本发明主要应用于合成氨及低温液氮技术领域，涉及低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备技术，应用低温液氮工艺中三级制冷装置出口的－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却－38℃、5.8MPa N2至－127.2℃、5.7MPa及冷却来自低温甲醇工艺的－63.3℃、5.26MPa H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－127.2℃、5.24MPa，即应用三级制冷装置出口的N2—H2合成气、高压H2及污氮的冷量回热冷却来流高压N2、低温甲醇洗后的净化气，给三级制冷装置提供温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于解决－38℃～－127.2℃低温氮气二级六股流四管束缠绕管式换热技术难题，提高低温液氮工艺系统的低温换热效率。
1.低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，包括二级高压N2进口接管(1)、二级上封头多层真空绝热层(2)、二级内压上封头(3)、二级污氮出口管板(4)、二级污氮出口接管(5)、二级污氮出口法兰(6)、二级污氮出口管箱(7)、二级外压上筒体(8)、二级隔板(9)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级内压上筒体(11)、二级珠光砂(12)、二级中外压封头(13)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级中内压封头(15)、二级外压下筒体(16)、二级中支撑圈(17)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级内压下筒体(19)、二级净化气出口管板(20)、二级净化气出口管箱(21)、二级净化气出口接管(22)、二级净化气出口法兰(23)、二级污氮进口管箱(24)、二级污氮进口法兰(25)、二级污氮进口接管(26)、二级污氮进口管板(27)、二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级精配高压氮气出口法兰(30)、二级精配高压氮气出口接管(31)、二级外压下封头(32)、二级高压N2出口接管(33)、二级高压N2出口法兰(34)、二级下封头多层真空绝热层(35)、二级内压下封头(36)、二级N2—H2合成气进口法兰(37)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级N2—H2合成气进口管箱(39)、二级N2—H2合成气进口管板(40)、二级H2进口管箱(41)、二级H2进口法兰(42)、二级H2进口接管(43)、二级H2进口管板(44)、二级H2缠绕管束(45)、二级净化气缠绕管束(46)、二级下支撑圈(47)、二级管束分隔板(48)、螺旋外盘管(49)、二级净化气进口管板(50)、二级净化气进口管箱(51)、二级净化气进口接管(52)、二级净化气进口法兰(53)、螺旋内盘管(54)、二级中心筒(55)、二级上支撑圈(56)、二级H2出口管板(57)、二级H2出口管箱(58)、二级H2出口接管(59)、二级H2出口法兰(60)、二级N2—H2合成气出口法兰(61)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级N2—H2合成气出口管箱(63)、二级N2—H2合成气出口管板(64)、二级外压上封头(65)、二级高压N2进口法兰(66)，其特征在于：二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)、绕二级中心筒(55)缠绕，缠绕后形成螺旋内盘管(54)；二级净化气缠绕管束(46)绕螺旋内盘管(54)缠绕，缠绕后形成螺旋外盘管(49)，螺旋外盘管(49)低于螺旋内盘管(54)，由换热器中段抽出；缠绕后的螺旋内盘管(54)位于二级内压上筒体(11)与二级内压下筒体(19)内，螺旋外盘管(49)位于二级内压下筒体(19)内；二级中心筒(55)一端安装二级上支撑圈(56)，一端安装二级下支撑圈(47)，二级上支撑圈(56)固定于二级内压上筒体(11)上部，二级下支撑圈(47)固定于二级内压下筒体(19)下部；二级中支撑圈(17)安装于螺旋内盘管(54)与二级内压下筒体(19)之间，且位于二级内压下筒体(19)上部；二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)缠绕于二级上支撑圈(56)与二级下支撑圈(47)之间；二级净化气缠绕管束(46)缠绕于二级中支撑圈(17)与二级下支撑圈(47)之间；二级内压上筒体(11)上部与二级内压上封头(3)连接，二级内压上封头(3)顶部安装二级高压N2进口接管(1)及二级高压N2进口法兰(66)；二级内压上筒体(11)下部与二级内压中封头(15)顶部连接，二级内压中封头(15)底部连接二级内压下筒体(19)，二级内压下筒体(19)下部与二级内压下封头(36)连接，二级内压下封头(36)顶部安装二级高压N2出口接管(33)及二级高压N2出口法兰(34)；二级内压上筒体(11)上部左侧安装二级污氮出口管板(4)，二级污氮出口管板(4)左侧连接二级污氮出口管箱(7)，二级污氮出口管箱(7)顶部连接二级污氮出口接管(5)及二级污氮出口法兰(6)；二级内压上筒体(11)上部中间安装二级N2—H2合成气出口管板(64)，二级N2—H2合成气出口管板(64)前面连接二级N2—H2合成气出口管箱(63)，二级N2—H2合成气出口管箱(63)顶部连接二级N2—H2合成气出口接管(62)及二级N2—H2合成气出口法兰(61)；二级内压上筒体(11)上部右侧安装二级H2出口管板(57)，二级H2出口管板(57)右侧连接二级H2出口管箱(58)，二级H2出口管箱(58)顶部连接二级H2出口接管(59)及二级H2出口法兰(60)；二级内压下筒体(19)上部右侧安装二级净化气进口管板(50)，二级净化气进口管板(50)左侧连接二级净化气进口管箱(51)，二级净化气进口管箱(51)顶部连接二级净化气进口接管(52)及二级净化气进口法兰(53)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级净化气出口管板(20)，二级净化气出口管板(20)左侧连接二级净化气出口管箱(21)，二级净化气出口管箱(21)顶部连接二级净化气出口接管(22)及二级净化气进口法兰(23)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级N2—H2合成气进口管板(40)，二级N2—H2合成气进口管板(40)前面连接二级N2—H2合成气进口管箱(39)，二级N2—H2合成气进口管箱(39)顶部连接二级N2—H2合成气进口接管(38)及二级N2—H2合成气进口法兰(37)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级污氮进口管板(27)，二级污氮进口管板(27)左侧连接二级污氮进口管箱(24)，二级污氮进口管箱(24)顶部连接二级污氮进口接管(26)及二级污氮进口法兰(25)；二级内压下筒体(19)下部右侧安装二级H2进口管板(44)，二级H2进口管板(44)右侧连接二级H2进口管箱(41)，二级H2进口管箱(41)顶部连接二级H2进口接管(43)及二级H2进口法兰(42)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级精配高压氮气出口接管(31)、二级精配高压氮气出口法兰(30)；二级内压上封头(3)、二级内压上筒体(11)、二级内压中封头(15)、二级内压下筒体(19)、二级内压下封头(36)外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)；二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)外分别为二级外压上封头(65)、二级外压上筒体(8)、二级中外压封头(13)、二级外压下筒体(16)、二级外压下封头(32)；真空绝热层内填充二级珠光砂(12)；二级外压上筒体(8)上部穿透安装二级污氮出口接管(5)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级H2出口接管(59)；二级外压下筒体(16)上部穿透安装二级净化气进口接管(52)，下部穿透安装二级净化气出口接管(22)、二级污氮进口接管(26)、二级H2进口接管(43)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级精配高压氮气出口接管(31)；二级外压上封头(65)中部穿透安装二级高压N2进口接管(1)；二级外压下封头(32)中部穿透安装二级高压N2出口接管(33)。
2.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：H2在－130.2℃、1.78MPa时进入二级H2进口管箱(41)，在二级H2进口管箱(41)内分配于二级H2缠绕管束(45)各支管，二级H2缠绕管束(45)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至1.76MPa，再流至二级H2出口管箱(58)，再经二级H2出口接管(59)流出并进入一级制冷装置。
3.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：N2—H2合成气在－130.2℃、5.14MPa时进入二级N2—H2合成气进口管箱(39)，在二级N2—H2合成气进口管箱(39)内分配于二级N2—H2合成气缠绕管束(29)各支管，二级N2—H2合成气缠绕管束(29)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至
5.09MPa，再流至二级N2—H2合成气出口管箱(63)，再经二级N2—H2合成气出口接管(62)流出并进入一级制冷装置。
4.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：N2—Ar—CO—CH4污氮在－130.2℃、0.15MPa时进入二级污氮进口管箱(24)，在二级污氮进口管箱(24)内分配于二级污氮缠绕管束(28)各支管，二级污氮缠绕管束(28)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至0.12MPa，再流至二级污氮出口管箱(7)，再经二级污氮出口接管(5)流出并进入一级制冷装置。
5.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：H2—N2—CO—Ar—CH4净化气在－63.3℃、5.26MPa时进入二级净化气进口管箱(51)，在二级净化气进口管箱(51)内分配于二级净化气缠绕管束(46)各支管，二级净化气缠绕管束(46)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)内被－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、
5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－127.2℃、
5.24MPa，再流至二级净化气出口管箱(21)，再经二级净化气出口接管(22)流出并进入三级制冷装置。
6.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：高压N2在－38℃、5.8MPa时经二级高压N2进口接管(1)进入壳体，被二级污氮缠绕管束(28)内污氮、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)内合成气、二级H2缠绕管束(45)内氢气冷却至－127.2℃、5.7MPa N2，经二级高压N2出口接管(33)流出并进入三级制冷装置。
7.根据权利要求1所述的低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：精配高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经二级精配高压氮气出口接管(31)引出壳体，通过连接管路打入二级N2—H2合成气进口管箱(39)进行N2、H2比例1：3精配，精配后的N2—H2合成气进入二级N2—H2合成气缠绕管束(29)进行二级换热。
低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备
技术领域
[0001] 本发明主要应用于合成氨低温液氮工艺设备技术领域，涉及低温液氮用二级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备技术，应用低温液氮工艺中三级制冷装置出口的－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却－38℃、5.8MPa N2至－127.2℃、5.7MPa及冷却来自低温甲醇工艺的－
63.3℃、5.26MPa H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－127.2℃、5.24MPa，即应用三级制冷装置出口的N2—H2合成气、高压H2及污氮的冷量回热冷却来流高压N2、低温甲醇洗后的净化气，给三级制冷装置提供温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于－38℃～－127.2℃气体带相变低温换热领域，解决低温液氮二级制冷技术难题，提高低温液氮工艺系统的低温回热换热效率。
背景技术
[0002] 合成氨低温液氮工艺包中的主换热设备为多股流螺旋缠绕管式换热器，主换热工艺流程主要包括三个阶段，主要由三个不同换热温区的换热器组成，其中，第一个阶段是将压缩后的高压氮气进行预冷，即将42℃高压氮气预冷至－38℃；第二个阶段是将高压氮气从－38℃冷却至－63.6℃，再冷却至－127.2℃，将H2—N2—CO—Ar—CH4净化气从－63.6℃冷却至－127.2℃，为三段制冷做准备；第三个阶段是将－127.2℃高压氮气冷却至－188℃并液化及将低温甲醇工艺来的－127.2℃净化气冷却至－188.2℃。三个过程可采用不同换热设备。首先，目前大多低温液氮洗工艺系统采用整体换热方式，将三段制冷过程连接为一整体，换热器高度可达60～80米，换热效率得到明显提高，但存在的问题是换热工艺流程过于复杂，换热设备体积过于庞大，给加工制造、现场安装及运输带来严重不便，且一旦出现管道泄漏等问题，难于检测，容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产，而本发明从三段式换热装备解决LN2预冷液化问题入手，重点解决二段制冷装置的低温换热问题。其次，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将高压N2在一个流程内冷却并液化，本发明则采用六股流四管束型螺旋缠绕管式换热装备进行多股流低温集约换热过程，可解决二级制冷多股流低温换热问题，减小换热器数量，提高换热效率。此外，由于二级制冷装备换热温区介于－38℃～－130.2℃，传统的发泡材料保温层很难防止冷量传递，漏热严重，造成高压氮气无法液化，回流流体温度太高等问题，而本发明采用真空多层绝热技术，结合多股流缠绕管式换热特点，可确保二级换热过程冷量损失最小。另外，传统的氮氢配平方法是将制氮系统生产的氮增压至5.14MPa时直接注入合成气管束，达到1：3精确配平后，转入一级制冷装置，并最终满足合成氨中氮氢的配比比例，此法需要5.14MPa增压氮气补充配平，需要另外添置多级氮压缩机组。由于二级制冷装置中拥有5.8MPa的高压来流氮气，本发明直接从二级换热器壳侧底部引出高压氮气，节流至5.14MPa后打入二级合成气管束，达到精确配平氮氢比例的目的，不再增加氮多级压缩系统，节约成本。最后，中段净化气进口温度为－63.3℃，对数平均温差3℃，若设定－63.3℃为二级制冷进口温度，则一级制冷最大温差为108.3℃，二级制冷最大温差为66.9℃，三级制冷最大温差为66.2℃，三个温差比较后，由于一级制冷温差较大，导致一级制冷装置较二级及三级体积大，换热负荷高，因此，为了合理设计三段式制冷装置，需要合理分配换热温差。根据换热量详细计算过程，分配一级制冷最大温差83℃，二级制冷最大温差89℃，三级制冷最大温差
66.2℃，这样可使三段换热器外形大小相似，易于加工制造、运输及安装调试，所以，二级制冷装置采用净化气中段打入方式换热。本发明根据低温液氮洗工艺技术特点及N2二级低温制冷特点，采用三级各自独立的螺旋缠绕管式换热器做为主要换热设备，分段独立制冷，重点针对第二级六股流四管束型螺旋缠绕管式换热制冷工艺流程，研究开发温区介于－
38℃～－130.2℃之间的第二级制冷工艺技术及缠绕管式换热装备，解决二级高压N2低温回热与净化气预冷核心技术问题，即二级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备工艺流程及结构问题。
发明内容
[0003] 本发明主要针对高压氮气二段－38℃～－127.2℃低温液化问题，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的六股流四管束螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2混合气体及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4混合气体回热制冷工艺流程，控制高压氮气及净化气预冷温度及压力，提高换热效率，解决高压氮气二级低温回热及净化气预冷问题，为合成氨低温液氮三级制冷装置提供预冷条件。
[0004] 本发明的技术解决方案：
[0005] 低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，包括二级高压N2进口接管(1)、二级上封头多层真空绝热层(2)、二级内压上封头(3)、二级污氮出口管板(4)、二级污氮出口接管(5)、二级污氮出口法兰(6)、二级污氮出口管箱(7)、二级外压上筒体(8)、二级隔板(9)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级内压上筒体(11)、二级珠光砂(12)、二级中外压封头(13)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级中内压封头(15)、二级外压下筒体(16)、二级中支撑圈(17)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级内压下筒体(19)、二级净化气出口管板(20)、二级净化气出口管箱(21)、二级净化气出口接管(22)、二级净化气出口法兰(23)、二级污氮进口管箱(24)、二级污氮进口法兰(25)、二级污氮进口接管(26)、二级污氮进口管板(27)、二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级精配高压氮气出口法兰(30)、二级精配高压氮气出口接管(31)、二级外压下封头(32)、二级高压N2出口接管(33)、二级高压N2出口法兰(34)、二级下封头多层真空绝热层(35)、二级内压下封头(36)、二级N2—H2合成气进口法兰(37)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级N2—H2合成气进口管箱(39)、二级N2—H2合成气进口管板(40)、二级H2进口管箱(41)、二级H2进口法兰(42)、二级H2进口接管(43)、二级H2进口管板(44)、二级H2缠绕管束(45)、二级净化气缠绕管束(46)、二级下支撑圈(47)、二级管束分隔板(48)、螺旋外盘管(49)、二级净化气进口管板(50)、二级净化气进口管箱(51)、二级净化气进口接管(52)、二级净化气进口法兰(53)、螺旋内盘管(54)、二级中心筒(55)、二级上支撑圈(56)、二级H2出口管板(57)、二级H2出口管箱(58)、二级H2出口接管(59)、二级H2出口法兰(60)、二级N2—H2合成气出口法兰(61)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级N2—H2合成气出口管箱(63)、二级N2—H2合成气出口管板(64)、二级外压上封头(65)、二级高压N2进口法兰(66)，其特征在于：二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)、绕二级中心筒(55)缠绕，缠绕后形成螺旋内盘管(54)；二级净化气缠绕管束(46)绕螺旋内盘管(54)缠绕，缠绕后形成螺旋外盘管(49)，螺旋外盘管(49)低于螺旋内盘管(54)，由换热器中段抽出；缠绕后的螺旋内盘管(54)位于二级内压上筒体(11)与二级内压下筒体(19)内，螺旋外盘管(49)位于二级内压下筒体(19)内；二级中心筒(55)一端安装二级上支撑圈(56)，一端安装二级下支撑圈(47)，二级上支撑圈(56)固定于二级内压上筒体(11)上部，二级下支撑圈(47)固定于二级内压下筒体(19)下部；二级中支撑圈(17)安装于螺旋内盘管(54)与二级内压下筒体(19)之间，且位于二级内压下筒体(19)上部；二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)缠绕于二级上支撑圈(56)与二级下支撑圈(47)之间；二级净化气缠绕管束(46)缠绕于二级中支撑圈(17)与二级下支撑圈(47)之间；二级内压上筒体(11)上部与二级内压上封头(3)连接，二级内压上封头(3)顶部安装二级高压N2进口接管(1)及二级高压N2进口法兰(66)；二级内压上筒体(11)下部与二级内压中封头(15)顶部连接，二级内压中封头(15)底部连接二级内压下筒体(19)，二级内压下筒体(19)下部与二级内压下封头(36)连接，二级内压下封头(36)顶部安装二级高压N2出口接管(33)及二级高压N2出口法兰(34)；二级内压上筒体(11)上部左侧安装二级污氮出口管板(4)，二级污氮出口管板(4)左侧连接二级污氮出口管箱(7)，二级污氮出口管箱(7)顶部连接二级污氮出口接管(5)及二级污氮出口法兰(6)；二级内压上筒体(11)上部中间安装二级N2—H2合成气出口管板(64)，二级N2—H2合成气出口管板(64)前面连接二级N2—H2合成气出口管箱(63)，二级N2—H2合成气出口管箱(63)顶部连接二级N2—H2合成气出口接管(62)及二级N2—H2合成气出口法兰(61)；二级内压上筒体(11)上部右侧安装二级H2出口管板(57)，二级H2出口管板(57)右侧连接二级H2出口管箱(58)，二级H2出口管箱(58)顶部连接二级H2出口接管(59)及二级H2出口法兰(60)；二级内压下筒体(19)上部右侧安装二级净化气进口管板(50)，二级净化气进口管板(50)左侧连接二级净化气进口管箱(51)，二级净化气进口管箱(51)顶部连接二级净化气进口接管(52)及二级净化气进口法兰(53)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级净化气出口管板(20)，二级净化气出口管板(20)左侧连接二级净化气出口管箱(21)，二级净化气出口管箱(21)顶部连接二级净化气出口接管(22)及二级净化气进口法兰(23)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级N2—H2合成气进口管板(40)，二级N2—H2合成气进口管板(40)前面连接二级N2—H2合成气进口管箱(39)，二级N2—H2合成气进口管箱(39)顶部连接二级N2—H2合成气进口接管(38)及二级N2—H2合成气进口法兰(37)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级污氮进口管板(27)，二级污氮进口管板(27)左侧连接二级污氮进口管箱(24)，二级污氮进口管箱(24)顶部连接二级污氮进口接管(26)及二级污氮进口法兰(25)；二级内压下筒体(19)下部右侧安装二级H2进口管板(44)，二级H2进口管板(44)右侧连接二级H2进口管箱(41)，二级H2进口管箱(41)顶部连接二级H2进口接管(43)及二级H2进口法兰(42)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级精配高压氮气出口接管(31)、二级精配高压氮气出口法兰(30)；二级内压上封头(3)、二级内压上筒体(11)、二级内压中封头(15)、二级内压下筒体(19)、二级内压下封头(36)外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)；二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)外分别为二级外压上封头(65)、二级外压上筒体(8)、二级中外压封头(13)、二级外压下筒体(16)、二级外压下封头(32)；真空绝热层内填充二级珠光砂(12)；二级外压上筒体(8)上部穿透安装二级污氮出口接管(5)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级H2出口接管(59)；二级外压下筒体(16)上部穿透安装二级净化气进口接管(52)，下部穿透安装二级净化气出口接管(22)、二级污氮进口接管(26)、二级H2进口接管(43)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级精配高压氮气出口接管(31)；二级外压上封头(65)中部穿透安装二级高压N2进口接管(1)；二级外压下封头(32)中部穿透安装二级高压N2出口接管(33)。
[0006] H2在－130.2℃、1.78MPa时进入二级H2进口管箱(41)，在二级H2进口管箱(41)内分配于二级H2缠绕管束(45)各支管，二级H2缠绕管束(45)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至1.76MPa，再流至二级H2出口管箱(58)，再经二级H2出口接管(59)流出并进入一级制冷装置。
[0007] N2—H2合成气在－130.2℃、5.14MPa时进入二级N2—H2合成气进口管箱(39)，在二级N2—H2合成气进口管箱(39)内分配于二级N2—H2合成气缠绕管束(29)各支管，二级N2—H2合成气缠绕管束(29)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至5.09MPa，再流至二级N2—H2合成气出口管箱(63)，再经二级N2—H2合成气出口接管(62)流出并进入一级制冷装置。
[0008] N2—Ar—CO—CH4污氮在－130.2℃、0.15MPa时进入二级污氮进口管箱(24)，在二级污氮进口管箱(24)内分配于二级污氮缠绕管束(28)各支管，二级污氮缠绕管束(28)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至0.12MPa，再流至二级污氮出口管箱(7)，再经二级污氮出口接管(5)流出并进入一级制冷装置。
[0009] H2—N2—CO—Ar—CH4净化气在－63.3℃、5.26MPa时进入二级净化气进口管箱(51)，在二级净化气进口管箱(51)内分配于二级净化气缠绕管束(46)各支管，二级净化气缠绕管束(46)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)内被－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－
127.2℃、5.24MPa，再流至二级净化气出口管箱(21)，再经二级净化气出口接管(22)流出并进入三级制冷装置。
[0010] 高压N2在－38℃、5.8MPa时经二级高压N2进口接管(1)进入壳体，被二级污氮缠绕管束(28)内污氮、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)内合成气、二级H2缠绕管束(45)内氢气冷却至－127.2℃、5.7MPa N2，经二级高压N2出口接管(33)流出并进入三级制冷装置。
[0011] 精配高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经二级精配高压氮气出口接管(31)引出壳体，通过连接管路打入二级N2—H2合成气进口管箱(39)进行N2、H2比例1：3精配，精配后的N2—H2合成气进入二级N2—H2合成气缠绕管束(29)进行二级换热。
[0012] 方案所涉及的原理问题：
[0013] 首先，传统的低温氮气液化系统多采用板翅式整体换热方式，换热效率较级联式氮液化系统有了明显提高，使换热器数量减少，整体液化工艺流程得到简化，独立运行的制冷系统减少，管理方便，但存在的问题是液化工艺流程简化后，使LN2主换热器体积庞大，换热工艺复杂，加工制造、现场安装及运输难度增大，且一旦出现泄漏等问题，难于检测，容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。为解决这一问题，本发明将主换热器内高压氮气温度变化过程分为42℃～－38℃、－38℃～－127.2℃，－127.2℃～－188.2℃三个级别，采用三个独立的换热器，完成三个温度区间由高至低的换热过程，重点研究开发第二级－38℃～－127.2℃氮气低温换热流程及第二级换热器总体结构及换热工艺参数，并采用三股流回热制冷工艺，解决第二级制冷换热设备问题。研究过程相对独立，可与前后两级连接成为整体，连接后与整体式主换热器换热原理一致，便于主换热器分拆后运输及安装。其次，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将高压N2在一个流程内冷却并液化，本发明采用六股流四管束型螺旋缠绕管式换热装备进行多股流低温集约换热过程，可解决二级制冷多股流低温换热问题，减小换热器数量，提高换热效率。此外，由于二级制冷装备换热温区介于－38℃～－130.2℃，传统的发泡材料保温层很难防止冷量传递，漏热严重，造成高压氮气无法降温，回流流体温度太高等问题，而本发明采用真空多层绝热技－3
术，换热温区由于保持高真空状态，真空度为10 Pa，对流换热可以忽略不计；由于应用多层绝热纸及铝箔缠绕壳程形成多层真空绝热保护层，热辐射大大降低，再加上多层绝热层－2 2
外有珠光砂防辐射，辐射换热强度降低至10 W/m以下；由于采用多层真空绝热纸防护，热－3 2
传导降低至10 W/m.K以下，三种传热方式结合后，总体热流密度小于10W/m，小于传统的绝热层防护漏热量，可确保二级换热过程冷量损失最小。另外，传统的氮氢配平方法是将制氮系统生产的氮增压至5.14MPa时直接注入合成气管束，达到一比三精确配平后，转入一级制冷装置，满足合成氨中氮氢的配比问题，但此法需要5.14MPa增压氮气补充配平，需要另外添置多级氮压缩机组，但是，由于二级制冷装置中拥有5.8MPa的高压壳程氮气。本发明直接从二级换热器底部引出5.7MPa高压氮气，节流至5.14MPa后打入二级合成气管束，可达到精确配平氮氢比例的目的，不再增加氮多级压缩系统，可节约成本。最后，中段净化气进口温度为－63.3℃，取平均对数温差为3℃，若设定－63.3℃为二级制冷进口温度，则一级制冷最大温差为108.3℃，二级制冷最大温差为66.9℃，三级制冷最大温差为66.2℃，三个温差比较后，由于一级制冷温差较大，导致一级制冷装置较二级及三级体积大，换热负荷高，因此，为了合理设计三段式制冷装置，需要合理分配换热温差。根据换热量详细计算过程，分配一级制冷最大温差83℃，二级制冷最大温差89℃，三级制冷最大温差66.2℃，这样可使三段换热器外形大小相似，易于加工制造、运输及安装调试。所以，二级制冷装置采用净化气中段打入方式换热。二级制冷共六股流换热且须采用四管束缠绕管式换热装备进行低温回热换热，三股回热冷流冷却两股来流，引出配平一股流反流换热，可完成高压低温工况下六股流四管束缠绕管式换热过程。
[0014] 本发明的技术特点：
[0015] 本发明主要针对低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备，应用低温液氮工艺中三级制冷装置出口的－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却－38℃、5.8MPa N2至－127.2℃、5.7MPa及冷却来自低温甲醇工艺的－63.3℃、5.26MPa H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－127.2℃、5.24MPa，即应用三级制冷装置出口的N2—H2合成气、高压H2及污氮的冷量回热冷却来流高压N2、低温甲醇洗后的净化气，给三级制冷装置提供温度条件。本发明采用中段打入－63.3℃低温净化气换热，整体设置三管束及四管束设置两段壳程换热过程，三股预冷冷流管束沿中心缠绕且直通两段壳程，净化气管束采用中段沿预冷管束外向下缠绕且设置于壳体下部，与三股预冷管束形成四管束缠绕结构，可用于－38℃～－130.2℃气体带相变低温换热领域，提高低温液氮工艺系统的低温回热换热效率，减小换热器数量。
本发明采用真空多层绝热技术，结合多股流缠绕管式换热特点，可确保二级换热过程冷量损失最小。本发明采用二级换热器底部引出高压氮气，节流至5.14MPa后打入二级合成气管束方法，可精确配平氮氢比例的目的，不再增加氮多级压缩系统，可节约成本。本发明根据换热量详细计算过程，采用净化气中段打入方式换热方式，分配一级制冷最大温差83℃，二级制冷最大温差89℃，三级制冷最大温差66.2℃，可使三段式换热器外形大小相似，易于加工制造、运输及安装调试。
附图说明
[0016] 图1所示为低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备的主要部件结构及位置关系。
具体实施方式
[0017] 加工制造低温液氮用二级回热多股流缠绕管式换热装备，包括二级高压N2进口接管(1)、二级上封头多层真空绝热层(2)、二级内压上封头(3)、二级污氮出口管板(4)、二级污氮出口接管(5)、二级污氮出口法兰(6)、二级污氮出口管箱(7)、二级外压上筒体(8)、二级隔板(9)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级内压上筒体(11)、二级珠光砂(12)、二级中外压封头(13)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级中内压封头(15)、二级外压下筒体(16)、二级中支撑圈(17)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级内压下筒体(19)、二级净化气出口管板(20)、二级净化气出口管箱(21)、二级净化气出口接管(22)、二级净化气出口法兰(23)、二级污氮进口管箱(24)、二级污氮进口法兰(25)、二级污氮进口接管(26)、二级污氮进口管板(27)、二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级精配高压氮气出口法兰(30)、二级精配高压氮气出口接管(31)、二级外压下封头(32)、二级高压N2出口接管(33)、二级高压N2出口法兰(34)、二级下封头多层真空绝热层(35)、二级内压下封头(36)、二级N2—H2合成气进口法兰(37)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级N2—H2合成气进口管箱(39)、二级N2—H2合成气进口管板(40)、二级H2进口管箱(41)、二级H2进口法兰(42)、二级H2进口接管(43)、二级H2进口管板(44)、二级H2缠绕管束(45)、二级净化气缠绕管束(46)、二级下支撑圈(47)、二级管束分隔板(48)、螺旋外盘管(49)、二级净化气进口管板(50)、二级净化气进口管箱(51)、二级净化气进口接管(52)、二级净化气进口法兰(53)、螺旋内盘管(54)、二级中心筒(55)、二级上支撑圈(56)、二级H2出口管板(57)、二级H2出口管箱(58)、二级H2出口接管(59)、二级H2出口法兰(60)、二级N2—H2合成气出口法兰(61)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级N2—H2合成气出口管箱(63)、二级N2—H2合成气出口管板(64)、二级外压上封头(65)、二级高压N2进口法兰(66)，且各部件满足以下连接关系：二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)、绕二级中心筒(55)缠绕，缠绕后形成螺旋内盘管(54)；二级净化气缠绕管束(46)绕螺旋内盘管(54)缠绕，缠绕后形成螺旋外盘管(49)，螺旋外盘管(49)低于螺旋内盘管(54)，由换热器中段抽出；缠绕后的螺旋内盘管(54)位于二级内压上筒体(11)与二级内压下筒体(19)内，螺旋外盘管(49)位于二级内压下筒体(19)内；二级中心筒(55)一端安装二级上支撑圈(56)，一端安装二级下支撑圈(47)，二级上支撑圈(56)固定于二级内压上筒体(11)上部，二级下支撑圈(47)固定于二级内压下筒体(19)下部；二级中支撑圈(17)安装于螺旋内盘管(54)与二级内压下筒体(19)之间，且位于下筒体(19)上部；二级污氮缠绕管束(28)、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)、二级H2缠绕管束(45)缠绕于二级上支撑圈(56)与二级下支撑圈(47)之间；二级净化气缠绕管束(46)缠绕于二级中支撑圈(17)与二级下支撑圈(47)之间；二级内压上筒体(11)上部与二级内压上封头(3)连接，二级内压上封头(3)顶部安装二级高压N2进口接管(1)及二级高压N2进口法兰(66)；二级内压上筒体(11)下部与二级内压中封头(15)顶部连接，二级内压中封头(15)底部连接二级内压下筒体(19)，二级内压下筒体(19)下部与二级内压下封头(36)连接，二级内压下封头(36)顶部安装二级高压N2出口接管(33)及二级高压N2出口法兰(34)；二级内压上筒体(11)上部左侧安装二级污氮出口管板(4)，二级污氮出口管板(4)左侧连接二级污氮出口管箱(7)，二级污氮出口管箱(7)顶部连接二级污氮出口接管(5)及二级污氮出口法兰(6)；二级内压上筒体(11)上部中间安装二级N2—H2合成气出口管板(64)，二级N2—H2合成气出口管板(64)前面连接二级N2—H2合成气出口管箱(63)，二级N2—H2合成气出口管箱(63)顶部连接二级N2—H2合成气出口接管(62)及二级N2—H2合成气出口法兰(61)；二级内压上筒体(11)上部右侧安装二级H2出口管板(57)，二级H2出口管板(57)右侧连接二级H2出口管箱(58)，二级H2出口管箱(58)顶部连接二级H2出口接管(59)及二级H2出口法兰(60)；二级内压下筒体(19)上部右侧安装二级净化气进口管板(50)，二级净化气进口管板(50)左侧连接二级净化气进口管箱(51)，二级净化气进口管箱(51)顶部连接二级净化气进口接管(52)及二级净化气进口法兰(53)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级净化气出口管板(20)，二级净化气出口管板(20)左侧连接二级净化气出口管箱(21)，二级净化气出口管箱(21)顶部连接二级净化气出口接管(22)及二级净化气进口法兰(23)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级N2—H2合成气进口管板(40)，二级N2—H2合成气进口管板(40)前面连接二级N2—H2合成气进口管箱(39)，二级N2—H2合成气进口管箱(39)顶部连接二级N2—H2合成气进口接管(38)及二级N2—H2合成气进口法兰(37)；二级内压下筒体(19)下部左侧安装二级污氮进口管板(27)，二级污氮进口管板(27)左侧连接二级污氮进口管箱(24)，二级污氮进口管箱(24)顶部连接二级污氮进口接管(26)及二级污氮进口法兰(25)；二级内压下筒体(19)下部右侧安装二级H2进口管板(44)，二级H2进口管板(44)右侧连接二级H2进口管箱(41)，二级H2进口管箱(41)顶部连接二级H2进口接管(43)及二级H2进口法兰(42)；二级内压下筒体(19)下部中间安装二级精配高压氮气出口接管(31)、二级精配高压氮气出口法兰(30)；二级内压上封头(3)、二级内压上筒体(11)、二级内压中封头(15)、二级内压下筒体(19)、二级内压下封头(36)外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)；二级上封头多层真空绝热层(2)、二级上筒体多层真空绝热层(10)、二级中外压封头多层真空绝热层(14)、二级下筒体多层真空绝热层(18)、二级下封头多层真空绝热层(35)外分别为二级外压上封头(65)、二级外压上筒体(8)、二级中外压封头(13)、二级外压下筒体(16)、二级外压下封头(32)；真空绝热层内填充二级珠光砂(12)；二级外压上筒体(8)上部穿透安装二级污氮出口接管(5)、二级N2—H2合成气出口接管(62)、二级H2出口接管(59)；二级外压下筒体(16)上部穿透安装二级净化气进口接管(52)，下部穿透安装二级净化气出口接管(22)、二级污氮进口接管(26)、二级H2进口接管(43)、二级N2—H2合成气进口接管(38)、二级精配高压氮气出口接管(31)；二级外压上封头(65)中部穿透安装二级高压N2进口接管(1)；二级外压下封头(32)中部穿透安装二级高压N2出口接管(33)。
[0018] 将H2在－130.2℃、1.78MPa时打入二级H2进口管箱(41)，在二级H2进口管箱(41)内分配于二级H2缠绕管束(45)各支管，二级H2缠绕管束(45)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至1.76MPa，再流至二级H2出口管箱(58)，再经二级H2出口接管(59)流出并进入一级制冷装置。
[0019] 将N2—H2合成气在－130.2℃、5.14MPa时打入二级N2—H2合成气进口管箱(39)，在二级N2—H2合成气进口管箱(39)内分配于二级N2—H2合成气缠绕管束(29)各支管，二级N2—H2合成气缠绕管束(29)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至5.09MPa，再流至二级N2—H2合成气出口管箱(63)，再经二级N2—H2合成气出口接管(62)流出并进入一级制冷装置。
[0020] 将N2—Ar—CO—CH4污氮在－130.2℃、0.15MPa时打入二级污氮进口管箱(24)，在二级污氮进口管箱(24)内分配于二级污氮缠绕管束(28)各支管，二级污氮缠绕管束(28)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)与二级内压上筒体(11)内被来自二级高压N2进口接管(1)的壳程高压N2加热，温度升高至－41℃、压力降低至0.12MPa，再流至二级污氮出口管箱(7)，再经二级污氮出口接管(5)流出并进入一级制冷装置。
[0021] 将H2—N2—CO—Ar—CH4净化气在－63.3℃、5.26MPa时打入二级净化气进口管箱(51)，在二级净化气进口管箱(51)内分配于二级净化气缠绕管束(46)各支管，二级净化气缠绕管束(46)经螺旋缠绕后在二级内压下筒体(19)内被－130.2℃、1.78MPa H2、－130.2℃、5.14MPa N2—H2合成气及－130.2℃、0.15MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－
127.2℃、5.24MPa，再流至二级净化气出口管箱(21)，再经二级净化气出口接管(22)流出并进入三级制冷装置。
[0022] 将高压N2在－38℃、5.8MPa时经二级高压N2进口接管(1)打入壳体，被二级污氮缠绕管束(28)内污氮、二级N2—H2合成气缠绕管束(29)内合成气、二级H2缠绕管束(45)内氢气冷却至－127.2℃、5.7MPa N2，经二级高压N2出口接管(33)流出并打入三级制冷装置。
[0023] 将精配高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经二级精配高压氮气出口接管(31)引出壳体，通过连接管路打入二级N2—H2合成气进口管箱(39)进行N2、H2比例1：3精配，精配后的N2—H2合成气再打入二级N2—H2合成气缠绕管束(29)进行二级换热。
