一种基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统的制作方法

本发明涉及一种基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统，属于化工分离与节能减排技术领域。

背景技术：

环境与能源问题是本世纪人类最大的问题之一。随着社会发展的需要，节能减排必然成为新时代工业的发展趋势。氢氧化钠溶液作为一种常见的化工原料，在各类化工工业的生产工艺中至关重要。通常工艺过程结束后，以稀溶液存在的氢氧化钠溶液被当作废液排放到自然环境中，既造成了环境污染，又导致了能源资源的浪费，与节能减排的要求不符。传统的热泵循环中制冷剂冷凝温在度40℃以上，高于具有一定负压的容器内碱液的沸点，从而蒸发得以继续，利用热泵循环的冷凝热来蒸发碱液是可行的。通过理论计算指出，相同的工况下热泵循环系统的产生的热能高于的锅炉产生的一次蒸汽冷凝放出的热能，所以采用热泵循环作为热源的碱液蒸发循环系统相比以一次蒸汽作为热源的碱液蒸发系统能在系统能效(cop)方面得到提升。在碱液蒸发系统中，单效蒸发流程的单位能耗蒸发量(smer)较低，没能进一步的做到对二次蒸汽热能的利用，为了解决这个问题，本发明做了有益改进：系统采用了双效蒸发模式，即采用一效碱液蒸发器碱液蒸发浓缩过程产生的二次蒸汽作为二效碱液蒸发器碱液蒸发浓缩的加热热源，蒸发浓缩二效碱液蒸发器内的碱液，所以相比于单效碱液蒸发流程，双效碱液蒸发流程提高了碱液蒸发过程的单位能耗蒸发量(smer)，实现了对热能的二次进一步，从而达到节能减排的效果；碱液蒸发浓缩系统采用双效碱液蒸发模式，增大了浓缩温度与二次蒸汽冷凝温度之间的温差，从而使得热泵吸热侧与放热侧温度所对应的热泵工质的相变压力能与目前热泵系统压缩机压比相匹配，很好地解决了选择与系统匹配的热泵压缩机压比所存在的瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统，该系统把双效技术应用于碱液浓缩(吸热蒸发)和蒸发气体(放热冷凝)的工艺中，充分利用热泵循环高温端的冷凝热对碱液进行蒸发，并采用双效蒸发流程提高碱液单位能耗蒸发量，实现对循环系统热能的二次利用，且二效碱液蒸发器内碱液蒸发产生的二次蒸汽利用热泵循环的低温端冷凝，达到碱液再利用与热能回收的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统，该循环系统包括热泵回路、碱液回路、蒸汽及冷凝水回路三个子回路，其中：

热泵回路包括：热泵压缩机、板式换热器、制冷剂冷凝盘管、制冷剂储液罐、热力膨胀阀、制冷剂蒸发盘管；所述热泵压缩机的排气口与板式换热器的制冷剂进口相连，制冷剂冷凝盘管的进口与板式换热器的制冷剂出口相连，制冷剂储液罐的进口与制冷剂冷凝盘管的出口相连，制冷剂蒸发盘管的进口与制冷剂储液罐的出口通过热力膨胀阀相连，制冷剂蒸发盘管的出口与热泵压缩机的吸气口相连；

碱液回路包括：碱液流量控制阀、一效碱液喷淋水泵、二效碱液喷淋水泵、一效碱液蒸发器、二效碱液蒸发器、冷凝蒸发器、第一阀门、第二阀门、浓溶液排出泵、第四阀门、真空泵、u型溢流管，其中，二效碱液蒸发器包括存液环，二效碱液蒸发器位于一效碱液蒸发器的上方；所述二效碱液喷淋水泵的碱液吸入口分为两路，一路由原料液输入端经碱液流量控制阀与碱液吸入口连接，另一路由二效碱液蒸发器的存液环与碱液吸入口连接，原料液与来自二效碱液蒸发器内的碱液汇合，并由二效碱液喷淋水泵输入二效碱液蒸发器顶部喷淋，在冷凝蒸发器上表面进行蒸发，蒸发后的碱液流入存液环；二效碱液蒸发器的碱液出口与一效碱液蒸发器的碱液入口经u型溢流管相连，一效碱液蒸发器的一个碱液出口经第二阀门与浓溶液排出泵相连，另一个碱液出口与一效碱液喷淋水泵相连，一效碱液蒸发器内的碱液由一效碱液喷淋水泵输入一效碱液蒸发器顶部喷淋，并在制冷剂冷凝盘管外表面蒸发；一效碱液喷淋水泵与二效碱液喷淋水泵经第一阀门相连，一效碱液蒸发器和二效碱液蒸发器上部侧面均设有抽真空接口，一效碱液蒸发器的抽真空接口、二效碱液蒸发器的抽真空接口分别通过第四阀门与真空泵相连；

蒸汽及冷凝水回路包括：一效冷凝水托盘、二效冷凝水托盘、冷凝水排出泵、第三阀门；一效冷凝水托盘的出口与二效冷凝水盘的出口并联连接后与冷凝水排出泵的进口相连，冷凝水由冷凝水排出泵出口经第三阀门排出。

作为本发明的一种优选方案，所述热泵回路中，制冷剂由热泵压缩机的排气口排出，经过板式换热器换热后从制冷剂冷凝盘管的进口进入，在制冷剂冷凝盘管内经过多次往返后液化，液化后的制冷剂由制冷剂冷凝盘管的出口排出，送入制冷剂储液罐，再经过热力膨胀阀节流降压，由制冷剂蒸发盘管的进口送入，在制冷剂蒸发盘管内经过多次往返后汽化，汽化后的制冷剂由制冷剂蒸发盘管的出口排出，送入热泵压缩机内完成循环。

作为本发明的一种优选方案，所述一效碱液蒸发器内，碱液蒸发浓缩过程产生的二次蒸汽在冷凝蒸发器下表面冷凝成水珠，并由重力作用落入一效冷凝水托盘。

作为本发明的一种优选方案，所述二效碱液蒸发器内，碱液蒸发过程产生的二次蒸汽在热泵循环制冷剂蒸发盘管外表面冷凝成水珠，并由重力作用落入二效冷凝水托盘。

作为本发明的一种优选方案，所述一效碱液喷淋水泵、二效碱液喷淋水泵、冷凝水排出泵、浓溶液排出泵均为屏蔽泵，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门均为真空隔膜阀。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用了热泵循环的热端作为碱液蒸发流程的主要热源，与以锅炉产生的一次蒸汽作为热源的碱液蒸发系统相比，提高了系统能效，冷端吸收二效碱液蒸发器产生的二次蒸汽，充分利用了热泵工质的冷凝与蒸发，完成了热能的回收。并且采用了双效蒸发流程的蒸发方式，相比单效碱液蒸发流程提升了系统单位能耗蒸发量，使得热源的热能得到进一步的利用，达到了节能的目的。同时，系统采用双效措施增大了浓缩温度与蒸发气体冷凝温度间的温差，从而使得热泵吸热侧与放热侧温度所对应的热泵工质的相变压力能与目前热泵系统压缩机压比相匹配，很好地解决了选择与系统匹配的热泵压缩机压比所存在的瓶颈问题。

附图说明

图1是本发明基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统的装置示意图。

其中，碱液流量控制阀f；一效碱液喷淋水泵p1；二效碱液喷淋水泵p2；一效碱液蒸发器a1；二效碱液蒸发器a2；冷凝蒸发器d；存液环r；u型溢流管u；热泵压缩机g；板式换热器h；制冷剂冷凝盘管c；制冷剂储液罐b；热力膨胀阀k；制冷剂蒸发盘管e；一效冷凝水托盘w1；二效冷凝水托盘w2；冷凝水排出泵p3；第一阀门f1；第二阀门f2；第三阀门f3；第四阀门f4；真空泵p0；浓溶液排出泵p4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种基于热泵循环的双效低温蒸发浓缩碱液的循环系统包括热泵回路、碱液回路、蒸汽及冷凝水回路三个子回路，其中：

热泵回路包括：热泵压缩机g，板式换热器h，制冷剂冷凝盘管c，制冷剂储液罐b，热力膨胀阀k，制冷剂蒸发盘管e；热泵压缩机g的排气口与板式换热器h的制冷剂气体进口相连，制冷剂冷凝盘管c的进口与板式换热器h的制冷剂出口相连，制冷剂储液罐b的进口与制冷剂冷凝盘管c的出口相连，制冷剂蒸发盘管e的进口与制冷剂储液罐b的出口通过热力膨胀阀k相连，制冷剂蒸发盘管e的出口与热泵压缩机g的吸气口相连。

碱液回路包括：碱液流量控制阀f，一效碱液喷淋水泵p1，二效碱液喷淋水泵p2，一效碱液蒸发器a1，二效碱液蒸发器a2(其中，二效碱液蒸发器的空间位置在一效碱液蒸发器之上)，冷凝蒸发器d，第一阀门f1，第二阀门f2，浓溶液排出泵p4，第四阀门f4，真空泵p0。碱液回路中，二效碱液喷淋水泵p2的碱液吸入口分为两路，一路由原料液输入端经碱液流量控制阀f与吸入口连接，另一路由二效碱液蒸发器a2储液槽与吸入口连接，原料液与来自二效碱液蒸发器a2内的溶液汇合由二效碱液喷淋水泵p2输入二效碱液蒸发器顶端，并喷淋在冷凝蒸发器d表面进行蒸发，蒸发后的较浓溶液流入存液环r，二效碱液蒸发器a2碱液出口与一效碱液蒸发器a1碱液入口经“u”型溢流管相连，一效碱液蒸发器a1的浓缩液侧面出口经第二阀门f2与浓溶液排出泵p4相连，另一侧面出口与一效碱液喷淋水泵p1相连，碱液由一效碱液喷淋水泵p1输入至一效碱液蒸发器a1顶端喷淋，并在制冷剂冷凝盘管c外表面进行蒸发浓缩。一效碱液喷淋水泵p1与二效碱液喷淋水泵p2经第一阀门f1相连，其中第一阀门f1作为系统调节一效碱液蒸发器a1与二效碱液蒸发器a2存量的备用阀，一效和二效碱液蒸发器上部侧面均设有抽真空接口，并通过第四阀门f4与真空泵p0相连。

蒸汽及冷凝水回路包括：一效冷凝水托盘w1，二效冷凝水托盘w2，冷凝排出水泵p3，第三阀门f3。一效冷凝水托盘w1出口与二效冷凝水盘w2出口并联连接后与冷凝水排出泵p3进口相连,冷凝水排出泵p3出口经第三阀门f3排出。

热泵回路：由于热泵循环中制冷剂的冷凝放热量与蒸发吸热量不匹配，所以高压压缩机出口的制冷剂气体先进入板式换热器中消除余热，再送入热泵循环制冷剂冷凝盘管内冷凝放热蒸发浓缩碱液，形成液体并进入制冷剂储液罐内，再经过热力膨胀阀降温降压后，进入热泵循环制冷剂蒸发盘管内吸收二效碱液蒸发器内的二次蒸汽的冷凝热后蒸发，之后送入热泵压缩机内升压升温，如此完成热泵循环。

碱液回路：在整个系统启动前，先用真空泵将一效碱液蒸发器和二效碱液蒸发器内的压力分别抽真空至各自指定压力，之后关停真空泵。由负压的作用，原料液由稀溶液池引出经过碱液流量控制阀与来自二效碱液蒸发器内的碱液混合后，通过二效碱液喷淋水泵输入二效碱液蒸发器顶端喷淋，并在冷凝蒸发器上表面被一效碱液蒸发器下表面的二次蒸汽冷凝放出的冷凝热汽化浓缩，产生较浓溶液及二次蒸汽，较浓溶液流入二效碱液蒸发器底部的存液环，并通过存液环根部的u型溢流管由重力的作用流入一效碱液蒸发器内，由一效碱液喷淋水泵送入一效碱液蒸发器上部喷淋至制冷剂冷凝盘管外表面，被冷凝盘管内表面高温制冷剂蒸汽冷凝放出的冷凝热汽化浓缩，产生更浓的浓缩液及二次蒸汽。浓缩液流入一效碱液蒸发器底部储液槽内，并经第二阀门由浓溶液排出泵排出，完成对碱液的浓缩过程。

蒸汽及冷凝水回路：在一效碱液蒸发器内，碱液蒸发过程产生的二次蒸汽在冷凝蒸发器下表面放热冷凝成水珠，并由重力作用落入一效冷凝水槽。在二效碱液蒸发器内，碱液蒸发过程产生的二次蒸汽在热泵循环制冷剂蒸发盘管表面放热冷凝成水珠，并由重力作用落入二效冷凝水槽。一效冷凝水托盘w1出口与二效冷凝水盘w2出口并联连接后与冷凝水排出泵p3进口相连，冷凝水排出泵p3出口经第三阀门f3排出。

传统的热泵循环中冷凝温度在40℃以上，高于密闭容器内具有一定负压的碱液沸点，从而碱液蒸发得以在低沸点进行，所以需要系统整体处于一个负压状态。由于系统采用双效蒸发的模式，且二效碱液蒸发器内的热源温度要低于一效碱液蒸发器内的热源温度，所以二效碱液蒸发器内的压力要低于一效碱液蒸发器内的压力，以保证两碱液蒸发器内的碱液蒸发过程得以继续。

两个碱液蒸发器由同一个罐状围护结构包裹，其中二效碱液蒸发器的空间位置在一效碱液蒸发器之上。碱液蒸发器均采用喷淋蒸发的方式对碱液进行蒸发，其中，一效碱液蒸发器内，喷淋水泵将碱液喷淋在热泵循环制冷剂冷凝盘管外表面，利用制冷剂在冷凝盘管内表面的冷凝放热来蒸发浓缩盘管外表面的碱液，碱液在管外蒸发浓缩，制冷剂在管内冷凝，所以一效碱液蒸发器既是碱液的蒸发器，又是制冷剂的冷凝器，碱液蒸发器底部空间储存蒸发完成的浓缩液，并经过第二阀门由浓溶液排出泵排出。二效碱液蒸发器内，由原料液与二效碱液蒸发器内的碱液混合后由喷淋水泵输入二效碱液蒸发器上部喷淋至冷凝蒸发器上表面，利用二次蒸汽在冷凝蒸发器下表面的冷凝放热来蒸发浓缩冷凝蒸发器上表面的碱液，所以二效碱液蒸发器既是碱液的蒸发器，又是二次蒸汽的冷凝器。为了防止冷凝蒸发器内浓缩后的碱液液面过高阻碍蒸发的进行，二效碱液蒸发器底部设有存液环，蒸发完成的较浓溶液由存液环根部的u型溢流管由重力作用排到二效碱液蒸发器底部的储液槽内。由于一效与二效碱液蒸发器内的压力不同，u型溢流管内设有液封。

单位能耗蒸发量是评价碱液蒸发器能源利用效率的一个指标，它的定义是单位能耗下碱液蒸发过程的蒸发量。与单效碱液蒸发流程相比，双效碱液蒸发流程利用一效碱液蒸发过程产生的二次蒸汽作为二效碱液蒸发器的加热热源，系统热能得到了二次利用，所以在相同外界条件下，双效碱液蒸发流程相比单效碱液蒸发流程的水蒸气蒸发量更高，由单位能耗蒸发量的定义，即单位能耗下碱液蒸发过程的蒸发量，所以在相同外界条件与浓缩要求下双效碱液蒸发流程的单位能耗蒸发量高于单效碱液蒸发流程，由此推出在相同的外界条件以及相同浓缩要求下，双效碱液蒸发流程的碱液蒸发过程消耗的能量相比单效碱液蒸发过程要小，达到了节能减排的目的。同时，系统采用双效碱液蒸发模式，增大了浓缩温度与二次蒸汽冷凝温度之间的温差，从而使得热泵吸热侧与放热侧温度所对应的热泵工质的相变压力能与目前热泵系统压缩机压比相匹配，很好地解决了选择与系统匹配的热泵压缩机压比所存在的瓶颈问题。

通过变频器调节压缩机的转速来调节热泵循环蒸发盘管内制冷剂的制冷量，进而控制二效碱液蒸发器内二次蒸汽的冷凝量，从而控制二效碱液蒸发器碱液侧压力，使之对应的碱液蒸发温度在一定的范围内，以致能被冷凝蒸发器下侧面的二次蒸汽蒸发浓缩。同时，通过变频器调节压缩机的转速与控制板式换热器内冷却水的流量来调节一效碱液蒸发器内制冷剂冷凝盘管放热量，进而调节一效碱液蒸发器内二次蒸汽的量，从而控制一效碱液蒸发器内碱液侧压力，使之对应的碱液蒸发温度在一定范围内，以致能被制冷剂蒸发浓缩。控制两碱液蒸发器内溶液的蒸发温度在30℃～55℃的范围内。通过调节两碱液蒸发器内的压力，进而控制两碱液蒸发器内的碱液沸点温度低于一定的值，使得两蒸发器内的碱液均能被热源加热汽化。由于碱液蒸发器内处于负压状态，所以整个系统对设备的气密性要求较高。全部溶液排出泵、冷凝水排出泵均采用结构紧凑、密封性良好的屏蔽泵，阀门采用真空隔膜阀，以及其他的密封性措施。

由于热泵循环的特点，循环系统制冷剂的冷凝放热量要大于蒸发吸热量，因此系统热泵循环在冷凝盘管内的冷凝放热量会大于冷凝蒸发器上表面碱液蒸发吸热量及热泵循环蒸发盘管内制冷剂蒸发的吸热量，使得循环系统产生过余热并导致整个系统温度和压力逐渐上升，导致碱液蒸发速度逐渐降低甚至停止蒸发。为了消除余热，系统在一效碱液蒸发器与热泵压缩机间设置板式换热器，利用冷却水与制冷剂换热带走余热，保证系统热量的供需平衡。制冷剂经热泵压缩机压缩并在板式换热器内换热后，送入一效碱液蒸发器冷凝盘管内，并由盘管外的碱液蒸发浓缩吸热使之冷凝，所以一效碱液蒸发器在热泵循环中起到冷凝器的作用。冷凝后，制冷剂液体流入制冷剂储液罐中，并经过热力膨胀阀送入制冷剂蒸发盘管内吸收二效碱液蒸发器碱液蒸发过程产生的二次蒸汽在蒸发盘管外冷凝释放的冷凝热而蒸发，所以二效碱液蒸发器在热泵循环中起到干式蒸发器的作用。在热泵循环运行时，制冷剂由热泵压缩机排气口排出，经过板式换热器换热后从制冷剂冷凝盘管进口进入，在管内经过多次往返后液化，液化后的制冷剂由冷凝盘管出口排出，送入制冷剂储液罐，再经过热力膨胀阀节流降压，由制冷剂蒸发盘管进口送入，在蒸发盘管内经过多次往返后汽化，汽化后的制冷剂由蒸发盘管出口排出，送入热泵压缩机内完成循环。

在一效碱液蒸发器内，碱液蒸发浓缩过程产生的二次蒸汽在冷凝蒸发器下表面冷凝成水珠，并由重力作用落入一效冷凝水槽；在二效碱液蒸发器内，碱液蒸发过程产生的二次蒸汽在热泵循环制冷剂蒸发盘管外表面冷凝成水珠，并由重力作用落入二效冷凝水槽。最后两碱液蒸发器内的冷凝水通过管路汇合并由冷凝水排出泵经第三阀门排出。

在一效碱液蒸发器中，碱液蒸发的吸热量与热泵工质液化的放热量相匹配，在二效碱液蒸发器中，碱液蒸发的吸热量与一效碱液蒸发器的二次蒸汽的放热量相匹配，为了保证蒸发循环系统连续可靠的运行，整套装置采用了变频压缩机与碱液流量传感器相结合的双重控制方法。通过变频器调节压缩机转速调节制冷剂流量，进而控制制冷剂冷凝盘管内制冷剂的冷凝放热量，从而保证制冷剂冷凝的放热量与一效碱液蒸发器内碱液蒸发吸热量大致匹配。通过安装在原料液输送侧流量控制阀门控制原料供液流量，从而保证原料液的蒸发吸热量与一效碱液蒸发器内产生的二次蒸汽的冷凝放热量大致匹配，保证蒸发的稳定进行。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。