CN102512835B - 一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多效蒸发浓缩工艺及设备技术领域，具体的说是一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法，包括板式换热器结构、闪蒸罐结构，其特征在于包括五组串联的板式升膜逆流蒸发装置，每组板式升膜逆流蒸发装置包括一个板式换热器、一个闪蒸罐、一个泵，每一组装置均处在密闭的负压***条件下，每组设备内的压力随着原料液浓度的提高而提高，原料经过板式换热器换热，然后再经过闪蒸分离器与溶剂进行分离，如此逐级换热直到第五组的闪蒸罐，经过换热的蒸汽和第五组闪蒸罐出口的蒸汽均通入出口管道，本发明充分利用了分离后二次蒸汽的热能，换热器的逆向换热与设计的负压和温度条件限制物料液体在加热过程产生的汽化现象降低了结垢可能。

Description

一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法

[技术领域]

本发明涉及多效蒸发浓缩工艺及设备技术领域，具体的说是一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法。

[背景技术]

目前，蒸发浓缩工艺一般采用管壳式换热器或板式换热器，管壳式换热器由于其体积庞大：整套装置高度自十几米到几十米需要两个及以上操作平台；在许多方面受到限制：如物料物性、工艺条件的要求等。所以绝大多数管壳式换热器一般只能做到三效设计，换热效率过低，因此逐渐被板式换热器取代。

国内专利CN1864783A公开了一种多效蒸发淡化浓缩方法及装置是与本发明最接近的国内现有技术，在公开文件中提供了一种多效、并逐级进行蒸发浓缩的工艺，这种工艺采用了逆流换热的目的是减少换热过程中的结晶析出，但是，这种设计在多效换热过程中没有闪蒸分离的步骤，在换热器中会存在大量汽化现象，会对设备造成极大的损伤，另外，会降低升温浓缩效率。另外，其设备采用了板式换热器，然而却没有对其中的换热板进行具体的设计，缺少闪蒸设备、在常压下进行浓缩，都会对浓缩工艺造成很大的影响。

[发明内容]

本发明的目的是解决现有技术中在浓缩热敏性物质时容易结晶析出的现象，提供一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法。

为实现上述目的设计一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，包括板式换热器结构、闪蒸罐结构，其特征在于包括五组串联的板式升膜逆流蒸发装置，每组板式升膜逆流蒸发装置包括一个板式换热器、一个闪蒸罐、一个泵，板式换热器的介质通道出口与闪蒸罐的进口间连接管道，板式换热器的蒸汽通道出口连接蒸汽出口管道，

第二组至第五组：闪蒸罐底部的出口与泵进口间连接管道、泵出口与上一组的板式换热器介质通道进口间连接管道，蒸汽出口管道汇总后与真空罐进口间连接蒸汽出口管道，真空罐出口与真空泵进口间连接管道；

第一组至第四组：闪蒸罐的罐顶出口与其下一组的板式换热器蒸汽通道进口间连接管道；

第一组：板式换热器的蒸汽通道进口与外界的蒸汽管道连接，闪蒸罐的底部出口连接出料管道；

第五组：闪蒸罐的罐顶出口与板式冷凝器进口间连接蒸汽出口管道，板式冷凝器出口与真空罐进口间连接管道，所述的原料液的进料管道与板式换热器的介质通道进口连接；

第一组中的板式换热器是一效板式换热器，第二组中的板式换热器是二效板式换热器，第三组中的板式换热器是三效板式换热器，第四组中的板式换热器是四效板式换热器，第五组中的板式换热器是五效板式换热器。

所述的板式加热器换热通道长径比为156～170，换热板为人字形波纹板、波纹夹角30°、波纹深度3.85mm、法向节距12.6mm，有效加热强度1200mm、蒸汽角孔直径200mm，蒸汽出口直径为200mm。

所述的闪蒸罐，进口在罐体自罐底总高的三分之一处，在罐体内顶部设置隔栅式液沫捕捉器，罐体内底部设有液位传感器，所述液位传感器监测液位高度控制在在罐体自罐底总高300～900mm处。

所述的外界蒸汽管道与一效板式换热器间可串联换热器，所述的第五组闪蒸罐连接的蒸汽出口管道上可串联换热器。

所述的进料管道与五效板式换热器间可串联一个或多个换热器，换热器的蒸汽通道与所述的第一组至第五组的一根或多根蒸汽出口管道串联连接。

所述的出料管道上可串联缓存罐，缓存罐底部出口连接泵。

所述的管道上可设置阀门、温度仪表、压力仪表中的一个或多个。

本发明还包括一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩方法，其特征在于该方法中的每一组装置均处在密闭的负压***条件下，绝对压力在0.005Mpa～0.06MPa之间，控制自第一组至第五组设备真空度呈梯度升高而蒸发温度则呈梯度下降，控制液位高度在闪蒸罐自罐底总高300～600mm处，

原料经过五效板式换热器换热，然后再经过闪蒸分离器与溶剂进行分离，经过分离的原料进入四效板式换热器，如上述方法逐级换热蒸发浓缩直至第五组闪蒸罐，每次经过板式换热器温度升高2～9℃，从第一组的闪蒸罐底部出口生产出浓缩液；换热用的蒸汽走向与原料走向相反，一效换热器的热量来自外界蒸汽，原料经过蒸汽加热后闪蒸分离，蒸汽从闪蒸罐顶部进入二效板式换热器与原料换热，如此逐级换热直到第五组的闪蒸罐，经过换热的第一组至第四组蒸汽和第五组闪蒸罐顶部出口的蒸汽进入真空罐，真空罐连接真空泵抽真空。

所述的进料的初始温度为45℃，低于45℃的采用电加热预热至45℃。

所述的方法中通过在管道中加设蝶阀来解决因为汽化产生的溶质析出现象。

所述的控制自第一组至第五组设备真空度的方法是调节换热器出口蒸汽的流量。

本发明同现有技术相比，充分利用了分离后二次蒸汽的热能，降低了设备的能耗，换热器的逆向换热与设计的负压和温度条件限制物料液体在加热过程产生的汽化现象(汽液分离)，大大降低或避免了换热板表面结垢可能，设备中的设备内的压力随着原料浓度的提高而提高的方法解决了常规工艺中葡萄糖酸钠在浓缩过程中极易结晶的问题。

[附图说明]

图1是本发明实施例的设备流程图；

图中：1.一效板式换热器  2、4、6、8、10均为闪蒸罐  3.二效板式换热器  5.三效板式换热器  7.四效板式换热器  9.五效板式换热器  11.外界蒸汽进口  12.原料液进口  13.真空泵  14.真空罐  15.缓存罐  16.出料管道。

[具体实施方式]

结合附图对本发明做进一步说明，这种装置的制造技术对本专业的人来说是非常清楚的。

针对需要采用热法蒸发浓缩的物料原液：有机溶液、无机溶液、葡萄糖酸钠(内酯)溶液、钢铁厂废水浓缩、果汁、乳品、发酵液、含盐废水、工业废水、毒害性废液焚烧前提浓、海水淡化等等。

通常原物料液体中溶质含量较少，通过蒸发取出水分达到浓缩提取高的浓度溶质液体目的，或反之从溶液中分离出溶质而获取所需的蒸馏水。

工艺流程：

每一组装置均处在密闭的负压***条件下，绝对压力在0.005Mpa～0.06MPa之间，控制自第一组至第五组设备真空度呈梯度升高而蒸发温度则呈梯度下降，控制液位高度在闪蒸罐自罐底总高300～600mm处。其中：

原料液体流程：

稀的原料料液由外部输入——进入五效板式换热器——五效闪蒸罐——循环泵——四效板式换热器——四效闪蒸罐——循环泵——三效板式换热器——三效闪蒸罐——循环泵——二效板式换热器——二效闪蒸罐——循环泵——一效板式换热器——一效闪蒸罐——输出泵——输出——成品物料输出

加热蒸汽流程：

生蒸汽(锅炉蒸汽)——进入第一效板式换热器——进入第一效闪蒸罐生成二次蒸汽——进入第二效板式换热器——进入第二效闪蒸罐生成二次蒸汽——进入第三效板式换热器——进入第三效闪蒸罐生成二次蒸汽——进入第四效板式换热器——进入第四效闪蒸罐生成二次蒸汽——进入第五效板式换热器——进入第五效闪蒸罐生成二次蒸汽——进入板式冷凝器冷却生成冷凝水——进入第真空平衡罐——冷凝水泵——排出。

实施例1：

葡萄糖酸钠原液浓缩：氧化法生成的母液进入本机组第五效时温度45摄氏度、波美度16，第五效单元真空绝对压力0.0123MPa，蒸发温度50摄氏度；经过蒸发脱水后进入第四效蒸发单元时母液温度为50摄氏度、波美度提高到约18～19，第四效单元真空绝对压力0.018MPa，蒸发温度57摄氏度；经过蒸发脱水后进入第三效蒸发单元时母液温度为57摄氏度、波美度提高到约21，第三效单元真空绝对压力0.024MPa，蒸发温度64摄氏度；经过蒸发脱水后进入第二效蒸发单元时母液温度为64摄氏度、波美度提高到约24，第二效单元真空绝对压力0.033MPa，蒸发温度72摄氏度；经过蒸发脱水后进入第一效蒸发单元时母液温度为72摄氏度、波美度提高到约27，第一效单元真空绝对压力0.047，蒸发温度80摄氏度；第一效真空分离出的母液波美度提高到约30，温度80摄氏度，浓度约在80％，达到了成品液的参数由排液泵输出。

实施例2：

葡萄糖内酯原液浓缩：发酵法生成的母液进入本机组时原始浓度约17％，温度约为30～35摄氏度，经如串联的板式冷凝器、冷凝水换热器加热后温度提升至月40摄氏度进入第五效，第五效单元真空绝对压力控制在0.01MPa，蒸发温度46摄氏度；经过蒸发脱水后进入第四效蒸发单元时母液温度为46摄氏度，第四效单元真空绝对压力0.015MPa，蒸发温度53摄氏度；经过蒸发脱水后进入第三效蒸发单元时母液温度为53摄氏度，第三效单元真空绝对压力0.02MPa，蒸发温度60摄氏度；经过蒸发脱水后进入第二效蒸发单元时母液温度为60摄氏度，第二效单元真空绝对压力0.03MPa，蒸发温度69摄氏度；经过蒸发脱水后进入第一效蒸发单元时母液温度为69摄氏度，第一效单元真空绝对压力0.04，蒸发温度75摄氏度；第一效真空分离出的母液浓度提高到约70～80％，温度75摄氏度，达到了成品液的参数由排液泵输出。

要点：

(1)板式换热器流程采取升膜逆流式，传热系数更高，温度场分布均匀，布液均匀，不会出现干板现象。板式换热器换热通道最佳长径比为156～170之间。

(2)经过许多次试验优化后选择的换热板技术参数为：人字形波纹状，夹角130度，深度3.85mm，法向节距12.6mm，加热板面有效加热长度1200mm，材质为不锈钢的316L，蒸汽角孔直径200mm。

(3)板式换热器二次蒸汽出口直径200mm，装有蝶阀作为节流阀用途，调节原料液受热过程与二次蒸汽出口的压力差，控制原料液在加热过程的压力，使之不出现因为汽化而产生溶质析出现象，避免出现因溶质着床换热板表面而形成结垢导致换热效率下降乃至设备失效的不良后果。

(4)板式换热器母液出口管与闪蒸罐采取水平联接，进入闪蒸罐高度为自罐底部向上为罐体总高三分之一位置，沿罐体外园切线进入。上部空间保证汽液分离所需的足够有效容积，并在顶部出气口设置了格栅式液沫捕集器，下部存液高度通过液位传感器自动应控制在300～600mm。

(5)原料液与加热源逆流除了提高了传热效率等优点外，由于原料液随着浓度的提高温度也相应提高工艺方法解决了常规工艺中葡萄糖酸钠在浓缩过程极易结晶的难题。

加热蒸汽工艺过程：饱和蒸汽(锅炉产生)温度105～110摄氏度作为热源进入第一效板式换热器加热母液经由闪蒸罐生成二次蒸汽温度约80摄氏度作为热源进入第二效蒸发单元，第二效母液被加热又生成二次蒸汽去加热第三效母液。同样的过程，依次直至第五效蒸发单元。各效的二次蒸汽温度摄氏度为：第一效80摄氏度，第二效72摄氏度，第三效64摄氏度，第四效57摄氏度，第五效50摄氏度。第五效生成的二次蒸汽进入板式冷凝器冷却为冷凝水进入真空平衡罐汇集，由冷凝水泵破真空排除***。第一效至第四效的冷凝水汇集后经由板式换热器预热原料液后进入真空平衡罐由冷凝水泵排出。

原理：

本装置所有的加热、蒸发、冷凝工艺过程均在闭合的***条件下进行的，导致影响工艺操作的真空波动是不允许的，设计和制造时也充分考虑到这些问题了。

需要浓缩的原料液体由外部通过管道进入本机组的第五效加热器(板式换热器)，物料液体自底部接管进入加热器，被另一侧热源蒸汽间接加热后会以升膜的形式在加热板片之间通道内高速的自下而上流动，流动液体的推动力来自于液体被加热后由温差所产生的升力，在换热器流道内原料液体吸收足够的热能后瞬间脱离加热器以液态形式进入第五效闪蒸罐在重力的作用下分离为两相流体(闪蒸罐内绝对压力小于加热器流道内的压力)，上升的为水蒸气组分(第五效是本机组最后一效水蒸气不再进入下一效作为热源，而其他各效则进入下一效的加热器)进入板式换热器冷凝成水汇进入真空平衡罐有下设的冷凝水泵连续输出。第五效闪蒸罐分离沉降的物料液体经由下部设置的循环泵输往第四效加热器的下部入口自下而上的被加热，物料液体在加热器被加热后升膜进入第四效闪蒸罐分离为两相流体(罐内与加热器存在压差)，同样水蒸气组分脱离罐体进入下一效加热器(第五效)作为热源去加热该效加热器中另一侧的物料。同理，其它各效之间的过程水其本如此。各效蒸气在传递出能量后也降低了自身的温度而相变成冷凝水经各效加热器热侧的下部冷凝水管道输出，各加热器冷水输出管道在负压的状态(真空度由真空泵***产生的)下联接汇总管进入真空平衡罐后回收利用。而进入闪蒸罐的重相为液体下降沉淀的为高于后一级浓度的物料液体再进入上一级加热器接受加热。作为加热热源的蒸汽由前一效向后一效流动，物料液则由后一效向前一效流动，各效连续的且恒定量的重复以上的过程。由于在加热器中预设定了压力和温度工艺条件，所以控制了物料液体在加热过程产生出现汽化现象(汽液分离)，同时选择换热器波纹板结构参数有利于表面自清作用，所以大大降低或避免了换热板表面结垢可能。第一效加热器的热源来自外部蒸汽或其他热源，而其它各效加热器的热源是由前一级闪蒸罐的分离出的水蒸气所提供的，如此实现了一次热源被多次利用达到了节能的目的。理论上N效所消耗的热能为1/N，按照本发明的设计可以做到5～10效及以上，效数越多越节能，而在相同的物料和工艺条件下《多效壳管》等能做到3效也是有难度的，如此仅按照效数理论推定，本发明效率较以前的方法提高了几倍。。最后一效分离产生的水蒸气进入板式冷凝器冷凝成液体回收。热源蒸汽自前效向后一效过程，物料液体则是由后一效向前一效推进。

***的真空度由水环真空泵预先生成，在已经生成的密闭***内各效开始运行，工作时的真空度则由各效换热器对前一效加热蒸汽冷凝时所抱持的，真空度的控制确定蒸发温度的稳定，同时确保闪蒸罐汽液分立的彻底性。

通过各效闪分离蒸罐下部物料液位自动控制***，可保证各效加热器的均衡加热进而保证各效蒸发量的平衡分配。

五效板式升膜逆流闪蒸发真空成套装置：针对葡萄糖酸钠、葡萄糖酸内酯稀液体浓缩工艺要求而设计制造的，5五效板式升膜逆流闪蒸真空工艺的通过在食品化工浓缩车间的运行，每小时蒸发水量为5吨，消耗蒸汽约1.1吨，能效比为1∶4.5，而同样目的的原有设备只能做到2～3效，蒸发5吨水需消耗蒸汽3吨，该台机组每小时节约蒸汽约2吨，产成品质量达标且稳定，节能节水效果显著，减少约2/3～3/4热污染排放量。

Claims (7)

1.一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，包括板式换热器结构、闪蒸罐结构，其特征在于包括五组串联的板式升膜逆流蒸发装置，每组板式升膜逆流蒸发装置包括一个板式换热器、一个闪蒸罐、一个泵，板式换热器的介质通道出口与闪蒸罐的进口间连接管道，板式换热器的蒸汽通道出口连接蒸汽出口管道，

第二组至第五组：闪蒸罐底部的出口与泵进口间连接管道、泵出口与上一组的板式换热器介质通道进口间连接管道，蒸汽出口管道汇总后与真空罐进口间连接蒸汽出口管道，真空罐出口与真空泵进口间连接管道；

第一组至第四组：闪蒸罐的罐顶出口与其下一组的板式换热器蒸汽通道进口间连接管道；

第一组：板式换热器的蒸汽通道进口与外界的蒸汽管道连接，闪蒸罐的底部出口连接出料管道；

第五组：闪蒸罐的罐顶出口与板式冷凝器进口间连接蒸汽出口管道，板式冷凝器出口与真空罐进口间连接管道，所述的原料液的进料管道与板式换热器的介质通道进口连接；

第一组中的板式换热器是一效板式换热器，第二组中的板式换热器是二效板式换热器，第三组中的板式换热器是三效板式换热器，第四组中的板式换热器是四效板式换热器，第五组中的板式换热器是五效板式换热器；

所述的板式换热器换热通道长径比为156～170，换热板为人字形波纹板、波纹夹角30°、波纹深度3.85mm、法向节距12.6mm，有效加热强度1200mm、蒸汽角孔直径200mm，蒸汽出口直径为200mm；

所述的闪蒸罐，进口在罐体自罐底总高的三分之一处，在罐体内顶部设置隔栅式液沫捕捉器，罐体内底部设有液位传感器，所述液位传感器监测液位高度控制在在罐体自罐底总高300～600mm处；

所述多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置的升膜逆流蒸发浓缩方法为：该方法中的每一组装置均处在密闭的负压***条件下，绝对压力在0.005Mpa～0.06MPa之间，控制自第一组至第五组设备真空度呈梯度升高而蒸发温度则呈梯度下降，控制液位高度在闪蒸罐自罐底总高300～600mm处，原料经过五效板式换热器换热，然后再经过闪蒸分离器与溶剂进行分离，经过分离的原料进入四效板式换热器，如上述方法逐级换热蒸发浓缩直至第一组闪蒸罐，每次经过板式换热器温度升高2～9℃，从第一组的闪蒸罐底部出口生产出浓缩液；换热用的蒸汽走向与原料走向相反，一效换热器的热量来自外界蒸汽，原料经过蒸汽加热后闪蒸分离，蒸汽从闪蒸罐顶部进入二效板式换热器与原料换热，如此逐级换热直到第五组的闪蒸罐，经过换热的第一组至第四组蒸汽和第五组闪蒸罐顶部出口的蒸汽进入真空罐，真空罐连接真空泵抽真空。

2.如权利要求1所述的一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于所述的外界蒸汽管道与一效板式换热器间串联换热器，所述的第五组闪蒸罐连接的蒸汽出口管道上串联换热器。

3.如权利要求1所述的一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于所述的进料管道与五效板式换热器间串联一个或多个换热器，换热器的蒸汽通道与所述的第一组至第五组的一根或多根蒸汽出口管道串联连接。

4.如权利要求1所述的一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于所述的出料管道上串联缓存罐，缓存罐底部出口连接泵。

5.如权利要求1～4中任一所述的多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于在所述的管道上设置阀门、温度仪表、压力仪表中的一个或多个。

6.如权利要求1所述的一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于所述的升膜逆流蒸发浓缩方法中通过在管道中加设蝶阀来解决因为汽化产生的溶质析出现象。

7.如权利要求1所述的一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置，其特征在于所述的进料的初始温度为45℃，低于45℃的采用电加热预热至45℃。

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