促进双相混合物均匀分配的混合装置、热交换设备和相关混合方法与流程

促进双相混合物均匀分配的混合装置、热交换设备和相关混合方法
1.本发明涉及一种混合装置，用于在热交换器的至少一个通路中更均匀地分配液/气两相的混合物，并且涉及一种包括这样的混合装置的热交换设备。
2.特别地，本发明可以应用于热交换器，热交换器使液-气混合物的至少一个流(特别是具有多种组成元素的液-气混合物的流，例如包含烃的混合物)通过与至少一种其他流体进行热交换而汽化，该至少一种其他流体例如是冷却或者甚至至少部分地液化的天然气，或者甚至是过冷的液化天然气。
3.在使用一个或多个以双相冷却剂(即，处于液/气混合物状态)进行的流体制冷循环的方法之中，已知若干种使天然气流液化以获得液化天然气(lng)的方法。通常，通过压缩机对冷却流(通常是具有多种组成元素的混合物，比如包含烃的混合物)进行压缩，然后将其引入一个交换器或一系列交换器中，在交换器处，该冷却流被完全液化并被过冷到冷却的流体所达到的该方法的最冷温度，通常是液化天然气流的最冷温度。在交换器的最冷出口处，冷却流通过形成第一相和第二相而膨胀。这两个相通过相分离器分离，然后被重新引入交换器中，并且在被重新引入交换器之前被重新混合。以双相状态引入交换器中的冷却流在其中逆着液化的烃流并且逆着天然气而汽化。文献wo-a-2017/081374描述了这些已知方法中的一种方法。
4.使用了钎焊板和翅片式铝交换器以允许提供非常紧凑的装置，该装置提供大的交换表面，从而提高方法的能量性能能力，并且是在有限的体积内做到这样。
5.这些交换器包括在长度和宽度两个维度上延伸的板堆叠体，因此形成多组彼此上下定位的通路的堆叠体，其中一些通路用于使热传递流体(例如要液化的烃流)循环，并且其他通路用于使冷却剂(例如将汽化的双相冷却流)循环。
6.热交换结构(比如热交换波纹)通常布置在交换器的这些通路中。这些结构包括在交换器的板之间延伸的翅片，并且允许交换器的热交换表面积增加。它们还起到间隔件的作用，并且有助于通路的机械强度。
7.在实施双相性质的冷却流的交换器中会出现一些问题，特别是当它们的汽化发生在上升的竖直流中时。
8.实际上，为了确保交换器正确操作，即特别是为了使交换器(特别是对于实施液-气混合物的交换器)的交换表面的使用最大化，液相和气相的比例在所有通路中必须是相同的，并且在同一通路中必须是均匀的。
9.交换器的尺寸是在假设这些相均匀分配并且因此每个通路中液相汽化结束时具有单一温度(等于混合物的露点)的情况下计算的。
10.特别是对于具有多种组成元素的混合物，汽化温度的终点将取决于通路中液相和气相的比例，因为这两个相不具有相同的组成。
11.在两个相分配不均匀的情况下，第一流体的温度曲线将因此取决于通路而变化和/或在同一通路内变化。由于这种不均匀的分配，与两相混合物具有交换关系的一种或多种流体可能具有高于预期温度的交换器出口温度，这因此降低了热交换器的性能能力。
12.一种将混合物的液相和气相尽可能均匀分配的解决方案包括将它们分别引入交换器中，然后仅在它们处于交换器内后将它们混合在一起。
13.文献fr-a-2563620或wo-a-2018/172644描述了这样的交换器，其中，带槽杆被插入一系列用于引导两相混合物的通路中。这个混合装置包括一系列用于冷却剂的液相流动的单独通道或凹槽、以及另一系列用于冷却剂的气相流动的单独通道。一个系列的通道经由开口流体地连接到另一个系列的通道，使得液-气混合物(即，双相流)从混合装置朝向热交换区域分配。交换器的每个冷却剂通路都设置有这样的装置。
14.这种类型的混合装置存在的一个问题是液-气混合物在交换器通路的宽度上的不均匀分配。
15.实际上，两相混合物在进入通路中的通道出口处进行分配。由于通道彼此相隔一定距离布置，所以液-气混合物跨通路的宽度被离散地引入交换区中。当流体在交换器中沿总体流动方向流动时，特别地借助于在这种类型的交换器中通常使用的交换波纹(比如穿孔波纹或锯齿状波纹)可以在正交于总体流动方向的方向上进行分配。因此，“锯齿”型波纹倾向于使一部分流体偏离其流动方向，并且穿孔波纹将由波纹形成的通道流体地相连接。
16.然而，仅在混合物离开混合装置行进了一定距离之后，才能在交换器的宽度上实现流体分配的均匀化。在这个距离上，取决于在交换器宽度上所考虑的位置，流体以不均匀的质量流量供应给交换区，交换波纹的一些通道可能只有有限的供应或者甚至没有供应。交换器的性能能力降低。此外，通过流体的横向偏转产生的这种分配对于笔直的未穿孔波纹是不可能的。
17.在热传递流体与冷却剂流体之间具有低的温度偏差的情况下工作的交换器对这种不良分配现象更加敏感。此外，在冷却剂混合物具有多种组成元素的情况下，不均匀分配的现象更加突出。
18.现有的解决方案都不令人满意。因此，在混合装置的出口处布置自由空间会引起交换器机械强度方面的问题，并且会导致第一相在该区聚集。在交换器宽度上增加彼此相继的通道的数量将导致通过每个通道的每个开口的第一相的流量降低，并且不利于双相混合物在混合装置出口处的适当分配。最后，混合装置出口处的“硬道”型波纹布置或者具有更复杂几何形状的混合装置的布置增加了压力损失，这降低了方法的性能能力。
19.本发明的目的是解决所有或一些上述问题，特别是通过提出一种混合装置来解决，该混合装置提供双相混合物在热交换器通路的宽度上的更均匀分配，同时限制双相混合物在混合装置出口处可能经历的压力损失。
20.根据本发明的解决方案还涉及一种混合装置，该混合装置用于在热交换器的至少一个通路中总体上沿纵向方向分配第一流体的第一相和第二相的混合物，所述混合装置包括：
[0021]-至少一个侧向通道，该至少一个侧向通道被配置用于第一流体的第一相从至少一个第一入口流动；
[0022]-一系列纵向通道，该一系列纵向通道沿纵向方向延伸，并且每个纵向通道被配置用于第一流体的第二相从第二入口流到第二出口，所述纵向通道沿正交于纵向方向的侧向方向彼此相继；以及
[0023]-至少一个开口，该至少一个开口将所述侧向通道流体地连接到至少一个纵向通
道，使得混合装置被配置为经由所述至少一个纵向通道的第二出口分配第一相和第二相的混合物，其特征在于，混合装置的所述至少一个纵向通道沿纵向方向被分成上游部分和下游部分，该上游部分和该下游部分各自具有沿纵向方向测量的长度和沿侧向方向测量的宽度，该下游部分布置在上游部分与第二出口之间，所述下游部分在其长度的任何点处的宽度大于上游部分的宽度。
[0024]
适用时，本发明可以包括以下特征中的一个或多个：
[0025]-下游部分具有跨其长度朝向第二出口增加的宽度、优选地连续增加的宽度；
[0026]-下游部分具有最小宽度和最大宽度，其中比率dm/dm大于或等于1.1，优选地大于或等于1.8和/或小于或等于4；
[0027]-在平行于纵向方向和侧向方向的平面内，下游部分整体或一部分具有呈等腰梯形形式的外部轮廓作为纵向截面；
[0028]-在平行于纵向方向和侧向方向的平面内，下游部分整体或一部分具有曲线形外部轮廓作为纵向截面；
[0029]-下游部分在混合装置的下游面处出现，外部轮廓形成范围在5
°
与85
°
之间的角度，该角度是在与下游面的交点处与所述外部轮廓相切的切线与纵向通道的对称轴线之间测量的；
[0030]-纵向通道的上游部分通过一个端部连接到下游部分，所述至少一个开口在上游部分处在距该端部一定距离处出现在所述纵向通道中，优选地，该距离大于或等于上游部分的长度的4％并且优选地在上游部分的长度的7％与90％之间的范围内；
[0031]-至少一个开口被布置成使得当第一相从侧向通道的第一入口流动并且第二相从纵向通道的第二入口流动时，该第一相和该第二相的混合发生在该下游部分的上游；
[0032]-混合装置的这一个或多个开口都在纵向通道的上游部分处出现；
[0033]-该一系列纵向通道中的每个纵向通道包括至少一个在其上游部分出现的开口，该至少一个开口沿纵向方向的位置在这些纵向通道之间变化；
[0034]-上游部分的长度和下游部分的长度为使得比率l3/l4的范围在1与15之间、优选地在3与12之间；
[0035]-在平行于纵向方向和侧向方向的平面内，上游部分整体或一部分具有恒定宽度的笔直外部轮廓作为纵向截面，该恒定宽度优选地等于下游部分的最小宽度；
[0036]-下游部分具有在称为堆叠方向的方向上测量的深度，该深度朝向第二出口增加，该方向垂直于纵向方向并且垂直于侧向方向；
[0037]-纵向通道包括至少一个障碍物，该至少一个障碍物被布置用于将下游部分细分成在第二出口处出现的多个中间通道，优选地，所述中间通道相对于纵向通道的对称轴线对称布置；
[0038]-在第二出口处，在垂直于纵向方向的横截面平面内测量的所述至少一个障碍物的总表面是在所述横截面平面内测量的下游部分的表面的总流体通过截面的20％与80％之间、优选地30％与70％之间；
[0039]-沿侧向方向测量的该至少一个障碍物的宽度朝向第二出口增加，其中至少一个障碍物优选地沿着纵向截面平面具有曲线形外部轮廓；
[0040]-纵向通道进一步包括至少一个流体地连接这些中间通道的平衡通道。
[0041]
此外，本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括彼此平行且平行于纵向方向布置的多个板，所述板以间隔开的方式堆叠从而一起限定至少一个第一组通路和至少一个第二组通路，该第一组通路被配置用于第一流体总体上沿纵向方向流动，该第二组通路被配置用于第二流体流动以与第一流体形成热交换关系，第一组中的至少一个通路包括根据本发明的混合装置。
[0042]
此外，本发明涉及一种热交换设备，该热交换设备包括：
[0043]-热交换器，该热交换器包括彼此平行且平行于纵向方向布置的多个板，所述板以间隔开的方式堆叠从而一起限定至少一个第一组通路和至少一个第二组通路，该第一组通路被配置用于第一流体总体上沿纵向方向流动，该第二组通路被配置用于第二流体流动以与第一流体形成热交换关系；
[0044]-第一流体的第一相的源，该源流体地连接到热交换器的至少一个第一歧管；
[0045]-第一流体的第二相的源，该源流体地连接到热交换器的至少一个第二歧管；
[0046]-根据本发明的混合装置，所述混合装置被布置在第一系列的至少一个通路中，并且被配置为在第一系列的所述通路中分配由第一相和第二相的混合物形成的第一流体，侧向通道的第一入口与所述第一歧管流体连通，并且第二入口与第二歧管流体连通，第一相是液相，并且第二相是气相。
[0047]
优选地，第一相是液相。第二相是气相。
[0048]
根据另一方面，本发明涉及一种用于在根据本发明的混合装置中将第一流体的第一相和第二相混合的方法，所述方法包括以下步骤：
[0049]
i)经由侧向通道的至少一个第一入口引入第一流体的第一相；
[0050]
ii)经由每个纵向通道的第二入口引入第一流体的第二相，该第二相在每个纵向通道中沿纵向方向流到所述纵向通道的第二出口；
[0051]
iii)使第一相的至少一部分从侧向通道经由开口朝向纵向通道流动，以便在纵向通道中将第一相与第二相混合；
[0052]
iv)经由每个纵向通道的第二出口分配第一相和第二相的混合物。
[0053]
优选地，第一相在下游部分的上游与第二相混合。
[0054]
此外，本发明还涉及一种用于使作为第二流体的烃流、比如天然气通过与作为第一流体的至少一种双相冷却流进行热交换而液化的方法，所述方法实施了根据本发明的混合方法，并且包括以下步骤：
[0055]
a)将烃流引入热交换器的第二组通路中；
[0056]
b)将冷却流引入热交换器的第三组通路中；
[0057]
c)从热交换器中排出冷却流并且将冷却流膨胀到至少一个压力水平，以便产生至少一种双相冷却流；
[0058]
d)将源自步骤c)的双相冷却流的至少一部分分离成第二相和第一相；
[0059]
e)在热交换器的第一组通路的至少一个通路中布置混合装置；
[0060]
f)将至少一部分第二相和至少一部分第一相引入混合装置中，以便在该混合装置的出口处获得由该第一相和该第二相的混合物形成的第一流体；
[0061]
g)通过至少与烃流进行热交换，在通路中汽化源自步骤f)的该第一流体的至少一部分，从而在该交换器的出口处获得冷却的和/或至少部分地液化的烃流。
[0062]
表述“天然气”是指含有烃(至少包括甲烷)的任何组合物。这包括“原始”组合物(在任何处理或洗涤之前)，还包括已经被部分处理、基本上处理或完全处理以减少和/或消除一种或多种化合物(包括但不限于硫、二氧化碳、水、汞和某些重芳烃)的任何组合物。
[0063]
现在通过以下仅以非限制性示例并参考附图给出的描述，将更好地理解本发明，在附图中：
[0064]
图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的热交换设备；
[0065]
图2是根据本发明一个实施例的混合装置的三维示意图；
[0066]
图3是根据本发明一个实施例的第一混合装置在垂直于交换器的板的平面内的示意性横截面视图；
[0067]
图4是根据本发明一个实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0068]
图5是根据本发明另一实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0069]
图6是根据本发明另一实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0070]
图7是根据本发明另一实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0071]
图8是根据本发明另一实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0072]
图9是根据本发明另一实施例的混合装置在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内的示意性纵向截面图；
[0073]
图10示出了用于执行流体流动模拟的根据本发明的混合装置和交换器的构型；
[0074]
图11示出了根据现有技术配置的混合装置和根据本发明一个实施例的混合装置的流体流动模拟的结果；
[0075]
图12示意性地示出了根据本发明一个实施例的使烃流液化的方法；
[0076]
图13示意性地示出了根据本发明另一实施例的使烃流液化的方法；
[0077]
图1是根据本发明的包括混合装置3的热交换器1的截面图。交换器1优选地为具有钎焊板和翅片的类型。它包括平行于由纵向方向z和侧向方向y限定的平面在两个维度上延伸的板2(未示出)的堆叠体。板2上下平行地且之间有一定间隔地布置，并且因此形成通路堆叠体，这些通路用于流体流经由所述板处于间接热交换关系。
[0078]
优选地，每个通路具有平行六面体的扁平形状。与每个通路沿纵向方向z测量的长度和沿侧向方向y测量的宽度相比，两个相继板之间的间隙较小。
[0079]
交换器1可以包括多于20块或者甚至多于100块板，这些板一起限定了用于引导至少一种第一流体f1的第一组通路10(图1中示出了单一通路)以及用于引导至少一种第二流体f2的第二组通路20(图1中未示出)，所述流体的流动总体上沿方向z发生。通路10可以全部或部分地交替地布置和/或邻近于所有或一些通路20布置。交换器1可以包括第三组通路或者甚至更多，用于一种或多种附加流体的流动。这些组的通路相对于彼此堆叠，形成通路堆叠体。
[0080]
沿着板2的边缘对通路10、20的密封通常由附接到板2的侧向密封条和纵向密封条
4提供。侧向密封条4没有完全密封通路10、20，而是有利地在通路的呈对角线相对的拐角中留有流体入口开口和出口开口。
[0081]
第一组的通路10的开口被布置成沿垂直于方向y和z的通路堆叠方向x上下重合，而第二组的通路20的开口布置在图1中箭头f2所示的交换器的其他拐角，其中用于第二流体f2的入口和出口分别位于顶部左侧和底部右侧。上下放置的开口分别在半管状歧管40、45、52、55中联合，流体通过这些半管状歧管分配到通路10、20中并从其中排出。
[0082]
应当注意，可以使用除了图1所示之外的用于引入和排出流体的构型。因此，通路的开口可以布置在交换器宽度上的其他位置、特别是交换器宽度的中心，和/或交换器长度上的其他位置。
[0083]
在图1的图示中，半管状歧管52和45用于将流体引入交换器1中，并且半管状歧管40、55用于将这些流体从交换器1排出。
[0084]
在这个替代性实施例中，供应一种流体的歧管和排出另一种流体的歧管位于交换器的同一端部处，因此流体f1、f2反向地流经交换器1。
[0085]
根据另一替代性实施例，第一流体和第二流体还可以同向循环，其中供应一种流体的器件和排出另一种流体的器件位于交换器1的相反端部处。
[0086]
优选地，当交换器1操作时，方向z竖直地定向。第一流体f1总体上竖直地向上流动。在不脱离本发明的范围的情况下，显然可以设想流体f1、f2的其他流动方向和路线。
[0087]
应当注意，在本发明的范围内，具有不同性质的一种或多种第二流体f2可以在第二组通路20内流动。
[0088]
优选地，第一流体f1是冷却剂，并且第二流体f2是热传递流体。
[0089]
交换器有利地包括分配波纹51、54，分配波纹以波纹片材的形式布置在两个相继板2之间，从入口开口和出口开口延伸。分配波纹51、54确保流体跨通路10、20的整个宽度均匀分配和回收。
[0090]
此外，通路10、20有利地包括布置在板2之间的热交换结构。这些结构的目的是增加交换器的热交换表面，并且通过使流动更加紊动来增加流体之间的交换系数。实际上，热交换结构与在通路中循环的流体接触，并且通过传导将热流传递到相邻的板2，热交换结构可以通过钎焊附接到这些相邻的板，这增加了交换器的机械强度。
[0091]
热交换结构还用作板2之间的间隔件，特别是当通过钎焊来组装交换器时，并且用于在实施加压流体时避免板的任何变形。这些热交换结构还为交换器的通路中的流体流动提供引导。
[0092]
优选地，这些结构包括热交换波纹11，这些热交换波纹在分配波纹沿着通路的长度的延伸范围上，有利地平行于板2跨通路10、20的宽度和长度延伸。因此，交换器的通路10、20的长度的主要部分形成热交换部分本身，该热交换部分衬有热交换结构，所述主要部分以衬有分配波纹51、54的分配部分为边界。
[0093]
图1示出了第一组的通路10，该通路被配置用于呈两相混合物形式的第一流体f1的流动，该两相混合物也被称为双相混合物。第一组包括多个上下堆叠的这样的通路10。第一流体f1在分离器装置6中被分离成第一相61和第二相62，该第一相和该第二相通过单独的第一歧管30和第二歧管52被分别引入交换器1中。分离器6然后形成第一相和第二相源。术语流体“源”是指适于向混合装置的通道供应流体的任何器件。
[0094]
优选地，第一相61是液体，并且第二相62是气体。在纵向通道被配置用于第一相和双相混合物在第二出口处竖直向上流动的情况下，相对于重力对液相的流动的影响，重力对气相的流动的影响较小。气相的较大速度有利于液相在开口34中的输送。此外，一旦所述液相已经经由开口34被引入纵向通道，气相的存在促进了液相的流动。
[0095]
然后，相61、62通过布置在至少一个通路10中的混合装置3混合在一起。有利地，第一组的若干通路10或者甚至所有通路10包括混合装置3。半管状歧管52和55流体地连接到通路10的入口和出口。第一歧管30流体地连接到混合装置3的至少一个第一入口311。第二歧管52流体地连接到混合装置3的至少一个第二入口321。第一歧管和第二歧管可以是适于从流体源收集流体并且将所述流体引入热交换器的一个或多个通路中的任何歧管器件。
[0096]
应当注意，图1示出了定位在离交换器1的分配区51一定距离处的混合装置3。根据替代性实施例，混合装置3可以直接定位在分配区之后或者与所述区并置，也就是说，混合装置与分配区为单件。根据后一种可能性，混合装置形成一体式部件，可以通过常规机加工或者通过增材制造(即，通过3d打印、例如通过激光烧结)来制造该一体式部件。
[0097]
图2是容纳在通路10中的混合装置3的三维视图，该混合装置有利地由杆或棒构成。
[0098]
混合装置3优选地跨通路10的几乎整个或甚至整个高度延伸到通路10的截面中，使得混合装置与形成通路10的每个板2接触。
[0099]
混合装置3有利地通过钎焊附接到板2上。
[0100]
混合装置3有利地具有总体平行六面体形状。
[0101]
优选地，混合装置3是一体式部件，即，由块形成或形成为单件。可以通过常规机加工或者通过增材制造来制造混合装置3。混合装置3可以具有平行于纵向方向z在20mm与200mm之间的范围内的第一维度、以及平行于侧向方向y在100mm与1400mm之间范围内的第二维度。
[0102]
混合装置3包括至少一个侧向通道31，该至少一个侧向通道被配置用于第一流体f1的第一相61从至少一个第一入口311流动。优选地，侧向通道31平行于侧向方向y延伸。
[0103]
混合装置进一步包括一系列纵向通道32，该系列纵向通道平行于纵向方向z延伸、并且被配置用于第一流体f1的第二相62从第二入口321向上流到第二出口322，所述纵向通道32在侧向方向y上布置在相继的位置yi、y
i 1
……
处。
[0104]
优选地，侧向通道31跨整个第二维度延伸，和/或纵向通道32跨整个第一维度延伸。
[0105]
优选地，混合装置3包括与第一歧管30流体连通的至少一个第一入口311、以及与第一入口311分开的(即，不同的)、与第二歧管52流体连通的第二入口321。第一歧管30流体地连接到第一相源61，并且第二歧管52流体地连接到另一个第二相源62。所述至少一个第一入口311和所述至少一个第二入口321经由至少一个开口34流体连通。事实上，混合装置被配置用于分开引入第一相和第二相，其中第一入口311适于用第一相61供应侧向通道31，并且所述至少一个第二入口321适于用第二相62供应纵向通道32。
[0106]
第一入口和第二入口有利地通过使侧向通道和纵向通道在装置3的侧向外围边缘和纵向外围边缘出现而形成。
[0107]
图2示出了经由装置3的包括多个第一入口311的端部引入第一相61。根据有利实
施例，混合装置3包括位于装置3的相反端部处的用于第一相61的至少一个其他第一入口。有利地，通过将侧向通道31延伸直到这些侧向通道在交换器1的相反侧向边缘处出现来获得这些其他入口。在这种情况下，另一个第一歧管30布置在交换器1的相反侧。当第一相在侧向通道中流动时，在混合装置的任一侧引入第一相61都允许压力损失的影响减小，这促进了双相混合物跨交换器的宽度的更均匀分配。
[0108]
优选地，混合装置3包括位于纵向通道32中的混合体积，该纵向通道在开口34中第一相61的流动方向上是在开口34的下游。
[0109]
侧向通道31流体地连接到至少一个纵向通道32，使得当第一相61在侧向通道31中流动而第二相62在纵向通道32中流动时，混合装置3经由通道32的第二出口322分配第一相61和第二相62的混合物、优选地液/气两相混合物f1(也被称为双相混合物)。优选地，纵向通道和/或侧向通道通常是笔直的。
[0110]
通道31、32有利地呈设置在混合装置3中的纵向凹部的形式。这些通道优选地在混合装置3的上表面3a和下表面3b处出现。
[0111]
优选地，通道31、32具有正方形或矩形横截面，但是可选地可以采取其他形状(圆形、圆形部分等)。
[0112]
开口34有利地是在装置3的材料中制成的穿孔34，并且优选地在由方向x和方向y形成的平面内在第一通道31与第二通道32之间延伸，其中开口34能够相对于方向x倾斜，或者优选地与竖直方向x对准。优选地，开口34具有圆柱对称性，并且更优选地是圆柱形的。
[0113]
优选地，所述至少一个侧向通道31包括底壁3c，并且所述至少一个纵向通道32包括顶壁3d，该顶壁与底壁3c相反地延伸，开口34是在第一通道31的底壁中穿孔并且出现在纵向通道32的顶壁中。
[0114]
图3是图2的混合装置3在正交于侧向方向y并穿过开口34的截面平面内的视图。
[0115]
根据现有技术，在第一组的通路10中布置了混合装置3，所述混合装置具有纵向通道，其沿侧向方向y测量的宽度在纵向方向z上保持不变，特别是平行六面体形状(比如图2所示的侧向通道31的形状)的纵向通道。
[0116]
在每个纵向通道32的出口处，第一流体f1的两相混合物的流动优选地沿纵向方向z发生，而流动在通路10的宽度上逐渐扩展。仅在混合物覆盖的一定距离之外获得每个通路中这些流的均匀化。在第一组的整个通路10堆叠体中缺乏混合物f1的这种均匀化。
[0117]
为了解决这些问题，本发明提出在第一组的通路10中布置混合装置3，使得混合装置的至少一个纵向通道32沿纵向方向z被分成上游部分323和下游部分324，该上游部分和下游部分各自具有沿纵向方向z测量的长度l3、l4和平行于侧向方向y测量的宽度d3、dy，下游部分324布置在上游部分323与第二出口322之间。根据本发明，下游部分324在其长度l4的任意点处具有宽度dy，该宽度(严格地)大于上游部分323的宽度d3。
[0118]
应当注意，术语“宽度”被理解为是指在平行于纵向方向z且平行于侧向方向y的预定纵向截面平面内限定纵向通道32的这些边缘之间测量的距离，即例如如图4至图9所示的在所述截面平面内该通道的外部轮廓的宽度。
[0119]
将下游部分布置成沿侧向方向变宽促进了离开纵向通道32的双相混合物的侧向膨胀。本发明的发明人已经证实，流体射流在纵向通道的出口处形成了宽底的锥体，这允许离开纵向通道32的流体对在操作期间位于混合装置3下游的交换波纹的更大量交换通道进
行冲洗。因此，有可能利用离开相邻纵向通道的流体射流获得更快的均匀化。
[0120]
因此，在混合物在混合装置3下游进行较短传播距离之后，通路10的宽度上的混合速率差异被减小，或者甚至被消除。改进了双相混合物与第二流体f2之间的热交换，并且因此改进了交换器的操作。
[0121]
另外，在纵向通道32中的双相混合物的质量流量相对较高的情况下，沿侧向方向y加宽下游部分提供了使混合物的流动在下游部分处减慢的可能性，并且因此提供了当双相混合物冲洗位于混合装置3下游的交换波纹时减小双相混合物在纵向通道32的出口处经历的压力损失的可能性。
[0122]
优选地，这一系列纵向通道32中的若干通道、优选地所有通道是根据本发明配置的，并且可以包括下文描述的所有或一些特征。
[0123]
优选地，下游部分324在混合装置3的下游面326处出现，第二出口322设置在下游面326处。流入侧向通道31的第一相61的至少一部分供应给开口34，以便流入发生混合的纵向通道中。第二相62相继地流入上游部分323和下游部分324中。混合物经由第二出口322分配。
[0124]
优选地，下游部分324具有跨长度l4朝向第二出口322增加的宽度dy，优选地在整个长度l4上增加。
[0125]
应当注意，沿纵向方向z加宽下游部分可以在特别的基础上一次或多次、或者甚至逐渐地进行(即，沿着下游部分324的全部或一部分连续地增加)。
[0126]
优选地，下游部分324的宽度dy跨整个长度l4朝向第二出口322连续地增加，即，逐渐地增加。因此，在混合物流动中可能引起通道宽度突然变化的中断是有限的。
[0127]
优选地，下游部分324具有最小宽度dm和最大宽度dm，其中比率dm/dm大于或等于1.1，优选地大于或等于1.8和/或小于或等于4。这样的维数比率允许纵向通道32的宽度在端部322处充分增加，而不会过度增加纵向通道32沿方向z的长度，并且保持对纵向通道32的机加工简单。
[0128]
特别地，宽度dm的范围可以在6mm与25mm之间、优选地在8mm与20mm之间。
[0129]
还应当注意，根据本发明的混合装置可以既定用于布置在通路10中，该通路在混合装置的下游设置有至少一个交换波纹，该至少一个交换波纹包括交换通道，每个交换通道的宽度范围在0.6mm与2mm之间，优选地宽度为至少0.7mm和/或至多1.5mm。
[0130]
优选地，在下游部分324的端部324a处测量最小宽度dm，并且在第二出口322处测量最大宽度dm。
[0131]
有利地，纵向通道32由在平行于纵向方向z和侧向方向y的纵向截面平面内形成所述通道32的外部轮廓的侧向壁325限定，该通道具有平行于纵向方向z的对称轴线aa’。
[0132]
应当注意，通道的侧向壁325优选地沿正交于纵向方向z和侧向方向y的方向上竖立。壁325有利地具有沿方向x测量的高度，该高度跨通道32的整个长度是恒定的。
[0133]
替代性地，可以设想壁325的高度的变型，特别是朝向第二出口322(即下游部分324)增加所述高度，壁的深度朝向第二出口322增加，直到其可选地在第二出口322处达到通路10的高度。这为增加下游部分324的流体通过截面提供了附加的自由度，并且因此减慢了流体，使得流体还可以在通路10的高度上被均匀化。
[0134]
有利地，下游部分324的至少一部分具有曲线形外部轮廓，优选地为凸形外部轮
廓。图4示意性地示出了包括这样的下游部分324的纵向通道32的实施例。在下游部分处存在曲线形外部轮廓为下游部分中的流体从混合装置到其出口的流动提供了更好的引导，特别是避免了任何分离现象、流体再循环或紊流，这些可能由壁上的尖锐边缘引起，并且会导致流体的不期望的附加压力损失。
[0135]
还可能的是，下游部分324的整体或一部分在平行于纵向方向z和侧向方向y的平面内具有等腰梯形形式的外部轮廓作为纵向截面，该部分处的侧向壁是笔直壁。图5示意性地示出了整个下游部分324具有这样的外部轮廓的示例。
[0136]
特别地，通过考虑混合装置3的出现下游部分324之处的下游面326，外部轮廓可以形成角度θ，该角度是在与下游面326的交叉点处与所述外部轮廓相切的切线t与对称轴线aa’之间测量的，该角度的范围在5
°
与85
°
之间。这些值允许通道32在第二出口322处的宽度充分增加，以便促进双相流体f1在交换器的宽度上沿方向y更好地分配，而不会产生可能导致流体f1中的压力损失的过快加宽，也不会过度增加长度l4并因此过度增加混合装置3的长度。
[0137]
图9示出了在端部324a处以特别的方式立刻引起下游部分沿纵向方向z加宽的实施例。
[0138]
优选地，上游部分323通过其端部324a连接到下游部分324。
[0139]
有利地，上游部分323具有沿纵向方向z测量的长度l3，具有比率l3/l4，该比率的范围在1与15之间、优选地在3与12之间。
[0140]
举例来说，长度l4的范围可以在5mm与40mm之间。长度l3的范围可以在30mm与70mm之间。
[0141]
有利地，所述至少一个开口34出现在纵向通道32中、在其上游部分323处，优选地在距下游部分324的端部324a为距离lz处，lz至少等于上游部分323的长度l3的4％、更优选地在7％与90％之间、甚至更优选地在10％与50％之间。特别地，开口34可以出现在距离下游部分324的端部324a在3mm与70mm之间范围内的距离lz处。有利地，纵向通道32的一个或多个开口34都出现在其下游部分323处。混合装置有利地没有在其上游部分324出现的开口34。
[0142]
因此，第一相61和第二相62在下游部分324的上游足够远处混合，使得一方面，双相流体在进入下游部分324之前有时间适当地均匀化，另一方面，使得下游部分324中的流体的任何再循环区不会中断第一相61经由侧向通道31的开口34到纵向通道32的流动，这种中断会导致不良分配。与流体f1在部分324中的速度相比，第二相62在通道32的部分323中的较高速度还使得相61经由开口34从通道31到通道32的通过变得顺利，这是由于相62对相61的高惯性和由此产生的驱动。
[0143]
优选地，应当注意，该至少一个开口34沿纵向方向z的位置在纵向通道之间变化。特别是由于这个原因，一些开口34可以比其他开口更靠近端部324a。
[0144]
此外，应当注意，在本发明的范围内，纵向通道有利地具有相同的维度特征，即相同的外部轮廓、相同的深度、相同的比率l3/l4、相同的距离lz，但是在一些构型中可以改变至少一个通道相对于其他通道的至少一个特征、特别是下游部分和上游部分的长度比率。
[0145]
优选地，特别地如图4所示，整个或一部分上游部分323具有恒定宽度d3的笔直外部轮廓，该恒定宽度优选地等于下游部分324的最小宽度dm。根据一种可能性，可以设想上
游部分323跨其整个或部分长度具有可变的宽度d3，其中dy大于d3所能达到的最大值。
[0146]
图6和图7示意性地示出了这样的实施例：纵向通道32包括至少一个障碍物327，该障碍物被布置用于将下游部分324细分成在第二出口322处出现的多个中间通道328。
[0147]
这防止混合物沿纵向方向z完全流动，并且迫使流沿侧向方向y变宽。当纵向通道32中的质量流量相对较高时，中间通道的创建是特别有利的，因为在这种情况下，混合物沿纵向方向z具有显著的惯性，即，甚至当纵向通道变宽时，该混合物也倾向于继续沿方向z流动。
[0148]
安装一个或多个障碍物允许双相混合物的流动方向通过为其速度提供方向y的分量来改变。因此，在纵向通道出口处流体射流的角度开度增大，从而在混合装置的下游提供更多数量的交换通道。
[0149]
障碍物还可以用于保持下游部分处的流体通过截面恒定或准恒定，或者可选地减小所述截面，尽管其在变宽。应当注意，“流体通过截面”被理解为垂直于纵向方向z测量的流体流经的表面；这是为了确保混合物的侧向膨胀，而不增加流体通过截面。
[0150]
因此，压力损失沿着纵向通道被重新平衡。
[0151]
优选地，在第二出口322处，在垂直于纵向方向z的横截面平面内测量的所述障碍物327的总表面是在所述横截面平面内测量的下游部分324的总流体通过截面的20％与80％之间、优选地30％与70％之间。
[0152]
在若干障碍物的情况下，总表面被理解为每个障碍物的表面的总和。
[0153]
特别地，可以提出，在通道32中的出现点之后，即在被称为冲击位置的位置(在流体冲击障碍物之处的障碍物出现点之后1mm)处，沿流体流动方向在纵向方向z上1mm的距离处测量的障碍物的表面占在位于冲击位置处的横截面平面内确定的通道32的流体通过截面的1％与80％之间。
[0154]
在特定实施例中，纵向通道32进一步包括至少一个流体地连接这些中间通道328的平衡通道329。这允许在中间通道之间的流体流量和压力存在差异的情况下，使中间通道328之间的流体压力重新平衡。图8示出了这样的构型的示例。
[0155]
有利地，提供偶数个中间通道，以便在纵向通道内保持混合物沿着轴线aa’的对称分配。
[0156]
这一个或多个障碍物可以通过铣削、对金属注塑成型、电腐蚀、或激光加工制造成具有纵向通道。还可以设想增材制造方法。
[0157]
优选地，障碍物327的高度等于纵向通道的侧向壁的高度。
[0158]
优选地，所述至少一个障碍物327具有沿侧向方向y测量的宽度dy，该宽度朝向第二出口322增加，优选地具有曲线形的、凸形的和/或凹形的外部轮廓。这允许障碍物成形为通过在障碍物的壁处分离流体或者由于用于使流体再循环的区而避免通道32的下游部分324中流体f1的附加压力损失。
[0159]
优选地，第一组的若干通路10、有利地所有通路10包括根据本发明的混合装置。
[0160]
优选地，第二组的至少一个通路20布置在第一组的至少一对相继的通路10之间。
[0161]
优选地，混合装置3的纵向通道32彼此相隔恒定距离da，该恒定距离是平行于纵向方向y测量的。
[0162]
应当注意，可以通过考虑每个通道的中心沿侧向方向y的位置来确定每个通道沿
侧向方向y的位置yi、y
i 1
、y
i 2
……
。例如，通过考虑呈平行六面体凹槽形式的通道，比如图2中所示的那些通道，通道沿方向y的位置对应于通道的对称轴线的位置，该对称轴线距通道的侧向壁为相等距离，如图2所示。
[0163]
距离da的范围可以在10mm与40mm之间，并且优选地可以大于或等于20mm并且小于或等于30mm。
[0164]
为了说明利用本发明获得的均匀化效果，图11示出了模拟两相混合物在常规混合装置的纵向通道(构型a)和根据本发明一个实施例的混合装置的纵向通道(构型b)中传播的结果。
[0165]
在构型a中，混合装置呈带槽杆的形式，该带槽杆包括一系列以30mm的规则间隔彼此相继的平行六面体凹槽作为纵向通道。每个凹槽是7mm宽、70mm长且7mm高。
[0166]
在图10中部分地示意性地示出的构型b中，混合装置呈带槽杆的形式，这些带槽杆具有以30mm的规则间隔彼此相继的凹槽。每个凹槽呈纵向通道的形式，该纵向通道具有7mm宽、63mm长且7mm高的上游部分323。下游部分324具有在端部324a处为7mm宽并且在第二出口322处为14mm宽的截头圆锥形状。上游部分323是7mm长且7mm高。等腰三角形障碍物放置在下游部分324中，相对于对称轴线aa’对称，该障碍物沿z方向为7mm高，并且在第二出口322处具有7mm的底宽度。宽度dm是d3的两倍。比率l3/l4为8，并且长度lz为5mm。角度θ为45度。应当注意，构型b对应于以下具体情况，其中由于障碍物的存在，下游部分的流体通过截面沿纵向方向z保持恒定，但所述部分的宽度朝向第二出口322增加。
[0167]
根据相同的数字将构型a和b的混合装置的纵向通道沿侧向方向y布置在相同位置yi、y
i 1
……
处。
[0168]
在构型a和b中，在每个通路中在混合装置的出口处布置了“锯齿”型波纹11(即，部分地偏移的波纹)。这些波纹是“1/8”锯齿型”(1”＝1英寸＝25.4mm)(即，锯齿长度为25.4/8＝3.18mm)，并且具有沿侧向方向y测量的密度为每英寸23个翅片(1英寸＝25.4mm)的波纹。
[0169]
模拟是使用有限元方法进行三维cfd(计算流体动力学)类型的计算。
[0170]
图11示出了对于出口322与平行于方向x和方向y的平面之间的若干距离值，在所述平面内在位于出口322之后的波纹的相继截面上测量的沿纵向方向z的最小无量纲流体速度值(表示为vz)的演变。这些速度值表示波纹中流体分配的品质：负值指示存在再循环区，流体在该区的中心处停滞。零值指示存在停滞液流体。由于停滞的流体没有更新，该流体不参与热交换并降低了交换器的总体效率。
[0171]
流体分配性能指标是使得所有流体沿纵向方向z具有正速度的沿纵向方向z的最小必要距离。
[0172]
可以看出，最小必要距离从45mm减小到31mm，即根据本发明的构型b相对于常规构型a减小了35％。借助于本发明，显著提高了由混合装置分配的两相混合物的均匀化，并且提高了交换器的效率。
[0173]
图12和图13示出了实施根据本发明的一个或多个交换器的方法的示例。
[0174]
图12示意性地示出了用于使作为第二流体f2的烃流102液化的方法，该烃流可以是天然气，该天然气可选地在被引入热交换器1之前经过预处理，例如已经经历了以下组成元素中的至少一种组成元素的分离：水、二氧化碳、硫化合物、甲醇、汞。
[0175]
优选地，以摩尔分数计，烃流包含至少60％、优选地至少80％的甲烷。
[0176]
烃流102和冷却流202分别经由第三入口25和第四入口21进入交换器1，以便在交换器的专用通路中沿平行于纵向方向z的方向循环，纵向方向在操作期间基本上是竖直的。烃流102循环通过被第三入口25供应的第二组通路20。冷却流202循环通过布置在形成交换器1的堆叠体内的第三组通路。这些流经由第三出口22和第一出口23离开。第二组和第三组的通路全部或部分地交替地布置和/或邻近于第一组的全部或部分通路10布置。
[0177]
有利地，用于冷却流202的第四入口21和用于烃流102的第三入口25被布置成使得冷却流202和可选地烃流102同向地向下流向交换器的第二端部1b，该第二端部位于比所述交换器的第一端部1a低的水平。优选地，第一端部1a对应于交换器1的热端部，即，交换器的入口点，流体在交换器的温度中的最高温度下在该入口点处被引入，取决于相关方法，该入口点可以是第四入口21或第三入口25。
[0178]
烃流102可以在-130℃与40℃之间的温度范围内被引入交换器1。
[0179]
根据一种可能性，烃流102在-80℃与-35℃之间的温度范围内以完全气态或部分地液化的状态被引入交换器1中。
[0180]
根据另一种可能性，烃流102在-130℃与-100℃之间的温度范围内以完全液化的状态被引入交换器1中。
[0181]
离开交换器1的冷却流201通过膨胀部件t3(比如涡轮、阀、或涡轮与阀的组合)膨胀，从而形成包括第一相和第二相的双相冷却流203。双相冷却流203形成先前所考虑的第一流体f1。源自膨胀的双相冷却流203的至少一部分被引入分离器部件27中。分离器部件可以是适于将双相流体一方面分离成主要为气态的流、另一方面分离成主要为液态的流的任何装置。
[0182]
经由歧管52引入第二相62，该歧管供应给混合装置3的、布置在第一组通路10中的第二入口321。经由第一歧管30引入第一相61，该第一歧管供应给混合装置3的、布置在每个通路10(图9中未示出)中的第一入口311。
[0183]
优选地，第二相经由位于与交换器1的冷端部相对应的第二端部1b的区域中的入口(即，交换器中的入口点)被引入，流体在交换器中的流体温度中的最低温度下在该入口点处被引入。
[0184]
双相流203的两个相61、62在交换器1内重新组合，并且以液-气混合物状态分配在交换器1的通路10中，每个通路都设置有根据本发明的混合装置3。
[0185]
优选地，双相冷却流203在范围在-120℃与-160℃之间的第一温度t1下被引入热交换器1中，并在高于第一温度t1的第二温度t2下离开热交换器1，优选地t2的范围在-35℃与-130℃之间。
[0186]
根据另一种可能性，双相冷却流203在范围在-130℃与-80℃之间的第一温度t1下被引入热交换器1中，并且在高于第一温度t1的第二温度t2下离开热交换器1，优选地t2的范围在-10℃与50℃之间。
[0187]
双相冷却流203的所述至少一部分向上流经通路10，并且通过使天然气102和冷却流202逆流地冷却而被汽化。因此，在交换器1的出口处获得冷却后的和/或至少部分地液化的烃流101。
[0188]
汽化的冷却流经由连接到歧管55的第二出口42离开交换器1，以便被压缩机压缩，然后在间接热交换器中通过与例如水或空气等外部冷却流体进行热交换(图12中的26处)
而被冷却。在压缩机出口处的冷却流压力的范围可以在2mpa与9mpa之间。间接热交换器的出口处的冷却流温度的范围可以在10℃与45℃之间。
[0189]
在图12中描述的方法中，没有将冷却流分成单独的部分，但是为了优化交换器1中的途径，也可以将冷却流分成两个或三个部分，其中每个部分以不同的压力水平膨胀，然后被送到压缩机的不同级。
[0190]
优选地，冷却流202包含具有至多5个碳原子、优选地至多3个、更优选地至多2个碳原子的烃。
[0191]
优选地，冷却流202例如由烃和氮的混合物形成，比如甲烷、乙烷和氮的混合物，但是还可以包含丙烷、丁烷、异丁烷、正丁烷、戊烷、异戊烷、正戊烷和/或乙烯。
[0192]
冷却流的组分的摩尔分数比例(％)可以为：
[0193]-氮：0％到10％；
[0194]-甲烷：20％到70％；
[0195]-乙烷：30％到70％；
[0196]-乙烯：20％到70％
[0197]-丙烷：0％到20％；
[0198]-正丁烷：0％到30％；
[0199]-异戊烷：0％到20％。
[0200]
可选地，冷却流可以包括乙烯作为乙烷替代物、以及c4、c5型化合物作为全部或部分丙烷的替代物。
[0201]
优选地，天然气在一定温度和与天然气的入口压力相同的压力(达到最接近的压力损失)下至少部分地液化101地离开交换器1，该温度优选地比在大气压下产生的液化天然气的泡点温度(泡点温度表示在给定压力下液态天然气中形成第一个蒸气泡时的温度)至少高于10℃。例如，天然气在-100℃与-162℃之间范围内的温度和在2mpa与7mpa之间范围内的压力下离开交换器1。在这些温度和压力条件下，取决于其组成，天然气在膨胀至大气压之后通常不会保持液态。
[0202]
有利地，根据本发明的使烃流液化的方法可以实施在上述主制冷循环上游进行的一个或多个附加制冷循环，以便将烃流预冷却。
[0203]
图13示意性地示出了用于使比如天然气等烃流液化的方法，该方法包括附加制冷循环，在该附加制冷循环中使用至少两个不同的膨胀水平将天然气冷却至接近其露点的温度，以便提高循环的效率。该附加制冷循环通过附加热交换器2中的附加冷却流300来实施，该附加热交换器被称为预冷却交换器、在烃流110的流动方向上布置在热交换器1的上游，该热交换器则形成液化交换器。
[0204]
在该实施例中，供应流110例如在2.5mpa与7mpa之间范围内的压力和在20℃与60℃之间范围内的温度下到达。在供应流110包括比如天然气等烃混合物的情况下，冷却流202和附加冷却流300进入附加交换器2，以便在其中沿向下方向沿平行方向和同向方向循环。
[0205]
冷却的或甚至至少部分地液化的烃流102离开预冷却交换器2。优选地，烃流102例如在-35℃与-70℃之间的温度范围内以气态或部分地液化的状态离开。冷却流202还可以例如在-35℃与-70℃之间的温度范围内完全冷凝地离开交换器2。流102然后被引入交换器
1中。
[0206]
从图13中可以看出，流203在交换器1中汽化并离开交换器，以便被压缩机k2压缩，然后在间接热交换器c2中通过与例如水或空气等外部冷却流体进行热交换而被冷却。源自交换器c2的冷却流然后返回到附加交换器2。
[0207]
附加冷却流300可以由烃的混合物(比如乙烷和丙烷的混合物)形成，但是还可以包含甲烷、乙烯、丙烯、丁烷和/或戊烷。第一冷却剂混合物的组分的摩尔分数比例(％)可以为：
[0208]-乙烷：30％到70％；
[0209]-丙烷：30％到70％；
[0210]-丁烷：0％到20％；
[0211]
在也是钎焊板翅片式的附加交换器2中，源自附加冷却流300的至少两股分流在至少两个不同的出口点上从交换器中抽出，然后膨胀到不同的压力水平，产生各自包括第一相和第二相的部分双相膨胀流。这些部分双相流的至少一部分被引入相应的分离器部件24、25、26中。
[0212]
在图13的实施例中，相继地提取附加冷却流300的处于第一相的三个部分，也被称为部分流量或流301、302、303。
[0213]
由每个分离器部件分离的气相和液相经由附加热交换器2的单独入口引入，并在混合装置(未示出)内重新组合，从而形成至少两种以液-气混合物状态引入专用冷却剂通路的冷却剂流体。替代性地，仅第一相被注入交换器2中，并且气相被引向压缩机k1的压缩级的入口。这些冷却剂在附加交换器2中通过与供应流110和冷却流202以及附加冷却流300进行热交换而被汽化。
[0214]
有利地，在附加交换器中布置至少两种类型的混合装置2(比如那些可以布置在根据本发明的交换器1内的混合装置)。因此，附加交换器包括至少两个冷却剂通路，每个冷却剂通路包括混合装置，这些装置包括先前针对第一混合装置3a和第二混合装置3b描述的一个或多个特征。
[0215]
汽化的冷却剂在它们各自的冷却剂通路中被送至压缩机k1的不同级进行压缩，然后在冷凝器中通过与外部冷却流体(例如水或空气)进行热交换而冷凝。源自冷凝器的流返回到附加交换器2。在压缩机k1的出口处的第一冷却流的压力范围可以在2mpa与6mpa之间。冷凝器c1的出口处的附加冷却流的温度范围可以在10℃与45℃之间。
[0216]
优选地，冷却剂沿纵向方向z从附加交换器2的一个端部2b向上流到另一端部2a。端部2b对应于附加交换器2的冷端部，冷却剂在附加交换器2的温度中的最低温度下在该冷端部处被引入。
[0217]
当然，本发明不限于在本技术中描述和展示的特定示例。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以设想本领域技术人员能力范围内的其他替代性实施例。例如，取决于要实施的方法所施加的约束，显然可以设想用于将流体注入交换器/从中抽出的其他构型、流体的其他流动路线和方向、其他类型的流体、混合装置、侧向通道和纵向通道的其他形式。