CN203586673U - 二氧化碳预冷液化提纯一体化设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，目的是提供一种构造简单，能实现预冷液化提纯一体化的二氧化碳提纯设备。包括两端用封头密封的空心柱体，封头与空心柱体封合处设置能将空心柱体横截断的管板，两管板之间用列管连通；在空心柱体列管壳程中上部设置原料进口，在空心柱体下部设置产品出口，原料进口与产品出口之间的空心柱体内部设置折流板；上封头顶部设置冷媒出口，下封头上设置冷媒进口，冷媒在管程中流动。本实用新型仅利用一台换热设备便实现了二氧化碳的预冷液化、分离、提纯四个工艺，降低了设计成本、制作费用，减少了占地面积、控制仪器仪表数量，可实现长周期稳定生产，确保质量和收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体提纯设备，具体涉及一种二氧化碳预冷液化提纯一体化设备。
背景技术
现有的二氧化碳提纯技术是将压缩后的含有二氧化碳的气体送入预冷器，通过与冷媒进行热交换后达到此压力下的液化温度，再将液化后的气体送入蒸发冷凝器中，达到液化点后的气相二氧化碳继续吸收冷媒相变产生的冷量，使气体逐步达到露点被冷却成液相，此气液相混合物再被送入气液分离器进行气液相分离，分离得到的液相再进入精提纯器，通过闪蒸精馏将液相中夹带的气相再次液化，通过底部局部加热，将溶入液相中的少量不凝气体充分释放出来排出系统，以提高二氧化碳的收率和产品纯度。
现有技术的具有以下缺点：
1、设备数量多，至少需要一台预冷器、一台蒸发冷凝器、一台气液相分离器和一台精提纯器，每台设备的换热面积都需要单独计算，设计成本及制作费用大，设备的占地面积也大，投资成本高；
2、设备多，控制仪器也多，导致维检修及周期检定工作量也相应增加，费用相对也高；
3、工艺路线长，控制参数多，因而极大地增加了工艺控制的难度，导致产品质量不稳定，产品收率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种构造简单，能实现预冷液化提纯一体化的二氧化碳提纯设备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，包括两端分别用上封头和下封头密封的空心柱体，上封头与空心柱体封合处设置能将空心柱体横截断的上管板，下封头与空心柱体封合处设置能将空心柱体横截断的下管板，上管板和下管板之间用列管连通；在空心柱体长度方向中间位置与上管板之间的空心柱体上设置能将空心柱体内外连通的原料进口，在空心柱体长度方向中间位置与下管板之间的空心柱体上设置能将空心柱体内外连通的产品出口，原料进口与产品出口之间的空心柱体内部设置多块折流板；上封头顶部设置连通上封头内外的冷媒出口，下封头上设置连通下封头内外的冷媒进口。所述的空心柱体即呈管状的柱体，其内部是贯通的。
也就是说本设备为竖直放置的列管式换热器，上封头与上管板之间构成空腔、下封头与下管板之间构成空腔，两个空腔用列管连通，而含二氧化碳的气体即原料从设备的上部进入壳程，由下部离开设备，冷媒由下封头进入管程，由顶部离开设备。
本发明二氧化碳预冷液化提纯一体化设备内部实现了现有技术中的四个功能：预冷、蒸发冷凝、气液相分离器、闪蒸精馏，这四种功能的换热过程在设备的各个部位均在交叉同时发生。气液相转换控制着内部流体的流动方向：无论是二氧化碳还是冷媒，均是上部为气相，下部为液相，中间为气液相的混合，因而形成设备内物料和冷媒的逆向相对的流动。相变发生的冷量传递，导致流动过程中的逆向相变，冷媒从下部进入，此时几乎全部为液相，冷量十分充足，沿管程往上走时，与在壳程的二氧化碳进行冷量的交换，使冷媒中的液相不断吸热而变为气相，形成气液混合相态，最终冷量几乎全部释放完毕，变成气相从设备顶部排出，而同时原料中的二氧化碳从上部进入壳程时，从冷媒处获取冷量后逐步由气相变成气液混合物，最终变成液体，在这相向流动过程中实现气液相的分离。
进一步的，所述的列管数为1806根，换热面积为800m2。换热面积即列管数、π、列管外径、上管板与下管板之间的距离的乘积。
进一步的，所述的折流板为5块，折流板所在平面与空心柱体中心轴垂直，相邻的折流板沿空心柱体长度的间距相等。
在进一步的，所述的折流板通过多根定位管固定，所述的空心柱体为圆柱体，所述的折流板形状为圆缺形，且折流板的直径与空心圆柱体的横截面直径相等。也就是说折流板是单弓形折流板，折流板所在平面与列管轴向垂直，而换热器壳体为圆柱形，这样可以使得壳程内的流体流动更均匀。
进一步的，所述的空心柱体在其长度方向的中间位置处设置温度计中部接口，在上封头处设置温度计上部接口，在下封头处设置温度计下部接口。
进一步的，所述的空心柱体近上管板处设置壳程气体排空口，所述空心柱体近下管板处设置壳程液体排空口，所述下封头底部设置底部排空口。设置排空口是为了将不凝气体和废液排走，避免对破坏系统工艺的稳定性，对设备造成危害。
进一步优选的，所述的壳程气体排空口与上管板平齐，所述的壳程液体排空口与下管板平齐，壳程气体排空口和壳程液体排空口在空心柱体上的开口处设置补强装置，壳程气体排空口为两个且关于空心柱体中心轴对称分布。也就是说壳程气体排空口设置的高度与上管板高度一致，壳程液体排空口设置的高度与下管板高度一致。补强装置可以是焊接的金属加强块，也可以焊接的金属加强板。这样可以在保证设备的整体稳定性时，让壳程中的废液和不凝气体更易排出设备。
利用上述二氧化碳预冷液化提纯一体化设备提纯二氧化碳的工艺：所述的冷媒为液氨，控制原料进口处和产品出口处设备内部温度温差大于或等于50℃。也就是保持原料气体进入设备的温度和提纯后的二氧化碳液体的温度差不小于50℃，这样可以保证二氧化碳在设备的壳程中能够顺利进行预冷、蒸发冷凝、气液相分离器、闪蒸精馏这四个步骤顺利进行。
进一步的，所述的列管内液氨的高度不高于列管长度的四分之一。也就是说设备稳定运行时，保持液氨在列管内部的高度小于或等于列管长度的四分之一。
更进一步优选的，所述的冷媒入口温度为常温，压力控制在1.1-1.2MPa，冷媒出口温度为-20℃，压力控制在0.1MPa以下。
上述技术方案中各组分的用量是参与反应的最佳原料比例，但是本领域技术人员可以根据本发明的教导进行等同的变化。例如：因为工业生产本身的误差导致的参数变化与本发明的技术方案等同。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、设备数量大大减少，由现有的至少四台减为一台，随之控制仪器仪表数量也少了许多，直接设计成本、制作费用、占地面积、设备维检修费用、仪表周期费用、人工费用等均可大幅度降低；
2、本设备科学地利用流体力学及热传递等化工原理，各单元操作交叉进行，设备结构简单，效率极高；
3、大幅度缩短了工艺路线，控制参数减少，控制能力强，可实现长周期稳定生产，确保质量和收率。
附图说明
图1为本发明二氧化碳预冷液化提纯一体化设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，特提供下面优选的实施例，但本发明的技术思想并不限于以下实施例。
本设备是总高8米的圆柱形空心柱体即圆柱空心体，上下两端用椭圆封头密封，上封头2与圆柱空心体封合处设置能将圆柱空心体横截断的上管板16，下封头9与圆柱空心体封合处设置能将圆柱空心体横截断的下管板13，上管板16和下管板13之间用列管连通。在圆柱空心体长度方向中间位置与上管板16之间的圆柱空心体上设置能将圆柱空心体内外连通的原料进口5，在圆柱空心体长度方向中间位置与下管板13之间的圆柱空心体上设置能将圆柱空心体内外连通的产品出口7；上封头2顶部设置连通上封头2内外的冷媒出口1，下封头9上设置连通下封头9内外的冷媒进口11，下封头9底部设置底部排空口10。
原料进口5与产品出口7之间的圆柱空心体内部设置多块折流板15，折流板15数量为5块，折流板15所在平面与圆柱空心体中心轴垂直，相邻的折流板15沿圆柱空心体长度的间距相等。所述的列管数为1806根，换热面积为800m2。定位管14与折流板和管板固接将折流板15位置固定，折流板形状为缺口面积为圆柱空心体内部横截面积的25%的单弓形折流板，且折流板的直径与圆柱空心体的横截面直径相等。
圆柱空心体在其长度方向的中间位置处设置温度计中部接口6，在上封头处设置温度计上部接口3，在下封头9处设置温度计下部接口8。通过这三个温度计接口将温度传感器置于圆柱空心体内部。
圆柱空心体近上管板16处设置壳程气体排空口4，圆柱空心体近下管板13处设置壳程液体排空口12，壳程气体排空口4与上管板16平齐，壳程液体排空口12与下管板13平齐，壳程气体排空口4和壳程液体排空口12在圆柱空心体上的开口处增焊一块不锈钢板。壳程气体排空口4为两个且关于圆柱空心体的中心轴对称分布。
在设备处于工作状态时，前工序净化后的含二氧化碳的气体从原料进口5进入设备壳程内向下流动，与管程中的冷媒进行逆向换热，最后相变成液态，从产品出口7排出设备。冷媒在从冷媒进口11进入管程，在由下而上的流动的过程中，由液态渐变成气态，将其相变产生的冷量去冷却壳程中的二氧化碳，最后从设备顶部的冷媒出口1离开，再去冰机重获冷量，液化成液相后循环使用。
在原料进口5与上管板16之间主要侧重精提纯，随着气体的上升，溶入液体二氧化碳中的不凝气体也逐渐聚集并上升，向列管壳程的上部集中，通过与上管板16平齐的壳程气体排空口4两排空；原料进口5以下，第一、二块折流板15之间区域主要侧重于二氧化碳气体的预冷，此时气态物料温度较高，不能被液化，在此与冷媒初次进行热交换，获取冷量降低气体温度，达到液化点；液体设备中下部区域第三、第四、第五块折流板15之间区域主要侧重在物料的液化，同时进行气液分离，在此期间二氧化碳气体与由下而上的冷媒进行热交换，在冷媒处获取冷量，部分气体冷却为液体，与从下部上升的气液混合物汇集，在多块折流板15的干预下，使气液混合物成曲线流动上升，多重障碍使物流不断改变流动方向，加上很大的分离空间，使气液相在此实现了两相的分离。
设备稳定运行时，冷媒入口温度为常温，压力控制在1.1-1.2MPa，冷媒出口1温度为-20℃，压力控制在0.1MPa以下，二氧化碳进口温度28℃，出口温度-25℃，压力2.5MPa。液氨在列管内部的高度小于列管长度的四分之一。
Claims (9)
1.二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，包括两端分别用上封头（2）和下封头（9）密封的空心柱体，其特征在于：上封头（2）与空心柱体封合处设置能将空心柱体横截断的上管板（16），下封头（9）与空心柱体封合处设置能将空心柱体横截断的下管板（13），上管板（16）和下管板（13）之间用列管连通；在空心柱体长度方向中间位置与上管板（16）之间的空心柱体上设置能将空心柱体内外连通的原料进口（5），在空心柱体长度方向中间位置与下管板（13）之间的空心柱体上设置能将空心柱体内外连通的产品出口（7）；上封头（2）顶部设置连通上封头（2）内外的冷媒出口（1），下封头（9）上设置连通下封头（9）内外的冷媒进口（11）。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的列管数为1806根，换热面积为800m2。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的原料进口（5）与产品出口（7）之间的空心柱体内部设置多块折流板（15）。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的折流板（15）为5块，折流板（15）所在平面与空心柱体中心轴垂直，相邻的折流板（15）沿空心柱体长度的间距相等。
5.根据权利要求3所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的折流板（15）通过多根定位管（14）固定，所述的空心柱体为圆柱体，所述的折流板（15）形状为圆缺形，且折流板（15）的直径与空心圆柱体的横截面直径相等。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的空心柱体在其长度方向的中间位置处设置温度计中部接口（6），在上封头（2）处设置温度计上部接口（3），在下封头（9）处设置温度计下部接口（8）。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的空心柱体近上管板（16）处设置壳程气体排空口（4），所述空心柱体近下管板（13）处设置壳程液体排空口（12），所述下封头（9）底部设置底部排空口（10）。
8.根据权利要求7所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于： 所述的壳程气体排空口（4）与上管板（16）平齐，所述的壳程液体排空口（12）与下管板（13）平齐，壳程气体排空口（4）和壳程液体排空口（12）在空心柱体上的开口处设置补强装置。
9.根据权利要求7所述的二氧化碳预冷液化提纯一体化设备，其特征在于：所述的壳程气体排空口（4）为两个且关于空心柱体中心轴对称分布。
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