本发明专利技术公开一种采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，用于氨水吸收式制冷系统分离氨，该氨水精馏塔从上到下顺序设置分凝段，精馏段，提馏段和发生段四部分；包括氨气出口、分凝器、冷却水出口、冷却水入口、蒸汽导管、回流液导管、雾化器振子、超声波雾化器、雾化槽、泡罩、超声波振荡器、塔板、溶液导管、浓溶液入口、加热流体出口、通孔、隔板、加热管、加热流体入口、稀溶液出口。利用雾滴取代传统精馏塔中的填料以降低精馏塔整体质量；精馏塔的提馏段和精馏段分别安装若干组产生氨水雾滴的超声波雾化器；塔板安装强化气液热质交换的超声波振荡器；精馏塔底部发生段采用管外降膜蒸发方式。改善氨水精馏过程的传热传质特性。改善氨水精馏过程的传热传质特性。改善氨水精馏过程的传热传质特性。
【技术实现步骤摘要】
一种采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔
[0001]本专利技术涉及一种应用于氨水吸收式制冷系统的精馏塔，主要是通过使用超声波雾化和超声波振荡等技术对精馏过程的传热传质效果进行强化。
技术介绍
[0002]低品位热源的巨大储量若能得到有效利用，对能源危机的解决具有重大意义。氨水吸收式制冷循环是一种典型的热驱动制冷循环，其可以实现低品位热源的升温提质。然而，氨和水的沸点接近，直接加热氨水溶液产生的蒸汽含水量较高，需要通过精馏进一步提高气相氨组分浓度。精馏塔是氨水吸收式制冷系统的关键热质交换设备，其传热传质效果的提升对系统性能和设备尺寸优化均有显著意义。
[0003]精馏塔主要由分凝器、精馏段、提馏段以及发生段四个部分组成。浓溶液由精馏塔中部进入，在重力的作用下自上而下经过提馏段流到精馏塔底部和加热管之间进行热交换产生蒸汽和稀溶液。稀溶液由精馏塔底部流出，产生的蒸汽则继续上行到精馏塔顶部的分凝器中。分凝器中蒸汽经过冷却水冷凝后，气相为纯度极高的氨蒸汽，液相则为氨组分含量较高的饱和氨水溶液。氨蒸汽由精馏塔顶部流出，而分凝器中剩余的液氨则向下流动，经过超声波雾化为微米级别雾滴和上行的氨水蒸汽之间接触并进行热质交换，以达到精馏的目的。
[0004]传统精馏塔主要有板式塔和填料塔两种。板式精馏塔应用最早，研究最为充分，对体积效率起决定作用的塔板是进行热质传递的核心部件，板式塔内气液接触面不足是影响精馏塔体积效率的重要原因。填料塔采用空心塔中填充有各种形状的填料，液体附着在填料表面和蒸汽接触。相对于板式塔，填料比表面积和体积传热传质效率都有明显提升。但是填料塔性能的进一步提升存在瓶颈，受到液体粘度和表面张力的影响，塔内流道易结垢易堵塞，填料造价高，而且填料塔的质量较大，其对安装和维护都是不利的。
技术实现思路
[0005]技术问题：为克服传统精馏塔设备体积庞大，热质交换效率低下等问题，提高吸收式制冷装置的紧凑性，本专利技术提供一种采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔。该氨水精馏塔具有更高的体积传质系数，因而可以降低设备的体积。相比于传统精馏塔，该氨水精馏塔移除大部分塔板和全部的填料，转而在其内部安装有超声波雾化器和超声波振荡器。超声波雾化器将溶液雾化成微米尺度的雾滴提高汽液接触面积，超声波振荡器可以降低塔板中气液热质传递过程阻力，从而减小精馏塔尺寸，并降低出口稀溶液浓度。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的一种采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔从上到下顺序设置分凝段，精馏段，提馏段和发生段四部分；其中，
[0007]所述分凝段位于该精馏塔的顶部，包括氨气出口、分凝器、冷却水出口、冷却水入口、蒸汽导管、回流液导管；氨气出口位于分凝器的上部，冷却水出口、冷却水入口位于分凝器的一侧，蒸汽导管位于分凝器的另一侧并连接到精馏段的上部，回流液导管位于分凝器
的下部并连接到精馏段的雾化槽处；
[0008]所述精馏段位于该精馏塔内的上部，包括雾化器振子、超声波雾化器、雾化槽、泡罩、超声波振荡器、塔板、溶液导管；该部分分为三层结构，第一层包括雾化器振子、超声波雾化器、雾化槽组成的超声波雾化器；第二层包括泡罩、超声波振荡器、塔板组成的超声波振荡器，在该超声波振荡器的中间设有溶液导管；第三层与第一层的结构一样；
[0009]所述提馏段包括两层由泡罩、超声波振荡器、塔板组成的超声波振荡器；在该提馏段还设有浓溶液入口；
[0010]所述发生段包括加热流体出口、通孔、隔板、加热管、加热流体入口、稀溶液出口；加热管的下部连接加热流体入口，加热管的上部连接加热流体出口组成加热器，在该加热器上设有通孔，稀溶液通过通孔从加热管旁流过到稀溶液出口。
[0011]所述超声波雾化器安装于雾化槽正中央，液位下1
‑
2cm处以获得最优的雾化效果。
[0012]所述雾化槽为底端直径大于超声波雾化器直径的倒立空心圆凹台结构，保证超声波雾化器产生的大直径液滴回落到雾化槽中，小直径液滴可以弥散到整个气相空间。雾化槽底端直径大于顶端直径，为超声波雾化器提供较为宽裕的安装空间。
[0013]所述雾化槽六个为一组，呈正六边形对称分布；在精馏塔各层各安装一组雾化槽，分别为精馏段和提馏段提供雾滴；各个雾化槽通过溶液导管相连以保证槽内液位均匀。
[0014]所述超声波振荡器频率为20
‑
68kHz，六个振荡器为一组，呈正六边形对称分布；超声波振荡器安装于塔板底部呈喇叭状，在塔板上开孔安装。
[0015]所述塔板为孔板结构，在振荡器安装位置开有均匀分布的等直径圆孔以供超声波振荡器安装，塔板圆心位置安装溶液导管，溶液导管略高于塔板，溢流溶液沿溶液导管降膜流到雾化槽中。
[0016]所述超声波雾化器的振荡频率为1.7MHz
‑
2.4MHz，超声雾化作用使溶液生成雾滴，顶部雾化器将分凝器中高浓度氨水回流液雾化，为精馏段提供小尺寸雾滴，中间雾化器安装于塔板下方，将塔板内溶液雾化，为提馏段提供小尺寸雾滴。
[0017]所述塔板中安装有用于连通塔板和雾化槽的溶液导管；溶液导管略高出塔板底部，溶液溢流后在溶液导管内降膜流动，底部连通雾化槽为雾化器提供溶液，降膜流动增加溶液和气体之间的热质交换面积，强化溶液和蒸汽的传热传质特性，溶液导管同时为雾化槽提供支撑。
[0018]本专利技术采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔的精馏方法，所述精馏塔浓溶液自浓溶液入口流入塔板，与下落的雾滴在塔板内部混合后，经过溶液导管和雾化槽均匀分配到超声波雾化器内部。塔板上安装的超声波振荡器对混合过程进行搅混；雾化槽内部溶液被安装于超声波雾化器中央的超声波雾化器振子雾化成微米级别的雾滴；雾滴在重力的作用下落到加热流体出口水箱上，溶液通过出口水箱的通孔流到隔板上，隔板开有比加热管外径大的孔，溶液在隔板上溢出后，沿加热管外流动产生薄的热边界层，加热管外有较高的换热系数，强化发生器内部的蒸汽发生过程；稀溶液在加热流体入口水箱上汇集，由精馏塔底部稀溶液出口流出精馏塔；加热过程产生的蒸汽在浮力的作用下上行，在提馏段和雾滴传热传质后，通过塔板上安装的泡罩继续上行通过精馏段，再经由蒸汽导管进入分凝器中冷凝；冷却盘管沉浸式安装于分凝器中，冷却水由冷却水入口流入冷却盘管，对分凝器中液相进行冷却后，由冷却水出口流出；蒸汽在分凝器中冷凝，上部蒸汽为纯度高的饱
和氨蒸汽，其通过氨气出口流出精馏塔，下部凝结成高浓度溶液经过回流液导管和雾化槽流入精馏塔上层的雾化槽中进行雾化；在重力的作用下，上层雾化槽产生的雾滴下行和上行的蒸汽进行热质交换后下落到中部的塔板中和来自浓溶液入口的浓溶液进行掺混。
[0019]有益效果：本专利技术相比现有技术，具有以下优点：
[0020]1.本专利技术中的超声波雾化器中超声频率为液体单元克服液体重力和表面张力提供能量，雾化为雾滴代替填料，显著增加精馏塔内部气液接触面积和体积传质系数，同时减小精馏塔整体质量。
[0021]2本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，用于氨水吸收式制冷系统分离氨气，其特征在于该氨水精馏塔从上到下顺序设置分凝段，精馏段，提馏段和发生段四部分；其中，所述分凝段位于该精馏塔的顶部，包括氨气出口(1)、分凝器(2)、冷却水出口(3)、冷却水入口(4)、蒸汽导管(5)、回流液导管(6)；氨气出口(1)位于分凝器(2)的上部，冷却水出口(3)、冷却水入口(4)位于分凝器(2)的一侧，蒸汽导管(5)位于分凝器(2)的另一侧并连接到精馏段的上部，回流液导管(6)位于分凝器(2)的下部并连接到精馏段的雾化槽(9)处；所述精馏段位于该精馏塔内的上部，包括雾化器振子(7)、超声波雾化器(8)、雾化槽(9)、泡罩(10)、超声波振荡器(11)、塔板(12)、溶液导管(13)；该部分分为三层结构，第一层包括雾化器振子(7)、超声波雾化器(8)、雾化槽(9)组成的超声波雾化器；第二层包括泡罩(10)、超声波振荡器(11)、塔板(12)组成的超声波振荡器，在该超声波振荡器的中间设有溶液导管(13)；第三层与第一层的结构一样；所述提馏段包括两层由泡罩(10)、超声波振荡器(11)、塔板(12)组成的超声波振荡器；在该提馏段还设有浓溶液入口(14)；所述发生段包括加热流体出口(15)、通孔(16)、隔板(17)、加热管(18)、加热流体入口(19)、稀溶液出口(20)；加热管(18)的下部连接加热流体入口(19)，加热管(18)的上部连接加热流体出口(15)组成加热器，在该加热器上设有通孔(16)，稀溶液通过通孔(16)从加热管(18)旁流过到稀溶液出口(20)。2.根据权利要求1所述的采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，其特征在于，所述超声波雾化器(8)安装于雾化槽(9)正中央，液位下1
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2cm处以获得最优的雾化效果。3.根据权利要求2所述的采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，其特征在于，所述雾化槽(9)为底端直径大于超声波雾化器(8)直径的倒立空心圆凹台结构，保证超声波雾化器(8)产生的大直径液滴回落到雾化槽(9)中，小直径液滴可以弥散到整个气相空间。雾化槽(9)底端直径大于顶端直径，为超声波雾化器提供较为宽裕的安装空间。4.根据权利要求3所述的采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，其特征在于，所述雾化槽(9)六个为一组，呈正六边形对称分布；在精馏塔各层各安装一组雾化槽，分别为精馏段和提馏段提供雾滴；各个雾化槽(9)通过溶液导管(13)相连以保证槽内液位均匀。5.根据权利要求4所述的采用多频超声波提升传热传质性能的氨水精馏塔，其特征在于，所述超声波振荡器(11)频率为20
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68kHz，六个振荡器为一组，呈正六边形对称分布；超声波振荡器(11)安装于塔...
【专利技术属性】
技术研发人员：李舒宏，郭浩洋，周润发，高晟铨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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