CN102125804A - 一种利用非金属导热中空纤维的压汽蒸馏装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用非金属导热中空纤维的压汽蒸馏装置及方法，该装置主要包括非金属中空纤维加热/冷凝及蒸发系统、除雾设备、蒸汽增压设备(如：蒸汽压缩机、蒸汽喷射器等)、非金属中空纤维排出液(冷凝水及浓缩液)热回收/补充料液预热系统、热量补充系统、泵及循环系统、监测控制系统以及相关附属设备。本发明的非金属导热中空纤维压汽蒸馏装置和方法能够有效避免常规压汽蒸馏易腐蚀、结垢的问题，同时能够显著降低设备成本、减小体积和较大程度地提高工作效率。

Description

一种利用非金属导热中空纤维的压汽蒸馏装置及方法

技术领域

本发明涉及一种蒸发分离装置，具体涉及压汽蒸馏装置及方法。

背景技术

压汽蒸馏(Vapor Compression Distillation，VCD)技术是根据蒸汽被压缩时温度升高这一特性将蒸发器中沸腾溶液蒸发出来的二次蒸汽通过压缩机的绝热压缩或利用其它方式(蒸汽喷射器等)将二次蒸汽加压升温作为加热蒸汽再送回蒸发器的加热室加热物料液，而蒸汽本身则冷凝为液体水，蒸汽的潜热得到了反复利用，其显著优点是热功效率高。压汽蒸馏设备简单、紧凑、造水比高、节能，应用于海水淡化、化工蒸发、废水处理和蒸馏水生产等。但是由于其设备成本太高、易结垢、耐腐蚀性差等缺点妨碍了压汽蒸馏技术的广泛使用。为克服这些缺点，本发明研制出了一种利用非金属导热中空纤维的VCD装置及方法，将能够推动VCD技术的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够显著提高VCD效率、设备耐腐蚀性和降低其制造成本的技术与方法。

通常情况下，VCD装置主要包括加热/冷凝及蒸发系统、除雾设备、蒸汽增压设备(如：蒸汽压缩机、蒸汽喷射器等)、排出液(冷凝水及浓缩液)热回收/补充料液预热系统、热量补充系统、泵及循环系统、监测控制系统、真空系统以及相关附属设备。

本发明的技术方案主要包括：

1、VCD加热/冷凝及蒸发系统中的加热/冷凝器为非金属中空纤维管式加热器/冷凝器。

2、VCD冷凝水及浓缩液热回收与补充料液预热系统和热量补充系统中的换热器为非金属中空纤维管式换热器。

以上所述的非金属中空纤维管式加热器/冷凝器是指以非金属导热中空纤维为主体而构成的管式加热器/冷凝器。

以上所述的非金属中空纤维管式换热器是指以非金属导热中空纤维为主体而构成的管式换热器。

所述的非金属导热中空纤维的材质包括具有备良好导热性、耐温性、耐腐蚀性和良好机械性能的高分子材质、无机非金属材料以及其复合材料、以及其与金属所形成的复合材料。

所述的非金属导热中空纤维的的内径为50～5000微米，厚度为0.01～3000微米。

所述的非金属导热中空纤维VCD能够根据需要设计成多种不同形式，能够单独使用，也能够同其它装置与技术集成联用，比如各种分离技术与设备、反应过程等，如：多效蒸发(馏)、多级闪蒸、精馏设备、结晶装置、化学分离设备、树脂分离装置、萃取分离装置、膜分离设备、化学以及生物反应工艺过程等。

一种利用上述非金属导热中空纤维VCD的方法，其特征在于包括以下过程：

如果被处理的液体含有大量悬浮物、凝胶、固体颗粒等不溶物，在进入非金属导热中空纤维VCD装置前需要分离移除。

被加热至预设温度的料液在蒸发系统内蒸发，经除雾或未经除雾的蒸汽被增压设备增压增温后进入非金属中空纤维管式加热器/冷凝器内加热料液至较高温度，同时蒸汽冷凝为蒸馏水；温度提升后的料液在蒸发器内部分蒸发，与此同时料液也降至较低温度，然后再被具有较高温度的水蒸气通过非金属中空纤维管式加热器/冷凝器加热至较高温度，继续进行料液的蒸发、蒸汽的增压增温、料液加热和蒸汽冷凝的过程，如此过程连续重复进行，料液被不断浓编，冷凝水不断产生。

在料液的VCD过程中能够同时获得蒸馏水和浓缩液甚至部分固体结晶物。

从VCD主体装置中排出的蒸馏水和浓缩液都具有较高的温度，为回收这部分热量利用非金属中空纤维管式换热器同补充料液进行热交换，料液被加热至较高的温度后进入VCD系统进行蒸发。

VCD系统所需的补充热量可通过附设的加热器或引入蒸汽而得到补充。

本发明的非金属导热中空纤维VCD装置和方法能够有效克服常规VCD易腐蚀、结垢的问题，同时能够显著降低设备成本、减小体积 和较大程度地提高工作效率。

具体实施方式

本实施方式中列举了5种代表性的非金属导热中空纤维VCD装置，具体见附图1至5，而实际应用中不仅限于此5种形式。

附图说明：1、中空纤维加热器；2、蒸发室；3、蒸汽压缩机；4、中空纤维换热器；5、蒸馏水；6、原料液；7、浓排液；8、真空装置；9、U型管；10、加热器；11、喷淋器；12、喷射器；13、高压蒸汽；14、除雾器。

图1是一种内置式非金属导热中空纤维换热器VCD工艺装置示图。

图2是一种外置式非金属导热中空纤维换热器VCD工艺装置示图。

图3是一种非金属导热中空纤维喷淋式VCD工艺装置示图。

图4是一种非金属导热中空纤维多效VCD工艺装置示图。

图5是一种非金属导热中空纤维热力压缩多效蒸发系统工艺装置示图。

实施例1

一种非金属导热中空纤维VCD装置如图1所示，经过加热的原料液(6)进入蒸发室(2)蒸发，经过除雾器(14)后的水蒸气经蒸汽压缩机(3)压缩后进入置于蒸发室(2)内的中空纤维加热器(1)加热料液至较高的温度，而与此同时蒸汽冷凝为蒸馏水(5)；温度提升后的料液在蒸发室(2)内部分蒸发，所剩料液再次被进入中空纤维加热器(1)内的压缩蒸汽加热至较高温度，继续蒸发，如此循环往复直至达到预设的排放浓度。

具有较高温度的蒸馏水(5)和浓排液(7)通过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排出VCD系统，被预热后的补充料液(6)进入蒸发室(2)进行循环蒸发。

实施例2

一种非金属导热中空纤维VCD装置如图2所示，经过加热的原料液(6)进入蒸发室(2)蒸发，经过除雾器(14)后的水蒸气经蒸汽压缩机(3)压缩后进入中空纤维加热器(1)加热料液至较高的温度，而与此同时蒸汽冷凝为蒸馏水(5)；温度提升后的料液循环进入蒸发室(2)内进行蒸发，所剩料液再次进入中空纤维加热器(1)被加热至较高温度，在蒸发室(2)继续蒸发，如此循环往复直至达到预设的排放浓度。

具有较高温度的蒸馏水(5)和浓排液(7)通过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排出VCD系统，被预热后的补充料液(6)通过中空纤维加热器(1)进入蒸发室(2)进行循环蒸发。

实施例3

一种非金属导热中空纤维VCD装置如图3所示，经过加热的原料液(6)进入蒸发室(2)喷淋(11)蒸发，水蒸气经除雾器(14)后被蒸汽压缩机(3)压缩进入置于蒸发室(2)内的串联式中空纤维加热器(1)连续加热喷淋在该加热器上的料液至较高的温度，而与此同时蒸汽冷凝为蒸馏水(5)，蒸馏水(5)直接或经过U型管(9)流入串联式中空纤维加热器(1)的底部而排出蒸发器；温度提升后的料液在蒸发室(2)内连续蒸发，所剩浓液(7)排放出蒸发器。

为使压缩蒸汽能够按一定方向通过串联的中空纤维加热器(1)，串联中空纤维加热器(1)的末端出口与真空装置(8)连接；为使料液在蒸发室(2)内充分蒸发，通过加热器(10)进行热量补充。

具有较高温度的蒸馏水(5)和浓排液(7)通过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排出VCD系统，被预热后的补充料液(6)进入蒸发室(2)进行喷淋蒸发。

实施例4

一种非金属导热中空纤维VCD装置如图4所示，具有多级蒸发室(2)，经过加热的原料液(6)进入第一级蒸发室(2)进行蒸发，所得水蒸气进入第二级蒸发室内的中空纤维加热器(1)释放潜热并加热第二级蒸发室(2)内的料液至较高的温度，同时水蒸气在中空纤维加热器(1)内冷凝为蒸馏水(5)，在第二级蒸发室(2)内料液产生的水蒸气进入第三级蒸发室(2)的中空纤维加热器(1)中加热料液并冷凝为蒸馏水，料液蒸发产生的水蒸气依次进入其下一级进行加热、冷凝，如此加热、冷凝、蒸发过程重复进行至最后一级。在最后一级蒸发室(2)内产生的水蒸气被蒸汽压缩机(3)压缩后进入蒸发室第一级的中空纤维加热器(1)继续加热料液，重复上述冷凝、加热、蒸发的过程。

在上述蒸发过程不断进行的同时，经过第一级蒸发室浓缩后的料液进入第二级继续蒸发浓缩，然后再进入下一级蒸发浓缩，直至最后一级，经过最后一级蒸发室浓缩的料液(7)排出蒸发室(2)经过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排出VCD系统；而在每一级蒸发室(2)中空纤维加热器(1)内产生的具有较高温度的冷凝水也通过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排 出VCD系统；经过预热后的补充料液(6)进入第一级蒸发室(2)进行蒸发。

实施例5

一种非金属导热中空纤维VCD装置如图5所示，具有多级蒸发室(2)，经过加热的原料液(6)进入第一级蒸发室(2)进行喷淋(11)蒸发，经除雾(14)的水蒸气被蒸汽喷射器(12)增温增压后进入最后一级蒸发室(2)的串联式中空纤维加热器(1)连续加热喷淋在其上的料液至较高的温度，而与此同时蒸汽冷凝为蒸馏水(5)；最后一级蒸发室(2)内的料液蒸发所产生的蒸汽进入与其相邻的下一级蒸发室(2)(若设备为两级，则进入第一级蒸发室)的串联式中空纤维加热器(1)中加热料液并冷凝为蒸馏水，同时料液蒸发所产生的水蒸气依次进入其下一级蒸发室(2)进行加热、冷凝，如此加热、冷凝、蒸发过程重复进行至第一级蒸发室(2)；如前所述，在第一级蒸发室内产生的水蒸气被增温增压进入最后一级蒸发室(2)重复上述加热、冷凝、蒸发过程。

同时，经过第一级蒸发室(2)蒸发后的料液被引入第二级蒸发室(2)进行二次蒸发，然后进入第三极蒸发室(2)进行三次蒸发，如此过程直至最后一级蒸发室(2)的最后一次蒸发，经过最终蒸发浓缩后的料液(7)从最后一级蒸发室(2)排出；而在各级蒸发室(2)中的中空纤维加热器(1)内产生的蒸馏水直接或经过U型管(9)流入中空纤维加热器的底部而排出蒸发器；具有较高温度的蒸馏水(5)和浓排液(7)通过中空纤维换热器(4)与补充料液(6)进行热交换后排出VCD系统，被预热后的补充料液(6)进入第一级蒸发室(2)进行喷淋蒸发。

Claims (7)

1.一种利用非金属导热中空纤维的压汽蒸馏装置，是由加热/冷凝及蒸发系统、除雾设备、蒸汽增压设备、冷凝水及浓缩液热回收与补充料液预热系统、热量补充系统、泵及循环系统、监测控制系统、真空系统以及相关附属设备组成的，其特征在于所述加热/冷凝及蒸发系统中的加热/冷凝器为非金属中空纤维管式加热器/冷凝器，所述冷凝水及浓缩液热回收与补充料液预热系统和热量补充系统中的换热器为非金属中空纤维管式换热器。

2.按照权利要求1的压汽蒸馏装置，其特征在于所述的非金属中空纤维管式加热器/冷凝器是指以非金属导热中空纤维为主体而构成的管式加热器/冷凝器。

3.按照权利要求1的压汽蒸馏装置，其特征在于所述的非金属中空纤维管式换热器是指以非金属导热中空纤维为主体而构成的管式换热器。

4.按照权利要求2和权利要求3的非金属导热中空纤维，其特征在于所述的非金属导热中空纤维的材质是指具有备良好物理、机械性能和化学稳定性能的高分子材质、无机非金属材料以及其复合材料、以及它们与金属形成的复合材料。

5.按照权利要求2和权利要求3的非金属导热中空纤维，其特征在于所述的非金属导热中空纤维的的内径为50～5000微米，厚度为0.01～3000微米。

6.按照权利要求1的压汽蒸馏装置，其特征在于所述的压汽蒸馏装置不仅能够设计成多种形式而单独使用，而且能够同其它技术与装置耦合联用。

7.一种利用如权利要求1所述压汽蒸馏装置的方法，其特征在于包括以下过程：

对于料液中含有的大量悬浮物、凝胶、固体颗粒等不溶物，在进入压汽蒸馏系统前需要分离移除；

被加热至预设温度的料液在蒸发系统内蒸发，蒸汽被增压设备增压增温后进入非金属中空纤维管式加热器/冷凝器内加热料液至较高温度，同时蒸汽冷凝为蒸馏水；温度提升后的料液在蒸发器内部分蒸发，与此同时料液也降至较低温度，然后再被经过增压设备增压增温后具有较高温度的水蒸气通过非金属中空纤维管式加热器/冷凝器加热至较高温度，继续进行料液的蒸发、蒸汽的增压增温、料液加热和蒸汽冷凝的过程，如此过程连续重复进行，料液被不断浓缩，冷凝水不断产生。

在料液的压汽蒸馏过程中能够同时获得蒸馏水和浓缩液甚至部分固体结晶物；

从压汽蒸馏主体装置中排出的蒸馏水和浓缩液都具有较高的温度，利用非金属中空纤维管式换热器同补充料液进行热交换，料液被加热至较高的温度后进入压汽蒸馏系统进行蒸发；

压汽蒸馏系统所需的补充热量可通过附设的加热器或引入蒸汽而得到补充；

本发明的非金属导热中空纤维压汽蒸馏不仅能够设计成不同的形式使用，而且能够同其它技术与装置耦合联用，包括各种分离技术与设备、反应过程等，比如：多效蒸发(馏)、多级闪蒸、精馏设备、结晶装置、化学分离设备、物理沉降过程、树脂分离装置、萃取分离装置、膜分离设备、化学以及生物反应工艺过程等。

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