CN110064220A - 一种料液以薄层和液滴流运动的微波强化连续闪蒸系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种料液以薄层和液滴流运动的微波强化连续闪蒸系统，包括闪蒸罐、微波馈口、进液口、出液口、抽汽口、筛盘，微波馈口固设于闪蒸罐侧壁、顶部或底部，闪蒸罐的顶部固设有进液口且底部固设有出液口，所述闪蒸罐的顶部或侧上部固设有抽汽口，以实现降压闪蒸；闪蒸罐内在进液口下方设有至少一层筛盘。本发明的闪蒸罐内设置至少一层筛盘，使得微波闪蒸时料液透过筛盘分散为吸波性好的液滴，加上筛盘上的薄层液膜，气液比表面积大幅提升；而且筛盘能够有效提高料液停留时间，从而大幅提高蒸发效率；实现单级蒸发达到多级闪蒸的效果，避免物料流转过程中泵以及热量损失；具有结构简单、蒸发效率高、能耗低、可动态连续蒸发的特点。
Description
技术领域
本发明属于蒸馏设备技术领域，具体涉及一种结构简单、蒸发效率高、能耗低、可动态连续蒸发的料液以薄层和液滴流运动的微波强化连续闪蒸系统。
背景技术
闪蒸（flash distillation）是水在一定压力下加热到一定温度，然后注入下级压力较低的容器中，突然扩容使部分水汽化为蒸汽的过程。多个这样的过程组成的系统称“多级闪蒸(multi-stage flash distillation）。
微波闪蒸是将闪蒸腔优化设计为微波谐振腔，使微波能通过馈口进入到闪蒸腔内而被目标料液吸收，实现料液温度快速原位提升，供给足够能量使得目标料液持续沸腾，从而达到强化蒸发过程的目的。
传统单级闪蒸过程中，待分离的料液在泡点时进料，同时向闪蒸单元输入加热量，饱和液体升温后到达新的汽液平衡状态，富含轻组分的汽相从闪蒸罐的顶部出料，富含重组分的液相从底部出料，整个分离过程一次性完成。在单级闪蒸过程中，进料流量恒定时若加热功率增加顶部出料量增大但轻组分含量降低，加热功率降低顶部轻组分含量增加但出料量降低。但实际液液分离过程中是希望闪蒸罐顶部的出料流量和轻组分含量都较高，所以单级闪蒸不能单纯通过提高或降低单位时间内加热量达到有实用意义的液液分离效果。尽管提高真空度可在一定程度上提高蒸发效率，但由于蒸发罐不断进料，属于半开放系统，真空度难以提高，从而也限制了蒸发效率的提高。
多级闪蒸过程中，料液泡点情况下进入第一级闪蒸单元，底部的出料作为下一级闪蒸单元的进料，以此类推，最终将多个闪蒸单元内的顶部出料混合作为最终出料。在多级闪蒸过程中，由于分离过程的温差降低使过程不可逆性降低，热力学效率提高，从而使分离效率提高，顶部轻组分含量及摩尔流量增加。但是，多级闪蒸由于需要通过泵及管道等将上一级闪蒸单元的料液导入下一级，而且各级闪蒸单元都需要能量供应单元，不仅结构复杂、设备流程长、投资成本高，而且输送过程中热量损失大，导致损耗较高。
厚度较小的一层液体在重力作用下沿壁面向下流动过程称为降膜流动，是一种比较特殊的受迫运动，也是传统闪蒸的传热传质过程的基础。在传统的闪蒸罐中，一般使料液沿板式换热器的降膜板进行降膜流动，在液膜下降过程伴有蒸发相变，汽相上升过程伴有冷凝相变，冷凝过程释放的热量用于加热液膜使之蒸发。由于传统降膜流动必须通过降膜板作为换热面，不仅换热效率低，而且易结垢，后期维护困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、蒸发效率高、能耗低、可动态连续蒸发的料液以薄层和液滴流运动的微波强化连续闪蒸系统。
本发明的目的是这样实现的：包括闪蒸罐、微波馈口、进液口、出液口、抽汽口、筛盘，所述微波馈口固定设置于闪蒸罐的侧壁、顶部或底部，所述闪蒸罐的顶部固定设置有进液口且底部固定设置有出液口，所述闪蒸罐的顶部或侧上部固定设置有抽汽口，所述闪蒸罐内在进液口下方设置有至少一层筛盘。
本发明的有益效果：
1、本发明通过在闪蒸罐内设置筛盘，不仅可有效提高降膜流动的面积，而且可在微波闪蒸时将液滴分散为吸波性好的液滴，加上筛盘上的薄层液膜，使得气液比表面积大幅提升，从而可显著增加蒸发相界面积，提高换热效率。
2. 本发明的筛盘可使料液从进液口进入到流出的停留时间可达几分钟～几十分钟，可显著提高料液的滞留蒸发时间，微波在这个过程中可将料液温度逐渐提高几十度，从而大大提高蒸发效率，使得通过本发明的单级蒸发就能达到闪蒸罐顶部的出料流量和轻组分含量都较高的目标，相比多级闪蒸结构较为简单，而且设备流程短、投资成本低，还有效避免多级闪蒸物料高温流转过程中泵及管道的热量损失，整体能耗较低。
3. 本发明的筛盘可采用透波性材料或吸波性材料，透波性材料可以使微波很好穿透直接加热目标溶液，而吸波性材料亦可以通过微波同时加热料液和筛盘，筛盘再换热给料液，热效率较高。
4. 本发明的料液在透波性材料的筛盘内直接接受微波能量来获取潜热，不仅换热效率高，而且筛盘仅起到增加料液在闪蒸罐内的蒸发相界面积和滞留蒸发时间，相比现有技术中的闪蒸设备取消了换热面，从而可防止结垢，后期维护容易。
5. 本发明通过微波来保持闪蒸罐内料液持续的获取潜热，从而可实现动态连续蒸发过程。
附图说明
图1为本发明之结构原理示意图之一；
图2为图1之A放大图；
图3为本发明之结构原理示意图之二；
图4为图2之B放大图；
图中：1-闪蒸罐，101-上金属盖，102-闪蒸罐体，103-下封头，2-微波馈口，3-进液口，4-出液口，5-抽汽口，6-筛盘，601-筛孔，602-凸缘，603-环台，604-底座，7-闪蒸喷嘴，8-固定杆Ⅰ，9-测温探头，10-压力探头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，本发明包括闪蒸罐1、微波馈口2、进液口3、出液口4、抽汽口5、筛盘6，所述微波馈口2固定设置于闪蒸罐1的侧壁、顶部或底部，所述闪蒸罐1的顶部固定设置有进液口3且底部固定设置有出液口4，所述闪蒸罐1的顶部或侧上部固定设置有抽汽口5，所述闪蒸罐1内在进液口3下方设置有至少一层筛盘6。
所述筛盘6为可透波的聚四氟乙烯、陶瓷或刚玉制成，或者为可吸波的碳化硅或炭材料制成，或者为金属材料制成；所述筛盘6的盘面水平设置且盘面设置有多个小直径的筛孔601。
所述筛盘6的盘面边缘设置有凸缘602，所述闪蒸罐1内在进液口3下方设置有至少两层筛盘6且各层间同轴设置。
所述闪蒸罐1内中心轴线处的筛盘6上方固定设置有闪蒸喷嘴7。
所述筛盘6固定设置于自闪蒸罐1底部向上延伸的固定杆Ⅰ8、固定设置于闪蒸罐1的内壁或固定设置于自闪蒸罐1顶部向下延伸的固定杆Ⅱ。
所述筛盘6的底面呈中心对称的下凸弧形面结构或呈中心对称的倒椎体结构，所述筛孔601在筛盘6的底面固定设置有同轴下凸的环台603。
所述筛盘6的盘面沿中心均布有至少两个导流筛孔，所述闪蒸罐1内相邻筛盘6的导流筛孔错位布置；所述导流筛孔的直径可根据所处理料液粘度、表面张力的变化或/和停留时间要求在0.5~5mm调整。
所述闪蒸罐1包括上金属盖101、闪蒸罐体102，所述上金属盖101设置于圆柱形的闪蒸罐体102上端，所述上金属盖101及闪蒸罐体102的下端均为内弧形结构且相互构成对称共焦凹面腔并与闪蒸罐体102的圆柱形中部等直径封闭式固定连接形成多模腔体。
所述闪蒸罐体102的底部设置有下封头103，所述上金属盖101、下封头103为球形、椭球形、圆台形或平面形；所述闪蒸罐1为立式放置或卧式放置，所述闪蒸罐1为卧式放置时进液口3、出液口4分别设置在其上部和下部。
所述闪蒸罐1侧壁和上下端设置有保温层。
所述闪蒸罐1的罐壁设置有伸入腔体的测温探头9和/或压力探头10，所述测温探头9、压力探头10分别与控制系统的输入端口电气连接，所述闪蒸罐1的磁控管和/或抽汽泵分别与控制系统的输出端口电气连接。
所述闪蒸罐1的罐壁设置有玻璃或石英监视孔，所述玻璃或石英监视孔上覆盖有一层金属细网。
所述闪蒸罐进液口的进液为室温或经外置的传统能源、电能或微波能装置加热。
本发明工作原理和工作过程：
本发明通过至少一层的筛盘，不仅可有效提高降膜流动的面积，而且可在微波闪蒸时将液滴分散为吸波性好的液滴，加上筛盘上的薄层液膜，使得气液比表面积大幅提升，从而可显著增加蒸发相界面积，提高换热效率；筛盘可使料液从进液口进入到流出的停留时间可达几分钟～几十分钟，可显著提高料液的滞留蒸发时间，微波在这个过程中可将料液温度逐渐提高几十度，从而大大提高蒸发效率，使得通过本发明的单级蒸发就能达到闪蒸罐顶部的出料流量和轻组分含量都较高的目标，相比多级闪蒸结构较为简单，而且设备流程短、投资成本低，还有效避免多级闪蒸物料高温流转过程中泵及管道的热量损失，整体能耗较低；筛盘采用透波性材料，微波可以很好穿透直接加热目标溶液，能耗更低，而筛盘采用吸波材料，可以通过微波同时加热料液和筛盘，筛盘再换热给料液，热效率较高；料液在透波性材料的筛盘内通过直接接受微波能量来获取潜热，不仅换热效率高，而且筛盘仅起到增加料液在闪蒸罐内的蒸发相界面积和滞留蒸发时间，相比现有技术中的闪蒸设备取消了换热面，从而可防止结垢，后期维护容易；通过微波来保持闪蒸罐内料液持续的获取潜热，从而可实现动态连续蒸发过程。进一步，筛盘的盘面水平设置且盘面设置有多个小直径的筛孔，水平盘面可以使料液在筛盘上形成薄层液膜，使得气液比表面积大幅提升，从而可显著增加蒸发相界面积；而盘面设置有多个小直径的筛孔可在微波闪蒸时将液滴分散为吸波性好的液滴，从而利于料液吸收微波能量以提高换热效率。更进一步，闪蒸罐内的筛盘各层间同轴设置，可以使得上层下落的液滴继续在下层筛盘上形成薄层液膜，而不会直接落入底部，从而有效提高料液的滞留蒸发时间以提高蒸发效率；筛盘的盘面边缘设置有凸缘，能够使筛盘形成一定的储液空间，以利于形成薄层液膜。进一步，筛盘的底面呈中心对称的下凸弧形面结构或呈中心对称的倒椎体结构，从而可对下层汽相流动形成导向；筛孔在筛盘的底面固定设置有同轴下凸的环台，可以保证筛盘底面对下层汽相流动形成导向的同时，也能使上层的料液形成吸波性好的液滴。更进一步，筛盘的盘面沿中心均布有至少两个导流筛孔，且闪蒸罐内相邻筛盘的导流筛孔错位布置，也是对可对下层汽相流动形成导向作用。进一步，闪蒸罐的上金属盖、闪蒸罐体的底部相互构成对称共焦凹面腔并与圆柱波导管等直径封闭式固定连接形成多模微扰腔体，在内壁附加损耗较小的同时，可显著增加腔体内的谐振模式数，从而提高腔体内场分布的均匀性，有效减小降膜流动过程的温差，提高微波闪蒸的热力学效率。再进一步，闪蒸罐侧壁和上下端设置有保温层，可减少热损失；而闪蒸罐的罐壁设置有伸入腔体的测温探头和/或压力探头并与控制系统的输入端口电气连接，闪蒸罐的磁控管和/或抽汽泵分别与控制系统的输出端口电气连接；可以及时监控蒸发过程，并可根据温度变化来控制微波馈入功率，根据压力变化来控制真空泵的启停或功率调整。更进一步，闪蒸罐的罐壁设置有玻璃或石英监视孔，以便观察闪蒸室内的液滴流动状态，蒸汽产生速度等现象；玻璃或石英监视孔上覆盖有一层金属细网，可防止微波泄露。综上所述，本发明具有结构简单、蒸发效率高、能耗低、可动态连续蒸发的特点。
如图1至图4所示，工作时，闪蒸罐1由罐外设置的真空泵抽真空，料液自进液口3经闪蒸喷嘴7喷洒在闪蒸罐1内的第一层筛盘6上，料液在筛盘6上形成薄层液膜，同时在自重作用下沿筛孔601形成液滴落入下一层筛盘6中，料液还在筛盘6的盘面及底面上形成降膜流动，从而延长降膜流动的行程及进一步增加蒸发相界面积，使液膜在微波能量的作用下从上至下温度逐渐升高，料液中的轻组分汽化为蒸汽上升自抽汽口5导出，而下落至最下层筛盘6的液相，自筛盘6底部的底座604与闪蒸罐1内壁间的间隙或通孔下落至闪蒸罐1的底部并从出液口4导出；工作时，磁控管发出的微波能量通过微波馈口2馈入到闪蒸罐1的闪蒸腔体中后，微波可以在由上金属盖101及金属的下封头103的金属导体构成腔壁向外微扰且对称共焦凹面腔之间来回反射，不仅使得绝大部分的微波能量在空间上向中央区域汇聚，而且增加闪蒸腔体内的谐振模式数，从而提高闪蒸腔体内场分布的均匀性，从而提高微波蒸发效率。控制系统获取闪蒸罐1上部或顶部的温度、压力探头及底部的温度探头的测量数据，根据测量的温度及压力，调整磁控管功率和抽汽泵的转速及供液量，从而保证闪蒸浓缩过程处于最佳状态。
Claims (10)
1.一种料液以薄层和液滴流运动的微波强化连续闪蒸系统，其特征在于包括闪蒸罐（1）、微波馈口（2）、进液口（3）、出液口（4）、抽汽口（5）、筛盘（6），所述微波馈口（2）固定设置于闪蒸罐（1）的侧壁、顶部或底部，所述闪蒸罐（1）的顶部固定设置有进液口（3）且底部固定设置有出液口（4），所述闪蒸罐（1）的顶部或侧上部固定设置有抽汽口（5），所述闪蒸罐（1）内在进液口（3）下方设置有至少一层筛盘（6）。
2.根据权利要求1所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述筛盘（6）为可透波的聚四氟乙烯、陶瓷或刚玉制成，或者为可吸波的碳化硅或炭材料制成，或者为金属材料制成；所述筛盘（6）的盘面水平设置且盘面设置有多个小直径的筛孔（601）。
3.根据权利要求2所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述筛盘（6）的盘面边缘设置有凸缘（602），所述闪蒸罐（1）内在进液口（3）下方设置有至少两层筛盘（6）且各层间同轴设置。
4.根据权利要求2所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述闪蒸罐（1）内中心轴线处的筛盘（6）上方固定设置有闪蒸喷嘴（7）。
5.根据权利要求2、3或4所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述筛盘（6）固定设置于自闪蒸罐（1）底部向上延伸的固定杆Ⅰ（8）、固定设置于闪蒸罐（1）的内壁或固定设置于自闪蒸罐（1）顶部向下延伸的固定杆Ⅱ。
6.根据权利要求5所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述筛盘（6）的底面呈中心对称的下凸弧形面结构或呈中心对称的倒椎体结构，所述筛孔（601）在筛盘（6）的底面固定设置有同轴下凸的环台（603）。
7.根据权利要求5所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述筛盘（6）的盘面沿中心均布有至少两个导流筛孔，所述闪蒸罐（1）内相邻筛盘（6）的导流筛孔错位布置；所述导流筛孔的直径可根据所处理料液粘度、表面张力的变化或/和停留时间要求在0.5~5mm调整。
8.根据权利要求5所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述闪蒸罐（1）包括上金属盖（101）、闪蒸罐体（102），所述上金属盖（101）设置于圆柱形的闪蒸罐体（102）上端，所述上金属盖（101）及闪蒸罐体（102）的下端均为内弧形结构且相互构成对称共焦凹面腔并与闪蒸罐体（102）的圆柱形中部等直径封闭式固定连接形成多模腔体。
9.根据权利要求8所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述闪蒸罐体（102）的底部设置有下封头（103），所述上金属盖（101）、下封头（103）为球形、椭球形、圆台形或平面形；所述闪蒸罐（1）为立式放置或卧式放置，所述闪蒸罐（1）为卧式放置时进液口（3）、出液口（4）分别设置在其上部和下部。
10.根据权利要求8所述微波强化连续闪蒸系统，其特征在于所述闪蒸罐（1）侧壁和上下端设置有保温层；所述闪蒸罐（1）的罐壁设置有伸入腔体的测温探头和/或压力探头，所述测温探头、压力探头分别与控制系统的输入端口电气连接，所述闪蒸罐（1）的磁控管和/或抽汽泵分别与控制系统的输出端口电气连接；所述闪蒸罐（1）的罐壁设置有玻璃或石英监视孔，所述玻璃或石英监视孔上覆盖有一层金属细网。
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