一種熱泵型低溫蒸發裝置及方法

2023-10-10 15:13:24 1

專利名稱：一種熱泵型低溫蒸發裝置及方法
技術領域：
本發明屬於化工分離和節能減排技術領域，涉及一種熱敏性物料和回收低沸點溶劑的低溫蒸發工藝和裝置，特別涉及到熱媒制熱循環和溶液蒸發、溶劑冷凝耦合的熱泵節能技術。
背景技術：
在蒸發濃縮操作中，熱敏性物料遇高溫時其有效成分會發生變性或在蒸發壁面結疤影響蒸發效率和產品質量，因此蒸發溫度的影響是非常重要的調控條件。例如在生物醫藥食品工業中，其部分產品不耐高溫，即熱敏性物料需在低溫工況下蒸發。在低溫蒸發中，機械蒸汽壓縮(MVR)方法有其弱點，直接壓縮的二次蒸汽比容很大，壓縮後的蒸汽要在較高溫度範圍下操作才有較好的效率。而降低蒸汽溫度就會增加比容積，導致設備費用及操作費用的增加。另外，比容積的增加必將引起蒸汽流速的增大，在蒸發腐蝕性的物料(如維生 素C、果酸等)過程中，產生的二次蒸汽更容易引起物料夾帶，直接壓縮會使含有腐蝕性物料的二次蒸汽接觸並腐蝕壓縮機，嚴重影響壓縮機的壽命。熱泵型蒸發器與多效蒸發器同為節能型蒸發器。熱泵型蒸發器操作溫度低且易於根據實際需求進行調控，更適合於熱敏性物料的蒸發和低沸點溶劑的回收。與水作為提取劑相比有機溶劑提取效果優於的效果，近年來提取過程中有機溶劑的使用不斷增加，但有機溶劑有沸點低、易燃易爆、有毒、汙染環境等特點。利用冷劑蒸發溫度低的特點，從料液蒸汽冷凝器中帶走熱量，降低冷凝器的尾氣溫度，即把尾氣中有機蒸汽含量降至環境容許範圍後排放。熱媒蒸汽壓縮的排氣量遠小於直接壓縮水蒸汽的排氣量，工作溫度區間低，故特別適用於低溫蒸發。因此在熱敏性物料的低溫蒸發和低沸點溶劑回收中，為了節能並減小壓縮機的體積、延長壓縮機的壽命、減小投資和提高經濟效益，熱泵型低溫蒸發系統應運而生。

發明內容
本發明提供了一種載熱媒介輔助的熱泵型低溫蒸發裝置及方法，能夠有效利用熱能，使熱敏性物料在較低溫度蒸發濃縮並維持其有效成分，高效回收有機溶劑，減少了有害氣體排放。本發明的技術方案如下一種熱泵型低溫蒸發裝置，是制熱循環輔助的熱泵型低溫蒸發裝置，該裝置包括料液蒸發器、氣液分離器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、熱媒儲罐、熱媒蒸汽壓縮機、過濾器、料液泵、凝液泵和節流裝置；其中，料液蒸發器的下出口連接到氣液分離器的中部入口，氣液分離器的上出口連接到二次蒸汽冷凝器的上入口 ；二次蒸汽冷凝器的下出口連接到凝液罐，凝液罐上連接有凝液泵；料液蒸發器的下出口連接到熱媒儲罐，通過熱媒儲罐、過濾器和節流裝置連接到二次蒸汽冷凝器的下入口 ；熱媒蒸汽壓縮機將二次蒸汽冷凝器頂部出來的熱媒蒸氣送到料液蒸發器。料液泵將氣液分離器底部出口的料液送回料液蒸發器。
所述的料液蒸發器可以採用單效或多效降膜蒸發器。上述裝置是在載熱媒介的壓縮、冷凝、膨脹、再蒸發的循環過程中，料液中的溶劑被蒸發、冷凝，達到在低溫條件下濃縮料液和回收溶劑；步驟如下a)載熱媒介蒸汽在料液蒸發器冷凝放熱加熱蒸發被蒸發濃縮的物料，後流入熱媒儲罐，由過濾器過濾，經節流裝置節流後進入二次蒸汽冷凝器蒸發，蒸汽進入熱媒蒸汽壓縮機，升溫升壓後的熱媒蒸汽再進入料液蒸發器組成一個迴路；b)料液經過料液泵、料液蒸發器、氣液分離器組成另一個迴路；料液由料液蒸發器進入系統，經過循環後蒸出溶劑，如此反覆循環，直至溶液濃度達到設定值；c)蒸發器蒸發的溶劑蒸汽經分離器進入冷凝器，放熱冷凝後進凝液儲罐，後經凝液泵排出，釋放的冷凝潛熱加熱載熱媒介使其蒸發汽化。 工作時，通過調節系統真空度來控制料液蒸發溫度，範圍在25_60°C ;通過變頻調節壓縮機輸入功率來控制系統制熱量和蒸發量之間的匹配。但應注意，壓縮機排氣壓力不應超過其機械承受壓力，通常為2. 5MPa以下。隨著料液濃度的增大，有效溫差越來越小，可維持系統壓力不變，提高壓縮機頻率及壓縮機輸入功率維持所需蒸發速率。系統所需能量輸入僅由熱媒蒸汽壓縮機的動力提供，二次蒸汽冷凝器中熱媒蒸發需要的熱量由料液蒸發器流出的溶劑蒸汽冷凝時釋放的熱量供給。本發明採用熱媒循環輔助的熱泵型低溫蒸發裝置，整個工藝結構緊湊；僅需熱媒蒸汽壓縮機提供動力而無其他外界能量輸入，冷凝器中熱媒蒸發需要的熱量由蒸發器流出的蒸汽冷凝時釋放的熱量供給，減少了運行成本；採用適當的熱媒可使系統載低溫下操作，可使料液在低溫下蒸發而維持其有效成分，設備腐蝕較輕，不易堵塞管道，減少了設備成本；熱媒易壓縮且蒸發溫度低可使溶劑蒸汽有效冷凝，減少氣體排放，環保節能；熱泵系統COP 可達 3-5。


附圖是本發明實施例所述的熱泵型低溫蒸發器系統工藝流程圖。圖中1料液蒸發器；2氣液分離器；3 二次蒸汽冷凝器；4凝液罐；5熱媒儲罐；6熱媒蒸汽壓縮機；7過濾器；8料液泵；9凝液泵；10節流裝置。
具體實施例方式結合技術方案和附圖，以小型試驗用熱泵型低溫蒸發器為例詳細敘述本發明的具體實施方式
。實施例I如圖所示，料液蒸發器傳熱面積為O. 58m2，蒸汽冷凝器面積為I. 58 m2，壓縮機使用谷輪CRNQ-0500-TF0-272型全封閉5匹壓縮機，節流裝置使用熱力膨脹閥。以R22為熱媒，蒸發濃縮10. 5%的葡萄糖溶液。物料循環凝液罐頂部由真空泵抽出不凝氣體以維持系統壓力在2. 5-5kPa間，稀料液經泵送入蒸發器至分離器液位到達規定高度，由泵送料液噴淋量300L/h經蒸發器頂部的布膜器均勻分配到蒸發器各傳熱管並呈膜狀流下，液膜吸收管外熱媒蒸汽的熱量後在蒸發溫度28°C _38°C間蒸發。為蒸發料液和產生的二次蒸汽在分離器中氣液分離，溶液回流至蒸發器，26-33°C的蒸汽進入冷凝器後沿盤管外壁形成的螺旋通道下流至凝液儲罐，同時回收料液蒸汽冷凝時放出的熱量用於熱媒蒸發，約18-22°C的溶劑凝液約後經凝液泵送出。熱媒循環壓縮機排氣口 80-103°C的熱媒蒸汽進入蒸發器後膨脹變為37-49°C的飽和蒸汽，與料液換熱冷凝為33-45°C的液體，節流後為6-12°C的氣液混合物，後進入蒸汽冷 凝器總吸收熱量蒸發為25-34°C的蒸汽再次進入壓縮機完成一次循環。料液蒸發速率為3. 5kg/h-9. lkg/h，蒸發器傳熱溫差為6-10°C，傳熱係數為900-1200W ·πΓ2 · °C，冷凝器傳熱溫差為 3-7°C，傳熱溫差 350-600 W · m_2 · °C。
權利要求
1.一種熱泵型低溫蒸發裝置，是制熱循環輔助的熱泵型低溫蒸發裝置，其特徵在於，該熱泵型低溫蒸發裝置包括料液蒸發器(I)、氣液分離器(2)、二次蒸汽冷凝器(3)、凝液罐(4)、熱媒儲罐(5)、熱媒蒸汽壓縮機￠)、過濾器(7)、料液泵(8)、凝液泵(9)和節流裝置(10);其中，料液蒸發器(I)的下出口連接到氣液分離器(2)的中部入口，氣液分離器(2)的上出口連接到二次蒸汽冷凝器(3)的上入口 ；二次蒸汽冷凝器(3)的下出口連接到凝液罐(4)，凝液罐(4)上連接有凝液泵(9);料液蒸發器(I)的下出口連接到熱媒儲罐(5)，通過熱媒儲罐(5)、過濾器(7)和節流裝置(10)連接到二次蒸汽冷凝器(3)的下入口 ；熱媒蒸汽壓縮機(6)將二次蒸汽冷凝器(3)頂部出來的熱媒蒸氣送到料液蒸發器(I);料液泵(8)將氣液分離器(2)底部出口的料液送回料液蒸發器(I)。
2.如權利要求I所述的裝置，其特徵是料液蒸發器採用單效或多效降膜蒸發器。
3.利用權利要求I或2所述裝置的方法，是在載熱媒介的壓縮、冷凝、膨脹、再蒸發的循環過程中，料液中的溶劑被蒸發、冷凝，達到在低溫條件下濃縮料液和回收溶劑；其特徵包括以下步驟 a)載熱媒介蒸汽在料液蒸發器(I)冷凝放熱加熱蒸發被蒸發濃縮的物料，後流入熱媒儲罐(5)，由過濾器(7)過濾，經節流裝置(10)節流後進入二次蒸汽冷凝器(3)蒸發，蒸汽進入熱媒蒸汽壓縮機出)，升溫升壓後的熱媒蒸汽再進入料液蒸發器(I)組成一個迴路； b)料液經過料液泵(8)、料液蒸發器(I)、氣液分離器(2)組成另一個迴路；料液由料液蒸發器(I)進入裝置，經過循環後蒸出溶劑，如此反覆循環，直至溶液濃度達到設定值； c)料液蒸發器(I)蒸發的溶劑蒸汽經氣液分離器(2)進入二次蒸汽冷凝器(3)，放熱冷凝後進凝液儲罐(4)，後經凝液泵(9)排出，釋放的冷凝潛熱加熱載熱媒介使其蒸發汽化。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵是通過調節系統真空度來控制料液蒸發溫度，範圍在25-60°C ;通過變頻調節熱媒蒸汽壓縮機(6)輸入功率來控制系統制熱量和蒸發量之間的匹配。
全文摘要
一種熱泵型低溫蒸發裝置及方法，屬於化工分離和節能減排技術領域。其特徵是在載熱媒介的制熱循環過程中把溶劑蒸發、冷凝以達到低溫下蒸發濃縮熱敏料液或回收有機溶劑的目的；裝置主要由料液蒸發器、氣液分離器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、熱媒儲罐、熱媒蒸汽壓縮機、過濾器、料液泵、凝液泵、節流裝置及管路閥門等組成，其中料液蒸發器採用單效或多效降膜蒸發器。通過調節系統真空度來控制料液蒸發溫度在25-60℃間；通過變頻調節壓縮機輸入功率來控制系統制熱量和蒸發量之間的匹配。本發明的效果和益處是可以減少氣體排放，環保節能；另外低溫蒸發可維持料液有效成分，設備腐蝕較輕，不易堵塞管道，減少了設備成本。
文檔編號B01D1/26GK102698451SQ20121023511
公開日2012年10月3日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者蘭忠, 張卓敏, 林載祁, 白濤, 馬學虎 申請人:大連理工大學