一种水蒸气高效液化设备及其方法与流程

本发明属于发酵工程设备领域，具体涉及一种水蒸气高效液化设备。

背景技术：

发酵工程是指在良好的条件下，利用微生物生长或代谢活动生产出大量人类所需产品的一种现代生物技术手段，又称为微生物学工程，是多学科经过长期的相互渗透、相互促进形成的结果。它主要包括菌种的选育、培养基的配制和菌种的扩大培养以及发酵条件优化等环节，应用领域甚广，涉及到食品、医药、化工等几个维系着国家经济平稳高速增长的重要行业，几乎已经成为了与人们日常生活息息相关的一部分，对人们生活品质的改善和提升在无形中产生了或多或少的影响，由此可见，发酵工程作为一项不可或缺的生物技术手段，在未来各个行业中扮演的角色将会越来越重要，影响也会越来越深远。

而在发酵工艺中，对发酵罐和除菌过滤器等罐体重要组成部分的空消和实消灭菌环节则是必不可少的，如果在发酵前，发酵罐任何一个部分灭菌不够彻底，意味着在后续的发酵中极有可能会使料液中染上杂菌而影响了整个发酵水平和质量，导致最终的发酵结果难以达到预期的要求，所以说，空消和实消在发酵中也是至关重要的一道工序。但是在实际发酵生产中空消和实消过程的进行必然会伴随有大量蒸汽的使用，而发酵工厂因考虑到处理成本过高等因素对这些蒸汽在灭菌结束后一般则是不经液化直接通过管路排放到大气或车间中，又由于水蒸气属于高温高湿气体，直接排放的后果，往往会致使车间中充满雾气，在一定程度上，干扰到工作人员的视线，影响了其工作积极性和效率的同时，会导致地面、设备及产品大面积积水和门窗的大量水珠附着，而且若排放不当，对周边的居民和车间工作人员将会造成严重的伤害，甚至可能会威胁到他们的生命安全，鉴于此，一种简易蒸汽冷却装置的开发，对于这个问题的解决，在安全和经济、环保等几个方面，将会产生极为重要的积极意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种水蒸气高效液化设备。该装置可应用于水蒸气排放的所有行业中，如炼油厂、热电厂、发酵厂等等，也可用于大量生成高温且易溶于水的臭气等一系列废气以及高温废水的工厂中带有污染性质的气与水的吸收和分离，收集到的废水经特殊工艺的处理后，还可实现循环利用，应用范围十分广泛，而且既经济实用又绿色环保。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种水蒸气高效液化设备，该设备主体为主水箱，主水箱底部设有三个呈平行等间距分布的扁嘴喷头，所述扁嘴喷头的喷射方向垂直向上并与主水箱底面垂直；三个扁嘴喷头均连通第八管路，第八管路作为分支管路连接主管路段，且第八管路上设有控制管路通断开闭的第四电磁阀；

所述的主管路段由顺次相连的第七管路、第九管路、第五管路和第三管路组成；第五管路与第九管路相接的一端设有用于控制管路通断开闭的第一电磁阀；所述主水箱内部右下角侧壁上安装有一个第一全铜雾化喷头，第一全铜雾化喷头的喷射方向朝左且与主水箱右侧面垂直；第一全铜雾化喷头与从主水箱外延伸进来的第一管路连通，且第一管路也作为分支管路连接主管路段，第一管路上设有控制管路通断开闭的第三电磁阀；

主水箱内腔由位于中间的竖隔板分隔成左右两个腔室，所述的竖隔板顶部固定于第二横挡板上，所述第二横挡板固定在主水箱内腔右上角侧壁上；所述的竖隔板上从下往上等间距固定有三块第四横挡板，且三块第四横挡板均以竖隔板为中心镜像对称；在主水箱内腔的左侧壁上装有两块第一横挡板，且两块第一横挡板分别位于左腔室的三块第四横挡板之间，在左腔室中构成第一弓字形流道；在主水箱内腔的右侧壁上装有三块第一横挡板，一块第一横挡板位于右腔室中第二横挡板和最上方的第四横挡板之间，其余两块第一横挡板分别位于右腔室中三块第四横挡板之间，在右腔室中也构成第二弓字形流道；所有第一横挡板、第四横挡板的末端均安装有垂直的竖挡板；主水箱的左腔室中，在第二横挡板和最上方的第四横挡板之间安装有两块第三横挡板和一块第五横档板，两块第三横挡板固定于主水箱内腔的左侧壁上，第五横档板固定于竖隔板上且位于两块第三横挡板之间，也构成第三弓字形流道；

所述主水箱内腔顶面左侧设置有两个第二全铜雾化喷头，第二全铜雾化喷头通过第四管路连通位于主水箱正上方且与水箱顶面平行的第三管路；所述主管路段上连接有扩展的第二管路，第二管路的出水口一端从主水箱右侧顶部垂直伸入并穿过第二横挡板；第一绝热铜质管道作为水蒸气入口端从主水箱的右侧壁伸入第二横挡板和第一横挡板之间；第一绝热铜质管道的出口与第二管路的出水口在右腔室的弓字形流道中以90°夹角紧邻交汇；所述的第一绝热铜质管道上分别设有一个第一单向阀和手动阀门；所述主水箱的左侧壁上设置有第二绝热铜质管道，第二绝热铜质管道一端连通主水箱内第二横挡板上方的左腔室，另一端穿过主水箱的左侧壁后连通辅助水箱的左侧壁；主水箱的内腔左侧底部通过带有第五电磁阀的管道连通第二绝热铜质管道；第二绝热铜质管道上靠近辅助水箱一端安装有第二单向阀；所述辅助水箱内腔的底部左侧设有一条由水箱外延伸进来的第十管路，所述第十管路的出口与第二绝热铜质管道出水口以90°夹角紧邻交汇；在第十管路上还装有第二电磁阀；所述辅助水箱的右下角连接有用于冷却水外排的第六管路。

作为优选，所述主水箱内左右两条弓字形流道中，构成弓字形流道的横隔板均等间距布置。

作为优选，所述的第三弓字形流道的流道高度小于所述的第一弓字形流道和第二弓字形流道高度。

作为优选，所述的主水箱形状为空心长方体，不锈钢材质，底部设有四个支脚。

作为优选，所述的辅助水箱的形状为空心长方体，不锈钢材质。

作为优选，所述的第一全铜雾化喷头和第二全铜雾化喷头，均为全铜材质，距离水箱内侧面在5～10cm之间。

作为优选，所述的扁嘴喷头为工程塑料材质，距离主水箱内底面在2～4cm之间，且喷头的间距不超过主水箱高度的五分之一。

作为优选，所述的第一单向阀和第二单向阀为黄铜材质，直通式，与管路之间通过焊接相连。

作为优选，所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀为不锈钢材质，us-15型号，先导式，连接方式采用法兰，耐受200度高温。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述液化设备的水蒸气高效液化方法，其步骤如下：

开启手动阀门，让待液化的水蒸气经第一绝热铜质管道到达位于主水箱内的第一绝热铜质管道端口，将冷却水依次通过第七管路、第九管路、第五管路和第三管路，然后通过第二管路引导进入主水箱内；水蒸气和冷却水在第二管路与第一绝热铜质管道互相垂直的交接点处相遇换热，并一同沿着由第一横挡板、第二横挡板和第四横挡板之间形成的第二弓字形流道向主水箱右侧底部流动，在流道过程中利用垂直于第一横挡板端部的竖挡板对流体进行阻滞，减缓流速；在接触到右侧底部时，来自第一管路的冷却水通过第一全铜雾化喷头雾化产生推力，使流体的流动速度得以提高，并逐个冲破由三个扁嘴喷头形成的扇形水流屏障到达主水箱底部左侧，随后继续顺着第一弓字形流道向上前进，途中机理利用竖挡板的阻滞作用延缓流速，在通过第一弓字形流道后，利用流道变窄的第三弓字形流道，对携带着水蒸气的冷却水进行增速，最后从第二横挡板上方流出；其中有一部分未液化的水蒸气或热空气会离开液面进入主水箱顶部，在该位置第二全铜雾化喷头将冷却水以水雾形式喷射，与未液化的水蒸气或热空气接触换热，使其遇冷液化成水珠回到主水箱的冷凝水中，同其他冷凝水一起从第二绝热铜质管道流出主水箱，并沿着第二绝热铜质管道输送至辅助水箱内，与经过第十管路进入辅助水箱的冷却水汇合，随后一起从连接于辅助水箱右下角的第六管路排出。

本技术与现有技术中常用的去除蒸汽设备相比，具有以下优点：

1.用水、用电量较少，最后收集的水还能循环利用，而且对场地占用空间相对较小，自身结构简单，具有良好应用前景。

2.安全且环保，该装置凭借高效平稳的工作效率，在短时间内即可完成水蒸气的充分液化，确保蒸汽不会进入车间或大气中，进而避免了局部高温高湿环境的出现。

3.既经济又很实用，制作成本低廉，整套设备依据发酵罐大小的不同，一般价格在几十至上百之间。

4.改进空间大，应用面较广，在此装置的基础加以适当的改良，还可用于臭气、尾气等废气以及高温废水的高效处理。

附图说明

图1为水蒸气高效液化设备装置示意图；

图2为辅助水箱剖面放大图；

图3为高雾化喷头剖面放大图。

图中附图标记：主水箱1、第一单向阀2、第一绝热铜质管道3、第一横挡板4、第二横挡板5、扁嘴喷头6、第一全铜雾化喷头7、第一管路8、第二单向阀9、辅助水箱10、第二管路11、第二全铜雾化喷头12、第三管路13、第四管路14、第五管路15、第三横挡板16、竖隔板17、第一电磁阀18、第六管路19、第二电磁阀20、第十管路21、第三电磁阀22、第四电磁阀23、第七管路24、第八管路25、第九管路26、第五电磁阀27、竖挡板28、第二绝热铜质管道29、手动阀门30、第四横挡板31、第五横档板32，箭头表示流体方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，一种水蒸气高效液化设备，包含一个较大的主水箱1和一个较小的辅助水箱10。设备主体为主水箱1，为不锈钢材质，形状为空心长方体，采用sus304板材，长宽高比值为1：1：5，拥有四个长度约为10cm的支脚，箱体正面由钢化玻璃制成，厚度为4cm。

主水箱1底部设有三个呈平行等间距分布的扁嘴喷头6，扁嘴喷头6头部的喷射方向垂直向上并与主水箱1底面垂直，可形成的三个扇形水流屏障，主要用于主水箱1内冷却水的补充与流经此处夹带在水体中部分水蒸气的阻截以进一步增大水蒸气与冷却水的接触面积。扁嘴喷头6为工程塑料材质，规格根据水箱和水蒸气的处理量的大小选择3分3/8上下，距离主水箱1内腔底面在2-4cm之间，且喷头的间距不得超过主水箱1高度的五分之一。三个扁嘴喷头6均焊接连通第八管路25，第八管路25作为分支管路之一连接主管路段，主要用于冷却水的输送和引导，且第八管路25上设有控制管路通断开闭的第四电磁阀23。第四电磁阀23主要用于控制进入扁嘴喷头6中冷却水的流量和流速。

主管路段由顺次相连的第七管路24、第九管路26、第五管路15和第三管路13组成，主要用于冷却水的输送和引导。第七管路24和第九管路26沿着主水箱1底部平行铺设，第五管路15沿着主水箱1左侧壁平行铺设，第三管路13沿着主水箱1顶部平行铺设。第五管路15与第九管路26相接的一端设有用于控制管路通断开闭的第一电磁阀18，主要用于控制进入第二全铜雾化喷头12和主管路段出水口中的水量和流速。主水箱1内部右下角侧壁上安装有一个第一全铜雾化喷头7，第一全铜雾化喷头7的喷射方向朝左且与主水箱1右侧面垂直，主要用于将送入喷头中的冷却水以雾化形态进入主水箱1内以充分混合达到此处的携带着部分水蒸气的冷却水同时作为一种推力引导水流向左侧快速流过。第一全铜雾化喷头7与从主水箱1外延伸进来的第一管路8连通，且第一管路8也作为分支管路之一连接主管路段，主要用于冷却水的输送和引导。第一管路8上设有控制管路通断开闭的第三电磁阀22，主要用于自动控制进入第一全铜雾化喷头7中冷却水的流量和流速。

主水箱1内腔由位于中间的竖隔板17分隔成左右两个腔室，但竖隔板17上下与主水箱1内腔壁之间均留有一定的空间。竖隔板17顶部固定于第二横挡板5上，第二横挡板5固定在主水箱1内腔右上角侧壁上。竖隔板17上从下往上等间距固定有三块第四横挡板31，且三块第四横挡板31均以竖隔板17为中心镜像对称。三块第四横挡板31的两端与内腔侧壁之间均留有一定的空间。在主水箱1内腔的左侧壁上装有两块第一横挡板4，且两块第一横挡板4分别位于左腔室的三块第四横挡板31形成的两个夹层之间，由此这些横板在左腔室中构成第一弓字形流道。同样的，在主水箱1内腔的右侧壁上也装有三块第一横挡板4，其中一块第一横挡板4位于右腔室中第二横挡板5和最上方的第四横挡板31之间，其余两块第一横挡板4分别位于右腔室中三块第四横挡板31之间，这些横板在右腔室中也构成第二弓字形流道。在主水箱1内腔构建这些弓字形流道的目的是要提高水蒸气在主水箱1内的停留时间以增加水蒸气液化效率。另外，所有的第一横挡板4、第四横挡板31的末端均安装有垂直的竖挡板28，进一步在水汽流动过程中对其产生阻滞扰流，延缓行进速度，增加停留时间。另外，在主水箱1的左腔室中，在第二横挡板5和最上方的第四横挡板31之间安装有两块第三横挡板16和一块第五横档板32，两块第三横挡板16固定于主水箱1内腔的左侧壁上，第五横档板32固定于竖隔板17上且位于两块第三横挡板16之间，两块第三横挡板16与竖隔板17不接触，第五横档板32与主水箱1内腔的左侧壁也不接触，由此构成了供水汽流经的第三弓字形流道。而且，在本实施例中，主水箱1内左右两条弓字形流道中，构成弓字形流道的所有横隔板均呈等间距布置，使得每段横向流道的高度相等。但第三弓字形流道例外，其流道高度需要保证小于第一弓字形流道和第二弓字形流道高度，使得流体流经此流道时，由于流道的当量直径缩小，水流被挤压提速，增大水汽接触面积。

在本实施例中，主水箱1内腔中的所有横挡板、竖隔板均采用不锈钢材质的长方形板材，型号为不锈钢304，长宽高比为5:5：1。其中两块第三横挡板16的间距根据水箱的大小为主水箱1高的二十分之一，而上下相邻的第一横挡板4间距根据水箱的大小为主水箱1高度的十分之一，另外第二横挡板5一般距离主水箱1内腔顶部为主水箱高的十分之一，其左侧边距主水箱1左侧面为主水箱1高的八分之一。这三种横挡板的宽度(即与图1纸面方向垂直的方向)，均与主水箱1的宽度一致，除悬空一侧外三条侧边与主水箱1的内腔侧壁焊接密闭。

主水箱1内腔顶面左侧设置有两个第二全铜雾化喷头12，第二全铜雾化喷头12与第一全铜雾化喷头7均为全铜材质，型号gq2541，规格4分外牙(dn15)根据水箱大小，距离水箱内侧面在5-10cm之间，优选采用全铜高雾化喷头。如图3所示，第二全铜雾化喷头12通过第四管路14连通位于主水箱1正上方的第三管路13，可以将第三管路13中的冷却水转化成冷凝雾气均匀的扩散到主水箱1内液面上方，主要用于进一步增大水汽的接触面积，使未冷凝的水蒸气冷凝。主管路段上连接有扩展的第二管路11，第二管路11的出水口一端从主水箱1右侧顶部垂直伸入并穿过第二横挡板5，位于第二弓字形流道的入口处，主要用于主水箱1内冷却水的补充以及减小进入主水箱1中水蒸气的冲击力。第一绝热铜质管道3作为水蒸气入口端从主水箱1的右侧壁伸入第二横挡板5和第一横挡板4之间。第一绝热铜质管道3的出口与第二管路11的出水口在右腔室的弓字形流道中以90°夹角紧邻交汇，使两种流体在此处充分混合。第一绝热铜质管道3上分别设有一个第一单向阀2和手动阀门30。第一单向阀2主要用于防止主水箱1内冷却水的逆流，所述手动阀门30主要用于控制水蒸气的流量和流速。主水箱1的左侧壁上设置有第二绝热铜质管道29，第二绝热铜质管道29一端连通主水箱1内第二横挡板5上方的左腔室，另一端穿过主水箱1的左侧壁后连通辅助水箱10的左侧壁，将冷凝水导入辅助水箱10中。助水箱10为不锈钢材质，形状为空心长方体，采用sus304板材，长宽高比值为1：1：5。主水箱1的内腔左侧底部通过带有第五电磁阀27的管道连通第二绝热铜质管道29，可通过打开第五电磁阀27将主水箱1内的水排尽。第二绝热铜质管道29上靠近辅助水箱10一端安装有第二单向阀9，主要用于防止冷却水的逆流。辅助水箱10内腔的底部左侧设有一条由水箱外延伸进来的第十管路21，第十管路21的出口与第二绝热铜质管道29出水口也以90°夹角紧邻交汇，如图2所示，主要用于冷却水的输送和减缓从第二绝热铜质管道29内过来的水流速度和进一步冷却极少部分未液化的水蒸气。在第十管路21上还装有第二电磁阀20，可控制水蒸气的流量和流速。辅助水箱10的右下角连接有用于冷却水外排的第六管路19，主要用于冷却水的排出和输送。

本实施例中，第一电磁阀18、第二电磁阀20、第三电磁阀22、第四电磁阀23电磁阀，为不锈钢材质，us-15型号，先导式，连接方式采用法兰，耐受200度高温。第一单向阀2和第二单向阀9为黄铜材质，cd-gbf-dx型号，均为直通式，耐800度高温，与管路之间通过焊接相连。

本发明的上述简易蒸汽冷却装置，可以将水蒸气充分转化为液态水，实现了水蒸气的零排放目标。装置的关键在于巧妙地利用大水箱内的空间结构和对挡板和隔板的合理运用构建了多个弓字形内腔通道，这个通道的形成有助于水蒸气在水箱内的充分停留，同时两种喷头的引入，则在某种程度上大大增加了水蒸气和冷凝水的换热面积，加速了水蒸气液化过程的进行，且整个装置全部都是由非常廉价、常见的零部件组装而成，具有经济实用、液化效率高、绿色环保等特点。

下面基于上述液化设备，详述利用该设备进行水蒸气高效液化方法，其步骤如下：

开启手动阀门30，让待液化的水蒸气a经第一绝热铜质管道3到达位于主水箱1内的第一绝热铜质管道3端口，将冷却水b依次通过第七管路24、第九管路26、第五管路15和第三管路13，然后通过第二管路11引导进入主水箱1内。

水蒸气和冷却水在第二管路11与第一绝热铜质管道3互相垂直的交接点处相遇换热，并一同沿着由第一横挡板4、第二横挡板5和第四横挡板31之间形成的第二弓字形流道向主水箱1右侧底部流动，在流道过程中利用垂直于第一横挡板4端部的竖挡板28对流体进行阻滞，故流速较小，流动缓慢。

在接触到右侧底部时，来自第一管路8的冷却水通过第一全铜雾化喷头7雾化产生推力，使流体的流动速度得以提高，并逐个冲破由三个扁嘴喷头6形成的扇形水流屏障到达主水箱1底部左侧，随后继续顺着第一弓字形流道向上前进，途中机理利用竖挡板28的阻滞作用延缓流速，在通过第一弓字形流道后，随之进入流道变窄的第三弓字形流道。

在第三弓字形流道处，由于此处挡板间隙较小，所以携带着水蒸气的冷却水在穿过这个狭窄区域时会受到一定的挤压导致流速增大，从而较为快速的通过此处，最后从第二横挡板5上方流出。其中有一部分未液化的水蒸气或热空气会离开液面进入主水箱1顶部，在该位置第二全铜雾化喷头12将主管道段输送的冷却水以水雾形式喷射，与未液化的水蒸气或热空气接触换热，遇冷液化成水珠的小部分水蒸气又会回到主水箱1的冷凝水中，同其他冷凝水一起从第二绝热铜质管道29流出主水箱1，并沿着第二绝热铜质管道29输送至辅助水箱10内。

在辅助水箱10进口处，第二绝热铜质管道29出口中极少部分未液化的水蒸气，与经过第十管路21进入辅助水箱10的冷却水再次混合换热，被进一步冷凝，随后所有冷凝水一起从连接于辅助水箱10右下角的第六管路19排出。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。