CN113521784B - 一种微精馏热集成*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微***技术领域，公开了一种微精馏热集成***，包括再热段，所述再热段的后端固定连接有分离方腔，且再热段的前端固定连接有加热段，所述再热段的外侧的下端靠近加热段的后端设置有轻组分出口，所述再热段与分离方腔之间共同固定连接有回流段，所述回流段的内侧设置有扩缩结构，所述分离方腔的后端靠近回流段的下侧设置有重组分出口。本发明的再热段采用微通道结构，并在再热段后端加入分离方腔使加热段出来的气液两相流体能够分开，同时在加热段后增加了再热段，将分离方腔中出来的气相流体的热量通过回流管再次加热微精馏热集成***通道中的流体，实现微精馏***中能量的有效利用，使***整体的能量利用率提高。

Description

一种微精馏热集成***
技术领域
本发明涉及微***技术领域，具体是一种微精馏热集成***。
背景技术
随着计算机技术的发展和精细化程度的不断提高，传统化工***和制造业技术发生了深刻的变化，微***是随着制造业不断发展而逐渐提出来的，微***在化工领域的应用越来越广泛，微精馏***是微***的一个重要分支，由于其体积小、反应时间短、操作简单，常常被用于就地检测等方面。
与传统精馏***相比，微精馏***的内径一般在10～1000μm之间，其通道的表面积与其自身的体积之比可以达到104～5×104m2/m3，而在常规情况下，工业设备与实验室设备的表面积与其自身的体积之间的比值大约为100～1000m2/m3。表面积与体积比值的增加会显著提高微精馏***的传热速率，其传热效率值一般可以达到10KW·m-2·K,由于微精馏***中的通道具有高的表面积与体积之比，这为微精馏***吸收热量提供了很大的优势，但是同时，微通道向外辐射散失的能量同样是需要关注的问题。
现有的精馏***热集成装置采用的是塔顶冷凝器和塔底再沸器之间的热集成，冷凝器、再沸器和***外热源之间的热集成，或者是两个***之间的塔顶冷凝器和塔底再沸器之间的热集成，以及增加了压缩机的***之间的热集成，在专利CN101874932A中公开了一种热集成节能精馏装置，这种方法在实现精馏段和提馏段内部热集成的同时，将精馏段塔顶饱和蒸汽一部分用于预热进料，另一部分用于加热主再沸器和气体过热器，使整个精馏过程的热负荷的消耗达到最小。
在微***强化传热方面，现有研究和应用中主要是通过对微通道的操作设计和结构设计来强化微通道的传热，在专利CN103985681A中公开了一种强化传热微通道，这种方法在微通道的内部任意截面上设置纤毛肋来达到强化换热；在专利CN107843031B中公开了一种微通道换热器，这种换热器通过改变微通道的结构和微通道的排列方式，使换热器上积聚的冷凝水快速排出。
但是现有的研究和应用中，关于热集成只集中于大尺寸精馏***中，对于微精馏***的热集成的研究和应用几乎没有；现有的精馏热集成***主要是运用在常规尺度的化工过程中，而微精馏***能够应用在研究、生活、化工的各个方面，为精细化研究和应用提供很多的便利，在微精馏***中，采用常规尺寸下的热集成方式已经不再适应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微精馏热集成***，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微精馏热集成***，包括再热段，所述再热段的后端固定连接有分离方腔，且再热段的前端固定连接有加热段，所述加热段的前端开设有入口，所述再热段的外侧的下端靠近加热段的后端设置有轻组分出口，所述再热段与分离方腔之间共同固定连接有回流段，所述回流段的内侧设置有扩缩结构，所述分离方腔的后端靠近回流段的下侧设置有重组分出口。
作为本发明再进一步的方案：所述加热段的长度为1000微米，且在加热段的壁面施加有热源，用于加热流入微精馏热集成***中的流体，壁面温度设置为500K；所述再热段采用微通道结构,且再热段的长度为990微米，用于将在分离方腔中得到的气相携带的热量送回微通道实现流体的再加热，使微通道产生更大比例的气液两相流。
作为本发明再进一步的方案：所述分离方腔的长度为500微米，度为300微米，度为500微米，用于将流经加热段和再热段的混合的气液两相流体分离开，使气相部分向上分离，液相部分向下分离。
作为本发明再进一步的方案：所述回流段用于将在分离方腔中分离得到的气相部分输运回再热段，使气相携带的热量再次加热再热段中的流体，所述扩缩结构用于将流过回流段的热蒸汽压缩，进一步提高热蒸汽的热容量，形成高温差，实现热量传递。
作为本发明再进一步的方案：所述入口用于将需要精馏的介质流入微精馏***中；所述轻组分出口用于分离出气相部分；所述重组分出口用于分离出液相部分。
作为本发明再进一步的方案：所述分离方腔中的气相轻组分，经过扩缩结构后，被压缩，其温度Ts上升，在再热段中，Ts大于在加热段内的气液两相流的流体温度T∞，在再热段中，微精馏热集成***中的核心换热计算公式如下：
Figure BDA0003148738100000021
式中，q—对流热流密度，(W/m2)；
h—表示对流换热大小的比例系数，(W·m-2·K-1)；
Ts，T∞——分别为轻组分温度和气液两相流的流体温度，℃；
那么，在再热段(2)范围内，内层的气液两相流获得的能量为：
φ1＝Aq (2)
式中，A—换热表面积，m2。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的再热段采用微通道结构，并在再热段后端加入分离方腔使加热段出来的气液两相流体能够分开，同时在加热段后增加了再热段，将分离方腔中出来的气相流体的热量通过回流管再次加热微精馏热集成***通道中的流体，实现微精馏***中能量的有效利用，使***整体的能量利用率提高。
附图说明
图1为一种微精馏热集成***的结构示意图；
图2为一种微精馏热集成***中再热段的结构示意图；
图3为一种微精馏热集成***中分离方腔出口处的密度分布曲线图；
图4为一种微精馏热集成***中再热段的温度分布曲图。
图中：1、加热段；2、再热段；3、分离方腔；4、回流段；5、扩缩结构；6、入口；7、轻组分出口；8、重组分出口。
具体实施方式
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种微精馏热集成***，包括再热段2，再热段2的后端固定连接有分离方腔3，再热段2的前端固定连接有加热段1，加热段1的前端开设有入口6，再热段2的外侧的下端靠近加热段1的后端设置有轻组分出口7，再热段2与分离方腔3之间共同固定连接有回流段4，回流段4的内侧设置有扩缩结构5，分离方腔3的后端靠近回流段4的下侧设置有重组分出口8。
优选的，加热段1的长度为1000微米，在加热段1的壁面施加有热源，用于加热流入微精馏热集成***中的流体，壁面温度设置为500K；再热段2采用微通道结构,再热段2的长度为990微米，用于将在分离方腔3中得到的气相携带的热量送回微通道实现流体的再加热，使微通道产生更大比例的气液两相流。
优选的，分离方腔3的长度为500微米，度为300微米，度为500微米，用于将流经加热段1和再热段2的混合的气液两相流体分离开，使气相部分向上分离，液相部分向下分离。
优选的，回流段4用于将在分离方腔3中分离得到的气相部分输运回再热段2，使气相携带的热量再次加热再热段2中的流体，扩缩结构5用于将流过回流段4的热蒸汽压缩，进一步提高热蒸汽的热容量，形成高温差，实现热量传递。
优选的，入口6用于将需要精馏的介质流入微精馏***中；轻组分出口7用于分离出气相部分；重组分出口8用于分离出液相部分。
优选的，再热段2由内层和外层两部分组成，加热段1与再热段2的内层部分相连通，从而可以使得加热段1中的流体流入再热段2的内层部分，回流段4与再热段2的外层部分相连通，从而可以使得回流段4中的流体流入再热段2的外层部分,再热段2的外层部分的长度短于内层部分的长度，从而可以使得使再热段2的外层部分中的流体不受分离方腔3中流体的干扰。
优选的，分离方腔3中的气相轻组分，经过扩缩结构5后，被压缩，其温度Ts上升，在再热段2中，Ts大于在加热段1内的气液两相流的流体温度T∞，在再热段2中，微精馏热集成***中的核心换热计算公式如下：
Figure BDA0003148738100000041
式中，q—对流热流密度，(W/m2)；
h—表示对流换热大小的比例系数，(W·m-2·K-1)；
Ts，T∞——分别为轻组分温度和气液两相流的流体温度，℃；
那么，在再热段(2)范围内，内层的气液两相流获得的能量为：
φ1＝Aq (2)
式中，A—换热表面积，m2。
工作原理：以液态水为介质流经微精馏***，流体在加热段1中加热成为气液混合流体，然后流经再热段2被再次加热，气液混合比例再次提升，由于在微通道中气体和液体处于混合状态，所以在再热段2的后端增加了方腔结构3，用于气体和液体的分离，分离之后的气相部分从方腔的上端流出，液相从重组分出口8流出，气体流入回流管4中，在扩缩结构5处被压缩，被压缩的气体流入再热段2的外层部分中，气体携带的热量被用于再次加热再热段2的内层部分中的流体。
为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述试验进行阐述：
以加热段温度为500K为例，预设扩缩结构5的内径为R1，回流管4的内径为R2，并分别设置三种R1/R2的比例，R1/R2的比例分别设置为1、2和3。
在三种不同比例下，绘制气液分离过程中，方腔出口处的密度分布图，如图2所示；从图2可以得出：增加了分离方腔的微通道能够很好地将流经微通道的气液两相流体分离开。
在三种不同比例下，以再热段2的传热温差为检验对象，绘制再热段2温度分布曲线，如图3所示，在传热效果上，从图3可以得出：以再热段2的传热温差ΔT(以TR2/R1＝1为基准)为检验对象，ΔTR2/R1＝3>ΔTR2/R1＝2，换热效果得到一定程度的提升。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微精馏热集成***，包括再热段(2)，其特征在于，所述再热段(2)的后端固定连接有分离方腔(3)，且再热段(2)的前端固定连接有加热段(1)，所述加热段(1)的前端开设有入口(6)，所述再热段(2)的外侧的下端靠近加热段(1)的后端设置有轻组分出口(7)，所述再热段(2)与分离方腔(3)之间共同固定连接有回流段(4)，所述回流段(4)的内侧设置有扩缩结构(5)，所述分离方腔(3)的后端靠近回流段(4)的下侧设置有重组分出口(8)，所述再热段(2)由内层和外层两部分组成，所述加热段(1)与再热段(2)的内层部分相连通，所述回流段(4)与再热段(2)的外层部分相连通，所述再热段(2)的外层部分的长度短于内层部分的长度。
2.根据权利要求1所述的一种微精馏热集成***，其特征在于，所述加热段(1)的长度为1000微米，且在加热段(1)的壁面施加有热源，用于加热流入微精馏热集成***中的流体，壁面温度设置为500K；所述再热段(2)采用微通道结构,且再热段(2)的长度为990微米，用于将在分离方腔(3)中得到的气相携带的热量送回微通道实现流体的再加热，使微通道产生更大比例的气液两相流。
3.根据权利要求1所述的一种微精馏热集成***，其特征在于，所述分离方腔(3)的长度为500微米，宽度为300微米，高度为500微米，用于将流经加热段(1)和再热段(2)的混合的气液两相流体分离开，使气相部分向上分离，液相部分向下分离。
4.根据权利要求1所述的一种微精馏热集成***，其特征在于，所述回流段(4)用于将在分离方腔(3)中分离得到的气相部分输运回再热段(2)，使气相携带的热量再次加热再热段(2)中的流体，所述扩缩结构(5)用于将流过回流段(4)的热蒸汽压缩，进一步提高热蒸汽的热容量，形成高温差，实现热量传递。
5.根据权利要求1所述的一种微精馏热集成***，其特征在于，所述入口(6)用于将需要精馏的介质流入微精馏***中；所述轻组分出口(7)用于分离出气相部分；所述重组分出口(8)用于分离出液相部分。
6.根据权利要求1所述的一种微精馏热集成***，其特征在于，所述分离方腔(3)中的气相轻组分，经过扩缩结构(5)后，被压缩，其温度Ts上升，在再热段(2)中，Ts大于在加热段(1)内的气液两相流的流体温度T∞，在再热段(2)中，微精馏热集成***中的核心换热采用公式如下：
q＝h(Ts-T∞) (1)
式中，q—对流热流密度，(W/m2)；
h—表示对流换热大小的比例系数，(W·m-2·K-1)；
Ts，T∞——分别为轻组分温度和气液两相流的流体温度，℃；
那么，在再热段(2)范围内，内层的气液两相流体获得的能量为：
φ1＝Aq (2)
式中，A—换热表面积，m2。
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