CN105899904B - 立式直管逆流冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是一种立式壳管式直管逆流冷凝器，其中冷凝蒸汽在冷凝器的壳侧上流动，并且冷却水在管侧上流动。本发明的特征在于，逆流冷凝器在壳侧和管侧两者上都是双通道的，由此壳侧上的第一通道的热表面由通道的蒸汽空间(14)中的热表面管(9)构成，其上端附接至上管板(5)、下端连接至下管板(7)，管侧上的第二通道的冷却水流动通过该管；壳侧上的第二通道的热表面由通道的蒸汽空间(15)中的热表面管(10)构成，其上端附接至上管板(5)、下端附接至另一下管板，管侧上的第一通道的冷却水流动通过该管，由此蒸汽空间(14、15)通过划分壳体空间的中间壁(4、50)的上端(11)和上管板(5)之间的开口(12)相互连接；由此壳侧第一通道的蒸汽空间(14)中的蒸汽的流动方向是向上的；并且，另一蒸汽空间(15)中的蒸汽的流动方向是向下的，两个通道的热表面管(9、10)中的冷却水的流动方向都与在所述管的外部流动的蒸汽流为逆流。

Description

立式直管逆流冷凝器

技术领域

本发明的主题是一种用于在亚大气压(sub-atmospheric pressures)下运行的立式壳管式直管逆流冷凝器，其中冷凝蒸汽在冷凝器的壳侧上流动，且冷却水在管侧上流动。

背景技术

当前使用的管式冷凝器通常由单独的初级和次级冷凝器串联而成。冷凝器为卧式或立式设计，蒸汽在壳侧上流动，且冷却水在管侧上流动。冷凝器的壳侧通常为单通道(pass)，且管侧为3通道至6通道。排出蒸气流(其包含最不可凝成分)通常被直接引导至次级冷凝器。初级冷凝器使约80％的冷凝蒸汽冷凝，且次级冷凝器使约20％的冷凝蒸汽冷凝。由初级冷凝器得到的冷凝液(condensate)通常能在过程中例如作为洗涤水重复利用。由次级冷凝器得到的“污冷凝液”则必须通过汽提(stripping)进一步净化。

根据本发明的冷凝器的一个目标是：从冷凝器得到最大量的冷凝液，该冷凝液不含甲醇和有机硫化物，以达到无需单独的汽提步骤就可以重复利用的程度。

发明内容

该目标可通过使用一种冷凝器而实现，其特征在于，该逆流冷凝器在壳侧和管侧上均为双通道，由此壳侧上的第一通道的热表面由热表面管形成，该热表面管的上端附接至上管板，下端附接至下管板；且壳侧上的第二通道的热表面由热表面管形成，该热表面管的上端连接至上管板，下端连接至另一下管板，由此第一通道和第二通道的蒸汽空间通过在划分壳体空间的分隔壁的上端和上管板之间的开口相互连接；由此第一通道的蒸汽空间(蒸汽的主冷凝发生在该空间中)的蒸汽的流动方向是向上的，汽提由该蒸汽形成的逆流向下的冷凝液流；且该蒸汽流动与管侧第二通道冷却水流动为逆流，该冷却水流动在基本上正常压力下在热表面管的内表面上呈现为降膜；且在壳侧第二通道蒸汽空间中的蒸汽流动是向下的，与管中的向上流动的第一通道冷却水流为逆流。

作为本发明的目标的冷凝器被开发作为纸浆工业中的一系列蒸发器的最终冷凝器，但它同样能可以应用于其他工业用途。最终冷凝器通常在低于大气压力的气压下运行，用来冷凝来自最终蒸发效应的主蒸汽流，以及来自各种闪蒸(flashing)和排气操作的蒸汽流。除了水蒸气以外，蒸汽流还包含或多或少的甲醇、有机硫化物、已溶入浓缩的黑液(black liquor)并被释放的气体；以及泄露进入装置的空气。

在冷凝器的壳侧的第一通道，蒸汽流向上流动——与管侧上的下降的冷却水膜为逆流——并在热表面管的外表面上冷凝。冷凝液向下流动，与蒸汽流方向相反。向下流动的冷凝液有效地移除蒸汽的任何过热，清洁热表面，防止热表面污染颗粒附着在热表面上。蒸汽防止冷凝液过冷，并通过汽提有效地净化冷凝液。由于均匀分布的蒸汽流和冷凝液流的较大的接触面和有效的混合，离开的冷凝液的成分与进入蒸汽的成分近乎平衡——蒸汽越纯净，冷凝液也越纯净。

如果不同成分的水蒸气在被引导进入冷凝器前被混合，则来自第一壳侧通道的主蒸汽流的质量会降低。

为解决该问题，各个蒸汽流可被分别地引导至根据本发明的冷凝器，且在第一壳侧通道的不同高度水平，使得最纯的蒸汽被引导至最低的水平，其他蒸汽被引导至某一水平，在该水平的冷凝蒸汽的成分与被引导至该冷凝器的较高水平的蒸汽的成分相对应。

在壳侧第一通道内，通过在管侧上流动的冷却水仅作为管的内表面的膜的地方使用冷却，可获得显著的优势，例如：

-管侧可在正常的大气压力下运行，

-只需要单个的管侧通道，

-热流和冷流之间的直接的逆流，

-流体之间的最大温差，

-良好的传热，

-管侧上的压头损失较小，

-具有可以使用的更大的直径和长度的热表面管，

-更轻且更经济的结构。

根据本发明的实施例，第二壳侧通道的热表面管位于冷凝器中心，且它们被壳形的中间壁包围。特别是在大冷凝器中，将内壳体的上端附接至上管板是有利的。采用这样的设计，可能使上管板和下管板更薄，使大的管束硬化并使其更易于组装。由此，用于蒸汽流的开口可被切开于内圆柱壳体的上端，开口均匀地分布在自由周界上。可替代地，内圆柱夹套的紧固可以通过使用中间的焊杆来实现。

热表面管优选地通过允许轴向流动的支撑和隔板(baffle)栅来支撑，如国际专利申请No.WO2012/085337所公开的。

为了强化第二管侧通道的换热，在冷凝器的上端优选地设置有鼓风机，该鼓风机布置为在冷却水的流动方向上，吹动空气通过管侧第二通道的热表面管。

管侧第一通道的热表面管长于管侧第二通道的热表面管，且其下管板的位置低于管侧第二通道的下管板，且在包围管侧第一通道的热表面管的中间壁上设置有波纹管，在这些下管板之间的部分中，该波纹管用来补偿由于第一通道和第二通道的热表面管之间的长度上和温度上的差别所导致的热膨胀的差别。

冷却水也可以在第一管侧通道和第二管侧通道两者中循环，或者仅在这两者中的任意一者中循环。特别是在北欧地区的条件下，那里用于冷却的天然水的温度在冬季和夏季期间的变化非常大，通过循环来自出口侧的具有较高温度的冷却水来加热进入的、更冷的冷却水流以使条件标准化通常是有利的。

在包围壳侧第一通道蒸汽空间的外部壳体和延伸进入该蒸汽空间的第二内部壳体之间有环形空间，至少主蒸汽流能够从壳侧第一通道蒸汽空间的基本上整个自由周界被引导通过所述环形空间、至壳侧第一通道蒸汽空间的下部、在下管板之上。

在冷凝器的外部壳体的至少两个水平处有蒸汽供给喷嘴和环，用于供给各种纯度级别的蒸汽。

在蒸汽供给喷嘴的下方、在壳侧第一通道的热表面管的管束和壳体之间的环形空间中，可设置环形板和另一蒸汽供给喷嘴，用于将更纯净的蒸汽供给进入冷凝器。

在壳侧第一通道蒸汽空间的底端的冷凝液空间中，可设置如阀托盘(valve tray)的传质装置，且在该传质装置的下方可设置有用于更清洁的汽提蒸汽的供给喷嘴。

附图说明

在下文中，参考附图以更详细地公开本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的冷凝器的纵截面，

图2示出了根据本发明的冷凝器的另一实施例的纵截面，

图3示出了根据本发明的冷凝器的第三实施例的结构细节，

图4a和图4b示出了冷凝器中的壳侧/管侧的布置的两个示例，

图5示出了用于冷凝器中间壁的上部的两个可替代的设计。

具体实施方式

冷凝器的双通道壳侧由如下部分构成：外圆柱壳体1，在其上端为将其连接至第二、更长的圆柱壳体3的锥形部分2，圆柱壳体3的下端延伸进入所述外圆柱壳体1；居中位于该第二圆柱壳体3内、具有较小直径的圆柱壳体4；附接至壳体3的上管板5，通过圆柱/锥形部分6附接至壳体1的下管板7，以及附接至较小的壳体4的下端的较小的管板8。可替代地，如图4b所示，圆柱壳体4可以被两个壁50取代，壁50的外边缘附接至壳体3，其内边缘以扇形方式(sector fashion)彼此附接，而它们的下边缘可以附接至管板7。

在图1至图4a的实施例中，冷凝器壳侧第一通道的热表面由热表面管9形成，热表面管9位于圆柱壳体3和4之间的环形蒸汽空间14中，并通过它们的端部被紧固至管板5和7。冷凝器壳侧第二通道的热表面由热表面管10形成，热表面管10位于圆柱壳体4内的蒸汽空间15中，在其端部连接至管板5和8。

在壳体4中，在管板7和8之间的区间上，设置有波纹管(bellows)13，用来补偿由于管9和10之间的长度和温度两者上的差别所导致的纵向热膨胀的差别。管板5和壳体4的顶部11之间为开口12，其允许壳侧第一和第二通道蒸汽空间14和15之间的开放式连通。圆柱壳体1连接有蒸汽供给喷嘴16，且在壳侧第一通道的蒸汽空间14的最底端连接有冷凝液出口喷嘴17。另一个蒸汽喷嘴18连接至箱环19，箱环19包围壳体3并通过开口20与壳侧第一通道蒸汽空间14连通。冷凝液出口管21连接至壳体4的下部，且用于不可凝气体的出口管22连接至壳体4，在冷凝液出口管21之上。

在管板8的下部紧固有圆柱壳体24，且圆柱壳体24下端紧固有端部板26；它们一起形成第一通道中的进入侧的端室23，冷却水可以通过入口管25供给至端室23。圆柱壳体28(其在上管板5之上形成圆柱壳体3的延伸部分)与冷凝器的锥形部分一起形成管侧上端室27，用于待蒸发液体的分配槽30以及液体分配托盘31位于上端室27中。在根据图1的实施例中，上端室通过端部锥形特征喷嘴32与环境空气自由相通。圆柱形/锥形部分6下方的圆柱壳体34(形成圆柱壳体1的延伸部分)与冷凝器底板一起形成管侧下端室33，在管侧下端室33的最低点设置有水出口喷嘴35。

由冷凝得到的主蒸汽流通过蒸汽喷嘴16被引导进入冷凝器中。圆柱壳体1和3之间的环形空间38分配水蒸气，使水蒸气从圆柱壳体3的下边缘39和管板7之间的空间40均匀地流向第一通道蒸汽空间14的下部的外周界。向上流动的蒸汽冷凝在热表面管9的外表面上，且冷凝液向下流动，与蒸汽流相反，移除任何过热。蒸汽防止冷凝液的过冷，并汽提溶解在冷凝液中的较轻成分，如甲醇。冷凝液向下流动至管板7上，并进一步进入由壳体1和圆柱形/锥形部分6形成的冷凝液空间47，且从冷凝液空间通过冷凝液出口喷嘴17被引导离开装置。

包含更多甲醇和有机硫化物的蒸汽流可通过位于冷凝器中的较高点的喷嘴18和相对应的箱环19被引导进入蒸汽空间14的外围。在壳侧第一通道中还未冷凝的蒸汽流的部分被引导通过圆柱壳体4的上边缘11和管板5之间的开口12进入壳侧第二通道蒸汽空间15，在蒸汽空间15中蒸汽向下流动，冷却并冷凝在热管10的外表面上。形成的冷凝液流入壳体4的下部，被引导通过管板8之上的冷凝液出口管12离开冷凝器。未冷凝的蒸汽流的部分被引导通过冷凝液出口管21之上的出口管22离开冷凝器。

冷却水被引导通过供给管25进入管侧第一通道端室23，端室23将水分配至热表面管10中的上升流，相对于该管的外表面上的冷凝液的向下流为逆流。冷却水流动通过热表面管10至管板5之上的分配槽30，分配槽30将冷却水分配为溢流(overflow)至分配托盘31，分配托盘31的任务是将冷却水分配为均匀流至所有管侧第二通道热表面管9，在热表面管9中冷却水为降膜(falling film)流动，与在壳侧上流动的冷凝蒸汽为逆流。水从热表面管9流入管侧下端室33，从下端室33通过水出口喷嘴35被引导离开。

如果壳侧第二通道的热表面/管侧第一通道的热表面/热表面管10的数量相对于冷却水的大流量来说尺寸过于稀疏，则可能的是：

-增加热表面管10的直径，

-允许部分冷却水流动绕过热表面管10直接进入上端室27中的冷却水分配槽30。

相应地，如果需要更大的热表面和更多的热表面管10，则可能的是：

-减小热表面管10的直径，

-采用表面延伸的管。

根据图2所示的本发明的冷凝器的实施例中，管侧第二通道中的换热可通过鼓吹空气与冷却水一起向下通过热表面管9来增强。为此目的，在端部椎体29的喷嘴42中设置轴流鼓风机，该鼓风机布置为吸入环境空气，并将其吹入上端室27，空气从上端室27被单独地引导通过连接至液体分配托盘31的管44进入热表面管9。

空气(其传播速度快于沿热表面管9的管壁向下流动的膜)也增加了水膜的流动速度，减小了膜的厚度并增加了湍流，从而增强了冷却水侧上的换热。水和空气从热表面管9流动进入下端室33，并在下端室33内分离，且空气通过适配至出口喷嘴45的除雾器64排出。

借助于空气流，对冷却水的需求可减少15％到25％，这是由于空气通过蒸发使水冷却，如在冷却塔中一样。如果冷却水量不减少，水温的增加会由于空气流而相应地减少，由此，可用于换热的温度差连同冷凝器的冷凝能力会增加。

在冷凝运行期间，蒸汽流中的压力损失降低了蒸汽的冷凝温度，并通常会降低可用于换热的温度差，增加对于换热面积的需求。根据本发明的冷凝器，对冷凝器的蒸汽的供给通常能发生在沿着管束的整个周界，由此，通量的面积较大，且从压力损失的角度，流动速度能保持较低。壳侧蒸汽空间中的蒸汽流主要是轴向的，使得可能使用例如国际专利申请No.WO2012/085337中所公开的用于支撑长热表面管的隔板/支撑栅。根据本发明，由于初级和次级冷凝器被组合在同一装置中，导致装置之间的压力损失的互连管道也被去除。

除了压力损失较小以外，从换热的角度来看，壳侧内的流动布置确保了冷凝器中不存在死区(dead regions)。

根据本发明的冷凝器在两侧上都是双通道的，且冷凝蒸汽和变暖的(warming)冷却水互为逆流流动，从换热角度来看，如此可提供最大的温度差，使得将包含可能的不可凝物的蒸汽流冷却/冷凝至尽可能低的最终温度成为可能。

在图3中，示出了根据本发明的冷凝器的结构细节，用于增强冷凝器内的冷凝液的汽提。在示出的冷凝器的主蒸汽喷嘴16的下方具有另一蒸汽喷嘴48，蒸汽喷嘴48设置在环形板49的下方，环形板49设置在壳体1与由热表面管9形成的管束之间的空间内。蒸汽流被引导通过蒸汽喷嘴48(该蒸汽流比通过主蒸汽流喷嘴19进入的蒸汽流更清洁)，进入位于环形板19的下方、壳体1与管束之间的环形空间中，蒸汽流从该环形空间流入管9之间的蒸汽空间。向上流动的蒸汽冷凝，防止较不纯净的冷凝液的冷却，该较不纯净的冷凝液由通过喷嘴16被引导进入冷凝器的蒸汽所形成并沿管9的外表面向下流动，并通过汽提对其有效地净化。

在同一图中3也示出了根据本发明的冷凝器的设计，其中用于更清洁的气提蒸汽的两个阀托盘51和供给喷嘴52已被设置在冷凝液空间的上部47中，在冷凝液水平之上，该冷凝器的设计通过气提来净化由壳侧的第一通道中的上蒸汽喷嘴(16、18)供给的蒸汽所形成的冷凝液。

在图1和图2中，圆柱壳体4中的管侧第一通道管束如图4a所示位于管侧第二通道的管束和壳体3的中心。在图4b所示的设计中，第一通道管束位于侧向相对于管侧第二通道和壳体3的扇形配置中。在这种情况下，管板8可以是管板7的部分，由此，冷凝液出口喷嘴21和用于不可凝气体的出口喷嘴22也位于管板7之上。壳侧通道之间的圆形壳体4随后取代为两个壁50，壁50的内边缘彼此附接，外边缘附接至壳体3，下边缘附接至管板7。在图5左边所示的设计中，圆柱形中间壁4附接至上端板5，由此，在圆柱形中间壁4的上部设置有均匀间隔的开口54以允许蒸汽的流动。

Claims (12)

1.一种用于在亚大气压下运行的立式夹套式直管逆流冷凝器，其中冷凝蒸汽在冷凝器的壳侧上流动，并且冷却水在管侧上流动，其特征在于，逆流冷凝器在壳侧和管侧两者上都是双通道的，由此壳侧上的第一通道的热表面由热表面管(9)构成，壳侧第一通道的热表面管的上端附接至上管板(5)、并且下端附接至下管板(7)；并且壳侧上的第二通道的热表面由热表面管(10)构成，壳侧第二通道的热表面管的上端附接至上管板(5)、并且下端附接至所述下管板(7)或者附接至另一单独的下管板，由此壳侧第一通道和第二通道的蒸汽空间(14、15)通过划分壳体空间的分隔壁(4、50)的上端(11)和上管板(5)之间的开口(12)或者开口(54)而相互连接；由此，蒸汽的主冷凝发生在壳侧第一通道的蒸汽空间(14)中，壳侧第一通道的蒸汽空间中的蒸汽的流动方向是向上的，汽提由蒸汽形成的逆流向下的冷凝液流；并且，蒸汽流动与管侧第二通道冷却水流动为逆流，冷却水流动在基本上正常压力下在壳侧第一通道的热表面管的内表面上呈现为降膜；并且，在所述壳侧第二通道蒸汽空间(15)中的蒸汽流动是向下的、与管侧第一通道的热表面管中的向上流动的第一通道冷却水流为逆流。

2.根据权利要求1所述的逆流冷凝器，其特征在于，壳侧第二通道的热表面管位于冷凝器的中心，并且被壳形的中间壁(4)包围。

3.根据权利要求2所述的逆流冷凝器，其特征在于，壳形的中间壁(4)直接附接至上管板(5)，由此在壳体的上端设置有均匀间隔的开口(54)，或者通过焊接在中间壁(4)的上部和上管板(5)之间的杆而附接至上管板。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，所述壳侧第一通道的热表面管由允许轴向流动的支撑和隔板栅来支撑。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，在冷凝器的上端设置有鼓风机(43)，鼓风机布置为在冷却水的流动方向上，将空气吹动通过管侧第二通道的热表面管。

6.根据权利要求2或3所述的逆流冷凝器，其特征在于，管侧第一通道的热表面管长于管侧第二通道的热表面管，并且管侧第一通道的热表面管的下管板(8)的位置低于管侧第二通道的热表面管的下管板(7)，并且波纹管(13)设置在包围管侧第一通道的热表面管的中间壁(4)中、在前述下管板(7、8)之间的部分中。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，来自管侧第一通道、管侧第二通道、或者两者的冷却水能够从出口侧循环至供给侧。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，在包围壳侧第一通道蒸汽空间(14)的外部壳体(1)和延伸进入所述蒸汽空间中的第二外部壳体(3)之间设置有环形空间，至少主蒸汽流能够从壳侧第一通道蒸汽空间(14)的基本上整个自由周界被引导通过所述环形空间、至壳侧第一通道蒸汽空间(14)的下部、在管侧第二通道的热表面管的下管板(7)之上。

9.根据权利要求8所述的逆流冷凝器，其特征在于，蒸汽供给喷嘴(16、18)和环(19)设置在冷凝器的外部壳体(1、3)中的至少两个水平处。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，在蒸汽供给喷嘴(16)的下方、壳侧第一通道的热表面管的管束和壳体(1)之间的环形空间中设置有环形板(49)和蒸汽喷嘴(48)。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆流冷凝器，其特征在于，在壳侧第一通道的蒸汽空间(14)的底端的冷凝液空间(47)中设置有传质装置，在所述传质装置的下方设置有用于更清洁的汽提蒸汽的供给喷嘴(52)。

12.根据权利要求11所述的逆流冷凝器，其特征在于，所述传质装置是阀托盘(51)。