本实用新型属于热能综合利用技术领域，具体涉及一种实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置。
背景技术：
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冷冻浓缩过程，溶液的部分水被冻结成冰，溶液得到浓缩；冷冻结晶过程，伴随着盐结晶析出也可能有冰晶析出。这些冰晶通常不是最终需要的产物，需要融化成水，排放掉或回用。这些冰晶融化能够吸收大量的热量，若能够利用好冰晶融化吸热的能力，将降低结晶工艺过程的能源消耗。
能源梯级利用是能源合理利用的一种常见方式，按照能源品位由高到低逐级利用，例如高温蒸汽用来发电，温度降低后，用来向住宅供热；再例如液化天然气冷能利用，低温用来破碎橡胶、塑料等，温度升高后用于冷冻食品，温度再高用于空调。
现存的通常方法是冰晶融化成水再利用其冷量，例如某浓缩过程产生-20℃冰晶，将冰晶融化成0℃或更高一些的水，再用这些水去预冷原液，这样的方法可以提供的冷量没有减少，但冷量的品位降低了，从-20℃降到了0℃，-20℃到0℃之间的高品位冷量得不到利用，也会出现大量低品位的冷量因无处可用，白白浪费的情况。
技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供一种实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置，本实用新型提出的实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置有效利用冰晶显热升温及融化产生的冷量，且该装置结构简单，便于大规模工业化生产。
本实用新型的目的是提供一种实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置，包括结晶主机、分离器和能源梯级利用装置，所述的结晶主机和分离器通过设置于结晶主机和分离器之间的管路相连通，所述的分离器顶部设置有冰晶输送管，所述的能源梯级利用装置包括换热器A、固液换热装置、换热器B和冰池，所述的换热器A上设置有原液进料口，所述的固液换热装置的内管一端设置有冰晶进口，另一端设置有冰晶出口，所述的固液换热装置的外管一端设置有原液进口，另一端设置有原液出口；所述的固液换热装置的冰晶进口与冰晶输送管连接，所述的固液换热装置的冰晶出口与冰池相连，冰晶通过固液换热装置后进入冰池中，所述的冰池中的冰水依次流经换热器A和换热器B后，一部分冰水回到冰池，另一部分冰水从排水管排出，原液经过换热器A上的原液进料口进入换热器A进行一级预冷，再经过固液换热装置的原液进口进入固液换热装置进行二级预冷，二级预冷后的原液通过分离器进料管进入分离器，分离器内的原液通过管路进入结晶主机。
按照上述装置，结晶工艺过程能量梯级利用的方法，包括如下步骤：
(1)将分离器内的原液通过使原液冷冻降温的结晶主机，得到固液两相流体，将固液两相流体通过分离器，从分离器中分离得到固相和液相，其中固相包括冰晶和盐，固相中的冰晶输送至能源梯级利用装置，固相中的盐排出；
(2)能源梯级利用装置包括固液换热装置、换热器A、换热器B和冰池，步骤(1)中得到的冰晶通过固液换热装置后进入冰池，冰池内的冰水依次流经换热器A和换热器B后，一部分冰水回到冰池，另一部分冰水从排水管排出；待处理原液经过换热器A一级预冷，再经过固液换热装置二次预冷后，进入分离器，与分离器内的原液混合进入结晶主机，重复步骤(1)中的操作。
冷冻结晶，它是一种把溶液通过冷冻的方法结晶成固体和部分浓液，实现物质的分离，固体中通常包含有盐和冰晶，有的工艺中，冰晶是产品之一，例如污水的净化；有的工艺中，冰晶是仅是工艺过程产物，例如盐类或结晶药物的生产。但无论冰晶是产品还是过程产物，冰晶均需要融化后进一步处理，作为回用水或排放掉，低温的冰晶含固态显热、融化潜热及液体显热，可以吸收大量热量。
优选地，换热器A和换热器B是液液换热器。换热器B中设置有制冷剂，冰池内的冰水流经换热器B，将换热器B中的制冷剂进行冷却。
优选地，所述的固液换热装置是套管式结构，由内管和外管组成，内管和外管之间设置有夹套，所述的内管内设置有螺旋搅拌带，夹套内设置有原液，冰晶在螺旋搅拌带的推动下向冰池运动；所述的原液的流动方向和冰晶的运动方向相反。
与现有的技术相比，本实用新型具有以下优点：首先，本实用新型提出的能量梯级利用方法有效利用冰晶融化产生的冷量，分阶段升温，梯级利用上述冷量；其次，本实用新型提出的装置结构简单，便于大规模工业化生产。
附图说明：
图1为不同能量利用过程温度对比示意图；
图2为制冷剂过冷方式回收能量的P-h图；
图3为本实用新型实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置结构示意图；
图4为图3中的能源梯级利用装置示意图；
图5为图4中固液换热装置示意图；
图中附图标记含义：1、结晶主机；2、分离器；3、能源梯级利用装置；4、进料连接管；5、排料连接管；6、冰晶输送管；7、排水管；8、原液进料口；9、分离器进料管；10、排盐管、11、固液换热装置；12、换热器A；13、换热器B；14、冰池；15、冰晶进口；16、原液进口；17、制冷剂出口；18、制冷剂进口；19、原液出口；20、内管；21、外管；22、夹套；23、螺旋搅拌带。
具体实施方式：
以下实施例是对本实用新型的进一步说明，而不是对本实用新型的限制。
实施例1：
如图1～5所示，实现结晶工艺过程能量梯级利用的装置如图3所示，包括结晶主机1、分离器2和能源梯级利用装置3，结晶主机1和分离器2通过设置于结晶主机1和分离器2 之间的管路相连通，分离器2顶部设置有冰晶输送管6，能源梯级利用装置3包括换热器A 12、固液换热装置11、换热器B 13和冰池14，换热器A 12上设置有原液进料口，固液换热装置 11的内管一端设置有冰晶进口15，另一端设置有冰晶出口，固液换热装置11的外管一端设置有原液进口16，另一端设置有原液出口19；固液换热装置11的冰晶进口15与冰晶输送管 6连接，固液换热装置11的冰晶出口与冰池14相连，冰晶通过固液换热装置11后进入冰池 14中，冰池14中的冰水依次流经换热器A 12和换热器B 13后，一部分冰水回到冰池14，另一部分冰水从排水管7排出，原液经过换热器A 12上的原液进料口8进入换热器A 12进行一级预冷，再经过固液换热装置11的原液进口进入固液换热装置11进行二级预冷，二级预冷后的原液通过固液换热装置11的原液出口19排出，再通过分离器进料管9进入分离器 2，分离器2内的原液通过管路进入结晶主机1，对分离器2内的原液进行冷冻降温。换热器 A 12和换热器B 13为液液换热器，换热器B上设置有制冷剂进口18和制冷剂出口17，制冷剂通过制冷剂进口进入换热器B 13，冰池14内的冰水流经换热器B 13，将换热器B 13中的制冷剂进行冷却，冷却后的制冷剂通过制冷剂出口17排出。本实施例中结晶主机1指可以使原液降温冷冻的机械加工方法或者换热器，或者本领域技术人员可以想到的降温冷冻方式，制冷剂为本领域技术人员可以想到的制冷剂均可以。
冷冻结晶，它是一种把溶液通过冷冻的方法结晶成固体和部分浓液，实现物质的分离，固体中通常包含有盐和冰晶，有的工艺中，冰晶是产品之一，例如污水的净化；有的工艺中，冰晶是仅是工艺过程产物，例如盐类或结晶药物的生产。但无论冰晶石产品还是过程产物，冰晶均需要融化后进一步处理，作为回用水或排放掉，冰晶融化成水，可以吸收大量热量。
冷冻浓缩工艺中，溶液要被冷却到冰点以下温度才能结冰，所以希望进入系统的原液尽可能“低成本”降至冰点附近，然后再通过机械制冷降到冰点以下实现结冰，所谓“低成本”在这里是指不用机械制冷的方式，通过回收工业过程中其它的冷量，实现原液降温，投入的能源远比机械制冷方式少。
当水中含有其它溶质，将降低溶液的冰点，在这样溶液中形成的冰晶比0℃低，假设给冰点温度是-M，冰晶从-M上升到0℃，是显热吸热过程，冰晶升温不融化，利用该冷量将母液冷却至0℃以下，如图1中的f→g过程；冰晶在0℃融化，是潜热吸热过程，利用该冷量将母液预降温，如图1中的e→f过程；冰晶融化成0℃水后，上升至N，是显热吸热过程，可以用来过冷从冷凝器流出的制冷剂，如图1中的h→i过程提高制冷系统的单位制冷剂的制冷能力，如图2，通过过冷制冷剂q→s，从而提高制冷剂的制冷能力t→r。
冰晶第一阶段升温，即冰晶从-M上升到0℃，要控制冰晶的表面温度始终在0℃以下，要求与冰晶表面接触的流体温度尽可能低于0℃，也允许该流体略高于0℃，但要确保与冰晶热交换时冰晶不融化，在本实用新型中通过图3中的固液换热装置11来实现。冰晶融化阶段，冰晶在0℃融化，是潜热吸热过程，该冷量主要用来预冷母液，若有富余，也用于过冷制冷剂。
本实施例中结晶工艺过程能量梯级利用方法的工艺流程是：
分离器内的原液经结晶主机1和分离器2之间设置的进料连接管4从分离器2流入结晶主机1，经结晶主机将原料冷冻降温，得到固液两相流体，固液两相流体由结晶主机1和分离器2之间设置的排料连接管5排入分离器2；固相包括冰晶和盐，由于存在密度差，冰晶比溶液轻，浮到分离器2的顶部，通过分离器2顶部的冰晶出口与冰晶输送管6连接，进入能源梯级利用装置3，析出的盐比溶液重，沉到分离器2底部，从排盐管10排出；冰晶通过冰晶输送管6进入能源梯级利用装置3；冰晶进入能源梯级利用装置3融化后的冰水从排水管7排出，待处理原液从原液进料口8进入能源梯级利用装置3，经冷却后通过分离器进料管9进入分离器2，通过分离器2上的进料连接管4使分离器2内的原液进入结晶主机1进行冷冻处理，使对冰晶融化冷量的梯级利用形成一个循环过程，可以连续回收和利用冰晶融化的冷量。在本实用新型中，原液指NaCl溶液、Na2SO4溶液等无机盐溶液或其他有机溶液，本实施例中原液为NaCl溶液为主要成分的含盐工业废水。
能源梯级利用装置3由固液换热装置11、换热器A 12、换热器B 13和冰池14组成。在能源梯级利用装置3内有四股物流，其一是从分离器2顶部出来的冰晶从冰晶进口15流经固液换热装置11进入冰池14；其二是融化的冰水依次流经换热器A 12和换热器B 13换热后，一部分冰水回到冰池14，另一部分冰水从排水管7流出该能量梯级利用系统；其三是原液经过换热器A 12一级预冷后，通过原液进口16经过固液换热装置11的二级预冷，经固液换热装置11的原液出口19，后经过连接于原液出口19的分离器进料管9使二级预冷后的原液进入分离器2，从而通过分离器进入结晶主机1，进行冷冻处理；其四是冷凝器中的制冷剂流经换热器B 13，制冷剂被过冷却。能源梯级利用装置3的设置使冰晶融化的冷量得到充分的利用，传热温差平稳。
从冰池14抽出来的冷水先经过换热器A 12预冷原液，再进入换热器B 13冷却制冷剂。在本实用新型中，固液换热装置11是套管式结构，由内管20和外管21组成，内管20内设置有螺旋搅拌带23，冰晶在螺旋搅拌带23的推动下向冰池14运动，螺旋搅拌带23搅拌可以强化冰晶换热，内管20和外管21形成的夹套22内流动着原液，原液的流动方向与冰晶的运动方向是相反的，冰晶与原液的逆流换热，可以达到充分换热，减少能量的损失。
在本实施例中，原液为含NaCl溶液为主要成分的含盐工业废水，溶液冰点是-18℃，冰晶的温度就是-18℃，传统方法原液被预冷到5℃，采用本实施例提出的能量梯级利用方法原液被预冷到-13℃，两者相差18℃，采用能量梯级利用方法技术能够减少制冷主机的能力需要 22％左右，就能够节能22％。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。