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      板式熱交換器
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      一種多效板式升膜逆流蒸發濃縮裝置和方法

      [技術領域]

      本發明涉及多效蒸發濃縮工藝及設備技術領域,具體的說是一種多效板式升膜逆流蒸發濃縮裝置和方法。

      [背景技術]

      目前,蒸發濃縮工藝一般采用管殼式換熱器或板式換熱器,管殼式換熱器由于其體積龐大:整套裝置高度自十幾米到幾十米需要兩個及以上操作平臺;在許多方面受到限制:如物料物性、工藝條件的要求等。所以絕大多數管殼式換熱器一般只能做到三效設計,換熱效率過低,因此逐漸被板式換熱器取代。

      國內專利CN1864783A公開了一種多效蒸發淡化濃縮方法及裝置是與本發明最接近的國內現有技術,在公開文件中提供了一種多效、并逐級進行蒸發濃縮的工藝,這種工藝采用了逆流換熱的目的是減少換熱過程中的結晶析出,但是,這種設計在多效換熱過程中沒有閃蒸分離的步驟,在換熱器中會存在大量汽化現象,會對設備造成極大的損傷,另外,會降低升溫濃縮效率。另外,其設備采用了板式換熱器,然而卻沒有對其中的換熱板進行具體的設計,缺少閃蒸設備、在常壓下進行濃縮,都會對濃縮工藝造成很大的影響。

      [發明內容]

      本發明的目的是解決現有技術中在濃縮熱敏性物質時容易結晶析出的現象,提供一種多效板式升膜逆流蒸發濃縮裝置和方法。

      為實現上述目的設計一種多效板式升膜逆流蒸發濃縮裝置,包括板式換熱器結構、閃蒸罐結構,其特征在于包括五組串聯的板式升膜逆流蒸發裝置,每組板式升膜逆流蒸發裝置包括一個板式換熱器、一個閃蒸罐、一個泵,板式換熱器的介質通道出口與閃蒸罐的進口間連接管道,板式換熱器的蒸汽通道出口連接蒸汽出口管道,

      第二組至第五組:閃蒸罐底部的出口與泵進口間連接管道、泵出口與上一組的板式換熱器介質通道進口間連接管道,蒸汽出口管道匯總后與真空罐進口間連接蒸汽出口管道,真空罐出口與真空泵進口間連接管道;

      第一組至第四組:閃蒸罐的罐頂出口與其下一組的板式換熱器蒸汽通道進口間連接管道;

      第一組:板式換熱器的蒸汽通道進口與外界的蒸汽管道連接,閃蒸罐的底部出口連接出料管道;

      第五組:閃蒸罐的罐頂出口與板式冷凝器進口間連接蒸汽出口管道,板式冷凝器出口與真空罐進口間連接管道,所述的原料液的進料管道與板式換熱器的介質通道進口連接;

      第一組中的板式換熱器是一效板式換熱器,第二組中的板式換熱器是二效板式換熱器,第三組中的板式換熱器是三效板式換熱器,第四組中的板式換熱器是四效板式換熱器,第五組中的板式換熱器是五效板式換熱器。

      所述的板式加熱器換熱通道長徑比為156~170,換熱板為人字形波紋板、波紋夾角30°、波紋深度3.85mm、法向節距12.6mm,有效加熱強度1200mm、蒸汽角孔直徑200mm,蒸汽出口直徑為200mm。

      所述的閃蒸罐,進口在罐體自罐底總高的三分之一處,在罐體內頂部設置隔柵式液沫捕捉器,罐體內底部設有液位傳感器,所述液位傳感器監測液位高度控制在在罐體自罐底總高300~900mm處。

      所述的外界蒸汽管道與一效板式換熱器間可串聯換熱器,所述的第五組閃蒸罐連接的蒸汽出口管道上可串聯換熱器。

      所述的進料管道與五效板式換熱器間可串聯一個或多個換熱器,換熱器的蒸汽通道與所述的第一組至第五組的一根或多根蒸汽出口管道串聯連接。

      所述的出料管道上可串聯緩存罐,緩存罐底部出口連接泵。

      所述的管道上可設置閥門、溫度儀表、壓力儀表中的一個或多個。

      本發明還包括一種多效板式升膜逆流蒸發濃縮方法,其特征在于該方法中的每一組裝置均處在密閉的負壓系統條件下,絕對壓力在0.005Mpa~0.06MPa之間,控制自第一組至第五組設備真空度呈梯度升高而蒸發溫度則呈梯度下降,控制液位高度在閃蒸罐自罐底總高300~600mm處,

      原料經過五效板式換熱器換熱,然后再經過閃蒸分離器與溶劑進行分離,經過分離的原料進入四效板式換熱器,如上述方法逐級換熱蒸發濃縮直至第五組閃蒸罐,每次經過板式換熱器溫度升高2~9℃,從第一組的閃蒸罐底部出口生產出濃縮液;換熱用的蒸汽走向與原料走向相反,一效換熱器的熱量來自外界蒸汽,原料經過蒸汽加熱后閃蒸分離,蒸汽從閃蒸罐頂部進入二效板式換熱器與原料換熱,如此逐級換熱直到第五組的閃蒸罐,經過換熱的第一組至第四組蒸汽和第五組閃蒸罐頂部出口的蒸汽進入真空罐,真空罐連接真空泵抽真空。

      所述的進料的初始溫度為45℃,低于45℃的采用電加熱預熱至45℃。

      所述的方法中通過在管道中加設蝶閥來解決因為汽化產生的溶質析出現象。

      所述的控制自第一組至第五組設備真空度的方法是調節換熱器出口蒸汽的流量。

      本發明同現有技術相比,充分利用了分離后二次蒸汽的熱能,降低了設備的能耗,換熱器的逆向換熱與設計的負壓和溫度條件限制物料液體在加熱過程產生的汽化現象(汽液分離),大大降低或避免了換熱板表面結垢可能,設備中的設備內的壓力隨著原料濃度的提高而提高的方法解決了常規工藝中葡萄糖酸鈉在濃縮過程中極易結晶的問題。

      [附圖說明]

      圖1 是本發明實施例的設備流程圖;

      圖中: 1.一效板式換熱器  2、4、6、8、10均為閃蒸罐   3.二效板式換熱器  5.三效板式換熱器  7.四效板式換熱器  9.五效板式換熱器  11.外界蒸汽進口  12.原料液進口  13.真空泵  14.真空罐  15.緩存罐  16.出料管道。

      [具體實施方式]

      結合附圖對本發明做進一步說明,這種裝置的制造技術對本專業的人來說是非常清楚的。

      針對需要采用熱法蒸發濃縮的物料原液:有機溶液、無機溶液、葡萄糖酸鈉(內酯)溶液、鋼鐵廠廢水濃縮、果汁、乳品、發酵液、含鹽廢水、工業廢水、毒害性廢液焚燒前提濃、海水淡化等等。

      通常原物料液體中溶質含量較少,通過蒸發取出水分達到濃縮提取高的濃度溶質液體目的,或反之從溶液中分離出溶質而獲取所需的蒸餾水。

      工藝流程:

      每一組裝置均處在密閉的負壓系統條件下,絕對壓力在0.005Mpa~0.06MPa之間,控制自第一組至第五組設備真空度呈梯度升高而蒸發溫度則呈梯度下降,控制液位高度在閃蒸罐自罐底總高300~600mm處。其中:

      原料液體流程:

      稀的原料料液由外部輸入――進入五效板式換熱器――五效閃蒸罐――循環泵――四效板式換熱器――四效閃蒸罐――循環泵――三效板式換熱器――三效閃蒸罐――循環泵――二效板式換熱器――二效閃蒸罐――循環泵――一效板式換熱器――一效閃蒸罐――輸出泵――輸出――成品物料輸出

      加熱蒸汽流程:

      生蒸汽(鍋爐蒸汽)――進入第一效板式換熱器――進入第一效閃蒸罐生成二次蒸汽――進入第二效板式換熱器――進入第二效閃蒸罐生成二次蒸汽――進入第三效板式換熱器――進入第三效閃蒸罐生成二次蒸汽――進入第四效板式換熱器――進入第四效閃蒸罐生成二次蒸汽――進入第五效板式換熱器――進入第五效閃蒸罐生成二次蒸汽――進入板式冷凝器冷卻生成冷凝水――進入第真空平衡罐――冷凝水泵――排出。

      實施例1:

      葡萄糖酸鈉原液濃縮:氧化法生成的母液進入本機組第五效時溫度45攝氏度、波美度16,第五效單元真空絕對壓力0.0123MPa,蒸發溫度50攝氏度;經過蒸發脫水后進入第四效蒸發單元時母液溫度為50攝氏度、波美度提高到約18~19,第四效單元真空絕對壓力0.018 MPa,蒸發溫度57攝氏度;經過蒸發脫水后進入第三效蒸發單元時母液溫度為57攝氏度、波美度提高到約21,第三效單元真空絕對壓力0.024 MPa,蒸發溫度64攝氏度;經過蒸發脫水后進入第二效蒸發單元時母液溫度為64攝氏度、波美度提高到約24,第二效單元真空絕對壓力0.033MPa,蒸發溫度72攝氏度;經過蒸發脫水后進入第一效蒸發單元時母液溫度為72攝氏度、波美度提高到約27,第一效單元真空絕對壓力0.047,蒸發溫度80攝氏度;第一效真空分離出的母液波美度提高到約30,溫度80攝氏度,濃度約在80%,達到了成品液的參數由排液泵輸出。

      實施例2:

      葡萄糖內酯原液濃縮:發酵法生成的母液進入本機組時原始濃度約17%,溫度約為30~35攝氏度,經如串聯的板式冷凝器、冷凝水換熱器加熱后溫度提升至月40攝氏度進入第五效,第五效單元真空絕對壓力控制在0.01MPa,蒸發溫度46攝氏度;經過蒸發脫水后進入第四效蒸發單元時母液溫度為46攝氏度,第四效單元真空絕對壓力0.015MPa,蒸發溫度53攝氏度;經過蒸發脫水后進入第三效蒸發單元時母液溫度為53攝氏度,第三效單元真空絕對壓力0.02 MPa,蒸發溫度60攝氏度;經過蒸發脫水后進入第二效蒸發單元時母液溫度為60攝氏度,第二效單元真空絕對壓力0.03MPa,蒸發溫度69攝氏度;經過蒸發脫水后進入第一效蒸發單元時母液溫度為69攝氏度,第一效單元真空絕對壓力0.04,蒸發溫度75攝氏度;第一效真空分離出的母液濃度提高到約70~80%,溫度75攝氏度,達到了成品液的參數由排液泵輸出。

      要點:

      (1)板式換熱器流程采取升膜逆流式,傳熱系數更高,溫度場分布均勻,布液均勻,不會出現干板現象。板式換熱器換熱通道最佳長徑比為156~170之間。

      (2)經過許多次試驗優化后選擇的換熱板技術參數為:人字形波紋狀,夾角130度,深度3.85mm,法向節距12.6mm,加熱板面有效加熱長度1200mm,材質為不銹鋼的316L,蒸汽角孔直徑200mm。

      (3)板式換熱器二次蒸汽出口直徑200mm,裝有蝶閥作為節流閥用途,調節原料液受熱過程與二次蒸汽出口的壓力差,控制原料液在加熱過程的壓力,使之不出現因為汽化而產生溶質析出現象,避免出現因溶質著床換熱板表面而形成結垢導致換熱效率下降乃至設備失效的不良后果。

      (4)板式換熱器母液出口管與閃蒸罐采取水平聯接,進入閃蒸罐高度為自罐底部向上為罐體總高三分之一位置,沿罐體外園切線進入。上部空間保證汽液分離所需的足夠有效容積,并在頂部出氣口設置了格柵式液沫捕集器,下部存液高度通過液位傳感器自動應控制在300~600mm。

      (5)原料液與加熱源逆流除了提高了傳熱效率等優點外,由于原料液隨著濃度的提高溫度也相應提高工藝方法解決了常規工藝中葡萄糖酸鈉在濃縮過程極易結晶的難題。

      加熱蒸汽工藝過程:飽和蒸汽(鍋爐產生)溫度105~110攝氏度作為熱源進入第一效板式換熱器加熱母液經由閃蒸罐生成二次蒸汽溫度約80攝氏度作為熱源進入第二效蒸發單元,第二效母液被加熱又生成二次蒸汽去加熱第三效母液。同樣的過程,依次直至第五效蒸發單元。各效的二次蒸汽溫度攝氏度為:第一效80攝氏度,第二效72攝氏度,第三效64攝氏度,第四效57攝氏度,第五效50攝氏度。第五效生成的二次蒸汽進入板式冷凝器冷卻為冷凝水進入真空平衡罐匯集,由冷凝水泵破真空排除系統。第一效至第四效的冷凝水匯集后經由板式換熱器預熱原料液后進入真空平衡罐由冷凝水泵排出。

      原理:

      本裝置所有的加熱、蒸發、冷凝工藝過程均在閉合的系統條件下進行的,導致影響工藝操作的真空波動是不允許的,設計和制造時也充分考慮到這些問題了。

      需要濃縮的原料液體由外部通過管道進入本機組的第五效加熱器(板式換熱器),物料液體自底部接管進入加熱器,被另一側熱源蒸汽間接加熱后會以升膜的形式在加熱板片之間通道內高速的自下而上流動,流動液體的推動力來自于液體被加熱后由溫差所產生的升力,在換熱器流道內原料液體吸收足夠的熱能后瞬間脫離加熱器以液態形式進入第五效閃蒸罐在重力的作用下分離為兩相流體(閃蒸罐內絕對壓力小于加熱器流道內的壓力),上升的為水蒸氣組分(第五效是本機組最后一效水蒸氣不再進入下一效作為熱源,而其他各效則進入下一效的加熱器)進入板式換熱器冷凝成水匯進入真空平衡罐有下設的冷凝水泵連續輸出。第五效閃蒸罐分離沉降的物料液體經由下部設置的循環泵輸往第四效加熱器的下部入口自下而上的被加熱,物料液體在加熱器被加熱后升膜進入第四效閃蒸罐分離為兩相流體(罐內與加熱器存在壓差),同樣水蒸氣組分脫離罐體進入下一效加熱器(第五效)作為熱源去加熱該效加熱器中另一側的物料。同理,其它各效之間的過程水其本如此。各效蒸氣在傳遞出能量后也降低了自身的溫度而相變成冷凝水經各效加熱器熱側的下部冷凝水管道輸出,各加熱器冷水輸出管道在負壓的狀態(真空度由真空泵系統產生的)下聯接匯總管進入真空平衡罐后回收利用。而進入閃蒸罐的重相為液體下降沉淀的為高于后一級濃度的物料液體再進入上一級加熱器接受加熱。作為加熱熱源的蒸汽由前一效向后一效流動,物料液則由后一效向前一效流動,各效連續的且恒定量的重復以上的過程。由于在加熱器中預設定了壓力和溫度工藝條件,所以控制了物料液體在加熱過程產生出現汽化現象(汽液分離),同時選擇換熱器波紋板結構參數有利于表面自清作用,所以大大降低或避免了換熱板表面結垢可能。第一效加熱器的熱源來自外部蒸汽或其他熱源,而其它各效加熱器的熱源是由前一級閃蒸罐的分離出的水蒸氣所提供的,如此實現了一次熱源被多次利用達到了節能的目的。理論上N效所消耗的熱能為1/N,按照本發明的設計可以做到5~10效及以上,效數越多越節能,而在相同的物料和工藝條件下《多效殼管》等能做到3效也是有難度的,如此僅按照效數理論推定,本發明效率較以前的方法提高了幾倍。。最后一效分離產生的水蒸氣進入板式冷凝器冷凝成液體回收。熱源蒸汽自前效向后一效過程,物料液體則是由后一效向前一效推進。

      系統的真空度由水環真空泵預先生成,在已經生成的密閉系統內各效開始運行,工作時的真空度則由各效換熱器對前一效加熱蒸汽冷凝時所抱持的,真空度的控制確定蒸發溫度的穩定,同時確保閃蒸罐汽液分立的徹底性。

      通過各效閃分離蒸罐下部物料液位自動控制系統,可保證各效加熱器的均衡加熱進而保證各效蒸發量的平衡分配。

      五效板式升膜逆流閃蒸發真空成套裝置:針對葡萄糖酸鈉、葡萄糖酸內酯稀液體濃縮工藝要求而設計制造的,5五效板式升膜逆流閃蒸真空工藝的通過在食品化工濃縮車間的運行,每小時蒸發水量為5噸,消耗蒸汽約1.1噸,能效比為1:4.5,而同樣目的的原有設備只能做到2~3效,蒸發5噸水需消耗蒸汽3噸,該臺機組每小時節約蒸汽約2噸,產成品質量達標且穩定,節能節水效果顯著,減少約2/3~3/4熱污染排放量。

       


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