CN104864734A - 冷凝器及冷凝方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环保技术，公开了一种冷凝器及冷凝方法。包含：待冷凝气体换热管，冷源换热管和壳体，壳体内为换热区，且换热区内有缓冲气体，待冷凝气体换热管和冷源换热管平行，且待冷凝气体换热管和冷源换热管均位于所述换热区内，待冷凝气体换热管中的待冷凝气体通过缓冲气体与冷源换热管中的冷源进行热交换。与现有技术相比，能够避免换热管因为管内外温差较大而结霜，提高了传热系数，降低了冷源消耗。

Description

冷凝器及冷凝方法

技术领域

本发明涉及环保技术，特别涉及冷凝器及冷凝方法。

背景技术

液氮冷凝法是挥发性有机物及油气回收的主要工艺之一,它利用液氮作为冷源将挥发性有机物或油气的热量置换出来，实现挥发性有机物或油气组分从气相到液相直接转换。其工作原理是根据挥发性物质在不同温度性的蒸汽压的差异，通过降温使其油气中一些烃类成饱和状态，并冷凝下来并进行回收利用。但是常规冷凝器采用液氮为冷源去冷凝挥发性有机物或油气时，对挥发性有机物或油气的冷凝一般是将液氮通入换热管，挥发性有机物或油气通入壳体，即液氮走管程，挥发性有机物或油气走壳程，通过换热管的管壁换热冷凝，但是液氮在气化时焓值很大，促使挥发性有机物或油气与液氮之间的温差过大，容易导致挥发性有机物或油气中的碳氢化合物容易在换热管壁上结霜，一旦结霜，传热系数就会降低，就要消耗更多的冷源才能将待冷凝气体冷凝到目标状态，严重时可堵塞换热管道，导致冷凝器无法工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷凝器及冷凝方法，能够避免换热管因为管内外温差较大而结霜，提高传热系数，降低冷源消耗。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种冷凝器，包含：待冷凝气体换热管，冷源换热管和壳体，所述壳体内为换热区，且所述换热区内有缓冲气体；

所述待冷凝气体换热管和冷源换热管平行，且所述待冷凝气体换热管和冷源换热管均位于所述换热区内；

所述待冷凝气体换热管中的待冷凝气体通过所述缓冲气体与所述冷源换热管中的冷源进行热交换。

本发明还提供了一种冷凝方法，包含以下步骤：

将冷源通入冷源换热管，并将将缓冲气体通入壳体内的换热区；

将待冷凝气体通入待冷凝气体换热管中；

所述待冷凝气体通过所述缓冲气体与所述冷源进行热交换。

现有技术中对待冷凝气体的冷凝一般是将冷源通入换热管，待冷凝气体通入壳体，两者通过换热管的管壁进行热交换。但是由于待冷凝气体与冷源之间的温差过大，容易导致换热管结霜，一旦结霜，传热系数就会降低，就要消耗更多的冷源才能将待冷凝气体冷凝到目标状态，严重时可堵塞换热管道，导致冷凝器无法工作。本发明实施方式相对于现有技术而言，在待冷凝气体换热管与冷源换热管之间设置换热区，换热区内有缓冲气体，该缓冲气体的温度介于待冷凝气体与冷源之间，在待冷凝气体与冷源之间进行换热时，冷源的低温首先将缓冲气体降温，缓冲气体再把低温传输给待冷凝气体，使得待冷凝气体换热管不会因为管内外温差过大而结霜，有效的提高了传热系数，节约冷源消耗，而且本发明中的冷源与待冷凝气体是非接触的，一次冷凝后，冷源还可以被回收再利用，除此之外，本发明中的冷凝器结构紧凑，体积较小，运行可靠性高，不易出故障。

优选地，还包含折流板，且所述壳体上包含换热后缓冲气体出口和冷源管程入口；

所述冷源管程入口与所述冷源换热管的下端相连，且所述冷源管程入口在所述换热后缓冲气体出口之上；

所述折流板位于所述冷源管程入口与换热后缓冲气体出口之间的换热区内。

本发明中将换热后缓冲气体出口的位置设计成低于冷源管程入口的位置，在换热后缓冲气体出口与冷源管程入口之间的换热区设置折流板，冷的缓冲气体通过折流板流动，仅与热的待冷凝气体换热管接触，待冷凝气体被冷却，冷的缓冲气体被加热，所以换热后的缓冲气体离开冷凝器的温度比较高，液氮冷量利用率高。

优选地，还包含上气液分离室和下气液分离室；

所述上气液分离室和下气液分离室分别位于所述壳体的顶部和底部，且所述上气液分离室通过所述待冷凝气体换热管与所述下气液分离室相连。

上气液分离室和下气液分离室用于将待冷凝气体被冷凝后的固态和气态进行分离回收排放，当待冷凝气体流量起伏很大时，待冷凝气体会夹带小液滴进入上气液分离室，此时需要通过上气液分离室将待冷凝气体与小液滴分离，或者从上一级冷凝器预冷后的待冷凝气体夹带小液滴进入下气液分离室，由于空间扩大，待冷凝气体气体流速减慢，停留时间较长，小液滴就会与待冷凝气体气体分离，形成冷凝液，冷凝液将沿着待冷凝换热管的管壁自上而下流入下气液分离室后回收，待冷凝气体的剩余气体成分将会被继续冷凝或沿着待冷凝换热管的管壁自下而上流向上气液分离室后被排入大气。

优选地，还包含不凝气体出口、冷凝液出口和冷凝液收集罐；

所述不凝气体出口与所述上气液分离室相连，所述冷凝液出口与所述下气液分离室相连，所述下气液分离室与所述冷凝液收集罐相连。

不凝气体出口与上气液分离室相连，便于冷凝后待冷凝气体的剩余气体成分排入大气，冷凝液出口与下气液分离室相连，下气液分离室与冷凝液收集罐相连，便于冷凝液通过下气液分离室流入冷凝液收集罐后回收。

优选地，所述下气液分离室内置气体分布器，且所述下气液分离室上具有待冷凝气体入口；

所述气体分布器与所述待冷凝气体入口相连。

下气液分离室内置气体分布器，使得当待冷凝气体进入下气液分离室后能分布均匀地通过管板进入待冷凝气体换热管进行换热。

优选地，所述壳体上还包含冷源气体管程出口和冷源气体壳程入口；

所述冷源气体管程出口与所述冷源换热管的上端以及冷源气体壳程入口相连。

由于换热区内的缓冲气体与冷源换热管中的冷源之间存在温差，冷源进入冷源换热管后会与缓冲气体换热，缓冲气体吸收冷源的冷能变成冷的缓冲气体，冷源吸收缓冲气体的热量变成气态流向冷源气体管程出口处，进一步流向与之相连的冷源气体壳程入口进入壳体内，进一步降低缓冲气体的温度，这样就实现冷源与待冷凝气体之间以缓冲气体为传热媒介的换热。

优选地，所述待冷凝气体的流速决定所述待冷凝气体换热管的管径和数目。

本发明中冷凝器中的待冷凝气体换热管的管径大小以及换热管的数目是可变的，根据待冷凝气体的流速决定换热管的管径和数目，流速大就需要增大管径或增加换热管数目，以避免出现气液夹带的现象，使得本发明中的冷凝器不仅能满足冷凝的需要，还要满足气液分离的要求。

优选地，所述待冷凝气体换热管和冷源换热管均为缠绕式盘管。

缠绕式盘管与其周围的缓冲气体接触面积较大，利于管内的待冷凝气体和冷源与管周围的缓冲气体充分换热。

优选地，所述冷源为液氮，所述缓冲气体为氮气。

本发明优选冷源和缓冲气体为同一种物质的不同种形态，一方面避免了相互污染，另一方面在本发明中，由于氮气的焓值远小于液氮的焓值，因此，只要氮气的温度控制在高于待冷凝气体中各组分熔点的温度，待冷凝气体就不会在待冷凝气体换热管内由于结霜而堵塞。

优选地，所述待冷凝气体为挥发性的有机物或油气。

本发明中的待冷凝气体主要为挥发性有机物或油气，解决现有技术中挥发性有机物及油气回收利用的问题，关系到环境污染和人体健康，意义重大。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式和第二实施方式中的冷凝器示意图；

图2是本发明第三实施方式中的冷凝方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种冷凝器。具体如图1所示，包含：待冷凝气体换热管1，冷源换热管2和壳体3，壳体内为换热区，且换热区内有缓冲气体，待冷凝气体换热管和冷源换热管平行，且待冷凝气体换热管和冷源换热管均位于换热区内，待冷凝气体换热管中的待冷凝气体通过缓冲气体与冷源换热管中的冷源进行热交换。

本实施方式中的冷凝器中，待冷凝气体换热管与冷源换热管相互独立，并与换热区通过管壁隔开，能够保证在冷凝结束后冷源和缓冲气体不被污染，可以回收再利用，例如可以用于惰性保护等，冷凝后的待冷凝气体的液态或固态也能够方便的收集；待冷凝气体换热管内的待冷凝气体与冷源换热管内的冷源之间的换热是通过换热区内的缓冲气体完成的，由于缓冲气体的存在，能够尽量避免因为待冷凝气体与冷源之间由于温差过大而容易在换热管内结霜。

值得一提的是，上述待冷凝气体换热管和冷源换热管均为缠绕式盘管，缠绕式盘管与其周围的缓冲气体接触面积较大，利于管内的待冷凝气体和冷源与管周围的缓冲气体充分换热。本实施方式中优选冷源和缓冲气体为同一种物质的不同种形态，避免了相互污染，本文优选液氮作为冷源，氮气为缓冲气体，因为液氮能够达到-196摄氏度，是常用的效果较好的冷源；另一方面，由于氮气的焓值远小于液氮的焓值，因此，只要氮气的温度控制在高于待冷凝气体中各组分熔点的温度，待冷凝气体就不会在待冷凝气体换热管内由于结霜而堵塞。

本实施方式中的冷凝器中还均包含上气液分离室4和下气液分离室5，上气液分离室和下气液分离室分别位于壳体的顶部和底部，且上气液分离室通过待冷凝气体换热管与下气液分离室相连。上气液分离室和下气液分离室用于将待冷凝气体被冷凝后的固态和气态进行分离回收排放，当待冷凝气体流量起伏很大时，待冷凝气体会夹带小液滴进入上气液分离室，此时需要通过上气液分离室将待冷凝气体与小液滴分离，或者从上一级冷凝器预冷后的待冷凝气体夹带小液滴进入下气液分离室，由于空间扩大，待冷凝气体气体流速减慢，停留时间较长，小液滴就会与待冷凝气体气体分离，形成冷凝液，冷凝液将沿着待冷凝换热管的管壁自上而下流入下气液分离室后回收，待冷凝气体的剩余气体成分将会被继续冷凝或沿着待冷凝换热管的管壁自下而上流向上气液分离室后被排入大气。其中，下气液分离室5内置气体分布器6，且下气液分离室上具有待冷凝气体入口7，气体分布器与待冷凝气体入口相连。下气液分离室内置气体分布器，使得当待冷凝气体进入下气液分离室后能分布均匀地通过管板进入待冷凝气体换热管进行换热。

本实施方式中的冷凝器中还包含不凝气体出口8、冷凝液出口9和冷凝液收集罐10，不凝气体出口与上气液分离室相连，便于冷凝后待冷凝气体的剩余气体成分排入大气，冷凝液出口与下气液分离室相连，下气液分离室与冷凝液收集罐相连，便于冷凝液通过下气液分离室流入冷凝液收集罐后回收。

本实施方式中的冷凝设备还包含折流板（图中未示出），壳体上包含换热后缓冲气体出口11和冷源管程入口12，冷源管程入口与冷源换热管的下端相连，且冷源管程入口在换热后缓冲气体出口之上，折流板位于冷源管程入口与换热后缓冲气体出口之间的换热区内。本实施方式中将换热后缓冲气体出口的位置设计成低于冷源管程入口的位置，在换热后缓冲气体出口与冷源管程入口之间的换热区设置折流板，冷的缓冲气体通过折流板流动，仅与热的待冷凝气体换热管接触，待冷凝气体被冷却，冷的缓冲气体被加热，所以换热后的缓冲气体离开冷凝器的温度仅比待冷凝气体入口温度低10～20℃，充分利用了冷源的冷量，降低了冷源的消耗。

另外，壳体上还包含冷源气体管程出口13和冷源气体壳程入口14，冷源气体管程出口与冷源换热管的上端以及冷源气体壳程入口相连。由于换热区内的缓冲气体与冷源换热管中的冷源之间存在温差，冷源进入冷源换热管后会与缓冲气体换热，缓冲气体吸收冷源的冷能变成冷的缓冲气体，冷源吸收缓冲气体的热量变成气态流向冷源气体管程出口处，进一步流向与之相连的冷源气体壳程入口进入壳体内，进一步降低缓冲气体的温度，这样就实现冷源与待冷凝气体之间以缓冲气体为传热媒介的换热。

值得一提的是，本发明中冷凝器中的待冷凝气体换热管的管径大小以及换热管的数目是可变的，根据待冷凝气体的流速决定换热管的管径和数目，流速大就需要增大管径或增加换热管数目，以避免出现气液夹带的现象，使得本发明中的冷凝器不仅能满足冷凝的需要，还要满足气液分离的要求。

现有技术中对待冷凝气体的冷凝一般将冷源通入换热管，待冷凝气体通入壳体，两者通过换热管的管壁进行热交换。但是由于待冷凝气体与冷源之间的温差过大，容易导致换热管结霜，一旦结霜，传热系数就会降低，就要消耗更多的冷源才能将待冷凝气体冷凝到目标状态，严重时可堵塞换热管道，导致冷凝器无法工作。本发明实施方式相对于现有技术而言，在待冷凝气体换热管与冷源换热管之间设置换热区，换热区内有缓冲气体，该缓冲气体的温度介于待冷凝气体与冷源之间，在待冷凝气体与冷源之间进行换热时，冷源的低温首先将缓冲气体降温，缓冲气体再把低温传输给待冷凝气体，使得待冷凝气体换热管不会因为管内外温差过大而结霜，有效的提高了传热系数，节约冷源消耗，而且本发明中的冷源与待冷凝气体是非接触的，一次冷凝后，冷源还可以被回收再利用，除此之外，本发明中的冷凝器结构紧凑、简单，运行可靠性高，不易出故障。

本发明的第二实施方式涉及一种冷凝器。第二实施方式为第一实施方式的一个具体实施例。

为了方便理解，下面将以挥发性有机物为待冷凝气体、液氮为氮源以及氮气为缓冲气体为例，结合图1对本实施方式中的冷凝器的工作原理做详细描述。

挥发性有机物从待冷凝气体入口7进入下气液分离室5，其中的气体分布器6将挥发性有机物分布均匀地经下管板15进入待冷凝气体换热管1，挥发性有机物在待冷凝气体换热管1内与管外的冷氮气进行热交换。而液氮经过冷源管程入口12进入冷源换热管2，在冷源换热管2内与管外的氮气热交换，液氮被气化，生成冷氮气经冷源气体管程出口13和冷源气体壳程入口14进入壳体3内的换热区，沿着待冷凝气体换热管1和冷源换热管2管间的空隙，由上而下螺旋运动。由于冷氮气的温度，高于液氮，遇到冷源换热管2，冷氮气使液氮气化，冷氮气被进一步冷却；再因为冷氮气的温度低于挥发性有机物，遇到待冷凝气体换热管1，冷氮气冷凝挥发性有机物，使挥发性有机物液化，冷氮气被加热，冷凝后有机物中的不凝气体组分由上管板16进入上气液分离室4后经不凝气体出口8排入大气，冷凝后的液体成分沿待冷凝气体换热管1的管壁自上而下流入下气液分离室5，再经过冷凝液出口9回收到冷凝液收集罐10中；换热后的缓冲气体经换热后缓冲气体出口11排出。在壳体3换热区内的氮气起到一个传热媒介的作用，再因为氮气的焓值远小于液氮焓值，因此，只要冷氮气的温度控制在高于挥发性有机物组分熔点温度，挥发性有机物就不会在待冷凝气体换热管1内结霜。

本实施方式中的整个冷凝过程都是由PLC自动控制，方便用户使用。

不难发现，本实施方式为第一实施方式中的一个具体的实施例，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

本发明第三实施方式涉及一种冷凝方法。具体流程如图2所示。

步骤201：将冷源通入冷源换热管，并将将缓冲气体通入壳体内的换热区。

步骤202：将待冷凝气体通入待冷凝气体换热管中。

步骤203：待冷凝气体通过缓冲气体与冷源进行换热。

本实施方式中各步骤的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种冷凝器，其特征在于，包含：待冷凝气体换热管，冷源换热管和壳体，所述壳体内为换热区，且所述换热区内有缓冲气体；

所述待冷凝气体换热管和冷源换热管平行，且所述待冷凝气体换热管和冷源换热管均位于所述换热区内；

所述待冷凝气体换热管中的待冷凝气体通过所述缓冲气体与所述冷源换热管中的冷源进行热交换。

2.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包含折流板，且所述壳体上包含换热后缓冲气体出口和冷源管程入口；

所述冷源管程入口与所述冷源换热管的下端相连，且所述冷源管程入口在所述换热后缓冲气体出口之上；

所述折流板位于所述冷源管程入口与换热后缓冲气体出口之间的换热区内。

3.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包含上气液分离室和下气液分离室；

所述上气液分离室和下气液分离室分别位于所述壳体的顶部和底部，且所述上气液分离室通过所述待冷凝气体换热管与所述下气液分离室相连。

4.根据权利要求3所述的冷凝器，其特征在于，还包含不凝气体出口、冷凝液出口和冷凝液收集罐；

所述不凝气体出口与所述上气液分离室相连，所述冷凝液出口与所述下气液分离室相连，所述下气液分离室与所述冷凝液收集罐相连。

5.根据权利要求3所述的冷凝器，其特征在于，所述下气液分离室内置气体分布器，且所述下气液分离室上具有待冷凝气体入口；

所述气体分布器与所述待冷凝气体入口相连。

6.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述壳体上还包含冷源气体管程出口和冷源气体壳程入口；

所述冷源气体管程出口与所述冷源换热管的上端以及冷源气体壳程入口相连。

7.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述待冷凝气体的流速决定所述待冷凝气体换热管的管径和数目。

8.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述待冷凝气体换热管和冷源换热管均为缠绕式盘管。

9.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述冷源为液氮，所述缓冲气体为氮气。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述待冷凝气体为挥发性的有机物或油气。

11.一种冷凝方法，其特征在于，包含以下步骤：

将冷源通入冷源换热管，并将将缓冲气体通入壳体内的换热区；

将待冷凝气体通入待冷凝气体换热管中；

所述待冷凝气体通过所述缓冲气体与所述冷源进行换热。