CN110498462B - 一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统及方法,该系统包括吸收器，其连接于冷凝器，冷凝器连接于废液循环泵，废液循环泵连接于吸收器布液器以及吸收器内部加热器；解析器，其连接于蒸发器，蒸发器连接于清水泵，清水泵连接于解析器布液器以及解析器内部冷却器；吸收器空气出口连接于解析器空气入口，解析器空气出口连接于吸收器空气入口，解析器空气出口与吸收器空气入口之间的空气通道设置有循环风机以及吸附器。本发明能够在较低温度条件下利用空气作为传质媒介实现工业废液中水分的迁移，系统在常压下运行、适合于易结晶、易结垢、易腐蚀液体的处理，大大减少常规废液处置所需沉淀、除油、调酸碱度等一系列前处理工序。

Description

一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统及方法
技术领域
本发明涉及工业废液处理领域，尤其涉及一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统及方法。
背景技术
随着我国对于环保要求的逐年提高，对于工业领域的废液处理要求也日趋严格。传统的废液处理技术已不能满足各种危废液体的处置需求，同时各地对于企业都提出了零排放的要求，高额的工业废液委外处置费用将造成企业巨大的经济负担，因此对工业废液进行浓缩分离处理，实现中水回用将是工业企业的必然选择。但是大量企业年产废液数量和场地情况并不具备建设大型废液处理站的条件，因此针对目前企业工业废液浓缩分离、中水回用的实际需求，开发了利用热泵作为能量驱动的工业废液处理系统，设备布置灵活，能够在较低温度条件下(50℃以下)利用空气作为传质媒介实现工业废液中水分的迁移，系统在常压下运行、适合于易结晶、易结垢、易腐蚀液体的处理，大大减少常规废液处置所需沉淀、除油、调酸碱度等一系列前处理工序。
发明内容
本发明旨在解决当前工业领域高难度废液处理效果差、能耗高、成本高昂的问题，提供一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统及方法，其设备布置灵活，能够在较低温度条件下(50℃以下)利用空气作为传质媒介实现工业废液中水分的迁移，系统在常压下运行、适合于易结晶、易结垢、易腐蚀液体的处理，大大减少常规废液处置所需沉淀、除油、调酸碱度等一系列前处理工序。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其包括：
吸收器，吸收器底部设置有废液积蓄部以及设置于废液积蓄部的废液输入口和废液输出口，废液输出口连接于冷凝器，冷凝器连接于废液循环泵，废液循环泵连接于吸收器布液器以及吸收器内部加热器；
解析器，其为填料构成的多级叉流传质结构，解析器底部设置有清水积蓄部以及设置于清水积蓄部的清水输出口，清水输出口连接于蒸发器，蒸发器连接于清水泵，清水泵连接于解析器布液器以及解析器内部冷却器；
吸收器和解析器内采用填料构成的多级叉流传质结构，每层均在填料出口设置有逆流精馏装置；
吸收器空气出口连接于解析器空气入口，解析器空气出口连接于吸收器空气入口，解析器空气出口与吸收器空气入口之间的空气通道设置有循环风机以及吸附器，吸收器空气出口、解析器空气出口设置有除沫器；
热泵系统用于提供废液处理过程中的热源和冷源，蒸发器连接于压缩机而用于冷却空气中清液，压缩机连接于冷凝器而用于加热待处理废液，冷凝器通过节流阀连接于蒸发器。
进一步，吸收器出口所设除沫器获得的凝结液作为吸收器所设精馏装置回流液体。
进一步，吸收器空气出口与解析器空气入口通道、解析器空气出口与吸收器空气入口通道均设置有显热回热器。
进一步，吸收器内部加热器包括设置于吸收器每层填料的蛇形加热管路，蛇形加热管路的热源输入口连接至废液循环泵输出口、蛇形加热管路的输出口通过热源回流管路连接至冷凝器的待加热介质输入口。吸收器内加热管路不仅提升传质过程中的液体温度、提高传质效率，关键在于内热源的设置增加了冷凝器内换热介质的总流量，有效解决了吸收器布液流量低于废液加热换热所需流量的问题。
进一步，解析器内部冷却器具有蛇形布置于解析器每层填料的蛇形冷却管路，蛇形冷却管路的冷源入口连接于清水泵输出端、蛇形冷却管路的出口通过回流管路连接至蒸发器的被冷却介质输入口。解析器内冷却管路不仅降低传质过程中的液体温度、提高传质效率，关键在于内冷源设置增加了蒸发器内换热介质的总流量，有效解决了解析器布液流量低于清水冷却换热所需流量的问题。
基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统的使用方法，该方法为：热泵系统中冷凝热与制冷量平衡之后多余的压缩机功率被用于作为特殊材料吸附器的再生驱动热源，采用这一热源加热环境空气使吸附器得以再生，设置的吸附器具有低温再生的特点，通过对解析器排出的空气进一步吸附脱湿，使吸收器内的传质效率大幅提高，同时吸附器使废液处理系统在热质传递过程实现了能量梯级利用，更加高效。
该系统利用工业热泵提供工业废液处理所需的热源(40～50℃)与冷源(3～5℃)，在低温工况下利用空气作为载体通过多级叉流传质实现对废液中水分的提取，系统中热泵制冷量与散热量平衡之后多余的压缩机耗能热量用于特殊吸附材料再生驱动热源，再生后的特殊吸附材质对循环空气二次处理使空气深度除水，大幅提高再循环传质效率。系统传质部件采用非金属材质构建，能够适用于各种易腐蚀废液处理，同时能够避免系统在高浓度时产生的结垢、结晶问题，能够使工业废液总量减量80％以上，弥补了当前工业领域传统废液处理方式的不足。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.该系统采用常压运行，吸收器、解析器、空气循环系统、液体循环系统及热泵系统均为闭式循环，系统运行废液处理过程不存在对环境二次污染。
2.吸收器与解析器内采用特殊填料的多级叉流传质结构，空气密封采用塔板布液实现，不仅布液均匀同时实现空气中水分提纯，每层均在填料出口设置特殊材质逆流精馏装置，精馏装置采用除沫器中的回流液作为精馏介质，具有持液量大阻力小的特点。
3.吸收器与解析器内的内热源与内冷源采用热泵机组提供的冷凝热与制冷量进行实现，不仅维持传质过程中的液体温度、提高传质效率，关键在于内冷源与内热源的设置增加了冷凝器与蒸发器内换热介质的总流量，有效解决了吸收器与解析器布液流量低于换热所需流量的问题。
4.解析器中采用低温清水直接吸收空气中水分，减小了传质过程中的温差，提高了传质效率。
5.热泵系统中冷凝热与制冷量平衡之后多余的压缩机功率被用于作为特殊材料吸附器的再生驱动热源，采用这一热源加热环境空气使吸附器得以再生。
6.空气循环过程由循环风机驱动，系统设置显热回热器，使吸收器与解析器排出的空气得以回收热量，随后设置的吸附器具有低温再生的特点，通过对解析器排出的空气进一步吸附脱湿，使吸收器内的传质效率大幅提高。吸收器在不同层设计多个排风出口进入解析器的多个进口，避免了传质过程中随着空气与液体温度变化降低传质效率，使液气比随传质过程进行了相应动态变化。
7.系统在热质传递过程实现了能量梯级利用，更加高效，同时在低温工况下进行传质，不存在系统结垢的风险，同时系统传质部件采用非金属材质，能够解决当前大量工业废液在处理过程中高腐蚀性的难题。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
如图1，一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统(以下简称“该系统”),其包括：吸收器100、解析器200、空气循环系统、液体循环系统及热泵系统。
从图1可以看出，该系统的吸收器100用于实现利用空气吸收废液中的水分，吸收器内采用填料10构成多级叉流传质结构，每层均在填料出口设置有逆流精馏装置12(例如精馏器)，吸收器底部设置有废液积蓄部以及设置于废液积蓄部的废液输入口和废液输出口，该废液积蓄部的内腔体自上而下的截面逐渐变小，废液输出口位于该内腔体的底部，废液输出口通过管道连接于冷凝器2，并且该废液输出口还通过管道连接有外排管，该外排管设置有控制阀，通过外排管可以将废液积蓄部的废液向外排出该系统，冷凝器2的液体出口连接于废液循环泵1，废液循环泵1连接于吸收器布液器以及吸收器内部加热器8，这里的吸收器内部加热器8包括设置于每层填料的蛇形加热管路，蛇形加热管路的热源输入口连接至废液循环泵输出口、蛇形加热管路的输出口通过热源回流管路(设置有控制阀)连接至冷凝器的待加热介质输入口。液体与填料叉流接触实现空气与废液的传热传质过程，由于每层填料采用塔板均匀布液，可以同时实现对气体的密封与提纯。而每层均设置有精馏器12，可以利用吸收器空气出口所设除沫器11获得的凝结液作为精馏器12的回流液而用于提纯空气中水分纯度。吸收过程中由于水分汽化使废液温度降低，吸收器内部加热器8利用冷凝器2加热的液体作为内热源实现在传质过程中对废液进行持续加热。
在图1中，解析器200用于实现利用低温清水吸收解析空气中的水分，解析器内采用填料10构成的多级叉流传质结构，每层均在填料出口设置有逆流精馏装置12(例如精馏器)，解析器底部设置有清水积蓄部以及设置于清水积蓄部的清水输出口，该清水积蓄部的腔体截面自上而下逐渐变小，清水输出口则布置在清水积蓄腔的底部，清水输出口还设置有外排管，该外排管设置有控制阀，通过外排管可以将清水积蓄部内的清水向外排出，清水输出口连接于蒸发器3，蒸发器的被冷却介质输出口(这里的清水则为被冷却介质)连接于清水泵4，清水泵连接于解析器布液器以及解析器内部冷却器9。液体与填料叉流接触实现空气与清水的传热传质过程，由于每层填料采用塔板均匀布液，可同时实现对气体的密封与提纯。由于每层均设置精馏器，可以利用解析器空气出口处所设除沫器11获得的凝结液作为精馏器12的回流液而用于吸收空气中水分。解析过程中由于空气水分析出使清水温度升高，解析器内部冷却器9利用蒸发器3冷却的液体作为内冷源实现在传质过程中对清水进行持续降温，这里的解析器内部冷却器9具有蛇形布置于每层填料的蛇形冷却管路，蛇形冷却管路的冷源入口连接于清水泵输出端、蛇形冷却管路的出口通过回流管路(设置有控制阀)连接至蒸发器的被冷却介质输入口。空气循环系统用于实现作为传质介质的空气在吸收器与解析器中的流动，利用循环风机14将解析器排出的空气先与吸收器排出的空气经过显热回热器13回收热量，再次经过吸附器6进一步去除其水分提高系统热效率。
需要注意的是，吸收器和解析器仅仅示出了四层填料进行示意性说明，现场可以根据需要调整填料的数量。而吸收器自上而下界定为吸收器第一层填料、吸收器第二层填料、吸收器第三层填料、吸收器第四层填料，来自于废液循环泵1的废液自上而下依次经过上述填料，最后回流到废液积蓄部。而解析器自上而下界定为解析器第一层填料、解析器第二层填料、解析器第三层填料、解析器第四层填料，来自于清水泵4的清水自上而下依次经过上述填料，最后回流到清水积蓄部。在吸收器第四层填料右侧设置有一个底部空气输入口，在解析器第四层填料左侧设置有一个底部空气输出口，在解析器第一层填料左侧设置有一个顶部空气输出口，解析器的顶部空气输出口则通过管道连接至吸收器的底部空气输入口，在吸收器第一层填料右侧设置有顶部空气输出口，在解析器第四层填料的左侧设置有底部空气输入口，吸收器顶部空气输出口通过管路连接至解析器底部空气输入口，来自于解析器的空气在吸收器自下而上进行循环，而从吸收器输出的空气则在解析器中也是自下而上进行循环。需要注意的是，这里的吸收器第三层填料右侧还设置有一个中间空气输出口，对应的是在解析器第三层填料左侧还设置有一个中间空气输入口来对接吸收器的中间空气输出口，从解析器中间空气输入口进来的空气直接向上开始循环。
在图1中，吸收器空气出口连接于解析器空气入口，解析器空气出口连接于吸收器空气入口，解析器空气出口与吸收器空气入口之间的空气通道设置有循环风机14以及吸附器6，吸收器空气出口、解析器空气出口设置有除沫器11。
热泵系统用于提供废液处理过程中热源与冷源，蒸发器3的制冷剂出口连接于压缩机5的制冷剂进口(用于冷凝空气中清液)，压缩机的制冷剂出口连接于冷凝器2的制冷剂进口(用于加热待处理废液)，冷凝器2的制冷剂出口通过节流阀7连接于蒸发器3。系统能量平衡之后产生多余的压缩机5功率热负荷用于吸附器6的驱动热源(压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽首先经过进入吸附器高温换热器(螺旋线表示)进行加热环境空气随后进入冷凝器冷凝，吸附器利用被加热的高温低湿的环境空气作为载体对吸附器进行再生，带走吸附器吸收的水分)，实现能量梯级利用，进一步提高系统热效率。
在图1中，吸收器空气出口与解析器空气入口通道、解析器空气出口与吸收器空气入口通道均设置有显热回热器13。
基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统的使用方法，其中，热泵系统中冷凝热与制冷量平衡之后多余的压缩机功率被用于作为特殊材料吸附器的再生驱动热源，采用这一热源加热环境空气使吸附器得以再生，设置的吸附器具有低温再生的特点，通过对解析器排出的空气进一步吸附脱湿，使吸收器内的传质效率大幅提高，同时吸附器使废液处理系统在热质传递过程实现了能量梯级利用，更加高效。
从上述内容可知，本发明中提供的液体循环系统主要由废液循环与低温清水循环构成，分别由废液循环泵1与清水循环泵4驱动。热泵系统由冷凝器2输出热量至待处理废液，同时由蒸发器3输出冷量至清水，系统能量平衡之后产生多余的压缩机5功率热负荷用于吸附器6的驱动热源，实现能量梯级利用，进一步提高系统热效率。
本发明提供的基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统包含四个主要系统，分别构成了四个主要循环(空气循环、制冷剂循环、废液循环、清水循环)，下面对四个主要循环进行详细说明：
一、空气循环，废液处理系统中依靠空气作为载体依次在吸收器、解析器、回热器与吸附器之间循环流动，空气在吸收器中利用空气与废液中水蒸气传质势差吸收废液中的水分达到近饱和；高湿的空气进入解析器中与低温的清水接触，实现将空气中的水分解析到低温清水之中，空气中的含湿量降低；空气随后进入吸附器中进一步被去除水分变成干空气后再次进入吸收器吸收废液中的水分。
二、制冷剂循环，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽热量用于吸附器再生热源进行换热冷却回收热泵系统多余的热量，随后制冷剂进入冷凝器凝结成液体，散热量同时用于加热废液。液态制冷剂节流降压后进入蒸发器冷却清夜吸收热量，蒸发后的制冷剂蒸汽再次吸入压缩机。
三、废液循环，吸收器中的废液进入冷凝器进行加热由废液泵分两路分别输入至吸收器布液器与吸收器内部加热器，混合后再次进入冷凝器加热。
四、清水循环，解析器中的清水进入蒸发器进行冷却由清水泵分两路分别输入至解析器布液器与解析器内部冷却器，混合后再次进入蒸发器冷却降温。系统运行过程中对能量进行梯级利用，实现了具备内冷、内热的传热传质系统，同时吸收器与解析器排出的空气进行显热回收提高了系统热效率。系统特殊设计的吸附器利用环境空气作为载体，用压缩机的功率热负荷进行再生，使系统的传质与热效率进一步提高。对于具有冷热源的工业场系统配置的内冷器与内热器可以直接作为系统的驱动冷源与热源进行废液处理。
本发明中，载气萃取低温传质工业废液处理系统基于空气与废液中水蒸汽分压力差距越大，质量传递能力越强的原理进行系统设计。综合利用工业热泵冷热源能量，热泵热源用于提高废液温度进而提高废液中水蒸气分压力，通过特殊填料与气液流通布局控制好表面传质效应，同时系统利用热泵冷源在空气作为介质的传导下凝结其中水分将废液浓缩分离，进一步提高空气与废液的传质压力差。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其特征在于，其包括：
吸收器，吸收器底部设置有废液积蓄部以及设置于所述废液积蓄部的废液输入口和废液输出口，所述废液输出口连接于冷凝器，所述冷凝器连接于废液循环泵，所述废液循环泵连接于吸收器布液器以及吸收器内部加热器；
解析器，所述解析器底部设置有清水积蓄部以及设置于清水积蓄部的清水输出口，所述清水输出口连接于蒸发器，所述蒸发器连接于清水泵，所述清水泵连接于解析器布液器以及解析器内部冷却器；
所述吸收器和解析器内采用填料构成的多级叉流传质结构，每层均在填料出口设置有逆流精馏装置；
所述吸收器空气出口连接于解析器空气入口，所述解析器空气出口连接于吸收器空气入口，所述解析器空气出口与吸收器空气入口之间的空气通道设置有循环风机以及吸附器，所述吸收器空气出口、解析器空气出口设置有除沫器；
热泵系统用于提供废液处理过程中的热源和冷源，所述蒸发器连接于压缩机而用于冷却空气中清液，所述压缩机连接于冷凝器而用于加热待处理废液，所述冷凝器通过节流阀连接于蒸发器。
2.根据权利要求1所述的基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其特征在于，所述吸收器出口所设除沫器获得的凝结液作为吸收器所设精馏装置回流液体。
3.根据权利要求1所述的基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其特征在于，所述吸收器空气出口与解析器空气入口通道、解析器空气出口与吸收器空气入口通道均设置有显热回热器。
4.根据权利要求1所述的基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其特征在于，所述吸收器内部加热器包括设置于吸收器每层填料的蛇形加热管路，蛇形加热管路的热源输入口连接至废液循环泵输出口、蛇形加热管路的输出口通过热源回流管路连接至冷凝器的待加热介质输入口。
5.根据权利要求1所述的基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统,其特征在于，所述解析器内部冷却器具有蛇形布置于解析器每层填料的蛇形冷却管路，蛇形冷却管路的冷源入口连接于清水泵输出端、蛇形冷却管路的出口通过回流管路连接至蒸发器的被冷却介质输入口。
6.一种如权利要求1-5任一项所述基于载气萃取低温传质的工业废液处理系统的使用方法，其特征在于，该方法为：热泵系统中冷凝热与制冷量平衡之后多余的压缩机功率被用于作为特殊材料吸附器的再生驱动热源，采用这一热源加热环境空气使吸附器得以再生，设置的吸附器具有低温再生的特点，通过对解析器排出的空气进一步吸附脱湿，使吸收器内的传质效率大幅提高，同时吸附器使废液处理系统在热质传递过程实现了能量梯级利用，更加高效。
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