产物进行余热回收，减少泄露发生的可能性；在保证安全可靠的前提下，设计结构紧凑，压缩了双管板的材料费用，具有良好的经济性能。

本发明的目的是这样实现的，一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，包括管箱和换热蒸汽发生结构，所述管箱内设置相互隔离的第一管腔和第二管腔，所述第一管腔上连通设置反应产物入口，所述第二管腔上连通设置换热后产物出口；所述换热蒸汽发生结构包括壳体，所述壳体内设置反应产物通道和饱和水通道，所述反应产物通道的入口与所述第一管腔连通，所述反应产物通道的出口与所述第二管腔连通；所述管箱和所述壳体之间通过双管板结构相互隔离密封连接，所述双管板结构的内部设置允许外界空气流通的隔离腔，所述反应产物通道的两端均密封穿过所述双管板结构和所述隔离腔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述双管板结构包括相邻的端面边缘相互抵靠且密封连接的外管板和内管板，所述外管板和所述内管板的相邻端面的中部设置所述隔离腔，所述外管板密封设置于所述管箱的一端，所述内管板密封设置于所述壳体的一端，所述反应产物通道的两端均密封穿设通过所述内管板、所述隔离腔和所述外管板。

在本发明的一较佳实施方式中，所述隔离腔沿所述管箱轴向的尺寸小于等于50mm。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外管板远离所述管箱的一端设置外凸台，所述内管板靠近所述管箱的一端设置内凹槽，所述外凸台周向密封地套设于所述内凹槽内，所述外凸台的轴向尺寸小于所述内凹槽的轴向尺寸，所述外凸台的端面与所述内凹槽的槽底面之间构成所述隔离腔；所述内管板的侧壁的顶部贯通设置与隔离腔连通设置的顶部通气孔，所述内管板的侧壁的底部贯通设置与隔离腔连通设置的底部通气孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述换热蒸汽发生结构为管壳式换热结构，所述反应产物通道为管程，所述饱和水通道为壳程；所述壳体的底部设置饱和水入口，所述壳体的顶部设置蒸汽出口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述反应产物通道呈U型换热管设置，所述U型换热管的U型开口朝向所述管箱设置；所述U型换热管的入口端密封穿过所述双管板结构后与所述第一管腔连通，所述U型换热管的出口端密封穿过所述双管板结构后与所述第二管腔连通。

在本发明的一较佳实施方式中，所述壳体的底部设置排污口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述壳体的底部靠近所述管箱的一端设置固定支座，所述壳体的底部远离所述管箱的一端设置滑动支座。

在本发明的一较佳实施方式中，所述管箱内设置分程隔板，所述分程隔板将管箱的内腔密封封隔构成呈上下设置的所述第一管腔和所述第二管腔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述管箱的顶部设置所述反应产物入口，所述管箱的底部设置所述换热后产物出口。

由上所述，本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器具有如下有益效果：

本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器中，隔离腔允许外界空气流通，使得隔离腔内气体与外部空气形成自然对流，可以减小双管板结构的温差应力和弯曲变形，降低了管头(管箱和换热蒸汽发生结构之间的连接部)开裂的可能性，在反应产物通道和双管板结构本身质量没有问题的情况下，即使反应产物通道与双管板结构的任意一侧之间的连接处出现缺陷而造成相关介质的泄露，也只能进入隔离腔，实现两相介质的有效隔离，减少蒸汽发生器泄露的可能性；本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，可以对高温高压苛刻工况下的反应产物进行余热回收，并减少泄露发生的可能性。在保证安全可靠的前提下，设计结构紧凑，压缩了管板的材料费用，具有良好的经济性能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器的示意图。

图2：为图1中Ⅰ处放大图。

图中：

100、用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器；

1、管箱；

11、第一管腔；12、第二管腔；13、反应产物入口；14、换热后产物出口；15、分程隔板；

2、换热蒸汽发生结构；

21、壳体；22、反应产物通道；23、饱和水通道；24、饱和水入口；25、蒸汽出口；26、排污口；27、固定支座；28、滑动支座；

3、双管板结构；

31、外管板；32、内管板；

4、隔离腔；

41、顶部通气孔；42、底部通气孔。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，实用的方位词如“上、下、底、顶”通常是在本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器正常使用的情况下定义的，具体地可参看图1所示的图面方向。“内、外”是指相关部件轮廓的内外。这些方位在此只用于本发明，并不用于限制本发明。另外需要说明的是，本文主要以蒸汽发生器应用于悬浮床加氢装置中的余热回收进行说明，因此，优选本发明提供的蒸汽发生器为高温高压蒸汽发生器，其下述的热源介质入口与高温热源联通，具体地与固定床反应器的出口产物管道连通，以实现高温热能的安全回收。能够理解的是，本发明提供的蒸汽发生器还能够应用到其他各种需要余热回收的领域，尤其是高温高压操作条件苛刻的领域，对此类应用领域的各种变形，均落在本发明的保护范围内。

如图1、图2所示，本发明提供一种用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器100，包括管箱1和换热蒸汽发生结构2，管箱1内设置相互隔离的第一管腔11和第二管腔12，第一管腔11上连通设置反应产物入口13，第二管腔12上连通设置换热后产物出口14；换热蒸汽发生结构2包括壳体21，壳体21内设置反应产物通道22和饱和水通道23，反应产物通道22的入口与第一管腔11连通，反应产物通道22的出口与第二管腔12连通；管箱1和壳体21之间通过双管板结构3相互隔离密封连接，双管板结构3的内部设置允许外界空气流通的隔离腔4，反应产物通道22的两端均密封穿过双管板结构3和隔离腔4。

本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器中，隔离腔允许外界空气流通，使得隔离腔内气体与外部空气形成自然对流，可以减小双管板结构的温差应力和弯曲变形，降低了管头(管箱和换热蒸汽发生结构之间的连接部)开裂的可能性，在反应产物通道和双管板结构本身质量没有问题的情况下，即使反应产物通道与双管板结构的任意一侧之间的连接处出现缺陷而造成相关介质的泄露，也只能进入隔离腔，实现两相介质的有效隔离，减少蒸汽发生器泄露的可能性；本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，可以对高温高压苛刻工况下的反应产物进行余热回收，并减少泄露发生的可能性。在保证安全可靠的前提下，设计结构紧凑，压缩了管板的材料费用，具有良好的经济性能。

进一步，如图1、图2所示，整体的双管板结构3是在一块固定管板的基础上，将一块固定管板分成薄厚不同的两块管板，即外管板31和内管板32。双管板结构3包括相邻的端面边缘相互抵靠且密封连接的外管板31和内管板32，外管板31和内管板32的相邻端面的中部设置隔离腔4，外管板31密封设置于管箱1的一端，内管板32密封设置于壳体21的一端，反应产物通道22的两端均密封穿设通过内管板32、隔离腔4和外管板31。本发明的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器中，将内、外两块管板视作一块整体管板即双管板结构3，两块管板(外管板31和内管板32)相互加强，结构紧凑，外管板31和内管板32共同承担管、壳程的压力载荷，采用分析设计法进行计算并进行热分析，外管板31和内管板32的厚度之和不大于分离式管板结构中较厚的单块管板(现有技术)厚度，尤其是对于高压高温设计工况下的管板，降低材料费用，有着显著的经济效益。

进一步，隔离腔4(外管板31和内管板32之间的中部间隙)沿管箱轴向的尺寸小于等于50mm，该尺寸不宜过大，避免影响受力，保证两块管板(外管板31和内管板32)之间的连接部以受剪切力为主。两块管板(外管板31和内管板32)之间的反应产物通道22(换热管)长度短，有效传热面积大，减少了反应产物通道22(换热管)在隔离腔4内的无效换热，提高了蒸汽发生器的整体换热效率。

在反应产物通道22和双管板结构3本身质量没有问题的情况下，即使反应产物通道22(换热管)与其中任意一个管板(外管板31或内管板32)之间的连接处出现缺陷而造成相关介质的泄露，也只能进入两个管板(外管板31和内管板32)之间的隔离腔4，而不能通过外管板31和反应产物通道22(换热管)之间的连接处而进入管箱1中，实现两相介质的有效隔离。隔离腔4能够在任一管板(外管板31或内管板32)发生泄漏后收集所泄漏的介质，实现对泄漏介质的特殊处理。使用本发明的蒸汽发生器之后，能够对悬浮床加氢装置中的固定床反应器出口产物的高温热能进行安全回收，不会因为蒸汽发生介质的泄露而导致损坏催化剂和吸附剂。

例如，由于反应产物通道22(换热管)与内管板32之间的连接出现缺陷，造成壳体21内水或蒸汽的泄漏后，其也只能进入两个管板之间的区域(隔离腔4)，而不能通过外管板31和反应产物通道22(换热管)之间的连接处进入管箱1中，从而不会对管箱1中的热源介质造成污染，安全可靠。

对于外管板31，一侧与管箱1内的高温高压的热源介质(悬浮床加氢装置中的固定床反应器出口产物，高温指温度≥350℃，高压指压强≥10MPa)强制对流传热，另一侧与隔离腔4内的空气自然对流传热。由于管箱1内热源介质的对流传热系数远远大于空气的对流传热系数，使得外管板31的温度与热源介质的温度接近一致。外管板31两侧的操作温差很小，由温差引起的变形也很小，这样就可以避免外管板31弯曲变形导致外管板31上管孔(外管板31上设置穿设反应产物通道22的过孔，作为反应产物通道22的换热管焊接密封固定)焊缝的开裂。同理，对于内管板32，一侧与隔离腔4内的空气对流传热，另一侧与壳体21内的饱和水对流传热。由于空气的对流传热系数远远小于饱和水的对流传热系数，使得内管板32的温度与饱和水的温度接近一致，内管板32两侧温差很小，在操作时由于温差应力引起的变形就很小。因此，隔离腔4中的气体阻断了管箱1内的高温反应产物(管程热源介质)与壳体21内的饱和水(壳程介质)之间的热传导，使得两块管板(外管板31或内管板32)的温度分别等于它们各自所接触介质的温度，避免了单块管板由于两侧温度不同而产生的弯曲变形，进而引起管头开裂。

进一步，如图1所示，外管板31远离管箱1的一端设置外凸台，内管板32靠近管箱1的一端设置内凹槽，外凸台周向密封地套设于内凹槽内，外凸台的轴向尺寸小于内凹槽的轴向尺寸，外凸台的端面与内凹槽的槽底面之间构成隔离腔4；内管板32的侧壁的顶部贯通设置与隔离腔4连通设置的顶部通气孔41，内管板的侧壁的底部贯通设置与隔离腔连通设置的底部通气孔42。

两个通气孔(顶部通气孔41和底部通气孔42)对开，使得隔离腔4内的气体与蒸汽发生器的外部空气形成自然对流，保持隔离腔4内的空气对流通畅，同时介质泄漏后可以第一时间发现。隔离腔4中的气体阻断了管箱1内的高温反应产物(管程热源介质)与壳体21内的饱和水(壳程介质)之间的热传导，使得两块管板的温度分别等于它们各自所接触介质的温度，温差应力小，减小了单块管板由于两侧温度不同而产生的弯曲变形，降低了管头开裂的可能性。

顶部通气孔41处可以增加一根弯管，以防外部液体或其他杂质进入隔离腔4。底部通气孔42不可以增加弯管，以防影响气流通畅。顶部通气孔41或底部通气孔42处可以设置监测设备，可以及时发现泄漏的介质，实现蒸汽发生器的及时检修。

在本发明的一具体实施例中，外管板31是由一个盘形锻件加工而来，外管板31密封设置于管箱1的一端，与管箱1采用对接焊相连，外管板31与管箱1的连接方式为强度焊加局部贴胀，贴胀长度根据外管板31厚度和传热计算确定。外管板31与内管板32的连接焊缝为全焊透对接焊。内管板32是由一个盘形锻件加工而来，内管板32密封设置于壳体21的一端，内管板32与壳体21的连接可以是法兰连接，也可以是对接焊连接。内管板32与反应产物通道22(换热管)采用强度胀连接，换热蒸汽发生结构2的壳程最大设计压力与强度胀所适用的最大拉脱力以及内管板32开孔率有关。

进一步，换热蒸汽发生结构2为管壳式换热结构，反应产物通道22为管程，饱和水通道23为壳程；壳体21的底部设置饱和水入口24，壳体21的顶部设置蒸汽出口25。在本发明的一具体实施例中，饱和水入口24和蒸汽出口25均为间隔设置的多个。壳体21内提供了蒸汽发生空间，饱和水从壳体21底部的饱和水入口24进入，经与反应产物通道22中的热源介质换热后，生成蒸汽，通过壳体21顶部的蒸汽出口25排出。

在本实施方式中，反应产物通道22呈U型换热管设置，U型换热管的U型开口朝向管箱1设置；U型换热管的入口端密封穿过双管板结构3后与第一管腔11连通，U型换热管的出口端密封穿过双管板结构3后与第二管腔12连通，使得管箱1内的高温反应产物(热源介质)通过U型换热管流动。U型换热管通过外管板31连接在管箱1上，并通过内管板32连接在壳体21上，U型换热管与外管板31、内管板32均为焊接固定，实现U型换热管相对于管箱1和壳体21的固定。在本发明的一具体实施例中，壳体21内设置支撑框架，U型换热管架设于支撑框架上，以保证安装平稳可靠。

进一步，如图1所示，壳体21的底部设置排污口26，以间歇排出壳程杂质，保证蒸汽质量。

进一步，如图1所示，壳体21的底部靠近管箱1的一端设置固定支座27，壳体21的底部远离管箱1的一端设置滑动支座28，以减少由于蒸汽发生器的滑动位移而对双管板结构3(外管板31和内管板32)的影响。

进一步，如图1所示，管箱1内设置分程隔板15，分程隔板15将管箱1的内腔密封封隔构成呈上下设置的第一管腔11和第二管腔12，从而实现将悬浮床加氢装置中的固定床反应器流出的高温高压的反应产物(对饱和水加热使其生成高温高压蒸汽的热源介质)和换热后产物进行隔离。由于管程(反应产物通道22)压力高温度高，管箱端部通常采用螺纹锁紧环结构，也可以采用其他高压密封结构，如隔膜密封结构。

进一步，如图1所示，管箱1的顶部设置反应产物入口13，管箱1的底部设置换热后产物出口14。

本发明的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器100的具体工作过程如下：

悬浮床加氢装置中的固定床反应器流出的高温高压的反应产物，经管箱1上的反应产物入口13进入第一管腔11，反应产物经U型换热管的入口端进入U型换热管，在换热蒸汽发生结构2的壳体21内与饱和水进行换热并产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽经壳体21顶部的蒸汽出口25排出壳体21；反应产物在完成传热后，经U型换热管的出口端进入第二管腔12，最终经换热后产物出口14流出管箱1，完成整个传热过程。

由上所述，本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器具有如下有益效果：

本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器中，隔离腔允许外界空气流通，使得隔离腔内气体与外部空气形成自然对流，可以减小双管板结构的温差应力和弯曲变形，降低了管头(管箱和换热蒸汽发生结构之间的连接部)开裂的可能性，在反应产物通道和双管板结构本身质量没有问题的情况下，即使反应产物通道与双管板结构的任意一侧之间的连接处出现缺陷而造成相关介质的泄露，也只能进入隔离腔，实现两相介质的有效隔离，减少蒸汽发生器泄露的可能性；本发明提供的用于悬浮床加氢装置的紧凑型复合管板蒸汽发生器，可以对高温高压苛刻工况下的反应产物进行余热回收，并减少泄露发生的可能性。在保证安全可靠的前提下，设计结构紧凑，压缩了管板的材料费用，具有良好的经济性能。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。