CN1415908A - 一种溶液浓缩方法 - Google Patents

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Abstract

一种溶液浓缩方法，属空气调节技术领域，其特征在于针对浓溶液和稀溶液的浓度差范围，将其分为2－6级，每级溶液的浓缩范围只为整个溶液浓度范围的一部分，均为部分浓缩，多级组合起来，构成完整的浓缩范围，从而实现溶液的多级浓缩。所述2－6级浓度差范围的溶液浓缩中，能量可在不同的条件下被多次利用，即无需外界再提供能量，而是领先其他由外界输入能量的级排出的热量作为热源驱动。本发明针对现有溶液浓缩再生方法中普遍存在的再生效率低、灵活性差等问题，提出了一种“多效”和“多级”相结合的除湿溶液浓缩再生的方法，其效率高，传热传质面积小，可以灵活的利用各种热源和气液接触方式。

Description

一种溶液浓缩方法
                      技术领域
本发明涉及一种溶液浓缩方法，属空气调节技术领域。
                      背景技术
传统的除湿溶液的再生方法，多采用单效单级。采用的方式为沸腾蒸发或非沸腾蒸发，大都在常压和接近常压的条件下进行。
中国发明专利8910399.X“空气调节方法及其设备”公开了一种两效溶液浓缩的方法，一效为沸腾蒸发，二效为非沸腾蒸发。
美国发明专利5097668“Energy Reuse Regeneration For LiquidDesiccant Air Condition”也公开了一种两效溶液浓缩方法。
美国发明专利4939906“Multistage Boiler/Regeneration ForLiquid Desiccant dehumidifiers”；中国发明专利97115278.0“空气调节方法及其设备”等均涉及到两效的溶液浓缩再生方法，一效为沸腾蒸发，二效为非沸腾蒸发。两效均是在常压或接近常压条件下进行，但均未涉及到多级蒸发及多级与多效蒸发的结合。
采用一级再生的方法的缺点是显而易见的：不能形成有效的逆流传热传质，更不能采用非对称传热方式以充分利用热源，再生效率低，灵活性差。
                      发明内容
本发明的目的是提供一种能有效实现溶液的多级浓缩及能量的多次利用，提高能量利用效率的溶液浓缩方法。
本发明为一种溶液浓缩方法，其特征在于针对浓溶液和稀溶液的浓度差范围，将其分为2-6级，每级溶液的浓缩范围只为整个溶液浓度范围的一部分，均为部分浓缩，多级组合起来，构成完整的浓缩范围，从而实现溶液的多级浓缩。
所述2-6级浓度差范围的溶液浓缩中，能量可在不同的条件下被多次利用，即至少有一级无需外界再提供能量，而是依靠其他由外界输入能量的级排出的热量作为热源驱动。
所述2-6级浓度差范围的每一级溶液的浓缩可在同一压力或不同压力下进行。所述溶液的浓缩可在常压或有压，真空的条件下进行。
所述2-6级浓度差范围的每一级溶液浓缩时的传热传质形式可为沸腾蒸发或非沸腾蒸发。沸腾蒸发和非沸腾蒸发是指在一定条件下，使得溶液表面压力(或水蒸气分压力)大于溶液所接触空间的压力(或水蒸气分压力)，利用这种压力差进行传质，达到浓缩溶液的目的。这里的一定条件包括温度和压力，通常情况下，***在大气压的条件下进行，根据热源的情况控制溶液的温度，使得溶液沸腾和非沸腾。但***也可以在压或者真空的条件下进行。
所述溶液浓缩所需的传热传质可为对称传热传质或非对称传热传质。所谓对称传热传质，或者说逆流传热传质，是指传热传质分布符合或接近逆流传热传质，即传热传质动力均匀，并不为流体一定是逆向流动。所谓非对称传热传质，是指传热传质动力不均匀，不符合逆流传热传质分布。
本发明针对现有溶液浓缩再生方法中普遍存在的再生效率低、灵活性差等问题，提出了一种“多效”和“多级”相结合的除湿溶液浓缩再生的方法，多级可以实现逆流传热传质(对称传热传质)，减小传热传质的损失；多效可以实现能量的多次利用，提高能量利用效率。其效率高，传热传质面积小，可以灵活的利用各种热源和气液接触方式。利用非对称传质传热，可以增大传热传质动力。在某些特定的条件下，可以采用非对称传热传质，增大传热传质的动力。溶液的浓缩方式可采用沸腾蒸发或非沸腾蒸发。例如一个“两级两效”的再生***，溶液浓缩过程的第二级(第二效)，可以用其第一级(第一效)再生过程中产生的高温高湿的空气作为驱动热源。
                      附图说明
图1为现有技术中单级逆流溶液再生原理示意图；
图2为现有技术中单级叉流溶液再生原理示意图；
图3为本发明所述多级溶液浓缩原理示意图；
图4为图3所述实施方案中对称的传热传质分布图；
图5为图3所述实施方案中非对称的传热传质分布图；
图6为本发明的一种典型实施方案示意图；
图7本发明的另一种典型实施方案示意图；
图8为图7所述实施方案中的非对称的传热传质分布图；
图9为本发明的两级真空再生原理图；
图10为三级三效再生原理图；
图11为三级三效再生实施方案中的实际算例。
                    具体实施方式
以下结合附图对现有技术及本发明的具体实施方式作进一步描述：
图1和图2为现有技术中典型的单级溶液再生原理图，图1是气液逆流接触的方式，1为进入再生器的空气，2为排出再生器的空气，3为稀溶液，4为浓溶液，5为循环液，6为进入热交换器的加热流体，7为排出热交换器的加热流体，8为再生器，9为热交换器，10为溶液泵，图中循环液5采用热交换器9加热。循环液5与空气接触，溶液被浓缩，再生空气的湿度增大。从图中可以看出，由于循环液5是循环的，虽然气液是逆流接触的，并没有实现真正的逆流传质。
图2是气液叉流接触的方式，当然更不可能实现逆流传热传质。图2中，11为进入再生器的空气，12为排出再生器的空气，13为稀溶液，14为浓溶液，15为循环液，16为进入热交换器的加热流体，17为排出热交换器的加热流体，18为热交换器，19为再生器，20为溶液泵。
图3中，再生器分为I、II、III、IV四级(本发明不限于四级)，虽然每一级为叉流，由于各级溶液的浓度不一样，四级组合起来，配合相应的循环液加热方式(图中未标出)，可实现逆流传热传质。
图3中，21为进入再生器的空气，22为排出再生器的空气，23为进入第一级的稀溶液，24为从第四级流出的浓溶液，25为循环液，26为各级之间的迁移溶液，溶液由低浓度级向高浓度级迁移，27为再生器，28为溶液泵。
值得说明的是，每一循环液25的流量较23、24、26大，循环液25在四级中的总流量较26、23、24大几倍或一个数量级。
待处理的稀溶液23进入再生器的第一级，然后依次通过各级，最后变为浓溶液24，每一级溶液都有其独立的循环，其浓度分为为C1，C2，C3，C4。
C1＜C2＜C3＜C4，符合逆流传质的原则，即稀溶液对应含湿量低的气体，浓溶液对应含湿量高的气体。如果加热介质的布置也依据逆流原则来组合，即第一级的加热介质温度低，最后一级的加热温度高，这就使得整个再生过程23→24接近理想的逆流传质传热，即如图4所示的对称传热传质分布(相对于非对称传热传质而言，如图5所示)。
图4、图5中，Ta，Pa分别为气体的温度分布和水蒸气的分压力分布，Tla，Pla分别为溶液的温度分布和水蒸气的分压力分布，I、II、III、IV分别对应不同的级。由图4可以看出，气液之间的传质传热动力分布符合逆流传热传质的原则。
图5显示出一个非对称的传质传热分布。如图所示，II、III、IV级中溶液的平均温度是相同的(对称分布时是不同的)。这是因为在某些条件下，如II、III、IV级采用相同的热源加热，此时II、III、IV可以获得相同的溶液温度而不会增加额外的代价，当然Pla还是不同的。比较非对称传热传质分布和对称传热传质分布，前者的传热传质动力大。改变图3中的热源分布，即可实现非对称传热传质。如在某些条件下，如有可用的蒸汽加热时，即为这种情况。
再回到图1，如果在某些特定的条件下，循环液25的流量和溶液的迁移流量相同，即溶液直接从再生器27上部引入，此时可以实现理想的逆流传质传热分布，但仍不能实现非对称的传质传热分布。
总之，本发明不仅可以实现逆流传热传质分布，还可实现非对称传热传质分布，有利于增大传热传质的动力。
图6是一个典型的“两效四级”溶液再生原理图。图中：29为再生器，30为热交换器，31为环境的空气，32为高温高湿的空气，33为待浓缩的稀溶液，34为浓溶液，35为循环液，36为经过热交换器排出的空气，37为各级之间迁移的溶液，38为溶液泵，39为加热流体，40为从再生器排出的加热流体。稀溶液33经溶液泵38加压进入换热器，温度升高后从再生器29上端喷淋下来，在填料或其它传质介质中和空气进行传热传质。由于溶液温度较高，溶液表面水蒸气分压力大于空气水蒸气分压力，溶液中的水蒸发到空气中，溶液被浓缩，进入下一级，进一步被浓缩，空气被加热加湿后也进入下一级，继续吸收水蒸气。以此类推，直至溶液被浓缩到所要求的浓度34。值得说明的是，为了使每一级溶液喷淋以前升温，可以使用的方法很多，但均未超出本发明的范围。在这套***中，II、III、IV级中加热介质可以是任何热流体，而第一级要求的溶液温度较低，采用第四级排出的高温高湿的空气32就可以起到加热溶液的效果，实现能量的二次利用。
图7为“单效四级”的溶液再生原理图，图中：41为来自大气的空气，42为用完后的空气，43为稀溶液，44为浓溶液，45为循环液，46为级间迁移的溶液，47为加热流体，48为排出的加热流体，49为溶液泵，50为再生器。与图6的区别是再生空气不再串联使用，每级均采用来自大气的空气41，用完后的空气42直接排入大气。这样做是因为环境中的空气是不花代价就可以得到。相对于串联而言，各级再生空气的平均水蒸气分压力更低，传热传质动力变大。当然，每级可采用热回收装置预热空气，图中未标出。这种方式体现了非对称传热传质的原理，见图8。另外，各级加热溶液的热源均可单独控制。图8中为另一种非对称传热传质分布，图8中符号与图4相同。
以上所述本发明的各种典型的再生方案都是在常压的条件下进行的。再生溶液不需要加热到很高的温度，利用工业废热或太阳能就可以实现溶液的再生。大型再生器可以在有压和真空的条件下进行再生。
图9是一个典型的两级真空再生原理图，图中：51为稀溶液，52为经第I级浓缩后的溶液，53浓溶液，54为循环液，55为第一级的加热流体，56为排出第一级的加热流体，57为真空泵，58为冷凝水，59为第二级的加热流体，60为排出第二级的加热流体，61为溶液泵，62为热交换器，63为再生器。
与上述方法不同的是溶液再生是在真空条件下进行的，用真空泵57维持真空状态。蒸发出来的水蒸气可通过冷却水冷却后成为冷凝水58排出容器(图中未标出冷却水及热交换器等)。
图9中分为两级I、II、(但不限于二级)，稀溶液51经过第I级浓缩变为52，再经第II级浓缩后变为53，即所需浓溶液。
图10为“三级三效”的溶液再生原理图，除湿后低温稀溶液64依次与最后一级，即第III及产生的水蒸汽70，以及各级高温冷凝水71、68、74换热后变为65，进入第I级。第一级采用高温热源67加热，以后各级均采用上一级过程产生的蒸汽为热源，这样就实现了能量的多次利用。
在此方案中，各级之间没有溶液的热交换；此外，在这种方案的能量利用流程中，稀浓度溶液对应较高的温度，浓溶液对应较低的温度，二者均使得换热量减小，包括再生器与除湿器间的溶液换热量较小。另外，相对浓溶液对应较高温度，稀溶液对应较低温度的能量流程而言，该流程在同样的热源条件下，可实现更多次的能量利用。
图10中，溶液65经过I、II、III级浓缩后变为浓溶液66，第I级加热流体，如蒸汽67经加热器76后变为68，68再与稀的除湿液通过热交换器77换热后排出，或与第II级的71混合进入第II级的热交换器(图中未示出这种情况)，在第I级中产生的水蒸汽70进入第II级，作为第II级的热源，在第II级中产生的水蒸汽70进入第III级，作为第III级的热源。图中的71、74与第I级中的68对应。72、75与第I级中的69对应，不再详述其过程。
图中78为溶液泵，图中66在流入除湿器(图中未示出)前亦可与来自除湿器的浓溶液有热交换。结合图11中的实例可以更清楚地理解本方案。
综上所述，在一定的热源条件下，可采用真空、常压和有压三种方式结合多级与多效、沸腾蒸发与非沸腾蒸发实现多种组合，包括溶液的串联、并联及混联流程等。但均不超出本发明的范围。
图11为三级三效实施例的实际算例，I、II级为有压的情况，III为真空情况。
除湿后的低温稀溶液进入换热器与各级的高温冷凝水(或蒸汽)换热，预热后的稀溶液依次进入各级再生。第一级再生器需要外通过热源(蒸汽和燃气等)把溶液加热到预定的温度。以后各级不需要另外需要能量，依靠上一级提供的能量再生。根据热平衡计算可以求得各级再生器溶液的浓度，各级之间的浓度差可以是不同的，本算例计算的各级的浓度差不断变大。每一级可以提供给下一级(第一级除外)的能量是：
本级产生的过热蒸汽的焓-此压力下冷凝水的焓
而每一级再生需要的热量是：
本级产生的蒸汽+溶液的终状态的焓-溶液初状态的焓
在此***流程下，上一级可以供给的热量是一定的，可以调节的是下一级产生的蒸汽量，也可以说是溶液的终状态，因此热量可以根据热平衡计算出此级溶液可以浓缩的浓度。依次类推。由于级间溶液的温度相差较大，使得每一级蒸发出来的水蒸气量逐渐变大，因此各级间的浓度差逐渐变大。
关于再生效率的计算，由于本算例没有考虑传热传质差，因此计算所得效率是理想的效率。
效率＝从溶液中浓缩出的水的潜热/第一级中投入的热量
图中示出溶液的温度和浓度，输入的热量以及各级产生的蒸汽量m1、m2、m3。根据图中的数据：可计算出再生的效率为2.17。

Claims (5)

1.一种溶液浓缩方法，其特征在于针对浓溶液和稀溶液的浓度差范围，将其分为2-6级，每级溶液的浓缩范围只为整个溶液浓度范围的一部分，均为部分浓缩，多级组合起来，构成完整的浓缩范围，从而实现溶液的多级浓缩。
2.按权利要求1所述溶液浓缩方法，其特征在于所述2-6级浓度差范围的溶液浓缩中，能量在不同的条件下被多次利用，即至少有一级无需外界再提供能量，而是依靠其他由外界输入能量的级排出的热量作为热源驱动。
3.按权利要求1或2所述溶液浓缩方法，其特征在于所述2-6级浓度差范围的每一级溶液的浓缩在同一压力或不同压力下进行。所述溶液的浓缩可在常压或有压，真空的条件下进行。
4.按权利要求1或2所述溶液浓缩方法，其特征在于所述2-6级浓度差范围的每一级溶液浓缩时的传热传质形式为沸腾蒸发或非沸腾蒸发。
5.按权利要求1所述溶液浓缩方法，其特征在于所述溶液浓缩所需的传热传质为对称传热传质或非对称传热传质。
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