CN106914029A - 一体式分凝器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式分凝器及其应用。该装置包括一圆柱形壳体和两个封头，壳体内设有固定于管板的多排冷凝管；根据对冷凝产品纯度的要求由高沸点有机物水溶液的两组分相图确定合适的冷凝温度，并在冷凝管上选取相应温度所对应位置设置若干个环形挡板；其中冷凝管中部安装有若干个环形挡板；壳体内壁上均匀设有折流板；以蒸汽入口与出口分别作为工艺的上下游，环形挡板下游设置的折流板与壳体之间形成积液室，积液室下方通过阀门与冷凝液收集罐相连。本发明不仅能够与渗透汽化工艺耦合从低浓度水溶液中分离回收获得高纯度高沸点有机物，且一体式结构设计以及倾斜的放置方案使分凝器的占地面积减小、设备投资成本降低、设备操作及维护更加简单。

Description

一体式分凝器及其应用

技术领域

本发明涉及一种能够实现两个分凝器作用的一体式分凝器及其应用，属于化工设备及应用技术领域。

背景技术

分凝器的用途多种多样，为了满足各种用途的冷凝需求，分凝器的结构也有很多种。而考虑到实际工作情况，一体式分凝器具有操作简单、冷凝效果好、占地面积小等诸多优点而广泛的应用于各个领域。中国专利CN 102435023 A公开了一种一体式冷凝器，用于热泵机组中，对高温气态冷凝剂起冷凝作用。该一体式冷凝器由扇叶、转轴及支架、散热铜管、电动机组成；其中扇叶共3~4片，用铝片制成。散热铜管嵌入其中，在扇叶转动的过程中冷风直接从散热铜管表面掠过，快速带走铜管上的热量，使散热铜管内的高温气态冷凝剂迅速降温直至液化。中国专利CN 105157441 A公开了一种多管排一体式联箱自动调节分液冷凝器，包括第一联箱、第二联箱和换热管，在安装所述进口管的联箱内设置隔板，在所述第一联箱和第二联箱内设置汽液分离器。这一装置可以有效提升工质分配的均匀性，大幅度降低流动阻力并维持高效换热且能够防止冷凝液带出联箱。

从稀溶液中回收高沸点有机物在生物质燃料提纯、废水净化等领域应用范围广泛。糠醛和苯胺分别是胺类和呋喃环系最具代表性的高沸点有机物之一，从稀溶液中分离回收高纯度糠醛和苯胺具有重要价值。

糠醛的生产是通过酸性水解生物质原料中的半纤维素物质得到。经水解后的水解液中糠醛的质量百分含量约为2wt% ~8wt%，目前国内糠醛厂采用蒸馏法从水解液中分离提纯糠醛，第一次为初精馏，可以将糠醛浓度提高至90wt%~92wt%（水与糠醛恒沸点时的浓度），然后再采取多级精馏进行糠醛的精制。精馏过程耗能较大，使糠醛生产成本较高。

苯胺是化工行业重要的中间体之一，在染料、农药、橡胶助剂等行业中具有广泛应用，废水中苯胺含量较高（1wt%~3wt%），目前工业上常用的苯胺废水处理手段有萃取法、吸附法。吸附法不适宜处理浓度较高的苯胺废水，并且吸附剂的再生困难，经过几次再生后，吸附容量损失较大。萃取法（CN1600696A、CN102936079A）容易造成水体的二次污染，需要多级萃取，设备投资大，并且难以得到可以回用的高纯度苯胺。

中国专利CN103254158A公开了利用生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的方法及装置：渗透汽化膜对水解液中的糠醛具有高选择性，当膜吸附平衡后在膜的下游通过抽真空将膜中优先吸附的糠醛和少量水以低压混合蒸汽的形式解吸出来，最后再将糠醛与水蒸汽冷凝收集，此一级冷凝装置无法得到高纯度糠醛，仍然需要进一步精制，并且糠醛的精制过程耗能很大。中国专利CN104587834A公开了一种从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的装置及方法：通过真空泵在渗透汽化膜下游形成低压气氛，利用渗透汽化膜作为传质分离介质将稀溶液中的高沸点有机物进行选择性富集，之后将富集的混合蒸汽进行分级冷凝；高沸点有机物蒸汽首先被截留在第一级冷凝器中生成高纯度液态有机物，未被冷凝的水蒸汽和少量有机蒸汽被截留在第二级冷凝器中，通过循环泵送回原料槽中。此方法虽然能够得到高纯度高沸点有机物，但此两级冷凝装置使操作复杂并且设备投资大，回收成本较高。

发明内容

本发明旨在提供一种一体式分凝器及其应用，该一体式分凝器占地小、易操作、成本低，能用其分离回收低浓度水溶液中的高沸点、水溶性有机物——糠醛与苯胺；解决了高沸点有机物分离回收过程中冷凝器操作复杂、占地面积大、投资及维护成本高等缺点。

本发明提供了一种一体式分凝器，包括一圆柱形壳体和两个封头，壳体内设有固定于管板的多排冷凝管；壳体内壁上均匀设有折流板；在冷凝管的中部安装有若干个环形挡板；以蒸汽入口与出口分别作为工艺的上游和下游，在环形挡板下游设置的折流板与壳体之间形成第一积液室，第一积液室下方通过阀门与收集罐相连；在第一积液室下游，设有若干个环形挡板，在该环形挡板下游的折流板与壳体之间形成第二积液室，第二积液室下方通过阀门与收集罐相连。

关于环形挡板的安装位置，根据高沸点有机物冷凝产品纯度要求由两组分相图确定合适的冷凝温度，进而确定冷凝管上相应温度所对应的位置。

上述的一体式分凝器，壳体内采用单管程的管壳式结构，冷热流体呈逆流接触，冷冻液走管程，渗透蒸汽走壳程；冷冻液进出口分别设置在冷凝器两端的封头上，冷冻液入口位于下封头端部，冷冻液出口设置在上封头端部，渗透蒸汽入口和渗透蒸汽出口均设置在壳体的上表面。

上述的一体式分凝器，所述环形挡板在竖直方向上采用错位排列的方式，所述环形挡板分三排布置，第一排三个设在同一竖直方向上，第二排三个设在第一排的下游位置，第三排三个设在第二排的下游位置，且相邻两排之间等间距设置。采用该设置，在竖直方向上处于下方的冷凝管上的环形挡板向下游错位以承接上方环形挡板上滴下的产品，并最终将产品收集到积液室。

上述的一体式分凝器，所述一体式分凝器的底部设有支座使分凝器倾斜设置，分凝器的轴线与水平面呈5~15度角；冷凝液在倾斜条件下能沿冷凝管流至积液室。

上述的一体式分凝器，所述积液室设有两个，上游的第一积液室为冷凝液收集室，第一积液室下方通过阀门与冷凝液收集罐相连；下游的第二积液室为混合溶液收集室，第二积液室下方通过阀门与混合溶液收集罐相连。

上述的一体式分凝器，安装或使用要求：所述一体式分凝器采用与水平面呈5~15度角布置，在倾斜条件下，使冷凝液在重力的作用下沿冷凝管流至环形挡板处，流至积液室。

所述一体式分凝器冷凝管上的环形挡板是根据高沸点有机物在低温负压条件下的冷凝特性以及冷凝器热量衡算来设置的。关系式如下：

dQ=K（T-t）dS

dQ：传热速率(单位时间内通过传热面的热量-----单位：W)；K:局部总传热系数；dS：冷凝器传热微元面积；

T：分凝器的任一截面上热流体的平均温度，℃；

t：分凝器的任一截面上冷流体的平均温度，℃。

本发明提供了一种上述一体式分凝器在渗透汽化回收高纯度高沸点有机物中的应用。

所述的高沸点有机物指苯胺或糠醛。

上述一体式分凝器在渗透汽化中具体的应用方法为：渗透汽化下游侧所得到的渗透蒸汽从一体式分凝器的渗透蒸汽入口进入，在冷凝管上冷凝并在重力作用下沿管壁流至第一环形挡板处，在第一环形挡板的阻挡下聚集并滴入第一积液室，完成高纯度高沸点有机物产品的收集。剩余少量未冷凝的高沸点有机物和水蒸汽继续流向下游并在更低的温度下冷凝，最终收集到第二积液室得到混合溶液。余下的不凝性气体从渗透蒸汽出口排出。

本发明的有益效果：不仅能够与渗透汽化工艺耦合从低浓度水溶液中分离回收获得高纯度高沸点有机物，而且一体式的结构设计以及倾斜的放置方案使分离设备的占地面积减小、设备投资成本降低、设备操作及维护更加简单。

附图说明

图1是本发明一体式分凝器的结构示意图。

图2是沿图1中A-A线的剖面图，即冷凝管道的分布示意图。

图3是沿图1中B-B线剖开的第一排环形挡板的剖面图。

图4是沿图1中C-C线剖开的第二排环形挡板的剖面图。

图5是沿图1中D-D线剖开的第三排环形挡板的剖面图。

图中，1.冷冻液入口，2.封头，3.管板，4.渗透蒸汽出口，5.冷凝管，6.第二环形挡板， 7.折流板， 8.壳体， 9.第一环形挡板，10.渗透蒸汽入口，11. 冷冻液出口，12.第一积液室，13.冷凝液出口，14.冷凝液收集罐，15.第一阀门，16.第二积液室，17.混合溶液出口，18. 第二阀门，19.混合溶液收集罐，20.支座，21排液口。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

首先对本实施例使用的一体式分凝器进行说明：

实施例1：

如图1~2所示：一种渗透汽化用一体式分凝器，为卧式圆筒形容器。分凝器主体由一圆柱形壳体8、单程冷凝管5、固定冷凝管的管板3以及冷凝器两端的椭圆形封头2组成。壳体8内设有固定于管板的多排冷凝管5；壳体内壁上均匀设有折流板7；在冷凝管5的中部安装有第一环形挡板9；以渗透蒸汽入口10与渗透蒸汽出口4分别作为工艺的上游和下游，在第一环形挡板9下游设置的折流板7与壳体8之间形成第一积液室12，第一积液室12为冷凝液收集室，第一积液室12下方通过第一阀门15与冷凝液收集罐14相连；在第一积液室12下游，设有第二环形挡板6，在该环形挡板下游的的折流板与壳体之间形成第二积液室16，第二积液室16下方通过第二阀门18与混合溶液收集罐19相连。

壳体内采用单管程的管壳式结构，冷热流体呈逆流接触，冷冻液走管程，渗透蒸汽走壳程；冷冻液进出口分别设置在冷凝器两端的封头上，冷冻液入口1位于下封头，冷冻液出口11设置在上封头，渗透蒸汽入口10和渗透蒸汽出口4均设置在壳体的上表面。

所述一体式分凝器的底部设有支座20使分凝器倾斜设置，分凝器的轴线与水平面呈5~15度角；冷凝液在倾斜条件下能沿冷凝管流至积液室。

以蒸汽入口和出口分别作为分凝器的上下游，在冷凝管5靠近上游的位置安装一定数量的第一环形挡板9，靠近下游的位置安装一定数量的第二环形挡板6。所述设定位置是根据冷凝产品纯度要求由两组分相图首先确定合适的冷凝温度，然后再确定冷凝管上此温度所对应的位置。冷凝管上环形挡板采取错位方式排列，即在竖直方向上，处于下方的冷凝管上的环形挡板向下游错位以承接上方环形挡板上滴下的产品。所述环形挡板在竖直方向上采用错位排列的方式，所述环形挡板分三排布置，第一排三个设在同一竖直方向上，第二排三个设在第一排的下游位置，第三排三个设在第二排的下游位置，且相邻两排之间等间距设置。采用该设置，在竖直方向上处于下方的冷凝管上的环形挡板向下游错位以承接上方环形挡板上滴下的产品。如图3~5所示。

壳体8内安装有若干折流板7且折流板7不会阻挡冷凝液沿冷凝管5流至环形挡板；而在环形挡板下游的折流板7与壳体8下部形成第一积液室12和第二积液室16，第一积液室12下部是冷凝液出口13、通过第一阀门15与冷凝液收集罐14连接，第二积液室16下部是混合溶液出口17、通过第二阀门18和混合溶液收集罐19连接；壳体下游靠近管板处设置排液口21。分凝器底部设有支座20，将分凝器与水平面呈5~15度角布置。

下面通过具体实施例说明一体式冷凝器在回收高纯度高沸点有机物中的应用。

实施例2：采用一种渗透汽化用一体式分凝器分离回收液态高纯度糠醛，具体步骤如下：

首先通过冷冻液进出口将冷冻液循环，然后将渗透汽化所获得的糠醛与水的混合渗透蒸汽由进气口通入壳程，排气口与真空泵相连，保持分凝器壳程压力为300Pa；运行过程中混合蒸汽中的糠醛分压远高于相应温度压力下糠醛的饱和蒸汽压，所以糠醛冷凝并在重力的作用下沿冷凝管外壁向下流动，最终在第一环形挡板的阻挡下汇集并滴入第一积液室进而流入冷凝液收集罐中得到液态高纯度糠醛。而在此温度、压力条件下水蒸汽并未达到凝华条件，在混合蒸汽越过第一环形挡板之后温度进一步降低（-12℃左右）水蒸汽达到凝华条件并凝化成冰附着在冷凝管上，此时少量残留糠醛蒸汽继续冷凝。当冷凝管上附着有较多的冰时，停止渗透蒸汽的引入以及冷冻液的循环，关闭第一阀门然后打开冷凝液收集罐下部的阀门将罐中液态高纯度糠醛收集起来；之后对分凝器进行泄压操作使压力高于650Pa，向冷凝管内通入空气或温水使凝华的冰融化并在第二环形挡板的阻挡下滴入第二积液室，收集到混合溶液收集罐中；最后关闭第二阀门，打开混合溶液收集罐下部的阀门将收集到的混合溶液通入原料罐重新进行分离。第二环形挡板之后凝华的少量冰融化后由排液口排出。

实施例3：采用一种渗透汽化用一体式分凝器分离回收液态高纯度苯胺，具体步骤如下：

首先通过冷冻液进出口将冷冻液循环，然后将渗透汽化所获得的苯胺与水的混合渗透蒸汽由进气口通入壳程，排气口与真空泵相连，保持分凝器壳程压力为300Pa；运行过程中混合蒸汽中的苯胺分压远高于相应温度压力下苯胺的饱和蒸汽压，所以苯胺冷凝并在重力的作用下沿冷凝管外壁向下流动，最终在第一环形挡板的阻挡下汇集并滴入第一积液室进而流入冷凝液收集罐中得到液态高纯度苯胺。而在此温度、压力条件下水蒸汽并未达到凝华条件，在混合蒸汽越过第一环形挡板之后温度进一步降低（-12℃左右）水蒸汽达到凝华条件并凝化成冰附着在冷凝管上，此时少量残留苯胺蒸汽继续冷凝。当冷凝管上附着有较多的冰时，停止渗透蒸汽的引入以及冷冻液的循环，关闭第一阀门然后打开冷凝液收集罐下部的阀门将罐中液态高纯度苯胺收集起来；之后对分凝器进行泄压操作使压力高于650Pa，向冷凝管内通入空气或温水使凝华的冰融化并在第二环形挡板的阻挡下滴入第二积液室，收集到混合溶液收集罐中；最后关闭第二阀门，打开混合溶液收集罐下部的阀门将收集到的混合溶液通入原料罐重新进行分离。第二环形挡板之后凝华的少量冰融化后由排液口排出。

Claims (8)

1.一体式分凝器，其特征在于：包括一圆柱形壳体和两个封头，壳体内设有固定于管板的多排冷凝管；壳体内壁上均匀设有折流板；在冷凝管的中部安装有若干个环形挡板；以蒸汽入口与出口分别作为工艺的上游和下游，在环形挡板下游设置的折流板与壳体之间形成第一积液室，第一积液室下方通过阀门与收集罐相连；在第一积液室下游，设有若干个环形挡板，在该环形挡板下游的的折流板与壳体之间形成第二积液室，第二积液室下方通过阀门与收集罐相连。

2.根据权利要求1所述的一体式分凝器，其特征在于：壳体内采用单管程的管壳式结构；冷冻液进出口分别设置在冷凝器两端的封头上，冷冻液入口位于下封头，冷冻液出口设置在上封头，渗透蒸汽入口和渗透蒸汽出口均设置在壳体的上表面。

3.根据权利要求1所述的一体式分凝器，其特征在于：所述环形挡板在竖直方向上采用错位排列的方式，所述环形挡板分三排布置，第一排三个设在同一竖直方向上，第二排三个设在第一排的下游位置，第三排三个设在第二排的下游位置，且相邻两排之间等间距设置。

4.根据权利要求1所述的一体式分凝器，其特征在于：所述一体式分凝器的底部设有支座使分凝器倾斜设置，分凝器的轴线与水平面呈5~15度角；冷凝液在倾斜条件下能沿冷凝管流至积液室。

5.根据权利要求1所述的一体式分凝器，其特征在于：所述积液室设有两个，上游的第一积液室为冷凝液收集室，第一积液室下方通过阀门与冷凝液收集罐相连；下游的第二积液室为混合溶液收集室，第二积液室下方通过阀门与混合溶液收集罐相连。

6.一种权利要求1~5任一项所述的一体式分凝器在渗透汽化回收高纯度高沸点有机物中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的高沸点有机物指苯胺或糠醛。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：具体的应用方法为：渗透汽化下游侧所得到的渗透蒸汽从一体式分凝器的渗透蒸汽入口进入，在冷凝管上冷凝并在重力作用下沿管壁流至第一环形挡板处，在第一环形挡板的阻挡下聚集并滴入第一积液室，完成高纯度高沸点有机物产品的收集；剩余少量未冷凝的高沸点有机物和水蒸汽继续流向下游并在更低的温度下冷凝，最终收集到第二积液室得到混合溶液；余下的不凝性气体从渗透蒸汽出口排出。