来复嵌套、螺旋线性通路及管道化热交换生产技术

所属技术领域

本发明技术提供一种用于冶金、化工生产领域对易流动液体(包括浑浊态 流体)进行“加热——加工处理——冷却”生产模式的高效生产和高效节能技 术——“来复嵌套、螺旋线性通路及管道化热交换生产技术”，如蒸馏(浓缩)、 压煮、高温杀菌消毒等。该发明技术利用来复嵌套、螺旋线性通路及管道化技 术，在确保功能更加完善、结构更加简单和设备更加小型化的同时，使能量充 分循环利用，实现高效生产、高效节能和环保的目的。

背景技术

在冶金、化工领域，其生产过程通常是在液态或浑浊态状况下，经高温、 高压、搅拌处理，使物质成份发生化学变化生成新的物质、或将易被蒸发的物 质成份从中分离出来，以及杀菌消毒等。如蒸酒、纯净水生产、冶金工业的铝 土矿拜尔溶出和循环母液浓缩、饮料高温杀菌消毒，都属于对易液体或浑浊流 体进行“加热——加工处理——冷却”的生产模式。对于这种生产模式，目前 工业上普遍实际采用“加热+加工处理”——“冷却”的模式来完成其生产流 程，即“加热”和“加工处理”合成为一个装置，一般为塔式锅炉，加热方式 主要有两种，即直接加热和蒸汽间接加热；而“冷却”部分为另一个独立装置 ——冷凝器，锅炉与冷凝器间用管道连通，用水或风实现对加工成品进行冷却， 热能很少被循环利用，这种一次性使用能源的生产模式，造成大量能源被浪费。 如蒸酒业，酒蒸汽经专用冷凝器用水冷凝，而酒渣直接排放，热能没有被有效 循环利用，成为耗能大户。

在铝土矿冶炼过程中，铝土矿拜尔溶出和循环母液浓缩两个环节在生产过 程中起着关键作用，但它们也是两个能耗最大的环节。就拜耳溶出设备而言， 目前，主要包括两大类，一是塔式溶出(压煮)设备，二是简易管道化溶出(压 煮)设备。前者或是一个大型的塔式压煮锅炉，或是由若干个小型塔式压煮设 备组成的一个压煮系统，共同缺点是设备系统结构复杂，技术难度大、制造成 本高，工效较低，停机启动时间长，属于一种模糊状态的“先进先出”模式， 热量不便于循环利用，能耗大；后者虽说能真正实现“先进先出”的工艺目标， 但由于属于简单的直线性通道结构，为了使浊态料浆获得较高的雷诺系数和使 料浆处于高度湍流状态，势必要求浊态浆液保持高速运动，又要确保Al2O3有足 够溶出时间，因此，铝土矿的拜尔溶出管道通常需要很长，一般长达2000米， 或更长，占空间很大。另由于属非直接换热型，需要附加若干自蒸发器来实现 能量循环利用目的，使设备系统复杂化，制造成本高，热能循环利用率不高， 亦不便于设备的维护管理。

2000年10月18日中国专利局公布了一项本人发明的“微型化高效节能连 续蒸馏技术”，专利号：CN99124910.0。该项技术主要揭示了化工蒸馏领域(如 蒸酒、纯净水生产等)一种高效节能技术原理，它将“加热——加工处理—— 冷却”设置成为一个有机整体装置——“加热+加工处理+冷却”，即“(蒸馏 釜内)采用限量原液沿水平线性通路动态加热升温蒸馏，(蒸馏釜外)以待蒸馏 原液作冷凝剂逆向冷却高温残液和蒸汽，实现循环利用热能和设备小型化、微 型化的连续高效蒸馏技术。”但该发明技术仅强调在蒸馏行业中应用，没有提及 到压煮(如铝土矿拜耳溶出)、高温杀菌消毒等工业领域的应用；其次，对蒸馏 釜内结构的设计适用性欠佳；第三，对蒸馏釜外地热交换装置设计没有强调螺 旋线性通路结构，热交换效果尚不够理想；第四，主要强调在蒸馏釜外进行热 交换实现热能循环利用，没有重视蒸馏釜内热能交换。

发明内容

为了使蒸馏(浓缩)、压煮(铝土矿拜耳溶出)、高温杀菌消毒等更广泛领 域生产效率更高、热能循环利用率更高、热交换效果更好，真正实现高效生产 和高效节能的目的，同时使热交换装置更简单和设备更小型化，本发明技术在 “微型化高效节能连续蒸馏技术”原理基础上，提供一种技术更全面、更具体， 适用范围更广的全程“来复嵌套、螺旋线性通路及管道化热交换生产技术”，它 是对“微型化高效节能连续蒸馏技术”的更深入发展和推广应用。

本发明关键技术在于：将化工、冶金生产领域对易流动液体或浑浊态流体 进行“加热——加工处理——冷却”模式的生产过程利用“来复嵌套、螺旋线 性通路及管道化技术”形成一个有机整体，使整个生产过程均处在一个线性化 的能量交换和热能循环利用的生产环境，即以待生产加工的原液作冷凝剂，在 冷却已加工的成品(液、汽)的过程中得到加热，而已加工的成品(液、汽) 在传递热能给原液时得到冷却。

由于在整个热交换过程中，均保持在线性通路环境条件下，为了充分完全 达到生产目标，有时需要很长的线性通路。本发明解决这一问题的方法就是将 线性通路螺旋化处理，从而使设备的外观尺寸明显缩短，在实现热能高效交换 的同时，并使设备尺寸小型化和高效生产。为适应化工、冶金业中大流量的生 产加工，本发明技术主要采用轴螺旋型、扭带式螺旋型和渐近式螺旋型线性通 路装置。轴螺旋型主要在嵌套的两管道间使用；扭带式螺旋型主要在最里管道 内使用；渐近式螺旋型主要在蒸馏釜内设计使用。

对“来复嵌套、螺旋线性通路及管道化热交换生产技术”特点说明如下：

(1)所谓“来复”，是指待加热加工处理的原液(料浆)与完成加工处理 的高温成品总是沿相邻线性通路保持逆向通行，实现热能无限循环利用的目的。 本发明主要揭示两种“来复”节能模型，一是压煮(如铝土矿拜耳溶出)、高温 杀菌消毒“来复”原理模型，属全程来复热交换模型；二是蒸馏分离(浓缩)“来 复”原理模型，全程分为两个区段，即热交换专段和热交换蒸馏分离段。由于 具有线性化特征，以上两种原理模型都可以采用点加热方式，也可以采用线加 热方式。

(2)所谓“嵌套”，是指待加热加工处理的原液(料浆)的线性通路与完 成加工处理的高温成品的线性通路之间，总是存在嵌入(沉入、没入)与包容 (包含)的关系。目的是使设备结构紧凑，热交换效果更好。嵌套类型可以是 多种多样的，常见类型包括封闭式“回”字型、复“回”字型、“目”字型，以 及开放式“目”字型等。

(3)所谓“螺旋线性通路”，是指在允许的条件下，尽可能采用螺旋型线 性通路结构，这样可以在设备外型尺寸不变的情况下增加原液(料浆)和成品 浆液的有效线性行程；或在确保原液(料浆)和成品浆液有效线性行程的情况 下，使设备外型尺寸更短小。如设计一个日加工200吨铝土矿石的来复嵌套螺 旋线性通路溶出管道，其长度仅有70米左右，最大外管φ500mm，而料浆行程 达到3500m，设备优势非常明显。其次，使原液(料浆)和成品浆液保持高度 的湍流状态，以增大雷诺系数、提高生产效率和热能交换率。

将线性通路设计成螺旋型时必须确保通路内的流体(液态、浊态、汽态) 能够保持较高速度的流动，即流动性能要好。

螺旋线性通路主要类型，包括轴螺旋型、管簧螺旋型、渐近式螺旋型和扭 带式螺旋型。轴螺旋型，适合在嵌套的两管道间使用；扭带式螺旋型，主要适 合最内管道内使用；渐近式螺旋型，适合蒸馏釜内设计使用；管簧螺旋型线性 通路特征与轴螺旋型相似，但耗材多，制造成本较高，当管道直径较大时，制 造难度较大，只有当本发明技术应用于生产微型热交换装置时，管簧螺旋型线 性通路才具有一定的使用价值。

(4)所谓“管道化”，是指设备尽可能采用圆形管道材料。原因之一是圆 形管道材料成品在市场上容易购买，设备制造容易；之二是具有线性特征和自 封闭性；之三是圆形管道在高温高压状态下力学性能稳定，不易发生形变，安 全性好。但是，蒸馏分离过程不能使用封闭式管道化设计。

附图说明

附图1，主要揭示“来复”节能原理模型，附图1a为压煮(如铝土矿拜耳 溶出)、高温杀菌消毒“来复”原理模型；附图1b为蒸馏分离(浓缩)“来复” 原理模型。

附图2，揭示嵌套类型，a为封闭式“回”字型嵌套，b为封闭式复“回” 字型、c为封闭式“目”字型嵌套，d为开放式“目”字型嵌套。

附图3，主要揭示两种适用的管道化热交换装置，以及管道装置内部的螺旋 线性通路的结构类型。附图3a为适合压煮(如铝土矿拜耳溶出)、高温杀菌消 毒“来复”原理模型的管道化热交换生产装置；附图3b为蒸馏分离(浓缩)“来 复”原理模型的管道化热交换装置。附图3中包含两种螺旋线性通路的结构类 型，即轴螺旋型和扭带式螺旋型。附图3a之1、2和b之1、2为轴螺旋型；附 图3b之3为扭带式螺旋型。

附图4，揭示一种高效节能和高效蒸馏的蒸馏釜装置，附图4a显示该蒸馏 釜装置内为渐近式螺旋线性通路结构。附图4b显示该蒸馏釜装置内的渐近式螺 旋线性通路为上部为开放式的线性通路。图中“·”表示流体流动方向是沿管道 流向读者的方向，“×”表示流体动方向是沿管道离开读者的方向。

具体实施方式

1、轴螺旋型线性通路的实施

轴螺旋式通道主要由内管(或轴)、外管和螺旋曲面三个部分构成。制造过 程中，以内管(或轴)为基管，将螺旋曲面焊接到基管(或轴)上，然后放入 到外管内。由于流体以较高速度(v)沿切线方向注入和流出螺旋线性通路， 使流体产生回旋效应，流体自动地沿螺旋线性通路螺旋行进。即使螺旋曲面与 处管间存在一定的间隙(h)，都不会改变流体沿螺旋线性通路螺旋式行进的性 质。这就使基管及螺旋曲面较易放入外管内，或从外管中取出，使设备制造变 得容易及实现模块化设计制造，同时方便设备维修保养。

根据以上特点，为了使设备制造简单、实施容易，实际应用中，应根据流 体的组成、粘滞力、比重等特性，利用流体动力学理论，估算流体允许最低流 速(v)和螺旋曲面与处管间最大允许间隙(h)，并通过试验方法进行验证， 以确保流体全程沿螺旋线性通路螺旋式行进。

螺旋曲面环宽为：

H＝R-r-h                                          (1)

制造过程中，螺旋曲面可以由若干个断圆环面连接拉伸而成，圆环内半径 为r0和外半径为R0分别由下式确定：

$r_0=\sqrt{D^2+4{\pi }^2{r}^2}/2\pi ---\left(2\right)$

R0＝r0+H                                          (3)

说明：以上各式中，R为外管内半径，r为内管外半径，H为螺旋曲面环宽 (曲面高)，h为螺旋曲面外边与外管间的空隙，D为螺旋曲面的螺纹距，r0为 断圆环面内半径，R0为断圆环面外半径，v为流体在螺旋线性通道内的流速。

2、高温压煮、杀菌消毒类原理模型的实施

如附图1a所示，是一种高温压煮、杀菌消毒类原理模型。在该原理模型的 生产过程中，虽然被加工对象的物质成份发生了改变，但这种改变是在高温区 段内自动完成的。关键在于人为创造一个相适应的高温、高压条件，而并不需 要进行物质分离处理，因此，在整个过程中，可以用一个连续封闭的线性空间 来实现。附图3a所示，就是一个适应附图1a原理模型生产要求的高效节能装置 ——“来复嵌套、螺旋线性通路管道化热交换生产装置”。

附图3a所示的“来复嵌套、螺旋线性通路管道化热交换生产装置”的特点 是：

(1)附图3a之1、2所示的螺旋线性通路均为轴螺旋型线性通路；

(2)两条螺旋线性通路在高温端(B端)是互相连通的；

(3)在实际生产时，待加工的原液(料浆)由低温的A端注入到中间层的 螺旋线性通路(附图3a之2)，完成加工的成品浆液由外层螺旋线性通路(附图 3a之1)的低温端(A端)流出；

(4)装置的最内管为热源介质流通的管道，热源介质可以是汽(气)态、 液态(包括浊态)、干粉(细砂)态，因此，最内管道内的结构应因热源介质不 同而不同。

如果热源介质为汽(气)态，则其内部可设置为扭带式螺旋线性通路(同 附图3a之3)。如果汽态在传递热能过程中产生大量冷凝液时，则要求热交换装 置的高温端高于低温端；其次，采用底部有缺口的扭带式螺旋线性通路，以确 保冷凝液从低温端顺利流出。

如果热源介质为液态，则其内部可设置为扭带式螺旋型或轴螺旋型线性通 路。

如果热源介质为干粉(细砂)态，则其内部应再设置一条可回转的管道， 并使管道的高温端高于低温端，回转管道与原最内管道(附图3a之3)之间要 装填满传热介质(如道生油等)和安装承轮装置，以使回转管道能不停地旋转， 并在旋转过程中使热源干粉(细砂)由B端流向A端，而热能经由传热介质间 接地逆向传给待加工处理的原液(料浆)。

对于热源介质为汽(气)态、液态(包括浊态)时，在不考虑热交换效率 的情况下，最内管道内均可以设置为“空”。

3、蒸馏分离(浓缩)类原理模型的实施

如附图1b所示，是一种蒸馏分离(浓缩)类原理模型。在该原理模型的生 产过程中，被加工对象的物质成份需要蒸汽分离处理。这就要求，当达到一定 温度和压力条件后，在热能交换过程中还要提供一个蒸汽存在和分离的空间。 因此，附图1b原理模型存在两个区段，即热交换专段与热交换蒸馏分离段。对 于热交换专段，可以用一个连续封闭的线性空间来实现。附图3b所示，就是一 个适应附图1b原理模型生产要求的高效热交换装置——“来复嵌套、螺旋线性 通路管道化热交换装置”。对于热交换蒸馏分离段，采用蒸馏釜样式进行设计。 为了使蒸馏过程保持线性化特点，在蒸馏釜内采用了渐近式螺旋线性通路设计， 如附图4所示。因此，蒸馏分离(浓缩)类原理模型生产过程，需要由一个热 交换装置和一个蒸馏分离装置共同组成。

附图4所示，提供一种渐近式螺旋线性通路的蒸馏分离装置——蒸馏釜， 这种蒸馏釜的结构特点：第一，蒸馏釜的线性通路中存在容纳蒸汽的空间，这 个空间的上部允许不具备线性特征而直接相连通。第二，收集的蒸汽和完成蒸 馏分离被浓缩的尾液，分别沿各自的管道沉入正在蒸馏的原液体中，由蒸馏釜 中心(终点)沿线性通道逆向流出蒸馏釜，进入管道型热交换装置(附图3b)。

其中，蒸汽进入到热交换装置的最内管道(扭带式螺旋线性通路)的高温 端(附图3b之3的B端)，将热能逆向传递给热交换装置中间层轴螺旋线性通 路(附图3b之2)的待蒸馏的原液；被蒸馏浓缩的尾液进入到热交换装置的最 外层轴螺旋线性通路的高温端(附图3b之1的B端)，将尾液的热能也逆向传 递给中间层的待蒸馏原液。

附图3b所示的“来复嵌套、螺旋线性通路管道化热交换装置”的特点是：

(1)附图3b之1、2所示的螺旋线性通路均为轴螺旋型线性通路。

(2)待蒸馏的原液从附图3b之2通路的低温端(A端)流入，至附图3b 之2通路的高温端(B端)流出到蒸馏釜内渐近式螺旋线性通路的入口处(附图 4a之A点)，进入蒸馏分离阶段；

(3)附图3b之3所示的扭带式螺旋线性通路，为确保蒸汽冷凝液顺利从 其低温流出，要求热交换装置的高温端高于低温端，其次采用底部有缺口的扭 带式螺旋线性通路。

按照以上方法实施的蒸馏装置除高效节能外，还具有闪蒸馏的特点，蒸馏 速度快。