CN104645650B - 一种热泵蒸馏装置及其启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵蒸馏装置及其启动方法，装置在原有热泵蒸馏流程上，设置蓄热器和配套的阀门及泵等设备，在启动前，通过锅炉加热导热油，并将导热油引入蓄热器中，用于加热蓄热器中充注的二元溶液，使溶液中水蒸气逸出，从而提升溶液浓度蓄积热量，在启动时，使储液器中的水流入蓄热器中，稀释浓溶液，从而释放热量，并用导热油将释放的热量引入蒸馏器中加热物料产生蒸汽，当蒸汽量达到一定值后，开启热泵压缩机抽吸蒸馏器中的物料蒸汽，从而完成启动过程。本发明通过蓄热技术，满足启动阶段所需的大量热量，可实现装置的快速启动，同时设置的锅炉负荷小，在正常工作模式时，仅用于补充热泵不足的热量。

Description

一种热泵蒸馏装置及其启动方法

技术领域

本发明属于化工分离和节能改造技术领域，涉及一种蒸馏方法和装置，具体涉及一种基于热泵蒸馏装置及其启动方法。

背景技术

过程工业就是以流程性物料为主要处理对象、完成各种生产过程的工业，例如石油化工、生物化工、制药、农药、食品和炼油等等。过程工业其产值虽然占我国工业总产值的37％，占制造业的46.9％，但是其耗能也占总的终端能源消费量约57.4％。通常过程工业不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，而这些单元操作中大多伴随着能量的转换，特别是分离过程，例如精馏和干燥均需要消耗大量的能源，以常见的化工生产为例，分离过程能耗占生产总能耗的40%，而其中95%又为蒸馏和干燥或蒸发浓缩过程所消耗。

在常规蒸馏或浓缩工艺中，采用蒸汽对物料进行加热，产生蒸汽，蒸汽在冷凝器中由外界冷却水冷却，该过程中蒸汽中的能量被冷却水带走，这部分能量不能得到进一步的回收利用，热力学效率很低。无任何节能技术的单效蒸发浓缩或蒸馏过程中，1.1单位的生蒸汽仅能蒸发约1单位的料液，在这个过程中，一方面，没有过程的热集成设计，二次蒸汽的能量被浪费；另一方面，生蒸汽做为高品质能量被直接转化为高温凝结水，品质损失较大。虽然采用多效蒸发技术可以有效降低设备的能耗，但是设备的复杂性大幅度增加，且最后一效产生的蒸汽产物中蕴含的热量仍然需要被冷却水带走。热泵作为一种有效的节能工具日益引起人们的重视,井将它应用到了工业生产中。热泵蒸发或蒸馏是工业上应用热泵技术较为有效的方法。

文献《热泵蒸馏的节能技术与应用》（史文树，尤文，于明,长春工业大学学报，2010.31）、《热泵蒸发技术及其应用》（李玉坤，胡绍川，应用能源技术,1996.4）、《热泵在蒸馏过程中的应用》（江浩，张微，油气田地面工程，1999.18）等对热泵在蒸发和蒸馏等应用情况以及存在的问题进行了较详细的归纳。

中国专利CN201410329144《一种热泵蒸馏节能装置》、中国专利CN96231119《多效热泵蒸馏水机》和中国专利CN200810232627《酒精发酵糟液热泵浓缩工艺及其装置》均采用了开式热泵技术将其与蒸发或蒸馏技术结合，从而获取良好的节能效益。但是，这些专利和相应技术所描述的均为系统已经达到稳定运行后的流程，这时热泵加压后的蒸汽恰好可以用于对物料加热，从而产生新的蒸汽达到物料的平衡。但是，在系统还未启动时，装置中并不存在蒸汽，因此也无法产生新的蒸汽。通常的做法是在设置辅助的电加热器或蒸汽使压缩机从十分小的流量逐渐向额定流量切换，这些方法都存在启动时间长，启动过程不稳定等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供热泵蒸馏装置及其启动方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种热泵蒸馏装置，包括蒸馏器，所述蒸馏器底部喷淋液出口和上部喷淋液入口之间通过管道连接有喷淋泵，所述蒸馏器中部放置有蒸发管，所述蒸发管入口与蒸馏器蒸汽出口之间通过管道连接有热泵压缩机，蒸发管出口通过管道与第一预热器热侧通道入口连接，所述蒸馏器下部物料出口通过管道与第二预热器热侧通道入口连接，所述第一预热器冷侧通道出口通过管道与第二预热器冷侧通道入口连接，第二预热器冷侧通道出口通道通过管道与蒸馏器中部物料入口连接；所述蒸馏器下部放置有辅热器，所述辅热器热侧通道入口通过管道分别与第四截止阀及第六截止阀出口连接，辅热器热侧通道出口通过管道与第一导热油泵入口连接，所述第一导热油泵出口通过管道分别与第三截止阀及第五截止阀入口连接，第三截止阀出口与第四截止阀入口之间通过管道连接有第一换热器，所述第一换热器放置在蓄热器底部，所述第六截止阀入口通过管道分别与第二导热油泵出口及第二截止阀入口连接，第二导热油泵入口通过管道与锅炉导热油出口连接，所述第五截止阀出口通道管道分别与第一截止阀出口及锅炉导热油入口连接，所述第一截止阀入口及第二截止阀出口之间通过管道连接有第二换热器，所述第二换热器放置在蓄热器底部；所述蓄热器蒸汽出口至冷凝器热侧通道入口之间通过管道连接有第七截止阀，冷凝器热侧通道出口通过管道与储液器入口连接，所述储液器出口至蓄热器液体入口之间通过管道连接有第九截止阀，所述冷凝器冷侧通道入口与第八截止阀入口连接。

优选的，所述蓄热器中充注有H2SO4-H2O、LiCl-H2O、LiBr-H2O、Na2S-H2O或其他盐类酸类碱类二元水溶液.

进一步的，所述压缩机为热泵蒸汽压缩机。

进一步的，所述压缩机的结构形式为无油螺杆压缩机、无油活塞压缩机、无油离心式压缩机或无油罗茨风机。

一种热泵蒸馏启动方法，其包括如下步骤：

步骤1）蓄热模式：所述第一截止阀、第二截止阀、第七截止阀和第八截止阀打开，所述第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀和第九截止阀关闭，所述第二导热油泵开启，所述第一导热油泵、喷淋泵和热泵压缩机停止；所述锅炉加热导热油后，由所述第二导热油泵将导热油输送到第二换热器中，加热蓄热器中的二元水溶液，使水溶液中水分沸腾后变成水蒸气析出并经过第七截止阀后流入冷凝器的热侧通道，所述冷凝器冷侧通道中流过冷却水，使冷凝器热侧通道中的水蒸气凝结为液态水后流入储液器中，随着第二换热器中加热过程的进行，蓄热器中的二元水溶液中水分含量变少，溶液浓度提高逐渐形成浓溶液，蓄积热量，直至浓度达到设定值，完成蓄热过程；

步骤2）快速启动模式：所述第一截止阀、第二截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀和第八截止阀关闭，所述第三截止阀和第四截止阀打开，所述第二导热油泵停止，第一导热油泵开启；打开所述第九截止阀，使储液器中的液态水通过第九截止阀流入蓄热器，稀释蓄热器在蓄热模式时生成的浓溶液，稀释过程中释放的热量加热导热油，并由第一导热油泵携带至辅热器热侧通道并释放出热量，加油蒸馏器底部物料产生蒸汽，直至蓄热器中压力达到设定值，完成启动过程；

步骤3）正常蒸馏模式：所述第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第八截止阀和第九截止阀关闭，所述第五截止阀和第六截止阀打开，所述第一导热油泵停止,第二导热油泵开启；完成步骤2后，所述蒸馏器中压力达到了设定值，蒸馏器中充满物料蒸汽，开启热泵压缩机，从蒸馏器中抽取物料蒸汽，加压后送入蒸发管入口，开启喷淋泵，从蒸馏器底部喷淋液出口抽取物料，并送入蒸馏器上部喷淋液入口，使物料喷淋至蒸发管管外表面，蒸发管内物料蒸汽冷凝，释放热量，蒸发管管外物料液体蒸发，产生物料蒸汽，从而维持蒸馏器中压力和物料平衡，进入正常蒸馏过程。

本发明的有益效果是：

本发明通过溶液浓度差进行蓄热，由导热油锅炉在启动前将蓄热器中的二元溶液浓度提升来蓄积能量，启动过程中稀释二元溶液，从而释放出启动阶所需的大量热量，不仅可实现热泵蒸馏装置的快速启动，同时设置的导热油锅炉负荷小，其在正常工作情况下，仅用于补充热泵不足的热量，此外溶液差蓄热的蓄能密度大，且蓄热和放热过程中由于是液体与液体换热，因此换热系数高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的热泵蒸馏装置流程示意图；

图中标号说明：

1、蒸馏器，2、热泵压缩机，3、蒸发管，4、锅炉，5、冷凝器，6、储液器，7、蓄热器，8、第一换热器，9、第二换热器，10、辅热器，11、第二预热器、12、第一预热器、101、第一截止阀，102、第二截止阀，103、第三截止阀，104、第四截止阀，105、第五截止阀，106、第六截止阀，107、第七截止阀，108、第八截止阀，109、第九截止阀，201、第一导热油泵，202、第二导热油泵，203、喷淋泵。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详述本发明的结构特点及技术实施过程：

一种热泵蒸馏装置，包括蒸馏器1，所述蒸馏器1底部喷淋液出口和上部喷淋液入口之间通过管道连接有喷淋泵203，所述蒸馏器1中部放置有蒸发管3，所述蒸发管3入口与蒸馏器1蒸汽出口之间通过管道连接有热泵压缩机2，蒸发管3出口通过管道与第一预热器12热侧通道入口连接，所述蒸馏器1下部物料出口通过管道与第二预热器11热侧通道入口连接，所述第一预热器12冷侧通道出口通过管道与第二预热器11冷侧通道入口连接，第二预热器11冷侧通道出口通道通过管道与蒸馏器1中部物料入口连接；所述蒸馏器1下部放置有辅热器10，所述辅热器10热侧通道入口通过管道分别与第四截止阀104及第六截止阀106出口连接，辅热器10热侧通道出口通过管道与第一导热油泵201入口连接，所述第一导热油泵201出口通过管道分别与第三截止阀103及第五截止阀105入口连接，第三截止阀103出口与第四截止阀104入口之间通过管道连接有第一换热器8，所述第一换热器8放置在蓄热器7底部，所述第六截止阀106入口通过管道分别与第二导热油泵202出口及第二截止阀102入口连接，第二导热油泵202入口通过管道与锅炉4导热油出口连接，所述第五截止阀105出口通道管道分别与第一截止阀101出口及锅炉4导热油入口连接，所述第一截止阀101入口及第二截止阀102出口之间通过管道连接有第二换热器9，所述第二换热器9放置在蓄热器7底部；所述蓄热器7蒸汽出口至冷凝器5热侧通道入口之间通过管道连接有第七截止阀107，冷凝器5热侧通道出口通过管道与储液器6入口连接，所述储液器6出口至蓄热器7液体入口之间通过管道连接有第九截止阀109，所述冷凝器5冷侧通道入口与第八截止阀108入口连接。

压缩机2为无油离心式热泵蒸汽压缩机。

本实施例应用于每小时产10吨蒸馏水的工艺中，原料水进水温度为25度、出料温度为65度，蒸馏器1操作压力0.1MPa，热泵提供的热量为6800kW，蒸馏所需总热量为7140kW，辅热器10额定热量为340kW。

选择导热油锅炉4的加热能力为400kW，所选导热油密度870kg/m³，比热2.6kJ/kg.K，导热油入口温度为120℃，出口温度为160℃，蓄热器7中充注有NaOH-H₂O溶液，其浓溶液浓度为70%，稀溶液浓度为40%，启动所需时间为0.5小时，蓄热器7设计蓄热能力为4000kWh，计算可知所需NaOH-H₂O40%稀溶液为24吨。

本实施例中热泵蒸馏启动过程如下：

1）打开第一截止阀101、第二截止阀102、第七截止阀107和第八截止阀108，关闭第三截止阀103、第四截止阀104、第五截止阀105、第六截止阀106和第九截止阀109，开启第二导热油泵202开启，停止第一导热油泵201、喷淋泵203和热泵压缩机2；锅炉4加热导热油后，由第二导热油泵202将导热油输送到第二换热器9中，加热蓄热器7中的浓度为40%的NaOH-H₂O二元水溶液，使水溶液温度150度沸腾，水蒸气经过第七截止阀107后流入冷凝器5的热侧通道，由冷凝器5冷侧通道中冷却水冷却后凝结为液态水后流入储液器6中，随着第二换热器9中加热过程的进行，蓄热器7中的NaOH-H₂O二元水溶液中水分含量变少，溶液浓度和温度提高逐渐形成浓溶液，蓄积热量，直至浓度达到70%，同时温度达到190度，完成蓄热过程；

2）关闭第一截止阀101、第二截止阀102、第五截止阀105、第六截止阀106、第七截止阀107和第八截止阀108，打开第三截止阀103和第四截止阀104，停止第二导热油泵202，开启第一导热油泵201；打开第九截止阀109，使储液器6中的液态水通过第九截止阀109流入蓄热器7，稀释蓄热器1在蓄热模式时生成的70%浓度的NaOH-H₂O二元水溶液，稀释过程中释放的热量加热导热油，并由第一导热油泵201携带至辅热器10热侧通道并释放出热量，加油蒸馏器1底部物料产生蒸汽，直至蓄热器1中压力达到0.11MPa，完成启动过程；

3）关闭第一截止阀101、第二截止阀102、第三截止阀103、第四截止阀104、第七截止阀107、第八截止阀108和第九截止阀109，打开第五截止阀105和第六截止阀106，停止第一导热油泵201,开启第二导热油泵202，开启热泵压缩机2，从蒸馏器1中抽取物料水蒸汽，加压后送入蒸发管3入口，开启喷淋泵203，从蒸馏器1底部喷淋液出口抽取物料，并送入蒸馏器(1)上部喷淋液入口，使物料喷淋至蒸发管3管外表面，蒸发管3内物料蒸汽冷凝，释放热量，蒸发管3管外物料液体蒸发，产生物料蒸汽，从而维持蒸馏器1中压力和物料平衡，进入正常蒸馏过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热泵蒸馏装置，其特征在于，包括蒸馏器（1），所述蒸馏器（1）底部喷淋液出口和上部喷淋液入口之间通过管道连接有喷淋泵（203），所述蒸馏器（1）中部放置有蒸发管（3），所述蒸发管（3）入口与所述蒸馏器（1）蒸汽出口之间通过管道连接有热泵压缩机（2），所述蒸发管（3）出口通过管道与第一预热器（12）热侧通道入口连接，所述蒸馏器（1）下部物料出口通过管道与第二预热器（11）热侧通道入口连接，所述第一预热器（12）冷侧通道出口通过管道与所述第二预热器（11）冷侧通道入口连接，所述第二预热器（11）冷侧通道出口通道通过管道与所述蒸馏器（1）中部物料入口连接；所述蒸馏器（1）下部放置有辅热器（10），所述辅热器（10）热侧通道入口通过管道分别与第四截止阀（104）及第六截止阀（106）出口连接，所述辅热器（10）热侧通道出口通过管道与第一导热油泵（201）入口连接，所述第一导热油泵（201）出口通过管道分别与第三截止阀（103）及第五截止阀（105）入口连接，所述第三截止阀（103）出口与所述第四截止阀（104）入口之间通过管道连接有第一换热器（8），所述第一换热器（8）放置在蓄热器（7）底部，所述第六截止阀（106）入口通过管道分别与第二导热油泵（202）出口及第二截止阀（102）入口连接，所述第二导热油泵（202）入口通过管道与锅炉（4）导热油出口连接，所述第五截止阀（105）出口通道管道分别与第一截止阀（101）出口及锅炉（4）导热油入口连接，所述第一截止阀（101）入口及所述第二截止阀（102）出口之间通过管道连接有第二换热器（9），所述第二换热器（9）放置在所述蓄热器（7）底部；所述蓄热器（7）蒸汽出口至冷凝器（5）热侧通道入口之间通过管道连接有第七截止阀（107），所述冷凝器（5）热侧通道出口通过管道与储液器（6）入口连接，所述储液器（6）出口至所述蓄热器（7）液体入口之间通过管道连接有第九截止阀（109），所述冷凝器（5）冷侧通道入口与第八截止阀（108）入口连接。

2.根据权利要求1所述的热泵蒸馏装置，其特征在于，所述蓄热器（7）中充注有H₂SO₄-H₂O、LiCl-H₂O、LiBr-H₂O、Na₂S-H₂O或其他盐类酸类碱类二元水溶液。

3.根据权利要求1所述的热泵蒸馏装置，其特征在于，所述压缩机（2）为热泵蒸汽压缩机。

4.根据权利要求1所述的热泵蒸馏装置，其特征在于，所述压缩机（2）的结构形式为无油螺杆压缩机、无油活塞压缩机、无油离心式压缩机或无油罗茨风机。

5.一种热泵蒸馏启动方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1所述的热泵蒸馏装置，其包括如下步骤：

步骤1）：所述第一截止阀（101）、第二截止阀（102）、第七截止阀（107）和第八截止阀（108）打开，所述第三截止阀（103）、第四截止阀（104）、第五截止阀（105）、第六截止阀（106）和第九截止阀（109）关闭，所述第二导热油泵（202）开启，所述第一导热油泵（201）、喷淋泵（203）和热泵压缩机（2）停止；所述锅炉（4）加热导热油后，由所述第二导热油泵（202）将导热油输送到第二换热器（9）中，加热蓄热器（7）中的二元水溶液，使水溶液中水分沸腾后变成水蒸气析出并经过第七截止阀（107）后流入冷凝器（5）的热侧通道，所述冷凝器（5）冷侧通道中流过冷却水，使冷凝器（5）热侧通道中的水蒸气凝结为液态水后流入储液器（6）中，随着第二换热器（9）中加热过程的进行，蓄热器（7）中的二元水溶液中水分含量变少，溶液浓度提高逐渐形成浓溶液，蓄积热量，直至浓度达到设定值，完成蓄热过程；

步骤2）快速启动模式：所述第一截止阀（101）、第二截止阀（102）、第五截止阀（105）、第六截止阀（106）、第七截止阀（107）和第八截止阀（108）关闭，所述第三截止阀（103）和第四截止阀（104）打开，所述第二导热油泵（202）停止，第一导热油泵（201）开启；打开所述第九截止阀（109），使储液器（6）中的液态水通过第九截止阀（109）流入蓄热器（7），稀释蓄热器（7）在蓄热模式时生成的浓溶液，稀释过程中释放的热量加热导热油，并由第一导热油泵（201）携带至辅热器（10）热侧通道并释放出热量，加油蒸馏器（1）底部物料产生蒸汽，直至蓄热器（7）中压力达到设定值，完成启动过程；

步骤3）正常蒸馏模式：所述第一截止阀（101）、第二截止阀（102）、第三截止阀（103）、第四截止阀（104）、第七截止阀（107）、第八截止阀（108）和第九截止阀（109）关闭，所述第五截止阀（105）和第六截止阀（106）打开，所述第一导热油泵（201）停止,第二导热油泵（202）开启；完成步骤2后，所述蒸馏器（1）中压力达到了设定值，蒸馏器（1）中充满物料蒸汽，开启热泵压缩机（2），从蒸馏器（1）中抽取物料蒸汽，加压后送入蒸发管（3）入口，开启喷淋泵（203），从蒸馏器（1）底部喷淋液出口抽取物料，并送入蒸馏器(1)上部喷淋液入口，使物料喷淋至蒸发管（3）管外表面，蒸发管（3）内物料蒸汽冷凝，释放热量，蒸发管（3）管外物料液体蒸发，产生物料蒸汽，从而维持蒸馏器（1）中压力和物料平衡，进入正常蒸馏过程。