專(zhuān)利名稱(chēng)：一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供一種能夠同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)并傳熱的一體化雙功能化工設(shè)備，可以提高傳質(zhì)過(guò)程的效率并節(jié)約能源，其體積緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低廉。
背景技術(shù)：
近年化學(xué)工業(yè)與航天事業(yè)的飛速發(fā)展，要求有高效率的傳質(zhì)與傳熱設(shè)備。在傳質(zhì)設(shè)備方面，發(fā)明了各種形式的“結(jié)構(gòu)填料”(StructuredPacking)，例如W.Kaffrell的美國(guó)專(zhuān)利5,234,741(1993)，W.Meier的美國(guó)專(zhuān)利B1 4,296,050(1996)，J.F.Billingham的美國(guó)專(zhuān)利6,101,841(2000)，M.Lokett的美國(guó)專(zhuān)利6,321,567 B1(2001)，C.Ender的美國(guó)專(zhuān)利6,478,290 B2(2002)，T.Nagaoka的美國(guó)專(zhuān)利6,538,225 B1(2003)等。這些傳質(zhì)設(shè)備都具有較高的傳質(zhì)效率。傳熱設(shè)備方面，則有各種緊湊型換熱器，如板翅式換熱器與波紋板式換熱器等，這些傳質(zhì)設(shè)備具有較高的傳熱效率。加之近年來(lái)液膜技術(shù)的發(fā)展，又從工藝上顯著提高了氣液間的傳質(zhì)與傳熱過(guò)程(含氣液之間的吸收與解吸、蒸發(fā)與冷凝等，下同)的效率。
所有的傳質(zhì)過(guò)程，都伴隨有能量的產(chǎn)生或吸收，因此參與反應(yīng)的介質(zhì)(特別是液膜)溫度隨之變化，傳質(zhì)系數(shù)也發(fā)生變化。如反應(yīng)能量相對(duì)不大，介質(zhì)的溫度變化也小，對(duì)于傳質(zhì)過(guò)程的效率并無(wú)顯著影響，目前的高效率傳質(zhì)設(shè)備可以勝任。如反應(yīng)能量很大，介質(zhì)的溫度變化也大，傳質(zhì)過(guò)程的平衡常數(shù)和速率可能明顯變化，嚴(yán)重偏離原設(shè)計(jì)的最優(yōu)條件，則傳質(zhì)效率將明顯下降。目前通用的高效傳質(zhì)設(shè)備本身無(wú)法自動(dòng)調(diào)整其中的溫度變化，必須外加換熱設(shè)備來(lái)輸入或排出能量，才能保證傳質(zhì)過(guò)程在接近最優(yōu)條件下進(jìn)行。這樣一來(lái)，系統(tǒng)變?yōu)閺?fù)雜，設(shè)備增加，傳質(zhì)效率降低，而且傳質(zhì)過(guò)程的反應(yīng)能也無(wú)法回收利用。
節(jié)約能源也是工業(yè)設(shè)備性能的一個(gè)重要指標(biāo)。最近世界上對(duì)于節(jié)約能源十分重視，這一方面是為了減少對(duì)大氣層的污染，特另是二氧化碳的排放，另一方面是減少各國(guó)對(duì)進(jìn)口能源的依賴(lài)，特別是中東的石油。化工工業(yè)是消耗能源的“大戶”，也是節(jié)能的重點(diǎn)，各國(guó)都在積極研究節(jié)能的化工設(shè)備。各種化學(xué)反應(yīng)均產(chǎn)生或消耗大量能量，因此之故，如何能夠高效率地回收與利用化工傳質(zhì)設(shè)備中產(chǎn)生的各種反應(yīng)熱，便成為當(dāng)前的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本實(shí)用新型的目的即在于，提供一種一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其可為化工工業(yè)提供一種能夠同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)并傳熱的一體化雙功能化工設(shè)備，它可以保證傳質(zhì)過(guò)程在最有優(yōu)化的設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而不用其它外加換熱設(shè)備。
本實(shí)用新型的另一目的在于，提供一種節(jié)能的多流程一體化傳質(zhì)并傳熱的雙功能設(shè)備，它可以在提高傳質(zhì)過(guò)程的效率的同時(shí)，回收與利用其中發(fā)生的大部分反應(yīng)熱，大量節(jié)約能源。
本實(shí)用新型的又一目的在于，提供一種體積緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，降低設(shè)備投資。
為達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型提供的一種一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中包括一種或一種以上的傳質(zhì)流道，該傳質(zhì)流道內(nèi)裝有結(jié)構(gòu)填料；一種或一種以上的傳熱流道，該傳熱流道內(nèi)裝有高效傳熱翅片；每種流道均包括若干片狀組件，各種流道的片狀組件交互排列，其間以薄金屬板隔開(kāi)；在該傳質(zhì)流道的上端安裝有液體分配器，并與液體進(jìn)口管相連接；在該傳質(zhì)流道的下端安裝有液體收集器，并與液體出口管相連接；在該傳質(zhì)流道的上端安裝有氣體出口聯(lián)箱，并與氣體出口管相連接；在該傳質(zhì)流道的下端安裝有氣體進(jìn)口聯(lián)箱，并與氣體進(jìn)口管相連接；在該傳熱流道的上端安裝有載熱質(zhì)出口或進(jìn)口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)出口或進(jìn)口管相連接；在該傳熱流道的下端安裝有載熱質(zhì)進(jìn)口或出口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)進(jìn)口或出口管相連接。
其中該傳質(zhì)流道的氣體或液體的出口聯(lián)箱，在設(shè)備之內(nèi)與另一傳質(zhì)流道的氣體或液體的進(jìn)口聯(lián)箱相連接。
其中傳質(zhì)流道的側(cè)面安裝有分段收集冷凝液體或蒸發(fā)氣體的收集聯(lián)箱和，并與各分段的冷凝液體或蒸發(fā)氣體的出口管和相連接。
其中傳質(zhì)流道的片狀組件中，采用連續(xù)的薄壁管，其管壁面上壓制有一定深度的斜槽。
其中傳質(zhì)流道的片狀組件所采用的連續(xù)的薄壁管的幾何形狀為三角形。
其中傳質(zhì)流道的片狀組件所采用的連續(xù)的薄壁管的幾何形狀為長(zhǎng)方形。
其中設(shè)備中傳質(zhì)流道的片狀組件中采用多片雙層波紋版，各板的波紋交叉排列，并以各波紋版的外表面作為傳質(zhì)流道的傳質(zhì)表面，構(gòu)成傳質(zhì)流道，而以雙層波紋版的夾層作為傳熱流道。


本實(shí)用新型的上述與其他特征與優(yōu)點(diǎn)，將參照以下各附圖及實(shí)施例進(jìn)行如后說(shuō)明，其中圖1表示本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，其中包含一種控制反應(yīng)溫度的傳熱流道和一種進(jìn)行氣液反應(yīng)的傳質(zhì)流道。
圖2表示本實(shí)用新型采用多流程、節(jié)能結(jié)構(gòu)的一例，其中包含四種進(jìn)行不同工藝的流道加熱流道、回?zé)崃鞯?、富溶液解吸流道、與蒸汽冷凝流道。
圖3表示本實(shí)用新型內(nèi)傳質(zhì)與傳熱流道具體結(jié)構(gòu)的兩例，其中的傳質(zhì)流道分別采用了兩種特殊的連續(xù)薄壁管式結(jié)構(gòu)。
圖4表示本實(shí)用新型內(nèi)傳質(zhì)與傳熱流道具體結(jié)構(gòu)的另兩例，其中的傳質(zhì)流道采用了特殊的雙層波紋板結(jié)構(gòu)。
圖5是圖3A中的傳質(zhì)流道12的立體圖。
圖6是圖3B中的傳質(zhì)流道16的立體圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，圖1表示本實(shí)用新型“一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備”的基本結(jié)構(gòu)，其中包含一種控制反應(yīng)溫度的傳熱流道1a和一種進(jìn)行氣液反應(yīng)的傳質(zhì)流道1b。兩種流道均包括若干片狀組件，兩種流道的片狀組件交互排列，其間以導(dǎo)熱良好的薄金屬板1c隔開(kāi)，以利熱量交換。
液體吸收劑在設(shè)計(jì)的最優(yōu)溫度下由進(jìn)口管3a經(jīng)過(guò)液體分配器3ao進(jìn)入傳質(zhì)流道的液體側(cè)3b，形成液膜，與由氣體進(jìn)口管4c經(jīng)過(guò)氣體進(jìn)口聯(lián)箱4co進(jìn)入傳質(zhì)流道的氣體側(cè)4b的混合物氣逆流接觸，吸收其中所含的某種有用氣體成份，此時(shí)釋放溶解熱。如果不加冷卻，吸收劑液膜的溫度即將迅速增長(zhǎng)，降低了吸收的效率，使有用氣體成份的回收率大減。在本實(shí)用新型設(shè)備中，此熱量可由傳質(zhì)流道1b經(jīng)由薄金屬隔板1c直接傳入傳熱流道1a，以保持吸收劑的溫度不變。
在本實(shí)用新型“一體化傳質(zhì)并傳熱設(shè)備”中，由進(jìn)口管2c經(jīng)過(guò)進(jìn)口聯(lián)箱2co進(jìn)入傳熱流道2b的傳熱介質(zhì)，可以將所傳入的熱量經(jīng)過(guò)出口聯(lián)箱2ao由出口管2a輸出，從而使吸收過(guò)程基本上在恒溫下進(jìn)行，保持高回收率。最后，飽含有用氣體成份的“富溶液”，經(jīng)過(guò)液體收集器3co由出口管3c排出，進(jìn)入如以下圖2所述的設(shè)備進(jìn)行解吸并回收液體吸收劑。
圖2表示本實(shí)用新型“一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備”的一種多流程、節(jié)能結(jié)構(gòu)，其中包含進(jìn)行四種不同工藝的流道，即加熱流道6b、回?zé)崃鞯?a、富溶液解吸流道6d、與蒸汽冷凝流道6c。每種流道均包括若干片狀組件，各種流道的片狀組件交互排列，其間以導(dǎo)熱良好的薄金屬板7a，7b，7c隔開(kāi)，以利熱量交換。
富溶液由進(jìn)口管9a經(jīng)過(guò)液體分配器9ao進(jìn)入富溶液流道9b，形成液膜向下流動(dòng)，首先被由進(jìn)口管5c經(jīng)過(guò)進(jìn)口聯(lián)箱5co回流入回?zé)崃鞯?b的高溫“貧液”所加熱，最后被由入口管8c經(jīng)過(guò)入口聯(lián)箱8co進(jìn)入加熱流道8b的熱介質(zhì)加熱。在流道9b中，富溶液的溫度不斷升高，其中溶解的有用氣體成份由液膜蒸發(fā)到空腔中，氣液兩相分離，同時(shí)流向下流動(dòng)，進(jìn)入下方的收集聯(lián)箱9co。圖中用虛線表示氣體的流程。富溶液在釋放所溶解的氣體成份后就變?yōu)楦邷亍柏氁骸保陕?lián)箱9co經(jīng)過(guò)出口管9c流出設(shè)備，進(jìn)入升壓泵11，加壓后送入回流貧液進(jìn)口管5c。
由富溶液釋放的高溫有用氣體(虛線)，并不流出設(shè)備，在收集聯(lián)箱9co的上方的開(kāi)口處進(jìn)入相鄰的另一收集聯(lián)箱10do的氣腔內(nèi)，如箭頭所示。高溫有用氣體(虛線)直接由下方進(jìn)入冷凝流道10b，并向上流動(dòng)，沿途被由相鄰傳質(zhì)流道中由上往下逆方向流動(dòng)的冷的富溶液所冷卻，逐漸冷凝成液體。如果回收的有用氣體成份不止一種，則該液體的出口聯(lián)箱與出口管可以有若干個(gè)，圖中顯示兩個(gè)出口設(shè)備下方的出口聯(lián)箱10do與出口管10d為高沸點(diǎn)液體出口，中部的出口聯(lián)箱10co與出口管10c為低沸點(diǎn)液體出口。頂部的出口聯(lián)箱10ao與出口管110a為殘余氣體出口。
由此可以看出這種多流道的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備的節(jié)能特征其中沿解吸流道向下流動(dòng)的富溶液升溫并解吸所含氣體所需的熱能，大部分來(lái)自向上回流的高溫貧液和高溫氣體降溫時(shí)所釋放的余熱，包括顯熱和蒸汽冷凝的潛熱。因此，由加熱介質(zhì)提供的外部熱能的消耗量很少。
以下各圖將詳述一體化傳質(zhì)并傳熱設(shè)備的流道幾何結(jié)構(gòu)特征。
為使傳質(zhì)與傳熱同時(shí)進(jìn)行，傳質(zhì)流道的壁面必須既能保證液膜的連續(xù)性與氣流的紊動(dòng)，又需具有很高的傳熱系數(shù)，能夠與相鄰的傳熱或傳質(zhì)流道在低溫差下進(jìn)行熱交換。為降低成本，還要求這種特殊性能的幾何結(jié)構(gòu)能在現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備中進(jìn)行大批量生產(chǎn)，因此，該結(jié)構(gòu)幾何形狀既需具有高效率結(jié)構(gòu)填料的特征，又能夠在目前制造高效換熱器的設(shè)備中大批量生產(chǎn)。圖3及圖4以若干實(shí)例表示本實(shí)用新型設(shè)備的傳質(zhì)流道幾何結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
圖3A與3B表示本實(shí)用新型“一體化傳質(zhì)并傳熱設(shè)備”內(nèi)傳質(zhì)與傳熱流道具體結(jié)構(gòu)的兩例，其中分別采用了兩種特殊的連續(xù)薄壁管式幾何結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)流道12與16(圖5與圖6中)。
在圖3A中，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于目前的板翅式換熱器，但其不同點(diǎn)在于有傳質(zhì)流道與傳熱流道交互排列。在傳質(zhì)流道12中(請(qǐng)結(jié)合參閱圖5)，并不采用一般板翅式換熱器中用薄板壓制成的三角形波浪式翅片，而采用薄板“折疊”成的連續(xù)的封閉式三角形薄壁管組件。這些三角形頂端相互連接形成封閉式的管狀流道，其管壁面上壓制有一定深度的傾斜細(xì)槽(圖中未畫(huà)出)，以保證表面液膜流動(dòng)的均勻性與穩(wěn)定性，并加強(qiáng)氣流的紊動(dòng)。圖5中的傳質(zhì)流道12為連續(xù)的三角形封閉式薄壁管組件中的一小段示意。這些連續(xù)的三角形封閉式薄壁管組件的傳質(zhì)流道12，與傳熱流道13交叉排列，其間用薄金屬板14隔開(kāi)，壓緊后進(jìn)行整體釬焊。傳熱流道13的翅片則可利用現(xiàn)有產(chǎn)品中的幾何結(jié)構(gòu)(圖中所表示的為鋸齒型翅片，為現(xiàn)有技術(shù))，在此無(wú)需詳述。
在圖3B中，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)與圖3A相同，但其中傳質(zhì)流道中采用了一種連續(xù)的封閉式長(zhǎng)方形薄壁管組件的傳質(zhì)流道16(請(qǐng)結(jié)合參閱圖6)，其流道壁面上也壓制有一定深度的斜槽，以保證表面液膜流動(dòng)的均勻性與穩(wěn)定性。圖6中的傳質(zhì)流道16表示用薄板壓制成一條∏字型長(zhǎng)方形薄壁溝槽，然后可以組裝成為整片封閉式薄壁管組件的傳質(zhì)流道16，再與傳熱流道13交叉排列，其間用薄金屬板隔開(kāi)，壓緊后進(jìn)行整體釬焊。傳熱流道17的翅片則可利用現(xiàn)有產(chǎn)品中的幾何結(jié)構(gòu)(圖中所表示的為鋸齒型翅片，為現(xiàn)有技術(shù))，在此無(wú)需詳述。
圖4A及圖4B表示本實(shí)用新型“一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備”內(nèi)傳質(zhì)與傳熱流道具體結(jié)構(gòu)的另兩例，其中采用了特殊的雙層波紋板傳質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在圖4A中，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于目前的全焊接式波紋板式換熱器，但其中采用了焊成一體的雙層波紋版20，并以其外側(cè)作為傳質(zhì)流道19的傳質(zhì)表面，相鄰的兩塊雙層波紋板的波紋作交叉狀排列。雙層波紋版20的夾層可充當(dāng)傳熱流道。對(duì)于在層流工況下進(jìn)行放(吸)熱的傳熱流道，一般夾層的內(nèi)表面無(wú)須作特殊處理。對(duì)于雷諾數(shù)較大、需要強(qiáng)化放熱的傳熱流道，在夾層內(nèi)的表面上可以增加翅片，后者未在圖中畫(huà)出。
在圖4B中，表示用于氣體分段冷凝或蒸餾的雙層波紋板式設(shè)備，其整體結(jié)構(gòu)與圖4A相同，但側(cè)面的密封壁內(nèi)設(shè)有多處取出各段冷凝液或蒸汽的溝槽及出口，如圖中虛線22所示。圖4C中的21表示雙層波紋板的結(jié)構(gòu)。
由以上可見(jiàn)，此種一體化傳質(zhì)并傳熱設(shè)備是具有雙功能的、十分靈活多樣的設(shè)備，它可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)不同的化工工藝流程，并回收其中的大部分反應(yīng)能量，獲得顯著的節(jié)能效果。其中采用的特殊性能的幾何結(jié)構(gòu)，都可能利用現(xiàn)有的加工設(shè)備進(jìn)行大批量生產(chǎn)，減低設(shè)備成本。
綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種新型的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，在該設(shè)備內(nèi)，可以一次完成多項(xiàng)相互交換熱量的復(fù)雜的化工工藝流程。
還必須指出，除以上所說(shuō)明的本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖及其作為示例的裝置與設(shè)備的基本特征之外，根據(jù)本實(shí)用新型權(quán)利要求書(shū)中所述的原則與基本特征，利用普通的工程技術(shù)，換可以設(shè)計(jì)出各種不同的裝置與設(shè)備，進(jìn)行各種改進(jìn)，與設(shè)計(jì)出各種代用品。
權(quán)利要求1.一種一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中包括一種或一種以上的傳質(zhì)流道，該傳質(zhì)流道內(nèi)裝有結(jié)構(gòu)填料；一種或一種以上的傳熱流道，該傳熱流道內(nèi)裝有高效傳熱翅片；每種流道均包括若干片狀組件，各種流道的片狀組件交互排列，其間以薄金屬板隔開(kāi)；在該傳質(zhì)流道的上端安裝有液體分配器，并與液體進(jìn)口管相連接；在該傳質(zhì)流道的下端安裝有液體收集器，并與液體出口管相連接；在該傳質(zhì)流道的上端安裝有氣體出口聯(lián)箱，并與氣體出口管相連接；在該傳質(zhì)流道的下端安裝有氣體進(jìn)口聯(lián)箱，并與氣體進(jìn)口管相連接；在該傳熱流道的上端安裝有載熱質(zhì)出口或進(jìn)口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)出口或進(jìn)口管相連接；在該傳熱流道的下端安裝有載熱質(zhì)進(jìn)口或出口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)進(jìn)口或出口管相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中該傳質(zhì)流道的氣體或液體的出口聯(lián)箱，在設(shè)備之內(nèi)與另一傳質(zhì)流道的氣體或液體的進(jìn)口聯(lián)箱相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中傳質(zhì)流道的側(cè)面安裝有分段收集冷凝液體或蒸發(fā)氣體的收集聯(lián)箱和，并與各分段的冷凝液體或蒸發(fā)氣體的出口管和相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中傳質(zhì)流道的片狀組件中，采用連續(xù)的薄壁管，其管壁面上壓制有一定深度的斜槽。
5.如權(quán)利要求4所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中傳質(zhì)流道的片狀組件所采用的連續(xù)的薄壁管的幾何形狀為三角形。
6.如權(quán)利要求4所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中傳質(zhì)流道的片狀組件所采用的連續(xù)的薄壁管的幾何形狀為長(zhǎng)方形。
7.如權(quán)利要求1所述的一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，其特征在于，其中設(shè)備中傳質(zhì)流道的片狀組件中采用多片雙層波紋版，各板的波紋交叉排列，并以各波紋版的外表面作為傳質(zhì)流道的傳質(zhì)表面，構(gòu)成傳質(zhì)流道，而以雙層波紋版的夾層作為傳熱流道。
專(zhuān)利摘要一體化傳質(zhì)并傳熱雙功能設(shè)備，包括一種或一種以上的傳質(zhì)流道，傳質(zhì)流道內(nèi)裝有結(jié)構(gòu)填料；一種或一種以上的傳熱流道，傳熱流道內(nèi)裝有高效傳熱翅片；每種流道均包括若干片狀組件，各種流道的片狀組件交互排列，其間以薄金屬板隔開(kāi)；在傳質(zhì)流道的上端安裝有液體分配器，并與液體進(jìn)口管相連接；在傳質(zhì)流道的下端安裝有液體收集器，并與液體出口管相連接；在傳質(zhì)流道的上端安裝有氣體出口聯(lián)箱，并與氣體出口管相連接；在傳質(zhì)流道的下端安裝有氣體進(jìn)口聯(lián)箱，并與氣體進(jìn)口管相連接；在傳熱流道的上端安裝有載熱質(zhì)出口或進(jìn)口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)出口或進(jìn)口管相連接；在傳熱流道的下端安裝有載熱質(zhì)進(jìn)口或出口聯(lián)箱，并與載熱質(zhì)進(jìn)口或出口管相連接。
文檔編號(hào)B01J19/00GK2649173SQ200320116710
公開(kāi)日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
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