梯度亞沸蒸餾器的製作方法

2023-12-01 09:40:26 2

本實用新型涉及液體蒸餾純化或濃縮領域，具體是一種液體蒸餾純化、濃縮設備及方法。

背景技術：

現有的蒸餾技術，包括蒸餾水生產、海水淡化、液體濃縮為了節約能源常使用多效蒸餾技術。需要高溫及高壓，同時設備複雜，能效受設備的級數限制，而蒸餾濃縮通常只能達到2-3效。亞沸蒸餾具有冷凝水雜質少的優點，所以用於對水質要求較高的場合的用水製備。目前的亞沸蒸餾器，首先產量小只能用於實驗室用水的製備，其次能效低，是遠低於一效的，能源浪費嚴重，同時冷凝浪費大量水資源。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種液體蒸餾設備及蒸餾方法，以解決現有技術存在的問題。

為了達到上述目的，本實用新型所採用的技術方案為：

一種梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：包括至少一個冷凝管、至少一個蒸發麵、加熱裝置、布液器、尾液槽、冷凝液槽、尾液管、進液管、冷凝液管、外殼，其中加熱裝置的一端與布液器相通，另一端與冷凝管相通，蒸發麵一端承接布液器，另一端設有尾液槽，尾液槽與尾液管相通，冷凝管的一端與進液管相通，另一端與加熱裝置相通，冷凝液槽位於冷凝管的一端且與冷凝液管相通。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸餾器還包括一個泵，泵的進口和出口通過循環管道分別與尾液管、進液管相通。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸餾器還包括換熱器，換熱器設置於尾液管、冷凝液管和進液管上。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的循環管道上還包括一個冷卻裝置。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的進液管連接於冷凝管與加熱裝置之間的管道上或布液器與加熱裝置之間的管道上。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸餾器還包括一個使蒸發麵相對於冷凝管做周期運動的裝置連接於蒸發麵上。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸餾器還包括氣體發生器、氣體儲罐、抽氣機或壓氣機通過管道與外殼相通。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸餾器還包括一個風機，風機的進口和出口與外殼相通。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的冷凝管由高分子材料或其複合材料製成，內部有縱向隔板，隔板隔開的孔道均與冷凝管兩端的液體通道相通，冷凝管表面有凸起；蒸發麵與冷凝管相間排列，冷凝管表面的凸起將蒸發麵支撐、壓緊；所述的冷凝管表面的凸起包括：柱狀或錐狀凸起；傾斜的柱狀錐狀凸起；縱向條形凸起；側面有處於蒸發麵的一端低於處於冷凝面的一端的導流槽的縱向條形凸起。

所述的梯度亞沸蒸餾器，其特徵在於：所述的蒸發麵省去，原料液體由布液器滴落或噴出。

根據本實用新型的技術方案，原料液體進入冷凝管，從冷凝管的一端流向另一端。同時，液體的蒸汽在冷凝管的外表面冷凝，冷凝熱使管內的原料液體溫度不斷的升高，最終液體進入加熱裝置，被進一步加熱，溫度升高。被加熱後的液體，分布到蒸發麵上，流向蒸發麵的另一端，同時不斷的蒸發，溫度不斷降低，液體蒸汽在冷凝管上冷凝，使冷凝管內液體不斷被加熱。由於蒸發麵上的水流量與冷凝管內的水流量相等，所以高溫液體自蒸發麵一端流至另一端所下降的溫度就是液體經冷凝管後上升的溫度。

例如20℃的自來水由進水管進入冷凝管，在冷凝管內被預熱至90℃，最後在加熱裝置內被加熱至100℃，之後經布水器分布到蒸發麵上，並開始蒸發，隨著水流向蒸發麵底端溫度不斷下，其最終下降幅度基本與冷凝管內水溫升高幅度相等(其溫降基本為蒸發散熱所致，接觸傳熱佔比極少)，溫度降為30℃，排出。在此過程中外界提供的熱量為將水加熱10℃，而蒸發(或冷凝)的水蒸氣對應的熱量為使水降低70℃，所以系統的能效約為7效。如果進行調節進水流速使水預熱後為95℃，從蒸發麵蒸發後溫度降為25℃，則設備能效約為14效。

為了增加產量，可以使液體在較高的溫度下蒸發，所以提高液體蒸發後的最終溫度。因而在系統內加入換熱器，用於尾液、冷凝液與進液之間進行熱交換。

為了節約用水或用於提取液的濃縮，用泵將尾液回收進入循環，即從蒸發麵上流下的未蒸發完的液體，部分經尾液槽匯集，再由泵泵入循環管道，部分由尾液管排出，同時由進液管補充適量的原料液體。循環液體中混入原料液體使循環液體溫度降低，因而再次進入冷凝管時可以對蒸發麵上蒸發的蒸汽進行冷凝。為了增加產量，可以對循環液體進行冷卻，以增加蒸發麵和冷凝管外壁的溫差。另外，也可以為了增加熱效降低蒸發麵與冷凝管壁的溫差，例如將排出尾液、冷凝液與進入設備的原料液體進行熱交換，對進入設備的原料液體進行預熱。

對於原料液體溫度較高需要蒸餾純化或濃縮的，新補充的原料液體可以自加熱裝置與布液器之間的管道或加熱裝置與冷凝管之間的管道直接引入，加熱裝置可以不對循環液體加熱，同時可以對從蒸發麵蒸發後的的循環液體進行冷卻。

使蒸發麵相對於冷凝管進行周期運動，以帶動蒸發麵和冷凝管之間的氣體運動，從而促進蒸發-冷凝過程進行，提高產量。可以使一個運動裝置與蒸發麵相連接，該運動裝置使蒸發麵做周期運動。例如：轉動，與冷凝管表面垂直方向的往復運動，與冷凝管的面平行方向的往復運動。例如將蒸發麵固定於一個軸上，軸與電機和曲軸連杆相連，則電機帶動蒸發麵往復運動；蒸發麵製成圓筒狀，中心設有一軸，軸連接電機，冷凝管分布於蒸發麵周圍，電機帶動蒸發麵旋轉；同時可以在蒸發麵設置扭帶、彈簧等插件以增加氣體運動。

所述的梯度亞沸蒸餾器可以設有氣體發生器、氣體儲罐、抽氣機或壓氣機，以改變外殼內部的氣氛或壓力。使用氣體發生器產生所需要的氣體或者使用氣體儲罐儲存所需要的氣體，通過管道充入外殼內，可以連續充入也可以間斷充入。例如使用一儲有氮氣的儲罐與外殼相通，對外殼內充入氮氣。例如當原料液體在空氣中不穩定時可以對設備內充以氮氣、氬氣、二氧化碳等惰性氣體或其混合氣體；為降低冷凝液中氧氣或二氧化碳的含量可以充以氮氣；為了提高產量或能效可以充以氫氣、氦氣等氣體。所充入的氣體也可以是各種氣體的混合氣體或含有原料液體蒸汽的混合氣體。

所述的梯度亞沸蒸餾器內部氣體的壓力可以小於大氣壓力，以適應低溫蒸餾或濃縮。例如可以為0.01-0.9個大氣壓。此時，一方面可以靠增加抽氣機將氣體從系統抽去來實現，也可以通過提高系統的氣密性，在抽氣後維持較低氣壓運行，或者同時採用這兩種方法。另外，所述的梯度亞沸蒸餾器也可以包括壓氣機，使設備內部壓力大於大氣壓，這樣提高液體最終可加熱溫度，以提高能效。例如增加設備內部氣壓使水可以加熱至120℃

所述的梯度亞沸蒸餾器可以包括風機，優選貫流風機。風機的空氣入口和出口分別與外殼相連，風機工作時從外殼內吸入空氣，再吹入外殼內，造成其流動，促進蒸發和冷凝過程進行，提高產量或能效。貫流風機葉輪軸心與蒸發麵平行，減少上層高溫氣體與下層低溫氣體的混合。

所述的梯度亞沸蒸餾器的蒸發麵和冷凝管之間可以設置有將蒸發麵固定或將蒸發麵與冷凝管隔開一定距離的裝置，包括支架、支柱等，且優選其與冷凝管接觸部位高於與蒸發麵接觸部位。例如：固定於蒸發麵或冷凝管上的彈簧、一端固定於冷凝管上的L形物體、柱狀物體、橫杆(通過兩端與其垂直的支柱固定於冷凝管上，橫杆平行於冷凝管表面且相隔一定距離，優選橫杆水平設置且與冷凝管接觸部位高於橫杆)、倒置的V形U形支架(其中V形和U形的兩端分別與蒸發麵和冷凝管接觸，因其中間高於接觸部位，原料液體不會流到冷凝管表面)或條形絲網捲成截面為V形或U形的支架。

所述的梯度亞沸蒸餾器的蒸發麵可以省去，液體僅由布液器分布、滴落或噴出，液體在下落的過程中發生蒸發，蒸發後的尾液落入尾液槽。例如布液器為一段開有多個小孔的管，液體從小孔滴落，蒸發後落入尾液槽。

所述的梯度亞沸蒸餾器的尾液槽和冷凝液槽可以有多個也可以僅有一個，即可以每個蒸發麵(冷凝管)均配備一個尾液槽(冷凝液槽)，也可以多個蒸發麵(冷凝管)共用一個尾液槽(冷凝液槽)。

所述的梯度亞沸蒸餾器的冷凝管可以由高分子材料或其複合材料製成，內部可以有縱向隔板，隔板起到增加冷凝管強度、節約材料的作用。冷凝管表面有凸起，起到支撐、固定蒸發麵的作用。所述的凸起包括但不限於：柱狀或錐狀凸起；傾斜的柱狀或錐狀凸起；縱向條行凸起；側面有導流槽的縱向條形凸起。

所述的凸起可以為柱狀，例如圓柱、方柱、稜柱等，柱狀凸起可以相對於表面傾斜，當冷凝管豎直放置時柱狀凸起的頂端低於基部，這樣蒸發麵上的原料液體不會向上流入冷凝液，而柱狀凸起上產生的冷凝液或者冷凝管表面流到柱狀凸起上的冷凝液也對柱狀凸起產生清洗並最終流入原料液體，不會對冷凝液產生汙染。所述的凸起也可以為縱向條形，例如截面為矩形、半圓形、三角形的條形等，其頂端與蒸發麵接觸，支撐蒸發麵，基部連接於冷凝管表面。其側面可以有與冷凝面成傾斜的導流槽，導流槽處於蒸發麵的一端低於處於冷凝面的一端。這樣，蒸發麵上的液體流向冷凝面時會匯入導流槽，並沿導流槽流回蒸發麵，而凸起上產生的冷凝液也會沿導流槽，同時對凸起進行清洗，使原料液體不會汙染冷凝液。見圖6和圖7

所述的導流槽可以為：凸起表面的凹槽、凸起側面的陽紋與凸起側面形成的槽、凸起剪斷後形成的間隙(或者表述為凸起與凸起之間的間隙)、

所述的布液器為使液體流至蒸發麵的裝置，最好使液體均勻的分布於蒸發麵的一端。可以僅為一段管及管口，液體經由該管的管口流入或落入蒸發麵上，或者為一段壁上開有多個小孔的管，或在壁上有縱向狹縫的管。

本實用新型所述的冷凝管主要作用是利用其外表面對蒸汽冷凝，管壁傳熱，同時其內部空間容許液體通過，因而所述的冷凝管並非限於截面長徑和寬徑相近的管。管壁的形狀只要可用於傳熱、冷凝即可，其形狀可以是規則的，也可以是不規則的多種形狀，例如弧形、平面或表面有翅片的面等。

優選較大的、平整的外表面製成的，同時相對較小的內部空間的管狀物，以使內部蓄積較少的液體。管的截面可以為圓形、矩形、長條形(長遠大於寬的矩形)、扁圓形(長大於寬的圓或橢圓)等，例如為圓管、矩形管等。優選截面扁平的管，例如截面為寬2-10mm、長20-1000mm矩形或橢圓形的管。

也可以使用多個圓管或方管排列而成，例如多個10mm×20mm的不鏽鋼方管並列。

管壁的材料可以是金屬、高分子材料、無機材料等。

可以對冷凝管的外表面進行適當的處理，使之與冷凝液浸潤或不浸潤，比如親水化處理，使冷凝液成膜狀流下，減少冷凝液滴與原料液體混合而汙染冷凝液的可能性，同時也可以減小蒸發麵與冷凝管之間的距離，以節約空間、增加產量或能效。

本實用新型所述的蒸發麵為使液體分布擴展，最大的增加其表面積以利於蒸發的裝置，同時液體從其表面和孔隙流過，同時最好使蒸發麵與其所處理的液體由良好的親和性，以利於液體在蒸發麵表面的擴展。對於較軟的材料，可以使用骨架和或外框將其張緊、平整。

蒸發麵包括但不限於以下材料構成(或者包含骨架或外框)：

纖維編織物，例如玻纖布或氈、矽氧布或氈、巖棉布或氈或板、不鏽鋼纖維布或氈；

由各種材料製成的細絲或纖維製成的網，例如一層或多層40目-150目的經親水化處理的不鏽鋼絲網；

板或多孔板，例如親水處理的不鏽鋼板、玻璃板、陶瓷板等。

例如蒸發麵為2層經處理去油的玻纖布(玻纖布層間孔隙可使液體更好的擴散)和外框製成，在蒸發麵的頂部設置有截面為V形的槽(或者再在槽內外壁覆蓋玻纖布)，液體經布水器進入槽內，再由槽口溢出，落入蒸發麵(或由槽壁的玻纖布進入蒸發麵)。

優選蒸發麵形狀與冷凝管的冷凝面形狀相同且面積相等，且蒸發麵與冷凝管平行設置。

當系統包括多個冷凝管和蒸發麵時，蒸發麵和冷凝管優選相間排列，且蒸發麵的兩個表面均分布有液體，均起到蒸發的作用。

本實用新型所述的加熱裝置為一個使液體溫度升高的裝置，可以使用電熱方式，也可以使用蒸汽加熱、廢熱回收等方式。例如電熱板、電熱管、換熱器等。對於較小產量的蒸餾設備，優選使用電加熱，而對於較大產量的設備優選使用水蒸汽加熱。

另外，加熱裝置置於殼體內或殼體外對液體進行加熱，將液體加熱至一定溫度，例如加熱裝置為電熱管且置於殼體內原料液體的管道內或外側，或者置於處於殼體外的原料液體管段的內或外對原料液體進行加熱。

冷凝管與蒸發麵相對設置，優選冷凝管的外表面與蒸發麵平行，以促進蒸發-冷凝過程的進行。蒸發麵及冷凝管可以與豎直面成一定的角度，優選豎直放置以利於液體從蒸發麵流下及冷凝液從冷凝管外表面流下而不會蓄積。

對於根據本實用新型技術方案製作的一臺蒸餾器，調節其蒸發麵與冷凝管的表面之間距離(兩個面均為平整表面且平行排列)，當其距離分別為3mm、7mm、20mm時，7mm時的產量與能效略微比3mm時小，而為20mm時則產量和能效小很多。另外，可以通過調節液體流量、加熱溫度等在產量和能效之間進行調節。

所述的梯度蒸餾器還包括其他輔助設施，例如電源、溫控儀、外殼保溫層、原料液體處理設施、調節儀器儀表、閥門等屬於現有技術未做詳述。

本實用新型的蒸餾器及蒸餾方法主要用於液體的蒸餾純化或濃縮，例如蒸餾水的生產、海水淡化、海水濃縮製鹽、提取液的濃縮等。根據本發明的蒸餾設備由於比較完全的回收了冷凝熱，預熱原料液體的熱量主要來自冷凝熱，因而液體的蒸發熱也基本來自冷凝熱，所以節約了大量的能源，同時本實用新型的蒸餾設備具有無需冷卻水或減少冷卻水的用量的優點。例如根據實施例2的數據，能效達到10效，產量為1L/m2h。

另外，由於本實用新型的蒸餾器可以在常壓下運行，不光安全性大幅度提高，還可以使用便宜、耐腐蝕的高分子材料或其複合材料代替合金材料，大幅度降低了造價。

附圖說明

圖1 蒸發麵水平的蒸餾器結構示意圖。

圖2 設有換熱器的梯度蒸餾器結構示意圖。

圖3 設有冷卻裝置的蒸餾器結構示意圖。

圖4 多個蒸發麵和冷凝管的蒸餾器結構示意圖。

圖5 處理高溫液體的蒸餾器結構示意圖。

圖6 一種高分子材料製成的冷凝管的結構示意圖。

圖7 一種高分子材料製成的冷凝管的結構示意圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，外殼9內設有冷凝管2，冷凝管2為20根直徑10mm長500mm的圓管並列組成，蒸發麵1為不鏽鋼板，蒸發麵與冷凝管距離為30mm。原料液體由進液口10進入冷凝管2，並沿冷凝管2流動，在冷凝管2的下表面液體蒸汽發生冷凝，同時冷凝熱對冷凝管2內的液體進行預熱。被預熱後的液體經由布液器4進入加熱裝置3，在加熱裝置3內被進一步加熱，被加熱後的液體進入蒸發麵1，在蒸發麵1上呈膜狀分布且流動，同時不斷蒸發，而液體的溫度也不斷降低，最終進入尾液槽6，由尾液管12排出。液體蒸汽在在冷凝管2的表面冷凝，冷凝液沿冷凝管2流向一端並落入冷凝液槽7(冷凝管的左端比右端高)，經由冷凝液管11排出。

實施例2

如圖2所示，蒸發麵1為兩層經處理去油的玻纖布(玻纖布層間孔隙可使液體更好的擴散)和外框製成，蒸發麵與冷凝管相距7mm，在蒸發麵的頂部設置有截面為V形的槽(或者再在槽內外壁覆蓋玻纖布)，液體經布水器進入槽內，再由槽口溢出，落入蒸發麵(或由槽壁的玻纖布進入蒸發麵)，冷凝管2為20根10mm×10mm的不鏽鋼方管並列組成。原料液體由進液口10進入換熱器5，再進入冷凝管2，並沿冷凝管2流動，在冷凝管2內被預熱，同時在冷凝管2外表面液體蒸汽發生冷凝。被預熱後的液體進入加熱裝置3，在加熱裝置3內被進一步加熱，被加熱後的液體進入布液器4，被布液器4分布至蒸發麵1，在蒸發麵1上呈膜狀分布且流動，同時不斷蒸發，而液體的溫度也不斷降低，最終進入尾水槽6，由管道進入換熱器5，在換熱器5內與原料液體進行熱交換，最終由尾液管12排出。由蒸發麵蒸發的液體蒸汽在在冷凝管2的表面冷凝，冷凝液沿冷凝管2流向一端並落入冷凝液槽7，由管道進入換熱器5，在換熱器5內與原料液體進行熱交換，最終由冷凝液管11排出。其中加熱裝置3為冷凝管頂端的蓄液池，內置加熱器，加熱裝置處於外殼9內。

實施例3

本實施方案中，在液體循環管道14上設有液體冷卻裝置13對循環液體進行適當的冷卻，以增加蒸發麵與冷凝管之間的溫差，從而增加蒸發和冷凝速度。在冷卻裝置13內液體與外界的空氣或冷卻水等進行熱交換。

補充的原料液體由進液口10進入液體循環管道14中，並隨循環液體進入冷凝管2，沿冷凝管2流動，在冷凝管2內被預熱，同時在冷凝管2外表面液體蒸汽發生冷凝，。被預熱後的液體進入加熱裝置3，在加熱裝置3內被進一步加熱，被加熱後的液體進入布液器4，被布液器4分布至蒸發麵1，在蒸發麵1上呈膜狀分布且流動，同時不斷蒸發，而液體的溫度也不斷降低，最終未蒸發的液體進入尾水槽6，部分由尾液管12排出，部分繼續進行循環蒸發並在冷卻裝置內被適度降溫。由蒸發麵蒸發的液體蒸汽在在冷凝管2的表面冷凝，冷凝液沿冷凝管2流向一端並落入冷凝液槽7，最終由冷凝液管11排出。

實施例4

本實施例中設備包含多根冷凝管2，冷凝管的橫截面為5mm×250mm的矩形，長600mm，即每根冷凝管含有2個250mm×600mm的冷凝面。蒸發麵250mm×600mm為經親水化處理的150目不鏽鋼絲網，絲網用邊框固定、張緊，蒸發麵的頂部為覆有絲網的V形槽。蒸發麵1與冷凝管2平行、相間布置且相距3mm距離。換熱器5用於原料液體與冷凝液、尾液之間進行熱交換。

實施例5

本實施例的技術方案適合於對高溫提取液進行濃縮或對高溫廢水進行蒸餾製取純水。高溫液體由頂端引入，可以在不對循環液體加熱的情況下工作，或者加熱耗能較少。對於高溫提取液如中藥水提液(通常是高溫提取)的濃縮尤為有利。

補充的原料液體通過進液管10混入循環液體，隨循環液體進入加熱裝置3，在加熱裝置3內被加熱升溫(或者不進行加熱)，再進入布液器4，被分布至蒸發麵1，在蒸發麵1上蒸發、降溫，之後流入尾液槽6，部分由尾液管道12排出，部分由循環泵8和循環管道14輸送流經冷卻裝置13，在冷卻裝置13內被適度冷卻，之後通過管道分配進入每個冷凝管2，在冷凝管2內被預熱，再由管道匯集，再加入原料液體。

實施例6

一種由高分子材料或其複合材料(例如加導熱材料增強導熱性的聚丙烯)製成冷凝管的梯度亞沸蒸餾器。為了節省篇幅，本節不對整體結構詳述，僅敘述其所使用的冷凝管。所述的冷凝管見圖6和圖7。冷凝管長1200mm，截面為長1000mm寬5mm的矩形，冷凝管兩端設有液體通道23，縱向隔板15起到增加強度的作用，縱向隔板15所分隔成的孔道均與冷凝管兩端的液體通道23相通。冷凝管表面設有柱狀凸起16、截面為矩形的條形凸起17或截面為三角形的條形凸起21，凸起高度為3mm-15mm。在條形凸起的表面分別有導流槽：凹槽18和條形凸起之間的間隙19和20以及凸起側面與側面上的陽紋形成的導流槽22。柱狀凸起可以相對於表面傾斜，當冷凝管豎直放置時柱狀凸起的頂端低於基部，這樣蒸發麵上的原料液體不會向上流入冷凝液，而柱狀凸起上產生的冷凝液或者冷凝管表面流到柱狀凸起上的冷凝液也對柱狀凸起產生清洗並最終流入原料液體，不會對冷凝液產生汙染。所述的凸起也可以為縱向條形，例如截面為矩形、半圓形、三角形的條形等，其頂端與蒸發麵接觸，支撐蒸發麵，基部連接於冷凝管表面。其側面可以有與冷凝面成傾斜的導流槽，導流槽處於蒸發麵的一端低於處於冷凝面的一端。這樣，蒸發麵上的液體流向冷凝面時會匯入導流槽，並沿導流槽流回蒸發麵，而凸起上產生的冷凝液也會沿導流槽流動，同時對凸起進行清洗，使原料液體不會汙染冷凝液。