CN102512833A - 一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法及其装置，在蒸发装置中设有1级或多级蒸发单元，各级蒸发单元上方设有蒸发空间和物料分布器，物料自蒸发装置顶部通过物料分布器经各级蒸发单元流下，蒸发产生的蒸汽通过水平列管的间隙向上升，自下而上与物料逆流接触，有机溶剂由蒸汽带走，其有机溶剂含量逐级升高；物料逐级降膜流下，其溶剂含量逐级降低，实现了蒸发与蒸馏的耦合，在蒸发装置底部得到浓缩产品。本发明整套***结构简单，设备紧凑，占地面积小，节省了大量的金属材料，设备造价大大降低；可广泛使用于化工、轻工、炼油、制药、海水淡化等领域，可适合含固体颗粒、纤维状的物料或易结垢的场合，尤其适合乙醇蒸馏或有机溶剂的回收。

Description

一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法及其装置

技术领域

本发明属于蒸发设备技术领域，具体涉及一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法及其装置。

背景技术

蒸发是化工行业广泛应用的一种单元操作，通常用于从水溶液中除去水分以达到产品浓缩的目的。由于水平管外降膜蒸发技术具有传热系数高，蒸发强度大等优点，目前在化工、轻工、制药、海水淡化、制冷等领域普遍使用。

传统的水平管外降膜蒸发器各效一般为水平放置，这些蒸发器大致分为两种情况：其一，壳体为圆形，每一效蒸发器传热管束采用纵向布置，即管束的方向与壳体方向一致；其二，壳体为矩形结构，每效蒸发器传热管束呈横向水平布置如专利CN101786677A，各效蒸发器首尾相连，这种情况造成设备的长径比很大，占地面积增加，检修不便，蒸发过程中热损失增大；如果采用圆筒壁，则装置结构不够紧凑，加工比较困难；如果采用矩形壳体，在蒸发器的端部必须采用框架结构，防止设备在高真空状态下产生失稳破坏，因此设备投资增大。

专利CN2562830Y介绍了一种水平管外降膜蒸发装置，其主要技术特征是装置壳内垂直分割成分别独立的2~11个蒸发室，每一个蒸发室内分别安装着喷淋排管和加热器，装置壳顶部安装着与喷淋排管连接的原料液进口管，原料液通过泵打到装置的顶部，每一效蒸发室侧壁上的二次蒸汽出口通过管道与下一效的加热器连接，每一效蒸发器侧壁下方的完成液出口通过U型管与下一效的喷淋排管连接，最后一效蒸发器的侧壁上开有尾汽出口和完成液出口，结构复杂。 

专利CN100586523C 提供了一种有机溶剂回收用多效逆流降膜蒸发***，采用垂直降膜蒸发器组成多效蒸发***，各效蒸发器都设有溶液循环泵，各效蒸汽冷凝液分别进入各自凝液罐，通过泵排出回收利用，各效凝液罐与汽液分离器间设有气体连通管，确保真空操作条件下不凝气的排出，提高传热效率。

现有的水平管外降膜蒸发技术主要用于产品的蒸发和浓缩，没有蒸馏功能。而有机溶剂回收多采用独立的多效逆流降膜***，占地面积大，设备复杂，整体设备造价较高。 

发明内容

本发明的目的是提供一种蒸发与蒸馏耦合的水平管降膜蒸发方法及结构简单紧凑的水平管降膜蒸发装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法，在蒸发装置中设有1级或多级蒸发单元，各级蒸发单元上方设有蒸发空间和物料分布器，物料自蒸发装置顶部通过物料分布器经各级蒸发单元流下，蒸发产生的蒸汽自下而上与物料逆流接触，在蒸发装置底部得到浓缩产品。

所述蒸发单元垂直设置，蒸发单元中的换热管呈水平横向布置，物料通过物料分布器使料液均匀分散在换热管外并沿着管外壁降膜流下。

所述蒸发装置可以正压操作或者真空操作。

实现所述蒸发方法的蒸发装置，包括圆柱形塔体，所述塔体顶部设有蒸汽出口，塔体底部设有物料出口；所述塔体内部垂直设有一级或多级蒸发单元，每级蒸发单元上部分别设有蒸发空间和物料分布器，顶部蒸发单元的物料分布器上方设有物料进口。

塔体下部为塔釜，塔釜的下方设置有物料出口。

每级蒸发单元包括呈横向水平布置的换热管以及支撑换热管的竖向设置的管板，换热管与密闭的管箱连通；每级蒸发单元的管箱上均设有载热体进、出口；每级蒸发单元通过支撑结构与塔体内壁固定连接。

塔体顶部蒸汽出口下方设有除沫器。

本发明中，物料中含有机溶剂、水或一定的固含物，由装置顶部进入，在水平管外降膜向下流动，经过1级或多级蒸发单元，蒸出的蒸汽含有较高的有机溶剂浓度，回收后有机溶剂浓度大大提高，相当于耦合了蒸馏，减少了加热蒸汽和冷却水的使用量；在蒸发过程中产生的蒸汽通过水平列管的间隙向上升，物料和蒸汽逆流充分接触，有机溶剂由蒸汽带走，溶剂含量减少后的物料经液体下级分布器进行分布，逐级降膜流下，溶剂含量逐级降低，浓缩液沿最后一级蒸发单元水平管外流下，进入装置下部排出，溶剂基本蒸出；利用这种多级蒸发的方法蒸出溶剂，热量可以得到充分利用，溶剂回收率高，单位能耗低。

由于物料沿水平换热管外壁降膜流下，不容易结垢，因此不但适合清洁流体，还可用于含一定固体颗粒的流体。

所设计的装置为圆柱形，与矩形结构相比，可承受更大的压力，能进行正压操作，也能进行真空操作，结构简单，设备投资可大大减少。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、多个水平管外降膜蒸发单元垂直叠放在一个装置内，将物料打到装置的顶部，使物料均匀地分散在水平管外，沿着管外壁降膜流下，可以实现多级连续蒸发操作；

2、蒸出的二次蒸汽含有较高的有机溶剂浓度，回收后有机溶剂浓度大大提高，相当于耦合了蒸馏；

3、多级蒸发过程在一个装置内进行，减少了加热蒸汽和冷却水的使用量，减少了热量损失，提高了热量利用效率；

4、可正压操作，也可真空操作。

5、整套***结构简单，设备紧凑，占地面积小，节省了大量的金属材料，设备造价大大降低；

6、本发明可广泛使用于化工、轻工、炼油、制药、海水淡化等领域，可适合含固体颗粒或易结垢的场合。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例2结构示意图；

图3是本发明实施例3结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法，在蒸发装置中垂直设有1级蒸发单元4，蒸发单元4中的换热管4-5呈水平横向布置，蒸发单元2上部设有蒸发空间7和物料分布器6，物料在蒸发装置顶部通过物料分布器6使料液均匀分散在换热管4-5外并沿着管外壁降膜流下，物料流动方向为从上到下，蒸发产生的有机溶剂蒸汽自下而上与物料逆流接触，在蒸发装置底部得到浓缩产品。所述蒸发装置可以正压操作或者真空操作。

实现上述蒸发方法的蒸发装置，由塔体3、塔釜2、蒸发单元4、物料进口5、物料分布器6、蒸发空间7、除沫器8、蒸汽出口9、物料出口1组成。塔体3内垂直设置一个蒸发单元4，蒸发单元4通过支撑结构4-1固定，蒸发单元4包括管箱4-3、管板4-4、换热管4-5、载热体进口4-6和载热体出口4-2；在蒸发单元4上方设置有物料分布器6、蒸发空间7和除沫器8；物料分布器6处于蒸发空间7的下部，除沫器8位于蒸发空间7的上部，蒸汽出口9位于塔体3顶部。塔体3下部为塔釜2，塔釜2的下方设置有物料出口1。

以酒精蒸馏为例，塔内操作压力为0.1MPa，为正压操作。塔径φ2m，塔高20m，塔釜2高2.5m，塔内设一级蒸发单元4，蒸发单元4高12m，换热管4-5外径为φ32mm，换热管4-5三角形排列，水平中心间距为100mm，垂直中心间距为150mm；加热介质为进口温度为130℃加热蒸汽。

含一定固形物的酒精废糟液打至塔身顶部，由物料进口5送至物料分布器6，经物料分布器6将物料液均匀分布到蒸发单元4的水平换热管4-5上，物料沿水平换热管4-5外壁降膜流下；经多排换热管4-5进行热交换，使酒精糟物料进行蒸发，产生的蒸汽带走物料里面所含的酒精和水分；物料经最后一排管落到塔釜2形成浓缩液，由塔釜2底部的物料出口1流出。

所产生的蒸汽通过水平管的间隙由下向上升，与下行物料逆流接触，相当于耦合了蒸馏，带走物料中所含的大部分酒精和水分，进入蒸发空间7，将蒸汽夹带的微小液滴分离下落，通过除沫器8进一步除去夹带的液滴，然后经蒸汽出口9排出，其后可通过冷凝回收乙醇。

载热体加热蒸汽通过载热体进口4-6进入管箱4-3，然后进入蒸发单元4的水平换热管4-5内，对其管壁外的料液进行加热，降温后的冷凝水通过载热体出口4-2排出。

实施例2：

如图2所示，一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法，在蒸发装置中设有2级垂直设置的蒸发单元16、13，蒸发单元16、13中的换热管16-5、13-5呈水平横向布置，各级蒸发单元间上方有蒸发空间7、15和物料分布器6、14，物料在物料分布器6、14的作用下使料液均匀分散在换热管16-5、13-5外并沿着管外壁降膜流下，物料流动方向为从上到下，蒸发产生的有机溶剂蒸汽自下而上与物料逆流接触，在蒸发装置底部得到浓缩产品。所述蒸发装置可以正压操作或者真空操作。

实现上述蒸发方法的蒸发装置，由塔体3、塔釜2、二级蒸发单元13、二级物料分布器14、二级蒸发空间15、一级蒸发单元16、物料进口5、物料分布器6、蒸发空间7、除沫器8、蒸汽出口9、物料出口1组成。

塔体3内垂直设置2级蒸发单元13和16，二级蒸发单元13位于塔釜2上方，通过支撑结构13-1固定，包括有管箱13-3、管板13-4、换热管13-5、载热体进口13-6和载热体出口13-2；二级蒸发单元13的下部为塔釜2，塔釜2的下方设置有物料出口1。

在二级蒸发单元13上方设置有二级物料分布器14，二级蒸发空间15和一级蒸发单元16；一级蒸发单元16位于二级蒸发空间15上方，通过支撑结构16-1固定，包括有有管箱16-3、管板16-4、换热管16-5、载热体进口16-6和载热体出口16-2；一级蒸发单元16上方设有物料进口5、物料分布器6、蒸发空间7、除沫器8、蒸汽出口9；物料分布器6处于蒸发空间7的下部，除沫器8位于蒸发空间7的上部，蒸汽出口9位于塔顶部。

以回收甲醇为例，装置内为真空操作。甲醇水溶液打至装置顶部，由物料进口5送至物料分布器6，经物料分布器6将物料液均匀分布到一级蒸发单元16的水平换热管16-5上，物料沿水平换热管16-5外壁降膜流下；经多排换热管进行热交换，在真空状态下，使甲醇水溶液进行蒸发，产生的蒸汽带走物料里面所含的甲醇；物料经最后一排管落到二级物料分布器14上，二级物料分布器14对物料进行再次分布，使物料均匀分布到二级蒸发单元13的水平换热管13-5上，物料沿水平换热管13-5外壁降膜流下；再次经多排换热管进行热交换，在真空状态下，使甲醇水溶液进行蒸发，产生的蒸汽带走物料里面所含的甲醇；物料经最后一排管落到塔釜2形成浓缩液，由塔釜2底部的物料出口1流出。

所产生的蒸汽通过水平管的间隙由下向上升，与下行物料逆流接触，相当于耦合了蒸馏，带走物料中所含的大部分甲醇。从最后一排管产生的蒸汽，依次经过二级蒸发单元13、进入二级蒸发空间15，将蒸汽夹带的微小液滴分离下落；然后进入一级蒸发单元16，进入蒸发空间7，再次将蒸汽夹带的微小液滴分离下落；再通过除沫器8进一步除去夹带的液滴，然后经蒸汽出口9排出，其后可通过冷凝回收甲醇。

一级、二级蒸发单元加热用导热油作为载热体（导热油作为载热体时，载热体进口位于管箱下部，载热体出口位于管箱上部），导热油通过载热体进口进入管箱，然后进入蒸发单元的水平换热管束内，对其管壁外的料液进行加热，导热油冷却后通过载热体出口排出。

实施例3：

如图3所示，一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法，在蒸发装置中设有3级垂直设置的蒸发单元16、13、10，蒸发单元16、13、10中的换热管16-5、13-5、10-5呈水平横向布置，各级蒸发单元间上方有蒸发空间7、15、12和物料分布器6、14、11，物料在物料分布器6、14、11的作用下使料液均匀分散在换热管16-5、13-5、10-5外并沿着管外壁降膜流下，物料流动方向为从上到下，蒸发产生的有机溶剂蒸汽自下而上与物料逆流接触，在蒸发装置底部得到浓缩产品。所述蒸发装置可以正压操作或者真空操作。

实现上述蒸发方法的蒸发装置，由塔体3、塔釜2、三级蒸发单元10、三级物料分布器11、三级蒸发空间12、二级蒸发单元13、二级物料分布器14、二级蒸发空间15、一级蒸发单元16、物料进口5、物料分布器6、蒸发空间7、除沫器8、蒸汽出口9、物料出口1组成。

塔体3内垂直设置3级蒸发单元10、13和16，三级蒸发单元10位于塔釜2上方，通过支撑结构10-1固定，包括有管箱10-3、管板10-4、换热管10-5、加热蒸汽进口10-6和冷凝水出口10-2；三级蒸发单元10的下部为塔釜2，塔釜2的下方设置有物料出口1。

在三级蒸发单元10上方设置有三级物料分布器11，三级蒸发空间12和二级蒸发单元13；二级蒸发单元13位于三级蒸发空间12上方，通过支撑结构13-1固定，包括有管箱13-3、管板13-4、换热管13-5、加热蒸汽进口13-6和冷凝水出口13-2；

在二级蒸发单元13上方设置有二级物料分布器14，二级蒸发空间15和一级蒸发单元16；一级蒸发单元16位于二级蒸发空间15上方，通过支撑结构16-1固定，包括有有管箱16-3、管板16-4、换热管16-5、加热蒸汽进口16-6和冷凝水出口16-2；一级蒸发单元16上方设有物料进口5、物料分布器6、蒸发空间7、除沫器8、蒸汽出口9；物料分布器6处于蒸发空间7的下部，除沫器8位于蒸发空间7的上部，蒸汽出口9位于塔顶部。

以回收甲醇为例，塔内为真空操作。塔径φ1.8m，塔高24m，塔釜2高2m，塔内设三级蒸馏单元10、13和16，每级蒸馏单元高5m，相邻两蒸馏单元间的蒸发空间高为1m，换热管外径为φ25mm，换热管矩形排列，水平中心间距为90mm，垂直中心间距为120mm；加热蒸汽为100℃废热蒸汽。

甲醇水溶液打至塔身顶部，由物料进口5送至物料分布器6，经物料分布器6将物料液均匀分布到一级蒸发单元16的水平换热管16-5上，物料沿水平换热管16-5外壁降膜流下；经多排换热管进行热交换，在真空状态下，使甲醇水溶液进行蒸发，产生的蒸汽带走物料里面所含的甲醇；物料经最后一排管落到二级物料分布器14上，二级物料分布器14对物料进行再次分布，使物料均匀分布到二级蒸发单元13的水平换热管13-5上，物料经最后一排管落到三级物料分布器11上，三级物料分布器11对物料进行再次分布，使物料均匀分布到三级蒸发单元10的水平换热管10-5上，物料沿水平换热管外壁降膜流下；再次经多排换热管进行热交换，在真空状态下，使甲醇水溶液进行蒸发，产生的蒸汽带走物料里面所含的甲醇；物料经最后一排管落到塔釜2形成浓缩液，由塔釜2底部的物料出口1流出。

所产生的蒸汽通过水平管的间隙由下向上升，与下行物料逆流接触，相当于耦合了蒸馏，带走物料中所含的大部分甲醇。从最后一排管产生的蒸汽，依次经过三级蒸发单元10、进入三级蒸发空间12，将蒸汽夹带的微小液滴分离下落；再进入二级蒸发单元13，进入二级蒸发空间15，再次将蒸汽夹带的微小液滴分离下落；然后进入一级蒸发单元16，进入蒸发空间7，再次将蒸汽夹带的微小液滴分离下落；再通过除沫器8进一步除去夹带的液滴，然后经蒸汽出口9排出，其后可通过冷凝回收甲醇。

一级蒸发单元16加热用废蒸汽通过加热蒸汽进口16-6进入管箱16-3，然后进入一级蒸发单元16的水平换热管16-5内，对其管壁外的料液进行加热，同时自身进行冷凝，冷凝水通过冷凝水出口16-2排出。

二级蒸发单元13加热用废蒸汽通过加热蒸汽进口13-6进入管箱13-3，然后进入二级蒸发单元13的水平换热管13-5内，对其管壁外的料液进行加热，同时自身进行冷凝，冷凝水通过冷凝水出口13-2排出。

三级蒸发单元10加热用废蒸汽通过加热蒸汽进口10-6进入管箱10-3，然后进入三级蒸发单元10的水平换热管10-5内，对其管壁外的料液进行加热，同时自身进行冷凝，冷凝水通过冷凝水出口10-2排出。

本发明中，载热体可以是蒸汽、烟道气、导热油、热水或其它蒸气，在蒸发过程中，随着物料向下流动时，溶剂含量逐级降低，沸点逐级升高，通过调整通入各级蒸发单元管程的载热体温度，可实现较高的传热温差，有利于传热和蒸发的进行，蒸发效率高。

Claims (7)

1.一种耦合蒸馏的水平管降膜蒸发方法，其特征在于，在蒸发装置中设有1级或多级蒸发单元，各级蒸发单元上方设有蒸发空间和物料分布器，物料自蒸发装置顶部通过物料分布器经各级蒸发单元流下，蒸发产生的蒸汽自下而上与物料逆流接触，在蒸发装置底部得到浓缩产品。

2.如权利要求1所述的水平管降膜蒸发方法，其特征在于，所述蒸发单元垂直设置，蒸发单元中的换热管呈水平横向布置，物料通过物料分布器使料液均匀分散在换热管外并沿着管外壁降膜流下。

3.如权利要求1或2所述的水平管降膜蒸发方法，其特征在于，所述蒸发装置可以正压操作或者真空操作。

4.实现权利要求1所述蒸发方法的蒸发装置，包括圆柱形塔体，其特征在于，所述塔体顶部设有蒸汽出口，塔体底部设有物料出口；所述塔体内部垂直设有一级或多级蒸发单元，每级蒸发单元上部分别设有蒸发空间和物料分布器，顶部蒸发单元的物料分布器上方设有物料进口。

5.如权利要求4所述的蒸发装置，其特征在于，塔体下部为塔釜，塔釜的下方设置有物料出口。

6.如权利要求4或5所述的蒸发装置，其特征在于，每级蒸发单元包括呈横向水平布置的换热管以及支撑换热管的竖向设置的管板，换热管与密闭的管箱连通；每级蒸发单元的管箱上均设有载热体进、出口；每级蒸发单元通过支撑结构与塔体内壁固定连接。

7.如权利要求6所述的蒸发装置，其特征在于，塔体顶部蒸汽出口下方设有除沫器。

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