换热旋流脱气耦合设备及应用其的闪蒸分离方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种换热与旋流脱气耦合的闪蒸分离的方法与设备。闪蒸液体首先进入换热段进行换热，到一定温度后进入换热-旋流脱气耦合器；在换热-旋流脱气耦合器中继续换热升温的同时依靠压力梯度场及离心场将溶解于闪蒸液的气体进行分离，实现了液体闪蒸及升温脱气的双重效果。本发明结合了依靠压力梯度场将物理溶解气分离和依靠温度场将部分化学溶解气体分离的双重功能，克服了目前换热器换热到一定温度后因化学溶解气的解析出造成气液两相流动而无法进一步提高液体温度的困难与目前换热旋流脱气耦合器只能将物理溶解气分离的缺点，可广泛应用于能源化工过程中液体脱气、吸收液再生等过程，降低该过程的投资及能耗。
【专利说明】换热旋流脱气耦合设备及应用其的闪蒸分离方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源化工领域，尤其涉及一种利用换热与旋流脱气耦合的闪蒸分离的方法与设备。
【背景技术】
[0002]在石油化工、煤化工、氯碱化工等过程，液体脱气是实现液体净化或者再生的一个重要步骤。一般液体中气体溶解形态有物理溶解与化学溶解两种，物理溶解可依靠降压闪蒸、吹脱等方式改变该气体在液体中的溶解度而进行分离，部分化学溶解则需通过加热汽提等方式进行分离，如酸性水汽提分离溶解的h2s、NH4等组份，胺液再生依靠温度升高、降低气体分压而进行分离h2s、co2、so2等。而在胺液再生等过程，希望进入再生塔的胺液温度尽量高一些，这样能降低再生过程中的蒸汽用量，进而降低能耗。但由于胺液等含气液体换热到一定温度后化学结合的气体会解析出来，会在换热器中被换热液体腔体中形成气液两相流动，因气体的体积较大会导致被换热液体腔体中形成气阻与气体导热率较低或者占居液体换热界面而导致液体温度无法进一步通过间壁加热而提高，一般在加热到气体将解析出来的过渡态温度后进入再生塔内依靠塔底重沸器升温与塔内压力的降低进一步分离液体中的溶解气。这样一方面需要蒸汽进行二次加热，浪费了能耗；另一方面还需设置一个塔及加热器进行二次处理，也增加了设备投资和占地，因此需采用一种新型技术既可克服气体解析导致液体换热温度无法进一步提高的问题，又可高效的将该部分化学溶解气与物理溶解气分离回收的方法，降低能耗与投资。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用换热与旋流脱气耦合的闪蒸分离的方法与设备。
[0004]本发明涉及一种换热与旋流脱气耦合的闪蒸分离的方法与设备。闪蒸液体首先进入换热段进行换热，到一定温度后进入换热旋流脱气耦合器；在换热旋流脱气耦合器中继续换热升温的同时依靠压力梯度场及离心场将溶解于闪蒸液的气体进行分离，从中心的气体出口排出，而液体继续通过间壁及尾部换热升到一定温度后排出，实现了液体闪蒸及升温脱气的双重效果。本发明结合了依靠压力梯度场将物理溶解气分离和依靠温度场将部分化学溶解气体分离的双重功能，克服了目前换热器换热到一定温度后因化学溶解气的解析出造成气液两相流动而无法进一步提高液体温度的困难，与目前换热旋流脱气耦合器只能将物理溶解气分离的缺点，可广泛应用于能源化工过程中液体脱气、吸收液再生等过程，降低该过程的投资及能耗。
[0005]具体的技术方案为:
[0006]一种换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，包括至少一个换热旋流脱气耦合器，该换热旋流脱气耦合器包括一腔体，该腔体设置有闪蒸液进口、气体出口和液体出口，该气相出口从该腔体上表面中心插入该腔体内，该插入深度为该腔体最大直径的0.1?3倍。[0007]较佳的，所述腔体还设置有换热介质进口、换热介质出口、含气液进口流道、换热介质进口流道和离心/旋流闪蒸腔，所述闪蒸液进口通过该含气液进口流道同该离心/旋流闪蒸腔连通，该换热介质进口通过该换热介质进口流道连通至该换热介质出口，该换热介质进口流道同该离心/旋流闪蒸腔隔绝，该含气液进口流道同该换热介质进口流道相邻并隔绝。
[0008]较佳的，所述换热旋流脱气耦合器还设有一内椎体，该内椎体的上表面设有底部换热介质流道。
[0009]较佳的，所述含气液进口流道同所述离心/旋流闪蒸腔之间还设有一导流腔，该导流腔为轴流式旋转叶片或切向进口。
[0010]较佳的，该换热旋流脱气耦合设备还包括一壳体，所述换热旋流脱气耦合器设置于该壳体内，该壳体内还设有多层隔板将该壳体内部依次分隔为不相通的气腔、闪蒸液腔、介质腔和液腔；所述换热旋流脱气耦合器的气体出口同气腔相通，且该气腔上设有一耦合设备气体出口 ；所述换热旋流脱气耦合器的闪蒸液进口同闪蒸液腔相通，且闪蒸液腔上设有一含气液体进口 ；所述换热旋流脱气耦合器的换热介质进口、换热介质出口和底部换热介质流道同介质腔相通，且介质腔上设有一耦合设备换热介质进口和耦合设备换热介质出口 ；所述换热旋流脱气耦合器的液体出口同液腔相通，且闪蒸液腔上设有一耦合设备液体出口。
[0011]较佳的，包括一换热旋流脱气稱合设备及一换热器，换热器的换热介质出口同率禹合设备换热介质进口相连通，换热器的含气液体出口同耦合设备的换含气液体进口相连通。
[0012]较佳的，所述换热器为板式换热器或管式换热器。
[0013]较佳的，所述换热器和换热旋流脱气耦合设备集成为一个设备。
[0014]一种前述的闪蒸分离装置的闪蒸分离方法，包括以下步骤:
[0015]步骤1:通过换热器的常规介质换热将含气液体加热到一定温度，在该温度下液体中以化学形态溶解的气体达到即将要解析出的过渡态；
[0016]步骤2:将步骤I中换热到一定温度的含气液以旋转流形态进入换热旋流脱气耦合设备进行继续升温，包括以下步骤
[0017]步骤2.1:通过间壁换热形式对旋转流形态的含气液体继续进行换热加温；
[0018]步骤2.2:在温度场和压力梯度场下，化学及物理溶解的气体解析出；
[0019]步骤2.3:解析出的气体在换热旋流脱气耦合器的旋转流离心力作用下向旋
[0020]流脱气设备中心聚积并从耦合设备气体出口导出；
[0021]步骤2.4:液体继续旋转流运动换热升温，达到所要求的温度后排出设备。
[0022]本发明的有益效果在于:结合了依靠压力梯度场将物理溶解气分离和依靠温度场将部分化学溶解气体分离的双重功能，克服了目前换热器换热到一定温度后因化学溶解气的解析出造成气液两相流动而无法进一步提高液体温度的困难，与目前换热旋流脱气耦合器只能将物理溶解气分离的缺点，可广泛应用于能源化工过程中液体脱气、吸收液再生等过程，降低该过程的投资及能耗。
[0023]本发明采用的设备具有操作简单、占地面积小、投资低等优点，克服了目前含气液体换热温度难提高，以及某些汽提、再生工艺流程能耗大的问题，可广泛应用于能源化工过 程的汽提、溶剂再生等装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为闪蒸分离装置及流程示意图。
[0025]图2为换热旋流脱气耦合设备的结构示意图。
[0026]图3为换热旋流脱气耦合器的结构示意图。
[0027]图4为本发明实施例装置应用流程示意图。
[0028]图5-1为换热旋流脱气耦合器结构示意图，图5-2换热旋流脱气耦合器沿A-A剖线的剖视图的径向压力示意图，图5-3换热旋流脱气耦合器径向截面压力梯度分布仿真图。
[0029]符号说明:
[0030]I换热器；2换热旋流脱气耦合设备；
[0031]2-1耦合设备气体出口 ；2_2隔板；2_3介质腔；2_4壳体；2_5耦合设备换热介质出口 ；2-6耦合设备液体出口 ；2-7换热旋流脱气耦合器；2-8耦合设备换热介质进口 ；2-9含气液体进口 ；2_10气腔；2-11闪蒸液腔；2-12液腔；
[0032]3-1气体出口 ； 3-2换热介质出口 ； 3-3换热介质进口流道；3-4进口导流腔；3-5气体引出口； 3-6离心/旋流闪蒸腔；3-7底部换热介质流道；3-8液体出口 ； 3-9外壁；3-10含气液进口流道；3-11换热介质进口 ；3-12闪蒸液进口 ；3-13内椎体。
【具体实施方式】
[0033]请参阅图1，为本发明闪蒸分离装置及流程示意图，该闪蒸分离装置包括实包括一外部换热器I与换热旋流脱气耦合设备2组成。该换热旋流脱气耦合设备2包括一壳体2-4及设置于壳体2-4中的换热旋流脱气耦合器2-7，该换热旋流脱气耦合器2-7的数量根据所需处理量进行相应设置，至少为一个。换热器I同换热旋流脱气耦合设备2上的含气液体进口 2-9及耦合设备换热介质进口 2-8分别相连通以输入在换热器I中进行换热并临界状态的含气液体(以下称为闪蒸液)及换热介质，壳体2-4上还设有耦合设备气体出口2-1和耦合设备液体出口 2-6和耦合设备换热介质出口 2-5，以便含气液体在换热旋流脱气耦合设备2内完成旋流脱气及换热后各部分的输出。
[0034]请参阅图2，为换热旋流脱气耦合设备2的结构示意图，该换热旋流脱气耦合设备2包括一壳体2-4，该壳体2-4上部设有含气液体进口 2-9、耦合设备换热介质进口 2_8、耦合设备气体出口 2-1、耦合设备液体出口 2-6和耦合设备换热介质出口 2-5，耦合设备气体出口 2-1通常设于壳体2-4的顶部,液体出口I禹合设备2-6通常设于壳体2-4的底部,但不以此为限。该壳体2-4内部还设有多层隔板2-2，以固定至少一换热旋流脱气耦合器2-7，并将壳体2-4内部由上至下依次隔离成不相通的气腔2-10、闪蒸液腔2-11、介质腔2-3和液腔2-13。
[0035]请参阅图3，为换热旋流脱气耦合器2-7的结构示意图，该换热旋流脱气耦合器2-7包括设有一腔体，该腔体上设有闪蒸液进口 3-12、换热介质进口 3-11、气体出口 3-1、液相出口 3-8和底部换热介质流道3-7，该闪蒸液进口 3-12通过含气液进口流道3-10相连通至进口导流腔3-4，该进口导流腔3-4同离心/旋流闪蒸腔3-6连通，以便将闪蒸液引入该离心/旋流闪蒸腔3-6内进行旋流脱气,该换热介质进口 3-11通过换热介质进口流道3-3连通至换热介质出口 3-2，该换热介质通道为一仅有两端进出口的封闭通道，该通道同离心/旋流闪蒸腔3-6及换热介质进口流道3-3隔绝，该含气液进口流道3-10同换热介质进口流道3-3以一道壁相分隔，可实现闪蒸液在引入换热旋流脱气耦合器2-7的离心/旋流闪蒸腔3-6的过程中在流道内和换热介质内外两侧同时进行换热交换。
[0036]该气相出口 3-1从该腔体上表面中心插入该腔体内，其末端为气体引出口 3-5，该插入深度为该腔体最大直径的0.1?3倍。该插入深度为气体引出口 3-5至腔体上表面的深度。其原理请参阅图5-1?图5-3，本专利
【发明者】通过实验研究发现，在柱腔高度为柱腔直径的0.5?3倍位置，旋流器内径向截面存在显著的压力梯度，即径向位置从外到内压力逐渐减小。依据亨利定律，在该截面高度附近，旋流器外边壁液体压力高、中心压力低，外边壁在该分压下溶解气体可迁移到中心位置，将溢流气相出口设在该位置可将一定进口压力下液体中溶解的气体进一步进行脱除，将目前旋流脱气技术利用离心场脱除夹带液体拓宽到利用离心场与压力梯度场结合，脱除夹带液体与进口液体一定分压下的溶解气体。则在离心/旋流闪蒸腔3-6内闪蒸液同时还完成了旋流脱气的过程，该脱出的气体进入气体倒锥形的引出口 3-5、通过气体出口 3-1排入气腔2-10，以进一步通过耦合设备气体出口2-1排出换热旋流脱气耦合设备2。而经过旋流脱气的闪蒸液则从液体出口 3-8排出。
[0037]该换热旋流脱气耦合器2-7底部还设有一内椎体3-13，该内椎体3-13的外侧设有一底部换热介质流道3-7以对经过旋流脱气的闪蒸液进一步加热，由于闪蒸液内的气相部分的析出，闪蒸液温度可再次得到提升。
[0038]上述含气液体进口 2-9可以为轴流式旋转叶片，也可以为切向进口等实现旋转流运动的进口形式，2-9含气液进口流道3-11进口流道的数量可以为I个或者多个。
[0039]上述换热介质的进、出口可以互换，耦合设备换热介质出口 2-5可以作为耦合设备换热介质入口，此时，耦合设备换热介质入口 2-8则作为耦合设备换热介质出口。
[0040]换热时，首先通过换热器I使用常规换热方法将含气液体加热到一定温度，在该温度下液体中以化学形态溶解的气体达到即将要解析出的过渡态，换热介质可以为气相、液相间壁换热，也可以为电加热换热等方式；换热到一定温度的含气液，进入换热旋流脱气耦合设备2的含气液腔2-11，充满后的含气液腔2-11内的处于临界状态的含气液体(以下称闪蒸液)通过旋转叶片等导流方式以旋转流形态进入闪蒸液进口 3-12、并通过含气液进口流道3-11和进口导流腔3-4进入离心/旋流闪蒸腔3-6，同时，换热介质通过耦合设备换热介质进口 2-8进入、充满整个介质腔2-3，并分别从换热介质进口 3-11和换热旋流脱气耦合器2-7底部直接充满换热介质进口流道3-3和底部换热介质流道3-7，在该过程中换热介质通过间壁换热形式对闪蒸液继续进行换热加温，在进入了离心/旋流闪蒸腔3-6内后在温度场和压力梯度场下(径向自外到内压力逐渐降低)，化学及物理溶解的气体解析出，解析出的气体在旋转流离心力作用下向换热旋流脱气耦合器2-7中心聚积并从中心气体出口 3-1导出，液体继续旋转流运动换热升温，达到所要求的温度后通过液体出口 3-8进入液腔2-12，最终通过耦合设备液体出口 2-6排出换热旋流脱气耦合设备。
[0041]上述换热过程因处于在离心场的作用下，使被分离出的气体迅速迁移聚结到换热旋流脱气耦合器的中心部分，而液体则绕着该耦合器的边壁旋转运动，因此可克服气液两相流的问题而达到继续换热的目的。[0042]实施例1
[0043]请参阅图4，为本发明实施例装置应用流程示意图，某石化加氢富液再生装置，采用两段式再生工艺，贫富液二级换热器(进再生塔之前)的换热温度只能达到90度，而需要再生塔底重沸器的蒸汽换热达到维持塔底温度123度，蒸汽耗量较大。进入贫富液二级换热器的富液温度为60度，流量为180t/h，液体及溶解气组成为:N—甲基二乙醇胺30.09%, H2S:5.84%, C02:0.02%, H20:63.24%.[0044]目前采用增大换热器或者增大贫液(加热介质，温度127度)的流量等方法均无法再升温，因此采用本发明的换热旋流脱气耦合设备(内置60根换热旋流脱气耦合芯管，并联布置)串联于目前的贫富液二级换热器之后，富液首先通过现有的二级贫富液换热器换热后(富液温度为82-86度)从换热旋流脱气耦合设备的含气液体进口进入设备腔体，后进入换热旋流脱气耦合芯管与从设备下部进入的高温贫液换热与脱气过程。在同样换热介质(贫液)流量下，经换热旋流脱气耦合设备后富液温度达到105度，且部分硫化氢及二氧化碳气体通过该设备分离，降低了再生塔的能耗。
[0045]综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
【权利要求】
1.一种换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，包括至少一个换热旋流脱气耦合器，该换热旋流脱气耦合器包括一腔体，该腔体设置有闪蒸液进口、气体出口和液体出口，该气相出口从该腔体上表面中心插入该腔体内，该插入深度为该腔体最大直径的0.1?3倍。
2.如权利要求1所述的换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，所述腔体还设置有换热介质进口、换热介质出口、含气液进口流道、换热介质进口流道和离心/旋流闪蒸腔，所述闪蒸液进口通过该含气液进口流道同该离心/旋流闪蒸腔连通，该换热介质进口通过该换热介质进口流道连通至该换热介质出口，该换热介质进口流道同该离心/旋流闪蒸腔隔绝，该含气液进口流道同该换热介质进口流道相邻并隔绝。
3.如权利要求1所述的换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，所述换热旋流脱气耦合器还设有一内椎体，该内椎体的上表面设有底部换热介质流道。
4.如权利要求1所述的换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，所述含气液进口流道同所述离心/旋流闪蒸腔之间还设有一导流腔，该导流腔为轴流式旋转叶片或切向进口。
5.如权利要求1或3所述的换热旋流脱气耦合设备，其特征在于，该换热旋流脱气耦合设备还包括一壳体，所述换热旋流脱气耦合器设置于该壳体内，该壳体内还设有多层隔板将该壳体内部依次分隔为不相通的气腔、闪蒸液腔、介质腔和液腔；所述换热旋流脱气耦合器的气体出口同气腔相通，且该气腔上设有一耦合设备气体出口 ；所述换热旋流脱气耦合器的闪蒸液进口同闪蒸液腔相通，且闪蒸液腔上设有一含气液体进口 ；所述换热旋流脱气耦合器的换热介质进口、换热介质出口和底部换热介质流道同介质腔相通，且介质腔上设有一耦合设备换热介质进口和耦合设备换热介质出口 ；所述换热旋流脱气耦合器的液体出口同液腔相通，且闪蒸液腔上设有一耦合设备液体出口。
6.一种应用了如权利要求5所述的闪蒸分离装置，其特征在于，包括一换热旋流脱气耦合设备及一换热器，换热器的换热介质出口同耦合设备换热介质进口相连通，换热器的含气液体出口同耦合设备的换含气液体进口相连通。
7.如权利要求5所述的闪蒸分离装置，其特征在于，所述换热器为板式换热器或管式换热器。
8.如权利要求5所述的闪蒸分离装置，其特征在于，所述换热器和换热旋流脱气耦合设备集成为一个设备。
9.一种应用了如权利要求6所述的闪蒸分离装置的闪蒸分离方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:通过换热器的常规介质换热将含气液体加热到一定温度，在该温度下液体中以化学形态溶解的气体达到即将要解析出的过渡态； 步骤2:将步骤I中换热到一定温度的含气液以旋转流形态进入换热旋流脱气耦合设备进行继续升温，包括以下步骤 步骤2.1:通过间壁换热形式对旋转流形态的含气液体继续进行换热加温； 步骤2.2:在温度场和压力梯度场下，化学及物理溶解的气体解析出； 步骤2.3:解析出的气体在换热旋流脱气耦合器的旋转流离心力作用下向旋流脱气设备中心聚积并从耦合设备气体出口导出； 步骤2.4:液体继续旋转流运动换热升温，达到所要求的温度后排出设备。
【文档编号】B01D3/06GK103599641SQ201310571739
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】杨强, 许萧, 卢浩, 陈剑, 薛楠, 王朝阳 申请人:华东理工大学