[发明专利]管壳式热交换器装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

氧化铝或三氧化二铝在化学式称为Al₂O₃。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%的可提取氧化铝。

工业上，氧化铝的提取通过拜耳法（Bayerprocess）实现，在奥地利化学家KJBayer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。

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℃的温度，而一水合物矿石的消化需要范围高达300℃的温度范围。

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。

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。

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。

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。

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℃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。

即使在浆料仅被加热到用于三水合物消化的约150℃的温度时，污垢的沉积也很显著。

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。

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。因此泵送头较高，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。

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。