CN110776030B - 丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，萃取液丁醇以内循环形式吸热后加热NaCl水溶液，实现NaCl水溶液析晶和固液分离，其中通过喷射闪蒸实现气相与液相直接接触高效率换热，换热后丁醇和水以不同相形式实现一次性分离，同时完成萃取。本发明通过丁醇喷射闪蒸后，以内循环萃取形式使NaCl水溶液彻底实现高效液固分离和水资源再利用，本发明为工业废水处理和析晶技术提供重要思路。

Description

丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统及工作方法
技术领域
本发明属于无机盐水溶液萃取析晶的技术领域，具体涉及一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统及工作方法。
背景技术
实现NaCl溶液高效率脱盐是海水淡化、废水高效处理与回收等工业领域的关键工艺环节，海水、工业废水等原水经过预处理后一般可视为NaCl的水溶液。对NaCl溶液提浓有膜法和热法两类方式，传统的热法和膜法仅适于提浓低浓度的NaCl溶液。当溶液达到准饱和时，对其进一步提浓将会有晶体析出，该析出的晶体不仅可以堵塞膜法处理中的渗透膜，还可使热法处理中的表面式加热器腐蚀结垢。
喷射闪蒸是指把过热液体喷射到低于自身饱和压力的空间时，骤然蒸发并且自身温度迅速下降的现象，喷射闪蒸因无需加热面，有效的避免了上述膜法与热法中存在的问题。传统NaCl溶液的喷射闪蒸中，闪蒸能耗比大，蒸汽蒸发比小，母液需要多次循环实现闪蒸，本质原因是闪蒸腔内液滴汽化潜热过大，溶液显热供能相对不足，且析出的晶体无法与母液彻底分离。
因此，提高喷射闪蒸析晶效率的关键问题是提高传热效率、增大热流密度，且保证NaCl水溶液中固液彻底分离，故需要一种简单有效的方法实现大热流密度换热、实现析晶。
发明内容
针对解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统及工作方法，该系统以丁醇为工质通过喷射闪蒸产生丁醇过热蒸汽，丁醇蒸汽上升与NaCl水溶液相遇使水工质全部汽化，使丁醇蒸气全部液化，实现NaCl水溶液完全脱盐，以萃取的方法使NaCl晶体过渡到丁醇工质中后分离。该萃取和喷射闪蒸结合的方法可以完全使NaCl水溶液实现液固分离，喷射闪蒸产生的丁醇蒸汽与NaCl水溶液直接接触，换热能力增强实现高效换热。该系统优点在于气液直接接触大热流换热、完全析晶和实现液固分离，对于热源的选择具有较强的适应性且系统简单、经济、环保。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，包括喷射换热罐1，喷射换热罐1包括罐体1-4，从上至下设置在罐体1-4内的恒温滤网1-1、喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5，把废液池19中的NaCl水溶液加压加热后通过喷淋喷嘴1-3向下喷射，把循环液池8中的丁醇液加压加热至过热后通过喷射喷嘴1-5向上喷射，喷淋喷嘴1-3通过进水管1-2与罐外换热器13管侧出口相连，喷射换热罐1顶部安装温控器14，温控器14与罐外换热器13壳侧入口相连，喷射喷嘴1-5通过电磁阀2与加热器3相连；加热器3包括加热器壳体3-1、壳侧热源入口3-2、壳侧热源出口3-4和管侧3-3，加热器3管侧出口通过电磁阀2与喷射喷嘴1-5连通，加热器3管侧入口与换热器18相连；换热器18的热流体是喷射换热罐1底部出口17排出的液体，该热流体经过换热器18后通过第一通道5进入到固液分离器10中，其中固液分离器10包括壳体10-3、设置在壳体10-3内的转子10-4和壳体内壁面的滤网10-2以及壳体底部的固体出口10-1，固液分离器10通过第二通道6将循环液排放到循环液池8中，循环液由第三通道7经过第一加压泵4进入到换热器18中，之后流经加热器3后喷射到喷射换热罐1中，固液分离器10将固体颗粒通过固体出口10-1排放到容器9中；换热器13对温控器14出口的水蒸气进行冷却，水蒸气冷却变成液体后通过换热器13的壳侧出口15进入到收集器16中，换热器13中管侧冷流体是废液池19的待处理液，废液通过第二加压泵11和管道12进入到换热器13实现预热后进入到喷射换热罐1中。
所述喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5需要保证雾化均匀，截面开度为60°～150°，保证雾化溶液能在罐体1-4的横截面充分分布。
所述喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5的流量比为1:30～1:150，保证从喷淋喷嘴1-3喷出的液体全部能汽化。
所述喷射换热罐1内的压力为90～110kPa，其压力接近大气压。
所述温控器14与喷射换热罐1内的恒温滤网1-1联合作用，使通过温控器14和恒温滤网1-1的蒸气温度为102-115℃，保证喷淋喷嘴1-3喷出的液体全部汽化后，水蒸气上升托举的全部为丁醇液滴颗粒，且丁醇液滴颗粒能被恒温滤网1-1过滤使单一的蒸气分子通过。
所述喷射换热罐1中部位置上、下两股液体相接触面发生晶体析出现象，且使晶体过渡到丁醇液体中；喷射换热罐1底部的出口17排出的固液混合物为循环液丁醇和NaCl晶体颗粒，保证固液混合物中没有水。
所述加热器3的壳侧热源入口3-2的温度大于118℃，保证换热流体从喷射喷嘴1-5喷出后能在其对应的环境压力下实现闪蒸。
所述罐外换热器13和换热器18实现来程与去程流体的换热，保证能量的梯级高效利用；所述罐外换热器13的壳侧出口15为冷却液，其温度小于80℃。
所述固液分离器10将丁醇液体和NaCl晶体全部分别分离到循环液池8和容器9中，保证丁醇在整个系统中实现闭式循环。
所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统的工作方法，喷射换热罐1为核心热交换装置，废液池19中的NaCl水溶液通过第二加压泵11和第二管道12进入到罐外换热器13中预热，预热后的NaCl水溶液通过喷淋喷嘴1-3从喷射换热罐1上部位置向下喷射；循环液池8中的丁醇液通过第三通道7和第一加压泵4进入到换热器18中，预热后的丁醇液进入到加热器3后被加热为过热丁醇液，丁醇过热液经过电磁阀2进入到喷射换热罐1中，通过喷射喷嘴1-5从喷射换热罐1底部向上喷射；从喷射喷嘴1-5喷射出来的丁醇过热液在低压环境中实现闪蒸，闪蒸后的蒸汽继续向上移动与喷淋喷嘴1-3喷射出的NaCl水溶液相遇，丁醇蒸汽和NaCl水溶液实现两相换热，在喷射换热罐1中部位置换热后使得NaCl水溶液中的溶剂水汽化变为蒸汽，经过恒温滤网1-1后从上部进入到罐外换热器13中对来流的NaCl水溶液进行预热，冷却后的水蒸汽变为液态从罐外换热器13的壳侧出口15排入到收集器16中；同时在喷射换热罐1中部位置换热后使得丁醇蒸汽冷却变为液体、使得NaCl水溶液中的溶质以晶体形式完全析出，完成萃取后的丁醇冷凝液和NaCl晶体混合下落到喷射换热罐1底部从底部出口17排出，混合液进入到换热器18中对来流液进行预热后通过第一通道5进入到固液分离器10，丁醇液通过离心作用从滤网10-2中排出后从第二通道6进入到循环液池8中，NaCl晶体从固体出口10-1排放到容器9中；系统实现丁醇液闭式循环和NaCl水溶液的固液分离；在喷射换热罐1上部安装的温控器14与恒温滤网1-1联合作用使得只有水蒸气从恒温滤网1-1通过；其中，罐外换热器13和换热器18分别对NaCl水溶液和丁醇液加热，起预热、热量梯级配置的作用；外部高温热源通过加热器3对系统进行加热，加热器3的管侧3-3出口处安装的电磁阀2对喷射喷嘴1-5喷射的丁醇液的流量进行控制。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用喷射闪蒸和萃取联合系统，以丁醇为内循环工质实现完全析晶分离。NaCl水溶液预热后从上部喷淋喷嘴喷射到喷射换热罐中，同时把加压加热后的过热丁醇液从底部喷嘴向上喷射，过热的丁醇液暴露在低于其温度对应的饱和压力的空间后，会产生部分蒸汽，蒸汽继续向上加热下落的NaCl水溶液，使该溶液全部汽化，水以蒸汽形式向低温区移动，经过恒温滤网后进入到换热器后被冷凝为液体，NaCl以晶体形式完全析出后落入到丁醇液中，其中汽化后的丁醇遇冷变为液体后下落回到原溶液中，该系统需要严格执行换热流量比；在喷射换热罐中部位置丁醇气相与水溶液液相直接接触，实现高效换热，换热后丁醇和水以不同相形式实现一次性分离，同时完成萃取。系统还包括预热、加热、固液分离和辅助系统，保证系统高效、低能耗。总之，通过丁醇喷射闪蒸后，以喷射闪蒸和内循环萃取形式使NaCl水溶液彻底实现高效液固分离是实现高效脱盐和水资源循环利用的关键技术。
附图说明
图1为一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，包括喷射换热罐1，喷射换热罐1包括罐体1-4，从上至下设置在罐体1-4内的恒温滤网1-1、喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5，把废液池19中的NaCl水溶液加压加热后通过喷淋喷嘴1-3向下喷射，把循环液池8中的丁醇液加压加热至过热后通过喷射喷嘴1-5向上喷射，喷淋喷嘴1-3通过进水管1-2与罐外换热器13管侧出口相连，喷射换热罐1顶部安装温控器14，温控器14与罐外换热器13壳侧入口相连，喷射喷嘴1-5通过电磁阀2与加热器3相连；加热器3包括加热器壳体3-1、壳侧热源入口3-2、壳侧热源出口3-4和管侧3-3，加热器3管侧出口通过电磁阀2与喷射喷嘴1-5连通，加热器3管侧入口与换热器18相连；换热器18的热流体是喷射换热罐1底部出口17排出的液体，该热流体经过换热器18后通过第一通道5进入到固液分离器10中，其中固液分离器10包括壳体10-3、设置在壳体10-3内的转子10-4和壳体内壁面的滤网10-2以及壳体底部的固体出口10-1，固液分离器10通过第二通道6将循环液排放到循环液池8中，循环液由第三通道7经过第一加压泵4进入到换热器18中，之后流经加热器3后喷射到喷射换热罐1中，固液分离器10将固体颗粒通过固体出口10-1排放到容器9中；换热器13对温控器14出口的水蒸气进行冷却，水蒸气冷却变成液体后通过换热器13的壳侧出口15进入到收集器16中，换热器13中管侧冷流体是废液池19的待处理液，废液通过第二加压泵11和管道12进入到换热器13实现预热后进入到喷射换热罐1中。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5需要保证雾化均匀，截面开度在60°～150°之间，保证雾化溶液能在罐体1-4的横截面充分分布。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述喷淋喷嘴1-3和喷射喷嘴1-5的流量比在1:30～1:150之间，保证从喷淋喷嘴1-3喷出的液体全部能汽化。
如图1所示，所述喷射换热罐1内大压力在90～110kPa之间，其压力接近大气压。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述温控器14与恒温滤网1-1联合作用，使通过温控器14和恒温滤网1-1的蒸气温度在102-115℃之间，保证喷淋喷嘴1-3喷出的液体全部汽化后，水蒸气上升托举的全部为丁醇液滴颗粒，且丁醇液滴颗粒能被恒温滤网1-1过滤使单一的蒸气分子通过。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述喷射换热罐1中部位置上、下两股液体相接触面发生晶体析出现象，且使晶体过渡到丁醇液体中；喷射换热罐1底部的出口17排出的固液混合物为循环液丁醇和NaCl晶体颗粒，保证固液混合物中没有水。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述加热器3的壳侧热源入口3-2的温度大于118℃，保证换热流体从喷射喷嘴1-5喷出后能在其对应的环境压力下实现闪蒸。
如图1所示，所述罐外换热器13和换热器18实现来程与去程流体的换热，保证能量的梯级高效利用。
如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述固液分离器10将丁醇液体和NaCl晶体全部分别分离到循环液池8和容器9中，保证丁醇在整个系统中实现闭式循环。
如图1所示，所述罐外换热器13的壳侧出口15为冷却液，其温度80℃。如图1所示，本发明的工作原理为：喷射换热罐1为核心热交换装置，废液池19中的NaCl水溶液通过第二加压泵11和第二管道12进入到罐外换热器13中预热，预热后的NaCl水溶液通过喷淋喷嘴1-3从喷射换热罐1上部位置向下喷射；循环液池8中的丁醇液通过第三通道7和第一加压泵4进入到换热器18中，预热后的丁醇液进入到加热器3后被加热为过热丁醇液，丁醇过热液经过电磁阀2进入到喷射换热罐1中，通过喷射喷嘴1-5从喷射换热罐1底部向上喷射。从喷射喷嘴1-5喷射出来的丁醇过热液在低压环境中实现闪蒸，闪蒸后的蒸汽继续向上移动与喷淋喷嘴1-3喷射出的NaCl水溶液相遇，丁醇蒸汽和NaCl水溶液实现两相换热，在喷射换热罐1中部位置换热后使得NaCl水溶液中的溶剂水汽化变为蒸汽，经过恒温滤网1-1后从上部进入到罐外换热器13中对来流的NaCl水溶液进行预热，冷却后的水蒸汽变为液态从罐外换热器13的壳侧出口15排入到收集器16中；同时在喷射换热罐1中部位置换热后使得丁醇蒸汽冷却变为液体、使得NaCl水溶液中的溶质以晶体形式完全析出，完成萃取后的丁醇冷凝液和NaCl晶体混合下落到喷射换热罐1底部从底部出口17排出，混合液进入到换热器18中对来流液进行预热后通过第一通道5进入到固液分离器10，丁醇液通过离心作用从滤网10-2中排出后从第二通道6进入到循环液池8中，NaCl晶体从固体出口10-1排放到容器9中；系统实现丁醇液闭式循环和NaCl水溶液的固液分离。在喷射换热罐1上部安装的温控器14与恒温滤网1-1联合作用使得只有水蒸气从恒温滤网1-1通过。其中，罐外换热器13和换热器18分别对NaCl水溶液和丁醇液加热，起预热、热量梯级配置的作用；外部高温热源通过加热器3对系统进行加热，加热器3的管侧3-3出口处安装的电磁阀2对喷射喷嘴1-5喷射的丁醇液的流量进行控制。

Claims (10)

1.一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：包括喷射换热罐(1)，喷射换热罐(1)包括罐体(1-4)，从上至下设置在罐体(1-4)内的恒温滤网(1-1)、喷淋喷嘴(1-3)和喷射喷嘴(1-5)，把废液池(19)中的NaCl水溶液加压加热后通过喷淋喷嘴(1-3)向下喷射，把循环液池(8)中的丁醇液加压加热至过热后通过喷射喷嘴(1-5)向上喷射，喷淋喷嘴(1-3)通过进水管(1-2)与罐外换热器(13)管侧出口相连，喷射换热罐(1)顶部安装温控器(14)，温控器(14)与罐外换热器(13)壳侧入口相连，喷射喷嘴(1-5)通过电磁阀(2)与加热器(3)相连；加热器(3)包括加热器壳体(3-1)、壳侧热源入口(3-2)、壳侧热源出口(3-4)和管侧(3-3)，加热器(3)管侧出口通过电磁阀(2)与喷射喷嘴(1-5)连通，加热器(3)管侧入口与换热器(18)相连；换热器(18)的热流体是喷射换热罐(1)底部出口(17)排出的液体，该热流体经过换热器(18)后通过第一通道(5)进入到固液分离器(10)中，其中固液分离器(10)包括壳体(10-3)、设置在壳体(10-3)内的转子(10-4)和壳体内壁面的滤网(10-2)以及壳体底部的固体出口(10-1)，固液分离器(10)通过第二通道(6)将循环液排放到循环液池(8)中，循环液由第三通道(7)经过第一加压泵(4)进入到换热器(18)中，之后流经加热器(3)后喷射到喷射换热罐(1)中，固液分离器(10)将固体颗粒通过固体出口(10-1)排放到容器(9)中；罐外换热器(13)对温控器(14)出口的水蒸气进行冷却，水蒸气冷却变成液体后通过罐外换热器(13)的壳侧出口(15)进入到收集器(16)中，罐外换热器(13)中管侧冷流体是废液池(19)的待处理液，废液通过第二加压泵(11)和管道(12)进入到罐外换热器(13)实现预热后进入到喷射换热罐(1)中。
2.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述喷淋喷嘴(1-3)和喷射喷嘴(1-5)需要保证雾化均匀，截面开度为60°～150°，保证雾化溶液能在罐体(1-4)的横截面充分分布。
3.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述喷淋喷嘴(1-3)和喷射喷嘴(1-5)的流量比为1:30～1:150，保证从喷淋喷嘴(1-3)喷出的液体全部能汽化。
4.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述喷射换热罐(1)内的压力为90～110kPa，其压力接近大气压。
5.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述温控器(14)与喷射换热罐(1)内的恒温滤网(1-1)联合作用，使通过温控器(14)和恒温滤网(1-1)的蒸气温度为102-115℃，保证喷淋喷嘴(1-3)喷出的液体全部汽化后，水蒸气上升托举的全部为丁醇液滴颗粒，且丁醇液滴颗粒能被恒温滤网(1-1)过滤使单一的蒸气分子通过。
6.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述喷射换热罐(1)中部位置上、下两股液体相接触面发生晶体析出现象，且使晶体过渡到丁醇液体中；喷射换热罐(1)的底部出口(17)排出的固液混合物为循环液丁醇和NaCl晶体颗粒，保证固液混合物中没有水。
7.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述加热器(3)的壳侧热源入口(3-2)的温度大于118℃，保证换热流体从喷射喷嘴(1-5)喷出后能在其对应的环境压力下实现闪蒸。
8.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述罐外换热器(13)和换热器(18)实现来程与去程流体的换热，保证能量的梯级高效利用；所述罐外换热器(13)的壳侧出口(15)为冷却液，其温度小于80℃。
9.根据权利要求1所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统，其特征在于：所述固液分离器(10)将丁醇液体和NaCl晶体全部分别分离到循环液池(8)和容器(9)中，保证丁醇在整个系统中实现闭式循环。
10.权利要求1至9任一项所述的一种丁醇喷射闪蒸萃取NaCl水溶液的析晶系统的工作方法，其特征在于：喷射换热罐(1)为核心热交换装置，废液池(19)中的NaCl水溶液通过第二加压泵(11)和管道(12)进入到罐外换热器(13)中预热，预热后的NaCl水溶液通过喷淋喷嘴(1-3)从喷射换热罐(1)上部位置向下喷射；循环液池(8)中的丁醇液通过第三通道(7)和第一加压泵(4)进入到换热器(18)中，预热后的丁醇液进入到加热器(3)后被加热为过热丁醇液，丁醇过热液经过电磁阀(2)进入到喷射换热罐(1)中，通过喷射喷嘴(1-5)从喷射换热罐(1)底部向上喷射；从喷射喷嘴(1-5)喷射出来的丁醇过热液在低压环境中实现闪蒸，闪蒸后的蒸汽继续向上移动与喷淋喷嘴(1-3)喷射出的NaCl水溶液相遇，丁醇蒸汽和NaCl水溶液实现两相换热，在喷射换热罐(1)中部位置换热后使得NaCl水溶液中的溶剂水汽化变为蒸汽，经过恒温滤网(1-1)后从上部进入到罐外换热器(13)中对来流的NaCl水溶液进行预热，冷却后的水蒸汽变为液态从罐外换热器(13)的壳侧出口(15)排入到收集器(16)中；同时在喷射换热罐(1)中部位置换热后使得丁醇蒸汽冷却变为液体、使得NaCl水溶液中的溶质以晶体形式完全析出，完成萃取后的丁醇冷凝液和NaCl晶体混合下落到喷射换热罐(1)底部从底部出口(17)排出，混合液进入到换热器(18)中对来流液进行预热后通过第一通道(5)进入到固液分离器(10)，丁醇液通过离心作用从滤网(10-2)中排出后从第二通道(6)进入到循环液池(8)中，NaCl晶体从固体出口(10-1)排放到容器(9)中；系统实现丁醇液闭式循环和NaCl水溶液的固液分离；在喷射换热罐(1)上部安装的温控器(14)与恒温滤网(1-1)联合作用使得只有水蒸气从恒温滤网(1-1)通过；其中，罐外换热器(13)和换热器(18)分别对NaCl水溶液和丁醇液加热，起预热、热量梯级配置的作用；外部高温热源通过加热器(3)对系统进行加热，加热器(3)的管侧(3-3)出口处安装的电磁阀(2)对喷射喷嘴(1-5)喷射的丁醇液的流量进行控制。
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