CN1182900C - 一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺 - Google Patents
一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺。本发明的目的是通过合理的工艺组合，充分提高能源的使用效能。该工艺主要由热泵和A、B两组蒸发器组成，其中A组蒸发器为一个带有热泵的蒸发装置，B组蒸发器为一组多效蒸发装置；用外源蒸汽将A组第一效蒸发器的二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组第一效蒸发器的一次蒸汽(即以并列的加热方式来驱动二蒸发器工作)；原料液经预热后先进入A组第一效蒸发器进行浓缩，然后再依次进入B组第一效、第二效、第三效蒸发器，浓缩到工艺要求的浓度后出料。本发明之工艺可比现有工艺降低能耗20～60%。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸发浓缩工艺，特别涉及一种带有热泵的蒸发浓缩工艺。
背景技术
多效蒸发浓缩工艺是目前工业上最常用的蒸发浓缩工艺，例如国内氯碱工业中电解碱液的蒸发浓缩主要为三效顺流蒸发浓缩工艺，见文献[1](《氯碱工艺学》，方度等主编，北京：化学工业出版社，1990，P286-345)的记载。但该工艺存在如下一些缺点，一直困扰着氯碱工业的发展。首先是能源的利用不合理，由于第一效蒸发器一次蒸汽与二次蒸汽的饱和温度差相差较大，高达33℃，无法通过热泵等手段来充分利用外源蒸汽的有效能即做功能力，外源蒸汽只能减温减压后作为一次蒸汽进入第一效蒸发器，造成能源效能的无谓损耗；其次是原料液进入第一效蒸发器的温度较低，通常低于其沸点35～40℃，因此第一效蒸发器需要较多的一次蒸汽及传热面积为预热电解碱液至沸点而工作，从而降低了第一效蒸发器的蒸发效率，也就是说减少了第一效蒸发器的蒸发量。
鉴于现有工艺的上述缺点，使得国内氯碱工业蒸发浓缩过程的能耗严重偏高，阻碍了氯碱工业的发展，因此，产业部门希望有关的工程技术人员进行改进，提供一种先进的蒸发浓缩工艺，以推动氯碱工业的技术进步。
发明内容
本发明的目的：为克服现有技术的上述缺点，提出了一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，它通过合理的工艺组合，充分提高能源的使用效能，可比现有技术降低能耗20％以上。
本发明的构思是这样的：在基本上保持蒸发器总传热面积不变的情况下，设置A、B两组蒸发装置，其中A组蒸发器为一个带有热泵的蒸发装置，B组蒸发器为一组多效蒸发装置。热泵在外源蒸汽的驱动下，使A组蒸发器出来的二次蒸汽得以增压并与外源蒸汽充分混合后，再作为一次蒸汽进入A组蒸发器和B组第一效蒸发器；通过控制A组蒸发器蒸发室的操作压力来调节蒸发器的蒸发量，提高热泵的引射系数，从而使外源蒸汽的做功能力得到充分利用；进入A组蒸发器的原料液分别用B组第一效蒸发器的部分二次蒸汽和A、B两组第一效蒸发器排出的冷凝水进行预热，以尽可能地提高原料液的进料温度，从而充分发挥A组蒸发器和B组第一效蒸发器的蒸发功效。由于A组蒸发器和B组第一效蒸发器完成了整个工艺过程总蒸发量的一半甚至一半以上，B组第二效、第三效蒸发器的蒸发任务就比较轻了，其设计时的传热面积就可相对减少，因而蒸发器总的传热面积可以得到有效控制。
本发明是这样来实现的：一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，它主要由热泵和A、B两组蒸发器组成，其中A组蒸发器为一个带有热泵的蒸发装置，B组蒸发器为一组多效蒸发装置。所采用的热泵为一类蒸汽动力混合型热泵，即蒸汽喷射泵、连体热机-热泵中的一种。用外源蒸汽将A组第一效蒸发器的二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽。从蒸汽加热角度来看，A组和B组的组合方式是并列的，但从料液的蒸发浓缩过程来看，A组和B组的组合方式是串联的，料液从A组蒸发器再到B组蒸发器。原料液采用组合式预热，先用B组第一效蒸发器的部分二次蒸汽进行预热，再用A组和B组蒸发器第一效的冷凝水进行预热，使原料液预热至温度低于沸点不超过25℃再进入蒸发器。原料液经预热后首先进入A组第一效蒸发器进行浓缩，再进入B组蒸发器进一步浓缩。控制A组第一效蒸发器的蒸发量，使易结晶溶质的浓度始终保持低于其饱和浓度。控制A组第一效蒸发器蒸发室的操作压力，使其相对应的二次蒸汽的饱和温度高于B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度3～18℃。根据被蒸发浓缩物系及其蒸发工况的不同，外源蒸汽的压力为1.0～4.5Mpa，热泵的引射系数为0.4～3.0。
附图说明
下面结合附图来描述本发明的工艺。
图1为本发明的工艺流程示意图：它有A、B两组蒸发器，其中：
1-外源蒸汽及进口
2-热泵
3-原料液及进口
3a、3b-原料液预热器
4-A组第一效蒸发器
5-B组第一效蒸发器
6-B组第二效蒸发器
7-B组第三效蒸发器
8-喷射真空泵或真空泵
图1中虚线为蒸汽管道，细实线为蒸汽冷凝水管道，粗实线为料液管道。用外源蒸汽(1)将A组第一效蒸发器(4)的二次蒸汽经热泵(2)混合增压后共同作为A、B两组第一效蒸发器的一次蒸汽。原料液(3)分别通过预热器3b、3a，预热至温度低于沸点不超过25℃后，先进入A组第一效蒸发器进行蒸发浓缩，然后再依次进入B组第一效蒸发器(5)、B组第二效蒸发器(6)、B组第三效蒸发器(7)，浓缩到工艺要求的浓度后出料；B组第一效蒸发器的二次蒸汽除部分进入预热器(3b)被用来预热原料液外，大部分进入B组第二效蒸发器作为蒸发热源；B组第二效蒸发器的二次蒸汽全部进入B组第三效蒸发器作为蒸发热源；B组第三效蒸发器的二次蒸汽则通过喷射真空泵(8)引出。
具体实施方式
在本发明之工艺中，原料液经预热后首先进入A组第一效蒸发器进行浓缩，通过控制A组第一效蒸发器的蒸发量，使易结晶溶质的浓度始终保持低于其饱和浓度，就可以采取适当的措施来减少温度差损失，如采用能够降低温度差损失的强制循环型蒸发器、降膜式蒸发器、板式蒸发器、蛇管式蒸发器、闪发式蒸发器等蒸发设备，以及控制A组第一效蒸发器蒸发室的操作压力，使其相对应的二次蒸汽的饱和温度高于B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度3～18℃，从而显著降低A组第一效蒸发器总的温度差。热泵的引射系数随着增压前后温度差的降低，其增速越来越高，就可以充分利用外源蒸汽的做功能力，有效提高热泵的引射系数，根据被蒸发浓缩物系及其蒸发工况的不同，可以利用的外源蒸汽的压力范围为1.0～4.5Mpa，热泵的引射系数可以达到0.4～3.0。原料液采用组合式预热：原料液先用B组第一效蒸发器的部分二次蒸汽进行预热，再用A组和B组第一效蒸发器的冷凝水进行预热，使原料液预热至温度低于沸点不超过25℃再进入A组蒸发器第一效，就可以增加二次蒸汽和冷凝水热能的综合利用，从而有效降低蒸发器用于预热料液的传热面积，同时B组蒸发器中原来用于预热原料液的部分一次蒸汽节省下来可以用于本蒸发器的蒸发浓缩，从而进一步增加蒸发量。此时虽然增加了一个A组第一效蒸发器，但由于A组第一效蒸发器料液的温度较高且浓度较低，又没有结晶析出，其传热系数可以较高，还可以采用能够强化传热的蒸发器以及能够减少污垢热阻的带自动清洗装置等进一步提高传热系数，同时，由于A组和B组第一效蒸发器完成了整个工艺过程总蒸发量的一半甚至一半以上，B组第二、第三效蒸发器的蒸发任务就比较轻了，其设计时的传热面积就可相对减少，整个蒸发操作总的传热面积因而可以得到有效控制，与现有工艺基本保持一致或略有减少。除了有效地提高外源蒸汽的功效与A、B两组第一效蒸发器的蒸发能力以及减少B组第二效、B组第三效蒸发器的蒸发量外，其余工艺流程与现有工艺相似，B组蒸发器仍可按常规的蒸发操作进行，故可大大便利有关工厂对现有装置的技术改造，特别是对现有装置的扩能改造。本发明之工艺由于可以将更多的二次蒸汽循环使用，使得末效蒸发器需要冷凝的二次蒸汽量大为减少，还可以大大降低冷却水的用量，因而具有十分显著的节能、节水效果。
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。
实施例1
以氯碱工业电解碱液的蒸发浓缩为例，采用本发明之工艺，A组为一单效蒸发器，B组为一组三效顺流蒸发器，将1.6Mpa的外源蒸汽用作蒸汽喷射泵的工作蒸汽，A组蒸发器采用强制循环型蒸发器，一次蒸汽的温度为168℃，控制其蒸发室的操作压力为0.42Mpa，则与之相对应的二次蒸汽的饱和温度为145℃，比B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度高9℃，用外源蒸汽将A组蒸发器的全部二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽，热泵增压前后总的温度差为23℃，热泵的引射系数为0.4左右，电解碱液(简称料液)的沸点为160℃。原料液(含NaOH：10％、NaCl：16％左右)依次采用B组第一效蒸发器的部分二次蒸汽预热(在预热器3b中)和A、B两组第一效蒸发器的冷凝水预热(在预热器3a中)，将原料液预热到140℃左右后，先进入A组蒸发器进行浓缩，再依次进入B组第一效蒸发器、B组第二效蒸发器、B组第三效蒸发器，浓缩到工艺要求的浓度后出料，B组蒸发器的操作及温度参数仍基本维持文献[1]中的操作状况。A组蒸发器料液中NaOH的浓度仅为11％左右，NaCl的浓度也仅为18％左右，低于其20.5％的饱和浓度。由于A组蒸发器采用了强制循环型蒸发器，料液浓度较低而温度又较高，因此蒸发器的传热系数可以很高，而此时B组蒸发器由于蒸发量减少并且无需预热原料液，B组蒸发器的传热面积也可比原来明显减少，按每小时生产42％的液碱折合一吨100％NaOH计，现有工艺的蒸汽消耗量为3400kg，蒸发器总的传热面积为174M2，而采用本发明之工艺，引射系数为0.4，蒸汽消耗量为2700kg，蒸发器总的传热面积仅为172M2，两者蒸发器总的传热面积基本相当，同时由于A组蒸发器中料液的浓度较低，蒸发器的材质要求也不很高，整套蒸发器的设备造价因而并无明显增加，而采用本发明之工艺可比现有工艺节能20％以上。
附：现有工艺与本发明之工艺的主要工艺参数对比(按每小时生产42％的液碱折合一吨100％NaOH计)：
一、三效顺流工艺
效数 一效二效三效
各效蒸汽消耗量，kg 3400，2250，2230
各效蒸发量，kg 2250，2230，2028
各效的浓度(NaOH)，％ 13，22，42
各效的有效传热温差，℃ 18，12，13
各效的总传热系数，kJ/(m2h℃) 6700，7000，6700
各效蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 2060，2163，2248
各效的传热面积，M2 58，58，58
二、本发明之工艺
效数 A1效B1效B2效B3效
各效蒸汽消耗量，kg 1492，2288，1686，1670
各效蒸发量，kg 1080，2157，1670，1601
各效的浓度(NaOH)，％ 11，16，25，42
各效的有效传热温差，℃ 8，17，12，13
各效的总传热系数，kJ/(m2h℃) 9000，6700，7000，6700
各效蒸汽的汽化潜热，kJ/kg 2060，2060，2157，2248
各效的传热面积，M2 43，43，43，43
实施例2
以含有氯化钠的氯化钙溶液的蒸发浓缩为例，按本发明之工艺，A组为单效蒸发器，B组为一组三效蒸发器。将压力为1.6Mpa的外源蒸汽用作热泵的工作蒸汽；A组蒸发器采用自动清洗式降膜蒸发器，一次蒸汽的工作温度为140℃，控制蒸发室的操作压力为0.24Mpa，则与之相对应的二次蒸汽的饱和温度为126℃，比B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度高12℃，用外源蒸汽将A组蒸发器的全部二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽，热泵采用蒸汽喷射泵或连体热机-热泵，其引射系数可达1.2。原料液(含量：CaCl2为15.4％、NaCl为8.6％，其余为水)按实施例1相同的方式被预热到115℃以上，先进入A组蒸发器，A组蒸发器料液的沸点为133℃，按图1所示的工艺流程浓缩到工艺要求的浓度(含量：CaCl2为41％、NaCl为18％(含结晶)，其余为水)后出料。采用本发明之工艺，可比现有工艺节能约30％左右。
实施例3
按本发明之工艺蒸发浓缩实施例2同样的料液，将压力为1.0Mpa的外源蒸汽用作热泵的工作蒸汽，A组蒸发器采用自动清洗式降膜蒸发器，一次蒸汽的工作温度为140℃，控制蒸发室的操作压力为0.264Mpa，则与之相对应的二次蒸汽的饱和温度为130℃，比B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度高16℃，用外源蒸汽将A组蒸发器的全部二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽，热泵采用蒸汽喷射泵或连体热机-热泵，其引射系数可达0.4。原料液被预热到115℃以上，先进入A组蒸发器，浓缩后再进入B组蒸发器，浓缩到工艺要求的浓度后出料。采用本发明之工艺，可比现有工艺节能约20％左右。
实施例4
按本发明之工艺蒸发浓缩实施例2同样的料液，将压力为1.6Mpa的外源蒸汽用作热泵的工作蒸汽，A组蒸发器采用自动清洗式降膜蒸发器，一次蒸汽的工作温度为140℃，控制蒸发室的操作压力为0.18Mpa，则与之相对应的二次蒸汽的饱和温度为117℃，比B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度高3℃，用外源蒸汽将A组蒸发器的全部二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽，热泵采用采用蒸汽喷射泵或连体热机-热泵，其引射系数可达0.7。原料液被预热到115℃以上，先进入A组蒸发器，浓缩后再进入B组蒸发器，浓缩到工艺要求的浓度后出料。采用本发明之工艺，可比现有工艺节能约20％左右。
实施例5
按本发明之工艺蒸发浓缩实施例2同样的料液，将压力为4.5Mpa的外源蒸汽用作热泵的工作蒸汽，A组蒸发器采用强制循环型蒸发器，一次蒸汽的工作温度为140℃，控制蒸发室的操作压力为0.20Mpa，则与之相对应的二次蒸汽的饱和温度为120℃，比B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度高6℃，用外源蒸汽将全部A组蒸发器的二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽，热泵采用连体热机-热泵，其引射系数可达3.0。原料液被预热到115℃以上，先进入A组蒸发器，浓缩后再进入B组蒸发器，浓缩到工艺要求的浓度后出料。采用本发明之工艺，可比现有工艺节能约60％左右。
实施例2～5的部分工艺参数及其节能效果：
外源蒸汽压力，Mpa 1.6 1.0 1.6 4.5
A1效蒸发室压力，Mpa 0.24 0.264 0.18 0.20
A1效二次蒸汽的饱和温度，℃ 126 130 117 120
A1与B1效二次蒸汽温度差，℃ 12 16 3 6
热泵的引射系数 1.2 0.4 0.7 3.0
节能，％ 30 20 20 60
由上可见，本发明之工艺，通过提高热泵的引射系数，可以大大降低能耗，提高节能效果，节能幅度可达20～60％，因而有效地推动蒸发浓缩工程的技术进步。
此外，对于能源比较短缺或外源蒸汽的压力较低，如外源蒸汽＜1.0MPa，甚至＜0.4Mpa的场合，同样可以应用本发明之工艺，不过热泵的引射系数有所降低，但仍有一定的节能效果。
Claims (4)
1、一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，其特征在于：它主要由热泵和A、B两组蒸发器组成，其中A组蒸发器为一个带有热泵的蒸发装置，B组蒸发器为一组多效蒸发装置；所采用的热泵为一类蒸汽动力混合型热泵，即蒸汽喷射泵、连体热机—热泵中的一种；用外源蒸汽将A组第一效蒸发器的二次蒸汽经热泵混合增压后共同作为A、B两组蒸发器的一次蒸汽；控制A组第一效蒸发器蒸发室的操作压力，使其相对应的二次蒸汽的饱和温度高于B组第一效蒸发器二次蒸汽的饱和温度3～18℃；原料液采用组合式预热，先用B组第一效蒸发器的部分二次蒸汽进行预热，再用A组和B组蒸发器第一效的冷凝水进行预热，使料液预热至温度低于沸点不超过25℃再进入A组第一效蒸发器进行浓缩，然后再进入B组蒸发器进一步浓缩。
2、根据权利要求1所述的一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，其特征在于：控制A组第一效蒸发器的蒸发量，使易结晶溶质的浓度始终保持低于其饱和浓度。
3、根据权利要求1所述的一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，其特征在于：外源蒸汽的压力为1.0～4.5Mpa。
4、根据权利要求1所述的一种带有热泵的组合式蒸发浓缩工艺，其特征在于：热泵的引射系数为0.4～3.0。
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