专利名称：一种热泵型低温蒸发装置及方法
技术领域：
本发明属于化工分离和节能减排技术领域，涉及一种热敏性物料和回收低沸点溶剂的低温蒸发工艺和装置，特别涉及到热媒制热循环和溶液蒸发、溶剂冷凝耦合的热泵节能技术。
背景技术：
在蒸发浓缩操作中，热敏性物料遇高温时其有效成分会发生变性或在蒸发壁面结疤影响蒸发效率和产品质量，因此蒸发温度的影响是非常重要的调控条件。例如在生物医药食品工业中，其部分产品不耐高温，即热敏性物料需在低温工况下蒸发。在低温蒸发中，机械蒸汽压缩(MVR)方法有其弱点，直接压缩的二次蒸汽比容很大，压缩后的蒸汽要在较高温度范围下操作才有较好的效率。而降低蒸汽温度就会增加比容积，导致设备费用及操作费用的增加。另外，比容积的增加必将引起蒸汽流速的增大，在蒸发腐蚀性的物料(如维生 素C、果酸等)过程中，产生的二次蒸汽更容易引起物料夹带，直接压缩会使含有腐蚀性物料的二次蒸汽接触并腐蚀压缩机，严重影响压缩机的寿命。热泵型蒸发器与多效蒸发器同为节能型蒸发器。热泵型蒸发器操作温度低且易于根据实际需求进行调控，更适合于热敏性物料的蒸发和低沸点溶剂的回收。与水作为提取剂相比有机溶剂提取效果优于的效果，近年来提取过程中有机溶剂的使用不断增加，但有机溶剂有沸点低、易燃易爆、有毒、污染环境等特点。利用冷剂蒸发温度低的特点，从料液蒸汽冷凝器中带走热量，降低冷凝器的尾气温度，即把尾气中有机蒸汽含量降至环境容许范围后排放。热媒蒸汽压缩的排气量远小于直接压缩水蒸汽的排气量，工作温度区间低，故特别适用于低温蒸发。因此在热敏性物料的低温蒸发和低沸点溶剂回收中，为了节能并减小压缩机的体积、延长压缩机的寿命、减小投资和提高经济效益，热泵型低温蒸发系统应运而生。
发明内容
本发明提供了一种载热媒介辅助的热泵型低温蒸发装置及方法，能够有效利用热能，使热敏性物料在较低温度蒸发浓缩并维持其有效成分，高效回收有机溶剂，减少了有害气体排放。本发明的技术方案如下一种热泵型低温蒸发装置，是制热循环辅助的热泵型低温蒸发装置，该装置包括料液蒸发器、气液分离器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、热媒储罐、热媒蒸汽压缩机、过滤器、料液泵、凝液泵和节流装置；其中，料液蒸发器的下出口连接到气液分离器的中部入口，气液分离器的上出口连接到二次蒸汽冷凝器的上入口 ；二次蒸汽冷凝器的下出口连接到凝液罐，凝液罐上连接有凝液泵；料液蒸发器的下出口连接到热媒储罐，通过热媒储罐、过滤器和节流装置连接到二次蒸汽冷凝器的下入口 ；热媒蒸汽压缩机将二次蒸汽冷凝器顶部出来的热媒蒸气送到料液蒸发器。料液泵将气液分离器底部出口的料液送回料液蒸发器。
所述的料液蒸发器可以采用单效或多效降膜蒸发器。上述装置是在载热媒介的压缩、冷凝、膨胀、再蒸发的循环过程中，料液中的溶剂被蒸发、冷凝，达到在低温条件下浓缩料液和回收溶剂；步骤如下a)载热媒介蒸汽在料液蒸发器冷凝放热加热蒸发被蒸发浓缩的物料，后流入热媒储罐，由过滤器过滤，经节流装置节流后进入二次蒸汽冷凝器蒸发，蒸汽进入热媒蒸汽压缩机，升温升压后的热媒蒸汽再进入料液蒸发器组成一个回路；b)料液经过料液泵、料液蒸发器、气液分离器组成另一个回路；料液由料液蒸发器进入系统，经过循环后蒸出溶剂，如此反复循环，直至溶液浓度达到设定值；c)蒸发器蒸发的溶剂蒸汽经分离器进入冷凝器，放热冷凝后进凝液储罐，后经凝液泵排出，释放的冷凝潜热加热载热媒介使其蒸发汽化。 工作时，通过调节系统真空度来控制料液蒸发温度，范围在25_60°C ;通过变频调节压缩机输入功率来控制系统制热量和蒸发量之间的匹配。但应注意，压缩机排气压力不应超过其机械承受压力，通常为2. 5MPa以下。随着料液浓度的增大，有效温差越来越小，可维持系统压力不变，提高压缩机频率及压缩机输入功率维持所需蒸发速率。系统所需能量输入仅由热媒蒸汽压缩机的动力提供，二次蒸汽冷凝器中热媒蒸发需要的热量由料液蒸发器流出的溶剂蒸汽冷凝时释放的热量供给。本发明采用热媒循环辅助的热泵型低温蒸发装置，整个工艺结构紧凑；仅需热媒蒸汽压缩机提供动力而无其他外界能量输入，冷凝器中热媒蒸发需要的热量由蒸发器流出的蒸汽冷凝时释放的热量供给，减少了运行成本；采用适当的热媒可使系统载低温下操作，可使料液在低温下蒸发而维持其有效成分，设备腐蚀较轻，不易堵塞管道，减少了设备成本；热媒易压缩且蒸发温度低可使溶剂蒸汽有效冷凝，减少气体排放，环保节能；热泵系统COP 可达 3-5。
附图是本发明实施例所述的热泵型低温蒸发器系统工艺流程图。图中1料液蒸发器；2气液分离器；3 二次蒸汽冷凝器；4凝液罐；5热媒储罐；6热媒蒸汽压缩机；7过滤器；8料液泵；9凝液泵；10节流装置。
具体实施例方式结合技术方案和附图，以小型试验用热泵型低温蒸发器为例详细叙述本发明的具体实施方式
。实施例I如图所示，料液蒸发器传热面积为O. 58m2，蒸汽冷凝器面积为I. 58 m2，压缩机使用谷轮CRNQ-0500-TF0-272型全封闭5匹压缩机，节流装置使用热力膨胀阀。以R22为热媒，蒸发浓缩10. 5%的葡萄糖溶液。物料循环凝液罐顶部由真空泵抽出不凝气体以维持系统压力在2. 5-5kPa间，稀料液经泵送入蒸发器至分离器液位到达规定高度，由泵送料液喷淋量300L/h经蒸发器顶部的布膜器均匀分配到蒸发器各传热管并呈膜状流下，液膜吸收管外热媒蒸汽的热量后在蒸发温度28°C _38°C间蒸发。为蒸发料液和产生的二次蒸汽在分离器中气液分离，溶液回流至蒸发器，26-33°C的蒸汽进入冷凝器后沿盘管外壁形成的螺旋通道下流至凝液储罐，同时回收料液蒸汽冷凝时放出的热量用于热媒蒸发，约18-22°C的溶剂凝液约后经凝液泵送出。热媒循环压缩机排气口 80-103°C的热媒蒸汽进入蒸发器后膨胀变为37-49°C的饱和蒸汽，与料液换热冷凝为33-45°C的液体，节流后为6-12°C的气液混合物，后进入蒸汽冷 凝器总吸收热量蒸发为25-34°C的蒸汽再次进入压缩机完成一次循环。料液蒸发速率为3. 5kg/h-9. lkg/h，蒸发器传热温差为6-10°C，传热系数为900-1200W ·πΓ2 · °C，冷凝器传热温差为 3-7°C，传热温差 350-600 W · m_2 · °C。
权利要求
1.一种热泵型低温蒸发装置，是制热循环辅助的热泵型低温蒸发装置，其特征在于，该热泵型低温蒸发装置包括料液蒸发器(I)、气液分离器(2)、二次蒸汽冷凝器(3)、凝液罐(4)、热媒储罐(5)、热媒蒸汽压缩机￠)、过滤器(7)、料液泵(8)、凝液泵(9)和节流装置(10);其中，料液蒸发器(I)的下出口连接到气液分离器(2)的中部入口，气液分离器(2)的上出口连接到二次蒸汽冷凝器(3)的上入口 ；二次蒸汽冷凝器(3)的下出口连接到凝液罐(4)，凝液罐(4)上连接有凝液泵(9);料液蒸发器(I)的下出口连接到热媒储罐(5)，通过热媒储罐(5)、过滤器(7)和节流装置(10)连接到二次蒸汽冷凝器(3)的下入口 ；热媒蒸汽压缩机(6)将二次蒸汽冷凝器(3)顶部出来的热媒蒸气送到料液蒸发器(I);料液泵(8)将气液分离器(2)底部出口的料液送回料液蒸发器(I)。
2.如权利要求I所述的装置，其特征是料液蒸发器采用单效或多效降膜蒸发器。
3.利用权利要求I或2所述装置的方法，是在载热媒介的压缩、冷凝、膨胀、再蒸发的循环过程中，料液中的溶剂被蒸发、冷凝，达到在低温条件下浓缩料液和回收溶剂；其特征包括以下步骤 a)载热媒介蒸汽在料液蒸发器(I)冷凝放热加热蒸发被蒸发浓缩的物料，后流入热媒储罐(5)，由过滤器(7)过滤，经节流装置(10)节流后进入二次蒸汽冷凝器(3)蒸发，蒸汽进入热媒蒸汽压缩机出)，升温升压后的热媒蒸汽再进入料液蒸发器(I)组成一个回路； b)料液经过料液泵(8)、料液蒸发器(I)、气液分离器(2)组成另一个回路；料液由料液蒸发器(I)进入装置，经过循环后蒸出溶剂，如此反复循环，直至溶液浓度达到设定值； c)料液蒸发器(I)蒸发的溶剂蒸汽经气液分离器(2)进入二次蒸汽冷凝器(3)，放热冷凝后进凝液储罐(4)，后经凝液泵(9)排出，释放的冷凝潜热加热载热媒介使其蒸发汽化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是通过调节系统真空度来控制料液蒸发温度，范围在25-60°C ;通过变频调节热媒蒸汽压缩机(6)输入功率来控制系统制热量和蒸发量之间的匹配。
全文摘要
一种热泵型低温蒸发装置及方法，属于化工分离和节能减排技术领域。其特征是在载热媒介的制热循环过程中把溶剂蒸发、冷凝以达到低温下蒸发浓缩热敏料液或回收有机溶剂的目的；装置主要由料液蒸发器、气液分离器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、热媒储罐、热媒蒸汽压缩机、过滤器、料液泵、凝液泵、节流装置及管路阀门等组成，其中料液蒸发器采用单效或多效降膜蒸发器。通过调节系统真空度来控制料液蒸发温度在25-60℃间；通过变频调节压缩机输入功率来控制系统制热量和蒸发量之间的匹配。本发明的效果和益处是可以减少气体排放，环保节能；另外低温蒸发可维持料液有效成分，设备腐蚀较轻，不易堵塞管道，减少了设备成本。
文档编号B01D1/26GK102698451SQ20121023511
公开日2012年10月3日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者兰忠, 张卓敏, 林载祁, 白涛, 马学虎 申请人:大连理工大学