一種溶液濃縮方法
2023-05-19 10:33:51 1
專利名稱：一種溶液濃縮方法
技術領域：
本發明涉及一種溶液濃縮方法，屬空氣調節技術領域。
背景技術：
傳統的除溼溶液的再生方法，多採用單效單級。採用的方式為沸騰蒸發或非沸騰蒸發，大都在常壓和接近常壓的條件下進行。
中國發明專利8910399.X「空氣調節方法及其設備」公開了一種兩效溶液濃縮的方法，一效為沸騰蒸發，二效為非沸騰蒸發。
美國發明專利5097668「Energy Reuse Regeneration For LiquidDesiccant Air Condition」也公開了一種兩效溶液濃縮方法。
美國發明專利4939906「Multistage Boiler/Regeneration ForLiquid Desiccant dehumidifiers」；中國發明專利97115278.0「空氣調節方法及其設備」等均涉及到兩效的溶液濃縮再生方法，一效為沸騰蒸發，二效為非沸騰蒸發。兩效均是在常壓或接近常壓條件下進行，但均未涉及到多級蒸發及多級與多效蒸發的結合。
採用一級再生的方法的缺點是顯而易見的不能形成有效的逆流傳熱傳質，更不能採用非對稱傳熱方式以充分利用熱源，再生效率低，靈活性差。
發明內容
本發明的目的是提供一種能有效實現溶液的多級濃縮及能量的多次利用，提高能量利用效率的溶液濃縮方法。
本發明為一種溶液濃縮方法，其特徵在於針對濃溶液和稀溶液的濃度差範圍，將其分為2-6級，每級溶液的濃縮範圍只為整個溶液濃度範圍的一部分，均為部分濃縮，多級組合起來，構成完整的濃縮範圍，從而實現溶液的多級濃縮。
所述2-6級濃度差範圍的溶液濃縮中，能量可在不同的條件下被多次利用，即至少有一級無需外界再提供能量，而是依靠其他由外界輸入能量的級排出的熱量作為熱源驅動。
所述2-6級濃度差範圍的每一級溶液的濃縮可在同一壓力或不同壓力下進行。所述溶液的濃縮可在常壓或有壓，真空的條件下進行。
所述2-6級濃度差範圍的每一級溶液濃縮時的傳熱傳質形式可為沸騰蒸發或非沸騰蒸發。沸騰蒸發和非沸騰蒸發是指在一定條件下，使得溶液表面壓力(或水蒸氣分壓力)大於溶液所接觸空間的壓力(或水蒸氣分壓力)，利用這種壓力差進行傳質，達到濃縮溶液的目的。這裡的一定條件包括溫度和壓力，通常情況下，系統在大氣壓的條件下進行，根據熱源的情況控制溶液的溫度，使得溶液沸騰和非沸騰。但系統也可以在壓或者真空的條件下進行。
所述溶液濃縮所需的傳熱傳質可為對稱傳熱傳質或非對稱傳熱傳質。所謂對稱傳熱傳質，或者說逆流傳熱傳質，是指傳熱傳質分布符合或接近逆流傳熱傳質，即傳熱傳質動力均勻，並不為流體一定是逆向流動。所謂非對稱傳熱傳質，是指傳熱傳質動力不均勻，不符合逆流傳熱傳質分布。
本發明針對現有溶液濃縮再生方法中普遍存在的再生效率低、靈活性差等問題，提出了一種「多效」和「多級」相結合的除溼溶液濃縮再生的方法，多級可以實現逆流傳熱傳質(對稱傳熱傳質)，減小傳熱傳質的損失；多效可以實現能量的多次利用，提高能量利用效率。其效率高，傳熱傳質面積小，可以靈活的利用各種熱源和氣液接觸方式。利用非對稱傳質傳熱，可以增大傳熱傳質動力。在某些特定的條件下，可以採用非對稱傳熱傳質，增大傳熱傳質的動力。溶液的濃縮方式可採用沸騰蒸發或非沸騰蒸發。例如一個「兩級兩效」的再生系統，溶液濃縮過程的第二級(第二效)，可以用其第一級(第一效)再生過程中產生的高溫高溼的空氣作為驅動熱源。
圖1為現有技術中單級逆流溶液再生原理示意圖；圖2為現有技術中單級叉流溶液再生原理示意圖；圖3為本發明所述多級溶液濃縮原理示意圖；圖4為圖3所述實施方案中對稱的傳熱傳質分布圖；圖5為圖3所述實施方案中非對稱的傳熱傳質分布圖；圖6為本發明的一種典型實施方案示意圖；圖7本發明的另一種典型實施方案示意圖；圖8為圖7所述實施方案中的非對稱的傳熱傳質分布圖；圖9為本發明的兩級真空再生原理圖；圖10為三級三效再生原理圖；
圖11為三級三效再生實施方案中的實際算例。
具體實施例方式
以下結合附圖對現有技術及本發明的具體實施方式
作進一步描述圖1和圖2為現有技術中典型的單級溶液再生原理圖，圖1是氣液逆流接觸的方式，1為進入再生器的空氣，2為排出再生器的空氣，3為稀溶液，4為濃溶液，5為循環液，6為進入熱交換器的加熱流體，7為排出熱交換器的加熱流體，8為再生器，9為熱交換器，10為溶液泵，圖中循環液5採用熱交換器9加熱。循環液5與空氣接觸，溶液被濃縮，再生空氣的溼度增大。從圖中可以看出，由於循環液5是循環的，雖然氣液是逆流接觸的，並沒有實現真正的逆流傳質。
圖2是氣液叉流接觸的方式，當然更不可能實現逆流傳熱傳質。圖2中，11為進入再生器的空氣，12為排出再生器的空氣，13為稀溶液，14為濃溶液，15為循環液，16為進入熱交換器的加熱流體，17為排出熱交換器的加熱流體，18為熱交換器，19為再生器，20為溶液泵。
圖3中，再生器分為I、II、III、IV四級(本發明不限於四級)，雖然每一級為叉流，由於各級溶液的濃度不一樣，四級組合起來，配合相應的循環液加熱方式(圖中未標出)，可實現逆流傳熱傳質。
圖3中，21為進入再生器的空氣，22為排出再生器的空氣，23為進入第一級的稀溶液，24為從第四級流出的濃溶液，25為循環液，26為各級之間的遷移溶液，溶液由低濃度級向高濃度級遷移，27為再生器，28為溶液泵。
值得說明的是，每一循環液25的流量較23、24、26大，循環液25在四級中的總流量較26、23、24大幾倍或一個數量級。
待處理的稀溶液23進入再生器的第一級，然後依次通過各級，最後變為濃溶液24，每一級溶液都有其獨立的循環，其濃度分為為C1，C2，C3，C4。
C1＜C2＜C3＜C4，符合逆流傳質的原則，即稀溶液對應含溼量低的氣體，濃溶液對應含溼量高的氣體。如果加熱介質的布置也依據逆流原則來組合，即第一級的加熱介質溫度低，最後一級的加熱溫度高，這就使得整個再生過程23→24接近理想的逆流傳質傳熱，即如圖4所示的對稱傳熱傳質分布(相對於非對稱傳熱傳質而言，如圖5所示)。
圖4、圖5中，Ta，Pa分別為氣體的溫度分布和水蒸氣的分壓力分布，Tla，Pla分別為溶液的溫度分布和水蒸氣的分壓力分布，I、II、III、IV分別對應不同的級。由圖4可以看出，氣液之間的傳質傳熱動力分布符合逆流傳熱傳質的原則。
圖5顯示出一個非對稱的傳質傳熱分布。如圖所示，II、III、IV級中溶液的平均溫度是相同的(對稱分布時是不同的)。這是因為在某些條件下，如II、III、IV級採用相同的熱源加熱，此時II、III、IV可以獲得相同的溶液溫度而不會增加額外的代價，當然Pla還是不同的。比較非對稱傳熱傳質分布和對稱傳熱傳質分布，前者的傳熱傳質動力大。改變圖3中的熱源分布，即可實現非對稱傳熱傳質。如在某些條件下，如有可用的蒸汽加熱時，即為這種情況。
再回到圖1，如果在某些特定的條件下，循環液25的流量和溶液的遷移流量相同，即溶液直接從再生器27上部引入，此時可以實現理想的逆流傳質傳熱分布，但仍不能實現非對稱的傳質傳熱分布。
總之，本發明不僅可以實現逆流傳熱傳質分布，還可實現非對稱傳熱傳質分布，有利於增大傳熱傳質的動力。
圖6是一個典型的「兩效四級」溶液再生原理圖。圖中29為再生器，30為熱交換器，31為環境的空氣，32為高溫高溼的空氣，33為待濃縮的稀溶液，34為濃溶液，35為循環液，36為經過熱交換器排出的空氣，37為各級之間遷移的溶液，38為溶液泵，39為加熱流體，40為從再生器排出的加熱流體。稀溶液33經溶液泵38加壓進入換熱器，溫度升高後從再生器29上端噴淋下來，在填料或其它傳質介質中和空氣進行傳熱傳質。由於溶液溫度較高，溶液表面水蒸氣分壓力大於空氣水蒸氣分壓力，溶液中的水蒸發到空氣中，溶液被濃縮，進入下一級，進一步被濃縮，空氣被加熱加溼後也進入下一級，繼續吸收水蒸氣。以此類推，直至溶液被濃縮到所要求的濃度34。值得說明的是，為了使每一級溶液噴淋以前升溫，可以使用的方法很多，但均未超出本發明的範圍。在這套系統中，II、III、IV級中加熱介質可以是任何熱流體，而第一級要求的溶液溫度較低，採用第四級排出的高溫高溼的空氣32就可以起到加熱溶液的效果，實現能量的二次利用。
圖7為「單效四級」的溶液再生原理圖，圖中41為來自大氣的空氣，42為用完後的空氣，43為稀溶液，44為濃溶液，45為循環液，46為級間遷移的溶液，47為加熱流體，48為排出的加熱流體，49為溶液泵，50為再生器。與圖6的區別是再生空氣不再串聯使用，每級均採用來自大氣的空氣41，用完後的空氣42直接排入大氣。這樣做是因為環境中的空氣是不花代價就可以得到。相對於串聯而言，各級再生空氣的平均水蒸氣分壓力更低，傳熱傳質動力變大。當然，每級可採用熱回收裝置預熱空氣，圖中未標出。這種方式體現了非對稱傳熱傳質的原理，見圖8。另外，各級加熱溶液的熱源均可單獨控制。圖8中為另一種非對稱傳熱傳質分布，圖8中符號與圖4相同。
以上所述本發明的各種典型的再生方案都是在常壓的條件下進行的。再生溶液不需要加熱到很高的溫度，利用工業廢熱或太陽能就可以實現溶液的再生。大型再生器可以在有壓和真空的條件下進行再生。
圖9是一個典型的兩級真空再生原理圖，圖中51為稀溶液，52為經第I級濃縮後的溶液，53濃溶液，54為循環液，55為第一級的加熱流體，56為排出第一級的加熱流體，57為真空泵，58為冷凝水，59為第二級的加熱流體，60為排出第二級的加熱流體，61為溶液泵，62為熱交換器，63為再生器。
與上述方法不同的是溶液再生是在真空條件下進行的，用真空泵57維持真空狀態。蒸發出來的水蒸氣可通過冷卻水冷卻後成為冷凝水58排出容器(圖中未標出冷卻水及熱交換器等)。
圖9中分為兩級I、II、(但不限於二級)，稀溶液51經過第I級濃縮變為52，再經第II級濃縮後變為53，即所需濃溶液。
圖10為「三級三效」的溶液再生原理圖，除溼後低溫稀溶液64依次與最後一級，即第III及產生的水蒸汽70，以及各級高溫冷凝水71、68、74換熱後變為65，進入第I級。第一級採用高溫熱源67加熱，以後各級均採用上一級過程產生的蒸汽為熱源，這樣就實現了能量的多次利用。
在此方案中，各級之間沒有溶液的熱交換；此外，在這種方案的能量利用流程中，稀濃度溶液對應較高的溫度，濃溶液對應較低的溫度，二者均使得換熱量減小，包括再生器與除溼器間的溶液換熱量較小。另外，相對濃溶液對應較高溫度，稀溶液對應較低溫度的能量流程而言，該流程在同樣的熱源條件下，可實現更多次的能量利用。
圖10中，溶液65經過I、II、III級濃縮後變為濃溶液66，第I級加熱流體，如蒸汽67經加熱器76後變為68，68再與稀的除溼液通過熱交換器77換熱後排出，或與第II級的71混合進入第II級的熱交換器(圖中未示出這種情況)，在第I級中產生的水蒸汽70進入第II級，作為第II級的熱源，在第II級中產生的水蒸汽70進入第III級，作為第III級的熱源。圖中的71、74與第I級中的68對應。72、75與第I級中的69對應，不再詳述其過程。
圖中78為溶液泵，圖中66在流入除溼器(圖中未示出)前亦可與來自除溼器的濃溶液有熱交換。結合圖11中的實例可以更清楚地理解本方案。
綜上所述，在一定的熱源條件下，可採用真空、常壓和有壓三種方式結合多級與多效、沸騰蒸發與非沸騰蒸發實現多種組合，包括溶液的串聯、並聯及混聯流程等。但均不超出本發明的範圍。
圖11為三級三效實施例的實際算例，I、II級為有壓的情況，III為真空情況。
除溼後的低溫稀溶液進入換熱器與各級的高溫冷凝水(或蒸汽)換熱，預熱後的稀溶液依次進入各級再生。第一級再生器需要外通過熱源(蒸汽和燃氣等)把溶液加熱到預定的溫度。以後各級不需要另外需要能量，依靠上一級提供的能量再生。根據熱平衡計算可以求得各級再生器溶液的濃度，各級之間的濃度差可以是不同的，本算例計算的各級的濃度差不斷變大。每一級可以提供給下一級(第一級除外)的能量是本級產生的過熱蒸汽的焓-此壓力下冷凝水的焓而每一級再生需要的熱量是本級產生的蒸汽+溶液的終狀態的焓-溶液初狀態的焓在此系統流程下，上一級可以供給的熱量是一定的，可以調節的是下一級產生的蒸汽量，也可以說是溶液的終狀態，因此熱量可以根據熱平衡計算出此級溶液可以濃縮的濃度。依次類推。由於級間溶液的溫度相差較大，使得每一級蒸發出來的水蒸氣量逐漸變大，因此各級間的濃度差逐漸變大。
關於再生效率的計算，由於本算例沒有考慮傳熱傳質差，因此計算所得效率是理想的效率。
效率＝從溶液中濃縮出的水的潛熱/第一級中投入的熱量圖中示出溶液的溫度和濃度，輸入的熱量以及各級產生的蒸汽量m1、m2、m3。根據圖中的數據可計算出再生的效率為2.17。
權利要求
1.一種溶液濃縮方法，其特徵在於針對濃溶液和稀溶液的濃度差範圍，將其分為2-6級，每級溶液的濃縮範圍只為整個溶液濃度範圍的一部分，均為部分濃縮，多級組合起來，構成完整的濃縮範圍，從而實現溶液的多級濃縮。
2.按權利要求1所述溶液濃縮方法，其特徵在於所述2-6級濃度差範圍的溶液濃縮中，能量在不同的條件下被多次利用，即至少有一級無需外界再提供能量，而是依靠其他由外界輸入能量的級排出的熱量作為熱源驅動。
3.按權利要求1或2所述溶液濃縮方法，其特徵在於所述2-6級濃度差範圍的每一級溶液的濃縮在同一壓力或不同壓力下進行。所述溶液的濃縮可在常壓或有壓，真空的條件下進行。
4.按權利要求1或2所述溶液濃縮方法，其特徵在於所述2-6級濃度差範圍的每一級溶液濃縮時的傳熱傳質形式為沸騰蒸發或非沸騰蒸發。
5.按權利要求1所述溶液濃縮方法，其特徵在於所述溶液濃縮所需的傳熱傳質為對稱傳熱傳質或非對稱傳熱傳質。
全文摘要
一種溶液濃縮方法，屬空氣調節技術領域，其特徵在於針對濃溶液和稀溶液的濃度差範圍，將其分為2－6級，每級溶液的濃縮範圍只為整個溶液濃度範圍的一部分，均為部分濃縮，多級組合起來，構成完整的濃縮範圍，從而實現溶液的多級濃縮。所述2－6級濃度差範圍的溶液濃縮中，能量可在不同的條件下被多次利用，即無需外界再提供能量，而是領先其他由外界輸入能量的級排出的熱量作為熱源驅動。本發明針對現有溶液濃縮再生方法中普遍存在的再生效率低、靈活性差等問題，提出了一種「多效」和「多級」相結合的除溼溶液濃縮再生的方法，其效率高，傳熱傳質面積小，可以靈活的利用各種熱源和氣液接觸方式。
文檔編號F24F3/12GK1415908SQ0214412
公開日2003年5月7日 申請日期2002年9月28日 優先權日2002年9月28日
發明者袁一軍, 夏國興 申請人:袁一軍, 夏國興