CN102188834A - 一种内部热集成降膜蒸馏装置及换热壁结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内部热集成降膜蒸馏装置及换热壁结构。其精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/5～1/200，相邻挡流板间距为挡流板高度的2～50倍，挡流板与壁面夹角不大于60°，精馏段内挡流板和壁面夹角开口向下，提馏段内挡流板和壁面夹角开口向上。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，便于提馏段上升蒸汽从孔中穿过，相邻孔间距不少于2倍孔直径，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10，挡流板上方也开孔，与下方孔交错排列，便于液体溢流。每级挡流板开孔数量不少于2个，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10。本发明不仅能极大地减少能量损失，降低精馏过程的能耗，而且能增大两相间的传热传质，有效提高分离效果。

Description

一种内部热集成降膜蒸馏装置及换热壁结构
技术领域
本发明属于精馏技术领域，特别涉及一种内部热集成降膜蒸馏装置及换热壁结构。
背景技术
传统精馏塔的热交换是通过再沸器和冷凝器实现的，塔顶蒸汽通过冷却系统冷却，塔釜液通过蒸汽加热再沸，大部分能量损失在诸如塔的压降以及通过换热器的温差上。内部热集成精馏塔与传统精馏塔相比，能够有效降低精馏过程的能耗。图5给出了一种塔间透热的内部热集成精馏塔示意图，其中内塔为精馏段，外塔为提馏段，利用压缩机将提馏段顶部气体压缩进入精馏段的底部，令精馏段的压力、温度高于提馏段，精馏段塔底出来的液体经过节流阀减压后进入提馏段的顶部。所谓内部热集成，指的就是精馏段的汽相在上升过程中通过中间的塔壁不断向外塔放出热量，自身则部分冷凝为向下流动的液体形成降膜，从而降低了冷凝器的热负荷；而提馏段的液相在下降的过程中则不断从塔壁吸收热量，部分蒸发为向上流动的气体，从而降低了再沸器的热负荷。
对于内部热集成精馏系统精馏段和提馏段之间换热壁，其结构设计至关重要，传统热交换塔壁汽液两相由于没有挡流板，导致其接触时间短，壁间换热量低，理论塔板数少，汽液两相传热传质不充分，从而影响了分离效率，因此需要对其壁面结构进行优化以提高传质分离效果。
发明内容
本发明的目的，是为了提出一种新型内部热集成精馏装置精馏段和提馏段间换热壁结构。
本发明是通过以下技术方案加以实现的：
一种内部热集成降膜蒸馏装置(如图1、5)，包括精馏段、提馏段、再沸器、冷凝器、节流阀和压缩机；其中精馏段顶部设置有蒸汽出口(3)和液体回流口(4)，精馏段底部设置有蒸汽进口(8)和液体出口(7)，提馏段顶部设置有蒸汽出口(6)和液体进口(5)，提馏段底部设置有液体出口(1)和蒸汽回流口(2)，精馏段和提馏段间壁为换热壁。
本发明的蒸馏装置的换热壁结构，精馏段和提馏段两侧各设有挡流板(26)，挡流板(26)高度为塔高的1/5～1/200，相邻挡流板间距为挡流板高度的2-50倍，挡流板与壁面(27)夹角不大于60°，精馏段内挡流板和壁面夹角开口向下，提馏段内挡流板和壁面夹角开口向上。
本发明的换热壁结构(如图2、3、4、6)，提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔(25)，相邻孔间距不少于2倍孔直径，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10，挡流板上方也开孔，与下方孔交错排列；精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，相邻挡流板开孔处交错排列，相邻孔间距不少于2倍孔直径，每级挡流板开孔数量不少于2个，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10。
具体说明如下：
采用内部热集成技术的降膜蒸发器(如图1、5)，包括精馏段、提馏段、再沸器、冷凝器、节流阀和压缩机。精馏段顶部包括蒸汽出口(3)和液体回流口(4)，精馏段底部包括蒸汽进口(8)和液体出口(7)，提馏段顶部包括蒸汽出口(6)和液体进口(5)，提馏段底部包括液体出口(1)和蒸汽回流口(2)。原料液在提馏段底经过再沸器(24)加热，蒸汽受热沿着塔壁向上流动，并在顶部蒸汽出口(6)通过压缩机(22)将其压缩进入精馏段底部蒸汽进口(8)，使得精馏段的温度和压力高于提馏段。进入精馏段底部的蒸汽在沿着塔壁向上运动的过程中，由于壁面温度相对较低，部分蒸汽冷凝并沿着塔壁流下，未冷凝的蒸汽通过出口(3)在冷凝器(23)作用下采出，并部分通过回流口(4)返回精馏塔顶部。精馏塔底部液体从液体出口(7)流出后首先经过节流阀(21)降压，再进入到提馏段顶部液体进口(5)，进入提馏段顶部的液体在沿着塔壁下降的过程中受热部分蒸发为气体，重新通过蒸汽出口(6)进入压缩器(22)被压缩入精馏塔底部，未蒸发的液体部分采出，部分经过再沸器(24)重新变为蒸汽进入精馏塔。
本发明的优点是结合内部热耦合技术，通过改变换热壁结构，增大液相和气相的流动距离以及接触时间，不仅能极大地减少能量损失，有效降低精馏过程的能耗，而且能增大两相间的传热传质，提高分离效果。
附图说明
图1为并排式内部热集成降膜蒸馏装置图。
图2为并排式内部热集成降膜蒸馏装置提馏段换热壁结构。
图3为并排式内部热集成降膜蒸馏装置精馏段换热壁结构。
图4为并排式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构侧视图。
图5为套筒式内部热集成降膜蒸馏装置图。
图6(a)为套筒式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构剖面图；
图6(b)为带有标识的套筒式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构剖面图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
采用内部热集成技术的降膜蒸发器换热壁结构(如图2、3、4、6)，其特征在于精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/5～1/200，相邻挡流板间距为挡流板高度的2-50倍，挡流板与壁面夹角不大于60°，精馏段内挡流板和壁面夹角开口向下，提馏段内挡流板和壁面夹角开口向上。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，相邻孔间距不少于2倍孔直径，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10，挡流板上方也开孔，与下方孔交错排列；精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，相邻挡流板开孔处交错排列，相邻孔间距不少于2倍孔直径，每级挡流板开孔数量不少于2个，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10。
为了更好的对换热壁结构进行说明，在此仅仅选取四个实例进行说明，但并不因此限制本发明和技术的应用范围。
实例1：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为平板结构，精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，挡流板高度(L)为塔高的1/30，挡流板和壁面夹角(α)为30°，相邻挡流板间距为5L。提馏段一侧下方与壁面接触，精馏段一侧上方与壁面接触。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，开孔半径为L的1/4，开孔数量为10个，同时挡流板上方也开孔，开孔大小与下方相同，并与下方孔交错排列。精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，开孔大小和数量与提馏段上方相同，相邻挡流板开孔处交错排列。
实例2：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为平板结构，精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，L为塔高的1/40，α＝45°，相邻挡流板间距为8L。提馏段一侧下方与壁面接触，精馏段一侧上方与壁面接触。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，开孔半径为L的1/4，开孔数量为10个，同时挡流板上方也开孔，开孔大小与下方相同，并与下方孔交错排列。精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，开孔大小和数量与提馏段上方相同，相邻挡流板开孔处交错排列。
实例3：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为圆筒结构，精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，L为塔高的1/50，α＝10°，相邻挡流板间距为10L。提馏段一侧下方与壁面接触，精馏段一侧上方与壁面接触。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，开孔半径为L的1/5，，开孔数量为8个，对称分布，同时挡流板上方也开孔，开孔大小下方相同，并与下方孔交错排列。精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，开孔大小和数量与提馏段上方相同，相邻折流板开孔处交错排列。
实例4：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为圆筒结构，精馏段和提馏段两侧各设有挡流板，L为塔高的1/45，α＝60°，相邻挡流板间距为12L。提馏段一侧下方与壁面接触，精馏段一侧上方与壁面接触。提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔，开孔半径为L的1/3，开孔数量为12个，对称分布，同时挡流板上方也开孔，开孔大小下方相同，并与下方孔交错排列。精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，开孔大小和数量与提馏段上方相同，相邻挡流板开孔处交错排列。
设备运行达到稳定后，提馏段一侧液相沿壁面流下，在挡流板处积液后从其上方孔溢出，受热蒸发气相从挡流板下方孔进入，并在挡流板凹槽处与液相混合后进入上一级挡流板，混合后的液相沿内壁流到下级挡流板；精馏段一侧气相从挡流板上方孔进入，并与逆流向下的液相混合。
当溢流液相流经开孔结构时，流动的液体可以更为有效的聚集，流下的液体导流到下一级挡流板凹槽处，由于相邻孔结构交错排列，液相在流入下一级挡流板后，并未直接溢流而下，而是先在挡流板凹槽处流动一段距离后再从较近孔流出，增加了液相湍动程度。另外，自下而上流动的气相从挡流板下方孔进入，降低了压降，增加了气液通量，更为有效的实现了液相更新和气液传质面积的增大。
以上实施例仅是为说明本发明而所举，本发明的保护范围不限于此。根据不同的分离要求，挡流板数量、高度和倾斜角度，挡流板上所开孔数量、大小和高度也可以有多种安排。本技术领域的技术人员在本发明基础上所做的等同替代和变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种内部热集成降膜蒸馏装置，包括精馏段、提馏段、再沸器、冷凝器、节流阀和压缩机；其特征是精馏段顶部设置有蒸汽出口(3)和液体回流口(4)，精馏段底部设置有蒸汽进口(8)和液体出口(7)，提馏段顶部设置有蒸汽出口(6)和液体进口(5)，提馏段底部设置有液体出口(1)和蒸汽回流口(2)，精馏段和提馏段间壁为换热壁。
2.权利要求1所述的蒸馏装置换热壁结构，其特征是精馏段和提馏段两侧各设有挡流板(26)，挡流板(26)高度为塔高的1/5～1/200，相邻挡流板间距为挡流板高度的2-50倍，挡流板与壁面(27)夹角不大于60°，精馏段内挡流板和壁面夹角开口向下，提馏段内挡流板和壁面夹角开口向上。
3.如权利要求2所述的换热壁结构，其特征是提馏段一侧在挡流板下方与壁面接触部位开孔(25)，相邻孔间距不少于2倍孔直径，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10，挡流板上方也开孔，与下方孔交错排列；精馏段一侧挡流板上侧与壁面接触，并在挡流板上方开孔，相邻挡流板开孔处交错排列，相邻孔间距不少于2倍孔直径，每级挡流板开孔数量不少于2个，开孔半径为挡流板高度的1/2～1/10。
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