冷凝器及冷凝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)保技術(shù)，特別涉及冷凝器及冷凝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]液氮冷凝法是揮發(fā)性有機物及油氣回收的主要工藝之一，它利用液氮作為冷源將揮發(fā)性有機物或油氣的熱量置換出來，實現(xiàn)揮發(fā)性有機物或油氣組分從氣相到液相直接轉(zhuǎn)換。其工作原理是根據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)在不同溫度性的蒸汽壓的差異，通過降溫使其油氣中一些烴類成飽和狀態(tài)，并冷凝下來并進行回收利用。但是常規(guī)冷凝器采用液氮為冷源去冷凝揮發(fā)性有機物或油氣時，對揮發(fā)性有機物或油氣的冷凝一般是將液氮通入換熱管，揮發(fā)性有機物或油氣通入殼體，即液氮走管程，揮發(fā)性有機物或油氣走殼程，通過換熱管的管壁換熱冷凝，但是液氮在氣化時焓值很大，促使揮發(fā)性有機物或油氣與液氮之間的溫差過大，容易導致?lián)]發(fā)性有機物或油氣中的碳氫化合物容易在換熱管壁上結(jié)霜，一旦結(jié)霜，傳熱系數(shù)就會降低，就要消耗更多的冷源才能將待冷凝氣體冷凝到目標狀態(tài)，嚴重時可堵塞換熱管道，導致冷凝器無法工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種冷凝器及冷凝方法，能夠避免換熱管因為管內(nèi)外溫差較大而結(jié)霜，提高傳熱系數(shù)，降低冷源消耗。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種冷凝器，包含:待冷凝氣體換熱管，冷源換熱管和殼體，所述殼體內(nèi)為換熱區(qū)，且所述換熱區(qū)內(nèi)有緩沖氣體；
[0005]所述待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管平行，且所述待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管均位于所述換熱區(qū)內(nèi)；
[0006]所述待冷凝氣體換熱管中的待冷凝氣體通過所述緩沖氣體與所述冷源換熱管中的冷源進行熱交換。
[0007]本發(fā)明還提供了一種冷凝方法，包含以下步驟:
[0008]將冷源通入冷源換熱管，并將將緩沖氣體通入殼體內(nèi)的換熱區(qū)；
[0009]將待冷凝氣體通入待冷凝氣體換熱管中；
[0010]所述待冷凝氣體通過所述緩沖氣體與所述冷源進行熱交換。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)中對待冷凝氣體的冷凝一般是將冷源通入換熱管，待冷凝氣體通入殼體，兩者通過換熱管的管壁進行熱交換。但是由于待冷凝氣體與冷源之間的溫差過大，容易導致?lián)Q熱管結(jié)霜，一旦結(jié)霜，傳熱系數(shù)就會降低，就要消耗更多的冷源才能將待冷凝氣體冷凝到目標狀態(tài)，嚴重時可堵塞換熱管道，導致冷凝器無法工作。本發(fā)明實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，在待冷凝氣體換熱管與冷源換熱管之間設(shè)置換熱區(qū)，換熱區(qū)內(nèi)有緩沖氣體，該緩沖氣體的溫度介于待冷凝氣體與冷源之間，在待冷凝氣體與冷源之間進行換熱時，冷源的低溫首先將緩沖氣體降溫，緩沖氣體再把低溫傳輸給待冷凝氣體，使得待冷凝氣體換熱管不會因為管內(nèi)外溫差過大而結(jié)霜，有效的提高了傳熱系數(shù)，節(jié)約冷源消耗，而且本發(fā)明中的冷源與待冷凝氣體是非接觸的，一次冷凝后，冷源還可以被回收再利用，除此之外，本發(fā)明中的冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，運行可靠性高，不易出故障。
[0012]優(yōu)選地，還包含折流板，且所述殼體上包含換熱后緩沖氣體出口和冷源管程入Π ；
[0013]所述冷源管程入口與所述冷源換熱管的下端相連，且所述冷源管程入口在所述換熱后緩沖氣體出口之上；
[0014]所述折流板位于所述冷源管程入口與換熱后緩沖氣體出口之間的換熱區(qū)內(nèi)。
[0015]本發(fā)明中將換熱后緩沖氣體出口的位置設(shè)計成低于冷源管程入口的位置，在換熱后緩沖氣體出口與冷源管程入口之間的換熱區(qū)設(shè)置折流板，冷的緩沖氣體通過折流板流動，僅與熱的待冷凝氣體換熱管接觸，待冷凝氣體被冷卻，冷的緩沖氣體被加熱，所以換熱后的緩沖氣體離開冷凝器的溫度比較高，液氮冷量利用率高。
[0016]優(yōu)選地，還包含上氣液分離室和下氣液分離室；
[0017]所述上氣液分離室和下氣液分離室分別位于所述殼體的頂部和底部，且所述上氣液分離室通過所述待冷凝氣體換熱管與所述下氣液分離室相連。
[0018]上氣液分離室和下氣液分離室用于將待冷凝氣體被冷凝后的固態(tài)和氣態(tài)進行分離回收排放，當待冷凝氣體流量起伏很大時，待冷凝氣體會夾帶小液滴進入上氣液分離室，此時需要通過上氣液分離室將待冷凝氣體與小液滴分離，或者從上一級冷凝器預冷后的待冷凝氣體夾帶小液滴進入下氣液分離室，由于空間擴大，待冷凝氣體氣體流速減慢，停留時間較長，小液滴就會與待冷凝氣體氣體分離，形成冷凝液，冷凝液將沿著待冷凝換熱管的管壁自上而下流入下氣液分離室后回收，待冷凝氣體的剩余氣體成分將會被繼續(xù)冷凝或沿著待冷凝換熱管的管壁自下而上流向上氣液分離室后被排入大氣。
[0019]優(yōu)選地，還包含不凝氣體出口、冷凝液出口和冷凝液收集罐；
[0020]所述不凝氣體出口與所述上氣液分離室相連，所述冷凝液出口與所述下氣液分離室相連，所述下氣液分離室與所述冷凝液收集罐相連。
[0021]不凝氣體出口與上氣液分離室相連，便于冷凝后待冷凝氣體的剩余氣體成分排入大氣，冷凝液出口與下氣液分離室相連，下氣液分離室與冷凝液收集罐相連，便于冷凝液通過下氣液分離室流入冷凝液收集罐后回收。
[0022]優(yōu)選地，所述下氣液分離室內(nèi)置氣體分布器，且所述下氣液分離室上具有待冷凝氣體入口 ；
[0023]所述氣體分布器與所述待冷凝氣體入口相連。
[0024]下氣液分離室內(nèi)置氣體分布器，使得當待冷凝氣體進入下氣液分離室后能分布均勻地通過管板進入待冷凝氣體換熱管進行換熱。
[0025]優(yōu)選地，所述殼體上還包含冷源氣體管程出口和冷源氣體殼程入口 ；
[0026]所述冷源氣體管程出口與所述冷源換熱管的上端以及冷源氣體殼程入口相連。
[0027]由于換熱區(qū)內(nèi)的緩沖氣體與冷源換熱管中的冷源之間存在溫差，冷源進入冷源換熱管后會與緩沖氣體換熱，緩沖氣體吸收冷源的冷能變成冷的緩沖氣體，冷源吸收緩沖氣體的熱量變成氣態(tài)流向冷源氣體管程出口處，進一步流向與之相連的冷源氣體殼程入口進入殼體內(nèi)，進一步降低緩沖氣體的溫度，這樣就實現(xiàn)冷源與待冷凝氣體之間以緩沖氣體為傳熱媒介的換熱。
[0028]優(yōu)選地，所述待冷凝氣體的流速決定所述待冷凝氣體換熱管的管徑和數(shù)目。
[0029]本發(fā)明中冷凝器中的待冷凝氣體換熱管的管徑大小以及換熱管的數(shù)目是可變的，根據(jù)待冷凝氣體的流速決定換熱管的管徑和數(shù)目，流速大就需要增大管徑或增加換熱管數(shù)目，以避免出現(xiàn)氣液夾帶的現(xiàn)象，使得本發(fā)明中的冷凝器不僅能滿足冷凝的需要，還要滿足氣液分離的要求。
[0030]優(yōu)選地，所述待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管均為纏繞式盤管。
[0031]纏繞式盤管與其周圍的緩沖氣體接觸面積較大，利于管內(nèi)的待冷凝氣體和冷源與管周圍的緩沖氣體充分換熱。
[0032]優(yōu)選地，所述冷源為液氮，所述緩沖氣體為氮氣。
[0033]本發(fā)明優(yōu)選冷源和緩沖氣體為同一種物質(zhì)的不同種形態(tài)，一方面避免了相互污染，另一方面在本發(fā)明中，由于氮氣的焓值遠小于液氮的焓值，因此，只要氮氣的溫度控制在高于待冷凝氣體中各組分熔點的溫度，待冷凝氣體就不會在待冷凝氣體換熱管內(nèi)由于結(jié)霜而堵塞。
[0034]優(yōu)選地，所述待冷凝氣體為揮發(fā)性的有機物或油氣。
[0035]本發(fā)明中的待冷凝氣體主要為揮發(fā)性有機物或油氣，解決現(xiàn)有技術(shù)中揮發(fā)性有機物及油氣回收利用的問題，關(guān)系到環(huán)境污染和人體健康，意義重大。
【附圖說明】
[0036]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式和第二實施方式中的冷凝器示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明第三實施方式中的冷凝方法流程圖。
【具體實施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護的技術(shù)方案。
[0039]本發(fā)明的第一實施方式涉及一種冷凝器。具體如圖1所示，包含:待冷凝氣體換熱管1，冷源換熱管2和殼體3，殼體內(nèi)為換熱區(qū)，且換熱區(qū)內(nèi)有緩沖氣體，待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管平行，且待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管均位于換熱區(qū)內(nèi)，待冷凝氣體換熱管中的待冷凝氣體通過緩沖氣體與冷源換熱管中的冷源進行熱交換。
[0040]本實施方式中的冷凝器中，待冷凝氣體換熱管與冷源換熱管相互獨立，并與換熱區(qū)通過管壁隔開，能夠保證在冷凝結(jié)束后冷源和緩沖氣體不被污染，可以回收再利用，例如可以用于惰性保護等，冷凝后的待冷凝氣體的液態(tài)或固態(tài)也能夠方便的收集；待冷凝氣體換熱管內(nèi)的待冷凝氣體與冷源換熱管內(nèi)的冷源之間的換熱是通過換熱區(qū)內(nèi)的緩沖氣體完成的，由于緩沖氣體的存在，能夠盡量避免因為待冷凝氣體與冷源之間由于溫差過大而容易在換熱管內(nèi)結(jié)霜。
[0041]值得一提的是，上述待冷凝氣體換熱管和冷源換熱管均為纏繞式盤管，纏繞式盤管與其周圍的緩沖氣體接觸面積較大，利于管內(nèi)的待冷凝氣體和冷源與管周圍的緩沖氣體充分換熱。本實施方式中優(yōu)選冷源和緩沖氣體為同一種物質(zhì)的不同種形態(tài)，避免了相互污染，本文優(yōu)選液氮作為冷源，氮氣為緩沖氣體，因為液氮能夠達到-196攝氏度，是常用的效果較好的冷源；另一方面，由于氮氣的焓值遠小于液氮的焓值，因此，只要氮氣的溫度控制在高于待冷凝氣體中各組分熔點的溫度，待冷凝氣體就不會在待冷凝氣體換熱管內(nèi)由于結(jié)霜而堵塞。
[0042]本實施方式中的冷凝器中還均包含上氣液分離室4和下氣液分離室5，上氣液分離室和下氣液分離室分別位于殼體的頂部和底部，且上氣液分離室通過待冷凝氣體換熱管與下氣液分離室相連。上氣液分離室和下氣液分離室用于將待冷凝氣體被冷凝后的固態(tài)和氣態(tài)進行分離回收排放，當待冷凝氣體流量起伏很大時，待冷凝氣體會夾帶小液滴進入上氣液分