CN108744571B - 一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法及装置，属于溶液低成本高效热分离领域。装置由气隙扩散蒸馏器、加热器、溶液泵及管路组成；气隙扩散蒸馏器由气隙板隔开并交错布置的冷、热流道板和端板构成；冷溶液先流经冷流道板，吸收经其板壁传递的冷凝热而升温，再经加热器加热成热溶液后，流经热流道板，在板的气液固界面处溶液蒸发并经气隙扩散至冷流道板壁处被冷凝成液体，浓缩后的溶液及冷凝液流出气隙扩散蒸馏器，完成分离或浓缩。本发明的优势是：1)装置常压操作，安全可靠，可用金属或非金属材料制作，用于包括海水淡化在内的各种盐溶液、过滤后的污水以及强腐蚀性溶液的分离或浓缩；2)可利用各类低温热源加热且分离过程热量被有效利用，分离能耗和运行费用低；3)装置结构简单、紧凑，易于维护，造价低廉。

Description

一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法及装置

技术领域

本发明属于溶液高效热低成本分离领域，涉及一种以低品位热源驱动的溶液高效低成本分离方法及装置。

背景技术

蒸馏分离法是一种常见的热分离方法，被广泛应用于浓缩、分离、提纯以及海水淡化等领域。其优点是分离过程中不需要使用系统组分以外的溶剂，从而保证不会引入新的杂质，并可以用低品位热作为分离装置的驱动热源。常规蒸馏方法可分为热蒸馏和膜蒸馏两大类。实际工程最常用的低温多效蒸馏和多级闪蒸蒸馏属于热蒸馏法，它们均可以利用低品位热源实现溶液的分离。但当需分离的溶液中溶剂沸点较高时，热蒸馏分离过程需要在真空条件下进行，要求热蒸馏装置具有较高刚性以抵抗因设备内部真空所引起的内外压差，从而导致热蒸馏装置的金属耗材量大，造价昂贵。

膜蒸馏法是一种较新是蒸馏方法，有气隙膜蒸馏和直接接触膜蒸馏两类。其工作原理是在微孔蒸馏膜冷、热侧溶剂分压力差作用下，高温侧溶液中的溶剂分子通过蒸馏膜孔迁移到低温侧，从而达到分离的目的。与传统的热蒸馏法相比，膜蒸馏法具有结构简单，设备紧凑，操作维护方便等优点。但缺点也较明显，如：蒸馏膜价格较高、蒸馏通量较小、蒸馏膜易结垢并堵塞膜孔使蒸馏通量减小、膜孔阻力大以及膜两侧的浓度和温度极化使得溶剂分子通过膜时的热、质传递阻力增大，抑制了膜蒸馏的热效率。由于膜蒸馏这些缺陷的存在，限制了膜蒸馏技术在实际工程中的应用。

因此，本发明通过吸收上述两大类蒸馏法的优点并克服其缺点，提出了“一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法及装置”。由于溶液蒸馏过程是在常压下进行，内外部无压力差，装置制作所使用材料可用金属和非金属材料。在气隙扩散蒸馏器内利用润湿性良好的多孔材料作为热溶液通道，用来约束并控制热溶液的流动。多孔材料构成的热溶液流道与冷溶液流道之间由气隙隔开，热溶液与气隙中的空气直接接触而蒸发，蒸汽经气隙扩散至冷溶液流道的冷凝壁面处作冷凝放热，加热流经冷溶液流道内的冷溶液，通过回收冷凝热来提高气隙扩散蒸馏装置的热分离效率。

发明内容

针对现有热蒸馏分离技术的不足，本发明提出了一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法和装置。该方法采用冷、热流道交替布置且用空气隙将其隔开的结构形式。待分离的冷溶液在冷溶液流道内作自下而上流动与热溶液形成逆流流动，并不断吸收冷凝壁面传递过来的冷凝热量使其温度逐渐升高，以达到热量回收的目的。温度升高后的冷溶液流出气隙扩散蒸馏器，在加热器内作进一步加热后作为热溶液进入气隙扩散蒸馏器各个热溶液流道。采用具有一定厚度的具有良好润湿性和高渗透性的多孔材料板取代气隙膜蒸馏装置中蒸馏膜并作为热溶液流道，用以约束并控制热溶液流动。在重力作用下，热溶液在多孔材料板内作自上而下流动并向流道两侧面扩散，在两侧气液固界面处热溶液与空气直接接触。在气隙两侧温度差作用下，热溶液在多孔材料表面蒸发，蒸汽通过气隙扩散至冷溶液流道壁面处被冷凝成冷凝液，从而实现溶液热分离的目的。

为了达到上述的目的，本发明的技术解决方案为：

一种常压操作的气隙扩散蒸馏装置，对溶液进行蒸馏分离，包括浓缩液泵1、气隙扩散蒸馏器2、加热器3、冷凝液泵4、冷溶液泵5、以及各部件连接所涉及的管路。所述的气隙扩散蒸馏器2包括端板9、冷溶液流道板6、热溶液流道板7、气隙隔板8、以及紧固组件10。

冷溶液经冷溶液泵5加压后通过分支管路流入气隙扩散蒸馏器2内的各冷溶液流道板6内，冷溶液自下而上在冷溶液流道板6内流动，流经冷溶液流道板6的同时吸收其板壁传递的冷凝热，温度升高后流出气隙扩散蒸馏器2，经其分支管路汇合后流经加热器3进一步升温成为热溶液。热溶液再经其分支管路流入气隙扩散蒸馏器2内的各热溶液流道板7，在重力的作用下，热溶液在热溶液流道板7中作自上而下流动，并在热溶液流道板7两侧的气液固界面处蒸发，温度逐低；蒸发出的蒸汽经气隙隔板8的气隙扩散至冷溶液流道板6板壁凝结成冷凝液，冷凝热被冷溶液吸收。浓缩并降温后的热溶液与冷凝液在各自出口流出气隙扩散蒸馏器2，并经各自分支管路汇集后，热溶液由浓缩液泵1抽出，冷凝液由冷凝液泵4抽出。

所述的待分离溶液可以是各类盐水、酸或碱液、过滤后的污水以及其他可以采用热分离方式进行分离的溶液；根据需分离的溶液对材料的腐蚀性，气隙扩散蒸馏装置中各部件材料也作相应调整。

所述的加热器3的驱动热源可以是热水，乏汽，烟气，载热介质等各种低品位热源。

所述的气隙扩散蒸馏器是一种可拆装器件，通过增/减冷、热溶液流道板6、7和气隙隔板8的数量来满足溶液处理量的需求。所述的冷溶液流道板6和热溶液流道板7交替布置并由气隙隔板8隔开，冷溶液流道板6既作为冷溶液流道又作为冷凝壁板，通过紧固组件10固定。紧贴两端板9布置冷溶液流道可降低装置的散热损失，此时，冷溶液流道板比热溶液流道板多一块。

所述的热溶液流道板7是由框架和具有良好润湿性和渗透性的多孔材料板组成；所述的框架用于固定多孔材料板，可用金属或非金属材料制作，框架内设有溶液分布和汇聚槽道以及溶液进、出口；所述的多孔材料板由非金属或金属编织料制成，具有良好润湿性和渗透性，对于不同粘度或浓度的溶液，可通过多孔材料板的孔隙率大小来约束和控制溶液的流动，在多孔材料板两侧溶液与空气直接接触而蒸发，蒸发出的蒸汽进入气隙并扩散至冷溶液流道板壁面。多孔材料需要满足：(1)孔隙率在30％～80％之间，需根据溶液粘度和设计流速来确定合适的孔隙率；(2)具有高的润湿性和渗透性；(3)在热溶液温度下不发生大的变形；(4)不与热溶液产生化学反应，不会被热溶液腐蚀。

所述的冷溶液流道板6是一侧边上下设有溶液进出、口，内部设有流道的板状部件，可以用金属或非金属材料制作，板壁兼作冷凝壁面，溶液在其内部流动时吸收来自板壁的冷凝热。

所述的气隙隔板8是一框架结构的隔板，其下部设有冷凝液汇聚槽和冷凝液出口，两侧面设有嵌入型环状密封胶条用于气隙扩散蒸馏器内各板组装并夹紧后板与板之间的密封。

一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，热溶液在多孔材料流道内流动并在气液固界面处直接蒸发，蒸汽通过气隙扩散到冷溶液流道壁面处作冷凝放热并加热冷溶液使其温度升高；常压操作的气隙扩散蒸馏方法包括以下三个过程：

过程一：待分离的冷溶液自气隙扩散蒸馏器2下部进入冷溶液流道板6并作自下而上流动，不断吸收从冷凝壁面传导而来的蒸汽凝结热，温度升高后流出气隙扩散蒸馏器2；

过程二：流出气隙扩散蒸馏器2的冷溶液在加热器3内被低品位热源进一步加热成为热溶液，在加热器3内溶液升温幅度控制在5℃～20℃之间，并不超过溶液的沸点温度，流出加热器3；

过程三：来自加热器3的热溶液经分支管路从气隙扩散蒸馏器上部进入，流入热溶液流道板7中，在重力作用下以渗流流动方式作自上而下流动并向两侧扩散，在气液固界面处热溶液蒸发而温度降低；蒸发出的蒸汽经气隙扩散至冷溶液流道壁面凝结成冷凝液；浓缩并降温后的热溶液以及冷凝液流出气隙扩散蒸馏器2，并经各自分支管路汇集后，由浓缩液泵1、冷凝液泵4抽出，从而实现溶液的分离、浓缩和热量回收。

本发明的有益效果是：(1)装置结构简单，设备紧凑，操作方便，蒸馏过程在常压下进行，对材料没有较高的强度和刚度要求，制造成本低；(2)可以分离包括具有强腐蚀性溶液在内的各种无机或有机溶液；(3)可以利用各种低品位热源作为加热热源；(4)分离出的溶剂蒸汽的冷凝热被直接回收用来加热冷溶液，装置内不再需要设置冷凝器和溶液预热器；(5)根据溶液分离的需求，可以通过增/减冷、热溶液流道和气隙板块数来实现；(6)装置占地面积小，运行安静，工作寿命长；(7)可以通过增加冷、热热源流道高度来提高分离热效率。

附图说明

图1为一种常压操作的气隙扩散蒸馏装置整体结构与溶液蒸馏分离流程图。

图2为一种常压操作的气隙扩散蒸馏器结构示意图。

图中：1浓缩液泵；2气隙扩散蒸馏器；3加热器；3a加热热源出口；3b加热热源入口；3c冷溶液入口；3d热溶液出口；4冷凝液泵；5冷溶液泵；6冷溶液流道板；6a冷溶液进口；6b冷溶液出口；6c冷凝壁板；7热溶液流道板；7a热溶液进口；7b浓缩液出口；7c溶液蒸发面；8气隙隔板；8a冷凝液出口；9端板；10紧固组件。

附图中箭头所指的方向为溶液的流动方向，虚线为加热热源工质，点划线为冷溶液流股，双点划线为浓缩液流股，三点划线为冷凝液流股，实线为热溶液流股。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施过程。

一种常压操作的气隙扩散蒸馏装置，对溶液进行蒸馏分离，包括浓缩液泵1、气隙扩散蒸馏器2、加热器3、冷凝液泵4、冷溶液泵5、以及各部件连接所涉及的管路。所述的气隙扩散蒸馏器2包括端板9、冷溶液流道板6、热溶液流道板7、气隙隔板8、以及紧固组件10。

在常压下由气隙板8隔离的冷、热流道板6、7交错布置，冷、热溶液作逆向流动。冷溶液经冷溶液泵5加压后通过分支管路流入气隙扩散蒸馏器2各冷溶液流道板6内，冷溶液自下而上在冷溶液流道板6内流动，同时吸收其板壁传递的冷凝热，温度升高后流出气隙扩散蒸馏器2，经其分支管路汇合后流经加热器3进一步升温成为热溶液。热溶液再经其分支管路流入气隙扩散蒸馏器2各热溶液流道板7，在重力的作用下，热溶液在热溶液流道板7中作自上而下流动并向两侧面扩散，在热溶液流道板7两侧的气液固界面处热溶液蒸发，温度降低。蒸发出的蒸汽经气隙隔板8的气隙扩散至冷溶液流道板6板壁凝结成冷凝液，冷凝热被冷溶液吸收。浓缩并降温后的热溶液与冷凝液在各自出口流出气隙扩散蒸馏器2，并经各自分支管路汇集后，热溶液由浓缩液泵1抽出，冷凝液由冷凝液泵4抽出，完成溶液分离。

所述的加热器3的驱动热源由加热热源入口3b、加热热源出口3a；进出加热器。

一种常压操作的气隙扩散蒸馏的方法和装置在对溶液进行蒸馏分离时经历以下三个过程：

过程一：待分离的冷溶液经冷溶液泵5加压并经分配管路和冷溶液进口6a进入气隙扩散蒸馏器2内的各冷溶液流道板6并作自下而上流动，在流动过程中不断吸收从其壁板传递来的冷凝热使冷溶液温度升高，然后从冷溶液出口6b流出气隙扩散蒸馏器2。

过程二：升温后的冷溶液经冷溶液汇集管汇集后流经加热器3被低品位热源加热，温度继续升高成为热溶液，溶液在加热器内升温幅度控制在5℃～20℃之间且不超过溶液沸点温度，然后流出加热器3。

过程三：来自加热器3的热溶液经分支管路和气隙扩散蒸馏器2上部热溶液进口7a流入热溶液流道板7，在重力的作用下热溶液自上而下流经主要由多孔材料制成的热溶液流道板7并向溶液蒸发面7c扩散，在溶液蒸发面7c处热溶液蒸发，蒸发出的蒸汽通过气隙扩散至冷溶液流道板6的冷凝壁板6c侧，并在其壁面凝结成冷凝液；在重力的作用冷凝液通过冷凝液出口6b流出气隙扩散蒸馏器2并通过冷凝液汇聚管由冷凝液泵4抽出；热溶液在自上而下流动过程中因溶液蒸发导致温度逐渐降低，浓度逐渐升高，最终通过浓溶液出口7b流出气隙扩散蒸馏器2，并通过浓缩液泵1抽出。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，包括以下三个过程：

过程一：待分离的冷溶液自气隙扩散蒸馏器(2)下部进入冷溶液流道板(6)并作自下而上流动，不断吸收从冷凝壁面传导而来的蒸汽凝结热，温度升高后流出气隙扩散蒸馏器(2)；

过程二：流出气隙扩散蒸馏器(2)的冷溶液在加热器(3)内被低品位热源进一步加热成为热溶液，在加热器(3)内溶液升温幅度控制在5℃～20℃之间，并不超过溶液的沸点温度，流出加热器(3)；

过程三：来自加热器(3)的热溶液经分支管路从气隙扩散蒸馏器上部进入，流入热溶液流道板(7)中，在重力作用下以渗流的流动方式作自上而下流动并向两侧扩散，在气液固界面处热溶液蒸发而温度降低；蒸发出的蒸汽经气隙扩散至冷溶液流道壁面凝结成冷凝液；浓缩并降温后的热溶液以及冷凝液流出气隙扩散蒸馏器(2)，并经各自分支管路汇集后，由浓缩液泵(1)、冷凝液泵(4)抽出，从而实现溶液的分离、浓缩和热量回收；

装置包括浓缩液泵(1)、气隙扩散蒸馏器(2)、加热器(3)、冷凝液泵(4)、冷溶液泵(5)、以及各部件连接所涉及的管路；所述的气隙扩散蒸馏器(2)包括端板(9)、冷溶液流道板(6)、热溶液流道板(7)、气隙隔板(8)；

冷溶液经冷溶液泵(5)加压后通过分支管路流入气隙扩散蒸馏器(2)内的各冷溶液流道板(6)内，冷溶液自下而上在冷溶液流道板(6)内流动，流经冷溶液流道板(6)的同时吸收其板壁传递的冷凝热，温度升高后流出气隙扩散蒸馏器(2)，经其分支管路汇合后流经加热器(3)进一步升温成为热溶液；热溶液再经其分支管路流入气隙扩散蒸馏器(2)内的各热溶液流道板(7)，在重力的作用下，热溶液在热溶液流道板(7)中作自上而下流动，并在热溶液流道板(7)两侧的气液固界面处蒸发，温度逐低；蒸发出的蒸汽经气隙隔板(8)的气隙扩散至冷溶液流道板(6)板壁凝结成冷凝液，冷凝热被冷溶液吸收；浓缩并降温后的热溶液与冷凝液在各自出口流出气隙扩散蒸馏器(2)，并经各自分支管路汇集后，热溶液由浓缩液泵(1)抽出，冷凝液由冷凝液泵(4)抽出；

所述的气隙扩散蒸馏器是一种拆装器件，通过增/减冷、热溶液流道板(6)、(7)和气隙隔板(8)的数量来满足溶液处理量的需求；所述的冷溶液流道板(6)和热溶液流道板(7)交替布置并由气隙隔板(8)隔开，冷溶液流道板(6)既作为冷溶液流道又作为冷凝壁板；

所述的冷溶液是各类盐水、酸或碱液、过滤后的污水以及其他采用热分离方式进行分离的溶液；根据需分离的溶液对材料的腐蚀性，气隙扩散蒸馏装置中各部件材料也作相应调整。

2.根据权利要求1所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的冷溶液流道板(6)紧贴两端板(9)布置，降低装置的散热损失，此时，冷溶液流道板(6)比热溶液流道板(7)多一块。

3.根据权利要求1或2所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的热溶液流道板(7)是由框架和多孔材料板组成；所述的框架用于固定多孔材料板，框架内设有溶液分布和汇聚槽道以及溶液进、出口；所述的多孔材料板由非金属或金属编织料制成，用于约束和控制溶液的流动；多孔材料需要满足：1)孔隙率在30％～80％之间，需根据溶液粘度和设计流速来确定合适的孔隙率；2)具有高的润湿性和渗透性；3)在热溶液温度下不发生大的变形；4)不与热溶液产生化学反应，不会被热溶液腐蚀。

4.根据权利要求1或2所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的气隙隔板(8)是一框架结构的隔板，其下部设有冷凝液汇聚槽和冷凝液出口，两侧面设有嵌入型环状密封胶条用于气隙扩散蒸馏器(2)内各板组装并夹紧后板与板之间的密封。

5.根据权利要求1或2所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的冷溶液流道板(6)是一侧边上下设有溶液进出、口，内部设有流道的板状部件，用金属或非金属材料制作，板壁兼作冷凝壁面，溶液在其内部流动时吸收来自板壁的冷凝热。

6.根据权利要求3所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的冷溶液流道板(6)是一侧边上下设有溶液进出、口，内部设有流道的板状部件，用金属或非金属材料制作，板壁兼作冷凝壁面，溶液在其内部流动时吸收来自板壁的冷凝热。

7.根据权利要求4所述的一种常压操作的气隙扩散蒸馏方法，其特征在于，所述的冷溶液流道板(6)是一侧边上下设有溶液进出、口，内部设有流道的板状部件，用金属或非金属材料制作，板壁兼作冷凝壁面，溶液在其内部流动时吸收来自板壁的冷凝热。

Images