CN102350073B - 一种内部热集成降膜蒸馏装置的换热壁结构 - 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的换热壁结构。精馏段和提馏段之间壁面为换热壁，换热壁两侧各设有挡流板(25)，挡流板(25)与壁面(26)成一定倾斜角度，倾斜角度不大于60°，提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下，挡流板垂直高度为塔高的1/5～1/200，相邻挡流板间距为挡流板垂直高度的2-50倍。同级相邻挡流板间距为挡流板长度1/10-9/10，挡流板长度为换热壁宽度或周长的1/10-9/10.。本发明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，提高气相沿塔壁向上流动效率，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。

Description

一种内部热集成降膜蒸馏装置的换热壁结构
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的换热壁结构。
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1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。
在内部热集成精馏塔中，换热壁是其较传统精馏塔节能的关键部位，位于精馏段和提馏段之间。对换热壁结构进行优化，不仅能够极大地减少精馏过程的能量消耗，同时能够促进传热，提高分离效果。因此，对换热壁结构进行设计至关重要。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种内部热集成降膜蒸馏装置的换热壁结构。
专利101010218648.8介绍了一种套筒式内部热集成精馏塔，在精馏段和提馏段间装添填料以增大气液两相传质，但由于其换热壁表面无挡流板结构，传热面积较小，精馏段和提馏段间换热不充分，能量利用率较低。本课题组之前设计的两侧设有挡流板并开孔的换热壁结构，在提馏段一侧液相流量较大时，气相并不能从挡流板下方口排出，一定程度上降低了气液传质效率。本发明主要针对传统精馏塔传热面积小以及气液传质不充分等不足进行改进。
本发明是通过以下技术方案加以实现的：
精馏段和提馏段间壁为换热壁；换热壁两侧各设有挡流板26，挡流板26垂直高度为塔高的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。
换热壁结构上下两级挡流板位置交错设置：同级相邻挡流板间距为挡流板长度的1/10-9/10，挡流板长度为换热壁宽度或周长的1/10-9/10；长程设置为：上一级挡流板位于换热壁的一端，下一级挡流板位于换热壁的另一端；短程设置是：上一级挡流板位于同级挡流板水平位置的中部，下一级挡流板位于上级挡流板垂直位置的两端。
我们在此特别强调提出挡流板长度，这并非简单的设计，是需要根据气液相流量进行无数次实验得到的，因为在液相流量较大时，较大的挡流板长度可以减缓液相流动速度，而在气相流量较大时，挡流板的长度可以适当减小，从而能够使蒸汽顺利上升，降低液相返混概率。选择适当的挡流板长度对于增大气液相接触时间，提高传质效率具有重要影响。
本发明采用内部热集成技术的降膜蒸发器，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作用部分采出，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，提高气相沿塔壁向上流动效率，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换热壁结构(长程)。
图3为并排式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构(短程)。
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为套筒式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构(长程)。
图7为套筒式内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构(短程)。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
采用内部热集成降膜蒸馏装置换热壁结构，其特征是换热壁两侧各设有挡流板25，挡流板25与壁面26成一定倾斜角度，倾斜角度不大于60°，提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下，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。同级相邻挡流板间距为挡流板长度的1/10-9/10，挡流板长度为换热壁宽度或周长的1/10-9/10。为增加液相停留时间，将挡流板平行交错排列，两级挡流板间互相平行。上下两级挡流板位置交错设置，可以是上一级挡流板位于换热壁的一端，下一级挡流板位于换热壁的另一端(长程，如图2，6所示)；也可以是上一级挡流板位于同级挡流板水平位置的中部，下一级挡流板位于上级挡流板垂直位置的两端(短程，如图3，7所示)，气液两相在挡流板凹槽处来回穿行流动，增加两相流动距离，提高气液两相的停留时间和湍动程度，可以有效促进相间传质。另外，挡流板的设置增加了换热壁的有效传热面积，促进了相间传热。
为了更好的对换热壁结构进行说明，在此选取4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，换热壁两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/30，挡流板与壁面成30°夹角，相邻挡流板间距为5倍挡流板高度。提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下。挡流板平行交错排列，上下两级挡流板位置交错设置，上一级挡流板位于换热壁的一端，下一级挡流板位于换热壁的另一端(长程)；挡流板长度为换热壁宽度的4/5。
实例2：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为平板结构，换热壁两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/40，挡流板与壁面成45°夹角，相邻挡流板间距为8倍挡流板高度。提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下。挡流板平行交错排列，上下两级挡流板位置交错设置，上一级挡流板位于换热壁的一端，下一级挡流板位于换热壁的另一端(长程)；挡流板长度为换热壁宽度的5/7。
实例3：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为圆筒结构，换热壁两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/50，挡流板与壁面成10°夹角，相邻挡流板间距为10倍挡流板高度。提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下。挡流板平行交错排列，上一级挡流板位于同级挡流板水平位置的中部，下一级挡流板位于上级挡流板垂直位置的两端(短程)，同级相邻挡流板之间间距为挡流板长度的1/2。挡流板长度为换热壁宽度的1/6。
实例4：内部热集成降膜蒸馏装置换热壁为圆筒结构，换热壁两侧各设有挡流板，挡流板高度为塔高的1/20，挡流板与壁面成15°夹角，相邻挡流板间距为12倍挡流板高度。提馏段一侧挡流板开口向上，精馏段一侧挡流板开口向下。挡流板平行交错排列，上一级挡流板位于同级挡流板水平位置的中部，下一级挡流板位于上级挡流板垂直位置的两端(短程)，同级相邻挡流板之间间距为挡流板长度的2/3。挡流板长度为换热壁宽度的1/5。
当汽液两相沿壁面流经挡流板时，可以有效聚集，流下的液体和上升的气体在挡流板凹槽处来回穿行流动，一方面增加两相流动距离，提高了气液两相接触时间，另一方面挡流板的存在增大了局部表观流速，提高了气液两相湍动程度，增强了传质效果，并增加了换热壁的有效传热面积，促进了相间传热。
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、高度和倾斜角度等也可以有多种安排。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 (2)

1.一种内部热集成降膜蒸馏装置的换热壁结构，精馏段和提馏段间壁为换热壁；其特征是换热壁两侧各设有挡流板（26），挡流板（26）垂直高度为塔高的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；上下两级挡流板位置交错设置：同级相邻挡流板间距为挡流板长度的1/10-9/10，挡流板长度为换热壁宽度或周长的1/10-9/10。
2.如权利要求1所述的换热壁结构，其特征是挡流板分长程和短程，长程设置为：上一级挡流板位于换热壁的一端，下一级挡流板位于换热壁的另一端；短程设置是：上一级挡流板位于同级挡流板水平位置的中部，下一级挡流板位于上级挡流板垂直位置的两端。
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