CN103458982A - 用于在容器中冷凝蒸气的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在容器中冷凝蒸气的设备，所述容器包括在水平方向上互相邻接的蒸气空间（10）和冷凝空间（11），其中具有水平截面的蒸气空间（10）在底部开口，冷凝空间（11）在底部通过至少一个塔盘元件（14）封闭，并且至少一束热交换元件（20）大致竖直定向地布置在冷凝空间中，该设备的特征在于，在蒸气空间与冷凝空间之间存在壁元件（40），壁元件部分地将两个空间互相分隔并且限定从蒸气空间到冷凝空间中的竖直转移面，并且在于，在蒸气空间中存在至少一个转向元件（30），该转向元件用于使从底部上行到蒸气空间中的蒸气朝向转移面转向，由于转向元件的形状而使蒸气经转移面大致水平流到热交换元件上。

Description

用于在容器中冷凝蒸气的设备和方法

技术领域

本申请通过引用合并2011年4月7日提交的美国临时申请61/472645。

本发明涉及一种用于在容器中冷凝蒸气的设备，所述容器包括在水平方向上彼此邻接的蒸气空间和冷凝空间，其中具有水平开口截面的蒸气空间在向下方向上开口，冷凝空间通过至少一个底部元件在向下方向上封闭，并且至少一束基本上竖直地对齐的热交换元件布置在冷凝空间中。本发明还涉及一种塔，其中根据本发明的设备作为塔顶冷凝器布置在该塔的顶部区域内。此外，本发明涉及一种借助根据本发明的设备来冷凝蒸气流的方法。

背景技术

在热分离技术中，很久以来就已知用于冷凝在塔中上行的蒸气的设备和方法。此类设备也称作冷凝器。因此，例如，作者为E.Kirschbaum的教科书“Destillier-und Rektifiziertechnik”（Springer Verlag（1969），第四版）公开了作为独立设备安装在塔外部的冷凝器（pp.157-158）、直接安装在塔顶部上的冷凝器（pp.472-473）和集成在塔顶部中的冷凝器（p.410）。这些设备满足完成了部分或完全冷凝在塔内上行的蒸气的任务。所获得的液体通常被收集并整体或部分再循环至所述塔和/或从分离过程作为塔顶输出流整体或部分输出。

对于冷凝器的特定构型，已知例如关于热交换元件的类型如板式热交换器或壳管式交换器或关于待冷凝的蒸气和传热介质的流量的各种概念和变型。在壳管式热交换器中的冷凝的情况下，管束例如能够水平或竖直地布置并且待冷凝的蒸气能够在管中或管周围输送。如果在管周围传送待冷凝的蒸气，则能够沿着管或横向于管传导其通过所述束。

集成在一个塔中的用于冷凝蒸气的设备尤其提供了能够省略从塔到冷凝器的蒸气管线并且通常需要比当冷凝器位于塔外部时小的建造空间的优点。

德国专利DE19712148C1记载了这种集成在塔中的冷凝器的一个变型。在塔的顶部，存在一壳体，该壳体在顶部开口并由金属板制成，并且界定其中容纳一束板式热交换器的空间。该壳体在底部由作为倾斜于塔壁延伸的底板构成的壳体底部界定。从塔上行的蒸气通过塔盖的弯曲转移，从顶部进入壳体并沿着热交换板向下流动。所形成的冷凝物从热交换板向下滴落并被壳体底部收集。作为壳体底部的倾斜布置的结果，冷凝物集中在作为最低点的塔壁上并经塔壁中的开口输出。冷却介质从底部经热交换板向上逆流流动。为此，在塔壁中设置有用于冷却介质的入口和出口。为了防止冷凝物通过上行的热蒸气而部分地再蒸发，壳体底部设置有隔热层。

DE19830163A1记载了一种用于集成在塔顶部中的冷凝器的相似概念。设置了由金属板制成的壳体，一束板式热交换器安装在所述壳体中。在塔中上行的蒸气平行于热交换板自上至下流动。所形成的冷凝物滴落到倾斜地布置的壳体底部上并在最低点经塔壁中的开口输出。与上述专利形成对照，所述束在这种情况下未被固定至塔壁，而是以可更换方式被紧固在塔盖上。用于冷却介质的连接部同样位于塔盖中。热交换器束能够通过打开塔盖而被取出，例如出于清洁目的。

在所有上述设备中，从塔上行的蒸气在塔顶部转移并从顶部向下流经板式热交换器的束。这产生通常是不希望的并且特别是在高真空应用中约束这种类型的冷凝器的压降。

本发明的一个目的是提供一种用于冷凝蒸气的设备和方法，其在操作条件方面拓宽了使用范围，同时保留了集成在容器例如塔中的优点。

发明内容

根据本发明，通过根据权利要求1的用于冷凝蒸气的设备来实现这一目的。还通过根据权利要求11的塔来实现该目的，根据本发明的设备集成在所述塔中。此外，通过根据权利要求14和15的冷凝蒸气流的方法来实现该目的。本发明的有利实施例和更多开发方案在从属权利要求2至10中而且还在权利要求12和13中指出。

用于在容器中冷凝蒸气的根据本发明的设备包括在水平方向上彼此邻接的蒸气空间和冷凝空间，其中具有水平开口截面的蒸气空间向下开口，冷凝空间向下通过至少一个底部元件封闭，并且至少一束热交换元件基本上竖直取向地布置在冷凝空间中。蒸气空间与冷凝空间之间存在壁元件/隔板元件，并且所述壁元件使所述两个空间部分地彼此分离并限定出一从蒸气空间到冷凝空间内的竖直转移面。此外，蒸气空间中存在至少一个转向元件以使从下方上升到蒸气空间内的蒸气朝向转移面转向，并且由于其形状而经转移面将基本上水平的蒸气流带到热交换元件上。

在这里和下文中，容器是在其内部中具有中空空间的结构，蒸气空间和冷凝空间位于所述中空空间中。在本发明一优选实施例中，容器是在水平方向上由连续壁、在向下方向上由底部并且在向上方向上由盖界定的结构。这种容器具有至少一个蒸气入口，蒸气能够经所述蒸气入口流入容器的内部。这种蒸气入口优选位于容器的下端。该蒸气入口例如能够以管道区段或凸缘的形式实现。

在又一优选实施例中，容器是较大结构的整体部分，例如塔的一段。容器特别优选由塔的顶部区域形成，所述顶部区域在侧向上由塔壁界定。容器能够在向上的方向上由塔盖界定，同时容器在底部开口使得在塔中上行的蒸气能够从下方到达容器中。

在容器中的蒸气空间和冷凝空间之间，存在将两个空间互相部分地分开的壁元件。它们布置成使得蒸气空间与冷凝空间之间基本上竖直地对齐的区域（下文称作竖直转移面）开口。壁元件优选以不可渗透流体的方式与容器壁结合并从相应容器壁向内突出。这确保了蒸气能够从蒸气空间仅经竖直转移面进入冷凝空间中并且避免了旁通流。

尽管蒸气空间向下开口，但冷凝空间在底部通过至少一个底部元件（下文还称作第一底部元件）封闭。第一底部元件构造成以使得它在向下方向上界定冷凝空间并防止蒸气从下方侵入的方式与容器壁和壁元件结合以便不可渗透流体。第一底部元件优选至少部分地布置在至少一束热交换元件下方，使得形成在该束上的冷凝物能够由第一底部元件收集。由于其形状，第一底部元件单独或者连同容器壁的一部分和/或壁元件的一部分一起形成用于冷凝物的第一收集空间。底部元件特别优选从热交换元件的束位于其上方的位置起始，向下倾斜至容器壁。这使得冷凝物可以集中在底部元件上以例如经处于底部元件的最低点的容器壁中的开口以简单方式输出。然而，底部元件还能够具有不同构型，例如与所收集的冷凝物能够经由管道从其输出的圆锥形向下流动区域基本上水平。在又一优选实施例中，底部元件作为具有隔热层的双金属板构成。这避免了冷凝空间内部的底部元件的过度加热和因此已形成的冷凝物的气化。在一个实施例中，隔热层由在底部元件中封闭的气体容积形成；气体特别优选为空气。在气体容积作为隔热层的情况下，底部元件的下侧优选具有一孔，气体容积经由所述孔与周围连通。在又一实施例中，隔热层包括固体隔热材料，例如稳定的塑料或玻璃棉。

在向上方向上，冷凝空间能够是开口的或有界限的。在根据本发明的一个实施例中，容器具有形成冷凝空间的上部边界的盖或上壁。这种情况下，壁元件以来自蒸气空间的蒸气不能在壁元件周围进入到冷凝空间内但必须流经竖直转移面的这种程度向上延伸。在又一实施例中，根据本发明的设备被用在容器的不具有通过构造确定的上部边界的区域内。这种情况下，冷凝空间优选向上开口，而蒸气空间在顶部被界定。蒸气空间的该上部边界优选借助一覆盖元件实现，所述覆盖元件以与底部元件相似的方式与容器壁和壁元件结合以便不可渗透流体，使得蒸气不能从蒸气空间向上逸散，而是代之以经竖直转移面流入到冷凝空间内。

根据本发明，基本上竖直地定向的至少一束热交换元件布置在冷凝空间中。这意味着该束在竖直方向上的尺寸大于在任何水平方向上的尺寸。该束还能够以仍认为较轻微的从-20°至+20°的倾角相对于容器的纵向轴线稍微倾斜。在截面中看去，该束热交换元件优选布置在容器的中间区域内，该中间区域认为是与容器的截面同心并具有优选不超过容器直径的80%、特别优选不超过其60%的直径的圆。

在本发明的设备一优选实施例中，至少一束热交换元件直接在竖直转移面上布置在冷凝空间中，使得从蒸气空间转移到冷凝空间内的蒸气直接撞击在热交换元件上。

蒸气空间是容器中在水平方向上与冷凝空间邻接的空间。其向下开口并起始于冷凝空间的底部元件的高度。在该点穿过容器的截面首先提供了由冷凝空间占据并且不可渗透从下方上行的蒸气的区域并且其次提供了代表进入蒸气空间并且蒸气能够经其向上流动的区域。后一区域在下文中还将称作水平开口截面区域。在侧向上，蒸气空间由容器壁以及壁元件和竖直转移面界定。

根据本发明，至少一个转向元件被容纳在蒸气空间内；该转向元件构造成使得从下方上行至蒸气空间内的蒸气向热交换元件的方向转移并且蒸气在从蒸气空间进入冷凝空间的过程中被基本上水平地引导到一束热交换元件上。这种类型的流入在传热工程中也称作“x-流动”。与从蒸气流被偏离约180°的现有技术获知的概念相比，根据本发明，蒸气流仅被偏离约90°。结果，显著减小了与偏离相关的压降。

在本发明一有利变型中，至少一个转向元件作为具有下部区域、上部区域和位于上部区域与下部区域之间的过渡区域的板构成。下部区域基本上竖直地并且平行于热交换器束延伸，而下部区域基本上水平地延伸。转向元件优选很接近所述束延伸，但后者应该仍能够无问题地更换而不受至少一个转向元件妨碍。已发现至少一个转向元件的端部与热交换器束之间从1至2cm的间距在这方面是适合的。过渡区域经由一圆角连接上部和下部区域，所述圆角例如能够是四分之一圆或四分之一椭圆。

至少一个转向元件能够由各种材料例如金属或刚性聚合物如聚酰胺制成。其优选由金属、特别是钢制成。材料厚度由所使用的材料的强度特性决定。转向元件优选被焊接至容器壁。根据具体情况和材料的选择，其它紧固措施如粘合剂结合、螺接或夹持连接也是可能的。

蒸气空间优选在顶部界定。在本发明一个实施例中，容器具有形成蒸气空间的上部边界的盖或上壁。盖通常呈圆形，使得上行的蒸气沿竖直转移面的方向转移而不存在由于容器壁而引起的明显湍流和阻力。为了进行辅助或者在流动路径中存在诸如角部和边缘之类的阻力的情况下，能够在从容器壁到容器盖的过渡区域内设置导向元件，例如圆形导向板，以便确保理想地不存在湍流的蒸气流。在又一实施例中，本发明的设备被用于容器的不存在由构造而引起的上部边界的区域内。这种情况下，上部边界优选通过覆盖元件实现，所述覆盖元件与容器壁结合使得除能够流经覆盖元件的端部与一束热交换元件之间的间隙的少量蒸气外没有蒸气能沿向上方向逸出。覆盖元件特别优选作为转向元件构成，所述转向元件由于其形状而确保理想地不存在湍流的蒸气流。

在本发明的设备一优选实施例中，蒸气空间中存在至少两个转向元件，并且所述转向元件以它们将进入蒸气空间处的水平开口截面区域分隔成至少三个入口面并且将从蒸气空间到冷凝空间中的竖直转移面分隔成至少三个出口面这样的方式布置，其中入口面的数量与出口面的数量的相同。

转向元件的底端连同壁元件、底部元件和容器壁一起在截面中看去限定向上流动的蒸气在其上被分隔的入口面。进口面积之和对应于开口截面积。类似地，转向元件的上端连同壁元件和可选地容器的上部边界限定出口面，相应子流从蒸气空间经所述出口面流入冷凝空间中。在入口面与出口面之间，蒸气的各部分流经的通道由转向元件、壁元件、底部元件、容器壁和可选地容器的上部边界限定。

在又一优选设备中，入口面的几何面积选择成使得通过相应入口面的体积流量互相相差不超过10%，特别优选不超过5%，并且出口面的几何面积互相相差不超过10%，特别优选不超过5%。

水平开口截面区域的几何面积由容器直径以及诸如界定冷凝空间的壁元件和底部元件之类的元件的尺寸和布置决定。单个的入口面的几何面积能够通过转向元件的数量及其尺寸、布置和形状的适当选择来固定。类似地，单独的出口面能够通过转向元件的数量及其尺寸、布置和形状的适当选择来固定。

上行的蒸气的总体积流量通过入口面分隔成流经相应通道的部分体积流量。如果蒸气流在进入蒸气空间时不均匀地分布在截面上，则进口面积互相之间的比例优选选择成使得部分体积流量相差不超过上述值。在高蒸气流量区域内选择比在具有低蒸气流量的区域内小的进口面积。上行蒸气流在截面区域上的分布能够通过试验或通过模拟来确定，例如使用CDF（计算流体力学）模型。

在蒸气流量在通向蒸气空间中的进口处的截面上均匀的情况下，部分体积流量与相应进口面积成正比。这种情况下，对入口面的几何面积互相相差不超过10%、特别优选不超过5%并且出口面的几何面积互相相差不超过10%、特别优选不超过5%的设备给予优先。

在优选范围内选择进口面积可以实现部分体积流量在出口处的均匀分布和因此待冷凝的蒸气在热交换元件上的均匀分布。这具有能够有效地利用热交换元件的优点。

在一有利实施例中，本发明的设备的转向元件具有圆角，这使得蒸气流在从进入蒸气空间处的竖直流动方向过渡为从蒸气空间离开处的水平流动方向时基本上不存在湍流或涡流。圆角特别优选的形式是四分之一圆或四分之一椭圆，使得蒸气流动与圆角的形状一致。转向元件的具体构型还取决于容器中可用的空间。流动路径中不带角部、边缘或其它障碍物的圆角在任何情况下都是优选的。圆角的优选构型在蒸气偏离时显著有助于压降的进一步减小。

在本发明又一有利实施例中，从蒸气的流动方向上看，冷凝空间中的一束热交换元件后面存在又一束附加热交换元件。在从蒸气空间来到冷凝空间时，蒸气首先流经热交换元件束并随后流经附加热交换元件束。该措施使得能够在至少两束之间分散冷却能力，这在设计和工艺操作上提供了更大的灵活性。因此，例如，通过在热交换元件的冷却侧设定第一温度水平，能够使蒸气在第一束热交换元件中部分地冷凝。通过设定第二、较低的温度水平，随后能够在附加热交换元件束中实现剩余蒸气的完全冷凝。这种所需的冷却能力的分散例如能够实现完全冷凝，同时节省一部分在较低温度下通常昂贵的冷却介质以及在较高温度下更昂贵的冷却介质。

作为热交换元件和附加热交换元件，可以使用本领域的技术人员已知的所有元件，这些元件也用于传统冷凝器，例如板式热交换器如密封板式热交换器、全焊接板式热交换器、“Thermobleche”或管束；在后一种情况下，所述管能够是光滑的或者具有附加元件例如翅片。热交换元件和/或附加热交换元件能够根据对蒸气冷凝的具体要求和关于可获得的冷却介质的情况来选择和设计。冷却介质能够以一股或多股流流经热交换元件和/或附加热交换元件。所述元件优选以冷却介质以两股流流经它们这样的方式构成。冷却介质的流动方向取决于所选择的热交换元件的类型。通过热交换元件和/或附加热交换元件中的冷却介质流优选基本上是竖直的。

在本发明的设备一优选实施例中，热交换元件的束和/或附加热交换元件的束是一束管。对两个管在任何情况下都以获得一束U形管的方式在它们的下端结合的构型给予进一步的优先。该束管能够具有穿过管的两个或更多流动路径。由于热交换器束的基本上竖直的布置，在此实施例中用于冷却介质的进口和出口两者都位于所述束的上端。在又一实施例中，管以冷却介质以多股流流经它们这样的方式连接。在一替换实施例中，所述束具有浮动头部或配备有两个固定的管板。

在具有附加热交换器的设备又一有利的开发方案中，第二底部元件至少部分地在附加热交换元件的束下方布置在冷凝空间中，使得形成在该束上的冷凝物能够由第二底部元件收集。由于其形状，第二底部元件单独或者连同容器壁的一部分和/或壁元件的一部分一起形成用于形成在附加热交换器上的冷凝物的第二收集空间。第二底部元件特别优选从附加热交换元件的束所处的位置下方的点开始朝容器壁向下倾斜。这使得冷凝物可以集中在底部元件上以例如在底部元件的最低点经容器壁中的开口以简单方式输出。然而，底部元件还能够以其它方式构成，例如与所收集的冷凝物能够经由管道从其输出的圆锥形向下流动区域基本上水平。在又一优选实施例中，底部元件被设计为具有隔热层的双层板。这种类型的底部元件能够与以上对第一底部元件的描述相似地设计。

在具有附加热交换器的设备的又一有利实施例中，第二收集空间与第一收集空间分离并且存在至少两个出口以允许冷凝物从两个收集空间分开排出。本发明的设备的这种设计允许将冷凝物分成至少两个部分。因此，例如，蒸气的具有比较高的沸点的成分能够通过在第一束热交换元件上以特定温度水平冷凝而被分离，而具有比较低的沸点的成分保持在气相下。剩余的蒸气随后能够被传送至附加热交换元件的束并在其中以较低的温度水平进一步或完全冷凝。这样，能够获得组分不同的两种冷凝物。

本发明还提供了一种塔，用于冷凝蒸气的根据本发明的设备位于该塔中且该塔还包括用于热交换元件和可选地附加热交换元件的一个或多个冷却介质入口和一个或多个冷却介质出口，以及用于排放收集在冷凝空间中的冷凝物的至少一个出口。本发明的设备特别优选作为塔顶冷凝器布置在塔的顶部区域内。

在又一有利实施例中，塔盖具有热交换元件的束被紧固在其上的容纳装置。在根据本发明的一个实施例中，所述束被固定至如例如在DE19830163A1中记载的塔盖。在一优选实施例中，热交换元件的束以可分离方式安装在塔中。如果存在附加热交换元件，则在此实施例中一束附加热交换元件也以可分离的方式安装在塔中。可分离的安装例如能够经由塔盖中的管道区段来实现。该管道区段能够呈矩形、圆形或两者的混合形式。管道区段的优选形状必须根据操作条件如压力和温度而且还根据所选择的材料和所需的开口面积在每一种单独的情况下确定。此外，通过将热交换器束旋拧到塔中，能够实现可分离的安装。为了安装和移除所述束，有利地将所述束安装在导向件中，例如导向元件例如导轨中，所述导向元件基本上竖直地对齐并且被固定至塔和/或壁元件。壁元件还能构造成使得它们的一部分起到导向元件的作用。

可分离的安装提供了一束热交换元件和可选地一束附加热交换元件能够容易地从塔移除并再次安装（例如出于清洁目的或在所述束需要修理的情况下）的优点。

还对塔的容纳装置包括双凸缘的实施例给予优先。该束热交换元件借助第一凸缘以气密方式与塔结合，并且可经由第二凸缘接近热交换元件的冷却介质侧。第一凸缘优选与塔盖紧密结合。热交换元件以它们用于冷却介质的输入和输出开口在第一凸缘封闭时仍可从外部接近的方式安装。如果存在附加热交换元件，则这些附加热交换元件优选以相同方式安装。输入和输出开口的空间借助第二凸缘与周围密封。此实施例对于塔中的压力明显不同于环境压力的应用而言、特别是对于降低的压力在塔中占主导的应用而言是有利的。由于双凸缘结构，热交换元件例如能够在冷却介质侧进行检查或清洁而不必中止塔中的压力条件。

用于冷凝蒸气的本发明的设备和根据本发明的塔适合各种应用。它们能够特别有利地用于其中压降的最小化非常重要的工艺中。因此，本发明还提供一种借助根据本发明的设备来冷凝蒸气流的方法，其中蒸气空间中的绝对压力不超过200毫巴，特别优选50毫巴，特别是10毫巴。

本发明还涉及一种借助根据本发明的设备来冷凝蒸气流的方法，其中蒸气流包括在冷凝期间在热交换元件上形成沉淀物的成分。特别地，已证实具有可分离的热交换器束的本发明的设备的一个实施例在此情况下是有利的。出于清洁目的的更换或安装和移除在这种情况下能够简单和不昂贵地实现。

本发明的设备具有紧凑的结构并且避免了已知类型的结构的缺点，例如导致压降的管道。与已知的一体冷凝器概念相比，本发明的设备提供了较低压降的优点，这在真空或高真空应用中特别有利。特别地，蒸气流从竖直方向偏向至水平方向有助于减小压降。

得到的压降主要由在进入热交换元件的束时蒸气空间与冷凝空间之间的自由开口面积决定。该自由开口面积在如例如文献DE19712148C1和DE19830163A1中所述的已知结构中受塔截面限制。仅可通过以昂贵的方式扩宽塔截面或者通过在可用的塔截面中安装更少的热交换元件来实现扩大。在根据本发明的设备中，该自由开口面积能够通过延长热交换元件的束和因此塔长度而简单且不昂贵地扩大。与已知的一体式冷凝器相比，热交换元件的长度能够在明显更大的范围内选择而不显著降低冷凝效率。此优点也得自蒸气流通过根据本发明的转向元件的分隔和转移。

本发明能够在各种容器中实现。其在带或不带竖直分隔壁的任何情况下在用于材料的分离系统的各种塔例如蒸馏塔、精馏塔、反应精馏塔中展现了特定的优点。

附图说明

下文将借助附图来说明本发明；附图应该解释为原理的呈现。它们不构成对本发明的任何约束，例如在构件的具体尺寸或设计变型方面。在附图中：

图1示出穿过具有作为塔顶冷凝器的根据本发明的设备的塔的纵向剖面图；

图2示出穿过图1所示的塔的顶部区域的截面图；

图3示出穿过根据本发明的塔的透视剖面图；

图4示出穿过具有附加热交换器的根据本发明的设备的容器的纵向剖面图；

图5示出穿过图4所示的容器的截面；

图6示出穿过具有作为塔顶冷凝器的根据本发明的设备和塔盖上的双凸缘的塔的纵向剖面图。

所使用的参考标号清单

10...蒸气空间

11...冷凝空间

12...第一收集空间

13...第二收集空间

14...第一底部元件

15...第二底部元件

16...第一出口

17...第二出口

18...蒸气出口

20...热交换元件的束

21...附加热交换元件的束

22...导向元件

23...保持元件

24...冷却介质入口

25...冷却介质出口

26...第一凸缘

27...第二凸缘

30...转向元件

40...壁元件

具体实施方式

图1示出了穿过根据本发明的设备作为塔顶冷凝器安装在其中的塔的上部的纵向剖面图。一束热交换元件20对中地紧固在塔盖上并竖直向下延伸。在塔的顶部上方，设置有用于流经热交换元件的冷却介质的入口24和出口25。在热交换元件下方，存在从热交换元件倾斜向下延伸到塔壁的底部元件14。底部元件14与塔壁结合以便不可渗透流体并连同塔壁一起形成用于冷凝物的收集空间12，所述冷凝物形成在热交换器束上并且滴落到收集空间12中。用于所收集的冷凝物的出口16在底部元件14的最低点设置在塔壁中。

冷凝空间11在向下方向上由底部元件14且在向上方向上由塔盖界定。冷凝空间11首先由塔壁且其次由壁元件在侧向上界定，所述壁元件在左手侧和右手侧布置在热交换器束与塔壁之间（图1中未示出）。底部元件14和壁元件与塔壁结合以便不可渗透流体。两个转向元件30a、30b安装在蒸气空间10中并且将从塔的下部上行的蒸气分割为三个部分并且将竖直流转移到水平流中，使得蒸气主要水平地并因此垂直地撞击在热交换元件20上。

图2示出了穿过图1所示的塔的部分的两个截面图。左手侧的图对应于刚好在通向蒸气空间中的入口面上方的图1中通过A-A表示的截面。右手侧的图对应于转向元件30a的上端上方的图1中通过B-B表示的截面。在所示的示例中，热交换元件的束为对中地布置在塔中并且包括六排U形管的一束管20。通过U形管束的流在此示例中为管侧的两股流。所述排各以已知的30°分度以管直径的一半偏移，使得蒸气不能自由地流经，而是在热交换管周围转移。热交换器束20不必是对称的并且布置在塔的中间。然而，由于制造原因，有利的是将束的宽度和布置选择成使得所述束不会过多地突出到边沿区域（即塔盖的弯曲区域）内。具体尺寸取决于结构情况，例如塔盖的具体构型。

蒸气空间和冷凝空间11通过壁元件40互相分离。热交换器束20在蒸气流动方向上看去在竖直转移面内布置在正后方。此外，热交换器束20在侧向上还由壁元件40界定。这引起蒸气从蒸气空间流入冷凝空间11中，从而直接撞击在热交换元件上并且必须流经所有管排而不能够偏向侧边。壁元件40的端部在此示例中成形为使得它们用作用于所述束的导向元件。此外，该形状引起蒸气流转移到热交换元件上而不流入所述束与壁元件之间的旁路中。在穿过所述束的截面的角部和中间，存在图中作为黑点示出的杆形保持元件23。保持元件23连接到覆盖整个管束截面并且将单个的管固定在它们的水平位置的保持板。转向元件30a和30b确保蒸气在热交换元件上的均匀分布，在此示例中以三股单独的体积流。

图3示出了穿过根据本发明的塔的三个透视剖面图，所述塔在其重要构件方面对应于图1中的原理草图。从该图能够清楚地看到底部元件14、壁元件40、导向元件22和热交换器束20以及转向元件30a和30b的布置。借助其将单个的管固定至所述束的保持板在该图中也能够看到。

图4示出穿过包括根据本发明的带有附加热交换器的设备的容器的纵向剖面图。图5示出在图4通过C-C示出的平面内穿过容器的截面图。在其下端，该容器具有蒸气能够经其沿向上方向流入蒸气空间10中的管道区段。一束热交换元件20垂直于图面看去对中地安装在容器中。在容器盖上方，设置有用于流经热交换元件的冷却介质的入口24a和出口25a。第一底部元件14以不可渗透流体的方式与容器的底部和壁的一部分并与壁元件40结合。壁元件40沿热交换器束20的方向从容器的外壁向内延伸并延伸到容器盖。未被壁元件40覆盖的竖直区域限定从蒸气空间10到冷凝空间11中的竖直转移面。

在此示例中，在蒸气空间中还存在两个转向元件30a和30b，其从底部向上看去首先基本上竖直地延伸并且在它们的上端具有形状为四分之一圆的截面。经管道区段流入容器中的蒸气被分割为三股体积流并且由于偏离而基本上水平地撞击在热交换元件上。热交换器是包括三排U形管的一束管20。在此示例中，在管侧通过所述束的流动分为六股流。所述排以已知的45°分度互相偏移，使得蒸气不能自由地流经，而是在热交换管周围转移。

在蒸气的流动方向上看，一束附加热交换元件21安装在冷凝空间11的后部中，并且同样在容器盖上方具有用于冷却介质流经附加热交换元件的入口24b和出口25b。这是具有以已知的30°分度相对于彼此偏离的七排U形管的一束管。在此示例中，蒸气呈六股流在管侧流经所述束。在侧面，热交换器束20和附加热交换器束21通过壁元件40封闭，所述壁元件互相结合，从而获得从竖直转移面到背面束的流动通道。这些壁元件40以不可渗透流体的方式与容器壁和容器盖的适合的部分结合。这确保了蒸气被有效地引导到冷却元件上并且不能在侧向上逸散到冷凝空间11的无法获得冷却能力的区域内。用于引导和固定各束的导向元件22安装在壁元件40上。保持板将单个的管固定在它们的水平位置并覆盖整个管束截面。它们在图4中通过热交换器束20和21中的水平线示出。

在附加热交换元件21的束下方，存在以不可渗透流体的方式与容器壁的各部分结合的第二底部元件15。第一底部元件14和第二底部元件15从相应热交换器束倾斜向下布置并且连同容器壁以及在第一底部元件14的情况下容器底部的一部分一起形成用于冷凝物的第一收集空间12和第二收集空间13，所述冷凝物从相应的热交换元件20和21流到底部元件上。收集空间12和13在结构上互相分离，使得形成在热交换器束20上的冷凝物仅进入第一收集空间12，而形成在附加热交换器束21上的冷凝物仅被收集在第二收集空间13中。为了排出相应的冷凝物，用于第一收集空间12的第一出口16设置在容器底部中，而用于第二收集空间13的第二出口17在第二底部元件15的最低点位于容器壁中。未冷凝的蒸气部分能够经其排出的蒸气出口18设置在容器的上部区域内。

容器设置有均具有用于冷却介质的单独的入口和出口的两束热交换元件20和21允许蒸气的多级冷凝，其中所述两束能够以不同的冷却效力操作。作为冷凝物被收集在单独的收集空间中的结果，还能够实现冷凝物分离成具有不同组分的两部分。因此，例如，热交换元件20的束能够在规定的温度水平使用第一冷却介质操作，蒸气的具有特定露点的成分在所述温度水平冷凝。蒸气的未冷凝部分流到附加热交换器21的束上，所述束在低于第一束的温度水平的温度水平利用第二冷却介质操作。这种情况下，具有比主要在第一束20上冷凝的成分的露点低的露点的蒸气混合物的更多成分将在束21上冷凝。如果总冷凝未发生在附加热交换器束21上，则能够经蒸气出口18以蒸气形式输出第三部分。

图6示出穿过具有作为塔顶冷凝器的根据本发明的设备的塔的纵向剖面图。在此实施例中，热交换元件20的束可分离地安装在塔中。为此，双凸缘作为用于热交换器束20的容纳装置设置在塔的顶部。该束借助第一凸缘26以气密方式与塔结合，这意味着蒸气不能通过该连接从塔内部逸散，只要该第一凸缘26是封闭的。当第一凸缘26封闭时，冷却介质能够流经的热交换元件的开口可从外部接近。第二凸缘27设置用于将这些开口与用于冷却介质的合适的入口24和出口25连接。热交换器束20经由双凸缘的连接使得可以在不必打开塔的情况下检查并且可选地清洁热交换元件的内部和连接部。这特别是在塔以明显不同于环境压力的压力操作时提供了优点。这对于在真空或高真空下操作的塔而言特别有利。

作为对热交换器束或附加热交换器束安装在塔或容器的盖上的替代，例如经由沿着壁竖直地延伸的凸缘，也可安装在侧面。这种布置在塔的制造时提供了优点，因为这些构件通常会在水平状态下装配。单个的热交换元件例如管能够水平或竖直地布置。在经由凸缘从侧面安装所述束的情况下，通过其的流动基本上水平的盘管优选作为热交换元件。在塔的立置状态下，热交换元件的束在这种情况下基本上竖直地定向，因为其在竖直方向上的尺寸大于在水平方向上的尺寸。

该布置的又一优点在于塔或容器的壁区域也能够设置有热交换元件，而在经由盖导入的情况下，盖在边沿区域内的曲率施加了更狭窄的限制。在从侧面安装热交换器束或附加热交换器束的情况下，用于冷却介质的入口和出口有利地也设置在侧面。在经由侧向凸缘安装的情况下，热交换器束还能够可分离地紧固在容器中或塔中。

Claims (15)

1.一种用于在容器中冷凝蒸气的设备，所述容器包括在水平方向上互相邻接的蒸气空间（10）和冷凝空间（11），其中具有水平开口截面的所述蒸气空间（10）向下开口，所述冷凝空间（11）向下通过至少一个底部元件（14）封闭并且至少一束热交换元件（20）基本上竖直取向地布置在所述冷凝空间中，其特征在于，在蒸气空间与冷凝空间之间设有壁元件（40），该壁元件使所述两个空间部分地彼此分离并限定出一从所述蒸气空间到所述冷凝空间中的竖直的转移面，在所述蒸气空间中存在至少一个转向元件（30）用以使从下方上升到蒸气空间中的蒸气朝向所述转移面转向，所述转向元件由于其形状而引起通过所述转移面到所述热交换元件的基本上水平的蒸气流。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，存在至少两个转向元件（30），所述转向元件在蒸气空间（10）入口处将所述水平开口截面分成至少三个入口面并且将从所述蒸气空间（10）到所述冷凝空间（11）中的所述竖直转移面分隔成至少三个出口面，其中入口面的数量等于出口面的数量。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述入口面的几何面积选择成使得通过所述相应入口面的体积流量互相相差不超过10%，优选不超过5%，并且出口面的几何面积互相相差不超过10%，优选不超过5%。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述入口面的几何面积互相相差不超过10%，优选不超过5%，并且所述出口面的几何面积互相相差不超过10%，优选不超过5%。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述转向元件（30）具有圆角，使得在从进入所述蒸气空间（10）处的竖直流动方向转移到所述冷凝空间（11）时的水平流动方向过渡时蒸气流基本上不存在湍流或涡流。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，第一底部元件（14）至少部分地布置在所述至少一束热交换元件（20）下方，使得形成在该束上的冷凝物能够由所述第一底部元件（14）收集，并且由于其形状而单独地形成用于所述冷凝物的第一收集空间（12）或连同所述容器壁的一部分和/或所述壁元件（40）的一部分一起形成用于所述冷凝物的第一收集空间（12）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，在所述冷凝空间（11）中沿着蒸气流动方向观察在所述至少一束热交换元件（20）的下游存在一束附加热交换元件（21）。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，第二底部元件（15）至少部分地在所述一束附加热交换元件（21）下方布置在所述冷凝空间（11）中，使得形成在该束上的冷凝物能够由所述第二底部元件（15）收集，并且所述第二底部元件由于其形状而单独或连同所述容器壁的一部分和/或所述壁元件（40）的一部分一起形成用于该冷凝物的第二收集空间（13）。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第二收集空间（13）与所述第一收集空间（12）分离，并且存在用于将冷凝物从两个所述收集空间（12，13）分开排出的至少两个出口（17，18）。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，所述至少一束热交换元件（20）和/或所述一束附加热交换元件（21）是管束。

11.一种塔，根据权利要求1至10中任一项所述的设备作为塔顶冷凝器布置在所述塔的顶部区域内，并且所述塔还包括用于所述热交换元件和可选地附加热交换元件的一个或多个冷却介质入口（24）和一个或多个冷却介质出口（25）以及用于排出收集在所述冷凝空间中的冷凝物的至少一个出口（17，18）。

12.根据权利要求11所述的塔，其中，所述至少一束热交换元件（20）和/或所述一束附加热交换器（21）以可移除的方式安装在所述塔中。

13.根据权利要求11或12所述的塔，其中，所述塔的盖具有用于所述至少一束热交换元件（20，21）的容纳装置，其中所述容纳装置包括双凸缘，其中所述热交换元件的束通过第一凸缘（26）以气密方式与所述塔结合并且所述热交换元件的冷却介质侧可经由所述第二凸缘（27）接近。

14.一种借助根据权利要求1至10中的至少一项所述的设备来冷凝蒸气流的方法，其中，所述蒸气空间（10）中的绝对压力不超过200毫巴，优选50毫巴，特别是10毫巴。

15.一种借助根据权利要求1至10中的至少一项所述的设备来冷凝蒸气流的方法，其中，所述蒸气流包括在冷凝期间在所述热交换元件上形成沉淀物的成分。

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