CN107376384A - 一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，在绝热条件下，热空气与溶液进行直接接触传热传质，空气显热传递给溶液，水分吸收热量后汽化，以水蒸气的型式将潜热返还到空气中，即空气以一种等焓的过程进行加湿，从而达到蒸发的效果。通过控制热空气进入蒸发室的温度进而控制溶液的蒸发温度及载湿后湿空气的出口温度，系统控制简单；通过不断添加进料及排出浓缩液，实现连续不断的蒸发操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，利用蒸发室形成绝热条件，使空气与水进行直接接触传热传质，实现蒸发操作，可广泛应用于石化、冶金、生物制药等工业的生产过程。
背景技术
随着工业和经济的日益发展，工业生产过程中已越来越多得应用到了蒸发这种单元操作。如烧碱溶液蒸发浓缩，结晶得到固体NaOH；干燥经蒸发浓缩后的尿素溶液从而得到尿素颗粒；药材渗漉液的蒸发浓缩及溶剂回收以及通过蒸发进行海水淡化等等。
多效蒸发技术和机械蒸汽再压缩技术是当前主流的两种节能蒸发技术，多效蒸发技术以前效蒸发产生的二次蒸汽作为后效蒸发器的热源，采用多级蒸发器串联的型式，但存在设备占地面积大、蒸发压力逐渐降低，投资成本高的问题；机械蒸汽再压缩技术将产生的二次蒸汽进行再压缩，提升其热力品质，再次作为热源进入蒸发器，可解决多效蒸发末效二次蒸汽浪费的问题，但对其核心设备蒸汽压缩机的安全可靠性要求较高。
发明内容
本发明针对当前主流蒸发技术存在的不足，提出了一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统。本系统利用空气的载湿能力实现蒸发操作，将待蒸发溶液加热至指定温度后进入蒸发室，通过热空气与溶液进行直接接触传热传质，空气将显热传递给溶液，溶液吸热后蒸发成为水蒸气，进入到空气中，又将潜热带回空气，在蒸发操作前后，空气的焓值基本不变，温度降低，含湿量增大，称之为等焓增湿过程，即在蒸发室绝热条件下，热量仅为内部交换的空气绝热加湿过程，从而实现溶液的蒸发浓缩。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于，包括：原料储罐1、进料泵2、冷凝回热器3、预热器4、蒸发室5、除尘器6、风机7、空气加热器8、循环液罐9、循环泵10。系统工作流程为：在进料泵2的作用下，原料储罐1中的原始溶液先后经过冷凝回热器3和预热器4后被加热至指定温度，同时在循环泵10的作用下，循环液罐9中的浓缩液中的上清液与与原始溶液按一定比例进行混合，其中，所谓的原始溶液加热到达的指定温度与循环液罐9种浓缩液的温度一致，因此混合过程为等温混合，即混合后温度不发生变化，混合液通过溶液进口51进入蒸发室5顶部，通过喷淋式液体分布器自上而下喷淋到填料层中；外界大气在风机7的作用下，自吸风口进入空气管道，经除尘器6除去微小颗粒后经空气加热器8加热到指定温度(空气温度高于混合溶液温度)后，通过空气进口53进入蒸发室5底部，在蒸发室5中，热空气自下而上运动，混合溶液在上而下运动，二者在填料层中进行直接接触传热传质，空气释放显热温度降低，溶液吸收空气放出的热量，水分蒸发为水蒸气进入到空气中，溶液浓度升高但温度不变，落入蒸发5室底部，经溶液出口52进入循环液罐9中，浓缩液经循环泵10作用，与加热后的原始溶液等温混合后再次通过溶液进口51进行循环蒸发；蒸发过程结束后，热空气温度降低，含湿量增大，经蒸发室5顶部空气出口54离开蒸发室，并送入至冷凝回热器3中，与原始溶液进行换热，湿空气降温冷凝，回收冷凝潜热，部分水蒸气冷凝后与空气一同排出系统。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，混合液由相同温度的原始溶液和浓缩液等温混合而成，原始溶液需经冷凝回热器3和预热器4两步加热后方能达到与浓缩液相同的温度，通过阀门控制原始溶液和浓缩液的流量，保证配比后的混合液经单次蒸发后落入蒸发室5底部的浓缩液与循环液罐9中储存的浓缩液浓度相同，从而实现稳定的循环蒸发过程。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，热空气由外界大气提供，通过风机7将大气吸入空气管道中，空气需经空气加热器8加热后方能达到所需温度，通过阀门控制空气流量，从而实现对蒸发室5中的蒸发量机型控制。一定量的热空气自蒸发室5底部吹入，在蒸发室5内降温吸湿后达到饱和状态，自蒸发室5顶部排出，并引入到冷凝回热器3中降温除湿，回收利用冷凝潜热。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，系统热源可采用高温烟气，其来源于化工、石油、冶金、电力等行业的生产过程中，经除尘后可作为系统热源，从而额降低排烟温度，回收烟气余热。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，预热器4的热源由烟气提供，原始溶液经冷凝回热器3加热很后，尚不能达到指定温度，需经预热器4与烟气换热后，再次加热达到与浓缩液相同温度后进行混合。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，空气加热器8的热源由烟气提供，空气加热器8采用板翅式换热器，利用其高效紧凑的翅片结构，强化烟气与空气换热效果。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，循环液罐9内部设置中通管，来自蒸发室5的浓缩液自循环液罐9顶部沿中通管进入循环液罐底部，可使其中固态颗粒沉积于循环液罐9底部，而取其上清液进行配比循环蒸发。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，在蒸发室5中，溶液自上而下运动，空气自下而上运动，溶液进口51和空气出口54设置于蒸发室5顶部，溶液出口52和空气进口53设置于蒸发室底部，溶液进口51于预热器4及循环泵10相连，用于混合液进入蒸发室5，溶液出口52于循环液罐相连，用于浓缩液的排出，空气进口53与空气加热器8相连，用于热空气进入蒸发室5，空气出口54于冷凝回热器3相连，用于湿空气的排出并回收利用湿空气余热。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，蒸发室5为液体喷淋填料结构，溶液进入蒸发室5后，通过顶部喷淋式液体分布器均匀向下喷洒，其下设置有孔板波纹填料层，溶液在填料层中与热空气进行直接接触传热传质，水分汽化蒸发形成水蒸气进入到空气中，空气载湿后自顶部离开蒸发室5，溶液浓缩后自底部离开蒸发室5。
上述基于空气绝热加湿过程的蒸发系统中，蒸发过程的实质为空气的绝热加湿过程，蒸发室5视作绝热容器，溶液中水分汽化所需潜热完全来自于热空气降温所释放的显热，同时，水分汽化潜热又被水蒸气带回到空气中，整个过程中空气的焓值几乎不变，因此，该过程又为等焓增湿降温过程。在该过程中，各节点参数保持如下：空气出口54出湿空气相对湿度为100％，其温度为空气进口53出热空气的湿球温度，空气出口54处湿空气的焓值等于空气进口53处热空气的焓值；同时，溶液进口51和溶液出口52处溶液温度均等于空气出口54出湿空气温度，即蒸发过程蒸发室其余各节点温度均取决于进口热空气的状态。
本发明与一种蒸汽驱动的超重力场强化蒸发系统(CN 104707350 B)的区别在于：
(1)一种蒸汽驱动的超重力场强化蒸发系统(CN 104707350 B)中，蒸发室填料层为超重力场旋转结构，有利于强化气液传热传质效果，但其对转轴强度有较高要求，同时由于需要设置动密封，装置运行的连续可靠性存在一定问题。本发明中采用液体喷淋填料结构，液体直接自喷淋式液体分布器中向下喷出，直接与空气在静止填料中进行传热传质，无需设置转轴且密封处为静密封，装置能够连续可靠运行得以保证。
(2)一种蒸汽驱动的超重力场强化蒸发系统(CN 104707350 B)中，所用驱动热源为蒸汽，其优点在于热效率和热利用率高，而本发明中选用高温烟气作为驱动热源，其来源于化工、石油、冶金、电力等行业的生产过程中，经除尘后可作为系统热源，因此本蒸发工艺可与其它工业生产工艺联产，从而降低排烟温度，回收利用烟气余热。
(3)一种蒸汽驱动的超重力场强化蒸发系统(CN 104707350 B)中，蒸发室内传热方向为从溶液到空气，传质方向为从溶液到空气；而本发明中选择空气加热的型式，进入蒸发室的空气温度高于溶液温度，水分汽化所需热量由空气显热提供，产生的水蒸气进入到空气中，因此，其传热方向是从空气到溶液，传质方向为从溶液到空气。
(4)一种蒸汽驱动的超重力场强化蒸发系统(CN 104707350 B)中，原始溶液与浓缩液在混合之前温度可能不同，混合后再一起经冷凝回热器和预热器加热至指定温度；而本发明中原始溶液与浓缩液在混合前须达到相同温度，原始溶液独自经冷凝回热器和预热器加热至与浓缩液温度相同后再与其进行混合。
本发明的有益效果是：利用空气的载湿能力进行蒸发操作，选用高温烟气作为驱动热源，其来源于化工、石油、冶金、电力等行业的生产过程中，因此本蒸发工艺可与其它工业生产工艺联产，回收利用烟气余热。蒸发所需热量由空气提供，蒸发过程中溶液温度能够维持恒定，便于系统控制；原始溶液与浓缩液为等温混合，混合后不需再次加热，系统工艺简单。
附图说明
图1是本发明实施例的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统工艺流程图。
图2是本发明实施例的空气加热器的结构示意图。
图3是本发明实施例的蒸发过程空气焓湿图。
具体实施方式
现在结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统工艺流程图，本实施例的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统包括原料储罐1、进料泵2、冷凝回热器3、预热器4、蒸发室5、除尘器6、风机7、空气加热器8、循环液罐9、循环泵10。
下面以高含盐废水的蒸发过程为例进行介绍，以便于理解整套系统的运行过程：
收集工厂产生的高含盐废水于原料储罐1中，开始蒸发操作时，启动进料泵2，此时循环泵10处于关闭状态，高含盐废水经进料泵2作用，流经冷凝回热器3与载湿空气进行换热，初步升温；之后流经预热器4与高温烟气进行换热，高含盐废水被加热至指定温度，随后经溶液进口51进入蒸发室5顶部，在喷淋式液体分布器中向下喷洒，废水在孔板波纹填料中与热空气进行直接接触传热传质，热空气将显热传递给废水温度降低，废水中的水分吸收热量汽化成水蒸气后进入空气中，废水温度维持恒定。经蒸发后废水浓度提高，落入蒸发室底部，之后被引入到循环液罐9中，废水经中通管直达循环液罐9底部，循环液罐9中的浓缩液液面不断上升；废水经一次蒸发后由于蒸发量有限，浓度尚未达到处理要求，此时停止原料储罐1中的进料，开启循环泵10，抽取循环液罐9上部清液再次经溶液进口51进入蒸发室5顶部，进行循环蒸发，直至废水浓度达到处理要求。为保证蒸发系统不停机连续稳定得进行蒸发操作，采用配比的方式进行持续进料和出料，此时进料泵2和循环泵10同时开启，通过控制阀门开度调节原始废水与浓缩废水流量，使其达到能够通过一次蒸发即达到处理要求的浓度，循环液罐9中的上清液用于配比循环，底部浓缩液排出系统进行下级工艺处理。在蒸发过程中，外界空气持续不断通入系统中，在风机7的作用下经吸风口进入空气管路，经除尘器6除去微小颗粒后经空气加热器8与烟气进行换热，空气被加热至指定温度后经空气入口53进入蒸发室5底部，空气降温载湿后经空气出口54离开蒸发室5，并引入到冷凝回热器3中与原始废水进行换热，冷凝除湿后排出系统。
图2是本发明实施例的空气加热器的结构示意图。本发明利用空气的载湿能力进行蒸发，通过热空气与溶液进行直接接触传热传质，蒸发室绝热，换热过程仅在内部进行，是空气的绝热加湿过程；水分汽化所需潜热由空气显热提供，蒸发过程中空气温度逐渐降低，含湿量逐渐增大，水分汽化所吸收的潜热随水蒸气回到空气中，空气焓值在蒸发过程中几乎不变，视为等焓增湿过程，蒸发室中空气出口温度与溶液进口温度及溶液出口温度均相等，均为进口空气的湿球温度，通过调节进口空气温度进而调节蒸发温度。图3是本发明实施例的蒸发过程空气焓湿图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于，包括：原料储罐(1)、进料泵(2)、冷凝回热器(3)、预热器(4)、蒸发室(5)、除尘器(6)、风机(7)、空气加热器(8)、循环液罐(9)、循环泵(10)；原始溶液储存于原料液罐(1)中，在进料泵(2)的作用下，依次流经冷凝回热器(3)及预热器(4)之后被加热至指定温度，进入到蒸发室(5)顶部；空气在风机(7)的作用下，经除尘器(6)被吸入管道中，通过空气加热器(8)之后被加热至指定温度，自底部进入蒸发室(5)；在蒸发室(5)中，溶液与空气进行直接接触传热传质；溶液在蒸发室(5)中浓缩后自底部排出，进入循环液罐(9)中，循环液罐(9)中的浓缩液需经循环泵(10)作用，重新送入蒸发室顶部进行循环蒸发。
2.根据权利要求1所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：在蒸发室(5)中，溶液与空气进行直接接触传热传质，溶液由顶部喷淋而下，与自底部上升的空气在填料层中逆流接触，空气未达到饱和状态，因此水分不断汽化进入湿空气中，水分汽化所需潜热由空气显热提供，经传热传质后，降温增湿后的湿空气自蒸发室顶部排出，并送至冷凝回热器(3)中，与原始溶液进行冷凝换热，回收利用其中水蒸气的冷凝潜热，之后排出系统；溶液在蒸发室(5)中浓缩后自底部排出，进入循环液罐(9)中，因单次蒸发效果有限，因此，循环液罐(9)中的浓缩液需经循环泵(10)作用，重新送入蒸发室顶部进行循环蒸发，直至达到指定浓度。
3.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：驱动系统运行所需热量由高温烟气提供，其中，部分烟气通过预热器(4)与原始溶液进行换热，用于加热原始溶液至指定温度，部分烟气通过空气加热器(8)与空气进行换热，将空气加热升温至所需温度。
4.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：蒸发室(5)视为绝热设备，溶液中水分汽化所需潜热完全由空气显热提供，空气温度降低所放出的热量被水分吸收后形成水蒸气，从而将热量带回到空气中，该绝热加湿过程视为空气的等焓增湿降温过程。
5.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：系统运行过程中，在蒸发室(5)内部，空气与溶液经充分接触后湿空气达到饱和，此时蒸发室(5)的湿空气出口温度、溶液进口温度、溶液出口温度均为同一数值，即进口空气的湿球温度，取决于进口空气的状态。
6.根据权利要求2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：为达到蒸发处理要求，原始溶液初次进入蒸发室(5)蒸发浓缩后的溶液从蒸发室(5)底部引出，进入到循环液罐(9)中，此时溶液并不排出，积攒一定量后，停止进料，启动循环泵(10)，经循环液罐(9)上部清液再次送入至蒸发室(5)顶部，经多次循环蒸发后，溶液浓度达到处理要求，此时再次开启进料泵(2)，使得来自原料储罐(1)的原始溶液与来自循环液罐(9)的浓缩溶液进行混合，通过对两股溶液流量进行比例控制，使得进入蒸发室(5)的混合液经一次蒸发后即可达到处理要求，从而形成连续稳定的蒸发过程。
7.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：为确保蒸发室(5)的溶液进口(51)中的溶液温度为蒸发室(5)的空气进口(53)处的空气的湿球温度，原料储罐(1)中的原始溶液需经加热后方能与循环液进行混合；蒸发室(5)的湿空气出口(54)处饱和湿空气的温度为蒸发室(5)的空气进口(53)处的空气的湿球温度，为回收利用水蒸气冷凝潜热，设置冷凝回热器(3)使得饱和湿空气与原始溶液进行换热，湿空气经过冷凝回热器(3)后释放热量降温冷凝排空，原始溶液经过冷凝回热器(3)后吸收热量温度升高，再经预热器(4)后与高温烟气进行换热，达到蒸发室(5)的空气进口(53)处的空气的湿球温度，此时可使原始溶液与循环液进行无温差混合，混合液通过蒸发室(5)的溶液进口(51)送入至蒸发室顶部进行连续蒸发操作。
8.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：所述蒸发室(5)采用液体喷淋填料结构，蒸发室(5)的溶液进口(51)设置于壳体侧面顶部处，连接到蒸发室(5)内部的喷淋式液体分布器；蒸发室(5)的溶液出口(52)设置于壳体底部，连接到循环液罐(9)；蒸发室(5)的空气进口(53)设置于壳体侧面底部处，与空气加热器(8)相连；蒸发室(5)的空气出口(54)设置于壳体顶部，与冷凝回热器(3)相连；填料层选用孔板波纹填料或丝网填料，固定于蒸发室(5)内。
9.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：所述空气加热器(8)利用高温烟气加热大气，采用高效紧凑的板翅式换热器以强化气气换热效果。
10.根据权利要求1或2所述的基于空气绝热加湿过程的蒸发系统，其特征在于：所述循环液罐(9)用于存放经蒸发浓缩后的溶液，超过一定流量时通过循环泵(10)作用进行循环蒸发；达到所需处理浓度后，部分浓缩液自循环液罐底部排出，进行下级结晶工艺操作。
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