一种冷凝系统及冷凝方法与流程

本发明涉及渗透汽化技术领域，尤其涉及一种应用于渗透汽化膜系统的冷凝系统及冷凝方法。

背景技术：

渗透汽化(pervaporation，pv)是一种新型膜分离技术。该技术用于液体混合物的分离，其突出优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统方法难于完成的分离任务。它特别适用于普通精馏难于分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除，对废水中少量有机污染物的分离有明显的经济上和技术上的优势。渗透汽化膜分离技术是利用有机溶剂和水(或溶剂中的不同组分)在致密膜中的溶解性(热力学性质)和扩散性(动力学性质)的不同，使水(或某一组分)透过膜，然后在膜的另一侧汽化，从而实现分离过程；水(或某一组分)在膜的另一侧汽化后需经冷凝后再排放。

然而，渗透汽化膜分离技术存在一些缺陷。如渗透汽化系统膜组件进料需加热至特定温度，需要消耗能量。渗透汽化系统膜组件另一侧汽化后的气体则需冷凝，冷凝设备在制冷循环过程中冷凝器散发的热量直接排入大气中，损失了热量，造成了热污染。

此外，渗透汽化膜组件真空侧透过的是混合气体，如何实现目标物的高效回收是现有技术存在的难题。

因此，亟需一种对制冷循环过程中的热量回收、提高冷凝效率和目标物的回收率、减少能耗和占地面积的用于渗透汽化膜系统的冷凝系统。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种冷凝系统及冷凝方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种冷凝系统，应用于渗透汽化膜系统，包括：

压缩设备；

余热回收设备，所述余热回收设备与压缩设备通过管路连通，在连通所述余热回收设备与所述压缩设备的管路上设置有第一阀门；

散热设备，所述散热设备分别与所述压缩设备和所述余热回收设备通过管路连通，在该管路上设置有第二阀门；

干燥设备，所述干燥设备与所述散热设备通过管路连通；

第一换热设备，所述第一换热设备与所述干燥设备通过管路连通，在该管路上设置有第三阀门和第一膨胀阀门；

第二换热设备，所述第二换热设备分别与所述干燥设备和所述第一换热设备通过管路连通，在连通所述第二换热设备和所述干燥设备的管路上设置有第四阀门和第二膨胀阀门；

汽液分离设备，所述气液分离设备分别与所述压缩设备、所述第一换热设备和所述第二换热设备通过管路连通。

优选地，所述余热回收设备包括：

进料进口；

进料出口，所述进料出口与所述进料进口连通，形成进料管路；

制冷剂第一进口，所述制冷剂第一进口与所述压缩设备通过管路连通，在该管路上设置有所述第一阀门；

制冷剂第一出口，所述制冷剂第一出口与所述制冷剂第一进口连通，形成制冷剂第一管路，所述制冷剂第一出口与所述散热设备通过管路连通；

所述进料管路与所述制冷剂第一管路不连通。

优选地，所述散热设备包括：

制冷剂第二进口，所述制冷剂第二进口与所述压缩设备通过管路连通，在该管路上设置有所述第二阀门，所述制冷剂第二进口与所述制冷剂第一出口通过管路连通；

制冷剂第二出口，所述制冷剂第二出口与所述制冷剂第二进口连通，形成制冷剂第二管路，所述制冷剂第二出口与所述干燥设备通过管路连通。

优选地，所述第一换热设备包括：

渗透汽化气体第一进口；

渗透汽化气体第一出口，所述渗透汽化气体第一出口与所述渗透汽化气体第一进口连通，形成渗透汽化气体第一管路；

制冷剂第三进口，所述制冷剂第三进口与所述干燥设备通过管路连通，在该管路上设置有所述第三阀门和所述第一膨胀阀门；

制冷剂第三出口，所述制冷剂第三出口与所述制冷剂第三进口连通，形成制冷剂第三管路，所述制冷剂第三出口与所述汽液分离设备通过管路连通；

所述渗透汽化气体第一管路与所述制冷剂第三管路不连通。

优选地，所述第二换热设备包括：

渗透汽化气体第二进口；

渗透汽化气体第二出口，所述渗透汽化气体第二出口与所述渗透汽化气体第二进口连通，形成渗透汽化气体第二管路，所述渗透汽化气体第二出口与所述渗透汽化气体第一进口通过管路连通；

制冷剂第四进口，所述制冷剂第四进口与所述干燥设备通过管路连通，在该管路上设置有所述第四阀门和所述第二膨胀阀门；

制冷剂第四出口，所述制冷剂第四出口与所述制冷剂第四进口连通，形成制冷剂第四管路，所述制冷剂第四出口与所述汽液分离设备通过管路连通；

所述渗透汽化气体第二管路与所述制冷剂第四管路不连通。

优选地，还包括：

高低压储液设备，所述高低压储液设备分别与所述散热设备和所述干燥设备通过管路连通。

优选地，还包括：

蒸发压力调节阀门，所述蒸发压力调节阀门设置在连通所述第二换热设备和所述汽液分离设备的管路。

优选地，所述蒸发压力调节阀门设置在连通所述第二换热设备的所述制冷剂第四出口和所述汽液分离设备的管路上。

优选地，还包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述第一换热设备；

第二温度传感器，所述第二温度传感器设置在所述第二换热设备；

第三温度传感器，所述第三温度传感器设置在所述余热回收设备；

第四温度传感器，所述第四温度传感器设置在所述散热设备。

优选地，所述第一温度传感器设置在所述第一换热设备的所述渗透汽化气体第一出口。

优选地，所述第二温度传感器设置在所述第二换热设备的所述渗透汽化气体第二出口。

优选地，所述第三温度传感器设置在所述余热回收设备的所述进料进口。

优选地，所述第四温度传感器设置在所述散热设备的所述制冷剂第二进口。

优选地，还包括：

视镜设备，所述视镜设备设置在连通所述干燥设备分别与所述第一换热设备和所述第二换热设备的管路上。

优选地，还包括：

风扇，所述风扇设置在所述散热设备。

一种冷凝方法，应用于如上所述的冷凝系统，包括以下步骤：

步骤s1、在渗透汽化气体的作用下，所述第一换热设备和所述第二换热设备将制冷剂汽化，得到第一制冷剂，所述第一制冷剂通过管路被输送至所述汽液分离设备；

步骤s2、所述汽液分离设备对所述第一制冷剂进行汽液分离处理，得到第二制冷剂，所述第二制冷剂通过管路被输送至所述压缩设备；

步骤s3、所述压缩设备对所述第二制冷剂进行压缩处理，得到第三制冷剂，所述第三制冷剂通过管路被输送至所述散热设备和所述余热回收设备；

步骤s4、所述第三制冷剂经所述散热设备和所述余热回收设备的组合处理后，得到第四制冷剂，所述第四制冷剂通过管路被输送至所述干燥设备；

步骤s5、所述干燥设备对所述第四制冷剂进行干燥处理后，得到所述制冷剂，所述制冷剂通过管路被输送至所述第一换热设备和所述第二换热设备。

优选地，在步骤s1中，包括以下步骤：

步骤s110、开启所述第三阀门和所述第四阀门，所述制冷剂经所述第一膨胀阀门和所述第二膨胀阀门后分别进入所述第一换热设备和所述第二换热设备，所述渗透汽化气体依次进入所述第二换热设备和所述第一换热设备并与所述制冷剂进行热交换；

步骤s120、通过第一温度传感器检测所述第一换热设备的第一汽化气体出口的所述渗透汽化气体的第一温度，以及通过第二温度传感器检测所述第二换热设备的第二汽化气体出口的所述渗透汽化气体的第二温度；

步骤s130、将所述第一温度与第一预设值进行对比，将所述第二温度与第二预设值进行对比：

若所述第一温度大于所述第一预设值时，开启所述第三阀门，若所述第一温度等于所述第一预设值时，关闭所述第三阀门；

若所述第二温度大于所述第二预设值时，开启所述第四阀门，若所述第二温度等于所述第二预设值时，关闭所述第四阀门；

若所述第一温度和所述第二温度同时分别等于所述第一预设值和所述第二预设值时，关闭所述第三阀门、所述第四阀门和所述压缩设备。

优选地，所述第一预设值大于所述第二预设值。

优选地，在所述步骤s110中，包括以下步骤：

步骤s111、调节所述第一膨胀阀门和所述第二膨胀阀门，使进入所述第一换热设备的所述制冷剂的温度小于进入所述第二换热设备的所述制冷剂的温度；

步骤s112、在所述第二换热设备内，所述制冷剂与所述渗透汽化气体进行热交换，得到所述第一制冷剂，在所述第一换热设备内，所述制冷剂与所述渗透汽化气体进行热交换，得到所述第一制冷剂；

步骤s113、通过蒸发压力调节阀门调节所述第二换热设备输出的所述第一制冷剂的压力，所述第二换热设备输出的所述第一制冷剂与所述第一换热设备输出的所述第一制冷剂混合后通过管路被输送至所述汽液分离设备。

优选地，在步骤s4中，包括以下步骤：

步骤s410、渗透汽化系统的进料进入所述余热回收设备，空气进入所述散热设备；

步骤s420、通过第三温度传感器检测所述进料的第三温度；

步骤s430、将所述第三温度与第三预设值进行对比：

若所述第三温度低于第三预设值，开启所述第一阀门，关闭所述第二阀门，使所述第三制冷剂依次进入所述余热回收设备和所述散热设备，所述第三制冷剂依次与所述进料和所述空气进行热交换，得到所述第四制冷剂，所述第四制冷剂通过管路被输送至所述干燥设备；

若所述第三温度高于所述第三预设值，开启所述第二阀门，关闭所述第一阀门，所述第三制冷剂进入所述散热设备；

步骤s440、通过第四温度传感器检测所述散热设备的制冷剂第二进口的所述第三制冷剂的第四温度；

步骤s450、将所述第四温度与第四预设值进行对比：

若所述第四温度高于所述第四预设值，开启所述散热设备的风扇，所述将所述第三制冷剂与所述空气进行热交换，得到所述第四制冷剂，所述第四制冷剂通过管路被输送至所述干燥设备；

若所述第四温度低于所述第四预设值，关闭所述散热设备的所述风扇，所述第三制冷剂无需与所述空气进行热交换，所述第三制冷剂通过管路被输送至所述干燥设备。

优选地，在所述步骤s4中，所述第四制冷剂通过管路被输送至高低压储液设备，所述高低压储液设备将所述第四制冷剂通过管路输送至所述干燥设备。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的一种冷凝系统及冷凝方法，进行余热回收，有效利用压缩设备压缩后的高温高压气体的余热，散热设备功耗降低；对渗透汽化气体进行分级冷凝；渗透汽化气体直接与制冷剂进行换热冷凝，与现有的通过水或其他溶剂间接进行换热冷凝相比较，能够节省设备投资、运行能耗和占地面积。

附图说明

图1是本发明的一个示意性实施例的示意图。

其中的附图标记为：压缩设备1、第一阀门2、第二阀门3、余热回收设备4、散热设备5、风扇6、高低压储液设备7、干燥设备8、视镜设备9、第三阀门10、第一膨胀阀门11、第一温度传感器12、第一换热设备13、第四阀门14、第二膨胀阀门15、第二温度传感16、第二换热设备17、蒸发压力调节阀门18、汽液分离设备19、第三温度传感器20、第四温度传感器21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

冷凝系统

本发明的一个示意性实施例，如图1所示，一种冷凝系统，包括压缩设备1、余热回收设备4、散热设备5、干燥设备8、第一换热设备13、第二换热设备17和汽液分离设备19，压缩设备1分别与余热回收设备4、散热设备5和汽液分离设备19通过管路连通，余热回收设备4与散热设备5通过管路连通，干燥设备8分别与散热设备5、第一换热设备13和第二换热设备17通过管路连通，汽液分离设备19分别与第一换热设备13、第二换热设备17和压缩设备1通过管路连通。

压缩设备1包括压缩进口和压缩出口，压缩进口设置在压缩设备1的下部，压缩出口设置在压缩设备1的上部。

进一步地，压缩设备1为压缩机。

余热回收设备4包括进料进口、进料出口、制冷剂第一进口和制冷剂第一出口，进料进口和制冷剂第一出口设置在余热回收设备4的下部，进料出口和制冷剂第一进口设置在余热回收设备4的上部，进料进口和进料出口通过管路连通以形成进料管路，制冷剂第一进口和制冷剂第一出口通过管路连通以形成制冷剂第一管路，进料管路和制冷剂第一管路不连通。

制冷剂第一进口与压缩设备1的压缩出口通过管路连通，制冷剂第一出口与散热设备5通过管路连通。

在制冷剂第一进口与压缩出口连通的管路上设置有第一阀门2。

进一步地，第一阀门2为电磁阀。

进一步地，在余热回收设备4的进料进口设置有第三温度传感器20，用于检测进料温度。

散热设备5包括空气进口、空气出口、制冷剂第二进口和制冷剂第二出口，空气进口和制冷剂第二进口设置在散热设备5的下部，空气出口和制冷剂第二出口设置在散热设备5的上部，空气进口和空气出口连通以形成空气管路，制冷剂第二进口和制冷剂第二出口连通以形成制冷剂第二管路，空气管路与制冷剂第二管路不连通。

制冷剂第二进口与压缩设备1的压缩出口通过管路连通，制冷剂第二进口与余热回收设备4的制冷剂第一出口通过管路连通，制冷剂第二出口与干燥设备8通过管路连通。

在制冷剂第二进口与压缩出口连通的管路上设置有第二阀门3。

进一步地，散热设备5还包括风扇6，风扇6设置在散热设备5的上部，通过风扇6，冷空气从空气进口进入，热空气从空气出口排出。

进一步地，第二阀门3为电磁阀。

进一步地，在散热设备5的制冷剂第二进口位置设置有第四温度传感器21，用于检测第三制冷剂的温度。

干燥设备8包括干燥进口和干燥出口，干燥进口与散热设备5的制冷剂第二出口通过管路连通，干燥出口分别与第一换热设备13和第二换热设备17通过管路连通。

进一步地，干燥设备8为干燥器。

进一步地，冷凝系统还包括高低压储液设备7，高低压储液设备7分别与散热设备5和干燥设备8通过管路连通。

高低压储液设备7包括储液进口和储液出口，储液进口与散热设备5的制冷剂第二出口通过管路连通，储液出口与干燥设备8的干燥进口通过管路连通。

第一换热设备13包括渗透汽化气体第一进口、渗透汽化气体第一出口，制冷剂第三进口和制冷剂第三出口，渗透汽化气体第一进口设置在第一换热设备13的下部，渗透汽化气体第一出口设置在第一换热设备13的上部，制冷剂第三进口设置在第一换热设备13的顶部，制冷剂第三出口设置在第一换热设备13的底部，渗透汽化气体第一进口和渗透汽化气体第一出口连通以形成渗透汽化气体第一管路，制冷剂第三进口与制冷剂第三出口连通以形成制冷剂第三管路，渗透汽化气体第一管路与制冷剂第三管路不连通。

制冷剂第三进口与干燥设备8的干燥出口通过管路连通，制冷剂第三出口与汽液分离设备19通过管路连通，渗透汽化气体第一进口与第二换热设备17通过管路连通。

在制冷剂第三进口与干燥出口连通的管路上依次设置有第三阀门10和第一膨胀阀门11，其中，第三阀门10设置在管路的上游，第一膨胀阀门11设置在管路的下游。

在渗透汽化气体第一出口位置设置有第一温度传感器12。

进一步地，第三阀门10为电磁阀。

第二换热设备17包括渗透汽化气体第二进口、渗透汽化气体第二出口，制冷剂第四进口和制冷剂第四出口，渗透汽化气体第二进口设置在第二换热设备17的下部，渗透汽化气体第二出口设置在第二换热设备17的上部，制冷剂第四进口设置在第二换热设备6的顶部，制冷剂第四出口设置在第二换热设备17的底部，渗透汽化气体第二进口和渗透汽化气体第二出口连通以形成渗透汽化气体第一管路，制冷剂第四进口与制冷剂第四出口连通以形成制冷剂第四管路，渗透汽化气体第二管路与制冷剂第四管路不连通。

制冷剂第四进口与干燥设备8的干燥出口通过管路连通，制冷剂第四出口与汽液分离设备19通过管路连通，渗透汽化气体第二出口与第二换热设备的渗透汽化气体第一进口通过管路连通。

在制冷剂第四进口与干燥出口连通的管路上依次设置有第四阀门14和第二膨胀阀门15，其中，第四阀门14设置在管路的上游，第二膨胀阀门15设置在管路的下游。

在渗透汽化气体第二出口位置设置有第二温度传感器16。

进一步地，第四阀门14为电磁阀。

进一步地，冷凝系统还包括视镜设备9，视镜设备9设置在干燥设备8分别与第一换热设备13和第二换热设备17连通的管路上。

具体地，干燥设备8的干燥出口与一主管路连通，主管路分别与两支管路连通，其中一支管路与第一换热设备13连通，另一支管路与第二换热设备17连通，视镜设备9设置在主管路上，第三阀门10和第一膨胀阀门11设置在一支管路上，第四阀门14和第二膨胀阀门15设置在另一支管路上。

汽液分离设备19包括分离进口和分离出口，分离进口分别与第一换热设备13的制冷剂第三出口和第二换热设备17的制冷剂第四出口通过管路连通，分离出口与压缩设备1的压缩进口通过管路连通。

进一步地，冷凝系统还包括蒸发压力调节阀门18，蒸发压力调节阀门18设置在第二换热设备17与汽液分离设备19连通的管路上。

进一步地，通过plc控制第一阀门2、第二阀门3、第三阀门10、第四阀门14和压缩设备1。

冷凝方法

应用于上述冷凝系统的冷凝方法，包括以下步骤：

步骤s1、在渗透汽化气体的作用下，第一换热设备13和第二换热设备17将制冷剂汽化，得到第一制冷剂，第一制冷剂通过管路被输送至汽液分离设备19；

步骤s2、汽液分离设备19对第一制冷剂进行汽液分离处理，得到第二制冷剂，第二制冷剂通过管路被输送至压缩设备1；

步骤s3、压缩设备1对第二制冷剂进行压缩处理，得到第三制冷剂，第三制冷剂通过管路被输送至散热设备5和余热回收设备4；

步骤s4、第三制冷剂经散热设备5和余热回收设备4的组合处理后，得到第四制冷剂，第四制冷剂通过管路被输送至干燥设备8；

步骤s5、干燥设备8对第四制冷剂进行干燥处理后，得到制冷剂，制冷剂通过管路被输送至第一换热设备13和第二换热设备17。

进一步地，步骤s110、开启第三阀门10和第四阀门14，制冷剂经第一膨胀阀门11和第二膨胀阀门15后分别进入第一换热设备13和第二换热设备17，渗透汽化气体依次进入第二换热设备17和第一换热设备13并与制冷剂进行热交换；

步骤s120、通过第一温度传感器12检测第一换热设备13的第一汽化气体出口的渗透汽化气体的第一温度，以及通过第二温度传感器16检测第二换热设备17的第二汽化气体出口的渗透汽化气体的第二温度；

步骤s130、将第一温度与第一预设值进行对比，将第二温度与第二预设值进行对比：

若第一温度大于第一预设值时，开启第三阀门10，若第一温度等于第一预设值时，关闭第三阀门10；

若第二温度大于第二预设值时，开启第四阀门14，若第二温度等于第二预设值时，关闭第四阀门14；

若所第一温度和第二温度同时分别等于第一预设值和第二预设值时，关闭第三阀门10、第四阀门14和压缩设备。

进一步地，第一预设值大于第二预设值。

进一步地，在步骤s110中，包括以下步骤：

步骤s111、调节第一膨胀阀门11和第二膨胀阀门15，使进入第一换热设备13的制冷剂的温度小于进入第二换热设备17的制冷剂的温度；

步骤s112、在第二换热设备17内，制冷剂与渗透汽化气体进行热交换，得到第一制冷剂，在第一换热设备13内，制冷剂与渗透汽化气体进行热交换，得到第一制冷剂；

步骤s113、通过蒸发压力调节阀门18调节第二换热设备17输出的第一制冷剂的压力，第二换热设备17输出的第一制冷剂与第一换热设备13输出的第一制冷剂混合后通过管路被输送至汽液分离设备。

进一步地，在步骤s4中，包括以下步骤：

步骤s410、渗透汽化系统的进料进入余热回收设备4，空气进入散热设备5；

步骤s420、通过第三温度传感器20检测进料的第三温度；

步骤s430、将第三温度与第三预设值进行对比：

若第三温度低于第三预设值，开启第一阀门2，关闭第二阀门3，使第三制冷剂依次进入余热回收设备4和散热设备5，第三制冷剂依次与进料和空气进行热交换，得到第四制冷剂，第四制冷剂通过管路被输送至干燥设备8；

若第三温度高于第三预设值，开启第二阀门3，关闭第一阀门2，第三制冷剂进入散热设备5，第三制冷剂与空气进行热交换，得到第四制冷剂，第四制冷剂通过管路被输送至干燥设备8；

步骤s440、通过第四温度传感器21检测散热设备5的制冷剂第二进口的第三制冷剂的第四温度；

步骤s450、将第四温度与第四预设值进行对比：

若第四温度高于第四预设值，开启散热设备5的风扇6，第三制冷剂与空气进行热交换，得到第四制冷剂，第四制冷剂通过管路被输送至干燥设备8；

若第四温度低于第四预设值，关闭散热设备5的风扇6，第三制冷剂无需与空气进行热交换，第三制冷剂通过管路被输送至干燥设备8。

进一步地，在步骤s4中，第四制冷剂通过管路被输送至高低压储液设备7，高低压储液设备7将第四制冷剂通过管路输送至干燥设备8。

进一步地，在步骤s4中，第三制冷剂通过管路被输送至高低压储液设备7，高低压储液设备7将第三制冷剂通过管路输送至干燥设备8。

本发明的优点在于，利用压缩机处理后的高压气体与渗透汽化系统的进料进行换热，实现余热回收，散热设备功耗降低；将制冷剂直接与渗透汽化气体进行换热冷凝，利用第一换热设备和第二换热设备进行分级冷凝，先冷凝低沸点气体，再冷凝高沸点气体，从而实现高纯度有机液体的回收利用。

实施例2

本实施例为本发明的冷凝系统的实际应用。

某含10％n,n二甲基甲酰胺(dmf)废水，加入到渗透汽化膜系统的进料罐，开启进料循环泵、加热器和冷凝系统，先通过电加热和冷凝余热回收将进料温度加热至设定温度50℃，然后关闭电加热，通过余热回收和保温实现进料温度维持在设定温度50℃；冷凝系统的第一级冷凝温度(第二换热设备17)设置为10℃，第二级冷凝温度(第一换热设备13)设置0℃，然后开启真空泵，dmf透过渗透汽化膜经过冷凝回收，第一级冷凝液dmf含率达到50％，第二级冷凝液dmf含率为5％，重新返回进料罐进一步渗透汽化。

通过本技术方案，能耗减少30％，dmf回收率达到80％，冷凝效率达到95％。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。