低*热源驱动型溶液浓缩-纯化机组

1.一种低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组，包括：a.流体输送设备为溶液循环泵(1)和真空泵(10)；b.换热-蒸发部件及容器：原料液预热器(8)、溶液蒸发器(2)、循环溶液加热器(4)、纯化液冷凝冷却器(9)、纯化液水封槽(14)；c.用于监控机组运行的仪表自动化系统；其特征在于，采用低 值热源作为机组驱动热源，原料液在机组内与发生蒸汽换热升温接近沸点，同时将部分发生蒸汽冷凝；机组内的真空度依靠连续的蒸发-冷凝过程来保持；
机组在负压下操作；机组内，原料液、中间溶液和浓缩浆或浓缩液这三种介质，其溶剂含量依次降低，沸点则依次升高；依据机组内浓缩浆或浓缩液的温度，调节原料液加入量及机组供热量，控制浓缩浆或浓缩液中溶剂的含量。
2.根据权利要求1所述机组，其特征在于，低 值热源选自：需要冷却或温度低于100℃的介质。
3.根据权利要求1所述机组，其特征在于，负压为600Pa(绝压)～100KPa(绝压)。
4.根据权利要求3所述机组，其特征在于，负压为600Pa(绝压)～60KPa(绝压)。
5.根据权利要求1～4所述任意一种机组，其特征在于，换热-蒸发部件及容器集成于一个腔体内，各部件用隔板分隔，隔板上留有介质的通道；或单独设置，部件之间通过管道连接。
6.根据权利要求1～4所述任意一种机组，其特征在于，溶液蒸发器(2)中，原料液中的溶剂被蒸发为溶剂蒸汽，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质同时受热分解和挥发；溶剂蒸汽和，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质受热分解和挥发后混合成为发生蒸汽进入原料液预热器(8)。
7.根据权利要求5所述种机组，其特征在于，溶液蒸发器(2)中，原料液中的溶剂被蒸发为溶剂蒸汽，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质同时受热分解和挥发；溶剂蒸汽和，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质受热分解和挥发后混合成为发生蒸汽进入原料液预热器(8)。
8.根据权利要求1～4所述任意一种机组，其特征在于，原料液进入机组时，不需要加热到沸点附近，在常温下即可进入机组。
9.根据权利要求5所述机组，其特征在于，原料液进入机组时，不需要加热到沸点附近，在常温下即可进入机组。
10.根据权利要求6所述机组，其特征在于，原料液进入机组时，不需要加热到沸点附近，在常温下即可进入机组。
11.根据权利要求1～4所述任意一种机组，其特征在于，机组的换热部件不设原料液预热器(8)，原料液直接进入溶液蒸发器(2)，由低 值热源预热；发生蒸汽则直接进入纯化液冷凝冷却器(9)。
12.根据权利要求5所述机组，其特征在于，机组的换热部件不设原料液预热器(8)，原料液直接进入溶液蒸发器(2)，由低 值热源预热；发生蒸汽则直接进入纯化液冷凝冷却器(9)。
13.根据权利要求6所述机组，其特征在于，机组的换热部件不设原料液预热器(8)，原料液直接进入溶液蒸发器(2)，由低 值热源预热；发生蒸汽则直接进入纯化液冷凝冷却器(9)。
14.根据权利要求8所述机组，其特征在于，机组的换热部件不设原料液预热器(8)，原料液直接进入溶液蒸发器(2)，由低 值热源预热；发生蒸汽则直接进入纯化液冷凝冷却器(9)。

低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组\n技术领域\n[0001] 本发明属于化工和环保领域，特别涉及利用低 热源如:工业生产过程中众多需冷却的工艺介质作为所发明的低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组的蒸发热源，用于蒸发溶液获得浓缩（浆）液和纯化液的应用。\n背景技术\n[0002] 有些化工生产过程中，会产生各种溶液。有些是副产物，直接排放，会造成环境污染；直接转移处理，则贮运费用高、后处理产生的大量气体或液体也因缺少合适的消纳措施，形成污染转移。\n[0003] 针对化工企业生产过程中的各种溶液，包括难以规模化处理的副产废液，为将溶液浓缩后转移处理，一般采用蒸汽加热蒸发溶液后得到浓缩（浆）液。\n[0004] 蒸发出的湿气体除含有溶剂汽体外，有些还含有腐蚀性、剧毒等有害化学介质。就地排放，不仅污染环境、更对生产现场设备造成腐蚀、也极大危害了操作人员的身心健康。\n排放的化学物同时也是企业的中间产品或原料，不加以回收，也使产品收率降低、原料消耗增加。\n[0005] 以单效蒸发为例，每蒸发1吨水，至少消耗1.1吨蒸汽。蒸汽虽然是化工企业必有的能源介质，但作为高 热源，蒸发浓缩目标产品的溶液，能耗成本已经比较高；用于蒸发副产废液则更加不经济。由于上述原因，除了必须蒸发浓缩目标产品的溶液，化工企业一般都难以接受用蒸汽蒸发浓缩副产废液的方式。\n[0006] 另一方面，化工企业生产过程中也存在着众多需要冷却的介质，其温度低于100℃，不能用来生产蒸汽之类的高 热源，一般都通过循环冷却水冷却，介质中的低 废热最终排放到大气。\n[0007] 普遍采用的蒸发器，以升膜蒸发器、降膜蒸发器和升膜-降膜蒸发器居多，以蒸汽等高 热源提供从溶液中蒸发出溶剂的动力。\n发明内容\n[0008] 本发明所要解决的技术问题是：提供多部件组合的低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组，采用企业生产过程中需要冷却的众多介质（进机组热源介质温度可低于100℃，都是低 值热源）作为机组驱动热源，实现减少高 热源和冷却水消耗、降低溶液浓缩-纯化的能耗成本、就地消纳溶液蒸发得到的纯化液、以及对环境零排放等功能。\n[0009] 本发明的低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组，包括：\n[0010] a、流体输送设备为溶液循环泵和真空泵。\n[0011] b、换热—蒸发部件及容器，包括：原料液预热器、溶液蒸发器、循环溶液加热器、纯化液冷凝冷却器、纯化液水封槽。\n[0012] c、用于监控机组运行的仪表自动化系统等。\n[0013] 所述低 值热源选自：需要冷却或温度低于100℃的介质。\n[0014] 为了能够使用各种低 值热源作为本发明机组的热源，所述低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组在负压下操作。\n[0015] 所述机组在负压下操作是指：在机组部件的原料液预热器、溶液蒸发器、循环溶液加热器和纯化液冷凝冷却器中发生蒸发、冷凝过程的部位，其工作压力均为负压。\n[0016] 所述负压通常为600Pa（绝压）～100KPa（绝压）；优选600Pa（绝压）～60KPa（绝压）。\n[0017] 所述换热—蒸发部件及容器，这类部件可以集成于一个腔体内，各部件用隔板分隔，隔板上留有介质的通道；也可单独设置，部件之间通过管道连接。\n[0018] 所述换热—蒸发部件及容器，实际应用中，在这类部件内发生气液相变，并可利用部件下部的空间用于贮存液体，则称为液囊。\n[0019] 所述换热—蒸发部件及容器，液体通过部件内置的液体分布器分散分布到换热管束的一侧表面。\n[0020] 所述低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组是各组成部件的组合应用。\n[0021] 本发明解决技术问题的技术方案为：\n[0022] 原料液进入低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组内，首先在原料液预热器内与来自溶液蒸发器的汽体（发生蒸汽）换热后进入溶液蒸发器。\n[0023] 在溶液蒸发器中，原料液中的溶剂被蒸发为溶剂蒸汽，原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质同时受热分解和挥发。溶剂蒸汽和原料液溶质中的可分解盐类和/或可挥发物质受热分解和挥发后混合成为发生蒸汽进入原料液预热器。\n[0024] 进入原料液预热器的发生蒸汽用来加热原料液的同时，被部分冷凝，冷凝液积存于原料液预热器的液囊中；原料液预热器液囊中的冷凝液和部分未被冷凝的发生蒸汽从原料液预热器排入纯化液冷凝冷却器继续冷凝冷却后得到纯化液；纯化液经纯化液水封槽由纯化液出口排出机组。纯化液冷凝冷却器的冷源由冷却液进口进入机组，由冷却液出口排出机组。\n[0025] 溶液蒸发器和循环溶液加热器为一体化部件，中间溶液【原料液和部分浓缩（浆）液的混合液】的加热和蒸发过程在同一腔体内同时进行。\n[0026] 在溶液蒸发器中，原料液和部分浓缩（浆）液混合为中间溶液，从器体内置的液体分布器上淋于循环溶液加热器换热管束上；未被蒸发的溶剂和溶质流至溶液蒸发器液囊，成为浓缩（浆）液；部分浓缩（浆）液通过溶液循环泵再送回到循环溶液加热器/溶液蒸发器中加热—蒸发，籍以补充提供溶剂蒸发所需的蒸发潜热；多余部分浓缩（浆）液则排出；循环溶液加热器的热源是机组外供的低 热源。\n[0027] 在机组投用前启动真空泵，将机组腔体内部压力降低到工作压力，停真空泵；再向机组投料和供热、供冷；机组运行时，真空度依靠连续的蒸发—冷凝过程来保持，真空泵不需要连续运行；机组内积累的不凝性气体，不定期开启真空泵排出机组。\n[0028] 依据机组内浓缩（浆）液的温度，调节原料液加入量及机组供热量，就可以控制浓缩（浆）液中溶剂的含量。\n[0029] 机组的换热部件也可以不设有原料液预热器。则：原料液直接进入溶液蒸发器,由低 值热源预热；而发生蒸汽则直接进入纯化液冷凝冷却器。相应的，需要增加低 热源和冷却液的消耗量。\n[0030] 低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机机组内，原料液、中间溶液和浓缩（浆）液这三种介质，其溶剂含量依次降低，沸点则依次升高。\n[0031] 本发明所述原料液可以是多种成分组成的需浓缩-纯化的溶液，适用于易结晶、易发泡及蒸发时易结垢的溶液；特别适用于热敏性的溶液。\n[0032] 原料液如果是需要转移处理的副产废液，通过机组回收纯化溶剂后，就减少了需转移处理的废液数量。\n[0033] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：\n[0034] 1.本发明不采用蒸汽等高 值热源而采用温度低于100℃的低 值热源提供溶液中溶剂的蒸发动力，能耗成本降低；相应的，溶液在机组内的负压状态下进行蒸发，就降低了溶液的沸点。\n[0035] 2.机组部件的原料液预热器、溶液蒸发器、循环溶液加热器、纯化液冷凝冷却器、纯化液水封槽集成于一个腔体内，减小机组体积。\n[0036] 3.原料液进入机组时，不需要加热到沸点附近，在常温下即可进入机组。\n[0037] 4.原料液在机组内与发生蒸汽换热升温接近沸点，同时将部分发生蒸汽冷凝；机组内的真空度依靠连续的蒸发—冷凝过程来保持，真空泵不需要连续运行。\n[0038] 5.提高了对原料液的普适性：机组内浓缩（浆）液强制循环，可适用于易结晶、易发泡的溶液；由于机组采用低 值热源和真空蒸发，机组工作温度低，适用于热敏性的溶液；\n对于蒸发时易结垢的溶液，机组的结构便于对溶液蒸发器、循环溶液加热器的清洗。\n[0039] 6.由于机组在真空条件下运行，发生泄漏时，机组真空不能保持，可立即发现；且机组不会发生向外的泄漏，出现事故状态下的对环境零排放，环境安全性提高。\n附图说明\n[0040] 图1为本发明的低 热源驱动型溶液浓缩-纯化机组示意图。\n[0041] 图中，1-溶液循环泵；2-溶液蒸发器；3-低 热源出口；4-循环溶液加热器；5-低热源进口；6-隔板；7-原料液进口；8-原料液预热器；9-纯化液冷凝冷却器；10-真空泵；11-气体排出口；12-冷却液出口；13-冷却液进口；14-纯化液水封槽；15-纯化液出口；16-浓缩（浆）液出口。\n[0042] 其中，纯化液冷凝冷却器9、纯化液水封槽14与原料液预热器8、溶液蒸发器2、循环溶液加热器4集成于一个腔体内，为便于直观理解，图中分开画出。\n具体实施方式\n[0043] 下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。\n[0044] 实施例1：\n[0045] 原料液是含有Na2CO3、Na2S2O3、NaSCN的水溶液，每升含有950g水、120g钠盐，常压下沸点102℃，温度为25℃；浓缩（浆）液是钠盐的水溶液，每升含有150g水、120g钠盐，常压下沸点115℃；纯化液是水。\n[0046] 机组工作压强是890Pa（绝压）；在该压强下，原料液沸点62℃，浓缩（浆）液沸点70℃。\n[0047] 低 热源为需冷却的工艺介质如稀氨水，每升含970g水、20g氨及铵盐，物性与水近似，进口温度80℃、出口温度73℃；冷却液为工业循环冷却水，进口温度32℃、出口温度42℃。\n[0048] 25℃的原料液以1m3/h的流量从机组的原料液进口7进入原料液预热器8，与管外的65℃的发生蒸汽换热后达到62℃进入溶液蒸发器2；循环溶液加热器4内置于溶液蒸发器\n2的腔体中，经发生蒸汽换热后达到62℃的原料液经液体分布器喷淋到循环溶液加热器4的换热管束壁面上，通过吸收管束内热源介质的热量，在管束壁面边呈膜状流动,同时进行蒸发；溶液蒸发器2的工作压强是1333Pa（绝压）；在溶液蒸发器2中，溶液中的800Kg/h水被蒸发为65℃的发生蒸汽一起排到机组上部（隔板6以上部位）的原料液预热器8中；在溶液蒸发器2中，270Kg/h浓缩（浆）液流至溶液蒸发器2的液囊，温度为70℃；溶液循环泵1从溶液蒸发器2的液囊抽出大约50m3/h的浓缩（浆）液进行强制循环，喷淋到循环溶液加热器4的换热管束壁面上利用低 热源加热，低 热源加热的同时，原料液中溶剂在溶液蒸发器2中蒸发；\n多余的浓缩（浆）液通过浓缩（浆）液出口16排出。循环溶液加热器4的热源是机组外供的稀氨水，温度80℃、流量为67.4m3/h，由热源进口5进入机组，由热源出口3排出机组，籍以提供溶剂蒸发所需的蒸发潜热；隔板6将机组腔体内分为上下两部分：上部是原料液预热器8，下部是溶液蒸发器2和循环溶液加热器4；隔板6上留有发生蒸汽的通道，导引溶液蒸发器2内的发生蒸汽排出；原料液预热器8下部有液囊，用于积存发生蒸汽与原料液预热器8内原料液换热后所产生的冷凝液，冷凝液的温度为65℃；原料液预热器8下部液囊中的冷凝液（66.7Kg/h）和部分未被冷凝的发生蒸汽（733.3Kg/h）排入纯化液冷凝冷却器9继续冷凝冷却后得到纯化液—水，温度约为35℃；纯化液冷凝冷却器9的工作压力是890Pa(绝压)；纯化液冷凝冷却器9的冷源是工业循环冷却水，流量43.7m3/h，由冷却液进口13进入机组，温度\n32℃，由冷却液出口12排出机组，温度42℃；800Kg/h的纯化液经纯化液水封槽14由纯化液出口15排出机组。\n[0049] 机组内积累的不凝性气体使得机组真空度有所下降时，如机组工作压力升高至\n1033Pa（绝压）时，启动真空泵10通过气体排出口11将不凝性气体排出机组，待机组工作压力降低到890Pa（绝压）时，停真空泵10。\n[0050] 实施例2：\n[0051] 当原料液浓度升高时，每升含有930g水、145g钠盐，也就是单位时间里需要蒸发的溶剂量减少。如维持机组的原料液加入量、供热量、冷却水量不变，则溶液蒸发器2液囊内浓缩（浆）液的温度会持续升高，排出的浓缩（浆）液中溶剂的含量会持续降低。\n[0052] 此时，以溶液蒸发器2液囊内浓缩（浆）液的温度为依据，或增加原料液的投料量、或减少对循环溶液加热器4的供热量和纯化液冷凝冷却器9的供冷量，将浓缩（浆）液的温度控制到预设范围，即70℃左右，即可控制好浓缩（浆）液中溶剂的含量。\n[0053] 实施例3：\n[0054] 机组清洗前，首先停止向机组投料和供热、供冷；然后排出机组内积存的液体；开始对机组的溶液蒸发器2、循环溶液加热器4和原料液预热器8的壁面和腔体内部的液体分布器进行清洗：沿机组的原料液路径和浓缩（浆）液强制循环的路径，通入清水冲洗、化学清洗剂清洗，待化学清洗完成后再用清水冲洗；随后通入氮气将机组内残存的液体压出、吹干水汽后检漏。\n[0055] 检漏合格后，启动真空泵10通过气体排出口11将不凝性气体排出机组，待机组工作压力降低到接近500Pa（绝压）时，停真空泵10；机组可以重新投入使用。\n[0056] 实施例4：\n[0057] 原料液是含有NH4HCO3、NH4HS、(NH4)2S2O3、NH4SCN的水溶液，每升含有750g水、270g铵盐，温度为25℃；NH4HCO3、NH4HS为65℃下即可全部分解挥发的溶质，常压下溶剂沸点100℃；浓缩（浆）液是该种盐的水溶液，每升含有200g水、120g铵盐，常压下沸点102℃；纯化液是氨水。\n[0058] 机组工作压强是39.5KPa（绝压）；在该压强下，原料液中溶剂沸点75.6℃，浓缩（浆）液沸点78℃。\n[0059] 低 热源为锅炉排污水和蒸汽冷凝水的混合液，即余热水，进口温度95℃、出口温度85℃；冷却液为工业循环冷却水，进口温度32℃、出口温度42℃。\n[0060] 25℃的原料液以1m3/h的流量从机组的原料液进口7进入原料液预热器8，与管外的76℃的发生蒸汽换热后达到73℃进入溶液蒸发器2；循环溶液加热器4内置于溶液蒸发器\n2的腔体中，经发生蒸汽换热后达到73℃的原料液经液体分布器喷淋到循环溶液加热器4的换热管束壁面上，通过吸收管束内热源介质的热量，在管束壁面边呈膜状流动,同时进行蒸发；溶液蒸发器2的工作压强是40KPa（绝压）；在溶液蒸发器2中，溶液中的550Kg/h水被蒸发为76℃的水蒸汽、溶质中150Kg/h的NH4HCO3、NH4HS则分解挥发，混合为发生蒸汽一起排到机组上部（机组内隔板6以上部位）的原料液预热器8中；在溶液蒸发器2中，320Kg/h浓缩（浆）液流至溶液蒸发器2的液囊，温度为78℃；溶液循环泵1从溶液蒸发器2的液囊抽出30m3/h的浓缩（浆）液进行强制循环，喷淋到循环溶液加热器4的换热管束壁面上利用低 热源加热，低 热源加热的同时，原料液中溶剂在溶液蒸发器2中蒸发；多余的浓缩（浆）液通过浓缩（浆）液出口16排出。循环溶液加热器4的热源是机组外供的余热水，温度95℃、流量为\n30.8m3/h，由热源进口5进入机组，由热源出口3排出机组，籍以提供溶剂蒸发所需的蒸发潜热；隔板6将机组腔体内分为上下两部分：上部是原料液预热器8，下部是溶液蒸发器2和循环溶液加热器4；隔板6上留有发生蒸汽的通道，导引下方溶液蒸发器2内的发生蒸汽排出，原料液预热器8下部有液囊，用于积存发生蒸汽与原料液预热器8内原料液换热后所产生的冷凝液，冷凝液的温度为76℃；原料液预热器8下部液囊中的冷凝液（65.0Kg/h）和部分未被冷凝的发生蒸汽（635Kg/h）排入纯化液冷凝冷却器9继续冷凝冷却后得到纯化液—氨水（593Kg/h），温度约为35℃；纯化液冷凝冷却器9的工作压力是39.5KPa(绝压)；纯化液冷凝冷却器9的冷源是工业循环冷却水，流量28.6m3/h，由冷却液进口13进入机组，温度32℃，由冷却液出口12排出机组，温度42℃；纯化液经纯化液水封槽14由纯化液出口15排出机组。\n[0061] 由于NH4HCO3、NH4HS分解出的CO2和H2S在纯化液冷凝冷却器9中不能全部转移到纯化液内，机组内有107Kg/h的不凝性气体积累，运行一段时间后，使得机组真空度有所下降；\n在机组工作压力升高至39.8KPa（绝压）时，启动真空泵10通过气体排出口11将不凝性气体排出机组；待机组工作压力降低到39.5KPa（绝压）时，停真空泵10。\n[0062] 本发明实施例1～4的技术效果如下：\n[0063] (1)能耗成本降低：\n[0064] 本发明不采用蒸汽等高 值热源，而采用温度低于100℃的低 值废热源提供溶液中溶剂的蒸发动力，在真空条件下蒸发，降低了原料液和机组内溶液的沸点。以实施例1为参考，对比以蒸汽为热源的溶液蒸发器，能耗成本降低情况是：\n[0065] a)节约加热蒸汽消耗0.88t/（t原料液），价格以120元/（t蒸汽）计；\n[0066] b)增加冷源和热源输送电耗约35KW/（t原料液），电价以0.7元/KWh计；\n[0067] a)、b)两项合计，成本降低81.6元/（t原料液）。\n[0068] (2)机组功能集成：\n[0069] 机组部件的原料液预热器8、溶液蒸发器2、循环溶液加热器4、纯化液冷凝冷却器\n9、纯化液水封槽14等集成于一个腔体内，减小机组体积；机组内的真空度依靠连续的蒸发—冷凝过程来保持，真空泵不需要连续运行；原料液在机组内通过连续的蒸发—冷凝过程，同时得到溶质的浓缩（浆）液和溶剂的纯化液。\n[0070] (3)运行效果：\n[0071] 提高对原料液的普适性：机组内浓缩（浆）液强制循环，可适用于易结晶、易发泡的溶液；由于机组采用低 值热源和真空蒸发，机组工作温度低，适用于热敏性的溶液；对于蒸发时易结垢的溶液，机组结构便于对换热和蒸发部件的清洗。\n[0072] 由于机组在真空条件下运行，发生泄漏时，机组真空不能保持，可立即发现；且机组不会发生向外的泄漏，出现事故状态下的对环境零排放，环境安全性提高。