CN109453531A - 一种高效低温节能蒸发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸馏技术领域的一种高效低温节能蒸发装置，包括制冷压缩机、盘管和管壳式蒸发器，管壳式蒸发器内部设置若干条换热管，换热管轴线方向的两端为进出料口，管壳式蒸发器外壳与换热管外之间为容纳冷媒的密闭壳程；制冷压缩机冷侧连接冷媒出口、热侧连接盘管，盘管另一端连接冷媒进口；管壳式蒸发器右边连接容纳了盘管的横管蒸发器，盘管上方设置布料管；在横管蒸发器上下设置物料循环通道；横管蒸发器内左下方设置档液板，管壳式蒸发器出料口上部连接真空泵、出料口下部连接冷凝水泵；本发明物料在横管蒸发器中直接蒸发，物料的温度不超过31℃，保留物料物理性质，加热、蒸发和冷凝三种功能结合为一体式结构，运行更可靠，应用范围更广。

Description

一种高效低温节能蒸发装置

技术领域

本发明涉及蒸馏技术及设备制造领域，具体是一种高效低温节能蒸发装置。

背景技术

根据常识，液体由液相变成气相需要吸热，由气相变成液相会放热。传统的蒸馏过程，就是对液体加热至其沸点以上，使之变成蒸汽，再对蒸汽冷却，得到纯净蒸馏液。

传统方法生产蒸馏水，不管是使用煤、燃气、燃油加热，或者是使用电加热，能耗都很大，除了对水加热的效率不高之外，另一原因是蒸汽冷却成蒸馏水时放出的热量没有回收再利用。

为了将蒸汽冷却时放出的热量进行再利用，提高加热效率，人们提出了MVR（mechanical vapor recompression的简称，中文：蒸汽机械再压缩技术）技术，它是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术，但MVR技术对于蒸发量小，或蒸发温度低的项目确无优势。

本申请发明人王军，2017年申请了专利《一种蒸汽冷凝蒸发技术及装置》，申请号2017109329889，主要内容是对蒸发器内物料蒸发出来的蒸汽，冷凝时放出的热量，经过热泵系统升温，对蒸发器内的物料进行再加热，维持蒸发过程持续进行，即对冷凝时放出热量的再利用，实现了低能耗蒸发分离蒸馏液。

上述专利技术在应用实践中，通过申请人和发明人的不断创新，开发出系列专用设备，本发明即为其中一种。申请人近日申请了专利《一种低温节能蒸发装置》申请号2019200012505，其包括由制冷压缩机、盘管和管壳式蒸发器组成的制冷制热系统，和包括闪蒸罐、料液槽和管壳式蒸发器等组成的浓缩蒸馏系统；制冷制热系统的作用是收集蒸汽冷却为液体时放出的热量，为待浓缩的物料加热；浓缩蒸馏系统是将待浓缩的物料进行浓缩，并将蒸发出来的蒸汽冷却为液体。

改进后的专利，能耗效率提高了，能适应50℃以下的低温浓缩和蒸馏，但是其结构复杂，部件多，蒸发条件要求比较高，能耗效率仍然可以再进一步提高，仍有进行优化、改进和提高的必要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供简单高效的一种高效低温节能蒸发装置。

本发明使用的技术方案如下：

一种高效低温节能蒸发装置，包括相互交叉关联的制冷制热系统和浓缩蒸馏系统，所述制冷制热系统包括相互首尾连接的制冷压缩机、盘管和管壳式蒸发器，管壳式蒸发器内部设置若干条换热管，换热管轴线方向的右端为进料口、左端为出料口，管壳式蒸发器外壳与换热管外圆周之间形成能容纳冷媒的密闭的壳程；所述制冷压缩机的冷侧连接管壳式蒸发器壳程上部的冷媒出口，制冷压缩机的热侧连接盘管，盘管另一端通过节流阀连接管壳式蒸发器壳程下部的冷媒进口。

所述浓缩蒸馏系统包括能完全容纳所述盘管的横管蒸发器，盘管上方设置布料管；在横管蒸发器上下之间设置由循环泵驱动的物料循环通道，物料循环出料处位于布料管上方，物料循环进料处设于横管蒸发器底部；

横管蒸发器的左上方设有进料阀，横管蒸发器右方底部连接排料泵；横管蒸发器内部左下方设置档液板；管壳式蒸发器出料口上部连接真空泵、出料口下部连接冷凝水泵。设置档液板目的是防止横管蒸发器的液态待蒸发物料，进入管壳式蒸发器，只允许汽态物料进入管壳式蒸发器的换热管。

进一步，所述管壳式蒸发器和横管蒸发器左右连接为一体式结构，缩短生产流程。

进一步，所述管壳式蒸发器和横管蒸发器也可为分体式结构，彼此之间通过管道连接，方便生产现场布局。

制冷制热系统的作用是收集蒸汽冷却时放出的热量，为待蒸发物料加热；浓缩蒸馏系统是将待蒸发物料进行浓缩，并将蒸发出来的蒸汽冷却为液体并排出。

本发明研发思路：

1)MVR技术是一项节能蒸发技术，它能最大限度的利用二次蒸汽的热能，申请人在从事MVR项目设计时遇到以下问题：

a）有些用户希望在20℃左右的低温条件下真空蒸发，设计时发现这种要求如果用MVR技术，基本不可能实现；每小时1吨蒸发量的项目，如果在20℃的条件下蒸发，其饱和蒸汽密度是0.01727kg/m³，1000kg水产生的蒸汽量是1000/0.01727=57900 m³，即57900 m³/小时，等于16 m³ /秒，这样就需要很大的蒸汽管和蒸汽压缩机，项目的投资也将非常巨大；

b)如果不必将蒸汽压缩，但又可将二次蒸汽的潜热完全回收利用，那是不是还有其它办法，有，那就是本申请由制冷压缩机、盘管和管壳式蒸发器组成的制冷制热系统，也即热泵；

c)利用热泵的冷侧冷凝蒸汽，回收热量，同时持续产生真空，有利于物料真空蒸发，且不需要真空泵，真是个好主意；

d)利用热泵热侧为物料的蒸发提供热量，维持蒸发的持续进行；

2）液体沸点随着大气压下降而降低，人为降低蒸发环境压力，可以在低温下蒸馏浓缩液态物料，一个大气压即101KPa下水的沸点是100℃, 气压下降，水的沸点也降低，其对应关系如下：100KPa-99.6℃，95KPa-98.2℃，90KPa-96.7℃，85KPa-95.1℃，80KPa-93.5℃，75KPa-91.8℃，70KPa-89.9℃，65KPa-88.0℃，60KPa-85.9℃，55KPa-83.7℃，50KPa-81.3℃，45KPa-78.7℃，40KPa-75.9℃，35KPa-72.7℃，30KPa-69.1℃，25KPa-65.0℃，20KPa-60.1℃，15KPa-54.0℃，10KPa-45.8℃，5KPa-32.9℃，3KPa-24.1℃，2KPa-17.5℃，1KPa-7.0℃。可见，如果将蒸发环境内的大气压降低为原来的百分之一，那么水的沸点降为7.0℃，蒸馏浓缩液态物料，将是轻而易举的事情；

2）无论是蒸馏还是浓缩，都需要一个蒸发和冷凝过程，这个过程如果能够在低温下进行，毫无疑义，能耗已经大为降低，再考虑引入热泵技术回收蒸汽热量，整体能耗更低；

3）低温进行的蒸发和冷凝，除了节能外，还能保留某些商品的特有品质，如酒类的特定香味不改变；

4）如果蒸发和冷凝不能在低温下进行，将物料加热到高温蒸发，再冷凝降温，这一过程也会造成能源损失，即使利用MVR技术回收蒸汽热量，能耗也不能大幅度降低。

本发明的有益效果是：

1）生产蒸馏液过程中，对蒸汽冷却时放出的热量进行再利用，用于加热待蒸发物料，同时配合降低横管蒸发器和管壳式蒸发器中的大气压，降低了蒸发温度，能耗大大降低；

2）将待蒸发物料的加热和蒸发两个功能装置合二为一，设在横管蒸发器中，将冷凝蒸汽的功能设在管壳式蒸发器；而横管蒸发器和管壳式蒸发器又为一体式结构，等于加热、蒸发和冷凝三种功能合三为一，结构更简单，运行更可靠；

3）三合一功能的本申请，适合制造各种规格的应用装置，特大、大、中、小、微型各式应用装置一网打尽，大到每小时1吨以蒸发量的装置，小到家庭式水杯这样的规格，均可能得到推广应用；

4）在进行物料浓缩过程中，不消耗外部蒸汽，仅靠制冷压缩机消耗少量电能，能耗仅为电加热蒸发的10%以下，节能效果非常显著；

5）物料在横管蒸发器中直接蒸发，物料的温度降低了2℃，即不超过31℃；有利于保护物料的物理性质，不因高温而变质；

6）制冷压缩机的热侧也降低了2℃，比前一代机型有更好的节能效果。

附图说明

图1为一种高效低温节能蒸发装置示意图。

图2为一种高效低温节能蒸发装置分体式布置示意图。

图3为一种高效低温节能蒸发装置运行参数示意图。

图4为热泵原理示意图。

图5为大气压与水的沸点关系示意图。

图中，1－真空泵，2－管壳式蒸发器，3－进料阀，4－制冷压缩机，5－横管蒸发器，6－布料管，7－排料泵，8－盘管，9－循环泵，10－档液板，11－节流阀，12－冷凝水排出泵。

具体实施方式

图1为一种高效低温节能蒸发装置示意图，包括相互首尾连接的制冷压缩机4、盘管和管壳式蒸发器2，管壳式蒸发器内部设置30-300条换热管，通常为100条换热管，换热管轴线方向的右端为进料口、左端为出料口，管壳式蒸发器外壳与换热管外圆周之间形成能容纳冷媒的密闭的壳程。

制冷压缩机的冷侧连接管壳式蒸发器壳程上部的冷媒出口，制冷压缩机的热侧连接盘管8，盘管另一端通过节流阀11连接管壳式蒸发器壳程下部的冷媒进口。

管壳式蒸发器右边连接完全容纳盘管的横管蒸发器5，盘管上方设置布料管；在横管蒸发器上下之间设置由循环泵9驱动的物料循环通道，物料循环出料处位于布料管上方，物料循环进料处设于横管蒸发器底部。

横管蒸发器的左上方设有进料阀，横管蒸发器右方底部连接排料泵。横管蒸发器内部左下方设置档液板，目的是防止横管蒸发器的液态待蒸发物料，进入管壳式蒸发器，档液板上方允许汽态物料进入管壳式蒸发器；管壳式蒸发器出料口上部连接真空泵、出料口下部连接冷凝水泵。

管壳式蒸发器和横管蒸发器左右连接为一体式结构，缩短了生产工艺流程，减少了占地空间。

图2为一种高效低温节能蒸发装置分体式布置示意图，所述管壳式蒸发器和横管蒸发器也可为分体式结构，彼此之间通过管道连接，方便生产现场安装时灵活布局。

图4为热泵原理示意图，制冷压缩机4将高温液态冷媒送往热侧，即本申请的盘管8，高温液态冷媒放热，使待蒸发物料加热；高温液态冷媒放热后，成为低温气态冷媒，经过管壳式蒸发器2的壳程，吸收待蒸发物料蒸发出来的蒸汽热量，回到制冷压缩机4，被压缩成为高温液态冷媒，再次被送往热侧的盘管8；此外，被低温气态冷媒冷却后的蒸汽变成蒸馏液。

图5为大气压与水的沸点关系示意图。图中可知，如果将蒸发环境内的大气压降低为原来的50%、12%、1%时，那么水的沸点降为80℃、50℃、7.0℃，较低的大气压更有利于蒸发的进行。

本发明工作过程：

1）开启进料阀3和排料泵7，并通过外部回流装置，将排料泵7排出的未达到浓缩要求的物料送回到进料阀，进入横管蒸发器；为保证系统的顺利启动，进入的物料温度应接近于运行时压缩机热侧的温度；

2）启动真空泵，使管壳蒸发器2的管程及横管蒸发器的壳程形成真空；

3）启动循环泵9，使横管蒸发器中的待浓缩物料循环，待浓缩物料经布料管6均匀分布到每条盘管上；

4）启动制冷压缩机，使管壳蒸发器的壳程内的冷媒蒸发，产生冷媒蒸汽，经制冷压缩机加压后，冷媒蒸汽升温并送到盘管8；

5）盘管8内的高温冷媒蒸汽被物料冷凝成液态冷媒，再经节流阀11回到管壳蒸发器壳程内循环使用；

6）盘管8内的高温汽态冷媒被冷凝成液态冷媒的同时，使盘管外壁的物料升温蒸发，产生蒸汽，蒸汽进入管壳蒸发器的换热管；

7）通过换热，向冷媒提供热量，使冷媒持续蒸发，同时换热管内的水蒸汽被冷凝成液态水，维持横管蒸发器内的真空度，冷凝水经冷凝水排出泵12排出。

图3为一种高效低温节能蒸发装置运行参数示意图，选用R134A环保冷媒，它在蒸发器2的壳程内的蒸发温度为20℃，产生的20℃冷媒蒸汽，经制冷压缩机加压后，温升到34℃，34℃的冷媒蒸汽在流经盘管时被冷凝成液态冷媒，液态冷媒经节流阀11回到管壳式蒸发器。

同时，汽态冷媒被冷凝成液态冷媒时的相变热，盘管外壁的待浓缩物料在31℃的条件下蒸发，产出23℃的水蒸汽，23℃的蒸汽流入管壳式蒸发器的换热管内，被低温的冷媒冷凝成液态水，经冷凝水排出泵抽出，水蒸汽液化时所放出的热量传递给冷媒，提供冷媒蒸发所需要的热量，维持冷媒持续蒸发。通过不断循环，横管蒸发器内的物料得到蒸发浓缩，浓度不但提高，直至达到生产要求。与此同时，生产出来的冷凝液经冷凝水排出泵12抽出，作为另一个产品。

从本例可以看出，同样的工况，制冷压缩机的热侧比原专利《一种低温节能蒸发装置》（申请号2019200012505）的36℃，降低为34℃，降低了2℃，因此这种装置比原专利的前一代机型有更好的节能效果。

本发明在进行物料浓缩过程中，不消耗外部蒸汽，仅靠制冷压缩机消耗少量电能，工况下的能效系数可达到10以上，因此能耗仅为电加热蒸发的10%以下，节能效果非常显著。

在物料浓缩过程中，物料的温度始终不超过31℃，比原专利的前一代机型（申请号2019200012505）降低了2℃，蒸发和冷凝温度更低，更有利于保留物料的原有物理性质不改变。

Claims (3)

1.一种高效低温节能蒸发装置，包括相互交叉关联的制冷制热系统和浓缩蒸馏系统，其特征在于：

所述制冷制热系统包括相互首尾连接的制冷压缩机、盘管和管壳式蒸发器，管壳式蒸发器内部设置若干条换热管，换热管轴线方向的右端为进料口、左端为出料口，管壳式蒸发器外壳与换热管外圆周之间形成能容纳冷媒的密闭的壳程；所述制冷压缩机的冷侧连接管壳式蒸发器壳程上部的冷媒出口，制冷压缩机的热侧连接盘管，盘管另一端通过节流阀连接管壳式蒸发器壳程下部的冷媒进口；

所述浓缩蒸馏系统包括能完全容纳所述盘管的横管蒸发器，盘管上方设置布料管；在横管蒸发器上下之间设置由循环泵驱动的物料循环通道，物料循环出料处位于布料管上方，物料循环进料处设于横管蒸发器底部；

横管蒸发器的左上方设有进料阀，横管蒸发器右方底部连接排料泵；横管蒸发器内部左下方设置档液板；管壳式蒸发器出料口上部连接真空泵、出料口下部连接冷凝水泵。

2.根据权利要求1所述的一种高效低温节能蒸发装置，其特征在于：所述管壳式蒸发器和横管蒸发器左右连接为一体式结构。

3.根据权利要求1所述的一种高效低温节能蒸发装置，其特征在于：所述管壳式蒸发器和横管蒸发器为分体式结构，彼此之间通过管道连接。