CN103285615B - 机械蒸汽再压缩分馏系统 - Google Patents

Abstract

一种MVR分馏系统，包括通过管道及相关泵连接的锅炉、储液罐Ⅰ、分馏塔以及蒸发器，在所述蒸发器与分馏塔之间设置有MVR系统。该MVR分馏系统充分利用了蒸发器出口蒸汽的热能，将该热能传递给需要加热的液体，液体与蒸汽换热的同时，又作为冷却液使蒸汽实现分馏。该MVR分馏系统结构简单、投入小，节能效果明显。

Description

机械蒸汽再压缩分馏系统

技术领域

本发明涉及一种分馏系统，尤其是用于溶液中含有沸点相近的多组分挥发性物质分馏的机械蒸汽再压缩分馏系统。

背景技术

传统的分馏系统多数采用高温高压蒸汽作为热源，由于蒸汽的潜热很难回收利用，导致能耗高、需用冷却水量大等缺点，分馏企业每年为此付出巨额的运行成本。MVR是机械蒸汽再压缩技术(mechanical vaporrecompression)的简称，是重新利用自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源需求的一项节能技术。近些年有人尝试将机械蒸汽再压缩技术应用于分馏领域，但是由于设计方向不够科学，导致使用的蒸汽压缩机的功耗过大，相比于传统的分馏系统，节能优势不明显，限制了这一目前国际上最先进的蒸发技术在分馏领域的应用。如中国专利CN02145503.1提供了一种燃料乙醇热泵恒沸精馏工艺及装置，是一种采用热泵技术，利用电能通过压缩机压缩塔顶的蒸汽，然后给塔釜加热的技术。一般热泵技术用于塔顶塔釜温差较小的精馏过程，对于燃料乙醇脱水物系，塔顶乙醇和水的共沸物常压沸点78℃，塔釜废水常压沸点100℃，塔顶和塔釜的温差为22℃，采用机械蒸汽再压缩技术，用压缩机须将塔顶蒸汽由常压压缩至400KPa以上，温度提高到120℃左右。这个过程需要消耗大量电能，并且压缩机规模庞大，相比于传统的分馏系统，采用机械蒸汽再压缩技术的节能效果并不理想。

发明内容

为了解决现有技术中，分馏系统采用机械蒸汽再压缩技术，节能效果不理想的技术问题，本发明的目的是提供一种利用机械蒸汽再压缩技术的节能分馏系统，该分馏系统将蒸发器出口的混合蒸汽，在汽液分离器实现汽、液分离后，将分离出的蒸汽经蒸汽压缩机压缩后通入分馏塔内。该压缩后的蒸汽在分馏塔中与换热管束中待蒸发的液体进行换热，同时进行分馏，换热管束中的液体吸收热量后流入蒸发器，作为蒸发器蒸发的动力。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种机械蒸汽再压缩分馏系统，包括通过管道及相关泵连接的锅炉、储液罐Ⅰ、分馏塔以及蒸发器，在所述蒸发器与分馏塔之间设置有机械蒸汽再压缩系统，所述机械蒸汽再压缩系统包括汽液分离器、蒸汽压缩机、换热管束Ⅰ、换热管束Ⅱ以及与分馏塔连接的真空泵；所述汽液分离器的入口与蒸发器顶部的出口通过管道连接，汽液分离器的蒸汽出口与蒸汽压缩机的吸气口连接，蒸汽压缩机的排气口与分馏塔连接；汽液分离器的液体出口通过管道与储液罐Ⅰ的入口连接，储液罐Ⅰ的出口与分馏塔中换热管束Ⅰ的入口端连接，换热管束Ⅰ的出口端与蒸发器换热管束Ⅱ的入口端连接。通过该机械蒸汽再压缩系统将蒸发器内的蒸汽经汽液分离器实现汽、液分离后，将分离出的蒸汽经蒸汽压缩机压缩后通入分馏塔内进行分馏，同时该高温蒸汽与换热管束Ⅰ内的液体进行换热，液体吸收热量后流入蒸发器，作为蒸发器蒸发的动力。

优选的，该机械蒸汽再压缩分馏系统是多级串联分馏系统，机械蒸汽再压缩系统是单效或多效机械蒸汽再压缩系统。可以根据发酵缪中乙醇的浓度，选择采用单效多级或多效多级的分馏方式。

优选的，所述换热管束Ⅰ呈正三角形横置排布在分馏塔内，多层换热管束Ⅰ之间填充铜网。增大了传质面积，提高了换热效率和分馏效率。

优选的，在分馏塔沿换热管束Ⅰ的排布方向设置有若干隔板，用以遏制壁流。

优选的，所述换热管束Ⅱ在蒸发器中呈阶梯状分布，上短下长；换热管束Ⅱ的出口设置成开口向上的弯头，每段换热管束Ⅱ的出口平面与该段换热管束Ⅱ的横置段最高点相接近。换热管束Ⅱ的这种排布方式蒸发面积大，上层换热管束Ⅱ未蒸发完的液体，在往下流的过程中不会与下层换热管束Ⅱ蒸发的汽体发生干涉。换热管束Ⅱ的出口做成弯头，并且每段换热管束Ⅱ的出口平面与该段换热管束Ⅱ的横置段最高点相接近，可以保证即使在换热管束Ⅱ内流体流量较小的情况下，流体也能填充整个管束，从而避免出现干壁。

优选的，所述换热管束Ⅰ通过管道与分馏塔联通，通过调节通入换热管束Ⅰ内不凝气的量，可以调节换热管束Ⅰ内流体的扰动，进而调节换热量。

优选的，在分馏塔上安装换热管束Ⅰ的位置，沿分馏塔的塔高设置若干层隔板，以将换热管束Ⅰ的进口分成多个区域，分别进液。分别进液可以减小换热管束Ⅰ内流体因静压强造成的沸点上升。

优选的，所述锅炉与储液罐Ⅰ之间通过管道连接有换热器，蒸发器的排液口与储液罐Ⅲ之间也通过管道连接该换热器。当蒸发器内的废液排出时，可以通过换热器将热量传递给从锅炉流出的原料，从而进一步提高蒸发器中热量的利用率。

本发明的有益效果是：

本发明的机械蒸汽再压缩分馏系统将蒸发器出口的混合蒸汽在汽液分离器实现汽、液分离后，将分离出的蒸汽经蒸汽压缩机压缩通入分馏塔内。该压缩后的蒸汽在分馏塔中与换热管束中待蒸发的液体进行换热，同时进行分馏，换热管束中的液体吸收热量后流入蒸发器，作为蒸发器蒸发的动力。本发明的机械蒸汽再压缩分馏系统充分利用了蒸发器出口蒸汽的热能，将该热能传递给需要加热的液体，液体与蒸汽换热的同时，又作为冷却液使蒸汽实现分馏，提高分馏效率。该机械蒸汽再压缩分馏系统结构简单、投入小，节能效果明显。

附图说明

图1为本发明机械蒸汽再压缩分馏系统的结构示意图；

图2为蒸发器中换热管束的排布示意图；

图3为图2的俯视图。

附图标记

1.锅炉；2.进料泵；3.换热器；4.储液罐Ⅰ；5.循环泵；6.换热管束Ⅰ；7.蒸发器；8.汽液分离器；9.蒸汽压缩机；10.分馏塔；11.真空泵；12.冷凝器；13.储液罐Ⅱ；14.储液罐Ⅲ；15.排液口；16.出液口；17.铜网；18.隔板Ⅰ；19.隔板Ⅱ；20.排液泵；21.换热管束Ⅱ；211.出口平面；212.横置段最高点

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的机械蒸汽再压缩分馏系统，包括通过管道及相关泵连接的锅炉1、储液罐Ⅰ4、分馏塔10以及蒸发器7，锅炉1的出液口通过管道依次与进料泵2、换热器3、储液罐Ⅰ4、循环泵5及分馏塔10的换热管束Ⅰ6的入口端连接，换热管束Ⅰ6的出口端与蒸发器7内的换热管束Ⅱ21的入口端连接。在本实施例中，换热器3优选板式换热器。

如图1所示，在蒸发器7与分馏塔10之间设置有机械蒸汽再压缩系统，机械蒸汽再压缩系统包括汽液分离器8、蒸汽压缩机9、换热管束Ⅰ6、换热管束Ⅱ21以及与分馏塔10连接的真空泵(11)；所述汽液分离器8的入口与蒸发器7顶部的出口通过管道连接，汽液分离器8的蒸汽出口与蒸汽压缩机9的吸气口连接，蒸汽压缩机9的排气口与分馏塔10连接；汽液分离器8的液体出口通过管道与储液罐Ⅰ4的入口连接，储液罐4的出口通过循环泵5与分馏塔10换热管束Ⅰ6的入口端连接。

蒸发器7的排液口15依次连接排液泵20、换热器3和储液罐Ⅲ14。

分馏塔10顶部的出口依次连接冷凝器12和储液罐Ⅱ13。

分馏塔10连接的真空泵11，用于将分馏塔10内部抽到规定的真空度。分馏塔10底部的出液口通过管道与蒸发器7连接，分馏塔10底部的溶液通过管道流入蒸发器7内。蒸发器7的出液口16连接储液罐Ⅰ4，蒸发器7内的溶液经过储液罐Ⅰ4通往分馏塔10的换热管束Ⅰ6。

换热管束Ⅰ6通过管道与分馏塔10联通，根据需要将分馏塔10内的不凝气通入换热管束Ⅰ6内，以调节换热管束Ⅰ6内流体的扰动，进而调节换热量。

在分馏塔10上安装换热管束Ⅰ6的位置，沿分馏塔10的塔高设置若干层隔板19，以将换热管束Ⅰ6的进口分成多个区域，分别进液。

上述机械蒸汽再压缩分馏系统可以是多级(级数n≥1,n为正整数)串联分馏系统，相应的，机械蒸汽再压缩系统可以是单效或多效机械蒸汽再压缩系统。

在本实施例中，换热管束Ⅰ6呈正三角形横置排布在分馏塔10内，各层换热管束Ⅰ6之间填充铜网17。在分馏塔10内沿换热管束Ⅰ6的排布方向设置有若干隔板18，用以遏制壁流。

如图2和图3所示，换热管束Ⅱ21在蒸发器7中呈阶梯状分布，上短下长；换热管束Ⅱ21的出口设置成开口向上的弯头，每段换热管束Ⅱ21的出口平面211与该段换热管束Ⅱ21的横置段最高点212相接近。在本实施例中，优选每段换热管束Ⅱ21的出口平面211略高于该段换热管束Ⅱ21的横置段最高点212，可以保证即使在换热管束Ⅱ21内流体流量较小的情况下，流体也能填充整个管束，从而避免出现干壁。显而易见，只要换热管束Ⅱ21内流体流量足够大，即使每段换热管束Ⅱ21的出口平面211略低于该段换热管束Ⅱ21的横置段最高点212，也可以避免出现干壁现象。

下面介绍一下本发明机械蒸汽再压缩分馏系统的工作原理及过程。

将适量原料在锅炉1内加热至接近沸腾，启动真空泵11将分馏塔10内抽到规定的真空度。开启进料泵2、循环泵5，原料依次经过换热器3、储液罐Ⅰ4以及换热管束Ⅰ6，进入蒸发器7，在蒸发器7内闪蒸。待蒸发器7和储液罐Ⅰ4内的液位达到一定要求时，开启蒸汽压缩机9。启动后，停止对锅炉1加热。

蒸发器7内的蒸汽通过蒸发器顶部的出口进入汽液分离器8内，完成汽、液分离，其中分离出的蒸汽通入蒸汽压缩机9，经压缩后通入分馏塔10内进行分馏。从汽液分离器8内分离出的液体则经过储液罐Ⅰ4和循环泵5进入换热管束I6。换热管束Ⅰ6内的液体与通入分馏塔10内的蒸汽进行换热，液体吸收热量后进入蒸发器7，作为蒸发器蒸发的动力。

分馏塔10塔顶的蒸汽经冷凝器12凝结后，通入储液罐Ⅱ13。该塔顶蒸汽也可以不经过冷凝，直接进入下道工序。

分馏塔10底部的液体通往蒸发器7，蒸发器7内的液体以及从与汽液分离器8内分离出的液体通往储液罐Ⅰ4，经过经循环泵5打入换热管束Ⅰ6，进行换热后，通往蒸发器7，如此循环。

待蒸发器7内的溶液浓度达到排放要求时，开启排液泵20，排出的液体与从锅炉1流出的原料在换热器3内换热后，排到储液罐Ⅲ14，原料吸收了热量后通往储液罐Ⅰ4。

考虑到排液乙醇浓度为5％(w)，而发酵缪乙醇浓度越稀，分馏成本越高，所以本实施例采用单效多级的方式。第1级发酵缪乙醇浓度从10％(w)蒸发至9％(w)，通入第2级。第2级从9％蒸发至8％，通入第3级。第3级从8％蒸发至7％，通入第4级。第4级从7％蒸发至6％，通入第5级。第5级从6％蒸发至5％，稀溶液经板式换热器与进口原料换热后，排至储液罐Ⅲ14。在1～4级，前一级分馏塔底部的溶液通入下一级的蒸发器，第5级分馏塔底部的溶液通入自身的蒸发器。

如上所述，本发明的机械蒸汽再压缩分馏系统充分利用了蒸发器出口蒸汽的热能，将该热能传递给需要加热的液体，液体与蒸汽换热的同时，又作为冷却液使蒸汽实现分馏，提高分馏效率。该机械蒸汽再压缩分馏系统结构简单、投入小，节能效果明显。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种机械蒸汽再压缩分馏系统，包括通过管道及相关泵连接的锅炉(1)、储液罐Ⅰ(4)、分馏塔(10)以及蒸发器(7)，其特征在于：在所述蒸发器(7)与分馏塔(10)之间设置有机械蒸汽再压缩系统，所述机械蒸汽再压缩系统包括汽液分离器(8)、蒸汽压缩机(9)、换热管束Ⅰ(6)、换热管束Ⅱ(21)以及与分馏塔(10)连接的真空泵(11)；所述汽液分离器(8)的入口与蒸发器(7)顶部的出口通过管道连接，汽液分离器(8)的蒸汽出口与蒸汽压缩机(9)的吸气口连接，蒸汽压缩机(9)的排气口与分馏塔(10)连接；汽液分离器(8)的液体出口通过管道与储液罐Ⅰ(4)的入口连接，储液罐Ⅰ(4)的出口与分馏塔(10)中换热管束Ⅰ(6)的入口端连接，换热管束Ⅰ(6)的出口端与蒸发器(7)换热管束Ⅱ(21)的入口端连接。

2.根据权利要求1或2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：该机械蒸汽再压缩分馏系统是多级串联分馏系统，机械蒸汽再压缩系统是单效或多效机械蒸汽再压缩系统。

3.根据权利要求2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：所述换热管束Ⅰ(6)呈正三角形横置排布在分馏塔(10)内，多层换热管束Ⅰ(6)之间填充铜网(17)。

4.根据权利要求4所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：在分馏塔(10)沿换热管束Ⅰ(6)的排布方向设置有若干隔板(18)。

5.根据权利要求2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：所述换热管束Ⅱ(21)在蒸发器(7)中呈阶梯状分布，上短下长；换热管束Ⅱ(21)的出口设置成开口向上的弯头，每段换热管束Ⅱ的出口平面(211)与该段换热管束Ⅱ的横置段最高点(212)相接近。

6.根据权利要求2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：所述换热管束Ⅰ(6)通过管道与分馏塔(10)联通，通过调节通入换热管束Ⅰ(6)内不凝气的量，可以调节换热管束Ⅰ(6)内流体的扰动，进而调节换热量。

7.根据权利要求2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：在分馏塔(10)上安装换热管束Ⅰ(6)的位置，沿分馏塔(10)的塔高设置若干层隔板(19)，以将换热管束Ⅰ(6)的进口分成多个区域，分别进液。

8.根据权利要求1或2所述的机械蒸汽再压缩分馏系统，其特征在于：所述锅炉(1)与储液罐Ⅰ(4)之间通过管道连接有换热器(3)，蒸发器(7)的排液口(15)与储液罐Ⅲ(14)之间也通过管道连接该换热器(3)。