CN1995872A - 热能梯级复用溶液浓缩再生设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，它由蒸釜，热交换系统、外围管道系统和电子控制系统组成；其中，蒸釜主要由高温区元件、中间区元件和冷凝区元件组成；所述中间区元件由外壁、稀溶液入口、浓溶液出口、感应器安装口、溶剂出口、排气口和腔间隔壁构成；所述腔间隔壁由蒸发室的热交换肋片、腔间隔壁中板和冷凝室的热交换肋片组成；本发明可广泛应用到化工浓缩工艺，溴化锂空调的发生器等领域。可以大大地节约能源，水资源，降低运行成本和压缩设备空间，具有重大的环境效益和经济效应。

Description

热能梯级复用溶液浓缩再生设备

技术领域

本发明涉及溶液浓缩和再生、化工萃取和海水淡化等领域，特别地，涉及一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备。

背景技术

本发明可替代溴化锂空调的发生器和医药生产行业中的多效蒸发器。现有的双效溴化锂吸收式制冷机有高压和低压两个发生器，稀释的溴化锂吸收剂溶液先到高压发生器，被通过高压发生器盘管中较高温度的蒸汽加热；在高压发生器中产生的冷剂蒸汽作为低压发生器的热源，加热低压发生器的中间溶液，从而使蒸汽的热能得以利用两次。在医药生产行业中的多效蒸发器多采用三个蒸发罐用管子串联，采用蒸汽潜热利用的方法实现节能的目的。它们均因采用管式的热交换原理和抽蒸汽来维持气压差的办法，导至温差损失很大，且因随着效数增多而节能效率快速降低，最终导致无法有效地增加利用次数。另外，它们因为每一效(利用一次)都有一个独立的灌子，所以整个系统的体积均比较大，管道系统复杂，不利于节约空间，也不利于模块化生产，不适应现在工业生产的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，它由蒸釜，热交换系统、外围管道系统和电子控制系统组成；其中，蒸釜主要由高温区元件、中间区元件和冷凝区元件组成；所述中间区元件由外壁、外壁保温层、稀溶液入口、浓溶液出口、感应器安装口、溶剂出口、排气口和腔间隔壁构成；所述腔间隔壁由腔间隔壁中板、蒸发室的热交换肋片和冷凝室的热交换肋片组成。

进一步地，所述高温区元件内设置直燃部件，电热部件或热交换部件；所述冷凝区元件内设置散热器或与室外散热器相通。

进一步地，所述蒸釜的高温区元件、中间区元件和冷凝区元件通过室间隔板、接垫圈分隔连接而成。

进一步地，所述热交换系统由稀溶液出口、溶剂入口、浓溶液入口、浓溶液出口、稀溶液入口、保温层、交换器外壳、热交换管、溶剂出口组成。

进一步地，所述控制系统主要由抽液机、电子阀、数据采集及分析系统组成。

本发明的有益效果是，本发明有效解决了多效蒸发器等现有技术中，随着效数增多而节能效率快速降低的问题；还有因主要中间区元件采用刀片式模块化设计，有效的压缩整个设备空间，有效的减少热能损失；并且有利于维修，有利于模块化生产，减少生产模具数量，降低生产成本。

附件说明

图1是串联供料连接法系统结构简图；

图2是本发明的蒸釜水平截面图；

图3是中间区元件单元水平截面图；

图4是图3所示的中间区元件单元A-A剖视图；

图5是图3所示的中间区元件单元B-B截面图；

图6是室间隔板构造图；

图7是铸件单元间连接垫圈示意图；

图8是蒸釜主件装配示意图；

图9是热交换器结构示意图；

图10并联供料连接法系统结构简图；

图中，高温区1、中间区2、低温区3、蒸发室4、冷凝室5、冷却室6、腔间隔壁7、室间隔板8、蒸釜外壁9、电子阀10、热交换器11、浓溶液管路12、溶剂管路13、稀溶液管路14、防溅网15、保温层21、加热设备22、冷却室23、稀溶液入口24、浓溶液出口25、感应器安装口26、溶剂出口27、连接管道系统28、冷却水入口29、冷却水出口30、腔间隔壁中板31、蒸发室的热交换肋片32、冷凝室的热交换肋片33、排气口51、蒸汽过孔61、螺孔62、接垫圈71、高温区元件81、中间区元件82、冷凝区元件83、稀溶液出口91、溶剂入口92、浓溶液入口93、浓溶液出口94、稀溶液入口95、保温层96、交换器外壳97、热交换管98、溶剂出口99。

具体实施方式

下面根据附图和具体实例详细说明本发明，本发明的目的和效果将更加明显。

本发明的装置由蒸釜，热交换系统、外围管道系统和电子控制系统组成，按供料管连接方法不同可分为图1所示的串联供料连接法系统和图10所示的并联供料连接法系统两种。因为串联供料连接法系统的外围设备和管道系统比较简单，并更具有典型性，先以此为主作如下分析说明。

本装置采用直热交换方式，并采用传热肋片和表面处理的方法，可以很好地降低传热阻，从而提高了传热效率。采用本技术还减少了蒸汽管和蒸汽泵等很多中间环节，大大地减少无效热能损失。在内部每个传热环节均采取有效措施，严格限制非目标传热方式的发生，并使之降到有效热能的二到三个数量级(除空腔单元间液流自带外)，以满足增效目标的实现。有效解决了多效蒸发器等现有技术中，随着重复利用次数的增加而渐趋失效的问题。主要采取如下技术措施：

主要通过蒸釜的结构优化来达到减少中间环节，提高传热效率，减少无效损失的目的。整个蒸釜结构如串联供料连接法系统结构简图图1和蒸釜水平截面图图2所示，由一个个空腔单元直接串联而成，每个空腔分为两个相隔又局部相通的两个分室。两个分室间的传热方式以相变传热为主，为了减少其它传热方式引起的热能损失，室间隔板8为隔热材料，并且一直分隔到蒸釜外壁9的外沿，使热能只有通过溶剂的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结的过程才能顺利的把蒸发室的热能传到冷凝室内的腔间隔壁中板31和冷凝室的热交换肋片33。一个个空腔单元紧密相接，相互间直接以传导方式传热。为了提高腔间隔壁的传热效率，把腔间隔壁做成带热交换肋片的构造，并在表面做拉“V”形处理，以增加热交换表面积，降低单位截面的表面交换热阻。两种方式接力传递，直到冷却腔6为止。整个过程省却蒸汽管，蒸汽泵等中间环节，不但减少了热能损失，还大大地提高的溶剂提取的效率。

利用外保温，绝热保温管道系统和热交换等技术措施以防止热能外失。外面做保温层，外接管子采用绝热材料或有隔热段的复合管材，防止热能向系统外散失(除了冷却室外)和向相邻单元传导。外流液体(溶剂和浓溶液)带走的热能又通热交换器分级传给流入液体(稀溶液)，减少热能不必要的损失。从而确保利用好每一份进入本系统的热能。

对由于工艺中必须的液流自带的无效热能损耗与有效热能之比(下称热能损耗系数)K1进行分析：主要是指溶液从蒸发室4向下一级蒸发室4输送时，虽然没有热能损失，但这部分热能没有参加本空腔单元的蒸发过程，对本工艺来说也是一种损失。假设有N个空腔单元，总温差为T，溶剂的汽化热为q，溶液的热容为C，浓缩率为D，则K1的理论测算表达式为K1＝((1-D/(N-1))+(1-2*D/(N-1))+……+(1-(N-1)*D/(N-1)))*C*T/N/(q*D)＝(N-1-N*D/2)*C*T/N/(q*D)。

其中，采用了液体抽取代替汽体抽取，降低的压差维持能耗的效果如下。每个空腔单元间的温度差由相应的蒸汽压差来维持，而蒸汽压差则由中央蕊片根据采集的数据信息，通过各个相关电子阀控制液体流量来完成，而不是采用抽蒸汽的方法。可以使维持的动力功耗降为传统的方法的千分之一，只占主体传热功率的万分之一以内。以每单元再生1kg水，平均压差为0.5个大气压为例计算，控制功耗和溶解热大大少于溶剂汽化热的比例为1.01*10⁵*0.001*0.5/(1*1000*2253)＝2.24*10^-5。

对其它热能损耗系数K2进行分析：利用外保温，绝热管和热交换等技术后还客观存在的热能外失(除K1外)。因为采取了上述有效技术措施后，经测算总损失热能能控制在主体传热功率的百分之一之内。

以食盐溶液，没有溶解热溶质为例，对本发明整体运行效率做理论分析如下：

假设有N个仓室，腔间隔壁7的传导热阻为R，腔间隔壁7与蒸汽、液态溶剂的交换热阻分别为RA、RW，总温差为T，溶剂的汽化热为q，参与热交换的腔间隔壁的计算面积(蒸釜的横断面积)为S，则每秒钟最多可产生的溶剂质量的表达式为：

M＝(1-K1)(1-k2)*N*ΔT*λ/q

＝(1-K1)(1-k2)*N*(T/N)*[S/(RA+R+RW)]/q

＝(1-K1)(1-k2)*T*S/(RA+R+RW)/q                    (1)

而在生产相同溶剂时，通过每个单元的每秒热能需求为：

Q＝(1-K1)(1-k2)*q*M/N

＝(1-K1)(1-k2)*(T/N)*S/(RA+R+RW)

＝(1-K1)(1-k2)*[T*S/(RA+R+RW)]/N                  (2)

由公式(1)中可得知每秒钟产生的溶剂质量与串联单元数基本无关，而可以通过增大参与热交换的腔间隔壁的计算面积为S，或降低腔间隔壁7的总传热阻(包括腔间隔壁7传导热阻为R，腔间隔壁7与蒸汽、液态溶剂的交换热阻RA、RW)来提高溶剂的提取效率。也就是说应用本技术后，不管串联多少个仓室，只要系统总温差和腔间隔壁的计算面积和总热阻相等，则每秒钟产生的溶剂质量基本相等，也就是说基本不影响发生器的生产效率。

由公式(2)中可得知，用本技术后，不管用多少个单元，在每秒钟产生的溶剂质量相同的情况下，整个系统约需要的热能约为一单元的1/N。

实例测算

在k1值取1％，k2的计算条件为T＝80，D＝0.7，溶剂以水为例，与理想状态、化工中的多效蒸发器效率做对比。经理论测算，每产生单位蒸汽时所需要供热蒸汽相对量对比如下表：

N	1	2	3	5	10	50
							理想值	1.0000	0.5000	0.3333	0.2000	0.1000	0.020
本技术	1.0101	0.5217	0.3611	0.2235	0.1144	0.0233
							与理想值比	1.0101	1.0434	1.0834	1.1175	1.144	1.165
多效蒸发器	1.100	0.57	0.4	0.27	-	-
							与理想值比	1.1	1.14	1.20	1.35	-	-
与本技术比	1.0890	1.0926	1.1077	1.2080	-	-

由上表可以看出，采用本技术后，产生单位蒸汽时所需热能随看重复利用次数的增加，与理想值的比值趋于1.17，从跟本上解决了多效蒸发器等现有技术中，随着重复利用次数的增加而与理想值的比值逞F(N)＝0.0075*N²+0.0175*N+1.075渐趋而失效的问题。

本装置主要中间区元件采用刀片式、模块化、标准化设计(如图5是中间元件单元B-B截面图图5)，有利于压缩整个设备空间；有利于减少热能损失的途径，提高热利用效率；有利于按需要调整效数N；有利于模块化生产，减少生产模具数量，降低增加效数N的成本；还有利于使用时维修更换中间区元件和相关配件。

发明的装置采用并联供料连接法还可以比较好的消除热能损耗系数K1引起的损失，经测算可以比串联法提高约10％效率。但采用并联供料连接法得为每个空腔单元专配一个热交换器，而带来制造成本的增加，且系统变得更为复杂。

综上所述，采用本技术，不但可以有效地解决现有技术中随着重复利用次数的增加而渐趋失效的问题；可以有效的降低增加效数的成本，还可以缩减设备的空间，提高使用过程中的可维护性。

下面详细描述本发明的热能梯级复用溶液浓缩再生设备的组成。

本发明的装置主要由蒸釜，热交换系统、外围管道系统和电子控制系统组成，按供料管连接方法不同可分为图1所示的串联供料连接法系统和图10所示的并联供料连接法系统。

蒸釜基本结构如串联供料连接法系统结构简图图1和蒸釜水平截面图如图2所示，分为高温区1、中间区2和低温区3，高温区1和中间区2的基本空腔单元均由室间隔板8分隔为蒸发室4和冷凝室5，两室间理论上应尽量不发生直接地热传导，热能只能通过蒸发室4产生的蒸汽的流动而传向冷凝室5，具体如串联供料连接法系统结构简图1中大箭头所示。相邻空腔间的隔壁7应有尽可能好的传热性能，使在相同的热流强度(凝结速率)下，减少相邻仓室间的温差，以提高热能的利用次数。而在整个组合体系外壁9应有良好的保温层，以减少热能的损失，以保证保证热能利用效率，并形成必要的温度梯度。

根据上述的工艺流程和铸造工艺的要求，各铸造件的分割面定于室间隔板8处，把整个蒸釜分为如蒸釜主件装配示意图图8所示的高温区元件81、中间区元件82、冷凝区元件83三大类。高温区元件81为受热区，可根据实际需要，在内膛增加直燃部件，电热部件或热交换部件。冷凝区元件83为本系统的散热区，需要通室外的散热器，将余热散发到系统之外而使本系统能维持必要的温度梯度。中间区元件82为蒸釜的重要主件，详见中间区元件单元水平截面图图3及其说明。

中间区元件单元的结构如中间区元件单元水平截面图图3、中间区元件单元A-A剖视图图4和中间区元件单元B-B剖视图图5所示。中间区元件单元由外保温层、外壁、腔间隔壁7、稀溶液入口24、浓溶液出口25、感应器安装口26、溶剂出口27和排气口51构成。其中腔间隔壁中板31、蒸发室的热交换肋片32、冷凝室的热交换肋片33合称为腔间隔壁7。为了降低每个腔间隔壁7总热阻，腔间隔壁中板31两侧均做成尽可能大地增加表面积的构造，如本图所示的蒸发室的热交换肋片32和冷凝室的热交换肋片33的设计，热交换肋片表面还可以拉成“V”字形的小凹槽，可以使表面积扩大10～20倍，从而降低交换热阻。在考虑蒸发区汽泡的上升，蒸发室的热交换肋片32间距宜适当的宽一点，保证汽泡顺利上升。而冷凝室的热交换肋片33则只要满足生产工艺的要求下，越密越好。且宜做成N1*L1/RA＝N2*L2/RW(N1，N2分别为两侧的肋板数)，以达到用尽可能少的空间和材料，使总热阻最小。因为腔间隔壁7总热阻的构成中表面交换热阻要大于腔间隔壁中板31传导热阻一个数量级以上，所以增大热交换表面积是降低传导热阻的最有效办法。

如中间区元件单元A-A截面图图4所示。蒸发区的热交换肋片的上下端应每间隔一片开洞口，以连通相邻肋间小室，加长液流的流程，形成较好的浓度梯度。

如中间区元件单元B-B截面图图5所示。冷凝区的热交换肋片的下端应开洞口，如图5所示，以连通各肋间小室，以便于溶剂汇集。并且在蒸发室的热交换肋片32上端的室间隔板蒸汽过孔61下沿设防溅网15，以阻止溶液沸腾时把小液滴溅入冷凝室，影响再生溶剂的纯度。排气口51主要是在重新起动、长期不运行或检修时排进空气时用。

如室间隔板构造图图6所示。室间隔板应采用绝热且有较好的耐腐蚀材料做成，起到分隔蒸发室4和冷凝室5的作用，上部开蒸汽过孔61。

如铸件单元间连接垫圈示意图7所示，连接垫圈71应采用耐高温的硅橡胶等密封材料做成，起到各元件的连接密封作用。

蒸釜主件装配如蒸釜主件装配示意图图8所示。室间隔板8、接垫圈71、高温区元件81、中间区元件82和冷凝区元件83之间采用螺栓的法兰连接，蒸釜主件上的管口与管道系统的连接采用螺口活接法连接，蒸釜主件上的感应器安装口26与感应器模块采用螺口连接，排气口51上用螺栓封闭。

热交换器结构如热交换器结构示意图图9所示。稀溶液出口91、溶剂入口92、浓溶液入口93、浓溶液出口94、稀溶液入口95、保温层96、交换器外壳97、热交换管98、溶剂出口99。稀溶液从稀溶液入口95进入，通过热交换管，从稀溶液出口91流出，一直在热交换管内。不同温度的溶剂分别从溶剂入口92进入热交换器的左腔，经过热交换后从溶剂出口99流出。浓溶液从浓溶液入口93进入热交换器的右腔，经过热交换后从浓溶液出口94流出。整个热交换器内的温度为左高右低，各种溶液分开，采用逆流分级交换的方式把溶剂和浓溶液的余热交换给稀溶液，使热能得以最充分的回收利用。

对外围管道系统连接进行说明：热交换器稀溶液出口91与蒸釜稀溶液入口24，蒸釜的各个溶剂的出口27与热交换器的溶剂入口91，蒸釜的浓溶液出口25与热交换器的浓溶液的入口93均用外保温的隔热管子和电子阀相连接。

控制系统主要由抽液机、电子阀10、数据采集及分析系统组成。本系统采集每个单元中的压强、温度、溶液浓度、液位等数据，送到数据处理蕊片分析，再把相关指令发送给抽液机及电子阀，以便对流量进行调整，从而保证蒸釜能在正常的各个参数下运行。

并联供料连接法的连接方法如并联供料连接法系统结构简图图10所示。为了减少前面所说的K2损失，在大型的，效数较多(大于5)的设备中可以采用本连接方法。其主要的设备蒸釜和控制设备与串联供料连接法相同，只是溶液的进出方法和热交换器的结构不同。溶液的进出方法为在每个空腔单元中稀溶液进入，浓溶液直接出蒸釜，不再进入下一单元进一步浓缩，每个单元都是如此。热交换器则可采用普通的单腔热交换器。

在生产时制造材料都应按溶液的化学性质再选用。在各项控制参数在满足本发明中的相关要求的前提下，根据溶液的物理化学性质选定。

下面详细说明本发明的运行：刚启动工作时，打开排气口51，先把空腔内用溶液充满，并加热到预定的温度后关闭排气口51，再通过控制每个出入口的电子阀和抽液机，控制好每个室的液位，形成一定蒸汽压梯度，从而形成相等的温度梯度，使热能能够顺利地从高温区流向低温区，形成稳定的热流。

形成设计所需的温度梯度后，高温区内蒸发区溶液接收外界传来的热能，使溶剂蒸发成蒸汽，通过过汽孔63流向冷凝区，经温度较低一级腔间隔壁7的冷却，转变为液态，同时把热能传给需要加温的下一(较低温度)室中的溶液，而冷凝的溶剂在底部汇聚后经电子阀流到热交换器，经浓缩过的溶液也经电子阀流向下一级进一步浓缩，就这样完成了一个空腔内的整个过程。

同理，随着在着每个仓室中蒸发和凝结过程的进行，热能也由高温区向低温区传递，溶液也得到一步一步地浓缩，直到温度(低温仓室)低得没法再利用为止。并且每个仓室中出来的冷凝溶剂和最后出来的浓缩液，又把余热通过热交换器11传给流向高温区的稀溶液，不但使热能得到充份利用，还可把自己的温度降低。在正常运行的过程中只要通过电子阀10控制好液体的流量，就可以保持各个空腔内必要的汽压差和温度梯度，而整个控制过程中只需要很少的动力能耗。

在停止工作时则可以通过打开稀溶液入口的电子阀，让溶液向低温区流动，充满腔室，使较高浓度的溶液则汇集到低温仓，这样不但可以提高重起动速度，还可以减少仓室的内外压差，从而防止空气进入，降低设备的疲劳度。而起动时则可以把最的浓凝室直接用于下一流程，而其它浓凝室中的液体回到稀溶液储藏罐中。如果是短时间停运，也可以保持蒸釜内的蒸汽压为一个大气压，液位可以不变。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，它由蒸釜，热交换系统、外围管道系统和电子控制系统组成；其中，蒸釜主要由高温区元件(81)、中间区元件(82)和冷凝区元件(83)组成；所述中间区元件(82)由外壁、稀溶液入口(24)、浓溶液出口(25)、感应器安装口(26)、溶剂出口(27)、排气口(51)和腔间隔壁(7)构成；所述腔间隔壁(7)由腔间隔壁中板(31)、蒸发室的热交换肋片(32)和冷凝室的热交换肋片(33)组成。

2、根据权利要求1所述的一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，所述高温区元件(81)内设置直燃部件，电热部件或热交换部件；所述冷凝区元件(83)内设置散热器或与室外散热器相通。

3、根据权利要求1所述的一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，所述蒸釜的高温区元件(81)、中间区元件(82)和冷凝区元件(83)通过室间隔板(8)、接垫圈(71)分隔连接而成。

4、根据权利要求1所述的一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，所述热交换系统由稀溶液出口(91)、溶剂入口(92)、浓溶液入口(93)、浓溶液出口(94)、稀溶液入口(95)、保温层(96)、交换器外壳(97)、热交换管(98)、溶剂出口(99)组成。

5、根据权利要求1所述的一种热能梯级复用溶液浓缩再生设备，其特征在于，所述控制系统主要由抽液机、电子阀、数据采集及分析系统组成。

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