利用规整填料的改进的氨水吸收系统发生器

                       发明背景

氨水吸收系统组合了吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器作为主要部 件。这些系统是本领域所公知的，例如，在美国专利5367884、5548971 和5490393中就公开了这样的系统。这些氨水吸收系统可设计并作为 热泵、冷藏设备、冷却器、加热器、以及冷却-加热器。

氨水吸收系统的发生器用作蒸馏柱，其部件包括锅炉、汽提部分或 汽提塔、以及精馏部分。供应给发生器的组合物包括来自系统吸收器 的富氨液体，可在一个或多个供料点或进料点将它们导入发生器。将 锅炉设计成能产生与热量输入相符的液气对流。在锅炉的有限长度或 高度方向上引入初始热量，这将导致热量输入区域内氨浓度显著变 化。在某些系统中，可用重沸器代替锅炉，在重沸器中是由初始能源 输入热量，但其除了从柱子底部附近的液体中平衡地分离出蒸气外， 不会产生实质氨分离。于是，重沸器仅能将蒸气带回发生器柱子。

汽提部分包括发生器柱子中位于最高(最冷)进料点以下的所有部 分。在汽提部分中，由离开蒸馏柱底部的溶液回收热量，回收的热量 返回到锅炉上方的那部分柱子中。汽提部分包括三个部分：热溶液解 吸塔(SHD)、绝热解吸塔或发生器-吸收器热交换(GAX)解吸塔、 以及锅炉。SHD是在稀溶液进入吸收器之前从稀溶液、即位于发生器柱 子底部的溶液中提取热量的那一部分汽提部分。汽提部分的绝热解吸 塔没有热量输入，其一般位于最冷供料点与SHD之间。GAX解吸塔通过 利用来自发生器柱子底部的稀液或二次流体进行传热，从而从吸收器 接收热量。一般而言，GAX氨水吸收系统中的发生器具有GAX解吸塔或 绝热解吸塔，但不是两个都具备。当系统使用强碱液GAX时，要使用 绝热部分，但是要将GAX解吸塔用于稀液GAX或二次流体GAX。发生 器的附加部件是精馏器，该精馏器是位于最高(最冷)供料点上方的 那部分发生器。上述发生器已示于附图中，后面将对它作进一步详细 描述。

由系统吸收器供给发生器柱子的供料是浓液，它包含氨含量相对高 的溶液。该浓液一般含有40％和50％的氨，但在某些操作条件下，氨 含量约低至20％。该浓液与从发生器导入吸收器的稀液相反，所述稀 液包括富水组合物，在额定条件下具有介于约1％到约15％之间的氨， 一般含介于约3％到约5％之间的氨。在传统强碱液GAX吸收周期中， 通过对供应给发生器的浓液进行分离，使一部分通过吸收器中的GAX 热交换器，同时将另一部分直接导入发生器，从而回收到热量。在不 同位置将这两部分液体引入发生器。在始沸点温度或低于始沸点温度 的情况下，将一股供料流作为单相流体从精馏器或其附近引入。在低 于供应第一单相液体的位置将通常为两相组分的第二供料流引入柱子 中。当将第二供料流体加热到它的始沸点温度以上时，该第二供料流 体理想地变为两相混合物。前述氨水吸收系统中使用的传统发生器已 经沿柱子长度方向在不同位置设置了板和将热量传递给蒸馏柱的附装 传热管。在前述专利中已经对这种发生器柱子作了描述和举例说明。

                       发明概述

本发明涉及一种改进的氨水吸收发生器，其至少有一部分内部发生 器空间填充了规整填充材料。

                    附图的简要说明

图1、2和3是依照本发明的发生器实施例的侧视剖面示意图，它 们表示填充了规整填料的不同发生器部分。

                  优选实施例的详细描述

在本发明中，改进的氨水吸收系统发生器利用了规整填充材料，它 们遍及发生器柱子的一部分内部空间或整个内部空间。在这些附图中 未示出本发明氨水吸收装置的其它主要部件，它们包括吸收器组件、 冷凝器和蒸发器，并与本发明的发生器组件一起使用。可将氨水吸收 系统设计为热泵、致冷设备、冷却器、加热设备、以及冷却器-加热 器。在图1的实施例中，发生器10包括四个不同部分，象一般在氨水 吸收装置中那样定位和使用的情况那样，它们位于处在直立、竖直方 位的单个壳体中。

发生器柱子的汽提部分是组合在一起的锅炉、SHD和绝热部分，该 汽提部分位于发生器中低于水平线C以下的较热部分，而水平线C是 在第一供料22输入端附近。于是，汽提部分包括发生器柱子中低于最 高(最冷)供料点以下的所有部分，而精馏器是高于最高供料点的那 部分发生器。柱子的最冷部分是精馏器18，它在水平线C以上。管路 21将致冷剂蒸气从精馏器导入吸收装置的冷凝器中。在发生器柱子的 较低部分是锅炉部分12，它从该柱子的最下端延伸到水平线A。锅炉 上方是沿柱子长度方向介于水平线A和B之间的SHD部分14，其中位 置B是在导入第二供料24的水平线上。坐落在SHD部分14的上方是 绝热解吸塔部分16，其在水平线B和水平线C之间沿柱子长度延伸， 水平线C对应于第一供料输入端22。在发生器10的上部是在水平线C 和发生器柱子上端之间延伸的精馏器18。尽管可将发生器10表示为单 个壳体或者由多个不同部分沿壳体竖直叠合而成的公共壳体，但发生 器也可由一个或多个包含不同部分的壳体组成，这将在后面描述。

锅炉部分12由燃烧器15来加热，所述燃料器具有沿锅炉部分的长 度延伸的烟道13，废气从烟道末端17排出。燃烧器由初始能源向锅炉 供热。借助使用稀液的管路系统20将来自锅炉部分的热量导入SHD部 分14。沿SHD部分14的长度延伸的热交换器25由稀液释放出显热。

图1所示的实施例包括两个液体供料点。在液体的始沸点温度或略 低于该温度的条件下，将第一供料22作为单相流体引入柱子。正如前 面所述的，供料是浓液，其一般是将40％到50％的氨从吸收器导入供 料输入端22。第二供料输入端24是从吸收器的CAX热交换器部分导入 的浓液吸收流体。在分隔开绝热解吸塔部分16和SHD部分14的位置 将第二供料流注入发生器柱子。本领域普通技术人员可以理解并公知 的是，供料入口装置包括喷雾器、喷嘴、喷管、配料器、喷口、或者 能均匀地将液体分配到规整填充材料上的其它装置。

在图1所示的实施例中，发生器柱子所有部分的内部都装填了规整 填料11。但是，本发明并不限于填充柱子的所有部分，而是可装填所 选择的部分。许多情况下，不在所有部分中使用规整填料是优选或有 利的。于是，任何一个或多个部分都可结合规整填料。试图用规整填 料代替目前在各个发生器部分中安装的一般内部发生器部件，这些部 件例如塔板、盘管、隔板等等。此处所用的规整填料包括基本上与重 复结构(repeating pattern)同质的材料，它包括相邻或重叠的扁 平管状网眼元件层。规整填料的密度在整体上是基本均匀的。在美国 专利4014557中公开了本发明的发生器柱子中所使用的规整填充材料 的例子。一个商用规整填料的例子是由Metex公司来营销的，其注册 商标为Goodloe。另一商用规整填料是Optic-Pack，它也是由Metex 公司来营销的。该材料由织成管形的细导线构成，然后又被压扁形成 带状物，它与带状物轴线的卷曲角为45°。将两条这样的带状物卷在一 起，一条带状物旋转，从而使卷曲彼此交叉，卷状物形成圆柱筒。将 所述圆柱筒卷得略微大于要安装在里面的柱子的内径(ID)。该圆柱 筒具有一定弹性，从而能将它们贴合地装到柱子中，同时还基本上不 留旁通渠道。在该实施例中，里面使用规整填料的各个发生器部分不 含诸如塔板之类的传统内部发生器柱子的部件。但是，柱子的一个或 多个部分可含有与发生器的壳体壁相邻的中心燃料管和/或传热盘 管。于是，例如图1所示，在具有沿圆柱形壳体部分的长度方向延伸 的同心燃料管的圆柱形壳体部分中，壳体和管侧壁之间的环形空间填 充了规整填充材料。规整填充材料由任何在发生器内所遇的温度下对 氨水溶液表现惰性的材料制成。尽管精馏器的温度约为200°F或者更 低，但操作温度一般约高于200°F，直至400°F或者更高。这些材料是 可湿润的，或者作成可被溶液湿润。用于制造规整填料的金属包括钢、 不锈钢、镍、以及各种包括专用合金、镍、钛、铝、钽、锆和镀银的 铜的不锈钢合金，其中所述专用合金例如：Inconel，Monel， Carpenter 20，Hastelloy。优选的规整填料包括不锈钢，特别是 AISI等级为304、304L、316的不锈钢或马氏体400系列合金。规整 填充材料中所用优选金属丝的标称直径约介于0.002英寸(in.)和 0.008英寸(in.)之间。有用的非金属材料包括聚丙烯、Teflon (TFE)、Tefezel(ETFE)、Halcar(ECTFE)、Kynar(PVDF)、 聚酯、聚乙烯等等。在诸如精馏器之类的低温部件中，可将诸如聚丙 烯之类的能与氨相容的塑料用于本发明的填充材料。

当液体和蒸气均匀分布在填料上时，一个或多个部分中使用的规整 填料变得更为有效。尽管规整填充材料在迅速分配液体方面非常高 效，但重要的是使用液体配料器来减少供料点处的不良分配，同时最 大限度地减少为了实现所需分布而增加装填高度的要求。可在供料点 以及将柱子壳体分成不同部分的位置有效地利用配料器。为了实现上 述均匀分布，这些配料器可以是设置在柱子中的喷雾器、喷嘴、喷射 器等形式。

要为各种液体或蒸气装载量、或者为成本效益而尽可能优化发生器 的一个或多个部分中使用的规整填料。这些优化措施可通过改变填料 制造材料的粒度和单丝细度来实现。这些改变一般会产生密度(每表 面体积填料的重量)不同且效率最大的填料，其密度范围为25到40磅 /立方英尺(lbs./cu.ft)，更优选约在30到约35磅/立方英尺之间。 相对其它蒸馏物质传递装置而言，规整填料的另一优点是允许较高的 液体和蒸气装载量，对给定容量来说将转变为较小的发生器壳体直 径。小直径意味着成本更低、与壳体的传热更加高效，由此取消了对 昂贵的内热交换结构的要求。填料安装在内部横截面积约小于发生器 氨致冷剂设计能力的0.2平方英寸/磅/小时的一个或多个发生器部分 中。更为优选的是，一个或多个部分中填料的内部横截面积为氨致冷 剂的0.15平方英寸/磅/小时或者更低。某些情况下，它可以低至0.05 平方英寸/磅/小时，这将使发生器柱子的直径大幅减小。另外，与现 有的商业吸收发生器相比，在直径相对较小的发生器柱子中可以实现 高效分离。例如，与具有通用板型部件热交换器的6英寸直径的发生 器柱子相比，在60000Btuh的一个或多个发生器部分中利用上述规整 填料时，标称致冷能力的GAX氨水吸收循环的内径可小到2.75英寸。 通用的6英寸内径发生器中用于3RT致冷的商业设备大约需要72磅/ 小时的致冷剂，这大约相当于0.39平方英寸/磅/小时致冷剂。相反， 安装了依照本发明的规整填料的柱子在工作时，标准横截面积低至 0.05平方英寸/磅/小时致冷剂发生量。

以下是此处所述的在一个或多个部分中有规整填料的发生器的例 子：在环境温度为95°F的额定条件下，设计能力为可冷却100到150磅 /小时氨致冷剂的发生器，至少一个部分的内径约小于6英寸，优选约 为4.5英寸或者更低，更优选约为3.5英寸或者更低；在环境温度为 95°F的额定条件下，设计能力为可冷却50到100磅/小时氨致冷剂的 发生器，至少一个部分的内径约小于6英寸，优选约为4英寸或者更 低，更优选约为3英寸或者更低；在环境温度为95°F的额定条件下， 设计能力为可冷却125到250磅/小时氨致冷剂的发生器，至少一个 部分的内径约小于6英寸；在环境温度为95°F的额定条件下，设计能 力为可冷却2.5到3.5致冷吨的发生器，至少一个部分的内径约小于6 英寸，优选约为4英寸或者更低，更优选约为3英寸或者更低；在环 境温度为95°F的额定条件下，设计能力为可冷却3.4到4.5致冷吨的 发生器，至少一个部分的内径约小于6英寸，优选约为4英寸或者更 低，更优选约为3英寸或者更低；在环境温度为95°F的额定条件下， 设计能力为可冷却4.5到5.5致冷吨的发生器，至少一个部分的内径 约小于6英寸，优选约为4.5英寸或者更低；在环境温度为95°F的 额定条件下，设计能力为可冷却6到8致冷吨的发生器，至少一个部 分的内径约小于6英寸。

为了便于热量输入和热量回收，有着大量可用于发生器的选择。例 如，可将管道缠绕起来，其携带着稀液围绕在柱子外部，此时应将管 道安装得能使它与壳体实现良好热接触。将管道钎接或焊接到壳体上 是实现上述改善热接触的一般方式。还可将传热盘管设置在发生器壳 体内部，使盘管靠在壳体侧壁上，并使规整填料贴合地固定在管道盘 管内侧。随着发生器中的溶液直接与传热盘管接触，与填料实现良好 热接触就不再是关键问题，与壳体子实现良好热接触也不再是想要 的。传热流体的液流通道可由被螺旋形翼片分隔的同心壳体构成，所 述螺旋形翼片固定在任何一个壳体子的侧壁上。还可利用发生器内在 稀液和溶液之间有流体边界的螺旋形翼片提供传热通道。

在发生器柱子的各部分中可以使用各种其它结构，例如使烟气通过 锅炉中心以实现高效热量输入。另外有利的是，例如，通过使烟气通 过另外要填充规整填充材料的那些部分的中心，从而可以去除进入发 生器的SHD和GAX部分的烟气中的附加热。发生器柱子也可将用于输 送热回收的烟气置于壳内，作为使烟气通过柱子的中心的另一种选 择。

图2表示发生器柱子30的一个可选择实施例，其中锅炉用重沸器 35代替，用以从适当能源输入初始热量。借助管路系统31将来自重沸 器的热量经传热管路29导入SHD部分34。柱子包括在水平线B和C 之间延伸的GAX解吸塔部分36，水平线C是从吸收器输入单相强碱液 的优选位置。在GAX解吸塔部分36中安装了传热盘管37。该柱子进一 步包括精馏器部分38，其具有将致冷剂蒸气导入冷凝器的管路33。此 外，尽管所示发生器柱子的所有部分都显示有规整填料11，但对于许 多用途来说，在所有部分中也可以不使用填料。在该例子中示出了单 股供料22。

图3表示发生器柱子40的另一实施例，该发生器柱子包括锅炉部 分42，来自燃烧器15的燃气导过该锅炉。借助管路20将来自锅炉部 分的热量传递到在水平线A和B之间延伸的SHD部分44中。热量借助 传热盘管25分布到SHD部分中。绝热解吸塔部分46在水平线B和C 之间延伸。SHD和绝热解吸塔部分基本上都填充了规整填料11。管路 41将来自绝热解吸塔部分的蒸气导入精馏器部分48，冷凝液通过管道 43回到绝热解吸塔。管道33将致冷剂蒸气导入冷凝器。在所示实施例 中，要注意的是不存在GAX传热部分，柱子绝热部分的直径小于锅炉 和SHD部分的直径。仅在SHD部分44和绝热解吸塔部分46中使用了 规整填料11。在精馏器48中使用局部冷凝器51，精馏器壳体在与发 生器的其余部分相分离的壳体中。图1表示与绝热部分结合的锅炉， 而图2具有与GAX部分结合的精馏器。这些组合仅用于举例说明和解 说目的。还可将锅炉与GAX部分结合，将重沸器与具有绝热部分的柱 子结合。

尽管氨水溶液极不容易产生泡沫或水沫，但氨水吸收组分一般含有 诸如铬酸钠和氢氧化钠之类的防蚀剂，它们会把泡沫传给这些组分。 因为规整填料对存在泡沫或水沫的溢流很敏感，因此有利和优选的是 使用机械或化学手段控制泡沫或水沫，特别是对达到一定水平的液体 或气体装填量而言更是如此。大多数起泡现象发生在柱子的锅炉部分 中。于是优选的是在锅炉和SHD部分之间使用机械消泡器。疏松金属 丝网是一个有用的机械消泡器的例子。另一有用的机械消泡器仅仅是 上述部分之间的孔隙体积，它们可以避免或减少泡沫从锅炉进入SHD。 还可以使用化学药品进行泡沫控制，这些化学药品包括将氢氧化物含 量降低到低于氢氧化钠为0.15％或者250ppm或者更低的标准水平。 可选择的抑制剂包括诸如Advaguard 1000之类的专用物质或者能避 免使用铬酸钠和/或氢氧化钠的抑制剂。减少泡沫或水沫的其它化学手 段包括使用含防蚀剂的锑。

在发生器柱子中使用规整填料的优点包括可以使用较短的柱子，特 别是在小直径柱子情况下更是如此。与具有附加传热管道的复杂蒸馏 板和其它现用的发生器设计相比，该发生器还大大降低了成本。通过 实现所需要的分离，同时回流还比较少，能够获得高效的循环。另外， 小直径发生器使系统更轻、溶液储备更少、包装更小、和启动更快。 本发明的这些以及其它优点对于本领域的普通技术人员来说是显而易 见的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种氨水吸收装置，该装置包括吸收器、发生器、冷凝器和蒸 发器，所述发生器(10)包括：精馏器部分(18)和包括锅炉部分(12) 或重沸器(35)、热溶液解吸塔部分(14)、绝热解吸塔(16)或GAX 解吸塔部分(36)的汽提部分，所述发生器的特征在于，至少一个所 述部分的内部空间基本上填充了规整的填充材料(11)，所述规整的 填充材料在整体上具有基本上均匀的密度，并且在发生器温度下对氨 水溶液是惰性的。

2.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是绝热部分(16)。

3.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是精馏器部分(18)。

4.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是热溶液解吸塔部分(14)。

5.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是锅炉部分(12)。

6.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是精馏器(18)和绝热(16)部分。

7.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是精馏器(18)和热溶液解吸塔(14)部分。

8.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是精馏器(18)和锅炉(12)部分。

9.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的发 生器部分是绝热(16)和热溶液解吸塔(14)部分。

10.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的 发生器部分是绝热(16)和锅炉(12)部分。

11.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的 发生器部分是精馏器(18)、绝热(16)和热溶液解吸塔(14)部分。

12.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的 发生器部分是精馏器(18)、绝热(16)和锅炉(12)部分。

13.根据权利要求1所述的装置，其中填充了所述规整填充材料的 发生器部分是绝热(16)、热溶液解吸塔(14)和锅炉(12)部分。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述发生器部分基本上全都

27.根据权利要求1、25或26所述的装置，其中所述规整填充材 料包括标称直径约在0.002英寸到0.008英寸之间的金属丝。

28.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所述部分中的所述 规整填充材料包括非金属成分。

29.根据权利要求28所述的装置，其中一个或多个所述部分中的 所述规整填充材料包括聚丙烯。

30.根据权利要求1、25、26或27所述的装置，其中在所述发生 器的所述一个或多个部分中，所述规整填充材料的密度约为25到40磅 /立方英尺。

31.根据权利要求1、25、26、28或29所述的装置，其中含规整 填充材料的所述发生器部分的内部横截面积约小于发生器氨致冷剂设 计能力的0.2平方英寸/磅/小时。

32.根据权利要求31所述的装置，其中一个或多个所述部分的内 部横截面积为氨致冷剂的0.15平方英寸/磅/小时或者更低。

33.根据权利要求31所述的装置，其中一个或多个所述部分的内 部横截面积为氨致冷剂的0.05平方英寸/磅/小时或者更低。

34.根据权利要求1所述的装置，其包括所述发生器的至少一个所 述部分中的一个或多个装置，用以将液体均匀分配到所述规整填料材 料上。

35.根据权利要求1所述的装置，所述发生器包括在所述汽提部分 上端或其附近向其中供应低温液体的入口(22)，以及在所述热溶液 解吸塔部分(14)上端或其附近向其中供应高温液体的入口(24)。

36.根据权利要求1或35所述的装置，其中所述精馏器部分包括 与所述汽提部分分离的壳体(48)。

37.根据权利要求1所述的装置，在所述发生器中包括机械和/或 化学形式的泡沫控制，用以控制所述规整填充材料中的泡沫和/或水 沫。

38.根据权利要求37所述的装置，其中所述机械泡沫控制包括在 热溶液解吸塔部分的最下端与锅炉或精馏器部分最上端之间的竖直间 距。