一种利用相变材料潜热交换的蒸气冷凝器
技术领域
本发明涉及节能环保装备技术领域，具体涉及一种利用相变材料潜热交换的蒸气冷凝器。
背景技术
蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。
冷凝是气体或液体遇冷而凝结，如水蒸气遇冷变成水，水遇冷变成冰。温度越低，冷凝速度越快，效果越好。化工生产中一般以比较容易得到，成本低的水或空气作冷凝的介质。在化工生产中，实现冷却、冷凝的设备通常是间壁式换热器。常用的冷却、冷凝介质是冷水、盐水等。
冷凝器是把蒸气冷凝为液体的设备，在冷凝过程中蒸气把热量传递给冷却剂。在石油化工过程中经常使用各种各样的冷凝器，其中在两相流动传热的冷凝过程中应用最为广泛，如蒸馏塔顶气体馏出物的冷凝、水蒸汽的冷凝、冷冻剂蒸气的冷凝等。在冷凝过程中涉及到的主要设备有：管壳式冷凝器、空气冷却器、板式冷凝器和螺旋板式冷凝器等。管壳式冷凝器的管程(或壳程)使用冷却介质，壳程(或管程)为气相物料，冷却介质通过冷凝器列管进行换热，对分离塔连续加热产生的气相物料进行冷凝。冷却介质与蒸气的换热面积与冷凝器列管的表面积相关，列管表面积越大，换热效率越高。
本发明通过负载相变材料的填料作为蒸气与冷却介质热交换中间介质，蒸气的热量首先与载体接触传导给相变材料，进行潜热交换后，挥发性冷却介质再通过载体从相变材料吸收热量。其中，填料为负载相变材料载体。本发明所公开的蒸气冷凝器通过载体改变相变材料的形状，可使冷热物料热交换面积可达到10000m2/m3以上，与传统冷凝器相比传热面积大大增加，整个蒸发冷凝过程无废气排放，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用相变材料潜热交换的蒸气冷凝器，旨在解决上述技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种利用相变材料潜热交换的蒸气冷凝器，包括内部中空的冷凝塔，所述冷凝塔的顶部和底部分别设有冷却介质气体出口和蒸气入口，其上部或下部还设有冷却介质入口；所述冷凝塔内部从下至上依次安装有相变材料组件和用于分布挥发性冷却介质的分布器，所述冷却介质入口在所述冷凝塔上部时与所述分布器连通。
本发明的有益效果是：第一，本发明的能量转换路径为间接传递，高温蒸气的热量先传导给相变材料后，发生冷凝变成液相，相变材料发生相变储能。相变材料再与冷却介质接触放热再发生相变还原为初始状态；第二，本发明的负载相变材料的载体可通过改变外观形貌获得极大的热交换面积，提高热交换效率。本发明通过相变材料的相变吸热和放热属于潜热交换，比现有冷凝器的显热取热的方式热量交换大，可以使冷凝器的设计容积变小，降低设备制造成本；作为中间热交换介质的相变材料只发生物理变化，可反复循环使用；由于热交换面积极大，大大降低了高温蒸气的逃逸率，减小了大气污染，具有巨大的市场需求和广阔的应用前景。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述相变材料组件包括相变材料和载体，所述载体安装在所述冷凝塔内，所述相变材料填充在所述载体内。
采用上述进一步方案的有益效果是通过相变材料的相变进行热交换，换热效率高，相变材料重复使用，节约成本；同时结构简单，拆装方便，省时省力。
进一步，所述载体为玻璃或金属。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，成本较低，不会影响相变材料的热交换。
进一步，所述载体为多孔聚氨酯海绵或多孔陶瓷或多孔活性炭或丝瓜瓤或钢丝球。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，成本较低，不会影响相变材料的热交换。
进一步，所述相变材料为苯甲酸、尿素、胆固醇、水杨酸、琥珀酸、草酸、三聚氰胺、微晶石蜡、费托蜡、水中的一种或几种混合物。
采用上述进一步方案的有益效果是沸点较低，热交换的效率高，且成本较低。
进一步，所述相变材料的相变温度在-60～360℃。
采用上述进一步方案的有益效果是相变的温度范围较广，有利于进行热交换。
进一步，所述相变材料的相变温度低于蒸气冷凝温度且高于所述冷却介质的挥发温度。
采用上述进一步方案的有益效果是确保相变材料可利用其相变快速进行热交换，效率高。
进一步，所述冷凝塔内位于所述相变材料组件下方的位置还水平安装有限位板，所述限位板上均匀分布有若干小孔，所述小孔的孔径小于所述相变材料的孔径。
采用上述进一步方案的有益效果是通过限位板可避免相变材料发生下漏，确保热交换的效果，结构简单，防漏效果较佳。
进一步，所述冷却介质为水或甲醇或乙醇。
采用上述进一步方案的有益效果是沸点较低，热交换的效果较佳。
进一步，所述分布器的下端安装有用于检测所述冷凝塔内温度的温度传感器。
采用上述进一步方案的有益效果是通过温度传感器实时监测冷凝塔内的温度，以便精准的控制冷凝塔内的热交换。
附图说明
图1为本发明的内部结构示意图；
图2为本发明中相变材料的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、冷凝塔，2、冷却介质气体出口，3、蒸气入口，4、冷却介质入口，5、相变材料组件，6、分布器，7、相变材料，8、载体，9、上封头，10、下封头，11、法兰盘。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种利用相变材料潜热交换的蒸气冷凝器，包括内部中空的冷凝塔1，冷凝塔1的顶部和底部分别设有冷却介质气体出口2和蒸气入口3，其上部或下部还设有冷却介质入口4；冷凝塔1内部从下至上依次安装有相变材料组件5和用于分布挥发性冷却介质的分布器6，冷却介质为液体时，冷却介质入口4在冷凝塔1的上部，并与分布器6连通。第一，本发明的能量转换路径为间接传递，高温蒸气的热量先传导给相变材料7后，发生冷凝变成液相，相变材料7发生相变储能。相变材料7再与冷却介质接触放热再发生相变还原为初始状态；第二，本发明的负载相变材料的载体8可通过改变外观形貌获得极大的热交换面积，提高热交换效率。本发明通过相变材料7的相变吸热和放热属于潜热交换，比现有冷凝器的显热取热的方式热量交换大，可以使冷凝器的设计容积变小，降低设备制造成本；作为中间热交换介质的相变材料只发生物理变化，可反复循环使用；由于热交换面积极大，大大降低了高温蒸气的逃逸率，减小了大气污染，具有巨大的市场需求和广阔的应用前景。
需要说明的是，上述分布器6采用现有技术，可以采用盘式冷凝管，也可以采用其他适宜的分布器6。
另外，当冷却介质为挥发性液体，则冷却介质入口4位于冷凝塔1的上部，且通过管道与冷凝塔1内液体分布器6连接；当冷却介质为气体，则冷却介质入口4位于冷凝塔1的下部，并位于多孔限位板下面。
实施例1
在上述结构的基础上，本实施例中，相变材料组件5包括相变材料7和载体8，载体8安装在冷凝塔1内，通常采用螺栓固定在冷凝塔1内，方便拆装和更换；相变材料7填充在载体8内。通过相变材料7的相变进行热交换，换热效率高，相变材料7重复使用，节约成本；同时结构简单，拆装方便，省时省力。
实施例2
在实施例一的基础上，本实施例中，载体8为玻璃或金属，结构简单，成本较低，不会影响相变材料的热交换。
实施例3
在实施例一的基础上，载体8为多孔聚氨酯海绵或多孔陶瓷或多孔活性炭或丝瓜瓤或钢丝球，结构简单，成本较低，不会影响相变材料的热交换。
实施例4
在实施例一的基础上，本实施例中，相变材料7为苯甲酸、尿素、胆固醇、水杨酸、琥珀酸、草酸、三聚氰胺、微晶石蜡、费托蜡、水中的一种或几种混合物，上述相变材料7的沸点均较低，热交换的效率高，且成本较低。
实施例5
在实施例一的基础上，本实施例中，相变材料7的相变温度在-60～360℃，温度范围较广，有利于进行热交换。
实施例6
优选地，在实施例一的基础上，本实施例中，相变材料7的相变温度低于蒸气冷凝温度且高于冷却介质的挥发温度，确保相变材料7可利用其相变快速进行热交换，效率高。
实施例7
在上述结构的基础上，本实施例中，冷凝塔1内位于相变材料组件5下方的位置还水平安装有限位板，限位板上均匀分布有若干小孔，小孔的孔径小于相变材料7的孔径。通过限位板可避免相变材料7发生下漏，确保热交换的效果，结构简单，防漏效果较佳。
上述限位板通过本领域技术人员所能想到的方式固定在冷凝塔1内。
实施例8
在上述结构的基础上，本实施例中，冷却介质为水或甲醇或乙醇，沸点较低，热交换的效果较佳。
实施例9
在上述结构的基础上，本实施例中，分布器6的下端安装有用于检测冷凝塔1内温度的温度传感器，通过温度传感器实时监测冷凝塔1内的温度，以便精准的控制冷凝塔1内的热交换。上述温度传感器通过线路与控制器连接，并将冷凝塔1内的温度信号发送给控制器，控制器接收对应的温度信号，并判断分析，同时控制相应部件工作。
需要说明的是，上述温度温度传感器和控制器均采用现有技术，各个部件与控制器之间的连接线路同样为现有技术。
本发明的工作原理如下：
第一种实施方式：
甲苯(沸点110.6℃)蒸馏：在1m3的反应釜中加入600kg甲苯，将装填第一种相变材料7的蒸气冷凝器与反应釜连接，在蒸气冷凝器的塔内液体分布器下端安置温度传感器；选择水为冷却介质，连接好管道后，反应釜开始加热。
甲苯蒸气在冷凝器内与吸水树脂接触后冷凝，吸水树脂的水分发生相变吸热变成气体将热量带出，从顶端的冷却介质气体出口2排出；随着水分减少，塔内温度从下往上逐渐升高；当温度达到指定温度(一般控制60℃)，自动加入冷却水降温，降到指定温度(室温)停止加入冷却水。
本发明蒸馏500kg甲苯(沸点110.6℃)用水量为80kg；如采用传统冷凝器，假设冷却水入口和出口温差为20℃，理论用水量为2.07吨。
第二种实施方式：
甲苯(沸点110.6℃)蒸馏：在1m3的反应釜中加入500kg甲苯，将装填有两种相变材料7的蒸气冷凝器采用并联的方式与反应釜连接，在蒸气冷凝器的塔内液体分布器6下端均安置温度传感器；选择空气为冷却介质，连接好管道后，反应釜开始加热。
甲苯蒸气首先在冷凝器A内与载体8接触后冷凝，相变材料7发生相变吸热变成液体将热量储存；随着甲苯蒸气的不断加热，塔内温度从下往上逐渐升高；当温度达到指定温度(低于甲苯沸点10℃)时，停止向冷凝器A供应甲苯蒸气，自动切换甲苯蒸气进入冷凝器B，同时，通入空气使冷凝器A降温。交替操作，完成甲苯蒸馏过程。
第三种实施方式：
乙二醇一乙醚(沸点135℃)的蒸馏：在1m3的反应釜中加入600kg乙二醇一乙醚，将装填有第二种相变材料7的蒸气冷凝器与反应釜连接，在蒸气冷凝器的塔内液体分布器6下端和填料限位板上部均安置热电偶温度探头；选择水为冷却介质，连接好管道后，反应釜开始加热。
甲苯蒸气首先在冷凝器A内与载体2接触后冷凝，相变材料7发生相变吸热变成液体将热量储存；随着乙二醇一乙醚蒸气的不断上升加热，塔内温度从下往上逐渐升高；当分布器6下端热电偶温度探头显示温度达到指定温度(苯甲酸的相变温度122.4℃)时，向冷凝器加入冷却水，当填料限位板上部的热电偶温度低于苯甲酸的相变温度122.4℃时，停止加入冷却水。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
