CN212632300U - 一种热膜耦合浓缩结晶系统 - Google Patents

一种热膜耦合浓缩结晶系统 Download PDF

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Abstract

一种热膜耦合浓缩结晶系统,包括膜浓缩器、真空结晶器、U形连通器、蒸汽压缩机、气泡发生器和晶浆泵;所述膜浓缩器的出液口与U形连通器的进口连接、上出汽口和下出汽口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接、气泡进口和干燥进气口分别与气泡发生器连接;所述真空结晶器的进液口与U形连通器的出口连接、晶浆出料口与晶浆泵连接、蒸汽出口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接。该系统实现了分级浓缩和结晶以及能量的梯级利用和回收、系统热效率高、无需消耗冷却水并且操作条件温和、设备投资低,对于化工热敏物料的结晶制备和特种废水的近零排放具有重要意义。

Description

一种热膜耦合浓缩结晶系统
技术领域
本实用新型属于蒸发浓缩及结晶技术领域,特别涉及一种一种热膜耦合浓缩结晶系统。
背景技术
蒸发浓缩和结晶广泛应用于化工、制药、食品、海水淡化、废水零排放等涉及蒸发工艺的诸多行业。蒸发浓缩和结晶上述行业工艺流程中的关键生产环节,但同时也是个高能耗过程,因此其节能降耗是该领域技术发展重要方向。传统的蒸发浓缩和结晶技术存在浓缩比低、易污堵、能耗高、投资大,对于热敏性物料及高盐、高COD、放射性等特种废水处理不适用等技术瓶颈。
膜蒸馏膜蒸馏(MD)是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程,它以疏水微孔膜为介质,在膜两侧蒸汽压差的作用下,料液中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔,从而实现分离、浓缩的目的。膜蒸馏依靠跨膜汽相分压驱动,无需将料液加热到沸点即可进行分离浓缩,由于其微孔膜材料的疏水性,只允许汽相通过、不允许液相通过,因此具有操作条件温和、分离效率高、耐酸碱、耐污堵,并且浓缩比大,膜蒸馏是目前唯一一种能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程,对于酸碱化工物料以及诸如放射性废水、尿液等废水处理具有较强的适应性。
真空闪蒸结晶是将热溶液通入低压力的容器内,由于过热而沸腾,一部分溶剂被蒸发,同时部分热量被蒸汽带走,溶液温度下降而析出结晶。真空闪蒸结晶是一种先进的结晶技术,负压操作,低温蒸发,与传统的冷却结晶技术相比,具有工艺筒单、设备投资低、无需冷却水、运行费用低、不易结垢的明显优势,特别适用于热敏性物料及高盐高COD废水的浓缩结晶。
膜蒸馏工艺和真空闪蒸结晶工艺在传质的过程中均存在汽化潜热的损失,因此二者均为高能耗过程。此外,单纯依靠膜蒸馏工艺进行物料的浓缩结晶容易造成膜孔堵塞,单纯依靠真空闪蒸结晶工艺进行浓缩结晶则溶剂蒸发负荷高,设备体积庞大,无经济优势。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足,而提出一种热膜耦合浓缩结晶系统,该系统实现了分级浓缩和结晶以及能量的梯级利用和回收、系统热效率高、无需消耗冷却水并且操作条件温和、设备投资低,对于化工热敏物料的结晶制备和特种废水的近零排放具有重要意义。
如上构思,本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
一种热膜耦合浓缩结晶系统,包括膜浓缩器、真空结晶器、U形连通器、蒸汽压缩机、气泡发生器和晶浆泵;所述膜浓缩器壳体的上封头顶部设置上出汽口,下封头底部设置有疏水排放口,下封头侧壁设置有下出汽口和干燥进气口,上封头与下封头分别与置于壳体内的中空纤维膜膜束的上端和下端浇注密封并连通,且上封头内腔、下封头内腔以及中空纤维膜内腔形成封闭的二次蒸汽通道,上封头、下封头与壳体之间的开放空间为料液通道,该料液通道顶部设置一定的气泡涌出空间,气泡涌出空间侧壁上设置排气口,料液浓缩通道内液面以下设置传热管束,传热管束进口和出口即分别为膜浓缩器的蒸汽进口和凝液/不凝气出口,料液通道底部侧壁上设置有膜浓缩器进料口和气泡进口,料液通道上部且在液面以下侧壁位置设置有出液口,所述中纤维膜膜束浸没于该料液通道中;
所述真空结晶器为密封容器,其上部为闪蒸室,下部为晶浆室,闪蒸室顶壁上设置有蒸汽出口,中部侧壁上设置有真空结晶器进液口,晶浆室液面以下设置有传热管束,传热管束的进口和出口分别为真空结晶器蒸汽进口和凝液/不凝气出口,晶浆室底部设置有晶浆出料口;
所述膜浓缩器的出液口与U形连通器的进口连接、上出汽口和下出汽口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接、气泡进口和干燥进气口分别与气泡发生器连接、排气口与大气连通、疏水排放口与外置疏水排放泵连接、凝液/不凝气出口与外置敞口凝液罐连接;
所述真空结晶器的进液口与U形连通器的出口连接、晶浆出料口与晶浆泵连接、蒸汽出口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接,真空结晶器的凝液/不凝气出口与外置敞口凝液罐连接。
进一步,所述膜浓缩器进料口处连接有预处理过滤器。
进一步,所述闪蒸室上部设置有除雾器。
进一步,所述晶浆室底部设置盐腿,盐腿底部设置有晶浆出料口。
进一步,所述U形连通器为U形弯管路,其上设置有流量调节阀。
进一步,所述气泡发生器与膜浓缩器的气泡进口和干燥进气口的连接管路上分别设置有料液鼓泡进气调节阀和膜丝干燥进气调节阀。
本实用新型的优点和积极效果是:
1、本实用新型将膜蒸馏深度浓缩与真空蒸发结晶工艺耦合,构成双级串联热膜耦合浓缩结晶系统,膜蒸馏将物料或者废水在无需加热到沸点的工况下浓缩至近饱和状态,再依靠级间压差使其自流至真空结晶器中利用自身显热进行负压低温闪蒸结晶,则二者优势互补,浓缩和结晶分离进行,运行高效节能。
2、本实用新型设置蒸汽热压缩工艺,回收浓缩和结晶过程的二次蒸汽,使其升温升压后再作为系统的加热热源,则系统无需再外供热源和冷源,只需消耗电力,热效率高,经济性好,适应性强。
3、本实用新型物料浓缩结晶为双级串联工艺流程,热回收与利用为双级并联工艺流程,整体工艺流程简洁可靠,高效稳定。
4、本实用新型的气泡发生器,在膜浓缩时,向膜浓缩器料液中鼓泡,破坏中空纤维膜料液侧浓度和温度边界层,强化膜蒸馏传热传质,无需大流量料液循环泵,有利于节能降耗;在膜污堵和润湿时,向膜浓缩器二次蒸汽通道鼓气,反向气洗和干燥中空纤维膜疏水微孔,可有效解决膜孔污染和润湿失效。
5、膜浓缩器与真空结晶器之间设置料液U形连通器,依靠U形弯液位高度差保持膜浓缩器料液常压浓缩及真空结晶器负压低温结晶,且使料液自前向后自流,无需级间进料泵,U型弯设置料液流量调节阀,准确调控级间料液平衡。
6、真空结晶器依靠膜浓缩后的料液显热进行低温闪蒸结晶,再辅以浸没式蒸汽加热结晶,无需设置大流量强制循环泵,则结晶稳定,晶型可控,节能可靠,并且不会破坏结晶产品的物理化学性质。
7、本实用新型的热膜耦合浓缩结晶系统操作温和、低温运行、高效节能、不宜污堵、适应性强,可用于化工、制药、食品等行业热敏物料的低温结晶以及高盐、高COD、放射性、尿液等特种废水废液的近零排处理,环保效益显著。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
其中,图中各部件编号及名称如下:
1-膜浓缩器;2-真空结晶器;3-蒸汽压缩机;4-预处理过滤器;5-气泡发生器;6-晶浆泵;7-U形连通器;1.1-上出汽口;1.2-下出汽口;1.3-气泡进口;1.4-出液口;1.5-膜浓缩器进液口;1.6-膜浓缩器凝液/不凝气出口;1.7-膜浓缩器蒸汽进口;1.8-排气口;1.9-中空纤维膜;1.10-膜浓缩器传热管束;1.11-疏水排放口;1.12-气泡涌出空间;1.13-干燥进气口;2.1-蒸汽出口;2.2-真空结晶器进液口;2.3-真空结晶器蒸汽进口;2.4-真空结晶器凝液/不凝气出口;2.5-晶浆出料口;2.6-盐腿;2.7-除雾器;2.8-真空结晶器传热管束;5.1-料液鼓泡进气调节阀;5.2-膜丝干燥进气调节阀;7.1-流量调节阀。
具体实施方式
以下通过附图对本实用新型作进一步的说明,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本实用新型的保护范围。
如图1所示:一种热膜耦合浓缩结晶系统,包括膜浓缩器1、真空结晶器2、U形连通器7、蒸汽压缩机3、预处理过滤器4、气泡发生器5、晶浆泵6。
一、所述膜浓缩器1为与竖向放置的管壳式换热器结构类似,其上封头与下封头分别与中空纤维膜1.9膜束的上端和下端浇注密封并连通,上封头内腔、下封头内腔以及中空纤维膜1.9内腔形成封闭的二次蒸汽通道(类似管壳式换热器的管程),上封头、下封头与壳体之间的开放空间为料液通道(类似管壳式换热器的壳程),该料液通道顶部设置一定的气泡涌出空间1.12,气泡涌出空间1.12侧壁上设置排气口1.8,料液浓缩通道内液面以下设置传热管束1.10,传热管束进口和出口即分别为膜浓缩器的蒸汽进口1.7和凝液/不凝气出口1.6,料液通道底部侧壁上设置有膜浓缩器进液口1.5和气泡进口1.3,料液通道上部且在液面以下侧壁位置设置有出液口1.4,所述中纤维膜1.9膜束浸没于该料液通道中。
二、所述真空结晶器2为密封容器,上部为闪蒸室,下部为晶浆室,闪蒸室上部设置有除雾器2.7,晶浆室底部设置盐腿2.6,闪蒸室顶壁上设置有蒸汽出口2.1,闪蒸室中部侧壁上设置有进液口2.2,晶浆室液面以下设置有传热管束2.8,传热管束进口和出口分别为真空结晶器蒸汽进口2.3和凝液/不凝气出口2.4,盐腿底部设置有晶浆出料口2.5。
三、所述U形连通器7为U形弯管路,其上设置有流量调节阀7.1;所述气泡发生器5与膜浓缩器气泡进口1.3、干燥进气口1.13的连接管路上分别设置有料液鼓泡进气调节阀5.1和膜丝干燥进气调节阀5.2。
四、膜浓缩器1、真空结晶器2、U形连通器7、蒸汽压缩机3、预处理过滤器4、气泡发生器5和晶浆泵6的连接关系是:
所述膜浓缩器的进液口1.5处连接预处理过滤器4、出液口1.4与U形连通器7的进口连接、上出汽口1.1和下出汽口1.2与蒸汽压缩机3的进口连接、蒸汽进口1.7与蒸汽压缩机3的出口连接、气泡进口1.3和干燥进气口1.13分别与气泡发生器5连接、排气口1.8与大气连通、疏水排放口1.11与外置疏水排放泵连接、凝液/不凝气出口1.6与外置敞口凝液罐连接;
所述真空结晶器的进液口2.2与U形连通器7的出口连接、晶浆出料口2.5与晶浆泵6连接、蒸汽出口2.1与蒸汽压缩机3的进口连接、蒸汽进口2.3与蒸汽压缩机3的出口连接,真空结晶器的凝液/不凝气出口2.4与外置敞口凝液罐连接。
本实用新型专利针对现有技术的不足,创新性地将膜蒸馏深度浓缩和真空低温闪蒸结晶工艺串联集成,构成双级热膜耦合浓缩结晶系统,先利用膜蒸馏膜浓缩器在常温常压下将物料或废水浓缩至近饱和状态,再依靠级间压差使其自流至真空结晶器中利用自身显热进行负压低温闪蒸结晶,则二者优势互补,浓缩和结晶分离进行,系统高效稳定;此外,系统再辅以热泵工艺回收浓缩和结晶过程的二次蒸汽,使其升温升压后再作为系统的加热热源,则系统无需再外供热源和冷源,热经济性和环保效益显著。因此,本实用新型对于化工热敏物料的结晶制备和特种废水的近零排放具有重要意义。
以下通过应用案例对本实用新型作进一步的说明:
以化工行业的质量分数为7%氯化铵溶液的蒸发结晶为实施例,溶液溶剂为水,其在本实用新型专利中的浓缩结晶步骤如下:
首先,氯化铵溶液经过预处理单元,除去杂质,然后进入膜浓缩器料液通道加热,初始加热可采用电加热或外供蒸汽加热,待溶液常压加热到60℃,启动蒸汽压缩机,抽出不凝气,膜浓缩器二次蒸汽通道及真空结晶器形成负压,控制负压压力在7.38kPa.a,对应饱和温度40℃,则在膜浓缩器中空纤维膜内外两侧形成跨膜压差,产生真空膜蒸馏传质驱动力,溶剂在膜孔汽液界面蒸发产生二次蒸汽,二次蒸汽穿过膜孔和二次蒸汽通道进入蒸汽压缩机,被压缩升温至70℃,再进入膜浓缩器传热管束加热料液通道溶液,如此,溶液被持续的蒸发浓缩至接近饱和(35.6%);随着溶液浓度的提高,膜蒸馏通量下降,此时,启动起泡发生器向料液通道持续或间歇地鼓气,起泡上升、膨胀和破裂,扰动料液,破坏中空纤维膜表面浓度和温度边界层,强化膜蒸馏传热传质;
然后,打开U形连通器流量调节阀并控制适当的开度,则近饱和的氯化铵溶液在级间压力差的作用下从膜浓缩器自流至真空结晶器中低温闪蒸蒸发,达到过饱和而氯化铵结晶,同时蒸发出40℃饱和蒸汽,饱和蒸汽被压缩机抽走并压缩升温至70℃,再进入真空结晶器传热管束加热饱和溶液,持续进行低温蒸发结晶;在蒸发过程中,溶液中会有大量的氯化铵晶体析出,在重力的作用下沉降至真空结晶器盐腿,晶浆达到一定密度,启动晶浆泵,将晶浆排出。
达到稳定状态后,调控进料流量、晶浆出料量、凝结水排出量、压缩机转速,使系统达到并维持热质平衡,正常情况热膜耦合浓缩结晶系统可进行连续操作,边进料边出料,调整操作条件,使真空结晶器具备能够控制产品粒度分布及晶浆密度的手段,使得结晶体粒度稳定、晶浆母液量少、生产效率高。
当中空纤维膜污堵导致蒸发负荷下降至一定程度时,停机维护,用清水清洗中空纤维膜,然后启动起泡发生器,打开膜丝干燥进气调节阀,对中空纤维膜进行反向气洗和干燥,维护完成即可再次开机投产。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:包括膜浓缩器、真空结晶器、U形连通器、蒸汽压缩机、气泡发生器和晶浆泵;所述膜浓缩器壳体的上封头顶部设置上出汽口,下封头底部设置有疏水排放口,下封头侧壁设置有下出汽口和干燥进气口,上封头与下封头分别与置于壳体内的中空纤维膜膜束的上端和下端浇注密封并连通,且上封头内腔、下封头内腔以及中空纤维膜内腔形成封闭的二次蒸汽通道,上封头、下封头与壳体之间的开放空间为料液通道,该料液通道顶部设置一定的气泡涌出空间,气泡涌出空间侧壁上设置排气口,料液浓缩通道内液面以下设置传热管束,传热管束进口和出口即分别为膜浓缩器的蒸汽进口和凝液/不凝气出口,料液通道底部侧壁上设置有膜浓缩器进料口和气泡进口,料液通道上部且在液面以下侧壁位置设置有出液口,所述中空纤维膜膜束浸没于该料液通道中;
所述真空结晶器为密封容器,其上部为闪蒸室,下部为晶浆室,闪蒸室顶壁上设置有蒸汽出口,中部侧壁上设置有真空结晶器进液口,晶浆室液面以下设置有传热管束,传热管束的进口和出口分别为真空结晶器蒸汽进口和凝液/不凝气出口,晶浆室底部设置有晶浆出料口;
所述膜浓缩器的出液口与U形连通器的进口连接、上出汽口和下出汽口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接、气泡进口和干燥进气口分别与气泡发生器连接、排气口与大气连通、疏水排放口与外置疏水排放泵连接、凝液/不凝气出口与外置敞口凝液罐连接;
所述真空结晶器的进液口与U形连通器的出口连接、晶浆出料口与晶浆泵连接、蒸汽出口与蒸汽压缩机的进口连接、蒸汽进口与蒸汽压缩机的出口连接,真空结晶器的凝液/不凝气出口与外置敞口凝液罐连接。
2.根据权利要求1所述的一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:所述膜浓缩器进料口处连接有预处理过滤器。
3.根据权利要求1所述的一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:所述闪蒸室上部设置有除雾器。
4.根据权利要求1所述的一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:所述晶浆室底部设置盐腿,盐腿底部设置有晶浆出料口。
5.根据权利要求1所述的一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:所述U形连通器为U形弯管路,其上设置有流量调节阀。
6.根据权利要求1所述的一种热膜耦合浓缩结晶系统,其特征在于:所述气泡发生器与膜浓缩器的气泡进口和干燥进气口的连接管路上分别设置有料液鼓泡进气调节阀和膜丝干燥进气调节阀。
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