CN111617505A - 一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器及蒸发浓缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器及蒸发浓缩方法，包括蒸发罐、循环泵、列管换热器、颗粒循环管、料液循环管、颗粒调节阀门、导流筒、回流筒和汽液分离器。本发明从根本上解决蒸发浓缩装置生产运行中结垢难题，进而达到蒸发浓缩装置运行过程中不结垢、不污堵、保持蒸发浓缩设备高效节能运行。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备领域，具体涉及一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器及蒸发浓缩方法。
背景技术
在我国化工、冶金、食品饮料、制药等领域，蒸发设备作为一种常见的设备，应用非常广泛。蒸发浓缩装置通过热能(蒸汽、电能等)加热含溶剂物料溶液，使一部分溶剂以汽态形式蒸发掉，最终得到浓稠物料的物理过程。
蒸发浓缩设备在含有无机盐、有机盐的水溶液领域应用普遍，其最终实现的目的是实现含水物料的增浓，我国蒸发浓缩设备在实际运行中，最大的问题在于结垢，由于含水溶液中含有钙离子、镁离子、硅离子等，在蒸发浓缩设备运行中，极易在加热器表面、管路等部位形成硫酸钙、碳酸钙、不溶性硅化合物等，这些形成的污垢，进而降低蒸发浓缩设备换热效率、堵塞加热器、管路等，造成设备运行效率低下、堵塞、设备停机检修频率高等系列问题，对工业生产等损失极大。
根据我国有关科研单位的不完全统计,蒸发浓缩设备在运行中，加热器表面的污垢是逐步增加、增厚的过程，结垢形式主要硫酸钙、碳酸钙、硅化合物以及部分参杂的有机污垢等，污垢物质在蒸发浓缩设备加热设备壁面沉积，大大降低换热效率，理论上蒸发浓缩加热器表面污垢每增加1毫米厚度，加热器换热系数大概下降8％左右,同时能耗将增加9％以上，我国因为蒸发浓缩装置结垢问题导致的经济损失能耗很大，根据粗略估算，经济损失约占工业GDP的0.03％左右。
为了防止蒸发浓缩***的结垢，现有技术主要以采用化学法去除水中钙镁硅，常见的药剂是氢氧化钠、碳酸钠、镁盐等，这些药剂消耗量大、价格昂贵，软化后的溶液产生大量固体废弃物，加大了工业生产运行成本、环保成本。
综上所述，蒸发浓缩器的防结垢问题是我国化工等领域面临的难题，迫切需要找到一种能够解决该难题的装置以及技术解决方法。
发明内容
本发明的目的在于从根本上解决蒸发浓缩装置生产运行中结垢难题，进而达到蒸发浓缩装置运行过程中不结垢、不污堵、保持蒸发浓缩设备高效节能运行。
针对上述技术问题，本发明提供一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器及蒸发浓缩方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，包括蒸发罐1、循环泵2、列管换热器3、颗粒循环管4、料液循环管 5、颗粒调节阀门6、导流筒9、回流筒10、汽液分离器11和混合管12。
所述循环泵2设置在所述料液循环管5中，所述料液循环管5的一端与所述列管换热器3的底部连接的混合管12连接，另一端连接所述蒸发罐1 的底部侧壁并延伸到所述蒸发罐1内部，所述回流筒10与所述料液循环管5 延伸到所述蒸发罐1内部的管路连接并且开口向上，所述颗粒循环管4的底部与所述列管换热器3的底部混合管12侧壁连接，所述颗粒循环管4的顶部与所述蒸发罐1的底部连接，所述颗粒循环管4中设置颗粒调节阀门6，所述列管换热器3的顶部与所述蒸发罐1的底部连接并通过连接在所述列管换热器3顶部的所述导流筒9延伸到所述蒸发罐1内部，所述汽液分离器11 连接在所述蒸发罐1的顶部。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于上述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器的蒸发浓缩方法，包括：
待浓缩的物料溶液首先从外界进入料液循环管路5，通过循环泵2随着管路进入列管换热器3的底部连接混合管12，列管式换热器3的底部分别与混合管12连接，颗粒与溶液在混合管12内混合，在流体的带动下，混合管 12内形成固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，实现固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果、混合有固体颗粒的溶液一同进入列管换热器3的管程，列管换热器3壳程通入加热蒸汽，管程内形成颗粒、液体两相或颗粒、液体、汽体三相流体混合的流化状态，在管程内形成沸腾、冲击、扰动的效应，破坏加热管壁面的热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到强化传热和防止结垢的目的。
含颗粒的物料流体在列管换热器3加热管内向上流动，经加热管上端出口并在导流筒9作用下进入与列管换热器3、颗粒循环管4连接的蒸发罐1 底部，颗粒在流体力与重力沉降的作用实现固液分离，所述蒸发罐(1)的底部和上部分别为颗粒贮存区7和液固分离区8，在颗粒贮存区7中的颗粒经过颗粒循环管(4)在重力作用下向下流动，重新返回到列管换热器3底部混合管12内与物料混合，颗粒与料液混合流体在循环泵2辅助驱动下，流体向上进入列管换热器3加热管内，如此往复，实现颗粒在列管换热器3换热管内上行，在颗粒循环管4内下降的循环流动模式。
被加热后的物料溶液通过导流筒9进入蒸发罐1后，在蒸发罐1液面实现汽液分离，蒸汽通过液面上方汽液分离器11汽液分离后，由蒸汽出口排出，导流筒9起到向上引流作用，导流筒9出口溶液中颗粒在自身重力以及溶液流体力的作用下，实现固液分离，分离后的溶液折流进入回流筒10，通过料液循环管路5下行进入循环泵2，形成了循环泵2、列管换热器3、蒸发罐1、料液循环管5组成的闭路料液循环管路。
本发明的有益效果是：
通过在蒸发浓缩装置内添加颗粒，颗粒与物料溶液在蒸发换热器内流动混合，形成固相、汽相、液相的多相流化状态，含惰性固体颗粒的物料溶液在换热器加热管内形成沸腾、冲击、扰动、摩擦接触壁面的综合效应，破坏加热管壁面结垢的临界状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，达到防止结垢和强化传热的目的。
在蒸发罐内设置导流筒，将蒸发罐与列管换热器上管板直接相连，使蒸发罐具有溶剂蒸发、汽液分离、固体颗粒分离和固体颗粒贮存等多重功能，设备结构得到简化。换热器设置颗粒外循环管将固体颗粒贮存区与换热器颗粒循环管连接，固体颗粒通过竖直管依靠重力与液体一起回流至混合管，实现固体颗粒的自然循环。换热器底端设置固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化、确保固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果。在蒸发罐和换热器底端之间设置液体循环管，并安装适当的循环泵，在循环泵的辅助作用下，保证换热器管内具有足够的流速，确保固体颗粒的正常循环。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器的结构及工艺原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器的结构及工艺原理图，如图1所示，该装置包括蒸发罐1、循环泵2、列管换热器3、颗粒循环管4、料液循环管5、颗粒调节阀门6、导流筒9、回流筒10、汽液分离器11和混合管12；
所述循环泵2设置在所述料液循环管5中，所述料液循环管5的一端与所述列管换热器3的底部连接的混合管12连接，另一端连接所述蒸发罐1 的底部侧壁并延伸到所述蒸发罐1内部，所述回流筒10与所述料液循环管5 延伸到所述蒸发罐1内部的管路连接并且开口向上，所述颗粒循环管4的底部与所述列管换热器3的底部混合管12侧壁连接，所述颗粒循环管4的顶部与所述蒸发罐1的底部连接，所述颗粒循环管4中设置颗粒调节阀门6，所述列管换热器3的顶部与所述蒸发罐1的底部连接并通过连接在所述列管换热器3顶部的所述导流筒9延伸到所述蒸发罐1内部，所述汽液分离器11 连接在所述蒸发罐1的顶部。
具体的，下面分别对各个部件进行介绍：
1.蒸发罐1：
蒸发罐材质可选择碳钢、304型号不锈钢、316L不锈钢或钛材，罐体为圆筒形结构，底部与导流筒9、颗粒循环管4顶部连接，筒体中下部位开孔与料液循环管5连接，料液从回流筒10进入料液循环管5。蒸发罐1液面蒸汽进入汽液分离器11，经过汽液分离器11分离后蒸汽外出。
蒸发罐1适应不同温度的蒸发，可以在负压、常压或正压蒸发状态下运行，蒸发罐1按照压力容器的标准设计，蒸发温度不低于45℃。
2.汽液分离器11：
采用具有一定汽液分离空间的筒体结构，直径较大的液滴依靠重力沉降进行分离，直径较小的液滴通过安装在汽液分离器顶部的除沫器分离除去。除沫器可以是简易式、气流冲击时、离心式或丝网除沫器等。以丝网除沫器为例，可实现去除蒸汽中直径≥3ˉ5um的液滴雾沫，液体捕集效率达到98％-99.8％，而蒸汽通过除沫器的压力降损失在250-500Pa之间。
3.列管换热器3：
列管换热器技术成熟，工业应用广泛，主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢、钛材制作。在进行换热时，物料由封头的连结管处进入，在管内流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
列管换热器3的上管板直接与导流筒9和蒸发罐1连接。运行期间颗粒从管程下端进入，在管程内形成多相流运行状态，实现列管换热器换热效率提高10％以上，实现换热管壁清洁、不结垢、不污堵、其管内物料溶液流速达到1.5米/s以上。
4.颗粒循环管4：
颗粒循环管4可以是单根或多根竖直圆管或异形管，顶端管口与颗粒储存区域7连接，下端管口与列管式换热器3的底部连接的混合管12连接，在颗粒循环管4的底端设置颗粒调节阀用于控制和调节固体颗粒循环流量。颗粒循环管4的管径是列管换热器单根管径的2倍以上，作为颗粒下降回流的通道和部分液体循环通道，其材质选用耐腐蚀不锈钢、2205双相钢、钛材等材料。
5.料液循环管5：
料液循环管5与循环泵2、列管换热器3、蒸发罐1、回流筒10、混合管12连接，形成封闭流体循环管路，母液在管路内循环，母液循环管5可采用碳钢、不锈钢、钛材等金属材料。
6.循环泵2：
采用轴流泵或混流泵或离心泵，循环泵2是一种普遍应用的设备。其过流件根据物料可选择不锈钢304、不锈钢316L、钛材等。循环泵2起到驱动料液加速在料液循环管5、列管换热器3、蒸发罐1、导流筒9、混合管12 形成的闭路内循环流动。循环泵的推力是对自然热蒸发循环上升力的辅助补充，确保固体颗粒的正常循环。
7.颗粒调剂阀门6
其为常用流体开关或流量调节阀门，过流件根据物料可选择不锈钢304、不锈钢316L、钛材等、起到调节下降颗粒循环流量的作用。
8.导流筒9：
导流筒9为圆筒形筒体，固定在列管换热器3上管板上，与列管换热器 3上端高温物料溶液出口无缝连接，导流筒9与蒸发罐1周边管壁形成颗粒存储区7，与回流筒10下部空间、蒸发罐1周边壁面形成颗粒分离器区8，导流筒9同时强化向上引流的作用。
9.回流筒10
回流筒顶部为圆锥形、漏斗状，底部与料液循环管5连接，其实现料液导流进入料液循环管5的作用，同时其圆锥形筒体起到对导流筒9出口部分料液起到向下折流的作用。
10、混合管12
混合管12内形成固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，实现固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果
其工艺原理如下：
浓缩的物料溶液首先从外界进入料液循环管路5，通过循环泵2随着管路进入列管换热器3的底部连接混合管12，列管式换热器3的底部分别与混合管12连接，颗粒与溶液在混合管12内混合，在流体的带动下，混合管12 内形成固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，实现固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果、混合有固体颗粒的溶液一同进入列管换热器3的管程，列管换热器3壳程通入加热蒸汽，管程内形成颗粒、液体两相或颗粒、液体、汽体三相流体混合的流化状态，在管程内形成沸腾、冲击、扰动的效应，破坏加热管壁面的热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到强化传热和防止结垢的目的。
含颗粒的物料流体在列管换热器3加热管内向上流动，经加热管上端出口并在导流筒9作用下进入与列管换热器3、颗粒循环管4连接的蒸发罐1 底部，颗粒在流体力与重力沉降的作用实现固液分离，所述蒸发罐(1)的底部和上部分别为颗粒贮存区7和液固分离区8，在颗粒贮存区7中的颗粒经过颗粒循环管4在重力作用下向下流动，重新返回到列管换热器3底部混合管12内与物料混合，颗粒与料液混合流体在循环泵2辅助驱动下，流体向上进入列管换热器3加热管内，如此往复，实现颗粒在列管换热器3换热管内上行，在颗粒循环管4内下降的循环流动模式。
被加热后的物料溶液通过导流筒9进入蒸发罐1后，在蒸发罐1液面实现汽液分离，蒸汽通过液面上方汽液分离器11汽液分离后，由蒸汽出口排出，导流筒9起到向上引流作用，导流筒9出口溶液中颗粒在自身重力以及溶液流体力的作用下，实现固液分离，分离后的溶液折流进入回流筒10，通过料液循环管路5下行进入循环泵2，形成了循环泵2、列管换热器3、蒸发罐1、料液循环管5组成的闭路料液循环管路。
本专利的主要创新点：
1.在蒸发罐内设置导流筒，将蒸发罐与换热器上管板直接相连，使蒸发罐具有溶剂蒸发、汽液分离、固体颗粒分离和固体颗粒贮存等多重功能，设备结构紧凑简单。
2.换热器设置外循环管将固体颗粒贮存区与加热器颗粒循环管连接，固体颗粒和料液通过竖直管依靠重力回流至混合管，实现固体颗粒和液体物料的自然循环。
3.换热器底端设置固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果。
4.在蒸发罐和列管换热器底端之间设置料液循环管，并安装适当的循环泵，在循环泵的辅助作用下，确保固体颗粒能正常循环。
本设备特点：结构紧凑简单；防垢效果好，传热效率高；与自然循环相比，颗粒循环性能好，与强制循环相比，循环泵能耗较低。
实施案例：
在某矿物加工碱液浓缩回收装置上采用该技术，应用前后打开换热器观察其结垢情况。采用该技术前，蒸发浓缩装置连续运行40天时，蒸发量显著下降，蒸发浓缩已不能正常操作，需停车打开换热器进行机械清洗。打开换热器观察，可以看出，换热器加热管壁面结垢严重，经测定结垢层厚度达3～5mm，部分发生堵管现象，很明显，蒸发量降低是结垢的生成而导致传热效率显著降低的结果。采用新型蒸发浓缩器，装置连续运行120天时，蒸发量无明显降低，打开换热器观察，可以看出，换热壁面基本无结垢。通过对蒸发量计量测算，与采用新技术前的装置相比，蒸发浓缩处理能力提高30％以上，节能可达15％以上，经济和社会效益显著。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，其特征在于，包括蒸发罐(1)、循环泵(2)、列管换热器(3)、颗粒循环管(4)、料液循环管(5)、颗粒调节阀门(6)、导流筒(9)、回流筒(10)、汽液分离器(11)和混合管(12)。
所述循环泵(2)设置在所述料液循环管(5)中，所述料液循环管(5)的一端与所述列管换热器(3)的底部连接的混合管(12)连接，另一端连接所述蒸发罐(1)的底部侧壁并延伸到所述蒸发罐(1)内部，所述回流筒(10)与所述料液循环管(5)延伸到所述蒸发罐(1)内部的管路连接并且开口向上，所述颗粒循环管(4)的底部与所述列管换热器(3)的底部混合管(12)侧壁连接，所述颗粒循环管(4)的顶部与所述蒸发罐(1)的底部连接，所述颗粒循环管(4)中设置颗粒调节阀门(6)，所述列管换热器(3)的顶部与所述蒸发罐(1)的底部连接并通过连接在所述列管换热器(3)顶部的所述导流筒(9)延伸到所述蒸发罐(1)内部，所述汽液分离器(11)连接在所述蒸发罐(1)的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，其特征在于，所述蒸发罐(1)的顶部连接汽液分离器(11)。
3.根据权利要求1所述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，其特征在于，所述颗粒循环管(4)采用单根或多根竖直圆管或异形管。
4.根据权利要求1所述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，其特征在于，所述循环泵(2)采用轴流泵或混流泵或离心泵。
5.根据权利要求1所述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器，其特征在于，所述颗粒调节阀门(6)采用流体开关或流量调节阀门。
6.一种基于如权利要求1至5任一项所述的一种机械辅助自清洁蒸发浓缩器的蒸发浓缩方法，其特征在于，包括：待浓缩的物料溶液首先从外界进入料液循环管路(5)，通过循环泵(2)随着管路进入列管换热器(3)的底部连接的混合管(12)，颗粒与溶液在混合管(12)内混合，在流体的带动下，混合管(12)内形成固体颗粒混合流化缓冲空间，使循环颗粒与流体能充分混合和流化，实现固体颗粒在换热管束中的分配较为均匀，从而保证了换热器的防垢和强化传热效果、混合有固体颗粒的溶液一同进入列管换热器(3)的管程，列管换热器(3)壳程通入加热蒸汽，管程内形成颗粒、液体两相或颗粒、液体、汽体三相流体混合的流化状态，在管程内形成沸腾、冲击、扰动的效应，破坏加热管壁面的热边界层和结垢的临界生成状态，防止结垢物的附着，保持加热管壁的清洁，从而达到强化传热和防止结垢的目的；
含颗粒的物料流体在列管换热器(3)加热管内向上流动，经加热管上端出口并在导流筒(9)作用下进入与列管换热器(3)、颗粒循环管(4)连接的蒸发罐(1)底部，颗粒在流体力与重力沉降的作用实现固液分离，所述蒸发罐(1)的底部和上部分别为颗粒贮存区(7)和液固分离区(8)，在颗粒贮存区(7)中的颗粒经过颗粒循环管(4)在重力作用下向下流动，重新返回到列管换热器(3)底部混合管(12)内与料液混合，颗粒与料液混合流体在循环泵(2)辅助驱动下，流体向上进入列管换热器(3)的加热管内，如此往复，实现颗粒在列管换热器(3)换热管内上行，在颗粒循环管(4)内下降的循环流动模式。
被加热后的物料溶液通过导流筒(9)进入蒸发罐(1)后，在蒸发罐(1)液面实现汽液分离，蒸汽通过液面上方汽液分离器(11)汽液分离后，由蒸汽出口排出，导流筒(9)起到向上引流作用，导流筒(9)出口溶液中颗粒在自身重力以及溶液流体力的作用下，实现固液分离，分离后的溶液折流进入回流筒(10)，通过料液循环管路(5)下行进入循环泵(2)，形成了循环泵(2)、列管换热器(3)、蒸发罐(1)、料液循环管(5)组成的闭路料液循环管路。
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