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螺旋板式换热器用于乙醇蒸馏装置试验研究

来源:中凡工业浏览量:载入中...发布时间:2021.11.16


乙醇是一种重要的化工原料,又是一种可作为石油替代品的二次能源。它可以掺混在汽油中直接用于现有发动机,或对发动机进行改造后全部使用乙醇作为燃料。其排放的废气中的有害成分比燃用汽油或柴油要低得多。此外,乙醇还作为燃料电池的燃料,直接产生电能。从环境保护的角度考虑,乙醇无疑是一种绿色燃料。随着石油资源趋于枯竭,寻求石油的替代产势在必行。目前乙醇燃料还不具有经济上的竞争力,但它作为一种从可再生的生物质能源中获得潜在的替代能源,将具有良好应用前景。如何降低乙醇生产过程的成本,使其具有相对的竞争力是至关重要的。由于蒸馏是乙醇生产流程中的一个关键步骤,无论是能量消耗,还是设备成本都占有很大的比例。因而提高蒸馏过程的效率、简化其结构,对降低乙醇的生产成本有重要的意义。

螺旋板式乙醇蒸馏试验装置的结构

传统的乙醇蒸馏装置的发生器和冷凝器都采用管壳式换热器,其体积庞大,材料消耗多,因而价格较贵。在换热器的各种型式中,由于同样材料的板材比管材的单位成本低得多。“以板代管”成为换热器发展的一个趋势。近年来管壳式换热器受到了板式、螺旋板式及板翅式等板型换热器的有力挑战。在需要采用不锈钢材料的应用场合,板型换热器更显示出优越的技术经济性。螺旋板式换热器是用两块保持一定间距的平行板卷成螺旋状,构成两个通道的热交换器,它是几种板型换热器中较容易制造的一种型式,其价格便宜,结构紧凑,被普遍使用。根据端面密封的形式分为两侧通道的上下端面都是焊接密封的I型,一侧通道的上下端面贯通的II型和一侧通道上端敞开的III型等几种型式。I型换热器两侧流体都是螺旋向流动,主要应用于液液热交换;II型和III型换热器封闭的一侧为螺旋向流动,另一侧为轴向流动或轴向与螺旋向复合流动。

这里介绍的乙醇蒸馏实验装置中的发生器采用II型螺旋板式换热器,并可进行满液式与降膜式的切换试验。满液式是使换热面沉浸在液面下形成液池沸腾的传热方式;降膜式则是用喷淋等方法使液体靠重力在竖直的换热面上形成液膜的传热方式,当液柱压力的影响不可忽略时常被采用。虽然尚未见在螺旋板式换热器上进行降膜传热的报导,但由于II型和皿型螺旋板式换热器的竖直通道与立式管壳式换热器管内或管外通道在几何结构上是相似的,只要解决适当的布膜方式,就可以和立式管壳式换热器一样实现降膜式的流动和传热传质过程。

如果直接在螺旋板换热器上方设置雾化喷嘴或淋盘布膜,由于这种换热器上端面有约占40%的面积是空档,所以布膜效率不高。为此在换热器的上方堆放了一层填料,使液体能均匀地分布在螺旋板的凸弧和凹弧两侧,在壁面形成液膜,汽流则可在通道中间流动沿空隙向上穿过填料层。由于乙醇与水的沸点很接近,因此,两者较难分离,实用的乙醇精馏器一般需要5~8m高的填料层。为了降低实验装置的高度,受楼梯结构的启发,设计了一种梯式淋水板与填料复合型精馏器。它由布满许多小孔的呈双道楼梯状布置的淋水板、纵向分隔板、填料和筒体组成,将填料堆满空间。使发生器产生的汽流沿着梯式淋水板之间的通道盘旋上升,下降的回流液通过梯板上的小孔均匀散布在填料表面,将其润湿,与上升的汽流形成逆流的质热交换,可以获得较高的传热传质效率,并降低填料段的高度。试验装置近1m的填料段高度相当于5m高的填料段的效果。

传统的乙醇蒸馏塔不设分凝器,回流液体由冷凝器提供。为了进行内外回流的比较,实验装置在填料段上方设置了分凝器,它是一个一侧通道上下贯通的II型螺旋板换热器,在另一侧螺旋通道中,冷却水从外圈流到中心,再从设在半圆端盖上的接管引出。在传统的结构中,冷凝器是单立的,安装在蒸馏塔的旁边。为了方便,并简化结构,实验装置将冷凝器设置在分凝器的上方,与蒸馏塔组成一体。它采用的是I型螺旋板式换热器。在中间的半圆下端盖上设置了堰管,以阻止冷凝液倒流。汽体沿螺旋通道凝结成液体后从外圈接管流出。此外还设置了一个溶液热交换器,它也是一个I型螺旋板式换热器。16kW电加热蒸汽发生器产生加热蒸汽,用调压器控制功率。在实验装置上还设置了多组温度、压力(压差)及流量测点。

实验结果分析

1)降膜式与满液式 由于实验装置的热负荷较小,所需换热面积不大,换热器的高度与实用的相比要小得多,因而液柱与操作压力相比可以忽略,加上喷淋流量又较小,所以,与满液式相比,在实验条件下降膜式运行方式从传热系数上看并未显示出优势,但实验结果足以表明,在热负荷较高时上述布膜方法是可行的。

2)连续操作与间断操作 传统乙醇蒸馏工艺常采用间断操作方法,即一锅接一锅地蒸馏,其缺点是成品质量浓度(以下简称浓度)随着时间而变化。用III型螺旋板式换热器作为发生器,可以采用连续操作工艺。在满液式运行方式下,溶液的进出口分别布置在螺旋板换热器的中心和外圈。在产生乙醇蒸汽的过程中,溶液沿螺旋通道流动,可建立起浓度梯度,排出溶液的浓度就比较稀。在进料浓度为25%左右时,浓度差可达8%~10%.在降膜式运行方式下,溶液也可沿轴向建立浓度梯度。

3)进料浓度与回流比变化的影响 在同一进料浓度下,随着回流比的提高,成品浓度即精馏后的乙醇纯度越来越高,但同时成品出产率将越来越低;在同一回流比下,进料浓度越高则成品浓度也较高,回流比达到一定数值后,再增大就没有太大的意义,此时乙醇纯度改善很小,而出产率却下降较多,从技术经济性角度考虑是不可取的。实用的乙醇蒸馏装置常采用两级蒸馏塔串联的形式,第1级从10%浓缩到50%,2级再浓缩到接近95%。由于乙醇与水在浓度接近95%时存在共沸点,所以单纯用蒸馏方法获得的乙醇浓度必然低于95%

4)内回流与外回流 传统的乙醇蒸馏工艺常采用外回流流程,不设分凝器,而由冷凝器分出一部分成品作为回流液。实验结果表明,两种方法在同样的进料浓度下成品浓度基本相同,但外回流的出产率有所降低,这是因为外回流的回流液是成品,而内回流中从分凝器传热表面凝结的回流液浓度则较低。

①为使结构紧凑并减少制造成本,乙醇蒸馏装置中的发生器和冷凝器都可采用螺旋板式换热器。②用螺旋板式换热器作发生器,可实现满液式或降膜式传热。前者用于液柱高度可以忽略的小型换热器;后者通过在换热器上端堆放填料层来布膜,可用于大中型换热器。③填料段可采用梯式淋水板和填料复合型结构,以粗短型代替细长型来降低其高度。④螺旋式冷凝器可布置在蒸馏塔的上方。⑤在第二级乙醇蒸馏塔内宜设置分凝器,按内回流方式运行。

螺旋板式换热器

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