Устройство для конденсации пара из парогазовой смеси

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в нефтегазовых и химических установках для конденсации паровой фазы из парогазовых смесей. Устройство для конденсации пара из парогазовой смеси содержит цилиндрический корпус с теплообменными трубчатыми элементами и штуцерами подачи и отвода парогазовой смеси и конденсата, а также систему циркуляции хладагента. Теплообменные трубчатые элементы объединены в верхний и нижний теплообменники, между которыми размещена промежуточная полость, трубчатые элементы верхнего теплообменника расположены концентрично и закреплены между решетками, которые смещены относительно своих осей на угол ϕ, величина которого соответствует формуле: ϕ=d/r₁, где d - внутренний диаметр трубчатого элемента, r₁ - радиус расположения осей ближнего ряда трубчатых элементов относительно центра решетки. Над верхним теплообменником расположена смесительная полость, соединенная с насосом и снабженная штуцером подачи парогазовой смеси и распылительными форсункам, а под нижним теплообменником расположена накопительная полость, в нижней части которой выполнены сливной штуцер, а также патрубок для подачи охлажденного конденсата, соединенный с форсунками. В промежуточной полости установлены датчики уровня конденсата, которые связаны с блоком управления и сливным штуцером. При этом система циркуляции хладагента включает штуцеры отвода и подачи хладагента в верхней и нижней частях верхнего и нижнего теплообменников соответственно, насос и охлаждающий агрегат, причем межтрубные пространства теплообменников выполнены сообщающимися между собой. Изобретение позволят повысить теплообменные процессы с использованием конденсата в качестве охлаждающей среды. 2 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в нефтегазовых и химических установках для конденсации паровой фазы из парогазовых смесей.

В многоступенчатых химических процессах часто возникает потребность удаления части парообразных продуктов из газовой фазы без снижения давления и по возможности температуры основного потока, который может быть направлен на дальнейшие ступени химических процессов. Однако известные устройства, которые служат для этой цели, имеют большие габариты и требуют значительного расхода металла.

Известна система отвода тепла от паротурбинной установки (RU 2116599 С1, опубл. 27.07.1998 г.), в которой конденсация пара достигается за счет разбрызгивания охлажденного конденсата, получаемого во внешнем устройстве (градирне). Недостатком данной системы является необходимость внешнего устройства для получения охлажденного конденсата.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для конденсации пара, состоящее из цилиндрического корпуса, двух крышек, двух трубных решеток с закрепленным в них вертикальным пучком трубчатых элементов, пронизывающих спиральную перегородку (SU 1702143 А2, опубл. 30.12.1991 г.). Начальной фазой процессов теплообмена в такой конструкции является теплообмен холодных стенок трубного пучка с газовым потоком.

Эффективность теплообмена в этом устройстве достигается за счет увеличения продолжительности контакта потока конденсата с поверхностью охлаждающих трубчатых элементов при его отекании по спиральной перегородке.

Недостатками прототипа являются большие размеры пучка трубчатых элементов и объема межтрубного пространства, что существенно снижает возможность работы устройства при повышенных давлениях и увеличивает габариты устройства при низкой эффективности его работы.

Технический результат выражается в создании высокоэффективного малогабаритного устройства для конденсации пара из парогазовой смеси, способного работать при повышенных давлениях за счет малых габаритов, которые достигаются путем интенсификации теплообменных процессов с использованием конденсата в качестве охлаждающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для конденсации пара из парогазовой смеси, содержащей цилиндрический корпус с теплообменными трубчатыми элементами и штуцерами подачи и отвода парогазовой смеси и конденсата, а также систему циркуляции хладагента, согласно изобретению теплообменные трубчатые элементы объединены в верхний и нижний теплообменники, между которыми размещена промежуточная полость, трубчатые элементы верхнего теплообменника расположены концентрично и закреплены между решетками, которые смещены относительно своих осей на угол ϕ, величина которого соответствует формуле: ϕ=d/r₁,

где d - внутренний диаметр трубчатого элемента,

r₁ - радиус расположения осей ближнего ряда трубчатых элементов относительно центра решетки.

Над верхним теплообменником расположена смесительная полость, соединенная с насосом и снабженная штуцером подачи парогазовой смеси и распылительными форсункам, а под нижним теплообменником расположена накопительная полость, в нижней части которой выполнены сливной штуцер, а также патрубок для подачи охлажденного конденсата, соединенный с форсунками.

В промежуточной полости установлены датчики уровня конденсата, которые связаны с блоком управления и сливным штуцером. При этом система циркуляции хладагента включает штуцеры отвода и подачи хладагента в верхней и нижней частях верхнего и нижнего теплообменников соответственно, насос и охлаждающий агрегат, причем межтрубные пространства теплообменников выполнены сообщающимися между собой.

Интенсификация теплообменных процессов достигается за счет эффективного отбора тепла от парогазовой смеси путем прямого контакта с ней распыленного охлажденного конденсата в смесительной полости. Охлажденный конденсат перекачивается из нижней накопительной полости в смесительную и распыляется там. Для этих целей смесительная полость снабжена распылительными форсунками, соединенными с насосом и накопительной полостью со сливным патрубком. Пар из паровоздушной смеси при этом резко охлаждается и превращается в жидкость, затем жидкость-конденсат в виде капель падает на внутренние стенки трубчатых элементов. Уровень конденсата в промежуточной полости регулируется с помощью датчиков уровня, которые связаны с блоком управления и сливным штуцером.

Известно, что теплопередача в системе "жидкость-металлическая стенка-жидкость" примерно в 50 раз интенсивнее, чем в системе "газ-металлическая стенка-жидкость", вследствие того, что числа Нуссельта для этих систем различаются также в 50 раз (Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, Высшая школа, 2-е издание, 1975, стр. 26). Поэтому для интенсификации процесса возникает необходимость соприкосновения со стенками теплообменных элементов именно жидкости, а не пара. При распылении через форсунки охлажденного конденсата пар резко охлаждается и превращается в жидкий конденсат.

Расположение теплообменных трубчатых элементов верхнего теплообменника концентричными и закрепленными между решетками с поворотом на заданный угол дает возможность вертикально падающим крупным каплям конденсата из смесительной камеры попадать непосредственно на внутренние стенки трубчатых элементов, что позволяет повысить эффективность теплообменных процессов в несколько десятков раз.

Мелкие капли конденсата будут двигаться в потоке парогазовой смеси, на них будут воздействовать составляющая силы тяжести, направленная перпендикулярно внутренней стенке трубчатых элементов. Под действием этой составляющей будет происходить дрейф капель к стенке трубчатого элемента.

Учитывая пролетное время капель вдоль всей длины трубчатого элемента и пренебрегая влиянием сил трения на поперечное к стенке движение мелких капель в силу малой скорости этого движения, было обнаружено, что для эффективного осаждения мелких капель необходимо такое отклонение трубчатых элементов верхнего теплообменника от вертикали, которое обеспечивается расположением трубчатых элементов верхнего теплообменника концентрично и закреплением их между решетками с поворотом нижней решетки относительно верхней вокруг их осей на угол ϕ, величина которого соответствует формуле: ϕ=d/r₁,

где d - внутренний диаметр трубчатого элемента,

r₁ - радиус расположения осей ближнего ряда трубчатых элементов относительно центра решетки.

В этом случае просвет трубчатого элемента в вертикальном направлении будет перекрыт его стенкой, вследствие чего вертикально падающие крупные капли неизбежно окажутся на внутренней стенке трубчатого элемента.

Возврат охлажденного конденсата в распылительные форсунки и использование его в процессе осуществляется за счет конструкции устройства, состоящего из двух теплообменников заявляемой конструкции и использования системы охлаждения хладагента, который подается в корпус противотоком относительно подачи конденсата, позволяет при малых габаритах получать высокую интенсивность теплообменных процессов и позволяет устройству высокоэффективно работать при повышенных давлениях парогазовой смеси.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - разрез Α-A на фиг. 1.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены верхний теплообменник 2 и нижний теплообменник 3, между которыми выполнена промежуточная полость 4. Теплообменные трубчатые элементы 5 верхнего теплообменника 2 расположены концентрично и закреплены между верхней 6 и нижней 7 решетками теплообменника 2. Решетка 7 повернута вокруг своей оси относительно решетки 6 на угол ϕ.

Нижний теплообменник 3 содержит решетки 8 и 9, между которыми концентрично и вертикально закреплены трубчатые элементы 10. Межтрубное пространство (не обозначено) обоих теплообменников 2 и 3 выполнено сообщающимся между собой с помощью трубки 11, образуя контур циркуляции конденсата. В промежуточной полости 4 размещены датчики 12 и 13 уровня конденсата 14, которые связаны с блоком управления 15 и со сливным клапаном 16.

Для отвода остаточных газов служит выходной штуцер 17. Смесительная полость 18 снабжена штуцером подачи парогазовой смеси 19, а также распылительными форсунками 20, в которые поступает охлажденный конденсат через насос 21 со сливного штуцера 22 накопительной полости 23, расположенной под решеткой 9 второго теплообменника 3.

Для циркуляции хладагента в межтрубном пространстве в верхней части теплообменника 2 и в нижней части теплообменника 3 имеются штуцеры отвода 24 и подачи 25 хладагента, соответственно. Контур циркуляции хладагента образован сообщающимися между собой с помощью трубки 11 межтрубными пространствами теплообменников 2 и 3, насосом 26 и охлаждающим агрегатом, включающим аппарат воздушного охлаждения 27. Расширительный бак 28 служит для предотвращения разгерметизации системы при изменении температуры хладагента.

Накопительная полость 23 в нижней части снабжена сливным патрубком 29 для отвода охлажденного конденсата, соединенным со сливным клапаном 16.

Работа устройства показана на примере малотоннажной установки синтеза метанола заявляемой конструкции.

Парогазовая смесь имеет следующий состав:

10% - пары CH₃OH; 10% - CO; 25% - Н₂; 50% - N₂; 5% - СO₂, Н₂O и др.

Температура парогазовой смеси составила 300°C, давление - 50 атм. Температура кипения метанола при 50 атм - +214°C.

Парогазовую смесь через штуцер 19 подавали в смесительную полость 18, в которую насосом 21 закачивали охлажденную жидкость-конденсат и распыляли форсунками 20. Расход парогазовой смеси составил 50 л/сек. Максимальная температура охлаждающей жидкости составила +39°C, расход охлажденного конденсата через форсунки 20 - 1 л/мин.

Расход охлажденного конденсата был подобран таким образом, чтобы снижение температуры парогазовой смеси было достаточным для конденсации высокотемпературной паровой фазы распыляемой парогазовой смеси. Хладагент поступал через штуцер подачи 25 в нижней части нижнего теплообменника 3, и под действием насоса 26 через трубку 11 нагнетался противотоком к потоку парогазовой смеси в межтрубное пространство верхнего теплообменника 2.

Хладагент циркулировал внутри корпуса 1 противотоком относительно конденсата, охлаждаясь до нужных температур с помощью аппарата воздушного охлаждения 27.

В качестве хладагента был использован тосол. Температура тосола на входе (штуцер 25) в межтрубное пространство нижней части теплообменника 3 составила 30°C, затем при прохождении вдоль трубных элементов теплообменника 3 температура его повысилась до 50°С. После прохождения через межтрубное пространство верхнего теплообменника 2 на выходе (штуцер 24) тосол нагрелся до 90°C. После его прохождения через охлаждающий агрегат температура тосола снизилась до 30°C.

Поток охлажденного конденсата с температурой ниже, чем у основного потока парогазовой смеси, распылялся с помощью форсунок 20, образуя множество мелких капель, которые нагревались и испарялись, отбирая тепло у основного потока, и, соответственно, охлаждали его. Основной поток парогазовой смеси охлаждался до такой температуры, что начинал конденсироваться с образованием капель, которые падали на стенки трубчатых элементов 5 верхнего теплообменника 2.

Капли двигались вместе с потоком парогазовой смеси внутри теплообменных трубчатых элементов 5 верхнего теплообменника 2. Под действием сил трения и гравитационных сил происходило отклонение траектории движения капель от осей трубчатых элементов 5, облегчая попадание их на внутренние стенки этих элементов. Оседание капель конденсата осуществлялось благодаря тому, что входные отверстия элементов 5 в верхней 6 и выходные отверстия в нижней 7 решетках теплообменника 2, ближние к оси решеток были смещены на величину, примерно соответствующую величине внутреннего диаметра трубчатого элемента 5. Этот эффект достигался в случае расположения трубчатых элементов 5 верхнего теплообменника 2 концентрично и их расположения между решетками 6 и 7 с поворотом нижней решетки 7 относительно решетки 6 вокруг своей оси на угол ϕ, равный 20 градусов.

Прибывающий конденсат 14 постепенно заполнял полость 4 и при достижении уровня датчика 12 блок управления 15 включал сливной клапан 16, осуществляя слив конденсата 14 до уровня датчика 13. Температура конденсата в полости 4 составляла +210°C. В накопительной полости 23 скапливался конденсат, дополнительно охлажденный после прохождения его через нижний теплообменник 3, с температурой 40-50°C, близкой к температуре хладагента, но ниже температуры кипения конденсата при нормальных условиях.

Забор охлажденного конденсата из накопительной полости 23 осуществлялся через сливной штуцер 22 с помощью насоса 21, охлажденный конденсат нагнетался в смесительную полость 18 и через форсунки 20 распылялся в ней.

Выход охлажденного конденсата составил 34,6 л/час или 830 л/сутки.

Максимальные размеры устройства составили: высота: - 2500 мм; диаметр корпуса с максимальным вылетом штуцеров - 405 мм.

Устройство для конденсации пара из парогазовой смеси, содержащее цилиндрический корпус с теплообменными трубчатыми элементами и штуцерами подачи и отвода парогазовой смеси и конденсата, а также систему циркуляции хладагента,
отличающееся тем, что
теплообменные трубчатые элементы объединены в верхний и нижний теплообменники, между которыми размещена промежуточная полость, трубчатые элементы верхнего теплообменника расположены концентрично и закреплены между решетками, которые смещены относительно своих осей на угол ϕ, величина которого соответствует формуле: ϕ=d/r₁,
где d - внутренний диаметр трубчатого элемента,
r₁ - радиус расположения осей ближнего ряда трубчатых элементов относительно центра решетки, при этом над верхним теплообменником расположена смесительная полость, соединенная с насосом и снабженная штуцером подачи парогазовой смеси и распылительными форсункам, а под нижним теплообменником расположена накопительная полость, в нижней части которой выполнены сливной штуцер, а также патрубок для подачи охлажденного конденсата, соединенный с форсунками, в промежуточной полости установлены датчики уровня конденсата, которые связаны с блоком управления и сливным штуцером, при этом система циркуляции хладагента включает штуцеры отвода и подачи хладагента в верхней и нижней частях верхнего и нижнего теплообменников соответственно, насос и охлаждающий агрегат, причем межтрубные пространства теплообменников выполнены сообщающимися между собой.