一种低温碳捕集用降膜式凝华换热器及其工作方法

1.本发明涉及一种换热器，尤其是涉及一种低温碳捕集用降膜式凝华换热器及其工作方法。


背景技术：

2.低温碳捕集获得二氧化碳往往通过凝华的方式。常规技术一般是采用直接逆流接触式的凝华器，将低温异戊烷从凝华器顶部进行喷淋，将富含烟气的二氧化碳从凝华器底部引入，烟气中的二氧化碳在与低温异戊烷进行传热传质的过程中凝华为固态二氧化碳并与异戊烷液体共同经凝华器底部的液相出口引出，然后进入后续固液分离装置以得到固态二氧化碳。故凝华器内气液传热传质的效果直接影响着装置的凝华效果。
3.目前强化气液传热传质效果的方法一般采用机械强化，如增加装置内部压力或通过机械叶轮剪切搅拌等等，该类技术尽管可以产生更多的气泡，增加气液接触，但是由于气泡间相互作用，气泡合并几率大大增加，而小气泡合并大气泡后不仅降低气液接触效果而且大气泡的浮力较大，其气液停留时间也大大缩短，气液传质效率下降。
4.除了机械强化的方式，还有电场强化、低频声波激振等技术方案通过增加小气泡数量方式来提高气液接触效果。例如，气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置(cn101618306b)通过在气液接触反应装置的顶部固定高频振动的超声波发生器以控制装置内气泡间的合并，通过增加气泡停留时间来强化气液传质。然而一方面通过超声波控制气泡的合并具有随机性；另一方面该技术方案仅改变气泡的流动而不是同时优化气液两相流动，其气液间的传质强化效果有限。
5.为了同时改善气相和液相的流动，以实现更好的气液接触，一种气液接触装置(cn108283850b)中公开的一种技术方案，即通过设置旋流板塔实现气流的螺旋上升，与下降的流体充分接触，该技术方案通过旋流板塔来同时改善气相和液相流动以增加气液传热传质效率，然而该技术方案中旋流板塔为装整填料，其主要用于除尘和脱硫领域，而低温碳捕集的工艺中主要需要将凝华得到的固态二氧化碳进行收集，若通过填料来提升气液接触效果，会导致凝华得到的二氧化碳吸附在填料内的空隙中无法脱除。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种低温碳捕集用降膜式凝华换热器，既可以通过同时优化气相和液相的流动以提高凝华器内的传热传质效率，还可以保证二氧化碳结霜能顺利的随异戊烷形成浆液并进入下级固液分离工序。并提供了其工作方法。
7.技术方案：一种低温碳捕集用降膜式凝华换热器，包括电机、壳体、离心滚筒、透气薄膜，透气薄膜设置于壳体内部，将壳体内部从内向外划分为两个腔室，透气薄膜表面分布有多个孔隙，使两个腔室气流互通，离心滚筒在壳体内位于内侧的腔室中，电机安装于壳体顶部，其电机轴自壳体顶面穿入其中并与离心滚筒的上端连接，壳体的顶面上间隔开设有
通向内侧的腔室的进液口和出气口，底面上开设有通向内侧的腔室的出液口，下侧面开设有通向外侧的腔室的进气口，进液口正对离心滚筒上表面。
8.进一步的，离心滚筒包括连接平台、滚筒本体，连接平台的底面与滚筒本体的顶面固定，连接平台为径向截面呈环状的圆盘结构，其内环与电机螺纹连接，使电机轴与离心滚筒同轴，外环的周面上间隔开设有多个圆形窗口，进液口正对连接平台的环形凹陷处。
9.最佳的，滚筒本体包括第一环形板、条形板、环形板加强筋、第二环形板，第一环形板、第二环形板相对平行间隔设置，两者之间设有多个呈圆周间隔排列的条形板，每个条形板的两端分别与第一环形板、第二环形板固定，环形板加强筋设置于多个条形板中部，条形板依次穿设于环形板加强筋中并与其固定，第一环形板与连接平台的底面固定。
10.最佳的，第一环形板、环形板加强筋、第二环形板三者同轴，环形板加强筋上间隔开设有一圈数量及形状与条形板匹配的长条孔，多个长条孔倾斜开设并呈叶轮叶片形式排列，多个条形板的旋向与电机的旋转方向相反。
11.进一步的，离心滚筒的长径比为(5～10):1。
12.进一步的，离心滚筒和透气薄膜均为圆筒状且同轴设置，透气薄膜的两端分别嵌设于壳体的两个内端面中且与壳体焊接固定。
13.最佳的，本换热器还包括机架，壳体的下部与机架的上部固定。
14.最佳的，孔隙的孔径为300～650微米，透气薄膜的厚度为0.4～0.6mm。
15.一种上述的低温碳捕集用降膜式凝华换热器的工作方法，包括以下步骤：
16.步骤一：进行压力实验和气密实验，确保水压和气密合格，将壳体的进气口通过进气针阀与外界烟气预处理系统出口相连，壳体的出气口通过出气针阀与外界洁净气体后处理系统相连，壳体的进液口通过进液球阀与外界制冷剂相连，壳体的出液口通过出料球阀与外界浆液处理系统相连；
17.步骤二：打开进液球阀和出料球阀，通入低温异戊烷对换热器进行预冷，低温异戊烷经壳体的进液口进入，下落至离心滚筒，并溢流而向下运动，当温度降低至规定温度时打开电机，电机带动离心滚筒转动，使其外壁流下的制冷剂在离心作用下甩至透气薄膜的内壁，并沿透气薄膜内壁向下运动形成液膜，继续通入低温异戊烷直至换热器内腔温度低于二氧化碳凝华温度；
18.步骤三：打开进气针阀，经外界烟气预处理系统降温至接近二氧化碳凝华温度的烟气从壳体的进气口进入，在透气薄膜外侧的腔室内聚集，并通过透气薄膜上的孔隙向内侧的腔室运动，烟气中的二氧化碳从透气薄膜外侧向内侧运动时，与透气薄膜内侧的低于二氧化碳凝华温度的低温异戊烷进行热质传递并凝华为固体，其中一部分固体粘附在透气薄膜内表面，另一部分固体经制冷剂冲刷落下；随着热质传递的进行，经透气薄膜外表面向其内表面运动的烟气将粘附在透气薄膜内表面的固体吹扫落下，烟气穿过透气薄膜后得到二氧化碳组分含量减少的洁净烟气，打开出气针阀，经出气口引出；低温液体裹挟着固体从底部的出液口排出。
19.最佳的，在步骤二中，当温度降低至-30℃
±
0.25℃时打开电机，二氧化碳凝华温度为-78℃
±
0.2℃。
20.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
21.1、本发明通过设置于装置内部的离心滚筒将低温异戊烷甩至薄膜的内表面，烟气
从薄膜外表面向内运动，薄膜的一侧为气体，另一侧壁面有液膜覆盖，在重力的作用下液膜沿着内壁面向下流动，气相以一定的速度水平穿过液膜表面，与液膜发生热质交换，由于薄膜外表面温度高于薄膜内表面，凝华的二氧化碳固体在薄膜内表面结霜。故凝华得到的二氧化碳固体很容易在气流的作用下在薄膜内表面剥离，向内脱落掉下并在装置底部收集，如此凝华得到的二氧化碳固体反复附着并剥离，大大增加了装置的凝华效率。
22.2、本发明设置的烟气从薄膜外表面向内运动，一方面为附着在薄膜表面的二氧化碳结霜提供水平向内运动并落下的动能(将结霜从空隙出吹扫落下)，另一方面对薄膜外表面进行加热，保证二氧化碳结霜顺利在薄膜内表面脱落，使得薄膜的表面不断更新，避免了二氧化碳结霜在薄膜表面积累而形成“污垢”降低传热系数。
23.3、本发明采取的经离心滚筒甩出至薄膜内表面的方式，使得液膜铺展均匀性更好，通过控制流速，保证液膜在薄膜内部完全湿润，液膜充分展开润湿表面。既优化了气相的流动(在透气薄膜4的外表面聚集并通过空隙向内表面运动)，又优化了液相的流动(通过离心滚筒3将液相离心甩出)，大幅度提高了气液两相的热质传递速率。
24.4、本发明中，在重力的作用下液相向下流动，气相由薄膜外壁向内壁流动。气液两相形成叉流，对加强液膜波动使液膜被吹散甚至产生液泛现象，更有利于传热。
25.5、凝华换热器中处理的烟气往往为富含二氧化碳的气体，而二氧化碳为酸性气体，长期在烟气的酸性环境中使用电机会导致电机腐蚀。相较于传统的电机直接连接转动组件结构，本发明中通过机械密封组件将电机和离心滚筒连接，并做动密封处理，将热质传递的内腔与电机隔离开，避免电机腐蚀老化。另外，采用在溢流盘中部设置内螺纹，通过中心轴与电机相连的方式，为后续维修更改提供方便。
附图说明
26.图1为本发明的剖视结构示意图；
27.图2为离心滚筒的立体结构示意图；
28.图3为连接平台的结构示意图；
29.图4为滚筒本体的结构示意图；
30.图5为本发明的主视结构示意图；
31.图6为壳体内部两个腔室的示意图；
32.图7为图6的放大视图a；
33.图8为图6的放大视图b。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
35.一种低温碳捕集用降膜式凝华换热器，如图1所示，包括电机1、壳体2、离心滚筒3和透气薄膜4。透气薄膜4设置在壳体2的内，将壳体2的内部从内向外分割成两个腔室(其中x为靠内的腔室，y为靠外的腔室)。透气薄膜4的上下两端均与壳体2的内腔密封连接。透气薄膜4的周面设置有若干孔隙41，壳体2中的内外两个腔室仅通过孔隙41相连通。进气口23设置于壳体2的左下方，且与壳体2中的外区域连通，设置在壳体2上方的进液口21和出气口
22以及设置在壳体2底部的出液口24均与壳体2内腔的内区域连通。离心滚筒3上端设有垂直向投影面积完全覆盖进液口21垂直向投影面积的平台。换言之，应能保证进液口21处所导入的液体能流经离心滚筒3上表面的平台中，而不是落入离心滚筒3和透气薄膜4中间的空隙中或落入离心滚筒3内部。若进液口21不在离心滚筒3上表面的平台中短暂停留，则离心滚筒3在旋转过程中无法很好地将液相甩出，使其在透气薄膜4的内表面形成液膜。
36.电机1设置于壳体2的顶端，其电机轴穿设于壳体2中并与设置在壳体2中内区域的离心滚筒3相连，并带动离心滚筒3旋转。
37.烟气从进气口23进入壳体2中的y腔室，通过孔隙41进入壳体2中的x腔室，在空隙41处与透气薄膜4内表面形成的液膜进行热质传递，烟气内的二氧化碳凝华为固体，并随着液膜向下运动。脱除二氧化碳的烟气继续向上运动，从顶部的出气口22引出。
38.低温异戊烷从进液口21进入壳体2中，落入离心滚筒3上表面的连接平台31后，在离心滚筒3的旋转下甩出，在透气薄膜4的内表面形成液膜，与从空隙41处进入的烟气进行热质传递，裹挟着凝华得到的二氧化碳固相向下，最后从出液口24引出。
39.离心滚筒3是降膜式凝华换热器的关键部件，其主要作用是将液相均匀的涂抹在薄膜的内表面。如果制造或安装存在问题，则就会导致局部或全部的降膜液面不能形成，液相在薄膜内表面中产生偏流，导致薄膜外侧的气体向内渗透时接触不到液相，气相直接到达出气口，出现类“空烧”或气体短路现象。
40.如图2所示，离心滚筒3包括连接平台31、滚筒本体32。连接平台31的下表面与滚筒本体32的上表面焊接。
41.图3为连接平台31的示意图。其中图3a为连接平台31的俯视图，图3b为连接平台31的主视图，图3c为连接平台31的三维图。连接平台31外形为中部设置有内螺纹的圆盘状。其沿内螺纹处向外设置有环形凹陷，凹陷的外壁处沿圆周均布有圆形窗口，方便连接平台31内液体沿外壁溢流流下。
42.图4为滚筒本体32的示意图。其中4a为滚筒本体32的三维示意图，4b为环形板加强筋323的三维示意图。
43.滚筒本体32由上至下分布的第一环形板321、若干截面为长方形的条形板322、环形板加强筋323以及第二环形板324组成。环形板加强筋323沿圆周设置有若干截面为长方形的孔。若干截面为长方形的条形板322垂直穿插过环形板加强筋323中长方形的孔，并与其焊接。与环形板加强筋323同轴且平行设置的第一环形板321焊接于长方形的条形板322的上端，与环形板加强筋323同轴且平行设置的第二环形板324焊接于长方形的条形板322的下端。环形板加强筋323中长条孔的排列类似叶轮中叶片的排列形式，长方形的条形板322的旋向与电机转子的旋转方向相反,以保证液体经滚筒32离心后甩出，向透气薄膜4的内表面运动。
44.如图4b所示，以环形板加强筋323的上表面为基准，当电机2的转动方向为顺时针时，靠近环形板加强筋323顶部的长条孔中，长方形截面左下方顶点到圆心的距离大于右下方顶点到圆心的距离；当电机的转动方向为逆时针时，长方形截面左下方顶点到圆心的距离小于右下方顶点到圆心的距离。
45.滚筒本体32的长径比为(5～10):1。
46.透气薄膜4的材料为多孔的不锈钢网。孔径越大则气体流速越快，气液在透气薄膜
4内表面的接触时间越小，不仅凝华效果大打折扣，而且凝华过程中会有相当一部分的二氧化碳固体从透气薄膜4的外表面落下，长时间积累会导致进气口堵塞；而孔径越小则气体阻力越大，气体流速越慢，每小时处理的烟气量减少，降膜式凝华换热器的生产能力降低。由于二氧化碳凝华固体的颗粒尺寸约为600～750微米，所以在平衡凝华效果和烟气处理能力的前提下，应保证进气量以避免二氧化碳凝华固体向透气薄膜4外表面落下，透气薄膜4上孔隙41的孔径约为300～650微米。透气薄膜4的厚度约为0.4～0.6mm。
47.考虑到烟气中的二氧化碳为酸性气体，为了避免电机长期处于酸性工作环境下导致腐蚀，在电机1和壳体2处连接方式做优化处理，通过设置机械密封的结构将电机1与壳体2内腔的工作环境分隔开，其次，为了方便安装，如图5所示，本换热器还可以设置机架5，壳体2的底部穿插于机架5顶部的通孔中并焊接固定。为了方便使用者安装，可在本换热器的上方设置升降平台，升降平台的工作台与电机1固定。当使用者需要清洗或维修时，可通过手动摇动手柄，将电机1拆解并垂直升起后对本换热器进行清洗或维修。
48.如图5所示，由于将电机1和壳体2的连接处做动密封处理，故壳体2的上部的进液口21和出气口22均开设在壳体2上端的法兰处，通过在法兰处开设进液通道以达到外界液相进口与壳体2内腔的内区域相连通的效果。
49.壳体1和透气薄膜4的装配方式如图6所示，进液口21设置在壳体1的左上方，且设置为水平进入。其入口向内延伸的深度应超过离心滚筒3中连接平台31向外延伸的距离以保证液相能够流经连接平台31并经离心滚筒3离心至透气薄膜内表面。进气口23设置在壳体1的左下方，且为水平进入。
50.图7为图6中a处的放大图，进气口23处的通道轴向向内延伸至壳体1内壁和透气薄膜4外壁后垂直向上延伸，以保证进气口23与壳体1内腔的外区域相连通。
51.图8为图6中b处的放大图，进液口21处的通道轴向向内延伸至透气薄膜4内表面，以保证进液口与壳体1内腔的内区域相连通。
52.在本实施例中，低于二氧化碳凝华温度的低温异戊烷从进液口进入并在重力作用下下落，电机1带动离心滚筒3转动，液体经进液口21进入，首先落入离心滚筒3上方的连接平台31，然后在离心滚筒3的离心作用下，均匀涂抹至透气薄膜4内表面并沿其表面向下流动，冷却至略高于二氧化碳凝华温度的烟气从进气口23进入，在壳体2内表面与透气薄膜4外表面(即壳体2内腔的外区域)积累并由透气薄膜4的外表面向其内表面运动。烟气和低温液体在透气薄膜4的表面接触并进行热质传递，烟气中二氧化碳经低温液体降温后凝华为二氧化碳固体，一部分固体粘附在透气薄膜内表面，另一部分固体经低温液体冲刷落下。随着热质传递的进行，由透气薄膜外表面向其内表面运动的气体将粘附在透气薄膜内表面的固体吹扫落下。烟气穿过透气薄膜后得到二氧化碳组分含量减少的洁净烟气，并经出气口引出。低温液体裹挟着固体从底部的浆液出口排出，进入下一工序，例如固液分离等。
53.一种上述的低温碳捕集用降膜式凝华换热器的工作方法，包括以下步骤：
54.步骤一：组装好低温碳捕集用降膜式凝华换热器后，进行压力实验和气密实验，确保水压和气密合格，将壳体2的进气口23通过进气针阀与外界烟气预处理系统出口相连，壳体2的出气口22通过出气针阀与外界洁净气体后处理系统相连，壳体2的进液口21通过进液球阀与外界制冷剂相连，壳体2的出液口24通过出料球阀与外界浆液处理系统相连；
55.步骤二：打开进液球阀和出料球阀，通入低温异戊烷对装置进行预冷，低温异戊烷
经壳体2的进液口21进入，下落至离心滚筒3，并溢流而向下运动，当温度降低至约-30
°
左右时打开电机，使得经离心滚筒3外壁流下的制冷剂在离心作用下甩至薄膜内壁，并沿透气薄膜内壁4向下运动形成液膜，继续通入低温异戊烷直至换热器内腔温度低于二氧化碳凝华温度；
56.步骤三：打开进气针阀，经外界烟气预处理系统降温至接近二氧化碳凝华温度的烟气(约-78℃)从壳体2的进气口23进入，在透气薄膜4外部区域(即壳体2中的外区域)聚集，并通过薄膜向内部区域(即壳体2中的内区域)运动，烟气中的二氧化碳从透气薄膜4外侧向内侧运动时，与透气薄膜4内侧的低于二氧化碳凝华温度的低温异戊烷进行热质传递并凝华为固体。一部分固体粘附在透气薄膜内表面，另一部分固体经制冷剂冲刷落下。随着热质传递的进行，经透气薄膜4外表面向其内表面运动的烟气将粘附在透气薄膜内表面的固体吹扫落下。烟气穿过透气薄膜后得到二氧化碳组分含量减少的洁净烟气，并经出气口引出。
57.低温液体裹挟着固体从底部的浆液出口排出，进入下一工序，例如固液分离等。