CN102527070A - 一种自由能热泵多效蒸发装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于节能环保技术领域，涉及热泵与多效蒸发***集成的自由能热泵多效蒸发装置及工艺。主要包括热泵和与热泵集成的多效蒸发***,，热泵为中高温热泵，通过供电***驱动；多效蒸发***包括由工艺管线依次联通的立式换热器、多效分离器和蒸发器、冷凝器、换热器、输送泵及真空泵；中高温热泵通过工艺管线与立式换热器和冷凝器联通。采用了热泵的运行，有机地把冷源与热源利用起来，可以在一效或二效工作下达到节能目的，减少工作效数，有利于简化设备装置及减少固定资产投资。可在没有蒸汽情况下工作，也可减少蒸汽管线的铺设，同时还减少了循环冷却水***，减少了余热排放。
Description
技术领域
本发明属于节能环保技术领域，具体涉及一种热泵与多效蒸发***集成的自由能热泵多效蒸发装置及工艺。
背景技术
目前的溶液中溶剂与溶质分离或溶液浓缩主要采用膜分离与蒸发等方法。膜分离由于能耗低等优点而广泛采用，但同时对溶液SDI指数要求高，渗透压限定在一定范围，不能无限制浓缩，在很多情况下使用受到限制，需要采用蒸发方式。而蒸发能耗高，因此人们已发明了多种形式的节能蒸发方式，如多效降膜蒸发设备，目前已广泛应用于废水、氯化铵、硫酸钠、氯化钠、淀粉糖工业等工业领域的蒸发过程中。
根据多效蒸发的特点，需要加入蒸汽，同时通过二次及多次蒸汽的再蒸发来节省能源，最后的中低温余热排到外界。
根据热泵的工作特点，可以把中低温的余热转变为相对高的中高热，同时能效较高，其COP值可达3-5，这样就能进一步节约能源。因此，取消蒸汽加热，就能把多效蒸发与热泵技术相结合，冷热互补，互为冷热源泉，进一步减少能耗，同时简化设备结构，节约固定资产投资，取得事半功倍的效果。
多效蒸发方面专利比较多，一般多是采用蒸汽作热源，或利用蒸汽，一部分供热，另一部分作热泵射流来工作的。反过来说，水源高温热泵机组的发明也比较多，如CN101464057A、CN1171052C，但用在多效蒸发方面尚未见文献公开。
发明内容
本发明的目的就是把多效蒸发与热泵技术有机地结合起来，而提出的一种节能、高效、省投资的自由能热泵多效蒸发装置及工艺。
本发明的设计思想是提供一种不需外加热源，只需用一定量的电能驱动热泵来工作的热泵多效蒸发装置，称之为自由能热泵多效蒸发装置。
本发明自由能热泵多效蒸发装置的技术方案：主要包括热泵和与热泵集成的多效蒸发***。
一般地，本发明的装置，热泵为中高温热泵，通过供电***驱动；多效蒸发***包括由工艺管线依次联通的立式换热器、多效分离器和蒸发器、冷凝器、换热器、输送泵及真空泵；中高温热泵通过工艺管线与立式换热器和冷凝器联通。
所述的多效分离器和蒸发器一般包括一效分离器、二效蒸发器及二效分离器；亦可视工况需要再加三效、四效。
所述的装置还包括PLC控制***，所有主体设备集成为一个整体，组成本发明的装置。
上述中高温热泵工作在合适的温度范围，使之有高能效比，并利用不同温度下，液体的饱和蒸汽压差，来保证蒸发的顺利进行。热泵的热源利用蒸发后的冷凝器来采集完成，使***的热能能有效地循环使用。
上述的立式换热器的热源采用高进低出，热水从高处进，低端出，需蒸发的溶液从低端进，高端出，形成连续的对流热交换。
上述的一效分离器与二效分离器可根据相应的溶剂、溶质参数来确定参数及工作温度，一般一、二效间应有一定的温度梯度。另外是否需二效或多效由溶剂、溶质特征及热泵特性（工作温度范围、热效率）来确定。
上述的真空泵主要用来抽取不可冷凝气体。
上述装置所有发热设备都有保温设施。
本发明自由能热泵多效蒸发工艺，主要用于污水处理，工艺路线是：污水由输送泵送入冷凝器，利用反应末端蒸汽余热交换给污水预热，出水自流进入换热器，换热器把中温凝结水及浓盐水中的余热部分交换给污水预热，污水预热以后进入立式换热器中，由热泵输出的热水把废水加热到80-85℃后进入一效分离器，由一效分离器进行汽、水分离，再分别进入二效蒸发器进行热交换，水进管程，二次蒸汽走壳程，用二次蒸汽把废水再加热后进入二效分离器，二效分离器分离后的残液，余热效给给进水后外排，最后的二次蒸汽全部进入冷凝器进行冷凝，冷凝用热泵的冷端冷水进行冷却。二效蒸发器、冷凝器中冷凝液由负压输送至末端冷凝器后由凝结水排放口排出，二效分离器中浓液经送至换热器经过换热后，由浓液排放口收集排放。
本发明相对现有技术具有以下优点：
本发明装置不需要外供蒸汽，可以节约大量能源与费用。举例计算如下：
以目前我国南方一般蒸汽（常用170℃，蒸汽压7kg-8kg）单价200-220元/吨计算，1吨蒸汽能产生的热能Q1=2050000千焦耳（查文献）
1度电能产生的热量Q2=1000*3600=3600千焦耳
热泵在特定优化的温区内工作，可以使能效比COP=3-5（取4.0）
这样产生同样热量的热泵需用电量2050000/3600*4=126.54度
按每度工业用电0.8元，计101.2元
通过以上计算可节省一半左右的能源费用。节能降耗的经济优越性明显。
由于采用了热泵的运行，有机地把冷源与热源都利用了起来，同时，把余热合理起来，可以在一效或二效工作下达到节能目的，减少工作效数，有利于简化设备装置及减少固定资产投资。
本发明装置可在没有蒸汽情况下工作，也可减少蒸汽管线的铺设，同时还减少了循环冷却水***，减少了余热排放。
附图说明
图1为本发明装置及工艺路线示意图。
图中，1-中高温热泵；2-立式换热器；3-一效分离器；4-二效蒸发器；5-二效分离器；6-冷凝器Ⅰ；7-冷凝器Ⅱ；8-换热器；9、10、11-输送泵；12-真空泵；13-PLC控制***；14、15、16-疏水器；17、18、19、20-阀门；21-凝结水泵；22-废液入口；23-凝结水排放口；24-浓液排放口；25-排气口（不凝气）。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明加以详细描述。
实施例：本实施例装置如附图1所示，主要包括中高温热泵1和与中高温热泵1集成的多效蒸发***。
实施例中，中高温热泵1通过供电***驱动；多效蒸发***主要包括由工艺管线依次联通的立式换热器2、一效分离器3、二效蒸发器4、二效分离器5、冷凝器Ⅰ6、冷凝器Ⅱ7、换热器8、输送泵9、10、11及真空泵12；中高温热泵1通过工艺管线与立式换热器2和冷凝器Ⅰ联通。工艺管线中有该领域所熟知的疏水器14、15、16；阀门17、18、19、20；凝结水泵21、废液入口22、凝结水排放口23、浓液排放口24、排气口（不凝气）25。
实施例装置还包括PLC控制***。
在污水处理中，经常会遇到高含盐污水和处理，由于高含盐污水中，盐含量一般大于20000PPM，对生化菌有很强的抑制作用，生化***很难运行好，因此必须先除盐，才能再采用生化处理。但同时其中的有机物及各种杂质很高，采用膜处理易使膜污堵，同时盐份再高时膜处理不能适应，因此，目前的技术只有利用多效降膜蒸发的办法把废水与盐分离开来，而在分离过程中，耗用费用最大的就是蒸汽费用。一般三效蒸发装置蒸发一吨水消耗蒸汽0.4-0.5T，处理每吨废水的蒸汽费用高达100元左右，而采用本实施例装置处理以后，处理每吨废水用于蒸发的电费可以减到50元左右。
从上表可以看出水在70-85℃时饱和蒸汽压上升的较快，因此考虑到目前热泵工作情况最好高温工作在70-85℃，低温工作在30-40℃以下就可以了，对照此要求选用市售的一种高温水源热泵，低温端水温30-40℃，高温端水温85-90℃，COP=4.0
由于运行过程中的蒸发水质为污水，所以预处理把pH调到7-8之间，管道及蒸发器、分离器均采用耐cl-离子的钛合金或特殊钢生产。
如图所示：污水由输送泵9送入冷凝器Ⅱ7，利用反应末端真气余热交换给污水预热，出水自流进入8-换热器，此换热器把中温凝结水（约45℃）及浓盐水（含盐30-40%，温度60℃）中的余热部分交换给污水预热，污水预热以后再到2-立式交换器中，由1-热泵输出的热水（85-90℃，上进下出）把废水加热到80-85℃时（下进上出水），靠自流进入了一效分离器3（一效分离器工作温度80℃左右，压力为了-0.6MPa左右），由一效分离器3进行汽、水分离，再分别进入二效蒸发器4进行热交换，水进管程，二次蒸汽走壳程，用二次蒸汽把废水再加热后进入二效分离器5，二效分离器5工作温度在60℃左右，压力为-0.85MPa左右（二效分离后的残液即浓盐水60℃，余热效给给进水后外排）。最后的二次蒸汽全部进入冷凝器Ⅰ6进行冷凝，冷凝用热泵的冷端冷水（30-40℃）左右来冷却。二效蒸发器4、冷凝器Ⅰ6经负压输送至冷凝器Ⅱ7后由凝结水泵21输送至凝结水排放口23；二效分离器5中浓液经输送泵11输送至换热器8经过换热后，由浓液排放口24收集排放。
整个装置高温部分均采用保温措施，从整个***热能平衡来分析，最终输入的能量（电能）在理想状态下，主要损失在
***散热
外排浓盐水及凝结水带走的热量。因此，本发明装置能最大限度地把能量利用起来，而不像蒸汽投加***，一头在加蒸汽，另一头用冷凝水在冷却。
Claims (6)
1. 一种自由能热泵多效蒸发装置，其特征在于该装置包括热泵和与热泵集成的多效蒸发***。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于热泵为中高温热泵，通过供电***驱动；多效蒸发***包括由工艺管线依次联通的立式换热器、多效分离器和蒸发器、冷凝器、换热器、输送泵及真空泵；中高温热泵通过工艺管线与立式换热器和冷凝器联通。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于多效分离器和蒸发器包括一效分离器、二效蒸发器及二效分离器。
4. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于该装置包括PLC控制***。
5. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于该装置中的发热设备均有保温设施。
6. 一种自由能热泵多效蒸发工艺，其特征是用于污水处理，工艺路线如下：污水由输送泵送入冷凝器，利用反应末端蒸汽余热交换给污水预热，出水自流进入换热器，换热器把中温凝结水及浓盐水中的余热部分交换给污水预热，污水预热以后进入立式换热器中，由热泵输出的热水把废水加热到80-85℃后进入一效分离器，由一效分离器进行汽、水分离，再分别进入二效蒸发器进行热交换，水进管程，二次蒸汽走壳程，用二次蒸汽把废水再加热后进入二效分离器，二效分离器分离后的残液，余热效给给进水后外排，最后的二次蒸汽全部进入冷凝器进行冷凝，冷凝用热泵的冷端冷水进行冷却,二效蒸发器、冷凝器中冷凝液由负压输送至末端冷凝器后由凝结水排放口排出，二效分离器中浓液经送至换热器经过换热后，由浓液排放口收集排放。
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