CN109020031A - 一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统。基于热力压缩和空气增湿除湿原理，吸收料液中水分，水分冷凝回收，料液经多次循环蒸发后，浓度不断升高，浓缩液结晶回收。系统通过蒸汽喷射泵回收循环载湿气体热能，同时实现料液加热、余热回收、冷凝水冷凝等操作。该系统具有能耗低，工艺流程简单，动设备少，能量利用率高等优点，可广泛应用于食品、制药、化工、冶金等行业中。

Description

一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统

技术领域

本发明属于蒸发浓缩领域，具体涉及一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统，广泛应用于石油化工、食品、轻工、制药、污水处理、沼液浓缩、海水淡化等行业。

背景技术

淡水是人类生存和发展的重要资源，随着社会的发展及工业经济的提速，人类对水资源的需求越来越大，与此同时，生态环境破坏，水资源污染愈加严重，保护现有水资源，充分利用水资源和治理水环境污染成为当今社会最迫切的问题。

在印染行业、线路板行业、电镀行业、炼油行业或其他有机化工行业中，往往会产生高浓度的废水(或废液)，这些废水的COD浓度很高，COD≧20000mg/L，甚至高达200000mg/L。此外往往还含有部分碱性物质和溶解盐(TDS：2-15％)。采用化学氧化法处理，比如Fenton氧化，存在药剂添加量大、处理成本高、处理后水质无法保证等问题。如果采用膜分离技术，设备简单，操作方便，但是在处理高浓度含盐废水时，膜易污染，清洗周期短，这使得膜的产水量下降，产水水质变差。

多级闪蒸过程原理如下：将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即因为过热而急速的部分气化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。

在解决水问题时，蒸发浓缩技术凭借其高效性和易操作性，被广泛应用。如被广泛用于海水淡化的多级闪蒸技术，海水在闪蒸室内因过热而急速的部分气化，产生淡水。虽然多级闪蒸有很多优点，但是在运行过程中存在操作温度高，传热效率低，能源消耗大，操作弹性小等缺点；应用更为广泛的多效蒸发浓缩系统可以有效的降低蒸发能耗，但也存在以下不足：如需多个冷凝器进行冷凝，设备投资大，冷凝效率较低，且操作条件需要在负压条件下进行，因此对运行设备的密封要求更高。机械蒸汽再压缩技术利用蒸发室内沸腾的废水蒸发出的二次蒸汽通过压缩机进行绝热压缩后，做为热源重新利用，但因其核心动设备蒸汽压缩机转速高，容易产生腐蚀、疲劳等问题，较难大规模推广。

发明内容

本发明针对现有蒸发浓缩技术的不足，提出了一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统。基于空气增湿除湿原理，即随着空气温度升高，空气的饱和含湿量增长速率不断增大的特点，通过空气与料液直接接触传热传质。料液经多次循环蒸发后，水分不断减少，其浓度不断增加，在结晶罐内结晶，回收固体物质。升温增湿后的气体，通过蒸汽喷射泵进行热力压缩，载湿气体热值增加，加热待处理料液，实现热量的回收利用，载湿气体在加热器内换热降温后，水分冷凝，冷凝水聚集回收，达到节约回收水资源的目的，本发明的蒸发浓缩方法与传统的蒸发浓缩法相比，蒸发浓缩工艺简化，操作环境更加安全可靠，并很好的实现了料液浓缩，水资源回收。装置体积紧凑，更加灵活便于安装，同时不受来源液体浓度的限制，适应范围更加广泛。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：包括喷淋填料塔6，蒸汽喷射泵7，加热器4，过滤机5，循环液罐10，冷凝水储罐1，原料储罐9，结晶罐11，风机8和泵等组成。系统主要操作步骤如下：1)原料储罐9中原液经过过滤机5去除粗粒杂质后经进料泵32输送至加热器4内加热。根据实际操作要求加热到指定温度后经管道进入喷淋填料塔6内。2)空气在引风机作用下进入蒸发室底部，与料液直接接触传热传质，空气温度升高，含湿量增加。3)载湿空气通过管道进入蒸汽喷射泵7中，蒸汽喷射泵7的一段与蒸汽相连，通过蒸汽的引射，与蒸汽混合，载湿空气的热值增加；4)混合气体进入加热器4中，加热混合料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝，通过气液分离器2，冷凝水与空气分离，空气进入喷淋填料塔6内循环上述蒸发过程；5)蒸发室内随着水分的不断循环蒸发，溶液的浓度不断升高，溶液经强制循环泵33进入循环液罐10，溶液从溢流口流出与超滤装置处理后的料液混合后，循环上述加热蒸发过程。浓度达到排除要求时，循环液罐的底部的排除阀打开，料液从排出口进入结晶罐内，进行结晶回收。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述进入加热器4内的混合料液是经过过滤机5过滤后的原液与经过循环液罐10的溢流口流出的浓缩料液混合而成，通过控制进料阀121和循环阀123的开度调节原液与浓缩液比例。具体操作如下：在蒸发浓缩操作开始时，打开进料阀121，关闭循环阀123，循环液罐10液位不断升高，当循环液罐10的液位到一定高度后，关闭进料阀121，打开循环阀123，随着蒸发浓缩过程的进行，循环料液的浓度达到指定浓度后，再次开启进料阀121，通过控制阀门开度，控制控制原沼液与浓缩沼液的流量配比，使得混合沼液的浓度经单次蒸发达到浓缩要求。

所述澄清过滤机5采用双塔过滤机，第一塔主要用于将料液中的颗粒杂质过滤掉，第二塔进行活性炭过滤，去除料液中的部分有机化合物。过滤速度较快，滤液连续，可有效过滤掉沼液中的未充分分解的沼渣和悬浮物等，且与其他澄清方法如深层过滤、滤芯过滤等相比，除掉单位质量固体的相对运转成本最低，滤液本质也能达到其他设备的运转要求。

作为优选，筛滤的构件选用微细筛网，过滤介质使用的是不锈钢的烧结网，网孔尺寸在2000-4000μm。

所述喷淋填料塔6包括第一进口管61，第一出口管62，第二进口管63，第二出口管64。第一进口管61位于喷淋填料塔6的上部，与喷淋装置相连用于混合料液的进入。喷淋装置由分配母管和喷嘴组成的网状系统，用于将进入喷淋填料塔6的混合料液雾化成无数小液滴，增加气液接触面积，所述第一出口管62位于喷淋填料塔6底部与循环泵33相连，用于浓缩料液的流出。第二进口管63与引风机相连用于载湿气体的流入，第二出口管64位于喷淋填料塔6的顶部，通过管道与蒸汽喷射泵7和加热器4相连，用于加热循环料液。

本发明设计的蒸发浓缩系统的主要热源为蒸汽，根据需要料液处理量以及所需加热温度控制蒸汽的使用量，蒸汽通过蒸汽喷射泵与升温增湿的空气混合，提高循环空气的热值。

所述蒸汽喷射泵7主要由喷嘴、喉管、混合室、扩压室等几部分组成。蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将升温增湿后的气体吸入，蒸汽在膨胀的同时压缩载湿气体，用蒸汽的裕压提高载湿气体的品位，然后通过混合室进行混合，混合后的气体通过扩压室恢复部分压力，使其达到要求的气体压力。混合气体通过蒸汽喷射泵7的第一出口管73流出进入加热器4内加热混合料液。通过调节蒸汽的流量，可得到各种压力等级的混合气体，满足加热要求。蒸汽喷射泵的节能率可达35％左右，载湿气体的余热能够得到充分回收利用，节能高效。

进一步的，混合气体经蒸汽喷射泵7流出进入加热器4内加热待加热混合料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝。经过气液分离器，冷凝水与气体分离。冷凝水进入与气液分离器2底部出口管相连的冷凝水储罐1内。根据实际情况需要，离开气液分离器2的气体可构成开式循环或强制闭式循环。

当所述的蒸发浓缩系统用于食品、制药等工业领域时，作为优选，载湿气体可选用氮气等惰性气体。气路循环采用闭式循环，此时气液分离器2气体出口处与喷淋填料塔6第二进口管63直接连通之间的气体循环阀打开，与大气相通的气液分离器2的气体出口管处阀门关闭，连接大气与风机的管道上的阀门关闭。氮气或其他气体通过循环管路在引风机作用下进入喷淋填料塔内构成强制气路循环。若气路循环过程如前述。

本发明与一种利用太阳能的废水蒸发系统(CN 104118918A)区别在于：

(1)一种利用太阳能的废水蒸发系统(CN 104118918A)中载湿气体限制为闭式循环。本发明中载湿气体为流场可在开式循环和闭式循环切换，操作更为灵活。当载湿气体为氮气等惰性气体时，闭式循环有利于系统控制，无二次污染。当载湿气体为空气时，气体可由鼓风机从大气中吸入，由引风机排空，从蒸发室排出的湿空气不需要再次进入蒸发室作为载湿气体吸收溶液中的水分，进入蒸发室的载湿空气的初始温度和含湿量较低。

(2)一种利用太阳能的废水蒸发系统(CN 104118918A)中使用了预热器加热料液和冷凝回热器回收载湿气体余热。本发明设置蒸汽喷射泵，在蒸汽喷射泵内，蒸汽与载湿空气混合，提高载湿空气热值后，直接进入加热器中加热料液，减少了冷凝回热设备的投入，操作更加灵活，方便，生产连续稳定，能满足工业中连续稳定的运行。

有益效果：本发明基于空气增湿除湿的基本原理，通过载湿气体带走加热料液中的水分，实现低温常压条件下蒸发浓缩。沼液浓度升高。蒸汽喷射泵的加入，使得升温增湿后的的气体热值增加，载湿气体与蒸汽混合后进入加热器中加热混合料液，实现在回收混合气体余热的同时，使得气体温度降低，冷凝水冷凝，水资源回收。与常规增加回热装置进行余热回收相比，投资成本更低，设备占地面积更小。因此，从成本控制、节能性以及适用性上，本发明实现了水资源回收利用、料液蒸发浓缩，结晶二次利用，在化工，沼液浓缩，海水淡化，污水处理等领域，都具有发展潜力。

附图说明

图1为本发明基于热力压缩的蒸发浓缩系统的结构流程图。

图2为本发明实施例的蒸汽喷射泵的结构说明图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。

本实施例的基于热力压缩的蒸发浓缩系统基于气体增湿除湿原理，即随着气体温度升高，气体的饱和含湿量升高，且饱和含湿量的变化速率随温度升高不断增加的特点的，充分利用气体温差产生的巨大湿度差，在常压条件下，气体与已加热料液换热传质，气体升温增湿，带走料液中的水分，实现了水资源回收，料液浓缩。同时，设置基于热力压缩原理的蒸汽喷射泵，充分利用载湿气体含有的能量，将料液加热、余热回收、冷凝水冷凝有机结合，装置紧凑、能源利用率更高。

图1为本发明一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统。图中，1为冷凝水储罐，2为气液分离器，4为加热器，5为过滤机，6为喷淋填料塔，7为蒸汽喷射泵，9为原料储罐，10为循环液罐，11为结晶罐，8为风机，31为增压泵，32为进料泵，33为循环泵。

其中带有箭头的实线均为管道，箭头标向流体流动方向。

系统工作时，原料储罐9中的料液经所述的过滤机去除粗粒杂质后，料液经所述加热器4加热到85℃后进入喷淋填料塔6内，通过喷淋装置雾化成无数小液滴后，在喷淋区和填料层与载湿气体直接接触传热传质，料液温度降低，水分蒸发，载湿气体温度升高，其含湿量不断增加，升温吸湿后的气体离开喷淋填料塔6后进入蒸汽喷射泵7内。蒸汽喷射泵7的一段与蒸汽相连，通过蒸汽的引射，与蒸汽混合。混合气体进入板翅式换热器中，加热混合料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝，通过气液分离器2，冷凝水与空气分离，冷凝水进入冷凝水储罐1内，实现水分回收。根据实际情况，气体可直接排空到大气中，也可经气体循环管道进入喷淋填料塔6内循环上述蒸发过程，完成强制气体循环。蒸发室内随着水分的不断循环蒸发，溶液的浓度不断升高，溶液经强制循环泵33进入循环液罐10，溶液从溢流口流出与过滤机处理后的料液混合后，循环上述加热蒸发过程。浓度达到排除要求时溶液从循环液罐10的底部排出口进入结晶罐11内，固体结晶回收。

图2为本发明实施例的蒸汽喷射泵7的结构说明图。蒸汽喷射泵7包括工作喷嘴79，混合室78，喉管77，扩压室76等部分，设有第一进口管71，第二进口管72，第一出口管73；第一进口管71与喷淋填料塔6相连用于升温吸湿后的气体流入，第二进口管72与蒸汽相连，蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在引流作用下，蒸汽膨胀，载湿气体压缩，载湿气体热值增加，载湿气体和蒸汽在混合室内混合，混合后的气体通过第一出口管73进入加热器4中加热循环料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝回收。

所述的蒸发浓缩系统实现了低温常压操作条件下的处理液的蒸发浓缩。利用气体的载湿能力随空气温度升高而增加的特点，料液在蒸发室内与气体循环传热传质，随着蒸发过程的进行，废液浓度不断升高，无机盐析出，在固液分离器进行回收。携带大量水分的湿空气通过蒸汽喷射泵的作用，实现热值增加，然后作为热源，加热待蒸发浓缩料液，与常规蒸发浓缩方式相比，减少了余热回收装置和冷凝装置，工艺流程更为简易，设备投资成本更低，占地面积更小，且能量利用率较高。

为了对本发明一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统有更充分的理解，下面以某化工厂高含盐废水为处理对象进行介绍。

高含盐废水主要水质指标：COD为60000mg/L，BOD₅为50000mg/L，SS含量为20000mg/L，硫酸盐质量分数达15％，固体杂质等，处理量为500kg/h。

将高含盐废水注入原液罐内，打开进料阀和进料泵，高含盐废水进入过滤机内，粗粒杂质等被截留，原料液进入加热器内加热至85℃后进入蒸发室内，经喷淋装置雾化成小液滴后喷淋而下，在喷淋区和填料层与至下而上的载湿气体直接接触传热传质。载湿气体选用空气，空气经气体分布器在蒸发室底部均匀流出，空气温度在上升过程中温度不断升高，其水分不断蒸发进入空气中，空气含湿量蒸发，高含盐废水落入蒸发室的底部，单次蒸发浓缩不足以将高含盐废水的浓度浓缩到工艺要求，高含盐废水通过循环泵进入循环液罐中，当循环液罐达到一定液位后，高含盐废水通过循环液罐的溢流口流出，循环液罐底部与结晶罐相连，用于达到处理标准的高浓度含盐废水结晶回收。系统稳定运行时，同时打开进料阀，循环阀和出料阀，进料和出料同时进行，系统处于持续运行状态，气体循环为闭式循环，系统控制简单稳定。

升温增湿后的空气至蒸发室的顶部第二出口管流出进入所述蒸汽喷射泵中，所述的载湿空气温度达78℃，含湿量为98％左右。选用蒸汽喷射泵的供热系数COP为2.7。蒸汽喷射泵一端与蒸汽相连，一端与载湿空气相连，利用蒸汽通过喷嘴时产生的高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将升温增湿后的气体吸入，蒸汽在膨胀的同时压缩载湿气体，二者混合，混合后的气体通过扩压室恢复部分压力，达到要求的气体压力，混合气体通过蒸汽喷射泵的第一出口管流出进入加热器内加热混合料液。调节蒸汽的流量，使的混合气体的压力达到0.15MPa，满足加热要求。

混合气体在加热器内与高含盐废水换热，加热器为板翅式换热器，混合气体温度降低到45℃，水分冷凝，冷凝水和空气在企业分离器中分离，冷凝水收集，空气经空气循环管路再次进入蒸发室内。冷凝水中COD为60mg/L，BOD₅为20mg/L，硫酸盐为0.2mg/l，其余重金属含量为0，低于企业污染物排放浓度限值，可回收利用。

本发明利用气体增湿除湿的特性，实现低温常压下蒸发浓缩，蒸发过程较传统蒸发方式温度更低，操作更为安全，高效环保，且无二次污染。蒸汽喷射器将载湿气体的热值增加，在加热器内将加热、回热、冷凝有机结合，在对湿空气除湿的同时充分利用载湿气体携带的大量热能(显热和潜热)加热混合溶液，大大缩短了工艺流程，提高了生产效率。可广泛应用于石油化工、食品、轻工、制药、污水处理、沼液浓缩、海水淡化等行业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内的，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：基于热力压缩和气体增湿除湿原理，吸收料液中水分，料液多次循环蒸发，水分回收，浓缩液结晶回收；它包括冷凝水储罐(1)，气液分离器(2)，加热器(4)，过滤机(5)，喷淋填料塔(6)，蒸汽喷射泵(7)，原料储罐(9)，循环液罐(10)，风机(8)和泵，所述泵包括进料泵(32)和循环泵(33)。

2.根据权利要求1所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：

所述原料储罐(9)中的原料经过滤机(5)过滤掉粗粒杂质后在进料泵(32)作用下进入加热器(4)中加热；料液经所述加热器(4)加热到指定温度后进入所述喷淋填料塔(6)中，与载湿气体逆流传热传质；料液落入喷淋填料塔(6)的底部，在循环泵(33)作用下流入循环液罐(10)，料液通过所述循环液罐(10)的溢流口流出与经过所述过滤机(5)过滤后的原液混合，重复上述蒸发浓缩过程；载湿气体升温增湿后进入蒸汽喷射泵(7)，通过蒸汽的裕压提高载湿气体的品位，并与蒸汽混合，混合气体进入加热器(4)加热循环料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝；降温除湿后的气体和冷凝水在气液分离罐(2)内分离，冷凝水流入冷凝水储罐(1)内；降温除湿的气体经气体循环管路在风机(8)作用下进入所述喷淋填料塔(6)内，完成气路循环。

3.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：所述系统根据实际生产情况，适应不同应用场合，原液可为沼液、海水、工业废水等。

4.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：它还包括结晶罐(11)，所述喷淋填料塔(6)通过管道与循环泵(33)、循环液罐(10)相连组成料液循环通路；所述循环液罐(10)底部与结晶罐(11)相连，用于进入结晶罐的固体结晶回收。

5.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：所述喷淋填料塔(6)包括第一进口管(61)，第一出口管(62)，第二进口管(63)，第二出口管(64)；所述第一进口管(61)与喷淋装置相连，用于加热料液的均匀流出，强化直接接触传热传质效果；所述第一出口管(62)与循环泵(33)相连，用于浓缩料液的流出；所述第二进口管(63)位于喷淋填料塔(6)的底部，用于载湿气体的流入，第二出口管(64)位于喷淋填料塔(6)的顶部，通过管道与蒸汽喷射泵(7)和加热器(4)相连，用于加热循环料液。

6.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：所述蒸汽喷射泵(7)包括喷嘴，混合室，喉管，扩压室等部分，设有第一进口管(71)，第二进口管(72)，第一出口管(73)；第一进口管(71)与喷淋填料塔(6)相连用于升温吸湿后的气体流入，第二进口管(72)与蒸汽相连，蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在引流作用下，蒸汽膨胀，载湿气体压缩，载湿气体热值增加，载湿气体和蒸汽在混合室内混合，混合后的气体通过第一出口管(73)进入加热器(4)中加热循环料液，混合气体温度降低，冷凝水冷凝回收。

7.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：所述泵还包括增压泵(31)，所述加热器(4)，设有第一进口管(41)，第一出口管(42)，第二进口管(43)，第二出口管(44)；所述第一进口管(41)通过管道与增压泵(31)相连用于混合料液进入，混合料液和混合气体逆流流动；所述第一出口管(42)与喷淋填料塔(6)的第一进口管61相连；第二进口管(43)与蒸汽喷射泵(7)的第一出口管(73)相连，第二出口管(44)与气液分离罐(2)相连。

8.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：所述气液分离罐(2)用于分离冷凝水与载湿气体，所述气液分离罐(2)的第二出口管(23)位于气液分离罐(2)底部与冷凝水储罐(1)相连用于冷凝水流出，气体通过第一出口管(22)流出。

9.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：系统达到稳定运行时需要经历三个阶段，即进料阶段、自循环阶段和稳定运行阶段；进料阶段，打开进料阀(121)，关闭出口阀(122)和循环阀(123)，启动进料泵(31)和增压泵(32)，并开始加热料液；自循环阶段，当喷淋填料塔(6)和循环液罐(10)内的液位达到一定高度后，停止进料泵(31)，关闭进料阀(121)，打开循环阀(123)并启动循环液泵(33)，保持蒸发浓缩状态；稳定运行阶段，监控循环液罐内循环料液浓度，当其达到所需浓度时，打开出口阀(122)，并再次开启进料阀(121)，启动进料泵(31)，通过控制阀门开度，控制原沼液与浓缩沼液的流量配比，使得混合沼液的浓度经单次蒸发达到浓缩要求。

10.根据权利要求2所述的基于热力压缩的蒸发浓缩系统，其特征在于：离开气液分离罐的气体根据应用场合不同，可直接排空到大气中，也可经气体循环管道进入喷淋填料塔内循环上述蒸发过程，完成强制气体循环。