CN109432806A - 一种溶液低温蒸发的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种溶液低温蒸发的装置，包括溶液储存系统、溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统、控制系统；所述的溶液储存系统，包括原液罐、冷凝液罐、浓液罐、原液泵、冷凝液泵、浓液泵等。溶液循环系统，要包括循环泵、溶液蒸发器、溶液循环池、溶液加热器等。所述循环风系统，主要包括循环风机、循环风管等。热媒系统包括热媒循环泵、热媒/溶液换热器、热媒/制冷剂换热器等。所述的制冷系统，主要包括制冷剂压缩机、制冷剂冷凝器、制冷剂蒸发器、膨胀器/阀等。所述的控制系统，主要包括温度、压力、流量等检测仪表及自动调节/开关阀和显示屏、控制软件。

Description

一种溶液低温蒸发的方法和装置
技术领域
本发明属于化工、环境保护等技术领域，涉及溶液的蒸发浓缩的方法和装置，特别适用于热敏性溶液、特殊废水废液的浓缩和溶剂回收等。
背景技术
化工、医药、食品等行业生产过程中经常遇到热敏性溶液蒸发浓缩，这些溶液不能在高温下操作。我国电力、机加工、化工、纺织、造纸等行业产生大量的工业废液，还有很多的学校、医院等特殊危废的废水产生。且这些废水很多是产生量小、处理费用高，给各单位造成很大的经济和管理负担
溶液普遍采用的处理方法是蒸发浓缩法。蒸发浓缩法是借助外部热源使溶液的部分较低沸点溶剂汽化，再经冷凝后成为溶质含量极低的冷凝液而得以净化，不挥发溶质保留在浓缩液中，得到浓缩。由于蒸发法具有净化系数高，浓缩倍数大，理论与技术相对成熟的优点，在废液处理中也得到了广泛的研究和应用。虽然蒸发浓缩法已有所改进和发展，延伸出如低压蒸发法、减压蒸发浓缩法、外循环减压蒸发法、MVC(机械蒸汽压缩蒸发)法、SAGD(蒸汽辅助重力泄油)法等等，但是此方法投资大、运行费用高、占地多，难以适用于废水排放量小、杂质成分复杂及热敏性溶液的处理上。
中国专利CN106621420A公布了一种液体浓缩除水设备，用于工业废液的浓缩除水，包括热质交换装置、冷凝器、压缩机以及气液分离装置。热质交换装置具有设置在其内部中部的填料函以及设置在其内部底部的废液容纳室，该热质交换装置的顶部具有工业废液注入口，底部具有浓缩废液排出口，侧部具有空气入口；冷凝器具有与废液容纳室连通的入口以及与热质交换装置的顶部连通的出口；压缩机分别与热质交换装置的顶部及冷凝器连通；气液分离装置具有相互连通的回热器以及气液分离单元。此技术靠循环风的压缩来冷凝液，压缩电耗高，运行费用高，且不能较好地调节运行温度，无法广泛适用复杂的溶液。
发明内容
本发明主要目的在于，提供一种溶液低温蒸发的方法和装置，以用经济、高效的方法解决热敏性溶液、含低沸点溶质、处理量小等溶液的处理的问题，特别适用于热敏性溶液、特殊废水废液的浓缩和溶剂回收等。
本发明的技术方案是：溶液低温蒸发的方法和装置，主要包括五个主要组成部分：溶液储存系统、溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统、控制系统；
所述的溶液储存系统，包括原液罐、冷凝轻液罐(轻液罐)、浓液罐、原液泵、冷凝液泵、浓液泵；原液罐用于存储原溶液，向蒸发装置提供原料；冷凝液罐用于收集存储蒸发冷凝的冷凝轻液，(冷凝轻液能够进行资源化再利用)；浓液罐用于收集储存溶液蒸发后的剩余浓溶液；溶液系统的流程为：原液罐-原液泵-溶液循环池-浓液泵/阀-浓液罐，冷凝轻液流程：循环风冷却器(制冷剂蒸发器)-冷凝轻液罐；
所述溶液循环系统，包括溶液循环泵、溶液/热媒换热器、溶液蒸发器、溶液循环池、溶液加热器等；溶液循环系统中组件按下述顺序连接且溶液按下述流程运行：溶液循环泵-溶液/热媒换热器-溶液蒸发器-溶液循环池(溶液加热器)-溶液循环泵；
所述的热媒系统，主要包括热媒循环泵、热媒/溶液换热器、热媒/制冷剂换热器(制冷剂冷凝器)等，热媒系统中组件按下述顺序连接且溶液按下述循环流程：热媒循环泵-热媒/溶液换热器-热媒/制冷剂换热器(制冷剂冷凝器)-热媒循环泵；
所述的制冷系统，主要包括制冷剂压缩机、制冷剂冷凝器(热媒/制冷剂换热器和/或空气冷凝器)、制冷剂蒸发器、膨胀器/阀等；制冷系统循环流程为：制冷剂压缩机-制冷剂冷凝器(热媒/制冷剂换热器和/或空气冷凝器)-膨胀器/阀-制冷剂蒸发器-制冷剂压缩机；
所述的控制系统，主要包括温度、压力、流量等检测仪表及自动阀和显示屏、执行上述流程的对上述自动阀、泵和风机进行控制的软件等。
所述循环风系统，包括循环风机、循环风管等，循环风系统的循环风经循环风管循环流程为：循环风机-溶液蒸发器-循环风冷却器(制冷剂蒸发器)-循环风机。循环风冷却器即对制冷剂蒸发器的冷量散出。
除原液罐、冷凝轻液罐(轻液罐)、浓液罐，溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统及控制系统为核心组成部分，可以置于撬装箱体内；溶液储存系统为辅助系统，溶液储存系统中的设备可以根据装置使用条件进行组合和增减。溶液储存系统的原液罐、冷凝轻液罐(轻液罐)、浓液罐置于撬装箱体外。
根据上述溶液低温蒸发的系统进行低温蒸发的方法，原液罐原溶液由原液泵泵入溶液循环池，经溶液循环处理后由浓液泵泵入浓液罐；溶液循环处理指溶液循环池进入所述溶液循环系统：溶液循环泵将原液泵入溶液/热媒换热器加热、溶液蒸发器蒸发出的轻液流进入冷凝轻液流程，经加热蒸发的原液再进入溶液循环池循环，直到浓缩液达到额定浓缩倍数或轻液流减低到额定值时，溶液循环泵将浓缩残液流入浓液罐；浓液罐用于收集储存溶液蒸发后的剩余浓溶液；
冷凝轻液流程：蒸发出的含溶剂的气流流经循环风冷却器即制冷剂蒸发器冷却后产生冷凝轻液进入冷凝轻液罐、或冷却后经过一个三通，部分轻液冷凝至轻液罐，部分回流至溶液循环池)；冷凝液罐用于收集存储蒸发冷凝的冷凝轻液(冷凝轻液能够进行资源化再利用)；
溶液/热媒换热器由热媒系统提供，由热媒循环泵泵出热媒/溶液换热器经热媒/制冷剂换热器(制冷剂冷凝器)再回到热媒循环泵；将制冷系统中制冷剂冷凝器的放热热量流到热媒/溶液换热器。
所述的制冷系统中制冷剂蒸发器用于蒸发出轻液流冷却提供冷量；
可以设有所述循环风系统中循环风机、循环风管等，循环风系统的循环风经循环风管循环流程为：循环风机-溶液蒸发器-循环风冷却器(制冷剂蒸发器)-循环风机；
所述的控制系统，主要包括温度、压力、流量等检测仪表及自动阀和显示屏、执行上述流程的对上述自动阀、泵和风机进行控制的软件等。
根据溶剂的沸点、溶液蒸发速率及溶剂回收要求选择进入溶液蒸发器的溶液温度，要求回收溶剂杂质少时，取低的温度；要求蒸发速率高时取高的温度。
根据进入溶液蒸发器的(原液罐轻液浓液的温度)溶液温度选择热媒、制冷剂以及制冷系统的蒸发温度和冷凝温度。
在溶液腐蚀性弱时优选直接用溶液与制冷剂在制冷剂冷凝器中换热，不采用热媒传热。
循环风在循环风机的动力作用下进入溶液蒸发器，与通过热媒换热器或再经电加热器加热后的溶液进行传质，在两者蒸气压差的作用下，溶剂蒸气从溶液表面向循环风进行迁移，溶液得到蒸发，循环风含湿量增大，高湿度的循环风在出废水溶液蒸发器后进入制冷剂蒸发器，与制冷剂进行换热，当循环风温度降到对应的露点温度以下时，循环风中所含的溶剂蒸气凝聚析出，凝聚的溶剂收集排出到冷凝轻液箱进行回收利用，同时含湿量减少的循环风重新通过循环风机循环；
在热媒循环中通过热媒在制冷剂冷凝器与热媒/溶液换热器间的循环将制冷剂冷凝释放的热量带给溶液，以溶液达到进溶液蒸发器所需温度。
在制冷循环中制冷剂经制冷压缩机吸入压缩后，温度、压力升高，形成高温高压的气态制冷剂，在制冷剂冷凝器中对热媒进行加热，因在整个循环过程中会产生能量剩余，为保证系统正常运行，在制冷剂冷凝器串联一个空气冷凝器从而达到能量平衡，冷凝成液态的制冷剂经热力膨胀器后降温降压进入制冷剂蒸发器吸收循环风热量后蒸发，之后重新进入制冷压缩机中完成下一个循环。
原溶液通过溶液进液泵进入溶液循环池。
溶液在溶液循环泵的驱动下从溶液循环池中抽取进入制冷剂冷凝器进行加热，加热后的溶液进入溶液蒸发器中蒸发溶剂，溶液从溶液蒸发器中流入溶液循环池进行再循环。溶液循环池中的溶液减量到所需体积，达到要求的最终浓度时，通过排液泵或排液阀将浓溶液排出到浓溶液罐。
作为本发明的一个优选方案，在溶液腐蚀性弱时不采用热媒传热，直接用溶液与制冷剂在制冷剂冷凝器中换热。
所述溶液蒸发器置于箱体内一侧，优选逆流工艺，其顶部或出口设置除雾器，气液接触部位采用填料，溶液分布采用多孔分布器。
所述制冷剂蒸发器与溶液蒸发器相连，且制冷剂蒸发器优选置于箱体顶部，冷凝轻液出口高于箱体外的轻液罐，以实现轻液自流避免箱体内设置轻液箱和轻液泵。
所述的控制逻辑至少包括：
当溶液循环池液位低于或等于低低位、且原溶液罐液位高于或等于低位时，开进液电磁阀，再开进液泵。
当溶液循环池液位等于高位、或原溶液罐液位低于或等于低位时，停进液泵，再关进液电磁阀。
当溶液循环池液位低于低位且高于低低位、且浓液罐液位低于高位时，且溶液循环泵开启时，开排液电磁阀，关溶液蒸发器喷淋电磁阀。
当溶液循环池液位等于低低位、或浓液罐液位高于或等于高位时，关排液电磁阀、开溶液蒸发器喷淋电磁阀。
当溶液循环池液位低于或等于低低位，且原溶液罐液位低于低位时全系统停止。
当轻液罐液位高于或等于高位时，全系统停止。
全系统启动顺序控制为：溶液循环池进液-启动溶液蒸发循环-启动循环风-启动制冷循环
全系统停止顺序控制：停制冷循环-停循环风-停溶液蒸发循环。
本发明采用的低温蒸发是相对于高温蒸发、沸腾蒸发的在常压下进行一种蒸发方法，适用于高沸点溶质的浓缩和低沸点溶质的精馏等。尤其是采用低温蒸发法处理含水率较高的高沸点危险废弃物，不仅可以避免浓缩处理过程中污染物组分蒸发产生夹带或者发生化学反应等问题，还可以避免高温蒸发浓缩对高品位热源的要求，实现低品位热源的回收利用。因此，为避免高沸点工业废液浓缩处理过程中污染物组分蒸发，二次污染环境空气，设计了一套利用制冷系统进行低温蒸发浓缩溶液的处理装置，采用常压低温的蒸发技术，实现高沸点、热敏性溶液的蒸发浓缩，且溶液低温蒸发的装置可以集成化、撬装化，更适用于小型化、流动性的溶液处置、最大限度的降低处理成本，特别适用于特殊废水的减量化处理。另外，热媒的使用可以避免溶液与制冷剂直接换热对制冷剂冷凝器等设备的腐蚀且提高了装置的蓄热能力，使装置更稳定更可靠。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明工艺可使溶液蒸发在常压低温下进行，不仅能适应热敏性溶液的蒸发，而且减少溶液中杂质的挥发，提高回收溶剂的品质，以回收利用。
2)采用本发明工艺可适应不同规模的处理量需要，可以将装置制作成集成的撬装式，特别适用于溶液处理量小的情况。
3)本发明充分利用制冷系统的热量和制冷量，运行成本降低。
4)热媒的使用可以避免溶液与制冷剂直接换热对制冷剂冷凝器等设备的腐蚀且提高了装置的蓄热能力，使装置更稳定更可靠。
本发明利用低温蒸发技术对溶液进行蒸发浓缩处理、溶剂回收，特别适用于特殊废水、废液的减量化处理，可使溶液体积缩小80％以上，浓度增加4倍以上。
附图说明：
图1为本发明一种溶液低温蒸发的方法和装置的示意图。
图中，1-溶液蒸发器 2-溶液循环池 3-热媒/溶液换热器 4-溶液循环泵 5-热媒循环泵 6-循环风机 7-制冷剂蒸发器 8-制冷剂压缩机 9-制冷剂冷凝器10-空气冷凝器11-膨胀器 12-轻液罐 13-浓液罐 14-原液罐 15-电加热器 16-原液泵，17-撬装箱体。
具体实施方式:
以下为本发明实施方法的说明，凡是采用本发明的相似处理流程及其相似变化，均落入本发明的保护范围。
如图1所示，一种溶液低温蒸发的方法和装置，包括五个主要组成部分：溶液储存系统、溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统、控制系统。
所述的溶液储存系统，主要设备包括原液罐14、冷凝轻液罐12、浓液罐13、原液泵16、冷凝轻液泵、浓液泵等。原液罐14用于存储原溶液，向蒸发装置提供原料。冷凝轻液罐12用于收集存储蒸发冷凝的冷凝轻液，冷凝轻液可以资源化利用。浓液罐13用于收集储存溶液蒸发后的剩余浓溶液。溶液系统的流程为：原液罐14-原液泵16-溶液循环池2-浓液泵/阀-浓液罐13。冷凝轻液流程：循环风冷却器(制冷剂蒸发器)7-冷凝轻液罐12。
所述溶液循环系统，主要设备包括溶液循环泵4、溶液蒸发器1、溶液循环池2、溶液加热器15等。溶液循环流程为：循环泵4-溶液/热媒换热器3-溶液蒸发器1-溶液循环池(溶液加热器)2-循环泵4。
所述循环风系统，主要设备包括循环风机6、循环风管等，循环风的循环流程为：循环风机6-溶液蒸发器1-循环风冷却器(制冷剂蒸发器)7-循环风机6。
所述的热媒系统，主要包括热媒循环泵5、热媒/溶液换热器3、热媒/制冷剂换热器(制冷剂冷凝器)9等，热媒的循环流程为：热媒循环泵5-热媒/溶液换热器3-热媒/制冷剂换热器(制冷剂冷凝器)9-热媒循环泵5。本实施例中热媒系统的热源来源于制冷剂冷凝器，但其实制冷剂冷凝器的放热处可以设有并联的导热油加热设备。制冷剂冷凝器的放热温度不会超过80℃，而现有技术的导热油加热设备很容易达到200℃以上。但如果仅采用制冷系统提供的冷凝器，则本发明更充分利用的制冷系统蒸发与冷凝放热，本发明实为节能高效的利器。
所述的制冷系统，主要包括制冷剂压缩机8、制冷剂冷凝器(热媒/制冷剂换热器9和/或空气冷凝器10)、制冷剂蒸发器7、膨胀器/阀11等。制冷系统循环流程为：制冷剂压缩机8-制冷剂冷凝器(热媒/制冷剂换热器9和/或空气冷凝器10)-膨胀器/阀11-制冷剂蒸发器7-制冷剂压缩机8。
所述一种溶液低温蒸发的方法和装置可以集成为一个撬装箱体17，其中溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统及控制系统为核心组成部分，可以置于撬装箱体17内。溶液储存系统为辅助系统，溶液储存系统中的设备可以根据装置使用条件进行组合增减，溶液储存系统的部分设备可置于撬装箱体17外。
所述的控制系统，主要包括温度、压力、流量等检测仪表及自动调节/开关阀和显示屏、控制软件等。
以上实施例不以任何方式限定本发明，凡是对以上实施例以等效变换方式做出的其它改进与应用，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.溶液低温蒸发的装置，其特征是，包括以下组成单元：溶液储存系统、溶液循环系统、热媒系统、制冷系统、控制系统；
所述的溶液储存系统，包括原液罐、冷凝轻液罐、浓液罐、原液泵、冷凝液泵、浓液泵；原液罐用于存储原溶液，向蒸发装置提供原料；冷凝液罐用于收集存储蒸发冷凝的冷凝轻液；浓液罐用于收集储存溶液蒸发后的剩余浓溶液；溶液系统的流程为：原液罐-原液泵-溶液循环池-浓液泵/阀-浓液罐，冷凝轻液流程：制冷剂蒸发器-冷凝轻液罐；
所述溶液循环系统，包括溶液循环泵、溶液/热媒换热器、溶液蒸发器、溶液循环池、溶液加热器等；溶液循环系统中组件按下述顺序连接且溶液按下述流程运行：溶液循环泵-溶液/热媒换热器-溶液蒸发器-溶液循环池中由溶液加热器加热-溶液循环泵；
所述的热媒系统，包括热媒循环泵、热媒/溶液换热器、热媒/制冷剂换热器即加热的制冷剂冷凝器，热媒系统中组件按下述顺序连接且溶液按下述循环流程：热媒循环泵-热媒/溶液换热器-热媒/制冷剂换热器即加热的制冷剂冷凝器-热媒循环泵；
所述的制冷系统，包括制冷剂压缩机、制冷剂冷凝器即热媒/制冷剂换热器和/或空气冷凝器、制冷剂蒸发器、膨胀器/阀；制冷系统循环流程为：制冷剂压缩机-制冷剂冷凝器、包括热媒/制冷剂换热器和/或空气冷凝器-膨胀器/阀-制冷剂蒸发器-制冷剂压缩机；
所述的控制系统，包括温度、压力、流量检测仪表及自动阀和显示屏、执行上述流程对上述自动阀、泵、风机、压缩机进行控制的软件。
2.根据权利要求1所述的溶液低温蒸发的装置，其特征是，循环风系统，所述循环风系统，包括循环风机、循环风管等，循环风系统的循环风经循环风管循环流程为：循环风机-溶液蒸发器-循环风冷却器即制冷剂蒸发器冷量散出-循环风机。
3.根据权利要求1所述的溶液低温蒸发的装置，其特征是，溶液循环系统、循环风系统、热媒系统、制冷系统及控制系统置于撬装箱体；溶液储存系统为辅助系统，溶液储存系统中的设备根据装置使用条件进行组合和增减；溶液储存系统的原液罐、冷凝轻液罐即轻液罐、浓液罐置于撬装箱体外。
4.根据上述溶液低温蒸发的系统进行低温蒸发的方法，其特征是，原液罐内原溶液由原液泵泵入溶液循环池，经溶液循环处理后由浓液泵泵入浓液罐；溶液循环处理指溶液循环池进入所述溶液循环系统：溶液循环泵将原液罐原液泵入溶液/热媒换热器加热、溶液蒸发器蒸发出的轻液溶剂汽体进入冷凝轻液流程，经加热蒸发的原液再进入溶液循环池循环，直到溶液循环池溶液浓缩到额定值或轻液流减低到额定值时，溶液循环泵将浓缩残液流入浓液罐；浓液罐用于收集储存溶液蒸发后的剩余浓溶液；
冷凝轻液流程：蒸发出的含溶剂的气流轻液流经循环风冷却器即制冷剂蒸发器冷却后产生冷凝轻液进入冷凝轻液罐、或冷却后经过一个三通，部分轻液冷凝至轻液罐，部分回流至溶液循环池；冷凝液罐用于收集存储蒸发冷凝的冷凝轻液；
溶液/热媒换热器由热媒系统提供，由热媒循环泵泵出进入热媒/溶液换热器经热媒/制冷剂换热器再回到热媒循环泵；将制冷系统中制冷剂冷凝器的放热热量流到热媒/溶液换热器；
所述的制冷系统中制冷剂蒸发器用于蒸发出轻液流冷却提供冷量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，设有所述循环风系统中循环风机、循环风管等，循环风系统的循环风经循环风管循环流程为：循环风机-溶液蒸发器-循环风冷却器即制冷剂蒸发器的热源散热-循环风机；
所述的控制系统，根据溶剂的沸点、溶液蒸发速率及溶剂回收要求选择进入溶液蒸发器的溶液温度，要求回收溶剂杂质少时，取低的温度；要求蒸发速率高时取高的温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据进入溶液蒸发器的(原液罐轻液浓液的温度)溶液温度选择热媒、制冷剂以及制冷系统的蒸发温度和冷凝温度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，在溶液腐蚀性弱时直接用溶液与制冷剂在制冷剂冷凝器中换热，不采用热媒传热。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征是，循环风在循环风机的动力作用下进入溶液蒸发器，与通过热媒换热器或再经电加热器加热后的溶液进行传质，在两者蒸气压差的作用下，溶剂蒸气从溶液表面向循环风进行迁移，溶液得到蒸发，循环风含湿量增大，高湿度的循环风在出废水溶液蒸发器后进入制冷剂蒸发器，与制冷剂进行换热，当循环风温度降到对应的露点温度以下时，循环风中所含的溶剂蒸气凝聚析出，凝聚的溶剂收集排出到冷凝轻液箱进行回收利用，同时含湿量减少的循环风重新通过循环风机循环；
在热媒循环中通过热媒在制冷剂冷凝器与热媒/溶液换热器间的循环将制冷剂冷凝释放的热量带给溶液，以溶液达到进溶液蒸发器所需温度。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征是，在制冷循环中制冷剂经制冷压缩机吸入压缩后，温度、压力升高，形成高温高压的气态制冷剂，在制冷剂冷凝器中对热媒进行加热，因在整个循环过程中会产生能量剩余，为保证系统正常运行，在制冷剂冷凝器串联一个空气冷凝器从而达到能量平衡，冷凝成液态的制冷剂经热力膨胀器后降温降压进入制冷剂蒸发器吸收循环风热量后蒸发，之后重新进入制冷压缩机中完成下一个循环。
10.根据权利要求1所述的一种撬装式全自动溶液低温蒸发装置，其特征在于，
控制逻辑至少包括：
当溶液循环池液位低于或等于低低位、且原溶液罐液位高于或等于低位时，开进液电磁阀，再开进液泵；
当溶液循环池液位等于高位、或原溶液罐液位低于或等于低位时，停进液泵，再关进液电磁阀；
当溶液循环池液位低于低位且高于低低位、且浓液罐液位低于高位时，且溶液循环泵开启时，开排液电磁阀，关溶液蒸发器喷淋电磁阀；
当溶液循环池液位等于低低位、或浓液罐液位高于或等于高位时，关排液电磁阀、开溶液蒸发器喷淋电磁阀；
当溶液循环池液位低于或等于低低位，且原溶液罐液位低于低位时全系统停止；
当轻液罐液位高于或等于高位时，全系统停止；
全系统启动顺序控制为：溶液循环池进液-启动溶液蒸发循环-启动循环风-启动制冷循环全系统停止顺序控制：停制冷循环-停循环风-停溶液蒸发循环。
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