專利名稱：一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蒸發(fā)濃縮工藝，特別涉及一種帶有熱泵的蒸發(fā)濃縮工藝。
背景技術：
多效蒸發(fā)濃縮工藝是目前工業(yè)上最常用的蒸發(fā)濃縮工藝，例如國內(nèi)氯堿工業(yè)中電解堿液的蒸發(fā)濃縮主要為三效順流蒸發(fā)濃縮工藝，見文獻[1](《氯堿工藝學》，方度等主編，北京化學工業(yè)出版社，1990，P286-345)的記載。但該工藝存在如下一些缺點，一直困擾著氯堿工業(yè)的發(fā)展。首先是能源的利用不合理，由于第一效蒸發(fā)器一次蒸汽與二次蒸汽的飽和溫度差相差較大，高達33℃，無法通過熱泵等手段來充分利用外源蒸汽的有效能即做功能力，外源蒸汽只能減溫減壓后作為一次蒸汽進入第一效蒸發(fā)器，造成能源效能的無謂損耗；其次是原料液進入第一效蒸發(fā)器的溫度較低，通常低于其沸點35～40℃，因此第一效蒸發(fā)器需要較多的一次蒸汽及傳熱面積為預熱電解堿液至沸點而工作，從而降低了第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率，也就是說減少了第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。
鑒于現(xiàn)有工藝的上述缺點，使得國內(nèi)氯堿工業(yè)蒸發(fā)濃縮過程的能耗嚴重偏高，阻礙了氯堿工業(yè)的發(fā)展，因此，產(chǎn)業(yè)部門希望有關的工程技術人員進行改進，提供一種先進的蒸發(fā)濃縮工藝，以推動氯堿工業(yè)的技術進步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為克服現(xiàn)有技術的上述缺點，提出了一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，它通過合理的工藝組合，充分提高能源的使用效能，可比現(xiàn)有技術降低能耗20％以上。
本發(fā)明的構思是這樣的在基本上保持蒸發(fā)器總傳熱面積不變的情況下，設置A、B兩組蒸發(fā)裝置，其中A組蒸發(fā)器為一個帶有熱泵的蒸發(fā)裝置，B組蒸發(fā)器為一組多效蒸發(fā)裝置。熱泵在外源蒸汽的驅(qū)動下，使A組蒸發(fā)器出來的二次蒸汽得以增壓并與外源蒸汽充分混合后，再作為一次蒸汽進入A組蒸發(fā)器和B組第一效蒸發(fā)器；通過控制A組蒸發(fā)器蒸發(fā)室的操作壓力來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，提高熱泵的引射系數(shù)，從而使外源蒸汽的做功能力得到充分利用；進入A組蒸發(fā)器的原料液分別用B組第一效蒸發(fā)器的部分二次蒸汽和A、B兩組第一效蒸發(fā)器排出的冷凝水進行預熱，以盡可能地提高原料液的進料溫度，從而充分發(fā)揮A組蒸發(fā)器和B組第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)功效。由于A組蒸發(fā)器和B組第一效蒸發(fā)器完成了整個工藝過程總蒸發(fā)量的一半甚至一半以上，B組第二效、第三效蒸發(fā)器的蒸發(fā)任務就比較輕了，其設計時的傳熱面積就可相對減少，因而蒸發(fā)器總的傳熱面積可以得到有效控制。
本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，它主要由熱泵和A、B兩組蒸發(fā)器組成，其中A組蒸發(fā)器為一個帶有熱泵的蒸發(fā)裝置，B組蒸發(fā)器為一組多效蒸發(fā)裝置。所采用的熱泵為一類蒸汽動力混合型熱泵，即蒸汽噴射泵、連體熱機-熱泵中的一種。用外源蒸汽將A組第一效蒸發(fā)器的二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽。從蒸汽加熱角度來看，A組和B組的組合方式是并列的，但從料液的蒸發(fā)濃縮過程來看，A組和B組的組合方式是串聯(lián)的，料液從A組蒸發(fā)器再到B組蒸發(fā)器。原料液采用組合式預熱，先用B組第一效蒸發(fā)器的部分二次蒸汽進行預熱，再用A組和B組蒸發(fā)器第一效的冷凝水進行預熱，使原料液預熱至溫度低于沸點不超過25℃再進入蒸發(fā)器。原料液經(jīng)預熱后首先進入A組第一效蒸發(fā)器進行濃縮，再進入B組蒸發(fā)器進一步濃縮?？刂艫組第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，使易結晶溶質(zhì)的濃度始終保持低于其飽和濃度?？刂艫組第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)室的操作壓力，使其相對應的二次蒸汽的飽和溫度高于B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度3～18℃。根據(jù)被蒸發(fā)濃縮物系及其蒸發(fā)工況的不同，外源蒸汽的壓力為1.0～4.5Mpa，熱泵的引射系數(shù)為0.4～3.0。


下面結合附圖來描述本發(fā)明的工藝。
圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖它有A、B兩組蒸發(fā)器，其中1—外源蒸汽及進口2—熱泵3—原料液及進口3a、3b—原料液預熱器4—A組第一效蒸發(fā)器5—B組第一效蒸發(fā)器6—B組第二效蒸發(fā)器
7—B組第三效蒸發(fā)器8—噴射真空泵或真空泵圖1中虛線為蒸汽管道，細實線為蒸汽冷凝水管道，粗實線為料液管道。用外源蒸汽(1)將A組第一效蒸發(fā)器(4)的二次蒸汽經(jīng)熱泵(2)混合增壓后共同作為A、B兩組第一效蒸發(fā)器的一次蒸汽。原料液(3)分別通過預熱器3b、3a，預熱至溫度低于沸點不超過25℃后，先進入A組第一效蒸發(fā)器進行蒸發(fā)濃縮，然后再依次進入B組第一效蒸發(fā)器(5)、B組第二效蒸發(fā)器(6)、B組第三效蒸發(fā)器(7)，濃縮到工藝要求的濃度后出料；B組第一效蒸發(fā)器的二次蒸汽除部分進入預熱器(3b)被用來預熱原料液外，大部分進入B組第二效蒸發(fā)器作為蒸發(fā)熱源；B組第二效蒸發(fā)器的二次蒸汽全部進入B組第三效蒸發(fā)器作為蒸發(fā)熱源；B組第三效蒸發(fā)器的二次蒸汽則通過噴射真空泵(8)引出。
具體實施例方式
在本發(fā)明之工藝中，原料液經(jīng)預熱后首先進入A組第一效蒸發(fā)器進行濃縮，通過控制A組第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，使易結晶溶質(zhì)的濃度始終保持低于其飽和濃度，就可以采取適當?shù)拇胧﹣頊p少溫度差損失，如采用能夠降低溫度差損失的強制循環(huán)型蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、板式蒸發(fā)器、蛇管式蒸發(fā)器、閃發(fā)式蒸發(fā)器等蒸發(fā)設備，以及控制A組第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)室的操作壓力，使其相對應的二次蒸汽的飽和溫度高于B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度3～18℃，從而顯著降低A組第一效蒸發(fā)器總的溫度差。熱泵的引射系數(shù)隨著增壓前后溫度差的降低，其增速越來越高，就可以充分利用外源蒸汽的做功能力，有效提高熱泵的引射系數(shù)，根據(jù)被蒸發(fā)濃縮物系及其蒸發(fā)工況的不同，可以利用的外源蒸汽的壓力范圍為1.0～4.5Mpa，熱泵的引射系數(shù)可以達到0.4～3.0。原料液采用組合式預熱原料液先用B組第一效蒸發(fā)器的部分二次蒸汽進行預熱，再用A組和B組第一效蒸發(fā)器的冷凝水進行預熱，使原料液預熱至溫度低于沸點不超過25℃再進入A組蒸發(fā)器第一效，就可以增加二次蒸汽和冷凝水熱能的綜合利用，從而有效降低蒸發(fā)器用于預熱料液的傳熱面積，同時B組蒸發(fā)器中原來用于預熱原料液的部分一次蒸汽節(jié)省下來可以用于本蒸發(fā)器的蒸發(fā)濃縮，從而進一步增加蒸發(fā)量。此時雖然增加了一個A組第一效蒸發(fā)器，但由于A組第一效蒸發(fā)器料液的溫度較高且濃度較低，又沒有結晶析出，其傳熱系數(shù)可以較高，還可以采用能夠強化傳熱的蒸發(fā)器以及能夠減少污垢熱阻的帶自動清洗裝置等進一步提高傳熱系數(shù)，同時，由于A組和B組第一效蒸發(fā)器完成了整個工藝過程總蒸發(fā)量的一半甚至一半以上，B組第二、第三效蒸發(fā)器的蒸發(fā)任務就比較輕了，其設計時的傳熱面積就可相對減少，整個蒸發(fā)操作總的傳熱面積因而可以得到有效控制，與現(xiàn)有工藝基本保持一致或略有減少。除了有效地提高外源蒸汽的功效與A、B兩組第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力以及減少B組第二效、B組第三效蒸發(fā)器的蒸發(fā)量外，其余工藝流程與現(xiàn)有工藝相似，B組蒸發(fā)器仍可按常規(guī)的蒸發(fā)操作進行，故可大大便利有關工廠對現(xiàn)有裝置的技術改造，特別是對現(xiàn)有裝置的擴能改造。本發(fā)明之工藝由于可以將更多的二次蒸汽循環(huán)使用，使得末效蒸發(fā)器需要冷凝的二次蒸汽量大為減少，還可以大大降低冷卻水的用量，因而具有十分顯著的節(jié)能、節(jié)水效果。
下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容。
實施例1以氯堿工業(yè)電解堿液的蒸發(fā)濃縮為例，采用本發(fā)明之工藝，A組為一單效蒸發(fā)器，B組為一組三效順流蒸發(fā)器，將1.6Mpa的外源蒸汽用作蒸汽噴射泵的工作蒸汽，A組蒸發(fā)器采用強制循環(huán)型蒸發(fā)器，一次蒸汽的溫度為168℃，控制其蒸發(fā)室的操作壓力為0.42Mpa，則與之相對應的二次蒸汽的飽和溫度為145℃，比B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度高9℃，用外源蒸汽將A組蒸發(fā)器的全部二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽，熱泵增壓前后總的溫度差為23℃，熱泵的引射系數(shù)為0.4左右，電解堿液(簡稱料液)的沸點為160℃。原料液(含NaOH10％、NaCl16％左右)依次采用B組第一效蒸發(fā)器的部分二次蒸汽預熱(在預熱器3b中)和A、B兩組第一效蒸發(fā)器的冷凝水預熱(在預熱器3a中)，將原料液預熱到140℃左右后，先進入A組蒸發(fā)器進行濃縮，再依次進入B組第一效蒸發(fā)器、B組第二效蒸發(fā)器、B組第三效蒸發(fā)器，濃縮到工藝要求的濃度后出料，B組蒸發(fā)器的操作及溫度參數(shù)仍基本維持文獻[1]中的操作狀況。A組蒸發(fā)器料液中NaOH的濃度僅為11％左右，NaCl的濃度也僅為18％左右，低于其20.5％的飽和濃度。由于A組蒸發(fā)器采用了強制循環(huán)型蒸發(fā)器，料液濃度較低而溫度又較高，因此蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)可以很高，而此時B組蒸發(fā)器由于蒸發(fā)量減少并且無需預熱原料液，B組蒸發(fā)器的傳熱面積也可比原來明顯減少，按每小時生產(chǎn)42％的液堿折合一噸100％NaOH計，現(xiàn)有工藝的蒸汽消耗量為3400kg，蒸發(fā)器總的傳熱面積為174M2，而采用本發(fā)明之工藝，引射系數(shù)為0.4，蒸汽消耗量為2700kg，蒸發(fā)器總的傳熱面積僅為172M2，兩者蒸發(fā)器總的傳熱面積基本相當，同時由于A組蒸發(fā)器中料液的濃度較低，蒸發(fā)器的材質(zhì)要求也不很高，整套蒸發(fā)器的設備造價因而并無明顯增加，而采用本發(fā)明之工藝可比現(xiàn)有工藝節(jié)能20％以上。
附現(xiàn)有工藝與本發(fā)明之工藝的主要工藝參數(shù)對比(按每小時生產(chǎn)42％的液堿折合一噸100％NaOH計)一、三效順流工藝效數(shù) 一效 二效 三效各效蒸汽消耗量，kg 3400，2250，2230各效蒸發(fā)量，kg 2250，2230，2028各效的濃度(NaOH)，％ 13， 22， 42各效的有效傳熱溫差，℃ 18， 12， 13各效的總傳熱系數(shù)，kJ/(m2h℃) 6700，7000，6700各效蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg 2060，2163，2248各效的傳熱面積，M258， 58， 58二、本發(fā)明之工藝效數(shù) A1效 B1效 B2效 B3效各效蒸汽消耗量，kg 1492，2288，1686，1670各效蒸發(fā)量，kg 1080，2157，1670，1601各效的濃度(NaOH)，％ 11， 16， 25， 42各效的有效傳熱溫差，℃ 8， 17， 12， 13各效的總傳熱系數(shù)，kJ/(m2h℃) 9000，6700，7000，6700各效蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg 2060，2060，2157，2248各效的傳熱面積，M243， 43， 43， 43實施例2以含有氯化鈉的氯化鈣溶液的蒸發(fā)濃縮為例，按本發(fā)明之工藝，A組為單效蒸發(fā)器，B組為一組三效蒸發(fā)器。將壓力為1.6Mpa的外源蒸汽用作熱泵的工作蒸汽；A組蒸發(fā)器采用自動清洗式降膜蒸發(fā)器，一次蒸汽的工作溫度為140℃，控制蒸發(fā)室的操作壓力為0.24Mpa，則與之相對應的二次蒸汽的飽和溫度為126℃，比B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度高12℃，用外源蒸汽將A組蒸發(fā)器的全部二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽，熱泵采用蒸汽噴射泵或連體熱機-熱泵，其引射系數(shù)可達1.2。原料液(含量CaCl2為15.4％、NaCl為8.6％，其余為水)按實施例1相同的方式被預熱到115℃以上，先進入A組蒸發(fā)器，A組蒸發(fā)器料液的沸點為133℃，按圖1所示的工藝流程濃縮到工藝要求的濃度(含量CaCl2為41％、NaCl為18％(含結晶)，其余為水)后出料。采用本發(fā)明之工藝，可比現(xiàn)有工藝節(jié)能約30％左右。
實施例3按本發(fā)明之工藝蒸發(fā)濃縮實施例2同樣的料液，將壓力為1.0Mpa的外源蒸汽用作熱泵的工作蒸汽，A組蒸發(fā)器采用自動清洗式降膜蒸發(fā)器，一次蒸汽的工作溫度為140℃，控制蒸發(fā)室的操作壓力為0.264Mpa，則與之相對應的二次蒸汽的飽和溫度為130℃，比B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度高16℃，用外源蒸汽將A組蒸發(fā)器的全部二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽，熱泵采用蒸汽噴射泵或連體熱機-熱泵，其引射系數(shù)可達0.4。原料液被預熱到115℃以上，先進入A組蒸發(fā)器，濃縮后再進入B組蒸發(fā)器，濃縮到工藝要求的濃度后出料。采用本發(fā)明之工藝，可比現(xiàn)有工藝節(jié)能約20％左右。
實施例4按本發(fā)明之工藝蒸發(fā)濃縮實施例2同樣的料液，將壓力為1.6Mpa的外源蒸汽用作熱泵的工作蒸汽，A組蒸發(fā)器采用自動清洗式降膜蒸發(fā)器，一次蒸汽的工作溫度為140℃，控制蒸發(fā)室的操作壓力為0.18Mpa，則與之相對應的二次蒸汽的飽和溫度為117℃，比B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度高3℃，用外源蒸汽將A組蒸發(fā)器的全部二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽，熱泵采用采用蒸汽噴射泵或連體熱機-熱泵，其引射系數(shù)可達0.7。原料液被預熱到115℃以上，先進入A組蒸發(fā)器，濃縮后再進入B組蒸發(fā)器，濃縮到工藝要求的濃度后出料。采用本發(fā)明之工藝，可比現(xiàn)有工藝節(jié)能約20％左右。
實施例5按本發(fā)明之工藝蒸發(fā)濃縮實施例2同樣的料液，將壓力為4.5Mpa的外源蒸汽用作熱泵的工作蒸汽，A組蒸發(fā)器采用強制循環(huán)型蒸發(fā)器，一次蒸汽的工作溫度為140℃，控制蒸發(fā)室的操作壓力為0.20Mpa，則與之相對應的二次蒸汽的飽和溫度為120℃，比B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度高6℃，用外源蒸汽將全部A組蒸發(fā)器的二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽，熱泵采用連體熱機-熱泵，其引射系數(shù)可達3.0。原料液被預熱到115℃以上，先進入A組蒸發(fā)器，濃縮后再進入B組蒸發(fā)器，濃縮到工藝要求的濃度后出料。采用本發(fā)明之工藝，可比現(xiàn)有工藝節(jié)能約60％左右。
實施例2～5的部分工藝參數(shù)及其節(jié)能效果
外源蒸汽壓力，Mpa 1.61.01.6 4.5A1效蒸發(fā)室壓力，Mpa 0.24 0.264 0.18 0.20A1效二次蒸汽的飽和溫度，℃126130117 120A1與B1效二次蒸汽溫度差，℃12 16 3 6熱泵的引射系數(shù)1.20.40.7 3.0節(jié)能，％ 30 20 2060由上可見，本發(fā)明之工藝，通過提高熱泵的引射系數(shù)，可以大大降低能耗，提高節(jié)能效果，節(jié)能幅度可達20～60％，因而有效地推動蒸發(fā)濃縮工程的技術進步。
此外，對于能源比較短缺或外源蒸汽的壓力較低，如外源蒸汽＜1.0MPa，甚至＜0.4Mpa的場合，同樣可以應用本發(fā)明之工藝，不過熱泵的引射系數(shù)有所降低，但仍有一定的節(jié)能效果。
權利要求
1.一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，其特征在于它主要由熱泵和A、B兩組蒸發(fā)器組成，其中A組蒸發(fā)器為一個帶有熱泵的蒸發(fā)裝置，B組蒸發(fā)器為一組多效蒸發(fā)裝置；所采用的熱泵為一類蒸汽動力混合型熱泵，即蒸汽噴射泵、連體熱機-熱泵中的一種；用外源蒸汽將A組第一效蒸發(fā)器的二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組蒸發(fā)器的一次蒸汽；控制A組第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)室的操作壓力，使其相對應的二次蒸汽的飽和溫度高于B組第一效蒸發(fā)器二次蒸汽的飽和溫度3～18℃。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，其特征在于原料液采用組合式預熱，先用B組第一效蒸發(fā)器的部分二次蒸汽進行預熱，再用A組和B組蒸發(fā)器第一效的冷凝水進行預熱，使料液預熱至溫度低于沸點不超過25℃再進入A組第一效蒸發(fā)器進行濃縮，然后再進入B組蒸發(fā)器進一步濃縮。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，其特征在于控制A組第一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，使易結晶溶質(zhì)的濃度始終保持低于其飽和濃度。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，其特征在于外源蒸汽的壓力為1.0～4.5Mpa。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝，其特征在于熱泵的引射系數(shù)為0.4～3.0。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有熱泵的組合式蒸發(fā)濃縮工藝。本發(fā)明的目的是通過合理的工藝組合，充分提高能源的使用效能。該工藝主要由熱泵和A、B兩組蒸發(fā)器組成，其中A組蒸發(fā)器為一個帶有熱泵的蒸發(fā)裝置，B組蒸發(fā)器為一組多效蒸發(fā)裝置；用外源蒸汽將A組第一效蒸發(fā)器的二次蒸汽經(jīng)熱泵混合增壓后共同作為A、B兩組第一效蒸發(fā)器的一次蒸汽(即以并列的加熱方式來驅(qū)動二蒸發(fā)器工作)；原料液經(jīng)預熱后先進入A組第一效蒸發(fā)器進行濃縮，然后再依次進入B組第一效、第二效、第三效蒸發(fā)器，濃縮到工藝要求的濃度后出料。本發(fā)明之工藝可比現(xiàn)有工藝降低能耗20～60％。
文檔編號B01D1/00GK1415395SQ0214529
公開日2003年5月7日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權日2002年11月14日
發(fā)明者張武平, 秦玉堯 申請人:華東理工大學