CN104069643A - 一种气体循环蒸发方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种气体循环蒸发装置和装置，以有效降低蒸发能源消耗量，并提高蒸发***运行的稳定性和可靠性。该装置包括：第一蒸发器，连接流体物料进料管路、高沸点出料管路；第一冷凝器，连接低沸点出料管路；第二蒸发器和第二冷凝器，两者间连接升压升温管路和压缩循环介质管路，第二蒸发器连接外热源介质输入管路、外热源介质输出管路；循环气体管路，依序连接第一蒸发器、第一冷凝器、第二冷凝器至第一蒸发器形成回路；内热源介质回路，连接第二蒸发器和第一冷凝器。

Description

一种气体循环蒸发方法和装置

技术领域

本发明涉及流体物料的蒸发方法和装置。

背景技术

对于蒸发技术，传统的单效、双效、三效、四效的理论蒸汽耗约1.10、0.57、0.40、0.30吨蒸汽/吨水，对应的吨水处理蒸汽成本约242元、125元、88元、66元(按照商业蒸汽成本220元/吨蒸汽计)。若考虑循环冷却水、循环电机消耗以及蒸发器结垢导致的热效率下降问题，上述蒸发技术实际能耗和运行成本远超上述理论水平。为解决蒸发技术能耗较高问题，近几年来，蒸发技术方面的专利日趋增多。目前蒸发技术的发展主要从低温废热源利用(如CN103265091A)、蒸发***自身低温余热利用(如CN102060408B、CN101784481B、CN102757105A)、降低蒸发***换热器结垢(如CN202909470U、CN103265091A)三方面进行。

CN102060408B、CN101784481B通过机械蒸汽再压缩技术(MVR)在蒸发室进行气液(固)分离后，对蒸汽进行再次压缩提高蒸汽温度和压力后再次循环利用。通过该方式，节能效果显著。但在上述方案实施过程中均存在蒸发母液强制循环状况，蒸发母液中有机物、钙镁离子等质量浓度随着蒸发过程的进行逐步提高，并最终导致强制循环加热室(管)结垢严重，导致严重的传热效率下降问题和运行成本飙升问题，更为严重的是可能因结垢堵塞问题引起蒸发***检修频繁，蒸发***运行的稳定性和流畅性较差。同时，由于机械蒸汽再压缩提高了二次蒸汽温度和压力，不适用于热敏性物质回收。

CN202909470U提出一种利用新增加热介质隔离加热方式，通过气体(空气、氮气、二氧化碳)吹脱方式进行废水蒸发浓缩。因该方案未提及利用低温热源问题，需单独增加加热介质加热，运行成本相对较高。同时，因为蒸发之后的废气直接外排环境空气，有潜在的环境空气污染问题，也存在水资源浪费问题。

CN103265091A提出一种利用低温热源(公用工程废气、工艺废气、环境空气、循环冷却水、蒸汽冷凝水等)以气体加热吹脱污水方式进行蒸发浓缩，对出该体系含水气体通过尾气处理***处理后以废气方式达标排放。该方案因为充分利用了设施周边提供低温废热源，实施过程中运行成本相对较低。但该方案将废水转化为废气进行处理，存在一定的水资源浪费。该专利方案也不适用于回收挥发蒸发中高价值成分。

CN102757105A提出采用空调热泵***，实施蒸发冷凝交替循环运行，实现高浓度废水废液中的固液分离。虽然该方案实施温度较低，结垢相对其他蒸发***较低。但空调热泵***和进水预热***通过废水(液)强制循环进行换热，随着蒸发过程的进行，废水(液)中有机物、钙镁离子等质量浓度逐步增加，导致换热器极易结垢和堵塞，***热效率和稳定性大幅下降。由于热交换采用液液方式，参与循环的气体温度较低，传质效率较低，蒸发室底部固体物料含水率较高。同时，该专利方案也未考虑低温废热利用问题。

综上所述，影响蒸发技术发展的关键是要开发出同时满足高(低)温热源回收利用和几无结垢可能的换热方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种气体循环蒸发装置，以有效降低蒸发能源消耗量，并提高蒸发***运行的稳定性和可靠性。

本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的气体循环蒸发装置，其特征是它包括：第一蒸发器，连接流体物料进料管路、高沸点出料管路；第一冷凝器，连接低沸点出料管路；第二蒸发器和第二冷凝器，两者间连接升压升温管路和压缩循环介质管路，第二蒸发器连接外热源介质输入管路、外热源介质输出管路；循环气体管路，依序连接第一蒸发器、第一冷凝器、第二冷凝器至第一蒸发器形成回路；内热源介质回路，连接第二蒸发器和第一冷凝器。

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用以上气体循环蒸发装置的气体循环蒸发方法。该方法包括如下步骤：①将沸点差不低于5℃的混合原料经流体物料进料管路投入第一蒸发器，高沸点成分经高沸点出料管路送出，分离的低沸点成分与循环气体接触传质并以气态形式进入循环气体内，经循环气体管路进入第一冷凝器；②含低沸点成分的混合循环气体在第一冷凝器冷凝，低沸点成分以液态形式与循环气体分离，经低沸点出料管路送出；③分离低沸点成分的循环气体经循环气体管路进入第二冷凝器，吸收来自第二蒸发器外源热介质、第一冷凝器内源热介质的热量后，循环气体温度再次上升；④升温之后的循环气体再次进入第一蒸发器进行循环蒸发。

本发明的有益效果是，通过内外热源的充分利用节约蒸发能源消耗相比传统方法节能50％以上；以几无结垢可能的气体循环方式提高蒸发***运行的稳定性和可靠性，相比现有的机械蒸汽再压缩技术(MVR)、多效强制循环蒸发器、降膜蒸发器稳定运行时间提高3倍以上；可在不需要真空介入的情况下回收热敏性低沸点物质，既降低了真空***的投入也降低了设备整体耐压(真空)的投入；大幅度下降了高沸点物质中低沸点物质的量，低沸点成分回收率可提高2％以上，并有效实现废物减量，废物减量可达40％以上。

附图说明

本说明书包括如下一幅附图：

图1是本发明气体循环蒸发装置的组成示意图；

图中设备及所对应的标记：第一蒸发器10、流体物料进料管路11、高沸点出料管路12、循环气体管路13；第二蒸发器20、内热源介质管路21、外热源介质输入管路22、外热源介质输出管路23；第一冷凝器30、低沸点出料管路31、内热源介质管路21；第二冷凝器40、升压升温管路41、压缩机42、压缩循环介质管路43、节流阀44。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明的气体循环蒸发装置包括：第一蒸发器10，连接流体物料进料管路11、高沸点出料管路12；第一冷凝器30，连接低沸点出料管路31；第二蒸发器20和第二冷凝器40，两者间连接升压升温管路41和压缩循环介质管路43，第二蒸发器20连接外热源介质输入管路22、外热源介质输出管路23；循环气体管路13，依序连接第一蒸发器10、第一冷凝器30、第二冷凝器40至第一蒸发器10形成回路；内热源介质回路21，连接第二蒸发器20和第一冷凝器30。

所述第一蒸发器10、第二蒸发器20各由1个蒸发器单元构成，或者各由至少两个相串联或者相并联的蒸发器单元构成。所述第一冷凝器30、第二冷凝器40各由1个冷凝器单元构成，或者各由至少两个相串联或者相并联的冷凝器单元构成。参照图1，所述升压升温管路41上设置有压缩机42，所述压缩循环介质管路43上设置有节流阀44。

参照图1，本发明的气体循环蒸发方法，包括如下步骤：

①将沸点差不低于5℃的混合原料经流体物料进料管路11投入第一蒸发器10，高沸点成分经高沸点出料管路12送出，分离的低沸点成分与循环气体接触传质并以气态形式进入循环气体内，经循环气体管路13进入第一冷凝器30。

②含低沸点成分的混合循环气体在第一冷凝器30冷凝，低沸点成分以液态形式与循环气体分离，经低沸点出料管路31送出；

③分离低沸点成分的循环气体经循环气体管路13进入第二冷凝器40，通过压缩循环介质吸收来自第二蒸发器20外源热介质、第一冷凝器10内源热介质的热量后，循环气体温度再次上升。

④升温之后的循环气体再次进入第一蒸发器10进行循环蒸发。

混合原料进入第一蒸发器10后，循环气体与混合原料在第一蒸发器10进行直接气液混合热交换和传质，低沸点物质进入循环气体，循环气体中低沸点物质含量增加。在第一蒸发器内，高沸点成分与低沸点成分进行气液(固)分离，高沸点成分进入第一蒸发器10底部出料，含低沸点成分的混合循环气体进入第一蒸发室器10顶部后经循环气体管路13进入第一冷凝器30。

在第一冷凝器30内，含低沸点成分循环气体与内热源介质进行换热后，低沸点成分逐步冷凝，循环气体中低沸点成分逐步下降。循环气体中低沸点成分冷凝后，低沸点成分进入第一冷凝器30底部出料，分离低沸点成分的循环气体经循环气体管路13进入第二冷凝器40。

在第二冷凝器40内，低温循环气体与压缩循环介质进行换热升温，接着进入第一蒸发器内再次与进料(混合原料)进行直接气液混合热交换和传质，进入下一进料蒸发冷凝循环。

在第二蒸发器20内，来自第一冷凝器的内源热介质与来自***外的外源热介质进行换热。第二蒸发器内压缩循环介质因蒸发吸收内源热介质、外源热介质热量。接着压缩循环介质在压缩机作用下，进行升压升温。在第二冷凝器内部，循环气体与高温高压压缩循环介质进行换热。部分热量转移至循环气体的压缩循环介质接着在节流阀作用下进入第二蒸发器蒸发吸热。上述压缩循环介质循环的目的在于实现外源热介质(公用工程废气、工艺废气、环境空气、循环冷却水、蒸汽冷凝水、污水、地表水、深井水、地热等的一种或若干种组合)、内源热介质(在第一冷凝器内的低沸点物质冷凝热)的热量通过压缩循环介质转移循环气体，以利于蒸发的顺利进行。

易结垢的物质(高沸点有机物或无机盐，结垢和堵塞程度随着质量浓度的增加而增加)在第一蒸发器(大容积空间)内进行气液直接混合热交换和传质，不会出现换热器结垢或堵塞问题，传热(质)效率及蒸发***运行可靠性大幅增加。

通过外源热介质、内源热介质热量通过压缩循环介质转移至循环气体，蒸发***所需能耗大幅下降。

所述步骤②中含低沸点成分的混合循环气体在第一冷凝器30冷凝降温不低于2℃。

所述步骤③中分离低沸点成分的循环气体在第二冷凝器40吸热温升不低于2℃。外源热介质来自公用工程废气、工艺废气、环境空气、循环冷却水、蒸汽冷凝水、污水、地表水、深井水或地热的一种或若干组合，温度范围为5～1200℃。内源热介质的温度范围为-150～65℃。压缩循环介质标况下沸点低于250℃。

实施案1：

某精细化工产品母液有机物含量1～2％、无机盐含量8～12％，该废水(液)属于国家危险废物，具有难降解、有毒、不可生化、高浓度有机物、高浓度氨氮、高浓度含盐量等特征。

采用专利CN101784481B的技术方案，在1m³/h处理规模时，预热废水温度至65±5℃(后续不再加热)，采用列管式强制循环换热器，启动初期运行总功率约90Kw，运行2天后强制循环换热器出现结垢现象，压缩机运行功率飙升至110Kw，运行7天后运行功率飙升至176Kw，检修发现出现个别加热列管堵塞现象。最终高沸点物质产生量(固液混合态)为0.63t/h、低沸点物质产生量为0.27t/h(液态)。

采用专利CN102757105A的技术方案，在1m³/h处理规模时，预热废水温度至65±5℃(后续不再加热)，运行初期运行总功率约56Kw，运行9天后，运行功率随着预热器(进水与空调热泵***液液换热)的结垢上升至82Kw，运行21天后预热器堵塞严重，运行总功率飙升至192Kw。经清洗预热器后，大约在后续不到15天运行周期内，再次出现预热器堵塞现象，最终彻底放弃该方案。最终高沸点物质产生量(固液混合态)为0.5t/h、低沸点物质产生量为0.5t/h(液态)。

采用本申请的技术方案(第一蒸发器单元1个、第一冷凝器单元1个、第二冷凝器单元4个、第二蒸发器单元1个、压缩机单元1个)，废水保持常温(30±5℃)进料，外源热介质采用环境空气(22～32℃)、内源热介质温度为5～12℃、循环的气体为空气，稳定运行30天未出现结垢现象，运行总功率始终在28～34Kw之间，继续稳定运行180天后运行总功率仍在上述波动范围内。循环气体在第一冷凝器单元温度从55±2℃降温至8±2℃。在第二冷凝器单元从7±2℃升温至79±2℃。最终高沸点物质(标况下，沸点高于105℃，干燥脱水后混合物溶点789℃)产生量为0.23t/h(固体块状)、低沸点物质(标况下，沸点100℃)产生量为0.77t/h(液态)。

采用本申请的技术方案在运行稳定性和蒸发浓缩程度方面均大幅优于与之对比的技术方案。

实施例2：

某精细化工污水生化处理污泥日产生量约20吨/天(含水率约99％)。由于生化污泥属于国家危险废物，需企业脱水后送入焚烧站处理。考虑到脱水的生化污泥具有难降解、有毒特征(生化污泥吸附高活性有机化合物)，并进一步考虑到送入焚烧站的污泥含水率对焚烧成本高度相关，最终选择本申请的技术方案(第一蒸发器单元1个、第一冷凝器单元2个、第二冷凝器单元1个、第二蒸发器单元2个、压缩机单元1个)脱水后送入焚烧站处理。循环气体采用环境空气、外源热介质采用焚烧站急冷水(温度约60～70℃，在1s以内将烟气从1200℃急冷至200℃)、内源热介质温度约-15～5℃，整个***稳定运行180天，运行成本(仅污泥脱水)始终维持在10Kwh/m³污泥(污泥含水率约99％)以内、经脱水后的污泥含水率(取样位置第一蒸发器底部)约45～48％。循环气体在第一冷凝器单元温度从65±2℃降温至0±2℃。在第二冷凝器单元从0±2℃升温至70±2℃。最终高沸点物质(标况下，沸点高于105℃，干燥脱水后混合物燃点347℃)产生量约0.36t/d(固体块状)，低沸点物质(标况下，沸点100℃)产生量为19.64t/d(液态)。

实施例3：

某化工产品通过乙醇萃取后，需分离乙醇、产品，其产生量约40吨/天。常见的措施采用减压蒸馏，处理成本约180元/吨醇。采用本申请的技术方案(第一蒸发器单元1个、第一冷凝器单元4个、第二冷凝器单元1个、第二蒸发器单元2个、压缩机单元2个)，循环气体为氮气(目的是防爆)、外源热介质为厂区蒸汽冷凝水(40～50℃)、内源热介质温度为-15～-5℃，循环气体在第一冷凝器单元温度从45±2℃降温至-10±2℃。在第二冷凝器单元从-10±2℃升温至68±2℃，最终分离成本为53Kwh/吨乙醇，乙醇后续通过脱水至500ppm以内后继续循环使用、分离乙醇后的产品乙醇含量低于3‰。最终高沸点物质(标况下，沸点181℃)产生量约13.3t/d(固体粉末)，低沸点物质(标况下，沸点78℃)产生量为26.7t/d(液态)。

Claims (10)

1.一种气体循环蒸发装置，其特征是它包括：第一蒸发器(10)，连接流体物料进料管路(11)、高沸点出料管路(12)；第一冷凝器(30)，连接低沸点出料管路(31)；第二蒸发器(20)和第二冷凝器(40)，两者间连接升压升温管路(41)和压缩循环介质管路(43)，第二蒸发器(20)连接外热源介质输入管路(22)、外热源介质输出管路(23)；循环气体管路(13)，依序连接第一蒸发器(10)、第一冷凝器(30)、第二冷凝器(40)至第一蒸发器(10)形成回路；内热源介质回路(21)，连接第二蒸发器(20)和第一冷凝器(30)。

2.如权利要求1所述的一种气体循环蒸发装置，其特征是：所述第一蒸发器(10)、第二蒸发器(20)各由1个蒸发器单元构成，或者各由至少两个相串联或者相并联的蒸发器单元构成。

3.如权利要求1所述的一种气体循环蒸发装置，其特征是：所述第一冷凝器(30)、第二冷凝器(40)各由1个冷凝器单元构成，或者各由至少两个相串联或者相并联的冷凝器单元构成。

4.如权利要求1所述的一种气体循环蒸发装置，其特征是：所述升压升温管路(41)上设置有压缩机(42)，所述压缩循环介质管路(43)上设置有节流阀(44)。

5.采用如权利要求1至4任意一项所述气体循环蒸发装置的气体循环蒸发方法，包括如下步骤：

①将沸点差不低于5℃的混合原料经流体物料进料管路(11)投入第一蒸发器(10)，高沸点成分经高沸点出料管路(12)送出，分离的低沸点成分与循环气体接触传质并以气态形式进入循环气体内，经循环气体管路(13)进入第一冷凝器(30)；

②含低沸点成分的混合循环气体在第一冷凝器(30)冷凝，低沸点成分以液态形式与循环气体分离，经低沸点出料管路(31)送出；

③分离低沸点成分的循环气体经循环气体管路(13)进入第二冷凝器(40)，通过压缩循环介质吸收来自第二蒸发器(20)外源热介质、第一冷凝器(10)内源热介质的热量后，循环气体温度再次上升；

④升温之后的循环气体再次进入第一蒸发器(10)进行循环蒸发。

6.如权利要求5所述的气体循环蒸发方法，其特征是：所述步骤②中含低沸点成分的混合循环气体在第一冷凝器(30)冷凝降温不低于2℃。

7.如权利要求5所述的气体循环蒸发方法，其特征是：所述步骤③中分离低沸点成分的循环气体在第二冷凝器(40)吸热温升不低于2℃。

8.如权利要求5所述的气体循环蒸发方法，其特征是：所述步骤③外源热介质来自公用工程废气、工艺废气、环境空气、循环冷却水、蒸汽冷凝水、污水、地表水、深井水或地热的一种或若干组合，温度范围为5～1200℃。

9.如权利要求5所述的气体循环蒸发方法，其特征是：所述步骤③中内源热介质的温度范围为-150～65℃。

10.如权利要求5所述的气体循环蒸发方法，其特征是：所述步骤③中压缩循环介质标况下沸点低于250℃。