TW544505B - Improved aqua-ammonia absorption system generator utilizing structured packing - Google Patents

Description

544505 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 氨水吸收系統的主要組件係採用一吸收器、產 生器、凝結器以及一蒸發器。此技藝所習知的此等系統譬 如揭示於美國專利5,367,884、5,548,971及5,490,393號， 這些氨水吸收系統的設計及操作可能為熱泵、冷;東設備、 冷卻器、加熱器具、及冷卻與加熱器。 一氨水吸收系統的產生器係以一蒸德管柱方式 運作並包括一鍋爐、一剝離段或剝離器及一精德段等組 件。在一或多個進給或入口點將進給至產生器之組成物導 入產生器，此組成物含有來自系統吸收器的一種含氨溶 液。锅爐經設計可產生與熱輸入相重合之液體與蒸氣逆 流，在一段有限長度或高度的锅爐上導入主熱量而造成熱 輸入區域中產生顯著的氨濃度變化。部份系統中以一再彿 器取代锅爐’再彿器中從一主能量源輸入熱量，但除了來 自管柱底部附近液體所平衡分離出的蒸氣之外並不具有顯 著的氨分離。因此，一再沸器簡單地讓蒸氣回到產生器管 柱。 剝離段包含比最高（最冷）進給點更低之產生器管 柱中所有的段。在剝離段中，從離開蒸餾管柱底部之溶液 回收熱量，所回收的熱量係回到鋼爐上方的管柱部份。剝 離段包含三部份：一溶液加熱脫附器（SHD)、一絕熱脫附器 或一產生器-吸收器熱交換（GAX)脫附器、以及鍋爐。SHD 係為在弱溶液前往吸收器之前從弱溶液（亦即來自產生器 官柱底部的溶液）抽取熱量之剝離段部份。剝離段的絕熱

4 - 544505 A7 I------___ 五、發明説明（2 ) 脫附器並不具有熱輸入且通常位於最冷的進給點與SHD之 間。GAX脫附器藉由利用來自產生器管柱底部之弱液的 熱傳遞、或疋藉由一次級流體而從吸收器接收熱量。通常， 一 GAX氨水吸收系統中之一產生器將具有一 GAX脫附器 或一絕熱脫附器，但不會同時具有兩者。當此系統採用強 液GAX時，係使用一絕熱段，對於弱液GAX或次級流體 GAX則使用一 GAX脫附器。產生器的另一組件為一精餾 器’此精德裔係為比最高（最冷）進給點更高之產生器段， 上述的此等產生器顯示於圖中並在下文進一步詳述。 從系統吸收器對於產生器管柱之進給物係為一 種包含具有較高氨含量溶液之濃液，此濃液通常具有4〇% 至50%的氨，但在部份操作條件下可能低達約2〇%。此濃 液與從產生器導往吸收器的弱液不同，弱液包含在額定條 件下具有約1%至約15%、通常約3%至約5%氨的一含水組 成物。在強液GAX吸收循環中，將進給至產生器的濃液 進仃分割藉以回收熱量，其中一部份通過吸收器中的一 GAX熱交換器，另一部份則直接前往產生器，在不同位 置將這兩部份導入產生器中。在精餾器上或附近處將一進 、、O "IL ‘入作為處於起泡點溫度或低於起泡點溫度之單相流 I 體。通常身為二相組成物之第二進給流係在比第一單相液 體進給更低的-位置導入管柱，第二進給流理想上藉由在 加熱時處於氣泡點溫度以上溫度而變成為一種二相混合 物。上述氨水吸收系統中所採用之習知產生器已經設計具 有板片及所附接的熱傳遞管件，以在沿著管柱長度的各個 本紙張尺度賴A_ (21^^-——:--- 544505 五、發明説明 A7

位置將熱量傳遞至蒸餾料。此等產生ϋ管㈣描述及圖 示於上述專利案中。 發明概論 本發明有關一種改良的氨水吸收產生器，此種 氨水吸收產生器係具有充填有結構填充物f之至少一個内 部產生器空間部份。 圖式簡單說明 第1、2及3圖為根據本發明之一種產生器的實施 例的側剖視圖，其中顯示充填有結合劑之不同的產生器 段。 較佳實施例的詳細描述 本發明中，一種改良的氨水吸收系統產生器係 在產生為官柱的内部空間的部份或全部中使用結構填充物 夤。圖中並未顯示本發明的一種氨水吸收裝置的其他主要 組件，其中包括藉以使用本發明的產生器之一吸收器總 成、一凝結器及一蒸發器。這些氨水吸收系統的設計及操 作可能為熱泵、冷凍設備、冷卻器、加熱器具、及冷卻與 加熱。第1圖的實施例中，產生器丨〇包含位於單殼體内 之不同的四個段，此單殼體在圖中係處於一氨水吸收裝置 中所一般定向與使用之一直立垂直位置中。 產生器管柱的剝離段係為組合的鍋爐、SHD及絕 熱段並且位於比第一進給22輸入附近位準C更低之產生器 的較熱段處。因此，剝離段包含位置比最高（最冷）進給點 更低之產生器管柱的所有段，精餾器則為位置比最高進給

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544505 A7 Γ----[-- 五、發明説明（4 ) 點更高之產生器段，管柱的最冷段係為位於位準C上方之 精顧器18°導管21將一冷媒蒸氣從精餾器導往吸收裝置的 凝結器。一個鍋爐段12係位於產生器管柱的下部份，此鍋 爐段12從管柱的最低端延伸至位準a。stID段14位於鍋爐 上方’此SHD段14沿著管柱長度介於位準a與B之間，位 置B係為導入第二進給24之位準。絕熱脫附器16位於shd 段14上方，此絕熱脫附器16沿著管柱長度在位準b與c之 間延伸’位準C與第一進給輸入22相對應。精餾器18位於 產生态10的上部份’此精德器18在位準C與產生器管柱的 上端之間延伸。雖然圖中產生器1〇為單一殼體或是沿著殼 體不同段垂直疊成的共同殼體，產生器可包含具有不同段 之一或多個殼體，如下文所描述。 鍋爐段12係由一燃燒器15予以加熱，燃燒器15 具有沿著鍋爐段長度延伸之一個火管13，在火管端點17處 將排放軋體從燃燒器排出，燃燒器從一主能量源提供熱量 至鋼爐，來自銷爐段的熱量係利用弱液經由管件導入 SHD段14中，沿著811〇段14長度延伸之熱交換器25從弱液 輸送合理的熱量。 | 第1圖所示的實施例採用兩個液體進給點，第一 進給22以液體的起泡點溫度或略低於起泡點溫度的溫度導 入官柱内作為一單相流體，進給物為從一吸收器導往進給 輸入22如上述通常具有40%至50%氨之一種濃液。第二進 給輪入24為來自一吸收器的一GAX熱交換器段之濃液吸 收流體，第二進給流係在用於分隔絕熱脫附器段16與shd ----------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格(210X297公釐) ' 544505 A7

544505 五 A7 B7 發明説明（6 ) 管柱組件。但是，管柱的一或多段可包含與產生器殼體壁 相鄰之一中央煙氣管及/或一熱傳遞線圈。因此，譬如， 在具有沿著段長度延伸之一同心煙氣的一圓柱形殼體段 中，如第1圖所示，硬管與殼體壁之間的一環狀空間係充 填有結構填充物質。結構填充物質可能由在產生器中所遭 遇溫度時對於氨水溶液將呈現惰性之任何物質所構成，.典 型的操作溫度大於約200°F至高達約400°F或更高溫度，但 是精餾器溫度約為200°F或更低。此物質可受到濕潤或可 由溶液所弄濕。用於製造結構填充物質之金屬係包括：鋼、 不銹鋼、鎳、以及各種鋼合金包括專用合金譬如英高鎳 ®(Inconel®)、蒙納合金®(Monel⑧）、卡彭特合金 20®(Carpenter 20®)、赫史特合金®(Hastelloy⑧）、及鎳、 鈦、銘、组、錯及鑛銀的銅。較佳的結構填充物質包含不 銹鋼，特別是具有304、304L、316 AISI等級的不銹鋼， 或一馬氏體400系列合金。結構填充物質中所使用之較佳 的金屬細絲大約具有0.002吋至0.008吋之間的標稱直徑， 可使用的非金屬物質包括聚丙烯、Teflon®(TFE)、 Tefezel®(ETFE)、Halcar⑧(ECTFE)、Kynar®(PVDF)、聚 酯、聚乙烯及類似物。本發明的填充物質係使用在較低溫 段中與氨相容的塑膠，譬如聚丙婦。 一或多段中所使用的結構填充物質當液體及蒸 氣平均地分配在填充物上時將變得更有效率，雖然結構填 充物質可非常有效地快速分配液體，務必使用液體配送器 以降低進給點處的不良分配量並盡量減少增大填充高度的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 請 丨 先 ： 閲 ， 讀一； 背 面 之 ： 注 意 I 事； 項 ： 再 ：

9 544505 五、發明説明（7 ) 需求以達成所需要的分配。可在進給點以及管柱殼體分成 不同部份處有效地使用分配器，這些分配器可為位於= 内之喷麗器、喷嘴、喷注等的形式以達成此均句的分配。 令產生器的-或多段中所使用的結構填充物質 Μ最Μ的各種液體或蒸氣負載並具有最佳化的成本效 证’可猎由改變填充物構成材料的網目尺寸及細絲尺寸來 達成這些最佳化作用，這些改變通常導致不同密度（每單 位充填表面容積之重量）的充填，其中具有最大效率之密 度係為25至4G石旁/立方叹、更佳介於約3()至約抑/立方叹 之間對於其他瘵餾質量傳送裝置之結構填充物質的另一 項優點為可能具有較高的液體與蒸氣負載，這代表對於已 知能量將具有較小的產生器殼體直徑。小直徑代表較低成 本以及送入與送出殼體之更有效的熱傳遞，所以不再需要 昂貴的内部熱交換結構。填充物安裝在具有小於約〇·2平 y刀吋/磅/小時内剖面積的產生器氨冷媒設計能量之一或多 個產生器段中。更佳，在一或多段中之填充物的内剖面積 係為0.15平分吋/磅/小時或更小的氨冷媒。部份情形中， 可能以低達〇·〇5平分吋/磅/小時操作而造成大幅降低的產 生為官柱直徑。並且’可在比目前市售吸收產生器更小直 徑的產生器管柱中進行有效率的分離。譬如，在使用具有 60,000Btuh的產生器的一或多段中之一種上述結構填充物 質時’相較於具有常用板片型組件熱交換器之6吋直徑產 生器，標稱冷卻能量GAX氨水吸收循環可能小到2.75吋内 徑。對於常用6吋内徑產生器中的3RT冷卻之商用設備係 本紙張尺度適财關家標準（CNS) A4規格⑵0χ297公愛） 544505 A7 -_____B7 五、發明説明（8 ) 而要、力75¾ Λ]、時的冷媒，這相當於大約〇 39平方吋/碎/小 時的冷媒。相反地，根據本發明之結構填充物質安裝的— 管柱係以可低達〇_〇5平方时/糾、時的冷媒產生的正常化 剖面積而操作。 下列為本文所描述之一或多段中具有結構填充 物質之產生器的一項範例：一產生器在95T環境溫度的額 定條件下具有冷卻100至150磅/小時氨冷媒的設計能量， 至少一段具有小於約6吋、較佳約4.5吋或以下、更佳約3.5 吋或以下的内徑；一產生器在95卞環境溫度的額定條件下 具有冷卻50至1〇〇磅/小時氨冷媒的設計能量，至少一段具 有小於約6吋、較佳約4吋或以下、更佳約3吋或以下的内 徑；一產生器在95T環境溫度的額定條件下具有冷卻125 至250碎/小時氨冷媒的設計能量，至少一段具有小於約6 忖的内徑；一產生器在95。;^環境溫度的額定條件下具有冷 卻2.5至3.5冷卻噸的設計能量，至少一段具有小於約6吋、 較佳約4吋或以下、更佳約3吋或以下的内徑；一產生器在 95°F環境溫度的額定條件下具有冷卻3.4至4.5冷卻噸的設 計能量，至少一段具有小於約6吋、較佳約4吋或以下、更 佳約3吋或以下的内徑；一產生器在95 °F環境溫度的額定 條件下具有冷卻4.5至5.5冷卻噸的設計能量，至少一段具 有小於約6吋、較佳約4.5吋或以下的内徑；一產生器在95 °F環境溫度的額定條件下具有冷卻6至8冷卻噸的設計能 量，至少一段具有小於約6吋的内徑。 可在產生器中使用多種選擇以利熱輸入及熱回 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇><297公釐） -11- 五、發明説明（9 ) 收s如，可包覆住管件以沿著管柱外側周圍承載弱液， 此^幵y中，官柱的安裝方式應與殼體產良好的熱接觸，將 笞車人知或硬知至设體係為獲得此增大熱接觸之典型方式。 亦可將熱傳遞線圈放人產生諸體内，其中將線圈抵住殼 體壁且結構填充物質貼切地配合於管件線圈内。由於產生 器中的溶液與熱傳遞線圈呈直接接觸，對於填充物良好的 熱接觸並不重要，且不需要與殼體的良好熱接觸。可藉由 螺旋片分開的同心殼體來形成熱傳遞流體之一流體流動通 路，螺旋片可固定至兩殼體壁中的任一者。亦可利用在產 生為中的浴液與弱液之間具有一流體邊界之螺旋片來提供 熱傳遞路徑。 可使用產生器管柱段内的各種其他構造，譬如 使煙氧通過鋼爐中心進行有效的熱輸入。亦可從進入產生 裔的SHD及GAX段之煙氣有利地移除額外熱量，譬如令煙 氣導管通過這些原本充注有結構填充物質之段中心。產生 器管柱亦可覆蓋有可作熱量回收之煙氣導管，藉以作為將 煙氣通過管柱中心之替代方式。 第2圖顯示一產生器管柱3〇的另一項實施例，其 中利用一再沸器35取代鍋爐以從一適當來源輸入主熱量。 來自再沸器的熱量係藉由一熱傳遞管件39經過導管系統31 導入SHD段34，管柱包括在位準B與c之間延伸的一gax 脫附器段36，位準C為將單相強液從吸收器輸入之一較佳 位置。熱傳遞線圈37安裝在GAX脫附器段36中，管柱進 一步包括一精餾器段38，此精餾器段38具有管件33以將冷 544505 A7

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544505 A7 _______B7 五、發明説明（11 ) 氣的位準。大部份浮泡發生於管柱的鍋爐段中，因此，較 佳在鍋爐與SHD段之間使用機械消泡器。寬鬆的線網係為 她麵消泡器的一種範例，另一有效的機械消泡器簡 單地為段之間可防止或減少浮泡從鋼爐進入咖的一個空 f積。亦可使用化學物來控制浮泡，並包括將氫氧化物含 量降低到0.15%、或250Ppm或以下的氫氧化納正常水準以 下。其他抑制劑包括譬如Advaguard 1000®等專用材料戋 是可避免使用鉻酸鈉及/或氫氧化鈉的抑制劑，降低浮泡 或泡沫的其他化學方式則包括使用含有腐餘抑制劑之錄/。 在-產生器管柱中使用結構填充物質之優點係 包括使用較短的管柱，特別是在小直捏的管柱中。此產生 器亦具有比起附接有熱傳遞管件之複雜蒸餘板以及其他目 前使用的產生器設計更顯著降低之成本。可藉由形^較小 回流所需要的分離來達成較高的效率循環。並且，^直句 的產生器將導致較輕的系統、較小的、、交 干J幻岭液存$、較小的包 裝及較快的啟動。熟悉此技藝者係瞭解本發明之上述及其 他優點。

544505 A7 B7 五、發明説明（12 ) 元件標號對照 10…產生器 31··· 導管糸統 12…鍋爐段 33··· 導管 13…火管 34··· SHD段 14…SHD段（溶液加熱脫 35"· 再沸器 附器段） 36··· GAX脫附器段 15…燃燒器 37"· 熱傳遞線圈 16···絕熱脫附器 38"· 精餾器段 17…火管端點 39··· 熱傳遞管件 18···精餾器 41··· 管件 20…管件 42··· 鍋爐段 21…導管 43··· 硬管 22…第一進給輸入 44··· SHD段 24…第二進給輸入 46·.· 絕熱脫附器段 25…熱交換器（熱傳遞線 48··· 精餾器段 圈） 51··· 部份凝結器 30…產生器管柱 (請先閲讀背面之注意事項再填寫 •訂丨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 15

Claims (1)

1. 544505 A8 B8 C8 D8 'ψΐ 申請專利範圍 第90118865號專利申請案申請專 91年09月 1 · 一種氨水吸收裝置，其包含一吸收器、一產生器、一凝 結器及一蒸發器，該產生器（10)包含一精餾器段（18)與 一 Ά提段，該汽提段包含一鋼爐段（12)或一再沸器 (35)、一溶液加熱脫附器段（14)以及一絕熱脫附器段（16) 或GAX脫附器段（36)，該產生器的特徵在於：至少一個 該等段的内部空間實質上係充填有結構填充物質 (11)，該結構填充物質之整個質量具有實質上均一之密 度，且在違產生斋溫度下不會與一氨水溶液產生化學作 用。 2·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該絕熱段（16)。 3·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)。 4·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該溶液加熱脫附器段（丨句。 5·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該鍋爐段（12)。 6·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)及該絕熱段（16)。 7·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段〇 8)及該溶液加熱脫附 器段（14)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂』丨 餐| 16 544505 A8 B8 C8 ---------- 申睛專利範園 8·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)及該鍋爐段（12)段。 9·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該絕熱段（16)及該溶液加熱脫附器 段（14)〇 10·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該絕熱段（16)及該鍋爐段（12)。 11·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)、該絕熱段（16)及該 溶液加熱脫附器段（14)。 12.如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)、該絕熱段（16)及該 鍋爐段（12)。 13·如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該絕熱段（16)、該溶液加熱脫附器段 (14)及該鍋爐段（12)。 14·如申請專利範圍第1項之裝置，其中所有該等產生器均 充填有該結構填充物質。 15·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該GAX脫附器段（36)。 16·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精顧器段（18)及該gax脫附器段 (36)。 17·如申請專利範圍第1項之裝置’其中充填有該結構填充 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂卜 Φ ' 17 - 544505 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 物質之產生器段係該GAX脫附器段（36)及該溶液加熱 脫附器段（14)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 18. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該鍋爐段（12)及該GAX脫附器段 (36)。 19. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)、該GAX脫附器段 (36)及該溶液加熱脫附器段（14)。 20. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該精餾器段（18)、該GAX脫附器段 (36)及該鍋爐段（12)。 21. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中充填有該結構填充 物質之產生器段係該GAX脫附器段（36)、該溶液加熱脫 附器段（14)及該鍋爐段（12)。 22·如申請專利範圍第5、8、10、12、13、14、18、20或21 項之裝置，其中該鍋爐段（12)包含一圓柱形殼體，該圓 柱形殼體之中具有一同心流體管並在其間具有一環狀 空間，其中該環狀空間實質上充填有該結構填充物質。 23. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該溶液加熱脫附器 段、該GAX脫附器段或該精餾器段中至少一者包含一 概呈垂直的殼體，該殼體具有用於引導其中之弱吸收性 溶液沿著該殼體内部或外部周圍延伸並於其間進行熱 交換傳導之管件。 24. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該溶液加熱脫附器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 18 544505

   申請專利範圍 段、該GAX脫附器段或該精餾器段中至少一者納有一 熱交換流體流動通路，該熱交換流體流動通路包含一第 一及第二同心殼體，該等第一及第二同心殼體之間固定 有熱交換片。 25·如申請專利範圍第^員之裝置，其中該結構填充物質包 含不銹鋼或碳鋼。 26·如申請專利範圍第25項之裝置，其中該結構填充物質包 含織造的線網層。 27·如申請專利範圍第1、25或26項之裝置，其中該結構填 充物質包含具有約0·002吋至0.008吋直徑之金屬細線。 28.如申請專利範圍第1項之裝置，其中位於至少一個該等 段中之該結構填充物質係包含一種非金屬組成物。 29·如申請專利範圍第28項之裝置，其中位於該一或多段中 之該結構填充物質包含聚丙烯。 3〇·如申請專利範圍第1、25、26或27項之裝置，其中位於 該一或多產生器段中之該結構填充物質係具有約25至 約40碎/立方呎的密度。 31.如申請專利範圍第1、25、26、28或29項之裝置，其中 包含結構填充物質之該產生器段的内剖面積係具有小 於約0.2平分吋/碎/小時的產生器氨冷媒設計能量。 32·如申請專利範圍第31項之裝置，其中該一或多段的内剖 面積具有0· 15平分忖/碍/小時或以下的氨冷媒。 33·如申請專利範圍第31項之裝置，其中該一或多段的内剖 面積具有0.05平分吋/磅/小時或以下的氨冷媒。 本紙張尺度翻巾關家鮮（CNS) Α4祕⑵Qx297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   19 >44505 A8 B8 C8 ~----D8 一 申請專利範圍 --- Μ.如申請專利範圍第！項之襄置，其於該產生器之該等段 之至少一者中包括-或多個構件，供用於將液體均句地 配送至該結構填充物質上。 35.如申請專利範圍第旧之裝置，該產生器在該汽提段之 上端或附近包括-入口（22)供用於進給較低溫的液體 於其中，以及在該溶液加熱脫附器段（14)之上端或附近 包括一入口（24)供用於進給較高溫的液體於其中。 6·如申咐專利範圍第1或35項之裝置，其中該精餾器段包 含與該汽提段分離之殼體（48)。 37·如申請專利範圍第丨項之裝置，其包含位於該產生器中 之機械及/或化學泡沫控制器，藉以控制該結構填充物 質中之泡沫及/或浮泡。 38·如申請專利範圍第37項之裝置，其中該機械泡沫控制器 係包含該溶液加熱脫附器段的最低端與該鋼爐或再彿 器段的最高端之間的垂直間隔。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、? 0, 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（210X297公釐） 20