一种提高溶液溶质浓度的方法和系统与流程

本发明涉及一种机械压缩蒸发浓缩的方法和系统，属于蒸发结晶、节能及环保领域。

背景技术：

蒸发蒸馏广泛应用于污/废水处理、化工、制药、食品、海水淡化、制盐等涉及蒸发工艺的诸多行业。蒸发蒸馏是个高能耗的过程，蒸发工艺是这些行业中的耗能大户。

目前，国内现有的涉及蒸发工序的各行业开始采用机械蒸汽再压缩（mechanicalvaporrecompression，mvr）热泵技术，是国内外蒸发领域最先进最节能的技术。其原理是利用蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的焓，被提高热能的二次蒸汽回到蒸发室对原液进行加热，以达到循环利用二次蒸汽的潜能，从而可以不需要外部生蒸汽，依靠蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。

cn103203116b、cn106039740b、cn103007553b、cn103768808b提供的mvr蒸发技术方案中，原料通过蒸发器或换热器直接与压缩机压缩后的蒸汽进行热交换，吸收热量后在分离器中进行汽液分离，此种方式容易在蒸发器或换热器中产生结垢现象，特别在处理高浓度废水的蒸发时，使设备的维护困难并且成本相当高，甚至会耽误到系统的连续生产。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述结垢技术问题。为此，本发明提出了一种提高溶液溶质浓度的方法。本发明还提出了一种提高溶液溶质浓度的系统。

根据本发明的第一方面，本发明提出了一种提高溶液溶质浓度的方法，其步骤包括：原液经过加热后，在分离器中进行蒸发分离，产生的浓缩液外排，产生的二次蒸汽先经压缩机升温升压然后在换热器中冷凝，其冷凝过程中释放的潜热再传递给原液使其蒸发。原液在分离器中的蒸发产生气相（二次蒸汽），所述气相分为两路：第一路气相通过压缩机，进行增温和增压；第二路气相被所述第一路气相加热，同时在加热过程中所述第一路气相被冷凝成水；所述第二路气相在升温后，作为热源与原液进行传质和传热，使原液进行蒸发产生二次蒸汽和浓缩液，完成溶液溶质浓度的提高。

采用第二路气相（二次蒸汽）作为原液与第一路气相（二次蒸汽）之间传热的媒介，能够防止换热器或蒸发器中原液直接受热蒸发时的结垢现象，同时冷凝水的余热利用率高。

根据本发明上述实施例的一种提高溶液溶质浓度的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第二路气相在被所述第一路气相加热之前，可通过风机进行增压。通过增压，可以提高第二路气相进入喷射器中与原液的混合能力，提高传热传质效果。

在本发明的一些实施例中，所述第一路气相冷凝后，能够作为热源对原液预热，所述原液预热后温度低于该压力下的蒸发温度1～3℃。冷凝水对原液预热，使系统的余量进一步利用，同时原液预热后温度低于该压力下的蒸发温度1～3℃，可减少原液预热后温度波动而造成的结垢现象。

在本发明的一个实施例中，所述第一路气相的流量小于所述第二路气相的流量。通过提高所述第二路气相中的过热度，使第一路气相中的汽化潜热保存下来，再传递给原液。由于大量潜热的释放需要通过第二路气相的过热来消化，故第一路气相的流量小于所述第二路气相的流量。

在本发明的一些实施例中，所述第二路气相被增温的幅度小于第一路气相被增温的幅度，因为存在温差，所以能够在主换热器中发生传热，第一路气相在冷凝过程中释放的潜热可以被第二路气相吸收。

根据本发明的第二方面，利用根据本发明第一方面所述的一种提高溶液溶质浓度的方法实施的提高溶液溶质浓度的系统，包括：预热换热器，所述预热换热器具有冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口，所述冷侧入口为系统待浓缩原液进料口，所述热侧出口为系统冷凝水的排出口；泵，所述泵的入口与预热换热器冷侧出口相连；喷射器，所述喷射器包括液相入口、气相入口、混合物出口，所述液相入口与泵的出口相连；分离器，所述分离器包括混合物入口，液相出口和气相出口，所述入口与喷射器的混合物出口相连，所述液相出口排出浓缩液，所述气相出口分为两路；压缩机，所述压缩机的入口与所述分离器的第一路气相出口相连；和主换热器，所述主换热器具有冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口，所述冷侧入口与分离器的第二路气相出口相连，所述冷侧出口与所述喷射器的气相入口相连，所述热侧入口与压缩机的出口相连，所述热侧出口与所述预热换热器的热侧入口相连；管道，将所述预热器、喷射器、分离器、压缩机、主换热器相连；控制单元，能够监控所述压缩机和所述管道上的阀门、仪表。

原液首先经过预热换热器进行升温，然后在喷射器中与第二路气相混合进一步升温至蒸发温度，进入分离器中原液蒸发后产生的浓缩液外排，产生的蒸汽分为两路，第一路气相增压增温后，能够对第二路气相进行加热，提高其温度和热焓，同时第一路气相冷凝，第二路气相在喷射器中将热量传递给原液使其蒸发，另外第一路冷凝液可经过预热换热器中对原液进行预热，提高原液的升温效率。

根据本发明的一个实施例，原液不在蒸发器受热发生蒸发，故不会发生蒸发器中的结垢现象，而且喷射器中的流速非常高，并可迅速进入到分离器中，故可将结垢现象降至最低；同时主换热器中的第一路气相冷凝后对原液预热，可充分利用冷凝液中的显热，余热利用率高；另外系统中通过调节压缩机的压缩比或两路气相的流量比，改变输入系统的热量速度，进而调整原液溶剂的蒸发速率，使废液的浓缩比容易控制。

根据本发明上述实施例的一种提高溶液溶质浓度的系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例，所述喷射器可选文丘里引射器，可以将溶液与第二路气相充分混合进行传质传热，提高了热量传递的速度。喷射器能够使气相更加容易吸入，提高了混合的效果和效率。喷射器可以设置在分离器外面，这样可方便维修和更换；也可以设置在分离器内部，这样系统热损失少，噪音低，喷射器结垢的可能性更低。

在本发明的一个实施例，所述喷射器的出口气、液混合物在进入所述分离器之前，可以设置静态混合器，以进一步提高气、液相之间混合效率，提高传热传质效率。

在本发明的一个实施例，所述喷射器的混合物出口方向与所述分离器侧壁相切。能够使气、液混合物在进入分离器后形成旋流，以进一步提高气、液相之间混合效率，提高传热传质效率。

在本发明的一个实施例，所述分离器的顶部设置有除沫器。可以提高蒸发时的液相与气相之间的分离效果，也减少了气相中夹杂液滴对后续设备的影响。

在本发明的一个实施例，所述分离器的液相出口可分为两路，第一路出口排出浓缩液，第二路出口与所述泵的入口相连。当分离器的液相浓缩液只外排，同时在原液处理量固定且系统连续运行时，系统原液的蒸发分离率通过压缩机的压缩比或两路气相的流量比来调节；如果液相出口设置有第二路出口，那么经过泵的增压后，可增加喷射器的动力液相（入口液相）流量，再次进入分离器中进行循环蒸发浓缩。因此在保证原液蒸发分离率基本不变的情况下，可连续排出浓缩液，同时可以通过检测分离器液相出口浓缩液的浓度来控制液相的外排量，使系统出液浓度可控。

在本发明的一个实施例，在所述压缩机与主换热器之间可设置蒸汽减温减压装置。减温减压装置能够将压缩机出来的蒸汽降温和降压，并经过外部补水喷雾冷却后变成饱和蒸汽，在主换热器中冷凝换热。由于蒸汽压力越高，其饱和蒸汽在冷凝过程中单位质量蒸汽释放的潜热越少，故可选择减温减压装置来提高第一路蒸汽冷凝过程中释放的热量。

在本发明的一个实施例，所述压缩机包括但不限于离心压缩机、罗茨压缩机、螺杆压缩机。如采用离心机压缩时，通过提高转速提升压缩比，实现第二路气相温升量的可控，改变输入到系统中的热量补充值，因此原液浓缩比的可控；如采用螺杆压缩机时，通过提高压比提高蒸汽的温升量，实现第二路蒸汽温升的可控，改变了输入到系统中的热量，因此原液浓缩比的可控。所述主换热器包括但不限于是翅片式换热器、板式换热器、列管式换热器。

与已有技术方案相比，本发明提供的一种提高溶液溶质浓度的系统和方法具有不易结垢，余热利用率高、出液浓度可控等优点，在处理高盐废水时本发明有显著优势。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一方面的实施例的提高溶液溶质浓度的方法示意图。

图2是根据本发明另一方面的第一个实施例的提高溶液溶质浓度的系统结构示意图；

图3是根据本发明另一方面的第二个实施例的提高溶液溶质浓度的系统结构示意图；

图4是根据本发明另一方面的第三个实施例的提高溶液溶质浓度的系统结构示意图；

附图标记：1预热换热器；2泵；3喷射器；4分离器；5压缩机；6主换热器；7除雾器；8风机；9.减温减压系统；11预热换热器冷侧入口；12预热换热器冷侧出口；13预热换热器热侧入口；14预热换热器热侧出口；21泵入口；22泵出口；31喷射器液相入口；32喷射器气相入口；33喷射器混合物出口；41分离器入口；42液相出口；43气相出口；51压缩机入口；52压缩机出口；61主换热器热侧入口；62主换热器热侧出口；63主换热器冷侧入口；64主换热器冷侧出口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种提高溶液溶质浓度的方法，根据本发明的具体实施例，其步骤包括：

1.原液在预热换热器1中预热，使其温度提高;2.原液在喷射器3中继续吸热，迅速升温至蒸发温度;3.原液进入到分离器4中闪蒸分离；4.原液蒸发产生的浓缩液外排，并产生两路气相（二次蒸汽）；5.第一路气相通过压缩机5增压增温；6.第一路气相在对第二路气相进行加热后冷凝；7.第二路气相被升温后，在喷射器中与原液进行传质和传热，使原液升温蒸发；8.第一路气相产生的冷凝水对原液进行预热，提高余热利用率。

通过利用根据本发明实施例的提高溶液溶质浓度的方法，原液在分离器中的蒸发产生气相（二次蒸汽），所述气相分为两路：第一路气相通过压缩机5，进行增温和增压；第二路气相被所述第一路气相加热，同时在加热过程中所述第一路气相被冷凝成水；所述第二路气相在升温后，作为热源与原液进行传质和传热，使原液进行蒸发产生二次蒸汽和浓缩液。采用第二路气相作为原液与第一路气相之间传热的媒介，能够防止换热器中原液蒸发时的结垢现象；同时通过改变压缩机5的压缩比、流量等参数，或控制系统原液与浓缩液的流量比例关系，可以实现浓缩比易控；另外冷凝水的余热利用率高。

为了更好地解释本发明的另一方面，下面结合图2-图4对三个不同的实施例进一步作出说明。

参考附图2来描述本发明的另一方面，提出了一种提高溶液溶质浓度的系统，该系统包括：预热换热器1，所述预热换热器1具有冷侧入口11、冷侧出口12、热侧入口13、热侧出口14，所述冷侧入口11为系统待浓缩原液进料口，所述热侧出口14为系统冷凝水的排出口；泵2，所述泵2的入口21与预热换热器冷侧出口12相连；喷射器3，所述喷射器3包括液相入口31、气相入口32、混合物出口33，所述液相入口31与泵的出口22相连；分离器4，所述分离器4包括混合物入口41，液相出口42和气相出口43，所述混合物入口41与喷射器的混合物出口33相连，所述液相出口42排出浓缩液，所述气相出口43分为两路；压缩机5，所述压缩机的入口51与所述分离器4的第一路气相出口相连；和主换热器6，所述主换热器6具有冷侧入口63、冷侧出口64、热侧入口61、热侧出口62，所述冷侧入口63与所述分离器4的第二路气相出口相连，所述冷侧出口64与所述喷射器3的气相入口32相连，所述热侧入口61与所述压缩机5的出口52相连，所述热侧出口62与所述预热换热器1的热侧入口13相连；管道，将所述预热器、喷射器、分离器、压缩机、主换热器相连；控制单元，能够监控所述压缩机和所述管道上的阀门、仪表。

具体地，在附图2的一种提高溶液溶质浓度的系统的实施例中，所述喷射器3可选文丘里引射器；所述喷射器的出口气、液混合物在进入所述分离器之前，可以设置静态混合器；所述喷射器的混合物出口方向与所述分离器侧壁相切。这样将溶液与第二路气相充分混合进行传质传热，提高原液蒸发的效率。喷射器3可以设置在分离器4外面，这样可方便检测其状态，易于维修和更换。分离器4的顶部设置有除沫器7，以降低二次蒸汽中携带的液滴微粒，另外泵2也可选地设置在原液与预热换热器1之间，目的都是提高原液的压力，使其满足后续喷射器3对入口液相31压力的要求。

参考附图3来描述本发明的另一方面，提出了一种提高溶液溶质浓度的系统，该系统包括：预热换热器1，所述预热换热器1具有冷侧入口11、冷侧出口12、热侧入口13、热侧出口14，所述冷侧入口11为系统原液进料口，所述热侧出口14为系统冷凝水的排出口；泵2，所述泵2的入口21与预热换热器冷侧出口12相连；喷射器3，所述喷射器3包括液相入口31、气相入口32、混合物出口33，所述液相入口31与泵的出口22相连；分离器4，所述分离器4包括液相出口42和气相出口43，所述喷射器3设置在分离器4内部，所述液相出口42分为两路，第一路出口421排出浓缩液，第二路出口422与所述泵2的入口21相连，所述气相出口43分为两路；压缩机5，所述压缩机的入口51与所述分离器4的第一路气相出口相连；风机8，所述风机8的入口81与所述分离器4的第二路气相出口相连；主换热器6，所述主换热器6具有冷侧入口63、冷侧出口64、热侧入口61、热侧出口62，所述冷侧入口63与所述风机8的出口82相连，所述冷侧出口64与所述喷射器3的气相入口32相连，所述热侧入口61与所述压缩机5的出口52相连，所述热侧出口62与所述预热换热器1的热侧入口13相连。

具体地，在附图3的一种提高溶液溶质浓度的系统的实施例中，所述喷射器3可选文丘里引射器；所述喷射器的出口气、液混合物在进入所述分离器之前，可以设置静态混合器；所述喷射器的混合物出口方向与所述分离器侧壁相切。这样将溶液与第二路气相充分混合进行传质传热，提高原液蒸发的效率。喷射器3可以设置在分离器4内部，气相和液相混合后迅速喷入至分离器4中进行蒸发，与喷射器外置相比，这样系统热损失少，噪音低，喷射器3及管道结垢的可能性更低。分离器4的顶部设置有除沫器7，以降低二次蒸汽中携带的液滴微粒，另外分离器4的液相出口设置有第二路出口422，经过喷射器3重新进入分离器中进行强制循环蒸发浓缩。因此当原液处理量一定时，可以通过检测出液口421浓缩液的浓度来控制液相的外排量，出液浓度易控。

参考附图4来描述本发明的另一方面，提出了一种提高溶液溶质浓度的系统，该系统包括：预热换热器1，所述预热换热器1具有冷侧入口11、冷侧出口12、热侧入口13、热侧出口14，所述冷侧入口11为系统原液进料口，所述热侧出口14分为两路，所述第一路141为系统冷凝水的排出口；泵2，所述泵2的入口21与预热换热器冷侧出口12相连；喷射器3，所述喷射器3包括液相入口31、气相入口32、混合物出口33，所述液相入口31与泵的出口22相连；分离器4，所述分离器4包括混合物入口41，液相出口42和气相出口43，所述混合物入口41与喷射器的混合物出口33相连，所述液相出口42分为两路，第一路出口421排出浓缩液，第二路出口422与所述泵2的入口21相连，所述气相出口43分为两路；压缩机5，所述压缩机的入口51与所述分离器4的第一路气相出口相连；减温减压装置9，所述减温减压装置9包括蒸汽入口91、蒸汽出口92和冷却水入口93，所述蒸汽入口91与所述压缩机出口52相连，所述冷却水入口93与预热换热器的热侧第二路出口142相连；和主换热器6，所述主换热器6具有冷侧入口63、冷侧出口64、热侧入口61、热侧出口62，所述冷侧入口63与所述分离器4的第二路气相出口相连，所述冷侧出口64与所述喷射器3的气相入口32相连，所述热侧入口61与所述减温减压装置9的蒸汽出口92相连，所述热侧出口62与所述预热换热器1的热侧入口13相连。

具体地，在附图4的一种提高溶液溶质浓度的系统的实施例中，所述喷射器3可选文丘里引射器；所述喷射器的出口气、液混合物在进入所述分离器之前，可以设置静态混合器；所述喷射器的混合物出口方向与所述分离器侧壁相切。这样将溶液与第二路气相充分混合进行传质传热，提高原液蒸发的效率。喷射器3可以设置在分离器4外面，这样可方便检测其状态，易于维修和更换。在压缩机5与主换热器6之间设置有减温减压装置9，能够对压缩机5出来的蒸汽喷水冷却后进行降压和降温，产生饱和蒸汽。饱和蒸汽在主换热器6中冷凝换热，在第一路蒸汽流量一定的情况下，通过降压可进一步提高换热器6中饱和蒸汽冷凝过程中释放的潜热量。另外分离器4的液相出口设置有第二路液相出口422，经过喷射器3重新进入分离器中进行强制循环蒸发浓缩。因此当原液处理量一定时，可以通过检测出液口421浓缩液的浓度来控制液相的外排量，出液浓度易控。

图2-图4所表达的三个实施例共同的实施方式为：原液首先经过预热换热器1进行升温，然后在喷射器3中与第二路气相混合32进一步升温至蒸发温度，进入分离器4中原液迅速蒸发后产生的浓缩液外排，蒸发过程中产生的蒸汽分为两路，第一路气相增压增温后，能够对第二路气相进行加热，提高其温度和热焓，同时第一路气相冷凝，第二路气相在喷射器3中将热量传递给原液使其蒸发，另外第一路冷凝水可经过预热换热器1中对原液进行预热，提高原液在蒸发过程中的效率和余热利用率。

图2-图4所表达的三个实施例中，原液不在传统的蒸发器受热发生蒸发，故不会发生蒸发器中的结垢现象，而且原液在喷射器3中的流速非常高，并可迅速进入到分离器4进行闪蒸，故可将结垢现象降至最低；同时主换热器6中的第一路冷凝水对原液预热，可充分利用冷凝水中的显热，余热利用率高；另外系统中通过调节压缩机的压缩比或两路气相的流量比，改变输入系统的热量速度，进而调整原液溶剂的蒸发速率，使废液的浓缩比容易控制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

申请人声明，尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，只是说明本发明的详细结构特征以及蒸发方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进和组合，对本发明所选用的部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。