低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备.pdf

本发明主要应用于合成氨及低温液氮技术领域，涉及低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，应用－191.5℃、1.8MPaH2、－193.4℃、5.19MPaN2—H2合成气、－191.5℃、0.18MPaN2—Ar—CO—CH4污氮、补充高压LN2冷却－127.2℃、5.7MPaN2至－188℃、5.6MPaLN2及冷却来自低温甲醇工艺的H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－188.2℃、5.21MPa，即应用洗涤后的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，给洗涤塔提供低温液氮洗涤净化气的温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于解决－127.2℃～－193.4℃低温液氮三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。

权利要求书
1.  低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，包括三级高压N2进口接管（1）、三级外压上封头（2）、三级污氮出口管板（3）、三级污氮出口管箱（4）、三级污氮出口接管（5）、三级污氮出口法兰（6）、三级污氮缠绕管束（7）、三级净化气进口法兰（8）、三级净化气进口接管（9）、三级净化气进口管箱（10）、三级净化气进口管板（11）、三级净化气缠绕管束（12）、三级内压筒体（13）、三级筒体多层真空绝热层（14）、三级外压筒体（15）、三级下支撑圈（16）、三级净化气出口管板（17）、三级净化气出口管箱（18）、三级净化气出口法兰（19）、三级净化气出口接管（20）、三级污氮进口法兰（21）、三级污氮进口接管（22）、三级污氮进口管箱（23）、三级污氮进口管板（24）、三级补充LN2进口法兰（25）、三级补充LN2进口接管（26）、三级外压下封头（27）、三级高压LN2出口接管（28）、三级高压LN2出口法兰（29）、三级裙座（30）、三级下封头多层真空绝热层（31）、三级真空接头（32）、三级内压下封头（33）、三级补充液氮喷淋管（34）、三级N2—H2合成气进口管板（35）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）、三级N2—H2合成气进口接管（37）、三级N2—H2合成气进口法兰（38）、三级H2进口管箱（39）、三级H2进口法兰（40）、三级H2进口接管（41）、三级H2进口管板（42）、三级隔板（43）、三级中心筒（44）、螺旋盘管（45）、三级上支撑圈（46）、三级H2缠绕管束（47）、三级H2出口管板（48）、三级H2出口管箱（49）、三级H2出口接管（50）、三级H2出口法兰（51）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级N2—H2合成气出口法兰（53）、三级N2—H2合成气出口接管（54）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级N2—H2合成气出口管板（56）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级内压上封头（58）、三级高压N2进口法兰（59），其特征在于：三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）、绕三级中心筒（44）缠绕，缠绕后的螺旋盘管（45）安装于三级内压筒体（13）内；三级中心筒（44）一端安装三级上支撑圈（46），一端安装三级下支撑圈（16），三级上支撑圈（46）固定于三级内压筒体（13）上部，三级下支撑圈（16）固定于三级内压筒体（13）下部，三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）缠绕于三级上支撑圈（46）与三级下支撑圈（16）之间；三级内压筒体（13）上部与三级内压上封头（58）连接，三级内压上封头（58）顶部安装三级高压N2进口接管（1）及三级高压N2进口法兰（59）；三级内压筒体（13）下部与三级内压下封头（33）连接，三级内压下封头（33）顶部安装三级高压LN2出口接管（28）及三级高压LN2出口法兰（29）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级净化气进口管板（11），三级净化气进口管板（11）左侧连接三级净化气进口管箱（10），三级净化气进口管箱（10）顶部连接三级净化气进口接管（9）及三级净化气进口法兰（8）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级污氮出口管板（3），三级污氮出口管板（3）左侧连接三级污氮出口管箱（4），三级污氮出口管箱（4）顶部连接三级污氮出口接管（5）及三级污氮出口法兰（6）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级H2出口管板（48），三级H2出口管板（48）右侧连接三级H2出口管箱（49），三级H2出口管箱（49）顶部连接三级H2出口接管（50）及三级H2出口法兰（51）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级N2—H2合成气出口管板（56），三级N2—H2合成气出口管板（56）右侧连接三级N2—H2合成气出口管箱（55），三级N2—H2合成气出口管箱（55）顶部连接三级N2—H2合成气出口接管（54）及三级N2—H2合成气出口法兰（53）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级净化气出口管板（17），三级净化气出口管板（17）左侧连接三级净化气出口管箱（18），三级净化气出口管箱（18）顶部连接三级净化气出口接管（20）及三级净化气进口法兰（19）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级污氮进口管板（24），三级污氮进口管板（24）左侧连接三级污氮进口管箱（23），三级污氮进口管箱（23）顶部连接三级污氮进口接管（22）及三级污氮进口法兰（21）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级H2进口管板（42），三级H2进口管板（42）右侧连接三级H2进口管箱（39），三级H2进口管箱（39）顶部连接三级H2进口接管（41）及三级H2进口法兰（40）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级N2—H2合成气进口管板（35），三级N2—H2合成气进口管板（35）右侧连接三级N2—H2合成气进口管箱（36），三级N2—H2合成气进口管箱（36）顶部连接三级N2—H2合成气进口接管（37）及三级N2—H2合成气进口法兰（38）；三级内压筒体（13）下部中间安装三级补充LN2进口法兰（25）及三级补充LN2进口接管（26），三级补充LN2进口接管（26）连接三级补充液氮喷淋管（34），三级补充液氮喷淋管（34）安装于三级中心筒（44）正下方；三级内压筒体（13）、三级内压上封头（58）、三级内压下封头（33）外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31），三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31）外部分别为三级外压筒体（15）、三级外压上封头（2）、三级外压下封头（27）；三级外压筒体（15）上部穿透安装三级污氮出口管箱（4）、三级净化气进口管箱（10）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级H2出口管箱（49），下部穿透安装三级净化气出口管箱（18）、三级污氮进口管箱（23）、三级H2进口管箱（39）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）；三级外压上封头（2）中部穿透安装三级高压N2进口接管（1）；三级外压下封头（27）底部安装三级裙座（30）及三级真空接头（32），中部穿透安装三级高压LN2出口接管（28）。

2.  根据权利要求1所述的低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：H2在－191.5℃、1.8MPa时进入三级H2进口管箱（39），在三级H2进口管箱（39）内分配于三级H2缠绕管束（47）各支管，三级H2缠绕管束（47）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至1.78MPa，再流至三级H2出口管箱（49），再经三级H2出口接管（50）流出并进入二级制冷装置。

3.  根据权利要求1所述的低温液氮用三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－193.4℃、5.19MPa时进入三级N2—H2合成气进口管箱（36），在三级N2—H2合成气进口管箱（36）内分配于三级N2—H2合成气缠绕管束（52）各支管，三级N2—H2合成气缠绕管束（52）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至5.14MPa，再流至三级N2—H2合成气出口管箱（55），再经三级N2—H2合成气出口接管（54）流出并进入二级制冷装置。

4.  根据权利要求1所述的低温液氮用三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－191.5℃、0.18MPa时进入三级污氮进口管箱（23），在三级污氮进口管箱（23）内分配于三级污氮缠绕管束（7）各支管，三级污氮缠绕管束（7）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至0.15MPa，再流至三级污氮出口管箱（4），再经三级污氮出口接管（5）流出并进入二级制冷装置。

5.  根据权利要求1所述的低温液氮用三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－127.2℃、5.24MPa时进入三级净化气进口管箱（10），在三级净化气进口管箱（10）内分配于三级净化气缠绕管束（12）各支管，三级净化气缠绕管束（12）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被－191.5℃、1.8MPa H2、－193.4℃、5.19MPa N2—H2合成气及－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－188.2℃、5.21MPa，再流至三级净化气出口管箱（18），再经三级净化气出口接管（20）流出并进入洗涤塔。

6.  根据权利要求1所述的低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经三级高压N2进口接管（1）进入壳体，被三级污氮缠绕管束（7）内污氮、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）内合成气、三级H2缠绕管束（47）内氢气冷却至－188℃、5.6MPa LN2，经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。

7.  根据权利要求1所述的低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，其特征在于：补充过冷LN2在－193.4℃、5.9MPa时经三级补充LN2进口接管（26）进入壳体下部，并向上喷淋冷却三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级H2缠绕管束（47）、三级净化气缠绕管束（12），再与壳体内高压N2混合后经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。

说明书低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备
技术领域
本发明主要应用于合成氨低温液氮工艺设备技术领域，涉及低温液氮用三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气液分离器分离出的－191.5℃、1.8MPa H2、洗涤塔顶流出的－193.4℃、5.19MPa N2—H2合成气及洗涤塔顶流出的－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4污氮、补充高压LN2冷却－127.2℃、5.7MPa N2至－188℃、5.6MPa LN2及冷却来自低温甲醇工艺的H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－188.2℃、5.21MPa，即应用洗涤后的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，给洗涤塔提供低温液氮洗涤净化气的温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于－127.2℃～－193.4℃气体带相变低温换热领域，解决低温液氮三级制冷技术难题，提高低温液氮工艺系统的低温换热效率。
背景技术
合成氨低温液氮洗工艺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－63.6℃，第二个阶段是将高压氮气从－63.6℃冷却至－127.2℃，为低温液化做准备，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。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，很容易造成整台换热器报废，成套工艺装备停产。此外，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。另外，由于换热温区介于－127.2℃～－188℃，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，可确保换热过程冷量损失最小。最后，传统的补充液氮的方法是将制氮系统生产的液氮在0.18MPa饱和状态下直接注入污氮中降低整个回流温度，加速启动扩散制冷过程，但汽化后的氮气与污氮一起排出系统燃烧后排入大气，造成氮气浪费。本发明采用5.9MPa高压过冷液氮直接打入壳体反向冷却缠绕管束，气化后与壳程高压氮气混合，可直接起到加速气氮液化作用，推动洗涤塔内扩散制冷过程，补充液氮也可有效应用于合成氨气体的配比这程，节流了氮气的使用量。本发明根据低温液氮洗工艺技术特点及LN2三级低温液化特点，采用三段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，重点针对第三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－127.2℃～－188℃之间的第三级制冷工艺技术及缠绕管式换热装备，解决第三级高压N2低温回热液化与净化气预冷核心技术问题，即LN2低温液化三级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备结构及工艺流程问题。
发明内容
本发明主要针对高压氮气三级－127.2℃～－188℃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－191.5℃、1.8MPa H2、－193.4℃、5.19MPa N2—H2混合气体及－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4混合气体回热制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制高压氮气及净化气预冷温度及压力，提高换热效率，解决高压氮气三级低温回热液化及净化气预冷问题，为低温液氮洗涤提供低温流体条件。
本发明的技术解决方案：
低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，包括三级高压N2进口接管（1）、三级外压上封头（2）、三级污氮出口管板（3）、三级污氮出口管箱（4）、三级污氮出口接管（5）、三级污氮出口法兰（6）、三级污氮缠绕管束（7）、三级净化气进口法兰（8）、三级净化气进口接管（9）、三级净化气进口管箱（10）、三级净化气进口管板（11）、三级净化气缠绕管束（12）、三级内压筒体（13）、三级筒体多层真空绝热层（14）、三级外压筒体（15）、三级下支撑圈（16）、三级净化气出口管板（17）、三级净化气出口管箱（18）、三级净化气出口法兰（19）、三级净化气出口接管（20）、三级污氮进口法兰（21）、三级污氮进口接管（22）、三级污氮进口管箱（23）、三级污氮进口管板（24）、三级补充LN2进口法兰（25）、三级补充LN2进口接管（26）、三级外压下封头（27）、三级高压LN2出口接管（28）、三级高压LN2出口法兰（29）、三级裙座（30）、三级下封头多层真空绝热层（31）、三级真空接头（32）、三级内压下封头（33）、三级补充液氮喷淋管（34）、三级N2—H2合成气进口管板（35）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）、三级N2—H2合成气进口接管（37）、三级N2—H2合成气进口法兰（38）、三级H2进口管箱（39）、三级H2进口法兰（40）、三级H2进口接管（41）、三级H2进口管板（42）、三级隔板（43）、三级中心筒（44）、螺旋盘管（45）、三级上支撑圈（46）、三级H2缠绕管束（47）、三级H2出口管板（48）、三级H2出口管箱（49）、三级H2出口接管（50）、三级H2出口法兰（51）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级N2—H2合成气出口法兰（53）、三级N2—H2合成气出口接管（54）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级N2—H2合成气出口管板（56）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级内压上封头（58）、三级高压N2进口法兰（59），其特征在于：三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）、绕三级中心筒（44）缠绕，缠绕后的螺旋盘管（45）安装于三级内压筒体（13）内；三级中心筒（44）一端安装三级上支撑圈（46），一端安装三级下支撑圈（16），三级上支撑圈（46）固定于三级内压筒体（13）上部，三级下支撑圈（16）固定于三级内压筒体（13）下部，三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）缠绕于三级上支撑圈（46）与三级下支撑圈（16）之间；三级内压筒体（13）上部与三级内压上封头（58）连接，三级内压上封头（58）顶部安装三级高压N2进口接管（1）及三级高压N2进口法兰（59）；三级内压筒体（13）下部与三级内压下封头（33）连接，三级内压下封头（33）顶部安装三级高压LN2出口接管（28）及三级高压LN2出口法兰（29）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级净化气进口管板（11），三级净化气进口管板（11）左侧连接三级净化气进口管箱（10），三级净化气进口管箱（10）顶部连接三级净化气进口接管（9）及三级净化气进口法兰（8）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级污氮出口管板（3），三级污氮出口管板（3）左侧连接三级污氮出口管箱（4），三级污氮出口管箱（4）顶部连接三级污氮出口接管（5）及三级污氮出口法兰（6）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级H2出口管板（48），三级H2出口管板（48）右侧连接三级H2出口管箱（49），三级H2出口管箱（49）顶部连接三级H2出口接管（50）及三级H2出口法兰（51）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级N2—H2合成气出口管板（56），三级N2—H2合成气出口管板（56）右侧连接三级N2—H2合成气出口管箱（55），三级N2—H2合成气出口管箱（55）顶部连接三级N2—H2合成气出口接管（54）及三级N2—H2合成气出口法兰（53）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级净化气出口管板（17），三级净化气出口管板（17）左侧连接三级净化气出口管箱（18），三级净化气出口管箱（18）顶部连接三级净化气出口接管（20）及三级净化气进口法兰（19）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级污氮进口管板（24），三级污氮进口管板（24）左侧连接三级污氮进口管箱（23），三级污氮进口管箱（23）顶部连接三级污氮进口接管（22）及三级污氮进口法兰（21）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级H2进口管板（42），三级H2进口管板（42）右侧连接三级H2进口管箱（39），三级H2进口管箱（39）顶部连接三级H2进口接管（41）及三级H2进口法兰（40）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级N2—H2合成气进口管板（35），三级N2—H2合成气进口管板（35）右侧连接三级N2—H2合成气进口管箱（36），三级N2—H2合成气进口管箱（36）顶部连接三级N2—H2合成气进口接管（37）及三级N2—H2合成气进口法兰（38）；三级内压筒体（13）下部中间安装三级补充LN2进口法兰（25）及三级补充LN2进口接管（26），三级补充LN2进口接管（26）连接三级补充液氮喷淋管（34），三级补充液氮喷淋管（34）安装于三级中心筒（44）正下方；三级内压筒体（13）、三级内压上封头（58）、三级内压下封头（33）外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31），三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31）外部分别为三级外压筒体（15）、三级外压上封头（2）、三级外压下封头（27）；三级外压筒体（15）上部穿透安装三级污氮出口管箱（4）、三级净化气进口管箱（10）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级H2出口管箱（49），下部穿透安装三级净化气出口管箱（18）、三级污氮进口管箱（23）、三级H2进口管箱（39）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）；三级外压上封头（2）中部穿透安装三级高压N2进口接管（1）；三级外压下封头（27）底部安装三级裙座（30）及三级真空接头（32），中部穿透安装三级高压LN2出口接管（28）。
H2在－191.5℃、1.8MPa时进入三级H2进口管箱（39），在三级H2进口管箱（39）内分配于三级H2缠绕管束（47）各支管，三级H2缠绕管束（47）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至1.78MPa，再流至三级H2出口管箱（49），再经三级H2出口接管（50）流出并进入二级制冷装置。
N2—H2合成气在－193.4℃、5.19MPa时进入三级N2—H2合成气进口管箱（36），在三级N2—H2合成气进口管箱（36）内分配于三级N2—H2合成气缠绕管束（52）各支管，三级N2—H2合成气缠绕管束（52）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至5.14MPa，再流至三级N2—H2合成气出口管箱（55），再经三级N2—H2合成气出口接管（54）流出并进入二级制冷装置。
N2—Ar—CO—CH4污氮在－191.5℃、0.18MPa时进入三级污氮进口管箱（23），在三级污氮进口管箱（23）内分配于三级污氮缠绕管束（7）各支管，三级污氮缠绕管束（7）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至0.15MPa，再流至三级污氮出口管箱（4），再经三级污氮出口接管（5）流出并进入二级制冷装置。
H2—N2—CO—Ar—CH4净化气在－127.2℃、5.24MPa时进入三级净化气进口管箱（10），在三级净化气进口管箱（10）内分配于三级净化气缠绕管束（12）各支管，三级净化气缠绕管束（12）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被－191.5℃、1.8MPa H2、－193.4℃、5.19MPa N2—H2合成气及－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－188.2℃、5.21MPa，再流至三级净化气出口管箱（18），再经三级净化气出口接管（20）流出并进入洗涤塔。
高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经三级高压N2进口接管（1）进入壳体，被三级污氮缠绕管束（7）内污氮、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）内合成气、三级H2缠绕管束（47）内氢气冷却至－188℃、5.6MPa LN2，经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。
补充过冷LN2在－193.4℃、5.9MPa时经三级补充LN2进口接管（26）进入壳体下部，并向上喷淋冷却三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级H2缠绕管束（47）、三级净化气缠绕管束（12），再与壳体内高压N2混合后经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。
方案所涉及的原理问题：
首先，传统的低温LN2液化系统多采用板翅式整体换热方式，换热效率较级联式LN2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℃～－63.6℃、－63.6℃～－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，重点研究开发第三级－127.2℃～－188.2℃低温换热流程及第三级换热器总体结构及进出口参数，并采用三股流回热制冷工艺，解决第三级制冷换热设备问题。研究过程相对独立，可与后前两级连接成为整体，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，采用补充预冷LN2工艺，在系统开机前，向三级制冷换热装置内补充启动LN2，使来流温度及回热温度均逐渐降低，来流高压N2及净化气温度降低后，在洗涤塔内高压混合，产生分子扩散制冷效应，温度降低，达到制冷效果。补充液氮冷却后，来流气体及混合后反流气体温度逐渐降低，同时，洗涤塔内高压N2与来流净化气高压混合后产生分子扩散制冷效应，使来流高压N2随循环不段进行逐渐被液化。液化后的LN2进入洗涤塔后，可洗涤净化气混合气H2—N2—CO—Ar—CH4中的杂质气体N2、CO、Ar、CH4等，使以上气体全部溶解于LN2后，LN2变为污氮。污氮流出洗涤塔后再经气液分离器分离为不含H2污氮及高压H2，不含H2污氮及高压H2再回流进三级制冷装备回热冷却来流高压N2及净化气。洗涤塔内没有被LN2吸收的净化气中的H2与LN2中汽化后的N2接近3：1时通过洗涤塔塔顶排出后再流进三级制冷装备进行回热冷却来流净化气及高压N2。回流的三股流体经连续循环后，最终将来流高压N2液化及将来流的净化气温度降低至－188.2℃洗涤温度，再应用液化后的LN2洗涤净化气中的杂质成份并持续循环，此时，逐渐停止补充高压过冷液氮，系统达到扩散制冷平衡状态，不需再加额外制冷剂，回流预冷过程进入持续稳定状态。三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，三股回热冷流及一股补充液氮冷却两股来流并液化其中一股，液化的一股再光洗涤未液化一股中的杂质气体，洗涤后再形成新的三股回热冷流回热换热，完成整个回热预冷过程。传统的列管式换热器由于采用了两块大管板连接平行管束结构，体积较大，换热温差较小，易分区，管间距较大，自收缩能力较差，一般适用于单管束换热，换热效率较低，难以进行多股流换热过程，不易完成六股流均匀换热过程。本发明开发了可承受5.9MPa、－197℃的铝合金6005管束及9Ni钢壳体的低温液氮用换热装备，可完成高压低温工况下六股流四管束缠绕管式换热过程。
本发明的技术特点：
本发明主要针对低温液氮用三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，应用低温液氮洗工艺中气液分离器分离出的－191.5℃、1.8MPa H2、－193.4℃、5.19MPa N2—H2合成气及－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4污氮、补充高压LN2冷却－127.2℃、5.7MPa N2至－188℃、5.6MPa LN2及冷却来自低温甲醇工艺的H2—N2—CO—Ar—CH4净化气至－188.2℃、5.21MPa，达到应用洗涤后的N2—H2合成气、氢气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，给洗涤塔提供低温液氮洗涤低温净化气的温度条件；其结构紧凑，换热效率高，可用于－127.2℃～193.4℃气体带相变低温换热领域，解决低温液氮洗三级制冷技术难题，提高低温液氮洗工艺系统的低温换热效率。此外，采用真空多层绝热技术结合多股流缠绕管式换热过程，可确保换热过程冷量损失最小；采用5.9MPa高压过冷液氮直接打入壳体反向冷却缠绕管束，气化后与壳程高压氮气混合，可直接起到加速气氮液化作用，推动洗涤塔内扩散制冷过程，补充液氮也可有效应用于合成氨气体的配比这程，节约氮气使用量。低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备具有结构紧凑，多种介质带相变传热，传热系数大，可解决大型LN2低温液化过程中高压氮气三回热预冷、高压氮气低温液化技术难题，提高系统换热及液化效率；应用三级LN2低温液化过程后，LN2主换热器可分为三个独立的换热器，体积减小，可分段进行加工制造、运输及现场安装，一旦出现管道泄漏等问题，易于检测，不易造成整台换热器报废及成套工艺装备停产； LN2低温液化三级六股流四管束螺旋缠绕管式换热装备可合理分配液化段及过冷段的热负荷，可结合大型换热器的载荷分配以及换热管强度特性，采用辅助中心筒缠绕螺旋盘管的方式，从理论上保证缠绕过程均匀且强度符合设计要求；合理选择了换热器进出口位置及物料、采用多个小管板侧置的方法可使换热器结构更加紧凑，换热过程得到优化；螺旋缠绕管式换热器管外介质逆流并横向交叉掠过缠绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，即使雷诺数较低，其依然为湍流形态，换热系数较大；由于是多种介质带相变换热过程，对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，生产装置操作难度降低，安全性得以提高；螺旋缠绕管式换热器耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型N2低温液化作业。
附图说明
 图1所示为低温液氮用三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
加工制造低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备，包括三级高压N2进口接管（1）、三级外压上封头（2）、三级污氮出口管板（3）、三级污氮出口管箱（4）、三级污氮出口接管（5）、三级污氮出口法兰（6）、三级污氮缠绕管束（7）、三级净化气进口法兰（8）、三级净化气进口接管（9）、三级净化气进口管箱（10）、三级净化气进口管板（11）、三级净化气缠绕管束（12）、三级内压筒体（13）、三级筒体多层真空绝热层（14）、三级外压筒体（15）、三级下支撑圈（16）、三级净化气出口管板（17）、三级净化气出口管箱（18）、三级净化气出口法兰（19）、三级净化气出口接管（20）、三级污氮进口法兰（21）、三级污氮进口接管（22）、三级污氮进口管箱（23）、三级污氮进口管板（24）、三级补充LN2进口法兰（25）、三级补充LN2进口接管（26）、三级外压下封头（27）、三级高压LN2出口接管（28）、三级高压LN2出口法兰（29）、三级裙座（30）、三级下封头多层真空绝热层（31）、三级真空接头（32）、三级内压下封头（33）、三级补充液氮喷淋管（34）、三级N2—H2合成气进口管板（35）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）、三级N2—H2合成气进口接管（37）、三级N2—H2合成气进口法兰（38）、三级H2进口管箱（39）、三级H2进口法兰（40）、三级H2进口接管（41）、三级H2进口管板（42）、三级隔板（43）、三级中心筒（44）、螺旋盘管（45）、三级上支撑圈（46）、三级H2缠绕管束（47）、三级H2出口管板（48）、三级H2出口管箱（49）、三级H2出口接管（50）、三级H2出口法兰（51）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级N2—H2合成气出口法兰（53）、三级N2—H2合成气出口接管（54）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级N2—H2合成气出口管板（56）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级内压上封头（58）、三级高压N2进口法兰（59）等部件，且满足以下基本特征：三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）、绕三级中心筒（44）缠绕，缠绕后的螺旋盘管（45）安装于三级内压筒体（13）内；三级中心筒（44）一端安装三级上支撑圈（46），一端安装三级下支撑圈（16），三级上支撑圈（46）固定于三级内压筒体（13）上部，三级下支撑圈（16）固定于三级内压筒体（13）下部，三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级净化气缠绕管束（12）、三级H2缠绕管束（47）缠绕于三级上支撑圈（46）与三级下支撑圈（16）之间；三级内压筒体（13）上部与三级内压上封头（58）连接，三级内压上封头（58）顶部安装三级高压N2进口接管（1）及三级高压N2进口法兰（59）；三级内压筒体（13）下部与三级内压下封头（33）连接，三级内压下封头（33）顶部安装三级高压LN2出口接管（28）及三级高压LN2出口法兰（29）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级净化气进口管板（11），三级净化气进口管板（11）左侧连接三级净化气进口管箱（10），三级净化气进口管箱（10）顶部连接三级净化气进口接管（9）及三级净化气进口法兰（8）；三级内压筒体（13）上部左侧安装三级污氮出口管板（3），三级污氮出口管板（3）左侧连接三级污氮出口管箱（4），三级污氮出口管箱（4）顶部连接三级污氮出口接管（5）及三级污氮出口法兰（6）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级H2出口管板（48），三级H2出口管板（48）右侧连接三级H2出口管箱（49），三级H2出口管箱（49）顶部连接三级H2出口接管（50）及三级H2出口法兰（51）；三级内压筒体（13）上部右侧安装三级N2—H2合成气出口管板（56），三级N2—H2合成气出口管板（56）右侧连接三级N2—H2合成气出口管箱（55），三级N2—H2合成气出口管箱（55）顶部连接三级N2—H2合成气出口接管（54）及三级N2—H2合成气出口法兰（53）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级净化气出口管板（17），三级净化气出口管板（17）左侧连接三级净化气出口管箱（18），三级净化气出口管箱（18）顶部连接三级净化气出口接管（20）及三级净化气进口法兰（19）；三级内压筒体（13）下部左侧安装三级污氮进口管板（24），三级污氮进口管板（24）左侧连接三级污氮进口管箱（23），三级污氮进口管箱（23）顶部连接三级污氮进口接管（22）及三级污氮进口法兰（21）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级H2进口管板（42），三级H2进口管板（42）右侧连接三级H2进口管箱（39），三级H2进口管箱（39）顶部连接三级H2进口接管（41）及三级H2进口法兰（40）；三级内压筒体（13）下部右侧安装三级N2—H2合成气进口管板（35），三级N2—H2合成气进口管板（35）右侧连接三级N2—H2合成气进口管箱（36），三级N2—H2合成气进口管箱（36）顶部连接三级N2—H2合成气进口接管（37）及三级N2—H2合成气进口法兰（38）；三级内压筒体（13）下部中间安装三级补充LN2进口法兰（25）及三级补充LN2进口接管（26），三级补充LN2进口接管（26）连接三级补充液氮喷淋管（34），三级补充液氮喷淋管（34）安装于三级中心筒（44）正下方；三级内压筒体（13）、三级内压上封头（58）、三级内压下封头（33）外表面分别交替包裹由多层绝热纸及多层铝箔构成的三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31），三级筒体多层真空绝热层（14）、三级上封头多层真空绝热层（57）、三级下封头多层真空绝热层（31）外部分别为三级外压筒体（15）、三级外压上封头（2）、三级外压下封头（27）；三级外压筒体（15）上部穿透安装三级污氮出口管箱（4）、三级净化气进口管箱（10）、三级N2—H2合成气出口管箱（55）、三级H2出口管箱（49），下部穿透安装三级净化气出口管箱（18）、三级污氮进口管箱（23）、三级H2进口管箱（39）、三级N2—H2合成气进口管箱（36）；三级外压上封头（2）中部穿透安装三级高压N2进口接管（1）；三级外压下封头（27）底部安装三级裙座（30）及三级真空接头（32），中部穿透安装三级高压LN2出口接管（28）。
抽真空并检测无质量问题后，将低温液氮用三级回热多股流缠绕管式换热装备接入系统装置。
将H2在－191.5℃、1.8MPa时打入三级H2进口管箱（39），在三级H2进口管箱（39）内分配于三级H2缠绕管束（47）各支管，三级H2缠绕管束（47）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至1.78MPa，再流至三级H2出口管箱（49），再经三级H2出口接管（50）流出并进入二级制冷装置。
将N2—H2合成气在－193.4℃、5.19MPa时打入三级N2—H2合成气进口管箱（36），在三级N2—H2合成气进口管箱（36）内分配于三级N2—H2合成气缠绕管束（52）各支管，三级N2—H2合成气缠绕管束（52）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至5.14MPa，再流至三级N2—H2合成气出口管箱（55），再经三级N2—H2合成气出口接管（54）流出并进入二级制冷装置。
将N2—Ar—CO—CH4污氮在－191.5℃、0.18MPa时打入三级污氮进口管箱（23），在三级污氮进口管箱（23）内分配于三级污氮缠绕管束（7）各支管，三级污氮缠绕管束（7）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被来自三级高压N2进口接管（1）的壳程高压N2加热，温度升高至－130.2℃、压力降低至0.15MPa，再流至三级污氮出口管箱（4），再经三级污氮出口接管（5）流出并进入二级制冷装置。
将H2—N2—CO—Ar—CH4净化气在－127.2℃、5.24MPa时打入三级净化气进口管箱（10），在三级净化气进口管箱（10）内分配于三级净化气缠绕管束（12）各支管，三级净化气缠绕管束（12）经螺旋缠绕后在三级内压筒体（13）内被－191.5℃、1.8MPa H2、－193.4℃、5.19MPa N2—H2合成气及－191.5℃、0.18MPa N2—Ar—CO—CH4污氮冷却至－188.2℃、5.21MPa，再流至三级净化气出口管箱（18），再经三级净化气出口接管（20）流出并进入洗涤塔。
将高压N2在－127.2℃、5.7MPa时经三级高压N2进口接管（1）进入壳体，被三级污氮缠绕管束（7）内污氮、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）内合成气、三级H2缠绕管束（47）内氢气冷却至－188℃、5.6MPa LN2，经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。
将补充过冷LN2在－193.4℃、5.9MPa时经三级补充LN2进口接管（26）打入壳体下部，并向上喷淋冷却三级污氮缠绕管束（7）、三级N2—H2合成气缠绕管束（52）、三级H2缠绕管束（47）、三级净化气缠绕管束（12），再与壳体内高压N2混合后经三级高压LN2出口接管（28）流出并进入洗涤塔。