ДЕФЛЕГМАТОР
HEAD CONDENSER

Изобретение относится к дефлегматору с пластинчатым теплообменником.
Сами по себе дефлегматоры известны из уровня техники, например из FR №2319868.
Дефлегматоры монтируют на головной части, то есть на концевой стороне колонны. Они служат для того, чтобы высушивать выходящий из колонны газ в результате конденсации продукта, как правило, воды, а это производится с помощью пластинчатого теплообменника, предусмотренного в дефлегматоре. При этом пластинчатый теплообменник может работать с перекрестным потоком, противотоком и прямотоком.
Типичная, известная из уровня техники колонна содержит выполненный в корпусе колонны проточный канал, при этом корпус колонны расположен в большинстве случаев вертикально. Предусмотренный в корпусе колонны проточный канал на одном конце заполняется первой средой, а на втором конце - второй средой. Внутри колонны обе среды входят в противотоке в непосредственный контакт.
Колонны обычно используют, например, для очистки природного газа. В этом случае подвергаемый очистке газ протекает через колонну снизу вверх. В качестве среды для очистки служит вода, которая подается в колонну с другой стороны. Внутри колонны подвергаемый очистке природный газ, а также служащая в качестве среды для очистки вода входят в непосредственный контакт, а это приводит к отфильтровыванию определенных компонентов из очищаемого природного газа. При этом очищаемый природный газ протекает через вертикально расположенный корпус колонны снизу вверх, в то время как служащая в качестве средства для очистки вода подается наоборот сверху и протекает через корпус колонны сверху вниз.
После протекания через колонну очищенный газ попадает в дефлегматор, смонтированный на колонне со стороны головной части, в котором происходит высушивание в результате конденсации захваченной при очистке колонны воды.
Постоянно существует стремление создать дефлегматоры, которые выполнены с небольшими размерами и компактными наряду с высокой производительностью.
Из уровня техники известны дефлегматоры, которые снабжены трубчатыми секционными теплообменниками. Разумеется, они сравнительно неэффективные, так как в них достигается только незначительная теплопередача на единицу площади, а это в общей сложности приводит к увеличению конструктивного исполнения. Для преодоления этого недостатка из уровня техники стали известны и другие дефлегматоры, которые снабжены спиральными пластинчатыми теплообменниками, как предлагается, например, в FR №2319868. По сравнению с трубчатыми секционными теплообменниками такие пластинчатые теплообменники являются более эффективными. Тем не менее они являются все еще сравнительно громоздкими по конструктивному исполнению, и по этой причине их стремятся усовершенствовать в этом отношении.
Задача изобретения направлена на создание дефлегматора, который по сравнению с известными из уровня техники конструкциями при одновременном сведении к минимуму габаритного размера обладает большей эффективностью.
Для решения этой задачи согласно настоящему изобретению предлагается дефлегматор с пластинчатым теплообменником, который содержит первый и второй канал для протекания сред, которые для первой среды выполнены трубчатыми между отдельными пластинами, соединенными между собой в одну пару пластин, а для другой среды - волнообразными между соединенными друг с другом в один штабель пластин парами пластин; и с корпусом дефлегматора, в котором расположен пластинчатый теплообменник, при этом корпус дефлегматора содержит камеры нагнетания, проходящие по большим наружным поверхностям пластинчатого теплообменника и соединенные по текучей среде посредством каналов для первой или второй среды, при этом через камеры нагнетания проходят гидравлические трубопроводы, соединенные по текучей среде с иной первой или второй средой соответственно.
Дефлегматор согласно настоящему изобретению содержит пластинчатый теплообменник, который на одной стороне содержит трубчатую сторону, а на другой стороне - волнообразную сторону. При этом пластинчатый теплообменник может или с помощью своей трубчатой стороны, или с помощью своей волнообразной стороны присоединяться к газовому выпуску колонны. Между тем является предпочтительным присоединить трубчатую сторону к колонне, в случае чего выходящий из колонны газ в качестве первой среды поступает в трубчатые каналы пластинчатого теплообменника и в соответствии с этим проходящие по большим наружным поверхностям пластинчатого теплообменника камеры нагнетания соединены по текучей среде с каналами для второй среды.
Хотя дефлегматор смонтирован в головной части колонны, выходящий из колонны газ не подает непосредственно в пластинчатый теплообменник. Этого не происходит в связи с тем, что выпадающий конденсат внутри пластинчатого теплообменника под действием силы тяжести протекает обратно и тем самым будет предотвращать поступление протекающего после этого газа. По этой причине вытекающий из колонны газ сначала обводится вокруг пластинчатого теплообменника, так что поступление в пластинчатый теплообменник может происходить сверху на другой стороне колонны. Для этой цели предусмотрены соответствующие гидравлические трубопроводы, которые проходят через камеры нагнетания, выполненные по обе стороны пластинчатого теплообменника.
Применение пластинчатого теплообменника с волнообразной стороной на одной стороне и с трубчатой стороной на другой стороне оказалось благоприятным, в особенности, по соображениям эффективности. При этом в пластинчатый теплообменник предпочтительно с волнообразной стороны поступает охлаждающая среда, которая может представлять собой, например, воду. Она при повышенном давлении пропускается через пластинчатый теплообменник, в результате чего возникает воздействующая на пластинчатый теплообменник разность давлений. Это может привести к образованию отрицательного выпучивания в отдельных пластинах теплообменника, в особенности, в связи с тем, что отдельные пластины соединены друг с другом только по краям. Для предотвращения такого явления в конструктивном исполнении согласно настоящему изобретению предусмотрены камеры нагнетания, которые проходят по большим наружным поверхностям пластинчатого теплообменника. При этом камеры нагнетания соединены по текучей среде с теми каналами пластинчатого теплообменника, через которые пропускается под давлением охлаждающее средство. Предпочтительно, если это охлаждающее средство будет представлять собой подводимую в пластинчатый теплообменник с волнообразной стороны вторую среду, однако при смещенном под 90° расположении пластинчатого теплообменника поступающая в теплообменник с трубчатой стороны среда может представлять собой первую среду. Между тем существенным с точки зрения изобретения является то, что благодаря предусмотренным согласно настоящему изобретению камерам нагнетания происходит выравнивание давления между внутренним и наружным давлением, таким образом, пластинчатый теплообменник остается в известной степени без давления, и в пакете пластин устанавливается только разность давлений между трубчатой и волнообразной стороной. В результате выравнивания давлений внутри камер нагнетания возникает опорное давление, которое в виде противодавления воздействует на находящийся под давлением пластинчатый теплообменник.
В итоге конструкция согласно настоящему изобретению оказалась по конструктивному исполнению очень компактной. Стало возможным отказаться от выдерживающих напор пластин и/или подобных устройств для стабилизации пластинчатого теплообменника и стало возможно в значительной мере уменьшить толщину стен и связанный с этим расход материала, что позволяет снизить расходы и упростить наряду с этим работы по монтажу и демонтажу. Кроме того, стало возможным использовать высокоэффективный в отношении производительности пластинчатый теплообменник, благодаря чему достигается компактное конструктивное исполнение при одновременном повышении эффективности.
Наряду с этим исполнение согласно настоящему изобретению оказалось очень гибким по своему исполнению. Вследствие этого пластинчатый теплообменник может, с одной стороны, использоваться в корпусе дефлегматора таким образом, что первая среда, то есть выходящая из колонны среда, протекает через пластинчатый теплообменник с трубчатой стороны. Однако, с другой стороны, пластинчатый теплообменник может также поворачиваться на 90° относительно этой направленности и устанавливаться в корпусе дефлегматора, и, в таком случае, выходящая из колонны среда поступает на волнообразной стороне в пластинчатый теплообменник. Достигнутая согласно настоящему изобретению компактность конструктивного исполнения обеспечивает такую гибкость.
Используемый пластинчатый теплообменник со своими волнообразными каналами на одной стороне и своими трубчатыми каналами на другой стороне оказался очень эффективным в отношении теплопередачи. Благодаря опорному давлению, достигнутому за счет конструктивного исполнения согласно настоящему изобретению, можно дополнительно использовать относительно тонкие стенки отдельных пластин пластинчатого теплообменника, толщина которых составляет примерно 0,8 мм. В результате этого можно получить еще более оптимальный коэффициент теплопередачи.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что камеры нагнетания разделены на участки, так называемые участки камер нагнетания. При этом предпочтение отдается выполнению двух таких участков камер нагнетания. В конструктивном отношении это можно обеспечить, например, с помощью металлических перегородок, при этом для каждой камеры нагнетания предусмотрена такая металлическая перегородка, в результате чего производится разделение соответствующей камеры нагнетания на два участка. Разделение камер нагнетания на участки камер нагнетания позволяет применять различные формы исполнения.
Согласно первому варианту осуществления предусмотрено, что участки камер нагнетания соединены по текучей среде. Это происходит предпочтительно за счет соответствующей перемены направления потока, так что в результате обеспечивается последовательное подсоединение по текучей среде участков напорных нагнетания. Этот вариант осуществления позволяет производить эксплуатацию дефлегматора в перекрестном противотоке, то есть пропускаемая через камеры нагнетания среда проходит через камеры нагнетания в перекрестном противотоке относительно других сред, в результате разделения на участки меняет направление внутри камер нагнетания и снова отводится назад в противоположном направлении, вследствие чего образуется не только перекрестный поток, но и перекрестный противоток. В результате этого создается возможность для осуществления режима эксплуатации дефлегматора с четким пересечением температур между горячей и холодной стороной, что невозможно обеспечить в чистом перекрестном токе.
Перемена направления пропускаемой через камеры нагнетания среды можно в зависимости от расположения и направления пакета пластин в камере нагнетания осуществлять как на трубной стороне, так и на волнообразной стороне. В результате этого можно в совокупности четко улучшить разность температур, что позволяет еще в большей степени повысить компактность всей конструкции дефлегматора.
Согласно второму варианту осуществления участки камер нагнетания параллельно сообщаются по текучей среде, при этом каждый участок снабжен собственным подводом для среды и отводом для среды. Согласно этому варианту осуществления можно осуществлять эксплуатацию дефлегматора с различными охлаждающими средами, при этом для каждого участка камеры нагнетания можно предусматривать собственную охлаждающую среду. Следовательно, в предпочтительном разделении камер нагнетания на два участка камер нагнетания можно использовать две различные охлаждающие среды. При этом можно использовать различные охлаждающие среды при различных уровнях температур, так что в этом варианте осуществления также можно улучшить эффективную разность температур.
Согласно следующему варианту осуществления также можно производить смену фаз со стороны охлаждения, то есть выпаривать холодную среду полностью или частично, в то время как выходящие из колонны на горячей стороне среды будут охлаждаться или частично либо полностью конденсироваться.
Для герметичного закрывания камер нагнетания согласно следующему признаку настоящего изобретения в конструкции предусмотрено, что камеры нагнетания в вертикальном направлении герметично перекрыты сверху и снизу с помощью соответствующих металлических листов. Через эти металлические листы пропускаются гидравлические трубопроводы в каждом случае для другой среды, при этом предпочтительно предусматривается приваривание гидравлических трубопроводов к закрывающим металлическим листам, благодаря чему обеспечивается закрытие и разделение между соответствующими средами.
Другие признаки и преимущества изобретения вытекают из следующего ниже описания со ссылками на графические материалы. При этом в графических материалах показано следующее.
Фиг. 1 - вид сбоку в частичном разрезе дефлегматора согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 - вид сбоку в частичном разрезе дефлегматора согласно настоящему изобретению по линии разреза А-А по фиг. 1.
Фиг. 3 - также вид сбоку в частичном разрезе дефлегматора согласно настоящему изобретению по фиг. 1.
Фиг. 4 - вид сверху в разрезе дефлегматора согласно настоящему изобретению по линии разреза В-В по фиг. 1.
Фиг. 5 - также вид сверху в разрезе дефлегматора согласно настоящему изобретению по фиг. 1.
На фиг. 1 показан вид сбоку с частичным разрезом дефлегматора 1 согласно настоящему изобретению в исполнении с пластинчатым теплообменником. Он содержит в поперечном разрезе цилиндрический корпус 3, который снабжен цилиндрическим кожухом 12 и снизу закрыт фланцем 8. В полностью смонтированном состоянии дефлегматор 1 посредством фланца 8 расположен на колонне, которая на фигурах подробно не представлена.
Дефлегматор 1 содержит пластинчатый теплообменник 2. Он расположен внутри корпуса 3 дефлегматора.
Пластинчатый теплообменник 2 содержит первый и второй канал, по которому протекают среды. При этом каналы для первой среды M1 выполнены трубчатыми между отдельными пластинами, соединенными между собой в пару пластин. Каналы для второй среды М2 выполнены волнообразными и расположены между парами пластин, которые объединены в штабель пластин. Отдельные пластины, а также пары пластин на фигурах подробно не показаны.
Как, в частности, видно при совместном рассмотрении фиг. 2 и 4, корпус 3 дефлегматора содержит две камеры 4 нагнетания, которые проходят по большим наружным поверхностям пластинчатого теплообменника 2. В плоскости согласно фиг. 2 первая камера 4 нагнетания находится с левой стороны пластинчатого теплообменника 2, а вторая камера 4 нагнетания - с правой стороны пластинчатого теплообменника 2. Как в этой взаимосвязи особенно четко можно видеть на фиг. 4, камеры нагнетания образуются в результате того, что внутри корпуса 3 дефлегматора расположены образующие перегородки металлические листы 9, которые разделяют объемное пространство, образованное в корпусе 3 дефлегматора, по высоте встраивания пластинчатого теплообменника 2 на пространство 4а для встраивания для пластинчатого теплообменника 2 на одной стороне и две расположенные рядом камеры 4 нагнетания с другой стороны, при этом в камере 4 нагнетания и в пространстве 4а для встраивания происходит выравнивание давления. В вертикальном направлении камеры 4 нагнетания сверху и снизу герметично закрыты с помощью соответствующих металлических листов 6. Таким образом, в совокупности образуются камеры нагнетания, которые соответственно выполнены возле пластинчатого теплообменника 2 и имеют в поперечном сечении форму делительной окружности, которая в этой взаимосвязи особенно очевидна согласно изображению на фиг. 4.
Камеры 4 нагнетания присоединены к подводу для среды, а также к отводу для среды, для чего предусмотрены соответствующие соединительные фланцы 10 и 11.
В показанном варианте осуществления пластинчатый теплообменник 2 установлен на колонне, на фигурах не представленной, с трубчатой стороны. Таким образом, подводимая через соединительные фланцы 10 и 11 среда М2 на волнообразной стороне пластинчатого теплообменника 2 пропускается через него. При этом вторая среда М2 протекает в соответствии с изображением на фиг. 1 через соединительный фланец 10 в первую камеру 4 нагнетания, проходит затем через пластинчатый теплообменник 2 на волнообразной стороне и затем снова выходит через вторую подключенную к нему камеру 4 нагнетания по соединительному патрубку 11 из дефлегматора 1.
Как особенно очевидно при рассмотрении фиг. 2 и 4, в камерах нагнетания в вертикальном направлении проходят гидравлические трубопроводы 5, которые в показанном варианте осуществления представлены в виде патрубков. При использовании по назначению первая среда M1 из колонны поступает в соответствии с показанными на фиг. 2 стрелками в дефлегматор 1. Она протекает при этом в вертикальном направлении через выполненное под пластинчатым теплообменником 2 объемное пространство 5а, протекает по гидравлическим трубопроводам 5, проходящим через камеры 4 нагнетания, и, таким образом, подводится в объемное пространство 5а, которое за счет вертикального направления относительно дефлегматора 1 находится над пластинчатым теплообменником 2. Отсюда первая среда M1 в направлении, указанном на фиг. 2 стрелкой, с трубчатой стороны поступает в пластинчатый теплообменник 2.
В вертикальном направлении под пластинчатым теплообменником 2 предусмотрен сборный лоток 7 для образующегося в процессе работы конденсата. Он капает из пластинчатого теплообменника 2, принимается ловушкой 5b конденсата сборного лотка 7 и после этого отводится.
Дефлегматор 1 согласно настоящему изобретению функционирует в соответствии со следующим принципом.
Выходящий из колонны горячий газ в качестве первой среды M1 подается в дефлегматор 1, а именно в соответствии с показанными на фиг. 2 стрелками. С помощью предусмотренных согласно настоящему изобретению гидравлических трубопроводов 5 среда M1 обводится вокруг пластинчатого теплообменника 2 и подается в него сверху.
В перекрестном потоке в качестве второй среды М2 подводится охлаждающая среда. Она через соединительный фланец 10 поступает в первую камеру 4 нагнетания, которая расположена со стороны конденсатора. После этого она пропускается через волнообразную сторону пластинчатого теплообменника 2 и затем попадает в камеру 4 нагнетания, которая расположена на другой стороне пластинчатого теплообменника 2. После этого отсюда через соединительный патрубок 11 производится отвод второй среды М2.
В результате описанной выше подачи сред через пластинчатый теплообменник 2 осуществляется охлаждение первой среды M1 внутри пластинчатого теплообменника 2, а также поступающего вместе с ней конденсата. Выпадающий конденсат под действием силы тяжести капает в вертикальном направлении дефлегматора 1 вниз из пластинчатого теплообменника 2 и после выхода из пластинчатого теплообменника 2 улавливается сборным лотком 7 и отводится.
Особое преимущество описанного выше конструктивного исполнения заключается в том, что в качестве теплообменника можно применять пластинчатый теплообменник 2, который в отличие от известных трубчатых секционных теплообменников и/или спиральных пластинчатых теплообменников отличаются значительно большей энергетической эффективностью. При этом возможно использование описанного выше пластинчатого теплообменника 2 в результате предусмотренных согласно настоящему изобретению камер 4 нагнетания. Они обеспечивают выравнивание давления между внутренним и наружным давлением, в результате чего, естественно, в пластинчатом теплообменнике 2 устраняется давление и в пакете пластин устанавливается только разность давлений между трубчатой стороной и волнообразной стороной. В результате этого возникает очень компактная конструкция. Можно отказаться от выдерживающих давление пластин и/или подобных устройств для стабилизации пластинчатого теплообменника или можно в значительной мере уменьшить толщину стен и тем самым взаимосвязанный с этим расход материала, что, с одной стороны, снижает расходы, а с другой стороны, позволяет производить упрощенный монтаж или демонтаж. При этом в зависимости от необходимой конфигурации пластинчатый теплообменник можно подсоединять к колонне с трубчатой стороны или с волнообразной стороны.
В камерах 4 нагнетания и пространстве 4а выравнивается давление, и они находятся на высоте пластинчатого теплообменника 2. Только пространство 4а нагнетания имеет существенное значение для соединения по текучей среде, и оно может снабжаться отражающими перегородками. В результате выравнивания давления между камерами нагнетания 4 и 4а возникает равномерная сжимающая нагрузка на цилиндрический кожух 12 или на пакет пластин пластинчатого теплообменника 2 воздействует только нагрузка разности давлений. В результате этого среда М2 находится в пространстве 4а нагнетания и в мертвом пространстве 4, которое связано с выравниванием давления. Вытекающая из колонны среда M1 находится в пространствах нагнетания 5а сверху и снизу пластинчатого теплообменника 2 в ловушке 5b конденсата и в описанном гидравлическом трубопроводе 5.
Камеры 4 нагнетания могут согласно альтернативному варианту осуществления разделяться с помощью соответствующих металлических перегородок на отдельные участки камер нагнетания. При этом эти участки согласно первой альтернативе могут соединяться друг с другом гидравлически или согласно второй альтернативе отделяться друг от друга по текучей среде, то есть соединяться параллельно. Согласно первой альтернативе с помощью соответствующих отклонений можно осуществить многократное пропускание охлаждающей среды, так что в случае применения по назначению согласно изобретению устанавливается перекрестный противоток вместо простого перекрестного тока. Согласно второй альтернативе можно использовать отделенные друг от друга охлаждающие жидкости, то есть две или больше вторых сред М2, при этом эти среды в отношении агрегатного состояния и/или температуры могут отличаться друг от друга.
Обе описанные выше альтернативы позволяют создавать эффективные разности температур и/или устанавливать различные уровни температур, так что при повышении эффективности можно установить четкие пересечения температур между горячей и холодной стороной.
Перечень позиций
1. Дефлегматор
2. Пластинчатый теплообменник
3. Корпус дефлегматора
4. Камера нагнетания
4а. Пространство для встраивания
5. Гидропровод
5а. Объемное пространство
5b. Ловушка конденсата
6. Металлический лист
7. Сборный лоток
8. Фланец
9. Металлический лист
10. Соединительный фланец
11. Соединительный фланец