CN103007553A - 一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统及方法。所述系统包括蒸发单元和结晶单元，所述蒸发单元和结晶单元均设有水蒸气压缩机。原料液进入蒸发单元中蒸发后进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽进入水蒸气压缩机被压缩，进入蒸发单元作为热源加热料液；从蒸发器中蒸发浓缩后的料液进入结晶单元结晶；结晶产生的二次蒸汽进入水蒸气压缩机被压缩后进入结晶单元，作为热源加热结晶单元中的物料，使物料结晶；结晶物料排出。本发明设备紧凑，占地面积小、所需空间小，可省去冷却系统。蒸发和结晶过程的二次蒸汽都得到了充分的利用，回收了潜热，提高了热效率。

Description

一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统及方法

技术领域

本发明涉及蒸发结晶技术领域，尤其涉及一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统及方法。

背景技术

蒸发蒸馏广泛应用于污/废水处理、化工、制药、食品、海水淡化、制盐等涉及蒸发工艺的诸多行业。蒸发蒸馏是个高能耗的过程，蒸发工艺是这些行业中的耗能大户。这些行业的主要生产消费在于能源消耗费用。

目前，国内现有的涉及蒸发工序的各行业普遍采用多效蒸发技术用于蒸发浓缩，工作过程需要保持提供大量生蒸汽，并需配置燃煤锅炉及冷却系统。系统整体结构复杂，体积庞大；能耗高，燃煤造成环境污染；并且随着煤价攀升，运行成本急剧上升。

机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompression，MVR）热泵技术，是目前国内外蒸发领域最先进最节能的技术。其原理是利用蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的焓，被提高热能的二次蒸汽回到蒸发室进行加热，以达到循环利用二次蒸汽的潜能，从而可以不需要外部生蒸汽，依靠蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。可以说，MVR蒸发器是一个自产自销的过程。在实际操作中，通过PLC、单片机、组态等形式来控制系统温度、压力马达转速，保持系统蒸发平衡。

CN 101874938A提供了一种带机械蒸汽再压缩的强制循环连续结晶系统，包括结晶器，还包括压缩机、加热器，所述结晶器底部连接循环管，所述循环管的另一端连接循环泵的进料口，所述循环泵的出料口连接出料管，出料管的另一端连接出料泵的进料口，出料泵的出料口连接成品罐，结晶器顶部通过管道与压缩机进口连接，下封头与循环管相连，下封头一侧连接进料管，进料管上设有球阀和进料泵，进料管另一端与原料罐相连；上封头通过管道与结晶器相连，加热器外设置壳程，所述壳程通过管道与压缩机出口连通，所述加热器连接抽空管道，所述壳程连接冷凝水排出管。

CN 201815126U提供了一种机械式蒸汽再压缩蒸发装置，压缩机的排汽端与蒸发器的壳层中部连通，压缩机的进汽端与分离器汽体输出端连通，分离器的液体输出端与蒸发器的下部连通，分离器的输入端与蒸发器的蒸发室连通。

CN 202315333U涉及一种环保行业中机械式蒸汽再压缩蒸发浓缩设备，包括蒸汽压缩机以及连接在该压缩机两端口的加热器和水污分离器；所述加热器和水污分离器又同时相互连接；所述蒸汽压缩机、加热器、水污分离器均与PLC控制柜连接并均受之控制。所述加热器和水污分离器另外还通过泵相互连接，所述泵与PLC控制柜连接并均受之控制。

现有的机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统普遍只有单级蒸汽压缩机用于蒸发器的供热，而实际上在结晶器部分，物料依然需要大量的热量供应。这就导致现有的机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统的结晶效果不好，如出现结晶粒度细小等问题。也有部分厂家会增加蒸汽管道以补充结晶部分供热，但是大大增加了MVR系统的复杂程度，并依赖蒸汽锅炉，使MVR系统没有了其原有的显著优势—摆脱对蒸汽锅炉的依赖。本发明保留了MVR蒸汽再压缩系统的原有优势—无需锅炉、无需生蒸汽，同时能给结晶器供热，以保证物料的结晶质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统，所述系统包括蒸发单元和结晶单元，所述蒸发单元和结晶单元均设有水蒸汽压缩机。

蒸发单元的水蒸气压缩机用于对蒸发器产生的二次蒸汽升温加压；结晶单元的水蒸气压缩机用于对结晶过程产生的二次蒸汽升温加压。二次蒸汽经水蒸气压缩机的升温加压后，提高二次蒸汽的热焓，被提高热焓的二次蒸汽返回到蒸发器或结晶器对料液进行加热，以循环利用二次蒸汽的潜能，从而不需要外部生蒸汽，依靠系统自循环来实现蒸发结晶的目的。

在本发明中，本领域技术人员可以从现有技术中获知水蒸气压缩机与蒸发单元、结晶单元的连接方式等具体设计，能够实现其上述功能即可，本发明并无特殊限制。

以下为本发明的优选设计。

本发明所述系统包括蒸发器、分离器、一级水蒸气压缩机、二级水蒸气压缩机以及结晶器；所述蒸发器连接分离器，分离器连接一级水蒸气压缩机，一级水蒸气压缩机再与蒸发器连接；所述结晶器入口连接蒸发器出口，其顶部连接二级水蒸气压缩机，二级水蒸气压缩机再与结晶器连接。在本发明中，蒸发器、分离器及一级水蒸气压缩机属于蒸发单元，结晶器与二级水蒸气压缩机属于结晶单元。

本发明所述机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统中，所述的蒸发器用于将原料液（如：过硫酸钠、硫酸镁、其他化工料液、或其他需要进行蒸发结晶的料液）进行蒸发，产生大量二次蒸汽。分离器的作用是将蒸发器产生的大量二次蒸汽进行汽液分离。

所述分离器底部接入蒸发器循环加热蒸发；蒸发器底部的进料管经进料节流阀进入蒸发器；优选地，所述进料管与分离器底部汇合后的管道上装有三通，其支管连接出料节流阀后与结晶器入口连接。

出料节流阀与进料节流阀联动控制，进料节流阀主要用于控制进料管的进料，以补充系统内的循环料液量；进料节流阀打开时，出料节流阀一定是关闭的。进料节流阀关闭，并且分离器底部出流的料液达到其饱和浓度时，则进料节流阀打开，浓缩的料液进入结晶器结晶。

本发明所述分离器底部接入蒸发器进料管。分离器对蒸发器产生的二次蒸汽进行汽液分离，蒸汽部分进入一级水蒸气压缩机进行升温加压提高热焓后，返回蒸发器中作为热源，加热料液；液体部分进入蒸发器进料管，与原料液汇合后，一同进入蒸发器中循环参与蒸发。

本发明在进料管上安装三通及出料节流阀的目的是向结晶器中进料。当蒸发器中的料液达到其饱和浓度时，可以打开出料节流阀，使料液进入结晶器中进行结晶。本发明将蒸发器的出入口设计为一个，使蒸发器的设计更简单、合理。

本发明所述一级水蒸气压缩机通过旁通阀控制部分蒸汽进入二级水蒸气压缩机进行二级压缩。设置旁通阀的目的是使分离出的一部分二次蒸汽用于结晶过程的蒸汽补充，避免结晶过程产生的蒸汽无法满足结晶需求。旁通阀可调节用于补充结晶过程蒸汽量的大小。

蒸发器和结晶器底部均连接冷凝水箱。蒸发器和结晶器中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水后可以进入冷凝水箱贮存，在海水淡化过程中得到淡水产品，在废水处理过程中获得合格的废水。

本发明所述一级水蒸汽压缩机为罗茨压缩机或鼓风机，压比较小。所述二级水蒸汽压缩机为螺杆压缩机或罗茨压缩机，压比较大。由于结晶器内的传热温差大于蒸发器内的传热温差，二级水蒸气压缩机的压比高于一级水蒸气压缩机的压比。本发明水蒸气压缩机也可用活塞式压缩机、滑片压缩机或螺杆压缩机。对于沸点升高值较大的原液，压缩机可采用大压比类型的压缩机。

本发明可采用工控机和PLC构成MVR系列的实时监控中心。通过软件编程，实时采集各种传感器的状态信号，从而自动控制马达的转速、阀门关闭和调节、液体的流速和流量、温度和压力的控制和调节等，使系统工作达到动态平衡的状态。同时还具有自动报警、自动记录参数和提供报表的各种功能。

本发明的目的之二在于提供一种利用如上所述的系统进行机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶的方法，原料液进入蒸发器中蒸发后进入分离器进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽进入一级水蒸气压缩机被压缩，进入蒸发器作为热源加热料液；当料液达到其饱和浓度时，打开出料节流阀进入结晶器结晶；结晶产生的二次蒸汽进入二级水蒸气压缩机被压缩后进入结晶器，作为热源加热结晶器中的物料，使结晶器中的物料结晶；结晶物料由结晶器出口排出。

蒸发器和结晶器中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱。冷凝水箱中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。在实际设计中，本领域技术人员可以从现有技术中获知回收冷凝水显热的设计方式，如将冷凝水和原料液通过列管式或板式换热器进行换热等。

从分离器分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀进入二级水蒸气压缩机，与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，升温加压提高自身品位后，进入结晶器，作为热源加热结晶器中的物料，使结晶器中的物料结晶。由于结晶过程产生的蒸汽很多情况下无法满足结晶过程的需求，因此，经蒸发器产生的部分二次蒸汽与结晶过程产生的蒸汽汇合后，一同经二级水蒸气压缩机压缩循环至结晶器，以满足结晶过程的需求。

分离器下部的液体重新进入蒸发器继续蒸发。将分离器分离出的液体部分重新循环进入蒸发器参与蒸发过程。

本发明提供的一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶方法，具体如下：

原料液进入蒸发器中蒸发后进入分离器进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽大部分进入一级水蒸气压缩机被压缩，升温加压后提高热焓，进入蒸发器作为热源加热料液，分离器下部的液体重新进入蒸发器继续蒸发；当料液达到其饱和浓度时，打开出料节流阀进入结晶器结晶；

从分离器分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，进入二级水蒸气压缩机被压缩后进入结晶器，作为热源加热结晶器中的物料，使结晶器中的物料结晶；结晶物料由结晶器出口排出；

蒸发器和结晶器中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱；冷凝水箱中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种不同于现有蒸发设备的机械蒸汽再压缩连续结晶系统及方法，具有以下特点：

本发明设备紧凑，占地面积小、所需空间小，可省去冷却系统。

蒸发产生的二次蒸汽经压缩后送到蒸发器的加热室当作加热蒸汽使用，使料液维持沸腾状态，而加热蒸汽本身则冷凝成水。结晶产生的二次蒸汽经压缩返回结晶器中重新利用。这样，原来要废弃的蒸汽都得到了充分的利用，回收了潜热，又提高了热效率，生蒸汽的经济性相当于多效蒸发的30效。

本发明较现有机械蒸汽在压缩机技术增加了二级水蒸气压缩机，对结晶器供热，解决了结晶器由于缺乏供热所导致的问题；同时保证了整个系统设备紧凑、无需依赖蒸汽锅炉、无需冷却系统。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图中：1-蒸发器；2-分离器；3-一级水蒸气压缩机；4-二级水蒸气压缩机；5-结晶器；6-冷凝水箱；7-旁通阀；8-结晶器出口；9-进料管；10-出料节流阀；11-进料节流阀。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

如图1所示，一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统，所述系统包括蒸发器1、分离器2、一级水蒸汽压缩机3、二级水蒸汽压缩机4以及结晶器5；所述蒸发器1连接分离器2，分离器2连接一级水蒸汽压缩机3，一级水蒸汽压缩机3再与蒸发器1连接；所述结晶器5入口连接蒸发器1出口，其顶部连接二级水蒸汽压缩机4，二级水蒸汽压缩机4再与结晶器5连接。

所述分离器2底部接入蒸发器1的进料管9；所述进料管9上装有三通，其支管连接出料节流阀10后与结晶器5入口连接。

所述进料管9通过进料节流阀11控制进料。

所述分离器2通过旁通阀7连接二级水蒸气压缩机4。

蒸发器1和结晶器5底部均连接冷凝水箱6。

所述一级水蒸气压缩机3为罗茨压缩机或鼓风机。所述二级水蒸气压缩机4为螺杆压缩机或罗茨压缩机。

实施例2

将本发明机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统用于造纸废水中氯化钠和硫酸钠等无机盐的回收，使废水达标排放或回用：

造纸废水进入蒸发器1中蒸发后进入分离器2进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽大部分进入一级水蒸气压缩机3被压缩，升温加压后提高热焓，进入蒸发器1作为热源加热进入的废水，分离器2下部的液体重新进入蒸发器1继续蒸发；当废水浓度达到氯化钠或硫酸钠的饱和浓度时，打开出料节流阀10进入结晶器5结晶；

从分离器2分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀7与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，进入二级水蒸气压缩机4被压缩后进入结晶器5，作为热源加热结晶器5中的物料，使结晶器5中的物料结晶；结晶得到的无机盐由结晶器出口8排出；

蒸发器1和结晶器5中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱6；冷凝水箱6中的冷凝水用于废水预热，回收其显热。

实施例3

将本发明机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统用于海水淡化：

海水进入蒸发器1中蒸发后进入分离器2进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽大部分进入一级水蒸气压缩机3被压缩，升温加压后提高热焓，进入蒸发器1作为热源加热进入的海水，分离器2下部的液体重新进入蒸发器1继续蒸发；当海水达到饱和浓度时，打开出料节流阀10进入结晶器5结晶；

从分离器2分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀7与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，进入二级水蒸气压缩机4被压缩后进入结晶器5，作为热源加热结晶器5中的物料，使结晶器5中的物料结晶；结晶完成的副产品由结晶器出口8排出；

蒸发器1和结晶器5中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱6；冷凝水箱6中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。得到的冷凝水即为淡水产品。

实施例4

将本发明机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统用于从果胶中提取的异丙醇的浓缩：

原料液进入蒸发器1中蒸发后进入分离器2进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽大部分进入一级水蒸气压缩机3被压缩，升温加压后提高热焓，进入蒸发器1作为热源加热料液，分离器2下部的液体重新进入蒸发器1继续蒸发；当料液达到异丙醇的饱和浓度时，打开出料节流阀10进入结晶器5结晶；

从分离器2分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀7与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，进入二级水蒸气压缩机4被压缩后进入结晶器5，作为热源加热结晶器5中的物料，使结晶器5中的物料结晶；结晶完成的物料由结晶器出口8排出；

蒸发器1和结晶器5中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱6；冷凝水箱6中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及蒸发结晶方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶系统，其特征在于，所述系统包括蒸发单元和结晶单元，所述蒸发单元和结晶单元均设有水蒸气压缩机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括蒸发器（1）、分离器（2）、一级水蒸气压缩机（3）、二级水蒸气压缩机（4）以及结晶器（5）；所述蒸发器（1）连接分离器（2），分离器（2）连接一级水蒸气压缩机（3），一级水蒸气压缩机（3）再与蒸发器（1）连接；所述结晶器（5）入口连接蒸发器（1）出口，其顶部连接二级水蒸气压缩机（4），二级水蒸气压缩机（4）再与结晶器（5）连接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分离器（2）底部接入蒸发器（1）循环加热蒸发；蒸发器（1）底部的进料管（9）经进料节流阀（11）进入蒸发器（1）；优选地，所述进料管（9）与分离器（2）底部汇合后的管道上装有三通，其支管连接出料节流阀（10）后与结晶器（5）入口连接。

4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述一级水蒸气压缩机（3）通过旁通阀（7）控制部分蒸汽进入二级水蒸气压缩机（4）进行二级压缩；

优选地，蒸发器（1）和结晶器（5）底部均连接冷凝水箱（6）。

5.如权利要求2-4之一所述的系统，其特征在于，所述一级水蒸气压缩机（3）为罗茨压缩机或鼓风机；

优选地，所述二级水蒸气压缩机（4）为螺杆压缩机或罗茨压缩机。

6.如权利要求2-5之一所述的系统，其特征在于，所述二级水蒸气压缩机（4）的压比大于所述一级水蒸气压缩机（3）的压比。

7.一种利用如权利要求1-6之一所述的系统进行机械蒸汽再压缩连续蒸发结晶的方法，其特征在于，

原料液进入蒸发器（1）中蒸发后进入分离器（2）进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽进入一级水蒸气压缩机（3）被压缩，进入蒸发器（1）作为热源加热料液；蒸发浓缩后的料液进入结晶器（5）结晶；进入二级水蒸气压缩机（4）被压缩后进入结晶器（5），作为热源加热结晶器（5）中的物料，使结晶器（5）中的物料结晶；结晶物料由结晶器出口（8）排出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，蒸发器（1）和结晶器（5）中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱（6）；

优选地，冷凝水箱（6）中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，从分离器（2）分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀（7）进入二级水蒸气压缩机（4），与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，经升温加压提高自身品位后，进入结晶器（5），作为热源加热结晶器（5）中的物料，使结晶器（5）中的物料结晶。

优选地，分离器（2）下部的液体重新进入蒸发器（1）循环浓缩蒸发；

10.如权利要求7-9之一所述的方法，其特征在于，原料液进入蒸发器（1）中蒸发后进入分离器（2）进行汽液分离，分离出来的二次蒸汽大部分进入一级水蒸气压缩机（3）被压缩，升温加压后提高热焓，进入蒸发器（1）作为热源加热料液，分离器（2）下部的液体重新进入蒸发器（1）继续蒸发；当料液达到其饱和浓度时，打开出料节流阀（10）进入结晶器（5）结晶；

从分离器（2）分离出来的二次蒸汽有一部分经过旁通阀（7）与结晶过程产生的二次蒸汽汇合，进入二级水蒸气压缩机（4）被压缩后进入结晶器（5），作为热源加热结晶器（5）中的物料，使结晶器（5）中的物料结晶；结晶物料由结晶器出口（8）排出；

蒸发器（1）和结晶器（5）中作为热源的蒸汽冷凝为冷凝水排至冷凝水箱（6）；冷凝水箱（6）中的冷凝水用于原料液预热，回收其显热。

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