CN104131140B - 一种传质交换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传质交换装置，包括发生装置和与发生装置相连接的汽化器，所述发生装置包括柜式结构的机箱、设置在机箱内的电解槽、设置在机箱内且一端与电解槽相连接的阴极气液分离装置、设置在机箱内且一端与电解槽相连接的阳极气液分离装置以及设置在机箱内且一端与换热器壳程循环出口端相连接的吸附系统；本发明还公开了一种传质交换方法，包括生产准备步骤S10、启动步骤S11、气液分离步骤S12、混合程序S13、吸附程序S14和净化程序S15。本发明中的多元混合气体经过吸附系统，经过加热，多元混合气体内的杂质和水分被吸附，使得杂质更少，氢气纯度更高，耗电少、高效安全，从而满足金属材料表面光亮退火要求。
Description
技术领域
本发明属于热处理设备技术领域，主要适用于铁及铁基合金、铜及铜基合金的冷轧板、带、管、丝等金属材料表面光亮退火过程，具体涉及一种传质交换装置及传质交换方法。
背景技术
光亮热处理又叫光亮退火(bright annealing)。
光亮退火：是指在热处理过程中(主要是淬火和退火)，采用气体保护或者是真空状态，避免或减少被热处理的工件表面与氧气接触而发生氧化，从而达到工件表面的光亮或相对光亮。一般来说，铁及铁基合金的冷轧板、带、管、丝等金属材料表面光亮退火是在保护气氛中实现的，铜及铜基合金的冷轧板、带、管、丝等金属材料表面光亮退火也是在保护气氛中实现的。
光亮退火时，保护气氛有单一的惰性气体氩或氦，也有混合气体CO-H2-N2-CO2(DX)，N2-H2(HNX)，N2-CO2-H2等，这些混合气体中的成分经过调整能使金属材料退火过程中的氧化与还原、脱碳与渗碳速度相等，从而实现金属材料的无氧化和无脱碳的退火，退火后金属材料表面有不可见的氧化膜，保护金属光泽，光亮退火取决于H2O、CO2、H2气氛和Fe的氧化还原反应，N2和其他惰性气体是钢的中性保护气氛，其中N2应用最多，但必须除去其中的氧性化气氛，方能起到良好的保护作用，一般常用N2与H2的混合保护气氛。
目前金属材料表面光亮退火时，大都采用一种冷却气体——液氨。液氨经高温分解后会产生75％～80％的氢气和20％～25％的氮气。氨燃烧气氛是一种氮基可控气氛，可用于铁基合金、铜基合金等材料的表面光亮退火，正火，淬火，回火，钎焊及时效等多种热处理的保护气氛，又可作为粉末冶金的还原和烧结气氛，使得金属经过热处理后能保持金属材料表面原有的光亮度。液氨及氨气是有毒、易燃气体，CAS:7664-41-7，属国家安监部门重点监管的危险化学品之一，使用单位必须专人持证上岗，如储存量超过临界量将构成重大危险源；使用时操作不当或发生泄漏会造成人员中毒、爆炸和环境污染；液氨分解出来的氢气也属易燃易爆气体，如操作或使用不当，也极易产生爆炸，造成重大人员和财产损失；液氨分解时需要消耗大量的能源，使得光亮退火工艺成本居高不下。
随着生活水平的提高，人们对产品材质及表面质量提出了更高的要求，不锈钢制作的产品在日常生活中随处可见，而且不锈钢制品越来越多，不锈钢表面光亮，而且耐蚀，不锈带钢要达到BA板的要求，必须非常严格地控制炉内保护气氛，不锈带钢的主要合金成分为Fe、Cr、Ni、Mn、Ti、Si等，在退火温度范围内，Fe、Ni的氧化不是主要问题，但Cr、Mn、Si、Ti的氧化区间恰好在加热温度范围内，正是Cr、Mn、Si、Ti这些合金元素的氧化影响了带钢的表面光亮度，特别是铬的氧化使带钢表面脱铬，会降低不锈钢的耐蚀性。
传统金属材料表面光亮退火时保护气氛大多采用液氨分解实现，采用液氨分解既危险且成本高，所以急需安全、高效、成本低的保护气氛替代品，特别是保护气氛替代品的控制设备及过程控制方法。
中国专利CN201210408034.5公开了一种传质交换器，它包括反应管、管道、控制阀、显示器和电路控制部分，反应管的进口管道与氢气管道和传质气体管道连通，氢气管道和传质气体管道上分别设有氢气和传质气体的流量控制装置，反应管内的进口端设有加热设备，反应管内置设有分子筛，反应管的出口管道与过滤器连接后由混合气体管道引入退火炉内。
上述专利取代了传统以氨气做为唯一保护气氛的方式，该专利采用了多种惰性气体与氢气的混合气体作为保护气氛，但是在实施过程中还存在诸多问题，例如氢气纯度低，在气体混合反应过程中混杂有大量氧气，气体干燥不充分，电能消耗多，存在一定水分，气体在流通过程中混合了管道内的灰尘杂质，从而影响金属材料表面光亮退火效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种氢气纯度高、不含杂质、耗电少、高效安全、满足光亮退火要求的传质交换装置及传质交换方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种传质交换装置，包括发生装置和与发生装置相连接的汽化器，所述发生装置包括柜式结构的机箱、设置在机箱内的电解槽、设置在机箱内且一端与电解槽相连接的阴极气液分离装置、设置在机箱内且一端与电解槽相连接的阳极气液分离装置、设置在机箱内且一端与阴极气液分离装置相连接的气体洗涤装置、设置在机箱内且一端与气体洗涤装置相连接的反应管、设置在机箱内且一端与反应管入口端相连接的换热器以及设置在机箱内且一端与换热器壳程循环出口端相连接的吸附系统，所述吸附系统包括若干个串联/并联的吸附筒或者若干个串联与并联混合的吸附筒；所述汽化器包括汽化器支架和设置在汽化器支架内的汽化器管。
进一步的，所述吸附筒包括设置在机箱内且一端与换热器壳程循环出口端相连接的第二吸附筒、设置在机箱内且一端与换热器壳程循环出口端相连接的第四吸附筒、设置在机箱内且一端与第二吸附筒相连接的第一吸附筒以及设置在机箱内且一端与第四吸附筒相连接的第三吸附筒。
进一步的，所述传质交换装置还包括设置在机箱内且一端与第一吸附筒及第三吸附筒相连接的除尘器以及设置在机箱内且一端与除尘器相连接并且另一端与退火炉相连接的露点传感器。
进一步的，所述反应管入口端和所述换热器内循环出口端之间设有流量计，所述反应管出口端与所述换热器内循环入口端相连接。
更进一步的，所述反应管和吸附筒内均设有分子筛；所述吸附筒内设有加热装置。
根据本发明的又一发明目的，本发明提供了一种传质交换方法，包括以下步骤：
生产准备步骤S10：将装有低温液体的杜瓦罐连接在汽化器的传质入口端，开启阀门使低温液体进入汽化器内气化形成惰性混合气体；
启动步骤S11：连接总电源，开启设备电源，开启电解槽使电解槽工作，同时汽化器内的惰性混合气体通过换热器的内循环通道进入自动控制阀件；
气液分离步骤S12：阳极气液分离装置将氧气和液体进行分离，阴极气液分离装置将氢气和液体进行分离，气液分离后，氢气进入气体洗涤装置内洗涤；
混合程序S13：经洗涤装置洗涤后的氢气进入反应管内，在PLC组件控制下，自动控制阀件开启，惰性混合气体进入反应管内与氢气混合形成多元混合气体，氢气占多元混合气体的比例为4％～25％；
吸附程序S14：多元混合气体经过换热器的壳程循环通道后进入吸附系统，低氢气氛时，O2<10－4、露点为<－50℃；进入退火炉内的多元混合气体的平衡常数KP＝H2/H2O，KP分为5×102～5×103或6×102～6×103或7×102～7×103；进入退火炉内的多元混合气体工作时温度1℃～30℃；
净化程序S15：经过吸附后的多元混合气体进入除尘器内进行净化，净化后的多元混合气体经过露点传感器进入退火炉，进入退火炉内的多元混合气体露点为－30℃～－60℃，净化后的多元混合气体尘埃颗粒为0.5μ，尘埃颗粒≤3.5粒/L,净化后的多元混合气体含油量≤1ppm。
进一步的，所述气液分离步骤S12具体为：阳极气液分离装置将氧气和液体进行分离，气液分离后，氧气通过阳极气液分离装置上的出气管道排出，液体回流到电解槽内，阴极气液分离装置将氢气和液体进行分离，气液分离后，液体回流到电解槽内，氢气进入气体洗涤装置内洗涤，氢气经气体洗涤装置洗涤，使氢气内含有的残碱及杂质被清洗去除掉。
进一步的，所述混合程序S13具体为：经洗涤装置洗涤后的氢气进入反应管内，在PLC组件控制下，自动控制阀件开启，惰性混合气体进入反应管内与氢气混合形成多元混合气体，加热装置加热，使多元混合气体内的残留氧气被消耗彻底去除，氢气占多元混合气体的比例为4％～25％，氢气与惰性混合气体混合时温度为50℃～200℃。
进一步的，所述吸附程序S14具体为：多元混合气体经过换热器的壳程循环通道后进入吸附系统，在PLC组件控制下，加热装置加热，多元混合气体内的杂质和水分被吸附，分子筛再生时温度为100℃～300℃，低氢气氛时，O2<10－4、露点为<－50℃；进入退火炉内的多元混合气体的平衡常数KP＝H2/H2O，KP分为5×102～5×103或6×102～6×103或7×102～7×103；进入退火炉内的多元混合气体工作时温度1℃～30℃。
进一步的，所述换热器壳程循环通道内的多元混合气体与换热器内循环通道内的惰性混合气体在经过换热器时实现热量交换。
本发明的优点为：
本发明使得多元混合气体中含氢适量，使得传质交换装置使用时更加安全；气液分离后，液体回流到电解槽内，电解液能够循环使用，节约原料，耗电少；氢气经气体洗涤装置洗涤，使氢气内含有的残碱及杂质被清洗去除掉，使得氢气纯度高、不含杂质；除尘器相连接在露点传感器前端，可除去多元混合气体内杂质，多元混合气体经过换热器的壳程循环通道后进入吸附系统，经过加热装置加热，多元混合气体内的杂质和水分被吸附，使得杂质更少，氢气纯度更高，从而满足金属材料表面光亮退火要求。
附图说明
构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。
图1为本发明提供的立体结构示意图；
图2为本发明提供的发生装置后视结构示意图；
图3为本发明提供的发生装置侧视结构示意图；
图4为本发明提供的流程示意图。
其中，附图标记：
1为发生装置、2为机箱、3为电解槽、4为阴极气液分离装置、5为气体洗涤装置、6为除尘器、7为换热器、8为自动控制阀件、9为传质气体管道、10为反应管、11为分子筛、300为吸附系统、310为吸附筒、311为第一吸附筒、312为第二吸附筒、313为第三吸附筒、314为第四吸附筒、16为汽化器支架、17为汽化器出气口、18为断路器组件、19为继电器组件、20为PLC组件、21为流量计、22为阳极气液分离装置、23为加热装置、24为汽化器、25为传质入口、26为汽化器管、27为露点传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
参考图1至图3，如图1所示的一种传质交换装置，其中，所述传质交换装置包括发生装置1和与发生装置1相连接的汽化器24。
如图1所示，发生装置1由柜式结构的机箱2、设置在机箱2内的电解槽3、设置在机箱2内且一端与电解槽3相连接的阴极气液分离装置4、设置在机箱2内且一端与电解槽3相连接的阳极气液分离装置22、设置在机箱2内且一端与阴极气液分离装置4相连接的气体洗涤装置5、设置在机箱2内且一端与气体洗涤装置5相连接的反应管10、设置在机箱2内且一端与反应管10入口端相连接的换热器7以及设置在机箱2内且一端与换热器7壳程循环出口端相连接的吸附系统300。
如图2所示吸附系统300包括四个吸附筒310(未示出)；反应管10和吸附筒310(未示出)内均设有分子筛11；吸附筒310内设有加热装置23。
如图2所示吸附筒310包括设置在机箱2内且一端与换热器7壳程循环出口端相连接的第二吸附筒312、设置在机箱2内且一端与换热器7壳程循环出口端相连接的第四吸附筒314、设置在机箱2内且一端与第二吸附筒312相连接的第一吸附筒311以及设置在机箱2内且一端与第四吸附筒314相连接的第三吸附筒313，第二吸附筒312和第一吸附筒311为串联连接，第四吸附筒314和第三吸附筒313也为串联连接，上述两串联后的吸附筒310再并联连接在一起，这样使得多元混合气体内的杂质和水分被充分吸附，提高气体纯度。
如图1和2所示，在机箱2内且一端与第一吸附筒311及第三吸附筒313相连接的除尘器6、设置在机箱2内且一端与除尘器6相连接并且另一端与退火炉相连接的露点传感器27。
反应管10入口端和换热器7内循环出口端之间设有流量计21，反应管10出口端与换热器7内循环入口端相连接，换热器7内循环入口端设有传质气体管道9。
如图3所示机箱2内还设有断路器组件18、继电器组件19和PLC组件20。
如图3所示汽化器24由汽化器支架16和设置在汽化器支架16内的汽化器管26组成，汽化器24上设有两个传质入口25，汽化器24上设有汽化器出气口17。
实施例2
参考图4，如图4所示的一种传质交换方法，包括以下步骤：
生产准备步骤S10：将装有低温液体的杜瓦罐连接在汽化器24的传质入口25端，开启阀门使低温液体进入汽化器24内气化形成惰性混合气体；
启动步骤S11：连接总电源，开启设备电源，开启电解槽3使电解槽3工作，同时汽化器24内的惰性混合气体通过换热器7的内循环通道进入自动控制阀件8；所述换热器7壳程循环通道内的多元混合气体与换热器7内循环通道内的惰性混合气体在经过换热器7时实现热量交换，这样减少能源消耗，提高能源利用率；
气液分离步骤S12：阳极气液分离装置22将氧气和液体进行分离，阴极气液分离装置4将氢气和液体进行分离，气液分离后，氢气进入气体洗涤装置5内洗涤；
优选地，气液分离步骤S12具体为：阳极气液分离装置22将氧气和液体进行分离，气液分离后，氧气通过阳极气液分离装置22上的出气管道排出，液体回流到电解槽3内，阴极气液分离装置4将氢气和液体进行分离，气液分离后，液体回流到电解槽3内，氢气进入气体洗涤装置5内洗涤，氢气经气体洗涤装置5洗涤，使氢气内含有的残碱及杂质被清洗去除掉；
混合程序S13：经洗涤装置5洗涤后的氢气进入反应管10内，在PLC组件20控制下，自动控制阀件8开启，惰性混合气体进入反应管10内与氢气混合形成多元混合气体，氢气占多元混合气体的比例为4％～25％；
优选地，混合程序S13具体为：经洗涤装置5洗涤后的氢气进入反应管10内，在PLC组件20控制下，自动控制阀件8开启，惰性混合气体进入反应管10内与氢气混合形成多元混合气体，加热装置23加热，使多元混合气体内的残留氧气被消耗彻底去除，氢气占多元混合气体的比例为4％～25％，氢气与惰性混合气体混合时温度为50℃～200℃，这样可以充分消耗残留氧气；
吸附程序S14：多元混合气体经过换热器7的壳程循环通道后进入吸附系统300，低氢气氛时，O2<10－4、露点为<－50℃；进入退火炉内的多元混合气体的平衡常数KP＝H2/H2O，KP分为5×102～5×103或6×102～6×103或7×102～7×103；进入退火炉内的多元混合气体工作时温度1℃～30℃；
优选地，吸附程序S14具体为：多元混合气体经过换热器7的壳程循环通道后进入吸附系统300，在PLC组件20控制下，加热装置23加热，多元混合气体内的杂质和水分被吸附，分子筛11再生时温度为100℃～300℃，低氢气氛时，O2<10－4、露点为<－50℃；进入退火炉内的多元混合气体的平衡常数KP＝H2/H2O，KP分为5×102～5×103或6×102～6×103或7×102～7×103，氢气的流量是惰性混合气体的瞬时流量，PLC组件20接受到流量计21的信号，流量计21的流量数值经PLC组件20运算，PLC组件20依据设定参数判断，对电解槽3的功率实现自动控制，这样既可以控制氢气的流量，还可以节省电能，H2O的含量依靠PLC组件20和露点传感器27实现控制；进入退火炉内的多元混合气体工作时温度1℃～30℃。
净化程序S15：经过吸附后的多元混合气体进入除尘器6内进行净化，净化后的多元混合气体经过露点传感器27进入退火炉，进入退火炉内的多元混合气体露点为－30℃～－60℃，露点影响BA板的耐蚀性，随着露点的提高，BA板的耐蚀性明显降低，露点越高，保护气氛的含H2O量就越高，会加速Cr的高温氧化，这种高温氧化膜对BA板的耐蚀性不利，多元混合气体中H2O的含量依靠PLC组件20和露点传感器27实现控制，净化后的多元混合气体尘埃颗粒为0.5μ,尘埃颗粒≤3.5粒/L,净化后的多元混合气体含油量≤1ppm。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种传质交换装置，其特征在于，包括发生装置(1)和与发生装置(1)相连接的汽化器(24)，
所述发生装置(1)包括柜式结构的机箱(2)、设置在机箱(2)内的电解槽(3)、设置在机箱(2)内且一端与电解槽(3)相连接的阴极气液分离装置(4)、设置在机箱(2)内且一端与电解槽(3)相连接的阳极气液分离装置(22)、设置在机箱(2)内且一端与阴极气液分离装置(4)相连接的气体洗涤装置(5)、设置在机箱(2)内且一端与气体洗涤装置(5)相连接的反应管(10)、设置在机箱(2)内且一端与反应管(10)入口端相连接的换热器(7)以及设置在机箱(2)内且一端与换热器(7)壳程循环出口端相连接的吸附系统(300)，所述吸附系统(300)包括若干个串联/并联的吸附筒(310)或者若干个串联与并联混合的吸附筒(310)；
所述汽化器(24)包括汽化器支架(16)和设置在汽化器支架(16)内的汽化器管(26)。
2.根据权利要求1所述的传质交换装置，其特征在于，所述吸附筒(310)包括设置在机箱(2)内且一端与换热器(7)壳程循环出口端相连接的第二吸附筒(312)、设置在机箱(2)内且一端与换热器(7)壳程循环出口端相连接的第四吸附筒(314)、设置在机箱(2)内且一端与第二吸附筒(312)相连接的第一吸附筒(311)以及设置在机箱(2)内且一端与第四吸附筒(314)相连接的第三吸附筒(313)。
3.根据权利要求1所述的传质交换装置，其特征在于，还包括设置在机箱(2)内且一端与第一吸附筒(311)及第三吸附筒(313)相连接的除尘器(6)以及设置在机箱(2)内且一端与除尘器(6)相连接并且另一端与退火炉相连接的露点传感器(27)。
4.根据权利要求1所述的传质交换装置，其特征在于，所述反应管(10)入口端和所述换热器(7)内循环出口端之间设有流量计(21)，所述反应管(10)出口端与所述换热器(7)内循环入口端相连接。
5.根据权利要求1所述的传质交换装置，其特征在于，所述反应管(10)和吸附筒(310)内均设有分子筛(11)；所述吸附筒(310)内设有加热装置(23)。
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