CN212789813U - 具有热循环功能的蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及蒸馏系统技术领域，具体涉及一种具有热循环功能的蒸馏系统，包括常压蒸汽发生器、蒸馏器、冷凝箱和热泵系统，常压蒸汽发生器与蒸馏器通过蒸汽管相连通，在蒸汽管上设有用于对常压饱和蒸汽进行加热的高温加热器，冷凝箱与蒸馏器相连，用于对蒸馏器中产生的高温蒸馏蒸汽进行冷凝，热泵系统吸收冷凝箱内高温蒸馏蒸汽冷凝成高温馏液的相变热，并将热能传输至常压蒸汽发生器内使水受热沸腾形成常压饱和蒸汽。利用热泵系统较少的能耗提供蒸馏系统所需热量，并对蒸馏系统冷凝放热进行热回收，减少热排放，解决现有蒸馏酒系统中能量耗损严重，且容易造成大气或土壤热污染的问题。

Description

具有热循环功能的蒸馏系统

技术领域

本实用新型涉及蒸馏系统技术领域，具体涉及一种具有热循环功能的蒸馏系统。

背景技术

蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。

蒸发单元需要吸热，冷凝单元需要放热，且蒸发吸热温度高于冷凝放热温度，为了加速蒸发环节，一般采用沸腾工况(沸腾是指液体受热超过其饱和温度时，在液体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象，即剧烈蒸发)。冷凝是气体或液体遇冷而凝结，如蒸汽遇冷变成水，水遇冷变成冰；温度越低，冷凝速度越快，效果越好。

物质相变(蒸发或冷凝)时温度不变，但热量变化巨大(此属于潜热，蒸发吸热、冷凝放热)以水为例，1kg水从20℃升温到100℃需要吸收的热量是1*4.2*(100-20)＝336KJ，1kg水在标准大气压下由100℃相变为蒸汽需要吸收的热量是2258KJ；1kg水蒸汽从100℃升温到130℃需要吸收的热量是1*1.88*(130-100)＝56.4kj；反之亦然。综上，潜热远大于显热，蒸馏系统中的热量交换主要集中在蒸发和冷凝两个环节，即是沸腾和冷凝是传热系数最高的两个工况，在整个蒸馏系统80％以上的热交换量在蒸发和冷凝两个环节。

以蒸馏酒为例，蒸馏酒是蒸馏工艺中的常见应用，用特制的蒸馏器将酒液、酒醪或酒醅加热，由于它们所含的各种物质的挥发性不同，酒精(乙醇)较易挥发，则加热后产生的蒸汽中含有的酒精浓度增加，而酒液或酒醪中酒精浓度就下降，收集酒气并经过冷凝成液体，再冷却，便可得到所需温度的酒液。

而现有技术中，蒸馏过程蒸发时加热用的热源为：燃油、燃气锅炉，电锅炉，风冷热泵热水机组辅助加热(吸收空气中的低品位热源将水加热，温度达不到蒸发所需)；冷凝的方式：水冷、风冷；上述方式在加热时十分耗费燃料(或电能)，而冷凝时会消耗能源或水资源，又会直接向大气或土壤排热，这样便会造成较大的能量耗费，且造成大气或土壤热污染。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有热循环功能的蒸馏系统，解决现有蒸馏系统中能量耗损严重，且容易造成大气或土壤热污染的问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种具有热循环功能的蒸馏系统，包括常压蒸汽发生器、蒸馏器、冷凝箱和热泵系统；

所述常压蒸汽发生器与蒸馏器通过蒸汽管相连通，所述蒸汽管上设有用于对常压饱和蒸汽进行加热的高温加热器；

所述冷凝箱与蒸馏器相连，用于对蒸馏器中产生的高温蒸馏蒸汽进行冷凝；

所述热泵系统吸收冷凝箱内高温蒸馏蒸汽冷凝成高温馏液的相变热，并将热能传输至常压蒸汽发生器内使水受热沸腾形成常压饱和蒸汽。

进一步的技术方案是，所述热泵系统通过冷媒进行传热，热泵系统包括冷凝器和蒸发器，所述冷凝器的出液端与蒸发器的进液端之间通过第一膨胀阀相连，所述蒸发器的出气端与冷凝器的进气端之间通过第一压缩机相连；

所述蒸发器与冷凝箱导热连接，用于使冷媒吸收冷凝箱内的相变热，且使冷媒发生由液态变为气态的相变；

所述冷凝器与常压蒸汽发生器导热连接，用于将冷媒的相变热传递至常压蒸汽发生器内，且使常压蒸汽发生器中的水受热沸腾形成蒸汽。

更进一步的技术方案是，还包括冷却箱，所述冷却箱内设有馏液冷却管路，所述馏液冷却管路的上端与冷凝箱内的馏液连通，用于对冷凝后的高温馏液进行降温，馏液冷却管路的下端在冷却箱的底部形成低温馏液出口。

更进一步的技术方案是，所述常压蒸汽发生器导热连接有辅助加热器。

更进一步的技术方案是，所述第一膨胀阀的出液端连接有第一管路和第三管路，所述第一管路与蒸发器的进液端相连，所述蒸发器的出液端通过第二管路与第一压缩机相连，所述第一管路和第二管路上分别设有第一阀门和第二阀门；

所述第三管路连接有供热装置，所述供热装置通过第四管路与第一压缩机相连，所述第三管路和第四管路上分别设有第三阀门和第四阀门。

更进一步的技术方案是，所述供热装置为热水箱或第一翅片式空气换热器，所述热水箱和第一翅片式空气换热器内均设有蒸发管路，所述蒸发管路的进液端与第三管路相连，蒸发管的出气端与第四管路相连。

更进一步的技术方案是，所述冷却箱的出液端通过第六管路的连通有风冷热泵水机，所述风冷热泵水机的出水端连通有第五管路和第七管路，所述第五管路与冷却箱的进水端相连通，所述第七管路与热水箱的进水端相连通，所述热水箱的出水端通过第八管路与风冷热泵水机的进水端相连通；

所述第五管路、第六管路、第七管路和第八管路上分别设有第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门；

所述风冷热泵水机通过循环水泵为水输送提供动力。

更进一步的技术方案是，所述热水箱内还设有第二换热盘管，所述冷却箱内设有第一换热盘管，所述第二换热盘管的出液端连接有第二膨胀阀，所述第二膨胀阀连通有第九管路和第十一管路，所述第九管路连通有第二翅片式空气换热器，所述第十一管路与第一换热盘管的进液端相连，第一换热盘管的出气端连通有第十二管路，所述第十二管路通过第二压缩机与第二换热盘管的进气端相连通；

所述第二翅片式空气换热器内设有第三换热盘管，所述第九管路与第三换热盘管的进液端相连，所述第三换热盘管的出气端连接有第十管路，所述第十管路与第二压缩机相连；

所述第九管路、第十管路、第十一管路和第十二管路上分别设有第九阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门。

更进一步的技术方案是，所述第一翅片式空气换热器和第二翅片式空气换热器均设有风机。

更进一步的技术方案是，所述热水箱连接有对水进行加热的热源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过热泵系统在最大热交换量的两个位置进行热量传递，热泵系统吸收冷凝箱中高温蒸馏蒸汽冷凝过程释放的潜热，并在常压蒸汽发生器处放热使常压蒸汽发生器内的水受热沸腾形成蒸汽，实现蒸馏系统内热量内循环，对常压饱和蒸汽进行再加热和高温馏液的再冷却属于显热交换，热交换量少，减少能耗，排出的热量较小，热泵系统工作的温度区间只与常压下水的沸腾温度和蒸馏介质的冷凝温度有关，热泵系统的冷凝、蒸发温差最小，热泵系统效率最高，同时由于热泵系统是与冷凝和沸腾两个传热系数最高的工况设备进行导热连接，使得所需的传热面积最小，实现材料的节约。

附图说明

图1为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统的结构框图。

图2为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第一种实施方式的结构示意图。

图3为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第二种实施方式的结构示意图。

图4为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第三种实施方式的结构示意图。

图5为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第四种实施方式的结构示意图。

图6为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第五种实施方式的结构示意图。

图7为本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统第六种实施方式的结构示意图。

图标：1-常压蒸汽发生器，2-蒸馏器，3-冷凝箱，4-蒸汽管，5-高温加热器，6-冷凝器，7-蒸发器，8-第一膨胀阀，9-第一压缩机，10-辅助加热器，11-热水箱，12-第一翅片式空气换热器，13-蒸发管路，14-冷却箱，15-第一换热盘管，16-风冷热泵水机，17-循环水泵，18-第二换热盘管，19-第二膨胀阀，20-第二翅片式空气换热器，21-第三换热盘管，22-第二压缩机，23-风机，24-热源，101-第一管路，102-第二管路，103-第三管路，104-第四管路，105-第五管路，106-第六管路，107-第七管路，108-第八管路，109-第九管路，110-第十管路，111-第十一管路，112-第十二管路，201-第一阀门，202-第二阀门，203-第三阀门，204-第四阀门，205-第五阀门，206-第六阀门，207-第七阀门，208-第八阀门，209-第九阀门，210-第十阀门，211-第十一阀门，212-第十二阀门。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

图1-7示出了本实用新型具有热循环功能的蒸馏系统的一个较佳实施方式，本实施例中的具有热循环功能的蒸馏系统具体包括常压蒸汽发生器1、蒸馏器2、冷凝箱3和热泵系统，常压蒸汽发生器1与蒸馏器2通过蒸汽管4相连通，在蒸汽管4上设有用于对常压饱和蒸汽进行加热的高温加热器5，冷凝箱3与蒸馏器2相连，用于对蒸馏器2中产生的高温蒸馏蒸汽进行冷凝，热泵系统吸收冷凝箱3内高温蒸馏蒸汽冷凝成高温馏液的相变热，并将热能传输至常压蒸汽发生器1内使受热沸腾形成常压饱和蒸汽。

通过热泵系统在最大热交换量和最大换热系数的两个位置进行热量传递，热泵系统吸收冷凝箱3中高温蒸馏蒸汽冷凝过程释放的潜热，并在常压蒸汽发生器1处放热使常压蒸汽发生器1内的水受热沸腾形成蒸汽，实现蒸馏系统内的热量内循环，对常压饱和蒸汽进行再加热和高温馏液的再冷却属于显热交换，热交换量少，减少能耗，排出的热量较小，热泵系统工作的温度区间只与常压下水的沸腾温度和蒸馏介质的冷凝温度有关，热泵系统的冷凝、蒸发温差最小，热泵系统效率最高，同时由于热泵系统是与冷凝和沸腾两个传热系数最高的工况设备进行导热连接，使得所需的传热面积最小，实现材料的节约。

由于水在常压下的沸腾温度100℃左右，即蒸汽发生器能提供蒸汽温度为100℃，采用高温加热器5对蒸汽进行加热以使蒸汽升温至蒸馏系统所需的温度(以酒蒸馏系统为例，蒸馏酒中所需蒸汽温度一般为120℃-160℃)，同时可以提高蒸馏器2的热交换温差，并能精确控制蒸馏蒸汽温度，并且对蒸汽的加热属于显热，仅需要较少的加热量，而蒸馏蒸汽经过冷凝箱3冷凝后虽然还属于高温液体，但由于对其降温的热量也属于显热，所以也仅会排出较少热量。

其中高温加热器5可以是电加热、燃气或燃煤加热、超高温热泵等。

通过本方案，对蒸馏系统实现分段加热和冷却，热量需求最大的环节(蒸发和冷凝)由效率最高的热泵来实现，使整个蒸馏系统能源利用率最佳。

热泵系统通过冷媒(即制冷剂)进行传热，热泵系统包括冷凝器6和蒸发器7，冷凝器6的出液端与蒸发器7的进液端之间通过第一膨胀阀8相连，蒸发器7的出气端与冷凝器6的进气端之间通过第一压缩机9相连，蒸发器7与冷凝箱3导热连接，用于使冷媒吸收冷凝箱3内的相变热，且使冷媒发生由液态变为气态的相变，冷凝器6与常压蒸汽发生器1导热连接，用于将冷媒的相变热传递至常压蒸汽发生器1内，且使常压蒸汽发生器1中的水发生相变形成蒸汽。

其中冷凝器6即是热泵系统中的冷凝盘管，用于使冷媒由气态相变为液态，其中冷凝器6(冷凝盘管)设置在常压蒸汽发生器1内，蒸发器7为热泵系统中的蒸发盘管，用于使冷媒由液态相变为气态，其中蒸发器7(蒸发盘管)设置在冷凝箱3内，热泵系统中，冷媒通过蒸发器7与冷凝箱3之间的热传递使冷媒从低温低压的液态(或气液混合体)相变为低温低压的气态，然后通过第一压缩机9加压使冷媒变为高温高压的气态，再经由冷凝器6将热量传递至常压蒸汽发生器1中，从而使冷媒相变为高温高压的液态，然后经过第一膨胀阀8对冷媒进行节流降压，使冷媒重新回到低温低压的液态形式(或气液混合体)，从而实现冷媒的循环。

热泵系统的蒸发器7吸收蒸馏系统冷凝箱3释放的潜热(低位热)，热泵系统的冷凝器6放热加热水使之沸腾产生蒸汽，以供常压蒸汽发生器1蒸发吸收的潜热(高位热)，实现系统热量内循环。蒸馏器2所产出的蒸馏蒸汽通入冷凝箱3冷凝成为液态；热泵系统的第一压缩机9、冷凝器6、第一膨胀阀8和蒸发器7形成制热循环。热泵系统的蒸发器7设置在冷凝箱3中，冷却并将蒸馏器2产生的蒸馏蒸汽冷凝成液态；热泵系统的冷凝器6设在蒸气发生器中，将水在常压下加热沸腾成为蒸气。

由于可以通过第一膨胀阀8和第一压缩机9对冷媒的压力进行调节，进而便可实现冷媒在冷凝过程和蒸发过程中冷凝温度和蒸发温度的调节，冷媒的冷凝对应水沸腾形成蒸汽，冷媒的蒸发对应高温蒸馏蒸汽的冷凝，在热泵系统中，制热效率随着冷凝温度与蒸发温度之间温差的减小而提升，即是冷凝温度与蒸发温度的温差越小，热泵系统的制热效率越高，通过第一膨胀阀8和第一压缩机9对冷媒压力的调节使冷媒的冷凝温度略大于水在常压下的沸点温度，使冷媒的蒸发温度略低于酒蒸汽的冷凝温度(一般取换热温差为3℃左右，使换热面积及热泵效率的经济性最佳)，便可实现热泵系统效率的最大化。

对上述系统进行热量分析，由于热泵系统热损失极少，在此进行忽略：

在热泵系统中：冷凝器放热Q1＝蒸发器吸热Q2+第一压缩机做功W；

在蒸馏系统中：蒸馏器吸热q1＝冷凝箱放热q2+蒸馏系统热损失q3+高温馏液冷却放热q4；

整个系统的热交换：蒸馏器2吸热q1＝冷凝器放热Q1+高温加热器5Q3，蒸发器吸热Q2＝冷凝箱放热q2；

系统正常运行工况下的能耗＝第一压缩机做功W+高温加热器Q3。

即是：蒸馏系统稳定运行时，Q3和q4相对固定，通过调节热泵系统功耗来维持蒸馏系统热需求，蒸馏系统热损失相对整个系统的换热量比例小，且蒸馏液冷却放热是显热(占比少)，高温加热器5消耗较少的能源便能加热蒸汽满足蒸馏系统的蒸汽温度需求，第一压缩机9做较少的功即可实现蒸馏系统的运行。

且本方案只需在常压下加热水至沸点即可，热泵系统冷凝温度只需高于水的沸点(标准大气压下为100℃)以上即可产生大量的蒸汽，不需要太高的冷凝温度，令热泵设备工作环境温度不会太高(对热泵设备要求不至于太高，成本低，推广容易)，以酒蒸馏系统为例，热泵系统中冷媒的蒸发温度只需低于酒精的冷凝温度78.3摄氏度即可带走酒精冷凝过程中的冷凝热，即，热泵系统冷媒循环的蒸发、冷凝温差小，第一压缩机9做功小，热泵系统效率高，利用本方案可采用较少的机械能(第一压缩机9做功，当第一压缩机9采用电力时则消耗电能)即可满足酒蒸馏系统的蒸发吸热、冷凝排热的工艺所需，且可实现酒蒸馏系统热量少排放或零排放，实现能源的最大化利用。

在系统初启动时，热泵系统无外界热量难以启动，可以在常压蒸汽发生器1上连接有辅助加热器10，利用辅助加热器10使常压蒸汽发生器1产生常压饱和蒸气，蒸汽通过高温加热器5加热后形成高温蒸汽对物质进行蒸馏，从而产生高温蒸馏蒸汽，高温蒸馏蒸汽在冷凝箱3内便可将热量传递至冷媒中，从而使热泵系统成功启动，在热泵系统启动后，便可关闭辅助加热器10。

当然也可以采用其他方式来进行初始供热，可以在第一膨胀阀8的出液端连接有第一管路101和第三管路103，第一管路101与蒸发器7的进液端相连，蒸发器7的出液端通过第二管路102与第一压缩机9相连，第一管路101和第二管路102上分别设有第一阀门201和第二阀门202，第三管路103连接有供热装置，供热装置通过第四管路104与第一压缩机9相连，第三管路103和第四管路104上分别设有第三阀门203和第四阀门204。

在蒸馏系统启动时，第一阀门201和第二阀门202关闭，第三阀门203和第四阀门204开启，此时热泵系统中的冷媒经过第三管路103和第四管路104时便可通过供热装置进行初始加热，以对热泵系统提供初始热量，从而使冷媒由液态变为气态，使后续的第一压缩机9能将低温低压气态冷媒压缩为高温高压的气态冷媒。而在热泵系统持续运行时，第一阀门201和第二阀门202开启，第三阀门203和第四阀门204关闭，此时热泵系统中的冷媒在蒸发器7处吸收冷凝箱3内的热量。

供热装置为热水箱11或第一翅片式空气换热器12，热水箱11和第一翅片式空气换热器12内均设有蒸发管路13，蒸发管路13的进液端与第三管路103相连，蒸发管的出气端与第四管路104相连。供热装置为热水箱11时即是水冷式换热，供热装置采用第一翅片式空气换热器12时便是通过第一翅片式空气换热器12吸取大气中的热量供热泵系统中的冷媒进行相变。其中蒸发管路13用于连通第三管路103和第四管路104，从而使冷媒能在供热装置中进行热交换(吸收热量)。

其中热水箱11连接有对水进行加热的热源24，以使热水箱11中水的温度能使冷媒发生相变，其中热源24可以是燃料加热或电加热。而在无热源24时可以直接向热水箱11中注入热水使冷媒发生相变。

本具有热循环功能的蒸馏系统还包括冷却箱14，冷却箱14内设有馏液冷却管路，馏液冷却管路的上端与冷凝箱3内的馏液连通，用于对冷凝后的高温馏液进行降温，馏液冷却管路的下端在冷却箱14的底部形成低温馏液出口。冷却箱14用于对冷凝后的高温馏液进行降温，以使馏液的温度满足工艺需求。低温馏液出口上可以设置有开闭阀。

在本实用新型的另一个实施例中，冷却箱14的出液端通过第六管路106的连通有风冷热泵水机16，风冷热泵水机16的出水端连通有第五管路105和第七管路107，第五管路105与冷却箱14的进水端相连通，第七管路107与热水箱11的进水端相连通，热水箱11的出液端通过第八管路108与风冷热泵水机16的进水端相连通；第五管路105、第六管路106、第七管路107和第八管路108上分别设有第五阀门205、第六阀门206、第七阀门207和第八阀门208，风冷热泵水机16通过循环水泵17为水输送提供动力。

通过风冷热泵水机16配合循环水泵17对热水箱11进行供热，在蒸馏系统启动时，第五阀门205和第六阀门206关闭，第七阀门207和第八阀门208开启，风冷热泵水机16处于制热模式吸收大气中的热量以向热水箱11提供热量，同时第一阀门201和第二阀门202关闭，第三阀门203和第四阀门204开启，此时热泵系统便可吸收热水箱11内的热量，实现热泵系统的启动；在蒸馏系统产生蒸汽后，第一阀门201和第二阀门202开启，第三阀门203和第四阀门204关闭，此时热泵系统的蒸发器7吸收冷凝箱3内的热量，使热泵系统正常运行，同时，第五阀门205和第六阀门206开启，第七阀门207和第八阀门208关闭，风冷热泵水机16处于制冷模式从而吸收冷却箱14内的热量向大气进行排热，以实现冷却箱14内的馏液降温排出工艺所需温度的馏液。

即是利用风冷热泵水机16对热水箱11内的水进行加热以实现热泵系统的启动，并利用风冷热泵水机16对冷却箱14内的水进行降温，以保证冷却箱14内的水能对高温馏液进行持续降温。风冷热泵水机16为现有成熟设备，此处便不再赘述。循环水泵17设置位置不仅限于本案例所示，其目的在于使水循环流动，此为常规技术也不再赘述。

其中，最佳的是冷却箱14的进水端位于下侧，出水端位于上侧，即是冷却水低进高出，高温馏液高进低处，实现逆流热交换，此为常规技术也不再赘述。

在本实用新型的另一个实施例中，热水箱11内还设有第二换热盘管18，冷却箱14内设有第一换热盘管15，第二换热盘管18的出液端连接有第二膨胀阀19，第二膨胀阀19连通有第九管路109和第十一管路111，第九管路109连通有第二翅片式空气换热器20，第十一管路111与第一换热盘管15的进液端相连，第一换热盘管15的出气端连通有第十二管路112，第十二管路112通过第二压缩机22与第二换热盘管18的进气端相连通，第二翅片式空气换热器20内设有第三换热盘管21，第九管路109与第三换热盘管21的进液端相连，第三换热盘管21的出气端连接有第十管路110，第十管路110与第二压缩机22相连，第九管路109、第十管路110、第十一管路111和第十二管路112上分别设有第九阀门209、第十阀门210、第十一阀门211和第十二阀门212。

由于采用风冷热泵水机16的方式会向大气排热，为回收此部分热量，设置上述装置对该部分热量进行回收，并存储至热水箱11中，在蒸馏系统启动时，第十一阀门211和第十二阀门212关闭，第九阀门209和第十阀门210开启，通过第二翅片式空气换热器20吸收大气热量向热水箱11进行供热，此时，使第一阀门201和第二阀门202关闭，第三阀门203和第四阀门204开启，便可使热泵系统吸收热水箱11中的热量，从而使热泵系统能够启动；在蒸馏系统产生蒸汽后，第一阀门201和第二阀门202开启，第三阀门203和第四阀门204关闭，此时热泵系统吸收冷凝箱3中的热量即可维持运行，第十一阀门211和第十二阀门212开启，第九阀门209和第十阀门210关闭，便可通过第二膨胀阀19和第二压缩机22将冷却箱14内的热量输送至热水箱11中进行存储，避免热量损失，同时为以后的热泵启动提供热能。其中第二膨胀阀19和第二压缩机22配合以及各自管路中循环的导热流体也采用冷媒，其原理与热泵系统的原理相似，此处便不再赘述。

第一翅片式空气换热器12和第二翅片式空气换热器20均设有风机23，使空气强制对流与翅片进行换热。风机23可上下左右，可以是送风和排风，主要是风机使空气流动强制换热。

实施例2：

在节能的角度对实施例1中的具有热循环功能的蒸馏系统进行分析(以酿酒工艺为例)：

一、蒸馏工艺热量分析：

物质相变(蒸发或冷凝)时温度不变，但热量变化巨大(此属于潜热，蒸发吸热、冷凝放热)，以1kg水(及蒸汽)举例：

0℃升温到100℃需要吸收的热量：1*4.2*(100-20)＝336KJ；

在标准大气压下由100℃相变为蒸汽需要吸收的热量是2258KJ；

蒸汽从100℃升温到130℃需要吸收的热量是1*1.88*(130-100)＝56.4kj；反之，冷却降温或冷凝所放出的热量也同上。

所需要的总热量为：336+2258+56.4＝2650.4KJ。

综上：潜热远大于显热，蒸馏系统中的热量交换主要集中在蒸发和冷凝两个环节。

二、热泵系统效率理论分析：

逆卡诺循环的制热系数：COP＝q1/w0＝q1/(q1-q2)＝T1/(T1-T2)

T1:冷凝温度；T2:蒸发温度；q2：低温热源放出的热；q1:高温热源吸收的热；w0：外界对低温逆卡诺机做的功。

注：实际由于换热需要温差、压缩机容积系数及机械效率等原因，热泵机组的效率低于理论值，大约需要乘以0.7系数。

综上：冷凝温度与蒸发温度的温差越小，热泵系统的制热效率越高。

三、热泵系统用于蒸馏工艺的换热关系：

热泵系统冷媒冷凝对应蒸馏过程水蒸发，热泵系统冷媒蒸发对应蒸馏过程蒸馏蒸汽冷凝。

四、热泵系统应用于蒸馏酒系统耗能计算：

标准大气压下水沸腾温度100℃，取换热温差3℃，热泵系统冷凝温度100+3＝103℃，酒精冷凝温度78.3，取换热温差3℃，热泵系统冷凝温度78.3-4＝75.3℃。

热泵系统效率：COP＝(273.15+103)/(103-75.3)*0.7＝9.51。

生产1kg蒸馏酒所需的高温蒸汽(130℃)所需的能耗为：

(336+2258)/9.51+56.4＝329.29KJ。

五、热泵加高温加热器分段加热与传统工艺效率计算对比：

蒸馏工艺中高温气体冷凝成液体的温度是恒定的，酒蒸馏工艺中酒精的冷凝温度是78.3℃，蒸馏工艺中不同时段所需的蒸汽温度不同，若直接采用热泵系统直接将水加热至蒸馏工艺所需的蒸汽温度，对应热泵系统的效率如下表1(热泵实际效率按理论效率的70％计算)：

表1.采用热泵系统直接加热至所需的蒸汽温度时热泵系统的效率表

通过上表可知，沸点越高、饱和蒸汽温度越高，便会使热泵效率越低。

而在采用高温加热器5来将蒸汽加热至所需的蒸汽温度(以130℃为例)时(即是热泵是水加热沸腾产生饱和蒸汽，高温加热器对饱和蒸汽再加热，实现分段加热)，与热泵系统直接加热的能耗对比表如下：

表2.分段加热与热泵直接加热的能耗对比表

通过上表可知，蒸馏工艺所需蒸汽温度越高，使用分段加热的节能率便越高，即是采用高温加热器来配合热泵系统进行分段加热生产蒸馏系统所需的高温蒸汽，可以起到良好的节能效果。

采用本实用新型的高温加热器配合热泵系统进行分段加热的方式与现有采用燃料直接加热蒸汽的方式进行对比，100kg高温蒸汽所需能耗以及费用对比如下表(高温蒸汽以130℃为例)：

对比项目	蒸馏用热泵	电锅炉	燃煤锅炉	燃气锅炉	燃油锅炉
						效率	0.70	0.95	0.75	0.9	0.8
能源品种	电	电	煤	天然气	柴油
						热值	860千卡/kwh	860千卡/kwh	7000千卡/kg	9000千卡/Nm<sup>3</sup>	10200千卡/kg
所需能耗KJ	329.29*100	2650.4*100	2650.4*100	2650.4*100	2650.4*100
						能源耗量	9.15kwh	77.5kwh	12.02kg	7.79Nm<sup>3</sup>	7.73kg
能源单价	1元/度	1元/度	0.6元/kg	3.5元/Nm<sup>3</sup>	6.5元/kg
						费用总计	9.15元	77.5元	7.21元	27.2元	50.27元
节省费用	0元	68.35元	-1.94元	18.12元	41.12元

表3.生产130℃蒸汽所需能耗及费用对比表

节省费用是以本实用新型中设置高温加热器对蒸汽进行分段加热作为基础进行展示，虽然燃煤锅炉最节省费用，但由于燃煤锅炉环境污染严重，现在大多数地方已放弃该方法的使用。在此未计算采用非热回收工艺蒸馏系统排热所需的能耗。

通过上述分析可知，采用热泵系统与高温加热器分段加热生产高温蒸汽的方式不仅能使能量耗损大大降低，同时能降低费用的支出，极大的节约工艺经费。

通过分段加热，由热泵系统来完成其蒸馏系统所需蒸汽的沸腾加热和冷凝放热的工艺需求，此两环节温差最小、热泵系统能效率最大，消耗很少能量既可以满足工艺所需；工艺需要的蒸汽温度再升高所需热量少，利用高温加热器较少的能耗即可实现，工艺需要的冷凝液体再降温所放出的热量也少，即使无其他回收工艺，排至环境的热量也很少。实现了较少的功耗即可满足蒸馏工艺的全环节所需的热量交换，且极大减少了热排放和热污染。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：包括常压蒸汽发生器、蒸馏器、冷凝箱和热泵系统；

所述常压蒸汽发生器与蒸馏器通过蒸汽管相连通，所述蒸汽管上设有用于对常压饱和蒸汽进行加热的高温加热器；

所述冷凝箱与蒸馏器相连，用于对蒸馏器中产生的高温蒸馏蒸汽进行冷凝；

所述热泵系统吸收冷凝箱内高温蒸馏蒸汽冷凝成高温馏液的相变热，并将热能传输至常压蒸汽发生器内使水受热沸腾形成常压饱和蒸汽。

2.根据权利要求1所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述热泵系统通过冷媒进行传热，热泵系统包括冷凝器和蒸发器，所述冷凝器的出液端与蒸发器的进液端之间通过第一膨胀阀相连，所述蒸发器的出气端与冷凝器的进气端之间通过第一压缩机相连；

所述蒸发器与冷凝箱导热连接，用于使冷媒吸收冷凝箱内的相变热，且使冷媒发生由液态变为气态的相变；

所述冷凝器与常压蒸汽发生器导热连接，用于将冷媒的相变热传递至常压蒸汽发生器内，且使常压蒸汽发生器中的水受热沸腾形成蒸汽。

3.根据权利要求2所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：还包括有冷却水的冷却箱，所述冷却箱内设有馏液冷却管路浸泡在冷却水中，所述馏液冷却管路的上端与冷凝箱内的馏液连通，用于对冷凝后的高温馏液进行降温，馏液冷却管路的下端在冷却箱的底部形成低温馏液出口。

4.根据权利要求1所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述常压蒸汽发生器导热连接有辅助加热器。

5.根据权利要求3所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述第一膨胀阀的出液端连接有第一管路和第三管路，所述第一管路与蒸发器的进液端相连，所述蒸发器的出液端通过第二管路与第一压缩机相连，所述第一管路和第二管路上分别设有第一阀门和第二阀门；

所述第三管路连接有供热装置，所述供热装置通过第四管路与第一压缩机相连，所述第三管路和第四管路上分别设有第三阀门和第四阀门。

6.根据权利要求5所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述供热装置为热水箱或第一翅片式空气换热器，所述热水箱和第一翅片式空气换热器内均设有蒸发管路，所述蒸发管路的进液端与第三管路相连，蒸发管的出气端与第四管路相连。

7.根据权利要求3所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述冷却箱的出水端通过第六管路的连通有风冷热泵水机，所述风冷热泵水机的出水端连通有第五管路和第七管路，所述第五管路与冷却箱的进水端相连通，所述第七管路与热水箱的进水端相连通，所述热水箱的出水端通过第八管路与风冷热泵水机的进水端相连通；

所述第五管路、第六管路、第七管路和第八管路上分别设有第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门；

所述风冷热泵水机通过循环水泵为水输送提供动力。

8.根据权利要求6所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述热水箱内还设有第二换热盘管，所述冷却箱内设有第一换热盘管，所述第二换热盘管的出液端连接有第二膨胀阀，所述第二膨胀阀连通有第九管路和第十一管路，所述第九管路连通有第二翅片式空气换热器，所述第十一管路与第一换热盘管的进液端相连，第一换热盘管的出气端连通有第十二管路，所述第十二管路通过第二压缩机与第二换热盘管的进气端相连通；

所述第二翅片式空气换热器内设有第三换热盘管，所述第九管路与第三换热盘管的进液端相连，所述第三换热盘管的出气端连接有第十管路，所述第十管路与第二压缩机相连；

所述第九管路、第十管路、第十一管路和第十二管路上分别设有第九阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门。

9.根据权利要求8所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述第一翅片式空气换热器和第二翅片式空气换热器均设有风机。

10.根据权利要求6所述的具有热循环功能的蒸馏系统，其特征在于：所述热水箱连接有对水进行加热的热源。

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