CN1205647A - 小型真空蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

在此公开一种用于蒸馏液体的致密型真空蒸馏装置。该装置包含在其中蒸发液体的蒸发器(14)和冷凝液体的冷凝器(24),蒸发器(14)和冷凝器(24)这两个单元均装在同一蒸馏器容器(42)中。利用致冷循环(14,28,24,10)供热,以使所蒸馏的液体沸腾并将蒸气冷凝。蒸馏器容器(42)还含有新颖的加热真空发生器(30,32,34),其在容器内形成真空。该真空使液体能够在较低温度下沸腾,因而可将致冷系统用做加热源与冷却源,使能耗降低。该装置能以比简单蒸馏法低25—50%的成本来生产蒸馏液体。由于体积密集,且使用与传统冰箱相同的元件,因此该装置可集成在冰箱致冷系统中并生产蒸馏水。

Description

小型真空蒸馏装置

背景-发明领域

本发明涉及真空蒸馏装置，具体涉及小型、内含致冷循环、使用低能耗零件的该类装置。

背景-先有技术

蒸馏工艺在洁净的水及其它液体的生产中已应用了很长时间。水进入锅炉并在其中蒸发。然后水蒸汽经过冷却室冷凝形成纯水滴，然后流向蒸馏液出口。蒸馏是唯一的能够确保除去供水中所含任何固体的水净化工艺。

水在212华氏度下沸腾的简单蒸馏系统中存在若干公认的缺点。首先是使水沸腾并从冷凝液中去除多余热量所需的能耗。另一个实际的缺点是在较高温度下有结水垢的可能。在大型蒸馏系统中，已开发出若干种解决方案。例如多级蒸馏，其中从某一蒸馏级回收蒸发过程的部分潜热来为下一级供热，使每级的压力并因而使沸腾温度依次降低。

另一种解决方案是采用蒸气压缩蒸馏装置，它使大型蒸馏系统所需的能耗降至更低。在蒸气压缩蒸馏中，通过沸腾将水蒸发，然后压缩所产生的蒸气，这样使蒸气压力并因而使温度升高。

然后利用该蒸气加热锅炉中的水，并且以此方式回收潜热。一旦开始进行蒸气压缩蒸馏循环，则只需很少的进一步加热，且只有蒸气压缩机本身需要能量。

在小规模蒸馏系统即量级为每天250加仑或更少的情况下，多级蒸馏和蒸气压缩蒸馏的基本投资使这些可选方案难以接受。因此所有小规模蒸馏系统都使用在大气压力及温度下的简单蒸馏法。

本发明包含对传统简单蒸馏法的多项改进，例如采用致冷循环进行热回收。此外本发明能在不使用昂贵的机械泵的情形下形成真空，并且将通常分离的锅炉和冷凝器合并成一个整体单元。

这些创新其成果是一套能够批量生产高纯度蒸馏水的系统，与简单蒸馏相比较，其能耗相当低。此外，低温蒸馏的另一个优点是能消除水中通常存有的杂质所形成的水垢。

发明的目的和优点

因此，除了在我的上述专利中所说明的真空蒸馏系统的目的和优点外，本发明的若干目的和优点是：

(a)本发明的主要目的和优点在于：一种新颖的用于生产高纯度水的真空蒸馏工艺，它所用能量少于传统的简单蒸馏系统。

(b)本发明的另一目的和优点在于：一种创新的在系统中形成真空的方法，该方法减免了对机械式真空泵的使用需求。

(c)本发明的另一目的和优点在于：使用加热真空形成装置，可在低温下进行水的蒸馏。

(d)本发明的另一目的和优点在于：由于所用沸点较低，锅炉和冷凝器单元上结垢减少，因此减免了除垢及使用除垢剂的需求。

(e)本发明的另一目的和优点在于：由于该装置的运行温度较低，可使用较低成本的材料。

(f)本发明的另一目的和优点在于：较低的沸腾温度使该装置的处理和运行更加安全。

(g)本发明的另一目的和优点在于：将通常分离的沸腾与冷凝功能合并在单一容器中。

(h)本发明的另一目的和优点在于：一种采用增强式循环传热装置的创新方法，使锅炉的总体积显著减小。

(i)本发明的另一目的和优点在于：易于将本发明合并在标准冰箱系统的设计中，其中冰箱的冷凝器和蒸发器元件可以与该装置的相同元件制成一体。

附图简要说明

图1a为典型的独立式批量处理蒸馏单元的简图。

图1b为独立式批量处理蒸馏单元的局部截面，图示出该设计的各个部件。

图2a为典型的标准家用冰箱的示意图，图示出批量处理水蒸馏单元的位置。

图2b为批量处理蒸馏单元的局部截面，该单元本身带有致冷剂蒸发器并且集成在标准家用冰箱中。

图2c为批量处理蒸馏单元的局部截面，该单元本身不带致冷剂蒸发器并且集成在标准家用冰箱中。附图标记列表4外壳6支承底座8冰箱箱体10致冷剂压缩机11电源线12致冷剂排出管线，水蒸发器的起点14致冷剂冷凝器，水蒸发器16冰箱冷凝器隔罩18水蒸发器的终点20散热器21强制通风风扇22致冷剂压力降低装置Ⅰ24致冷剂蒸发器Ⅰ和蒸汽冷凝器26蒸汽冷凝器终点，热交换器起点28热交换器29致冷剂压缩机的抽吸管线30蒸气发生装置的供液连接管32真空形成装置的加热器元件34真空形成装置的蒸气分离器36进水阀38排水阀40蒸馏液收集器42蒸馏器容器43容器绝缘衬44蒸馏液／空气出口阀46蒸馏器容器与蒸馏液储罐之间的连接管48空气排放孔50蒸馏液储罐52蒸馏液排放阀54三通电磁阀Ⅰ56三通电磁阀Ⅱ58致冷剂压力降低装置Ⅱ60致冷剂蒸发器Ⅱ62三通电磁阀Ⅲ

附图静态描述

图1a示出了用于水蒸馏的本发明典型实施装置。该实施装置包含：压缩机(10)；如图1b所示的蒸馏器容器(42)，该容器把水蒸发器(14)、真空形成装置(30至34)、蒸汽冷凝器(24)、蒸馏液收集器(40)组成一个整体单元；散热器(20)；以及蒸馏液储罐(50)。该实施装置还具有：进水阀(36)、电源线(11)、蒸馏液排放阀(52)、排水阀(38)，该实施装置安装在支承底座(6)上，并且整个实施装置封闭在外壳(4)中。

图1b详细图示了独立式蒸馏单元，其具有外层金属或塑料蒸馏器容器(42)，并带有绝缘衬(43)；该蒸馏器容器内装有真空形成装置，该装置由连接管(30)、加热器元件(32)和蒸气分离器(34)组成。

蒸馏器容器(42)内还装有致冷剂冷凝器盘管(14)、致冷剂冷凝器盘管隔罩(16)、热交换器(28)、致冷剂蒸发器(24)和蒸馏水收集器(40)。

蒸馏器容器(42)外部安装有进水阀(36)、蒸馏液／空气出口阀(44)和排水阀(38)。与蒸馏器容器(42)连接有致冷剂压缩机(10)和含有致冷剂压力降低装置I(22)的散热器(20)。散热器(20)还可具有强制通风风扇(21)。

带有顶部空气排放小孔(48)和蒸馏液排放阀(52)的蒸馏液储罐(50)，通过连接管(46)与蒸馏液容器(42)相连。

图2a示出了集成在标准家用冰箱中的本发明典型实施装置示意图。该图中图示有：蒸馏器容器(42)，它将水蒸发器(14)、真空形成装置(30至34)、蒸汽冷凝器(24)、蒸馏液收集器(40)、热交换器(28)以及隔罩(16)合并成一个整体单元；压缩机(10)；散热器(20)；蒸馏液储罐(50)；以及致冷剂蒸发器Ⅱ(60)。

图2b详细图示了蒸馏单元及其自带的致冷剂蒸发器的局部截面，该单元集成在标准家用冰箱中。该蒸馏单元各细部与上面在图1b中所述相同，只是增加了三通阀(54)、(56)和(62)，以及与致冷剂蒸发器Ⅱ(60)相连的致冷剂压力降低装置Ⅱ(58)。

图2c为如上面图1b所述的蒸馏单元的局部截面，只是去掉了其自带的致冷剂蒸发器Ⅰ(24)、致冷剂压力降低装置Ⅰ(22)、两个三通阀(56)和(62)、以及热交换器(28)，该蒸馏单元集成在与上面在图2b中所述相同的标准家用冰箱中。本发明工作或操作原理说明

为了解释该系统的操作，下面将分节对独立型和集成型加以说明。

1．独立蒸馏系统

所提出的独立式批量处理蒸馏系统的基本原理是：使真空容器底部的水沸腾以产生蒸汽，然后使蒸汽至真空容器顶部的冷凝器。随即该蒸汽被冷凝成蒸馏水。图1b详细图示了所提出的蒸馏系统。本发明的工艺过程可被分为以下几个阶段：加注水、形成真空、产生蒸馏液、排放蒸馏液。

1．1加注水

由于本发明涉及批量处理，所以第一步就是在蒸馏器容器(42)中加注水。为了做到这一点，首先打开蒸馏液／空气出口阀(44)和进水阀(36)，并关闭排水阀(38)。确保压缩机(10)和加热器元件(32)关断。通过阀门(36)将处理过的水加注入蒸馏器容器(42)直到液面超过真空形成装置加热器元件(32)，然后，关闭进水阀(36)。此时系统中注满了水。

1．2形成真空

下述形成真空的方法不需要较昂贵的真空泵，而是基于简单的加热装置，其操作如下：开启加热器元件(32)以产生蒸汽，同时从连接管(30)持续不断向加热器空腔中供水。由加热器元件(32)产生的蒸汽还将致冷剂蒸发器(24)内部的致冷剂蒸气加热到过热状态。为了冷却过热的致冷剂，热交换器(28)将使过热的致冷剂温度充分降低，使真空循环得以进行。

由加热器元件(32)产生的蒸气与初始残存在蒸馏器容器(42)中的空气一道被推挤出蒸馏液／空气出口阀(44)、连接管(46)、以及蒸馏液储罐(50)，并最终从蒸馏液储罐(50)的顶部空气排放孔(48)排出。当已有一些冷的蒸馏液时，部分蒸汽将在蒸馏液储罐(50)中被冷凝。

蒸馏器容器(42)内部衬有绝缘衬(43)以减少水蒸汽在其表面的冷凝，这种冷凝会阻止蒸汽将容器中的空气排出。由加热器元件(32)产生的蒸汽将使蒸馏器容器(42)中的空气变稀，直到几分钟后，容器中最终几乎完全被蒸汽所充满。然后蒸馏液／空气出口阀(44)被关闭，加热器元件(32)被关断。

从此时起，蒸馏器容器(42)中的压力将与蒸汽温度相对应。当开启致冷剂压缩机(10)时，蒸馏器容器(42)中的蒸汽压力将随蒸汽温度下降，于是在该装置的运行过程中形成真空状态。该装置将产生范围为(27-29)英寸汞柱的真空状态。即使在未排出新进水中的气的情况下亦会产生此现象。

1．3产生蒸馏液

在独立型装置中，蒸馏液的生产过程将通过以下两部分来表述：

    1．3．1水蒸发与致冷剂冷凝，以及

    1．3．2蒸汽冷凝与致冷剂蒸发

在下面各小节中将对这些进行详细说明。

1．3．1水蒸发与致冷剂冷凝

此时开启压缩机(10)，过热的致冷剂蒸气从压缩机(10)中排出。致冷剂过热蒸气被送到致冷剂冷凝器(14)的顶部，该冷凝器(14)是从点(12)延伸到点(18)的盘管。致冷剂冷凝器盘管(14)被分成两段。盘管(14)的顶段被包容在隔罩(16)的圆柱部分内部，而盘管(14)的底段被隔罩(16)的盘形部分所覆盖。整批水在真空条件下被致冷剂加热。

水在致冷剂冷凝器(14)的底段被预热，并且持续受热到冷凝器(14)的顶段。此时在水面以下1-2英寸的水达到过热状态，并形成汽／水混合物。汽／水混合物从隔罩(16)的顶端内喷出并到达蒸汽分离器(34)。

蒸汽经过蒸气分离器(34)上升到致冷剂蒸发器Ⅰ(24)，同时水降落到隔罩(16)之外侧。由于蒸汽与液体之间密度不同，驱使隔罩(16)的圆柱部分顶端之外侧的水向下，然后流到隔罩(16)的底端平板部分之下，并随后又升高到隔罩(16)圆柱部分内部。这种增强式循环传热装置提高了水与致冷剂之间的对流传热。

同时，致冷剂被水持续冷凝到低蒸气率状态。然后低蒸气率的饱和致冷剂被送到散热器(20)并被继续冷凝成液态。

1．3．2蒸汽冷凝／致冷剂蒸发

现在致冷剂流经致冷剂压力降低装置Ⅰ(22)(例如膨胀阀或毛细管)，进入致冷剂蒸发器Ⅰ(24)。在膨胀过程中液体致冷剂温度显著下降，并且致冷剂变成低蒸气率饱和混合物。

致冷剂的蒸发温度选定在华氏32度以上，以防止水结冰。致冷剂蒸发器Ⅰ(24)内部的致冷剂从水蒸汽中吸收能量，并且致冷剂蒸发器Ⅰ(24)起到蒸发管的作用以蒸发致冷剂。

同时，蒸汽释放能量并在致冷剂蒸发器Ⅰ(24)的外部被冷凝，该致冷剂蒸发器Ⅰ(24)在蒸馏器容器(42)内起着蒸汽冷凝器的作用。冷凝液滴落到蒸馏液收集器(40)。致冷剂被送入热交换器(28)中，该热交换器(28)从点(26)一直延伸到压缩机(10)的入口。离开热交换器的所有致冷剂都应当是单相蒸气态。

致冷剂离开热交换器(28)，经过抽吸管线(29)到达压缩机(10)。在此发生压缩过程。然后高压蒸气经过排出管线到达致冷剂冷凝器(14)，从而完成蒸气压缩致冷循环。

上述致冷循环也可由吸收式致冷循环取代。吸收式致冷循环与蒸气压缩致冷循环不同，它是使用热能而不是机械能来实现完成致冷循环所必需的状态改变。

对致冷循环的利用致使性能提高，提高的比率为从致冷剂蒸发器Ⅰ(24)中释放出的能量总量除以输入致冷剂压缩机(10)的能量，因而与简单蒸馏系统相比，形成显著的能量节约。

从上述水蒸馏环路中连续不断地产生蒸馏水，直到蒸馏液收集器(40)装满为止。

1．4排放蒸馏水

批量蒸馏工艺的下一部分是将蒸馏液从收集器中排放到外部储罐中。首先打开排水阀(38)，使空气进入系统中并打破真空。此时打开蒸馏液出口阀(44)，蒸馏液靠重力排放到蒸馏水储罐(50)中。此时下个循环将重新开始。2．集成在标准家用冰箱中的蒸馏系统

在此给出两个基本的优选实施例，用于如下面2．1和2．2节所述将本发明集成在家用冰箱中。

2．1带致冷剂蒸发器的水蒸馏装置

该系统包含两个环路，一个是水蒸馏环路，另一个是致冷环路。水蒸馏环路的情况与上面1．3节中所述相同。在致冷环路的情况中，致冷环路由三个三通阀(54)、(56)和(62)来控制。于是致冷剂从压缩机(10)出来到散热器(20)，经过致冷剂压力降低装置Ⅱ(58)进入致冷剂蒸发器Ⅱ(60)以完成致冷循环。

2．2不带致冷剂蒸发器的水蒸馏装置

该实施方案除致冷剂蒸发器Ⅰ(24)被去掉外，与上面2．1节所详细描述的相同，致冷剂被送入致冷剂蒸发器Ⅱ(60)，蒸馏器容器(42)的顶部在受到致冷剂蒸发器Ⅱ(60)所供给的冷空气冷却时，起到蒸汽冷凝器的作用。小结、衍生方案及范围

因此读者可看到：本发明的小型真空蒸馏装置可用于生产蒸馏水，且与简单蒸馏系统相比，能显著降低能耗。小型真空蒸馏系统的其它优点在于：

-使能耗降低到低于简单蒸馏系统的(25-50)％。

-由于将水蒸发器和蒸汽冷凝器合并在一个容器中，使真空蒸馏系统的体积减小，并且通过利用水蒸发器中的隔罩，产生增强式对流。

-采用一种不用真空泵的真空形成装置，因而可将致冷循环用作产生水蒸汽的加热源。

-使用加热真空形成装置减小了单元的总体积。

-由于沸腾温度较低，减少了水垢的产生，因而可减免除垢或对化学除垢剂的使用需求。

-该设计易于集成在传统冰箱中，冰箱中的冷凝和蒸发部件可与该装置中的相同部件制成一体。

-由于温度较低，允许使用低成本材料。

-由于真空致使沸腾温度较低，使该装置的使用和操作本质上更加安全。

虽然上述说明包含许多特征，但不应把这些作为本发明范围的限制条件，而只应作为本发明优选实施方案的示例。

其它许多改型都是可能的。例如，容器可以有许多其它立体形状，如椭圆、圆、方等，而且所蒸馏的液体可以不是水而是其它诸如乙二醇、海水等等。

因此本发明的范围不应由图解说明的实施方案来确定，而应由所附权利要求及其法定等同物来确定。

Claims (31)

1．一种真空蒸馏方法，包括：整个系统形成真空，并且内含致冷循环，其中致冷循环热侧的热量被用于在真空系统中将要蒸馏的液体蒸发成气态，而致冷循环冷侧被用于将所述蒸气冷凝回液态。

2．一种靠热量形成真空的方法，其中：热量被用于蒸发少量液体，从而使蒸气将蒸馏容器中的空气排出，一旦部分蒸气被冷凝成液体，则容器压力将减小。

3．一种蒸馏液体的方法，包括：将所要蒸馏的液体导入，利用如权利要求2所述的加热真空形成法将空气排出蒸馏器容器，导致所述液体通过致冷循环蒸发与冷凝。

4．如权利要求3所述的方法，其特征在于：利用所述致冷循环的冷侧冷凝所述液体蒸气。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于：致冷循环中包含蒸气压缩致冷循环。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于：致冷循环为吸收式致冷循环。

7．如权利要求1和2所述的方法，其特征在于：在致冷剂蒸发器和压缩机之间安插有热交换器，用于在加热真空形成过程中冷却致冷剂。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用热源增强所要蒸馏液体的循环，从而增强加热器与液体之间的传热，而无需借助机械泵，其结果使整个系统的体积减小、传热效率提高。

9．如权利要求8所述的方法，其特征在于：利用隔罩将所蒸馏液体的冷、热两部分隔开，使得较冷部分流到隔罩下面，而较热部分流到隔罩顶部。

10．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液体为含有其它物质的水，且生成蒸馏水。

11．如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述液体为含有其它物质的水，且生成蒸馏水。

12．如权利要求1所述的方法，其特征在于：将生成蒸馏水的方法与冰箱相结合，使得同一压缩机在蒸馏与致冷环路中都能起作用，以保持冰箱冷却并生产蒸馏水。

13．如权利要求1所述的方法，其特征在于：该蒸馏方法是利用从蒸馏循环的热侧蒸发蒸气，并在同一腔室中将所述蒸气在致冷循环的冷侧冷凝，而不用经过连接管。

14．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液体为乙二醇、水、盐及其它杂质的混合物，而蒸馏出的液体包括蒸馏乙二醇和蒸馏水。

15．一种独立式真空蒸馏装置，该装置内含致冷循环，并且采用没有机械式真空泵的真空蒸馏方法，生产蒸馏水这种产品。

16．一种用于蒸馏液体的独立式批量真空蒸馏装置，包含：加热真空形成装置，用于在所述装置中形成负压；蒸馏器容器，在其中蒸馏所述液体；连接管，连接于所述蒸馏器容器与蒸馏液储罐及致冷单元之间。

17．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述致冷单元采用蒸气压缩致冷循环。

18．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述致冷单元采用吸收式致冷循环。

19．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述加热真空形成装置还包含：供液连接管，加热器元件，用于所述加热器元件的容器，以及蒸气分离器。

20．如权利要求16所述装置，其特征在于：在致冷剂蒸发器Ⅰ和从致冷剂压缩机开始的抽吸管线之间添加有热交换器，用于在加热真空形成阶段冷却致冷剂。

21．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述加热真空形成装置位于所述蒸馏器容器的中央，且在所述蒸馏液收集器的上方，以使液体与蒸气之间的接触面积最小。

22．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述加热真空形成装置是绝缘的。

23．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述增强式循环传热装置含有所述隔罩和所述致冷剂冷凝器。

24．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述蒸馏器容器含有：致冷剂冷凝器，隔罩，蒸气分离器，致冷剂蒸发器I，以及蒸馏液收集器。

25．如权利要求23所述的装置，其特征在于：所述增强式循环传热装置含有另外的热源。

26．如权利要求16所述装置，其特征在于：在所述蒸馏器容器和所述蒸馏液储罐之间的所述连接管一直伸到所述蒸馏液储罐的底部，用于在真空形成阶段对从所述蒸馏器容器中排出的液体蒸气进行冷凝。

27．如权利要求16所述装置，其特征在于：所述蒸馏液储罐带有空气排放孔和蒸馏液排放阀。

28．如权利要求16所述装置，其特征在于，它还包含有用于加注水、形成真空、产生蒸馏液和排放蒸馏液各阶段的自动控制系统。

29．如权利要求16所述的装置，其特征在于：蒸馏装置集成在标准家用冰箱中。

30．如权利要求29所述的装置，其特征在于：所述水蒸馏装置带有致冷剂蒸发器Ⅰ。

31．如权利要求29所述的装置，其特征在于：所述水蒸馏装置不带致冷剂蒸发器Ⅰ。

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