CN1179995A - 离心式蒸气混合机 - Google Patents

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Abstract

本发明属使废蒸气增压的新型机械。机械驱动的,离心式蒸气混合机主要由机身和转子组成。转子的一侧是叶轮,另一侧有一组高压蒸气喷管。机身主要由蜗壳以及与其相通的环状通道、高压蒸气室和低压蒸气室组成。高压蒸气室和低压蒸气室分别位于叶轮的两侧。在高、低压蒸气室上分别开有高、低压蒸气进口。本发明的优点能使蒸发浓缩过程中单位产品的能量消耗降低30—60%,且其中70%以上为蒸气热能;本发明的结构比蒸气压缩机简单,耗电量低70%以上,制造成本低。

Description

离心式蒸气混合机
本发明属带有蒸汽加热的蒸发器，特别涉及采用与高压蒸气混合的方法使废蒸气增压的机械。
蒸气加热的蒸发、浓缩和蒸馏设备广泛应用于化学工业、食品工业、环境保护和其它领域。如炼油、海水淡化、污水处理、制碱、制盐、制糖、造纸、牛奶与果汁的浓缩等。现有的蒸发浓缩工艺和蒸馏工艺的热效率都较低，即使是热效率最高的用于海水淡化的多级闪急蒸发设备和多效降膜蒸发设备，每生产一吨淡水的耗能量也达到210-300MJ。人们早就发现，在蒸发、浓缩和蒸馏等化工单元操作中将废蒸气通过增压再生后用作加热介质是提高热效率的有效途径。现有两种增压方式：第一种方式是采用机械式压缩机增压，这能显著降低能耗(用于海水淡化的能耗150-180MJ/吨淡水)，但机械式增压几乎完全消耗电能或机械能。由于电能的价格比蒸气热能的价格高，采用机械式增压虽节能但一般会导致生产成本增加，因此其应用受到限制；第二种方式是采用蒸气喷射泵增压。与机械式增压相比采用蒸气喷射泵给废蒸气增压只消耗蒸气热能，但由于蒸气喷射泵的效率低，用于大中型设备难以达到节能效果(用于海水淡化的能耗为400-500MJ/吨淡水)，因而只用于小型设备。由工程热力学中气体流动混合的计算公式可知，采用高压蒸气与低压蒸气混合的方式使低压蒸气增压能耗很低，但由于二者之间压力差的存在而不容易连续地将他们混合。
本发明的目的是：改进现有的蒸气加热的蒸发浓缩工艺，使其热效率提高60-120％，且所耗能量中70％以上为蒸气热能；改进现有的蒸馏工艺，使其热效率提高40％以上，且大量减少冷却用水的消耗量。
在蒸发和浓缩工艺中，上述目的是通过采用离心式蒸气混合机利用在常规的蒸发浓缩工艺中由减压阀耗费掉的能量而实现的。下面以蒸气加热的海水淡化设备中常用的操作参数为例予以说明。在海水淡化设备中，来自锅炉的压力较高的生蒸气(压力为700kPa左右)在进入蒸发器之前通过减压阀将压力降到150kPa左右，压力降低了550kPa左右。与此相比进入蒸发器的生蒸气的压力为150kPa左右，排出的废蒸气的压力为30kPa以上，在蒸发器内加热蒸气的压力仅降低120kPa。减压阀耗费了大部分蒸气膨胀能。离心式蒸气混合机能将高压蒸气和低压蒸气混合成压力介于两者之间的混合蒸气。将蒸气混合机用于蒸气加热的蒸发或浓缩工艺中，将蒸发器末效排出的废蒸气与来自锅炉的高压蒸气混合，产生的混合蒸气作为生蒸气引进到蒸发器第一效的加热夹套中。一方面它对于高压蒸气而言如同常规工艺中的减压阀是减压装置，另一方面它利用高压蒸气减压时释放的能量使低压蒸气增压，对于低压蒸气而言是增压装置。采用这种新工艺能达到提高热效率60-120％的效果。
图1为离心式蒸气混合机的结构图；
图2为离心式蒸气混合机A-A剖面图；
图3为喷管的局部放大图；
图4为离心式蒸气混合机用于海水淡化中将两套多效降膜蒸发器(或多级闪急蒸发器)串联的工艺流程图。
下面结合附图说明本发明的结构和工作原理。
离心式蒸气混合机主要由机身和通过轴承安装在机身上的转子组成。转子主要由叶轮(8)、叶片(9)、驱动轴(12)、碟状圆盘(5)、加强筋(15)和连通管(4)组成。在驱动轴左端固定一圆盘形的平衡盘(1)，其作用是平衡转子上由其两侧蒸气压力差引起的轴向力，使轴承承受的轴向力几乎为零。平衡盘和机身间通过密封装置密封。叶片和碟状圆盘分别安装在叶轮的两侧面上。一组叶片(9)均匀分布地固定在叶轮的右侧，离心式蒸气混合机叶片的形状和气体压缩机的叶片相同。在叶轮上相邻两叶片之间形成一气流通道。气流通道的出口均布在轮子的外缘。连通管与转子的驱动轴同心，它与碟状圆盘紧密地固定在一起且与转动的高压蒸汽舱相通和机身之间用密封装置密封。连通管和碟状圆盘连为一整体，通过加强筋固定在叶轮的左侧。加强筋能增加碟状圆盘和叶轮的强度。在碟状圆盘和叶轮之间形成一转动的高压蒸气舱(6)。在转动的高压蒸气舱外缘沿圆周等距离开有一组高压蒸气喷管(14)。喷管的中心线(方向为从转子内向外，与图3中的矢量W2的方向一致)和切线方向(图3中矢量U2的方向)间的夹角(即矢量W2和U2之间的夹角)大于90°，一般为110°左右。喷管的形状如图3所示，一般说采喷管应是拉伐尔(Laval)管。高压蒸气喷管的出口在轴向与气流通道的出口相邻地分布在叶轮外缘的两侧气流通道和高压蒸气喷管二者的出口在径向与环状通道相对。机身主要由蜗壳(13)以及与其相通的环状通道(7)、高压蒸气室(2)和低压蒸气室(10)组成。转子将机身的蜗壳(包括环状通道)，高压蒸气室和低压蒸气室相互分隔开。高压蒸气室和低压蒸气室分别位于转子的左右两侧。高压蒸气室位于碟状圆盘的外侧，低压蒸气室住于叶片的外侧，在高压蒸气室上开有高压蒸气进口，在低压蒸气室上开有低压蒸气进口。高压蒸气进口(3)安装在位于碟状圆盘左边的高压蒸气室上。高压蒸气室通过连通管与转动的高压蒸气舱相通。低压蒸气进口(11)连接在机身上位于叶轮右边的低压蒸气室上。转子外缘之外是环状通道(7)。环状通道的外侧与蜗壳(13)相通。在蜗壳上开有混合蒸气出口(16)。在转子的外缘，高压蒸气喷管和由叶片形成的气流通道两者的出口紧密相邻地装在叶轮外缘的左右两侧面上，在径向与机身上的环状通道相对。转子的右边实际上是一蒸气压缩机，为了阻止叶轮左边高压蒸气舱内的热量通过叶轮传导到右边而导致压缩过程效率下降，在叶轮的左侧面固定有绝热层。转子将机身的蜗壳(包括环状通道)、高压蒸汽室和低压蒸汽室三者相互分隔开。
离心式蒸气混合机用于改进现有的蒸发、浓缩工艺时，将蒸发器末效产生的废蒸气引进到离心式蒸气混合机的低压蒸气进口，由锅炉或其它设备产生的压力较高的生蒸气引进到高压蒸气进口。当转子沿图3中箭头所示方向旋转时，叶轮由低压蒸气进口吸进废蒸气，通过叶片对其加速后排进环状通道；与此同时生蒸气在其本身压力的作用下从高压蒸气进口进入高压蒸气室，经由连通管进入转动的高压蒸气舱，通过高压蒸气喷管喷进环状通道。在环状通道内两股压力相同动能不等的蒸气相互混合后进入蜗壳。混合蒸气在蜗壳内以及与蜗壳相连的混合蒸气出口内减速增压后排出，作为生蒸气直接引进到蒸发或浓缩设备中。高压蒸气从转子中喷出时相对速度(图3中的W2)的径向分量(图3中的C2)用于混合时给废蒸气增速，而相对速度W2的切向分量(其方向与图3中矢量U2方向相反)能产生一动量矩帮助电机驱动叶轮，以减小所需电机功率。
离心式蒸气混合机用于改进现有的蒸馏工艺时，将蒸馏塔的顶气引进到离心式蒸气混合机的低压蒸气进口，将一蒸发器产生的与顶气为同一物质的高压蒸气引进到高压蒸气进口，通过混合后，顶气的压力和温度升高，混合蒸气作为加热介质引进到蒸馏装置的再沸器中，放出气化潜热而冷凝。这样既能提高蒸馏装置的热效率40％左右，又能节省大量的冷却用水。
和现有的机械式蒸气增压工艺相比本发明具有的优点和积极效果：
1.用于蒸发，浓缩工艺中，由于蒸气混合机利用在常规工艺中被减压阀耗费掉的高压蒸气膨胀能给废蒸气增压，因此在废蒸气进气量，进气压力和出口压力相同的情况下所消耗的机械能或电能比现有的机械式蒸气压缩机的少70％以上。
2.当生蒸气和废蒸气的质量流量比为1∶2时蒸气混合机使废蒸气增压的压缩比(compression ratio)能达到2，相当于二级离心式压缩机，但其结构比二级离心式压缩机简单，制造成本低。
3.应用蒸气混合机可改进常规的蒸气加热的蒸发和浓缩工艺，使蒸发浓缩过程中单位产品的能量消耗降低30-60％，比现有的机械式蒸气增压工艺的能耗更低，且其中70％以上为蒸气热能。应用蒸气混合机还可改进常规的蒸馏工艺，使蒸馏过程中单位产品的能量消耗降低30％左右并大量减少冷却水的消耗量。
本发明最具有应用价值的领域为海水淡化和炼油。在海水淡化中采用本发明对多级闪急蒸发设备(英文简写为MSF)或多效降膜蒸发设备(英文简写为ME)进行改进，将两套MSF或ME设备，或一套MSF与一套ME设备用蒸气混合机串联起来(其工艺流程图见图4，图4中DF表示来自锅炉的生蒸气；DB1和DB2为第一套设备排出的废蒸气；WS为海水；DM为由蒸气混合机排出的混合蒸气；WT2和WT1分别为第一和第二套蒸发设备生产的淡水；17为离心式蒸气混合机；18为第一套蒸发设备；19为第二套蒸发设备)，能使能耗降到每吨淡水140MJ或更低，其中电能的比例低于30％，这将极大地增强MSF对抗RO(反渗透海水淡化设备的英文简写)的竞争能力。RO的能耗虽然更低(每吨淡水耗能100MJ左右)，但所耗能量主要为电能，渗透膜的寿命一般为两年且生产的淡水含盐量较高。
本发明还可用于化工、食品工业、污水处理等领域改进现有的蒸气加热的蒸发浓缩工艺和蒸馏工艺而达到节能的目的。

Claims (4)

1.机械驱动的，用于蒸发、浓缩和蒸馏设备中使废蒸气(水蒸气或其它化学物质的蒸气)通过与高压蒸气混合而增压的，主要由机身和转子组成的离心式蒸气混合机其特征在于：转子主要由驱动轴、叶轮、一组叶片、碟状圆盘和连通管组成，叶片和碟状圆盘分别安装在叶轮的两侧面上，碟状圆盘和叶轮之间形成一转动的高压蒸气舱，在高压蒸气舱的外缘沿圆周等距离开有一组高压蒸气喷管；机身主要由蜗壳以及与其相通的环状通道、高压蒸气室和低压蒸气室组成，高压蒸气室和低压蒸气室分别位于叶轮的两侧，高压蒸气室位于碟状圆盘的外侧，低压蒸气室位于叶片的外侧，在高压蒸气室上开有高压蒸气进口，在低压蒸气室上开有低压蒸气进口，在蜗壳上开有混合蒸气出口，转子的外缘在径向与机身的环状通道相对，转子将机身的蜗壳(包括环状通道)、高压蒸气室和低压蒸气室三者相互分隔开。
2.按照权利要求1所述的离心式蒸汽混合机其特征在于连通管和驱动轴同心，它与碟状圆盘紧密地固定在一起且与转动的高压蒸气舱相通，连通管和机身之间通过密封装置密封。
3.按照权利要求1中所述的离心式蒸汽混合机其特征在于一组叶片均匀分布地固定在叶轮的一侧，相邻两叶片之间形成一气流通道，气流通道的出口均布在转子的外缘。
4.按照权利要求1中所述的离心式蒸汽混合机其特征在于一组高压蒸汽喷管的出口在轴向与气流通道的出口相邻地分布在叶轮外缘的两侧。气流通道和高压蒸气喷管二者的出口方向在径向与环状通道相对。
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