CN206027109U - 一种节能的蒸发浓缩设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种节能的蒸发浓缩设备。所述节能的蒸发浓缩设备是一种基于极低压缩比有机工质热量回收的装置，其包括原料储罐(1)、进料计量控制装置(2)、物料蒸发器(3)、气液分离装置(4)、蒸发循环泵(5)、蒸发加热器(6)、循环物料节流装置(7)、水蒸气冷凝器(8)、气液分离罐(9)、真空泵(10)、冷凝液外排泵(11)、有机工质输送风机(12)、有机工质节流装置(13)、有机工质加热器(14)。本实用新型立足于有机工质热泵节能方法，突破了传统热泵型蒸发工艺对于高压缩比压缩机的依赖，COP值也突破原有的3～5.5的限制，从而具备更优的节能效果。同时本装置无需传统热泵型蒸发装置中制冷剂所需的高压管道及高压配套元件，极大的降低了蒸发浓缩设备的投资成本，具有显著的经济效益。
Description
技术领域
本实用新型属于化工分离和节能减排技术领域，涉及热泵型蒸发技术，尤其涉及一种更为节能的热泵型蒸发浓缩设备。
背景技术
蒸发浓缩技术是一种广泛应用于物料分离和水质净化的技术方法，尤其是在废水减量化和零排放领域，应用越来越广泛。以溶剂为水的物料来说，蒸发浓缩是利用蒸汽的汽化潜热值完成物料的加热，使得物料中的水溶剂汽化进而与物料分离，从而实现浓缩过程。蒸发过程是一个高能耗需求的过程，为了减少能耗需求，从理论和工程实践上，开发了多种不同的蒸发方法。如多效蒸发、MVR蒸发、热泵型蒸发等。
但是针对低温(40～65℃)的水分蒸发领域，上述方法都存在一定的局限性。多效蒸发过程中为了克服传热温差和沸点升高，通常每个效体的温差损失达到10～15℃，因此，对于低温水分蒸发的过程，最多只能采用2效操作。我们知道，2效操作的蒸汽吨耗比理论值为0.5，也就意味着每蒸发一吨水需要消耗0.5吨以上的蒸汽。因此多效蒸发用于低温水分蒸发领域，仍然能源消耗巨大，节能效果不佳。
MVR是一种具备明显节能效果的蒸发技术，它将二次蒸汽中的潜热值最大程度的利用起来，从而减少了蒸发系统对于外界能量的需求。但是在低温水分蒸发领域MVR却存在明显的缺陷。因为水蒸气的比容在不同温度条件下变化很大，在较低的温度条件下若要完成同样的温升条件，MVR压缩机的体积流量较常压条件显著上升，系统能耗效率明显下降。因此一般认为MVR适用于85℃以上的水分蒸发过程。
热泵型蒸发是一种较为新型的蒸发技术。它利用冷媒的蒸发-压缩-冷凝过程，将二次蒸汽的潜热进行热量传递，满足蒸发的加热需求。中国专利申请号200820177513.X公开了一种电热激励真空式热泵型蒸馏装置，其包括程序控制器、蒸发罐总称、冷凝罐总称、蒸馏水罐总称、真空缓冲罐总称、真空泵、真空泵进气管、真空泵排气孔、电热棒、压缩机、高温冷凝器、低温蒸发器、压缩机进口管线、连接管、节流阀。它首先利用真空泵将装置抽到真空状态，然后利用电热棒加热自来水，使水温达到真空度对应的沸腾温度，一旦蒸汽进入冷凝罐就启动热泵，利用热泵的低温蒸发管吸收高温蒸汽的能量来加热水并使水变成蒸汽，与此同时高温蒸汽被吸热后冷凝为蒸馏水。中国专利申请号200910229310.X公开了一种分段蒸发-分段压缩热泵，它针对余热介质温度变化区间大时单一蒸发器型蒸汽压缩式机组存在的不足,提供了由两个以上压缩机、两个以上蒸发器、冷凝器、节流阀等部件组成、实现分段蒸发-压缩的蒸汽压缩式机组；低温蒸发器与第一压缩机实现低温段蒸发-压缩,高温蒸发器与第二压缩机实现高温段蒸发-压缩——余热介质首先流经高温蒸发器加热冷剂液成冷剂蒸汽向第二压缩机提供、温度降低后再流经低温蒸发器加热冷剂液成冷剂蒸汽向第一压缩机提供，第一压缩机或向冷凝器提供冷剂蒸汽或向第二压缩机提供冷剂蒸汽，被加热介质流经冷凝器吸热。中国专利申请号201020124059.9公开了一种低温蒸发系统，包括：保温水箱、与保温水箱连通的高温热泵、与高温热泵连通的蒸发室、两端分别与蒸发室连通的第一高温管道泵、通过一气液分离器与蒸发室相连通的冷凝室、及分别与冷凝室连通的真空泵及水箱，所述保温水箱与高温热泵之间通过一第二高温管道泵连通，蒸发室一侧引出一出气管与保温水箱相连通，冷凝室与水箱之间通过一水泵连通，该冷凝室一侧还引出一冷凝管与水箱相连通。中国专利申请号201210235112.6公开了一种热泵型低温蒸发装置及方法，属于化工分离和节能减排技术领域。其特征是在载热媒介的制热循环过程中把溶剂蒸发、冷凝以达到低温下蒸发浓缩热敏料液或回收有机溶剂的目的；装置主要由料液蒸发器、气液分离器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、热媒储罐、热媒蒸汽压缩机、过滤器、料液泵、凝液泵、节流装置及管路阀门等组成，其中料液蒸发器采用单效或多效降膜蒸发器。通过调节系统真空度来控制料液蒸发温度在25-60℃间；通过变频调节压缩机输入功率来控制系统制热量和蒸发量之间的匹配。中国专利申请号201510872831.2公开了一种低温蒸发系统，它所述系统包括：用于物料蒸发的蒸发室、冷凝室、真空泵、制冷剂冷凝器、制冷剂蒸发器、节流装置和压缩机；所述蒸发室与所述冷凝室连通，所述真空泵连接所述蒸发室或冷凝室，所述制冷剂冷凝器置于所述蒸发室内，所述制冷剂蒸发器置于所述冷凝室内；所述制冷剂蒸发器的制冷剂出口与所述压缩机的一端连接，所述制冷剂冷凝器的制冷剂入口与所述压缩机的另一端连接，所述制冷剂蒸发器的制冷剂入口与所述节流装置的一端连接，所述制冷剂冷凝器的制冷剂出口与所述节流装置的另一端连接。
上述专利都对于热泵型蒸发装置或技术进行了探讨，大大丰富了热泵型蒸发的技术深度。但是鉴于目前热泵系统大多使用工况都在室温换热给热领域，采用有机工质多用R22或同等功能替换有机工质。从其热力学性质及压焓参数，我们可以判断，其试用温度范围一般在15～25℃之间，压缩机进口压力一般在0.4～0.8MPa，出口压力一般在14～20MPa。
以某R22常温热泵为例。蒸发器操作温度16℃，冷凝器出水温度55℃。考虑有机工质蒸发传热温差4℃，有机工质冷凝传热温差3度。此时有机工质蒸发温度即为12℃，此条件下对应的饱和蒸汽压力为0.723MPa。压缩机出口温度为58℃，此条件下对应的饱和蒸汽压力为2.323MPa。此工况条件下，蒸发系统理论COP值为：
理论COP值＝制热温度/(制热温度-环境温度)
＝(58+273.15)/(58-12)＝331.15/46＝7.2。
目前一般压缩机组效率一般在0.7～0.85之间。若以效率0.7考虑，上述蒸发系统实际COP值为5.04。
由此可见，采用传统的有机工质循环，如R22或同等条件的有机工质，从热力学上就限制了其能量效率。
即使开发了一些相关高温型的热泵，其本质也没有根本性的区别，仅仅是提升了压缩机进出口操作压力范围，出口压力最高甚至达到3.0MPa。我们知道，有机工质在完成多变压缩过程中，压缩功率与压缩比显著相关，而且压缩比越高，压缩功率需求就越大。因此，传统的热泵用于低温蒸发领域，虽然较多效蒸发和MVR更为适用，但是其COP必然无法提高。
同时，压缩机出口压力极高，也就意味着有机工质循环体系所需设备、管件、阀门等都需要满足较高的压力等级。这必然也会带来设备投资的显著上升。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种节能的蒸发浓缩设备，以改善传统热泵型蒸发设备的局限。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何突破传统热泵型蒸发工艺对于高压缩比压缩机的依赖。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种节能的蒸发浓缩设备，所述节能的蒸发浓缩设备包括原料储罐(1)、进料计量控制装置(2)、物料蒸发器(3)、气液分离装置(4)、蒸发循环泵(5)、蒸发加热器(6)、循环物料节流装置(7)、水蒸气冷凝器(8)、气液分离罐(9)、真空泵(10)、冷凝液外排泵(11)、有机工质输送风机(12)、有机工质节流装置(13)、有机工质加热器(14)。其中，物料蒸发器(3)底部与蒸发循环泵(5)的进口相连，蒸发循环泵(5)的出口与蒸发加热器(6)的管程进口相连，蒸发加热器(6)的管程出口与循环物料节流装置(7)及物料蒸发器(3)相连，物料蒸发器(3)、蒸发循环泵(5)、蒸发加热器(6)、循环物料节流装置(7)的连接构成蒸发浓缩物料循环；水蒸气冷凝器(8)壳程出口与有机工质输送风机(12)进口相连，有机工质从水蒸气冷凝器(8)壳程出口输出，经有机工质加热器(14)加热后，进入有机工质输送风机(12)，有机工质输送风机(12)的出口与蒸发加热器(6)的壳程进口相连，蒸发加热器(6)的壳程出口与有机工质节流装置(13)相连，水蒸气冷凝器(8)、有机工质加热器(14)、有机工质输送风机(12)、蒸发加热器(6)、有机工质节流装置(13)的连接构成有机工质循环；物料蒸发器(3)内设有气液分离装置(4)，物料蒸发器(3)的上部与水蒸气冷凝器(8)的管程进口相连，水蒸气冷凝器(8)的管程出口与气液分离罐(9)相连，气液分离罐(9)的底部冷凝液通过冷凝液外排泵(11)提升压力转为正压水流输送出所述节能的蒸发浓缩设备，气液分离罐(9)的顶部不凝气通过真空泵(10)转为正压或常压气体输送出所述节能的蒸发浓缩设备。
进一步地，蒸发浓缩物料循环用于保证蒸发过程所需的热量传递和温度变化需求，原料储罐(1)中的物料在负压的条件下自动引入蒸发浓缩物料循环，进料计量控制装置(2)用于对原料进行流量调控和计量。
进一步地，有机工质输送风机(12)的压缩比≤2.0。
进一步地，所述节能的蒸发浓缩设备中的有机工质在101.3KPa绝压条件下饱和蒸汽温度为20～55℃，在202.6KPa绝压条件下饱和蒸汽温度为40～70℃。
进一步地，蒸发加热器(6)与水蒸气冷凝器(8)均采用管壳式结构换热器，有机工质在蒸发加热器(6)与水蒸气冷凝器(8)中均在壳程运行。
上述节能的蒸发浓缩设备选用压缩比极低的有机工质输送风机(12)替代传统的高压型专用压缩机，通过选用合适的有机工质，控制在水蒸气冷凝器(8)内有机工质蒸汽压力处于0.8barA～1.5barA之间，通过有机工质输送风机(12)压缩后的蒸汽压力处于1.2barA～2.0barA之间。而此时物料蒸发器(3)内蒸发温度可控制在40～55℃之间，因而实现低温蒸发。其实施步骤如下：
(1)将设备按照上述方式连接。对系统气密性进行严格检查。
(2)在常温下，对有机工质循环进行抽真空排气操作，然后将液态有机工质导入上述有机工质循环。
(3)开启真空泵，对上述蒸发浓缩物料循环进行排气操作。
(4)对原水预热至所需蒸发温度，开启进料计量控制装置(2)，对进水量进行调节。
(5)当蒸发浓缩物料循环水量满足系统要求时，开启蒸发循环泵(5)，调节循环物料节流装置(7)，实现物料加热。
(6)启动有机工质输送风机(12)，调节有机工质节流装置(13)，实现有机工质循环。
(7)待气液分离罐(9)液位达到一定高度时，开启冷凝液外排泵(11)，实现系统冷凝液外排。
本实用新型的效果和益处是：采用较低的压缩比实现有机工质热泵循环，实现二次蒸汽的潜热利用。蒸发装置仅需较少的有机工质循环风机动力，无需外部能量输入，较传统热泵型蒸发设备具备节能效果，COP值可达到10以上。整体设备结构紧凑，所有管段无需传统热泵型蒸发设备的高压管段和高压换热设备，材料选择优化，节省设备投资。所有有机工质运行工况压力较低，泄漏量明显减少，更加环保。同时，整体工艺实现低温蒸发，对于热敏性物料、高腐蚀物料适用性较强，应用面广泛。其与其他蒸发技术的对比可见下表：
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本实用新型的节能的蒸发浓缩设备的工作流程图，
其中：原料储罐1、进料计量控制装置2、物料蒸发器3、气液分离装置4、蒸发循环泵5、蒸发加热器6、循环物料节流装置7、水蒸气冷凝器8、气液分离罐9、真空泵10、冷凝液外排泵11、有机工质输送风机12、有机工质节流装置13、有机工质加热器14。
具体实施方式
下面通过一个实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明。
如图1所示，本实用新型所述的节能的蒸发浓缩设备，包括原料储罐1、进料计量控制装置2、物料蒸发器3、气液分离装置4、蒸发循环泵5、蒸发加热器6、循环物料节流装置7、水蒸气冷凝器8、气液分离罐9、真空泵10、冷凝液外排泵11、有机工质输送风机12、有机工质节流装置13、有机工质加热器14。
物料蒸发器3底部与蒸发循环泵5的进口相连，蒸发循环泵5的出口与蒸发加热器6的管程进口相连，蒸发加热器6的管程出口与循环物料节流装置7及物料蒸发器3相连，上述连接构成蒸发浓缩物料循环。
水蒸气冷凝器8壳程出口与有机工质输送风机12进口相连，有机工质从水蒸气冷凝器8壳程出口输出，经有机工质加热器14加热后，进入有机工质输送风机12，有机工质输送风机12的出口与蒸发加热器6的壳程进口相连，蒸发加热器6的壳程出口与有机工质节流装置13相连，上述连接构成有机工质循环。
物料蒸发器3内设有气液分离装置4，物料蒸发器3的上部与水蒸气冷凝器8的管程进口相连，水蒸气冷凝器8的管程出口与气液分离罐9相连。
原水采用10％硫酸钠盐水溶液。外部加热原水至53度，送入原料储罐1。进水自原料储罐经进料计量控制装置2送入物料蒸发器3。节能的蒸发浓缩设备工作一段时间后，气液分离罐9内冷凝液达到一定液位，经冷凝液外排泵11外排。
选用有机工质为R113，蒸发温度为47℃，有机工质风机进口压力为1barA，出口压力为1.6barA。
结果表明：本蒸发浓缩设备蒸发一吨水传质所需功耗为24kw，总消耗功率为32kw。实际COP值为20.6。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种节能的蒸发浓缩设备，其特征在于，所述节能的蒸发浓缩设备包括原料储罐(1)、进料计量控制装置(2)、物料蒸发器(3)、气液分离装置(4)、蒸发循环泵(5)、蒸发加热器(6)、循环物料节流装置(7)、水蒸气冷凝器(8)、气液分离罐(9)、真空泵(10)、冷凝液外排泵(11)、有机工质输送风机(12)、有机工质节流装置(13)、有机工质加热器(14)，其中，
物料蒸发器(3)底部与蒸发循环泵(5)的进口相连，蒸发循环泵(5)的出口与蒸发加热器(6)的管程进口相连，蒸发加热器(6)的管程出口与循环物料节流装置(7)及物料蒸发器(3)相连，物料蒸发器(3)、蒸发循环泵(5)、蒸发加热器(6)、循环物料节流装置(7)的连接构成蒸发浓缩物料循环；
水蒸气冷凝器(8)壳程出口与有机工质输送风机(12)进口相连，有机工质从水蒸气冷凝器(8)壳程出口输出，经有机工质加热器(14)加热后，进入有机工质输送风机(12)，有机工质输送风机(12)的出口与蒸发加热器(6)的壳程进口相连，蒸发加热器(6)的壳程出口与有机工质节流装置(13)相连，水蒸气冷凝器(8)、有机工质加热器(14)、有机工质输送风机(12)、蒸发加热器(6)、有机工质节流装置(13)的连接构成有机工质循环；
物料蒸发器(3)内设有气液分离装置(4)，物料蒸发器(3)的上部与水蒸气冷凝器(8)的管程进口相连，水蒸气冷凝器(8)的管程出口与气液分离罐(9)相连，气液分离罐(9)的底部冷凝液通过冷凝液外排泵(11)提升压力转为正压水流输送出所述节能的蒸发浓缩设备，气液分离罐(9)的顶部不凝气通过真空泵(10)转为正压或常压气体输送出所述节能的蒸发浓缩设备。
2.如权利要求1所述的节能的蒸发浓缩设备，其特征在于，所述蒸发浓缩物料循环用于保证蒸发过程所需的热量传递和温度变化需求，所述原料储罐(1)中的物料在负压的条件下自动引入所述蒸发浓缩物料循环，所述进料计量控制装置(2)用于对原料进行流量调控和计量。
3.如权利要求1所述的节能的蒸发浓缩设备，其特征在于，所述有机工质输送风机(12)的压缩比≤2.0。
4.如权利要求1所述的节能的蒸发浓缩设备，其特征在于，所述节能的蒸发浓缩设备中的有机工质在101.3KPa绝压条件下饱和蒸汽温度为20～55℃，在202.6KPa绝压条件下饱和蒸汽温度为40～70℃。
5.如权利要求1所述的节能的蒸发浓缩设备，其特征在于，所述蒸发加热器(6)与所述水蒸气冷凝器(8)均采用管壳式结构换热器，有机工质在所述蒸发加热器(6)与所述水蒸气冷凝器(8)中均在壳程运行。
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| CN201620822826.0U CN206027109U (zh) | 2016-07-30 | 2016-07-30 | 一种节能的蒸发浓缩设备 |
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|---|---|---|---|---|
| CN109883080A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-06-14 | 王言明 | 溶剂分离热泵 |
| CN113639526A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-12 | 浙江镇田机械有限公司 | 一种高效热泵真空低温蒸发冷冻干燥工艺及设备 |
| CN113996074A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-02-01 | 洛阳市公路事业发展中心 | 一种赤泥提碱用碱液多级高效浓缩系统 |
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2016
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109883080A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-06-14 | 王言明 | 溶剂分离热泵 |
| CN113639526A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-12 | 浙江镇田机械有限公司 | 一种高效热泵真空低温蒸发冷冻干燥工艺及设备 |
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| CN113996074B (zh) * | 2021-11-04 | 2023-05-09 | 洛阳市公路事业发展中心 | 一种赤泥提碱用碱液多级高效浓缩系统 |
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