加热增压液氧的装置和方法

本申请涉及通过采用对氧流体通道和它们相关的壁具有特定几 何要求的换热器而不采用气体压缩机，加热增压(pumped)液态氧从而 安全提供高压气态氧，这是一种用空气的低温分离提供高压气态氧 产品特殊但不唯一的应用方式。它提供换热器以加热高压液氧和通 过采用热交换流体如空气、氮等的间接热交换来提供高压气态氧的 方法。

一些化学反应如烃燃料的部分氧化需要大量的高压氧，因为在 高压下发生反应通常更经济。低温空气分离是供应这种氧的一种技 术选择，由这种分离方式得到的氧可以用两种方法被加压。来自空 气分离单元(“ASU”)的气态氧(“GOX”)可以被压缩至所需压力或者增 压液态氧循环可以应用于液态氧(“LOX”)被增压至所需压力和用冷凝 促进的空气或氮气流加热至室温的情况。有时LOX被增压至中等压 力，用促进流蒸发，随后压缩至所需压力。

采用高压气态氧压缩机存在几个缺点。这些压缩机比空气或氮 气压缩机要昂贵并且还具有较低的空气动力学效率，这是由于为了 将机械摩擦和压缩机材料与氧反应而引起火灾的可能性降到最小而 增大机械间隙。在使用气态氧压缩机，尤其高压机时，由于可能引 起压缩机火灾，总是存在一个安全问题。

上述缺点使我们优选采用增压LOX循环，在增压LOX循环的 许多方面存在大量的专利和公开文献。通常ASU换热器被分成两个 单元；一个采用低压至中等压力下的铝板翅式换热器芯供给中等压 力的空气并返回氮气流，另一个是用于加热氧的铝高压板翅式换热 器。然而，我们已知的是将所有功能合并至一个铝高压板翅式换热 器里。

选择铝板翅式换热器的一个重要原因是，尽管LOX和铝之间的 可能发生爆炸性反应，但它仍需要类似于加速爆炸TNT所需的初始 能量释放的引发。所述反应更易引发更高的氧压并因此限制铝换热 器的压力。然而，如果不能消除初始的能量释放，则有引起爆炸的 风险。因此，当需要高压气态氧时，当前实践做法是限制在铝板翅 式换热器中蒸发的氧的压力并增加一个氧压缩机使所得GOX增至所 需压力。这种增加设备的投资成本和压缩氧至高压的方式对于可能 发生的氧压缩机火灾具有安全的意义。

人们已经提出通过在盘管换热器中加热增压LOX提供高压 GOX，所述盘管换热器包括铜、或铜基合金，以及一段弯曲的心轴 管。铜和铜基合金如铜-镍合金是实现这个目的理想选择，因为对于 低于其熔点的铜而言，通常不会引起燃烧。然而，这些铜盘管换热 器的缺点在于：与紧凑的板翅式换热器相比，价格昂贵并且体积非 常大。

增压LOX盘管换热器可以用不锈钢(“SS”)或其它适于低温的铁 合金来制造。众所周知的是：当与液态或气态纯氧反应时，SS不会 爆炸，只是简单地燃烧。因此当采用SS而不是铝来制造时，尤其当 相对较厚的管壁提供热容以冷却释放的能量(如果开始释放能量的 话)，用于加热增压LOX的换热器将更安全。在论文“不锈钢合金304， 308和316的自燃极限”中，Barry L. Werley和James G.Hansel(ASTM STP 1319；1997)报导了厚管壁能抑制氧与SS的反应。然而，与紧凑 的板翅式换热器相比，由SS制成的盘管换热器非常昂贵并且体积非 常大。

众所周知的是：板翅式换热器可以由SS来制成。这种换热器可 以用于高压增压LOX换热器设备并且比铝制换热器更安全。然而， 在目前的实践中，SS板翅式换热器包含许多极薄的SS翅片，其厚 度通常小于通道的水力平均直径的10％(通道的水力平均直径是通过 其横截面积的4倍除以其湿周来计算得到)，并且传热表面积与SS重 量的之比非常高。因此在氧与薄SS翅片的局部反应中，存在很小的 局部金属热容来冷却所述反应，因此，使用用于高压氧设备的这种 换热器，比厚壁的SS盘管换热器存在一个更严重的安全问题。

印刷电路(printed circuit)换热器(PCHE)为一种主要用于烃和化学 加工工业的众所周知的紧凑型换热器，自至少1985年以来已有商品 应用。它们由金属平板制成，其中流体通道被化学蚀刻或以其它适 于相应热量交换功能的温度和压力下降需求的方式形成。照惯例金 属为SS如SS 316L；二相合金如二相合金2205(UNS S31803)；或者 商用纯钛。叠加(stack)通道板从而通过与各自相邻的基板的通道的密 封形成许多通道的间隔层；所述叠加板以扩散或其它方式相互连接 以形成热交换芯；为了将流体导入通道的各层，液体总管(header)或 其它流体连接件被焊接或其它方式连接至所述芯。在扩散式连接中， 在温度接近熔点的条件下，通过紧压金属表面从而引起金属部件间 晶粒的生成，进而实施固态类型的焊接。待加热的流体流过一些层(“加 热层”)的通道并通过与流过一个或多个中间层(“冷却层”)的通道的温 度较高的热交换流体的间接热交换来加热。通常形成加热层和冷却 层的板具有不同的通道设计。

在烃加工中的现有PCHE应用包括如烃气体加工；能量和能源 中PCHE的应用(包括如给水加热和化学加热泵)；PCHE在冷冻中的 应用(包括冷冻器和冷凝器)；分级冷凝器和吸收循环。据报导PCHE 可以在温度-273℃至800℃下进行操作。

本发明的主要目标是提供一种由ASU供应高压气态氧的具有竞 争力的方法。而不必采用氧压缩机也不会引起用于氧加热法过程中 的换热器材料和氧之间的反应的风险。

我们发现：本发明的主要目标可以通过采用铁合金换热器来实 现，所述换热器对氧流通道以及相关的用于高压增压LOX加热功能 的壁具有特定的几何要求，其中通道中的LOX被加热，该通道具有 定义的壁厚标准以及金属与氧体积比的定义标准。

具体而言，通过在换热器中加热增压LOX可以安全并且没有压 缩地获得高压氧气，所述换热器具有一个包含许多横向延伸侧向放 置通道的间隔层的壳体，各层与至少另一层保持热接触。用流过与 相邻氧层保持热接触的至少一层(“热交换层”)的通道中的热交换流体 来蒸发至少一层(“氧层”)通道中的LOX。限定氧层通道的壁由适用于 低温下的不锈钢或其它铁合金形成，位于各个氧层的相邻通道之间 的壁，以及氧层的所述通道和相邻层的通道之间的壁各自在与流过 相邻通道的方向垂直的平面上具有横截面，其最窄处的厚度为两个 相邻通道的组合水力平均直径的至少10％，平均厚度值为至少15％， 每个氧层中限定通道的铁合金壁的实体部分(mass)在所述平面上的横 截面积与该层通道的截面积之比不小于0.7，优选至少0.8。

涉及氧流的较厚的铁合金壁降低了反应的可能性并提供用于局 部能量释放时的受热器(heat sink)；高的传热系数、每单位体积高的 传热面积以及较低成本的铁合金降低了设备的投资成本。

图1为本发明优选实施方案用于加热来自ASU的增压LOX的 换热器的示意分解图；

图2为图1核心中的相邻板在与液体流动方向垂直的平面上的 剖面图，其中所述通道为半圆形的剖面。

根据本发明的一个方面，提供一种通过热交换流体的间接热交 换来加热至少30巴(3MPa)压力的液氧流的换热器，所述换热器包括：

具有许多横向延伸侧向设置通道的间隔层的壳体，所述通道通 过铁合金壁来限定，各层与至少另一层保持热接触；

氧入口装置，将至少30巴(30MPa)压力的增压液氧导入至少一 层(“氧层”)的通道；

氧出口装置，用于从氧层的所述通道中输出已加热的氧；

热交换流体的入口装置，用于将热交换流体导入至少一层(“热交 换层”)的通道，该层与相邻的氧层保持热接触；

热交换流体的出口装置，用于从热交换层的所述通道输出冷却 的热交换流体；

其中每个氧层的相邻通道之间的壁和氧层中的所述通道与相邻 层中的通道之间的壁各自在与流体流过相邻通道的方向垂直的平面 上具有一个横截面，其最窄处的厚度至少为两个相邻通道的组合水 力平均直径的10％，平均至少为15％，每个氧层中的限定通道的铁 合金壁的实体部分在所述平面上的横截面积与该层通道的横截面积 之比不小于0.7，优选至少0.8。

在所述方面的一个优选实施方案中，换热器包括：

一组铁合金板(stack)，各块板具有用来限定沿表面延伸的通道的 侧向放置的许多壁，各块板与组件中的至少一块板保持热接触；

氧入口装置，用于将至少30巴(3MPa)压力的增压液氧导入至少 一块板的通道(“氧板”)；

氧出口装置，用于从氧板的所述通道输出加热的氧；

热交换流体入口装置，用于将热交换流体导入至少一块板(“热交 换板”)的通道，所述板与氧板相邻，并且与其保持热接触；

热交换流体的出口装置，用于从热交换板的所述通道中输出冷 却的热交换流体；

其中每个氧板的相邻通道之间的壁、氧板的所述通道和相邻板 的通道之间的壁各自在与流过相邻通道的方向垂直的平面上具有横 截面，其最窄处的厚度至少为两个相邻通道的组合水力平均直径的 10％，平均至少为15％，每个氧板(包括壁)的实体部分在所述平面上 的横截面积与其中通道的横截面积之比至少0.7，优选至少0.8。

根据第二个方面，本发明提供一种供应高压氧气流的方法，所 述方法包括：将至少30巴(3MPa)压力的增压液氧导入热交换壳体的 至少一层(“氧层”)的通道中，所述壳体具有许多横向延伸侧向放置通 道(由铁合金壁限定)的间隔层，各层与至少另一层保持热接触，并且 通过与流过至少一层(“热交换层”)的通道的热交换流体的间接热交换 来加热所述氧流，所述热交换层与氧层相邻并与其保持热接触。

其中每个氧层的相邻通道之间的壁和氧层的所述通道与相邻层 通道之间的壁各自在与流体流过相邻通道的方向垂直的平面上具有 一个横截面，其最窄处的厚度至少为两个相邻通道的组合水力平均 直径的10％，平均至少为15％，每个氧层中的限定通道的铁合金壁 的实体部分在所述平面上的横截面积与该层上的所述通道的横截面 积之比不小于0.7，优选至少0.8。

在所述第二方面的一个优选实施方案中，所述方法包括：将至 少30巴(3MPa)压力的增压液氧流导入众多铁合金板中的至少一块板 (“氧板”)的通道中，各板具有侧向放置的许多壁(用来限定沿板表面延 伸的通道)，各板与众多板中的至少一块其它板保持热接触，通过流 过至少一块板(“热交换板”，与氧板相邻并与其保持热接触)的通道的 热交换流体的间接热交换来加热流过氧层的所述通道的所述氧流。

其中每个氧板的相邻通道之间的壁、氧板的所述通道和相邻板 的通道之间的壁各自在与流过相邻通道的方向垂直的平面上具有横 截面，其最窄处的厚度至少为两个相邻通道的组合水力平均直径的 10％，平均至少为15％，每个氧板(包括壁)的实体部分在所述平面上 的横截面积与其中通道的横截面积之比至少0.7，优选至少0.8。

根据第三方面，本发明提供一种用分离空气提供高压氧气流的 低温法，所述方法包括：在蒸馏塔系统中分离输入的空气流提供至 少一种液态氧流和氮气流；将所述液态氧流增压到至少30巴(3MPa)； 采用作为热交换流体的空气或由空气分离生成的流，通过所述第二 方面的方法来加热增压液态氧。通常冷却的热交换流体通过蒸馏塔 系统。

相应地，本发明待蒸发的增压LOX以至少60巴(6MPa)的压力 被导入。至少当由ASU提供LOX时，热交换流体通常是输入空气 或在空气分离中生成的氮气流的一部分。输入的LOX可以在任何需 求的温度下被加热提供高压氧气，但通常被加热至约室温。

所述通道的形成可以采用常规的PCHE，通过化学蚀刻平面前体 板(plane precursor plate)，或者，可以通过如机械加工的方式加工平 面前体板；对固体前体芯钻孔；或通过铜焊焊接或紧固平面基板之 间的翅片。当由一组板形成所述换热器时，优选采用常规的PCHE 方式扩散连接它们。

所用铁合金通常为不锈钢，特别是奥氏体不锈钢、具体含量： 16-25％铬、6-16％镍、最多0.15％碳，并任选还含有钼或钛或两者。 目前优选的奥氏体不锈钢为AISI型304或AISI型316。

通常将各氧层或板插入各对热交换层或板之间，使得氧层或板 不与另一氧层或板相邻。在这种方法中，与一对氧层或板插入同对 热交换层或板之间的结构相比，各层或板的铁合金实体部分以及相 应的冷却能力大大增加。优选使氧和热交换层或板交替隔开即氧和 热交换层或板被隔开。

除了尾部为便于氧和热交换流体以不同方向流入和流出而不同 外，所有层或板基本相同。通常至少氧层或板中的通道具有相同的 横截面并且被均匀放置。也优选对热交换层或板中的通道与相邻的 氧层或板中的各个通道分别排列。

所述通道具有合适的任意横截面形状和尺寸但通常为弓形，尤 其为半圆形或直线形，尤其正方形或其它矩形的横截面或具有中等 弓形或直线形的横截面，并且通常具有小于3mm的水力平均直径。 如前所述，所述水力平均直径根据以下公式进行计算：dn=4面积/p， 其中dn为水力平均直径，面积为通道的横截面积，p为通道外围的长 度。因此在圆形通道的情况下，水力平均直径与实际直径相同，在 正方形通道中，水力平均直径等于通道一边的长度。

在最简单的结构中，所述通道在流动方向上成直线。然而，它 们可以具有更复杂的形状从而延长所述流路如流动方向上的人字 形、蛇形或之字形。具体而言，所述通道可以为全部的直线或蛇形 结构，同时具有重叠的精细的人字形或之字形形状。

在一些应用中，采取措施从换热器的一个或多个中间位置(尤其 热交换层或板上)输出一份或多份部分加热的氧和/或部分冷却的热交 换流体，仅将氧和/或热交换流体的剩余部分从换热器的尾端输出。 在这种配置中，可方便地将换热器设计成两个或更多个换热器的串 联。当ASU提供LOX时，以这种方式使输出的中间温度的热交换 流体膨胀从而在单独的换热器中向工作流提供冷冻或冷却。

可以在换热器LOX路的上游提供一个过滤器从LOX流中脱除 任意杂质并由此降低氧层或氧路通道中的阻塞或颗粒碰撞的风险。 同样，可以在换热器的热交换流路上游提供一个过滤器从而减少碎 片的阻塞。另外或者非此即彼，可以通过限制通过氧层或板中的通 道中的流体流速如约10米/秒(30巴(3MPa))至2.5米/秒(100巴(10MPa)) 来减少由颗粒碰撞引起的能量释放的风险。

当所述增压LOX来自ASU时，可以提供第二空气或富氮冷却 流。通常为了减少热流和冷流的温差并由此提高换热器的热效率， 将这种第二冷却流以中间温度从换热器中输出。输出流可以膨胀用 于单独换热器中的冷冻或进一步冷却，典型地通过将换热器设计成 并联的两个换热器，或更普遍为串联以便于第二冷却流的输出。

参照附图，PCHE型换热器具有一个由一组不锈钢板2a和2b形 成的核芯1，图中只显示了三块(N-1,N和N+1)，在其上表面各自具 有经化学蚀刻的流体通道3a和3b(参见图2)。在图1中显示了4a和 4b的流动方向，但没有流体通道3。所述板宜为AISI型304或AISI 型316不锈钢。叠加它们使得通道5a和5b的许多间隔层通过密封各 板(如N+1)上的通道3a和3b(由各自相邻板(如N)的基6a和6b密封) 来形成并通过扩散连接紧固在一起。总管(未标出)与核1相连从而使 氧流过其它各(“氧”)层(如N,N-2,N-4等)的通道5b并使热交换流体 流过插入层(“热交换”)(如N-1,N+1,N+3等)通道5a。如图1所示， 板2a和2b可以相同，而通道3a和3b的末端是例外，位于(“热交换”) 板2a(如N-1和N+1)提供热交换通道5a的3a和3b弯成一个角度从 而使置于核1的侧边相关的总管定位，使核芯1的末端用来定位氧 通道2b的总管。

如图2所示，在举例说明的实施方案中，通道3a和3b具有半 圆形横截面形状并且当位于组件中时，提供相应横截面形状的通道5a 和5b。通常所述通道具有小于3毫米的水力平均直径。

相邻通道之间的壁7a和7b具有最小的宽度A，平均宽度B和 最大的宽度C和高度D，它们全都以下述方式取决于通道3a和3b 的水力平均直径。壁的平均宽度B为壁的横截面积除以壁高D。与 一个通道3a或3b相关联的板2a或2b的总的横截面积为板高E乘 以通道节距(pitch)F。从总的横截面积减去通道横截面积得到一个通 道的不锈钢实体部分的横截面积。

壁7和通道3的相互关系为：壁的最小宽度A为通道水力平均 直径的至少20％，壁的平均宽度B为通道水力平均直径的至少30％， 各板2a或2b实体部分的横截面积与所述板上通道3a或3b的横截面 积之比为至少0.7，优选至少0.8。如果位于同一板上的相邻通道3a 或3b具有不同的水力平均直径，那么壁的最小宽度A和平均宽度B 将各自为两个相邻通道的组合水力平均直径的至少10％和至少15％。 类似地，各个通道下面的壁的厚度G也为通道水力平均直径的至少 20％，平均为至少30％。

在应用中，将如来自低温空气分离单元(未标出)的增压液态氧输 送至氧层的通道5b，并在流过其中时通过用如一部分进入单元的输 入空气、来自所述单元的氮产物流或从所述单元移出并返回其中的 富氮工作流的间接热交换来进行蒸发。由于各个氧板2b(如N)插入至 两块热交换板2a(如N-1和N+1)之间，这些板2a的不锈钢热容还可 以用来冷却氧板2b中的能量释放。

如果实体横截面积与通道横截面积比为0.8并且各个氧板2b中 的通道3b的总体积为1000cm3，那么在每块氧板和相邻热交换板上 存在(1000×0.8×2=)1600cm3的不锈钢(对应约224gmol(12480g)钢)。如 果氧为100巴(10MPa)和200K，其密度为约285kg/m3并因此在所述 通道中存在约8.9gmol(285g)的氧。如果将所有这种贮存氧全部转化 为三氧化二铁( 4Fe+3O2=2Fe2O3 ；生成热为约198500 cal/gmol)，消 耗的钢量(=(8.9×4)/3)将约11.9gmol。因此反应后，剩余的钢(=224-11.9) 为约212 gmol并且形成氧化物的量为约(=(8.9×2)/3)5.93gmol。

假设钢的比热为6.7cal/K/gmol，氧化物的比热为12cal/K/gmol， 并且所有的反应热用来加热钢和氧化物，温升为约800K，由此温度(从 200K)升至1000K。实际上，通过采用本发明的换热器，能量释放将 在单一位置上开始，高的金属与氧之比制约了温度升至局部反应通 过换热器传递至其它氧通道的水平是非常不可能的。

尽管本发明需要较大的铁合金和气体体积比率，但小的通道尺 寸可以将换热器设计为单位体积具有大的传热表面积的换热器。还 由于小的通道尺寸和较厚的壁，可易于将换热器设计用于很高的压 力。根据先有技术所指出的，提供来自ASU的高压氧需要采用至少 某种高压氧气压缩机，或为了充分增压LOX循环，需要昂贵的铜-或 铁合金-盘管换热器(用于产物氧加热功能)，或存在的爆炸风险(由于 使用铝换热器)。本发明可以在氧换热器中采用安全的高压增压LOX 循环，而不必采用昂贵的盘管换热器设计。在本发明的换热器中， 平均壁厚与通道水力平均直径之比率较常规提供的铜焊铁合金的板 翅式换热器的比率大得多。这种较大的铁合金重量提供一个大受热 器来冷却任意的能量释放(如果出现的话)。因此当这换热器用于增压 LOX设备时，比铜板翅式换热器要安全。

本领域的技术人员应当理解的是：本发明不受限于上述实施方 案的具体细节并且在不背离以下权利要求的范围和等价体时可以进 行许多修改和变化。