固体-液体-气体多相同时转变过程的操作方法及装置

摘要

本发明的方法及装置可用于固体—液体—气体多相同时转变的过程(简称固/液/气的多相转变)。在该多相转变中，液体一面气化，一面固化而产生一次蒸气及含有固体的一次凝聚物。所产生的固体可以是溶剂晶体，溶质晶体或两种晶体的混合物。本方法及装置可适用于真空冻结法，一次致冷剂共晶冻结法，湿式蒸馏固化法及真空结晶法等过程。

说明书

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本发明的固/液/气的多相转变操作在纵长形（longitudinal）处理区中进行。该处理区的两端各称为第一端及第二端。在处理区中，有两个或两个以上的纵形而可旋转的处理单元。这些处理单元沿着纵向平行的放置在处理区内。每二个相邻处理单元在横向（即与轴垂直的方向）交错（Intermesh）。一个处理单元可以由一根轴及多个连接在轴上的螺旋（型）元件（Screw    Elements）所组成。它也可由一根轴及多个连接在轴上的平盘（型）元件（Disk    Elements）所组成。螺旋元件及平盘元件统称为处理元件。一个处理元件的纵向截面小，但在横向或近于横向有大的表面。如此可促进固/液/气的多相转变。因此在一个处理区中有两个或两个以上的横向交错的螺旋型处理单元或平盘型处理单元。

在操作过程中，进料液体被送入第一处理元件的表面，而把处理区的压力维持在稍低于固体-液体-气体的多相平衡压力下。在这种情况下，处理区中的液体一面气化一面固化而生成一次蒸气及一次凝聚物。一次凝聚物中有固相体及母液。该固相体可以是溶剂晶体、溶质晶体、或溶剂与溶质的混合晶体。一次蒸气的压力通常都低于溶剂的三相点压力而被称为亚三相点蒸气（Sub-Triple    Point    Vapor）。

处理元件的表面可以呈平滑状也可有凹凸。在操作中，含有固相体及母液的一次凝聚体会滞留在处理元件的表面。母液在表面上会流动而与固相体间产生相对流动，因而经常产生新的液体表面，从而促进热与质的传递。因此可促进固/液/气的多相转变。

由于相邻二处理单元在横向的交错排列及旋转，在处理元件表面上所生成的固相物可从该表面排出。另外由于旋转中螺旋元件的作用，处理区内的固体可自第一端被输送到第二端，在处理区的第二端有罩盖（Shroud）包围螺旋元件。操作时，旋转中的螺旋元件的作用可进一步将罩盖区内的固-液混合体加压而把该混合体由处理区排出。

一个螺旋型处理单元中的多数螺旋元件可形成单导螺旋（Single    Lead    Screw）或多导螺旋（Multiple    Lead    Screw）。多导螺旋有二个或二个以上的螺旋在圆周方向错位排列。因此在轴向的某一点的垂直切面可与二个或二个以上的螺旋相交。使用多导螺旋可采用长螺距而有大的表面面积。因此可以增加固/液/气的多相变换速度，并增加在处理区内的固体输送速度。

当固/液/气的多相变换所产生的一次蒸气在几乎同压下被冷却时，会产生下列之一的情况：

（a）单纯的逆升华（凝华）;

（b）单纯的凝缩;

（c）部分逆升华及部分凝缩。

当进料液是纯的溶剂或含有非挥发性的溶质时，所生成的一次蒸气是纯的溶剂蒸气。此蒸气的压力低于溶剂的三相点压力，因而被称为亚三相点蒸气。这种一次蒸气被冷却时，会经单纯的逆升华在冷却面上生成固体物（逆升华物）。当进料液是一种溶液而其中的溶质比溶剂挥发度高，且冷却温度在适当范围内时，所生成的一次蒸气会经单纯的凝缩在冷却面上生成液体物（凝缩物）。其他的情况下，一次蒸气被冷却时，会经部分逆升华及部分凝缩而在冷却面上生成固体及液体的混合物（逆升华物及凝缩物）。在第一种及第三种的情况下，固体物会在冷却面上生成而阻碍传热。为恢复传热速率，一次蒸气可用下列的两步操作而转变成液体;

（a）将一次蒸气冷却而在冷却面上生成含有固相物的二次凝聚物;

（b）将二次凝聚物中的固相物融解而从冷凝区取出。

本发明也引进了固/液/气的多相转变所用的综合装置。此装置中有包含多相转变处理区的真空容器及多个一次蒸气的两段液化器。处理区中有两个或两个以上的多相处理单元。

使用本发明的方法及装置具有下列优点：

（a）增进热与质的输送率，

（b）可用于多阶段多相转变，

（c）减少固/液/气的多相转变操作所需的能量，

（d）所生成的晶体的颗粒大，

（e）易于输送溶剂及溶质的晶体。

本发明的方法及装置可用于固体-液体-气体的多相同时转变过程（简称固/液/气的多相转变）。在该多相转变中，液体一面气化，一面固化而生成一次蒸气及含有固体物的一次凝聚物。所产生的固体可以是溶剂晶体，溶质晶体或两种晶体的混合物。在详细说明本发明的方法及装置之前，先介绍包含固/液/气的多相转变的各个过程。

含有固/液/气的多相转变过程

含有固/液/气的多相转变过程有真空冻结法，一次致冷剂共晶冻结法，湿式蒸馏固化法（Wet    Distillative    Freezing）及真空结晶法。这些过程都可以使用本发明的方法及装置。现简述如下：

（a）真空冻结法

以海水淡化为主要目的的几种真空冻结法已被研究和开发。各法都是将原料水溶液置于一个压力被维持在低于其三相点压力的处理区内，使其中一部分液体气化，同时形成冰的结晶。由此操作产生含有冰与母液之浆液（Slush）及低压水蒸气。此浆液可称为一次凝聚物而此低压蒸气可称为一次蒸气。在海水淡化时此压力约在3.5mm    Hg左右。上述一次蒸气要从处理区去除，转化为凝聚体（固体或液体之通称）。冰的结晶与母液分离，提纯后融化为成品淡水。低压水蒸气转化为凝缩体时所放出的热须再被用于融化冰时所需要的热。

真空冻结法的若干例子说明如下：

（Ⅰ）可而得工业公司（Colt    Industries）之真空固化蒸气压缩法（Vacuum    Freezing    Vapor    Compression    Process，简称VFVC法）。

VFVC法在美国海水局第295号报告书中有详细的记载。该法特点在于将低压水蒸汽用特殊的压缩机压到高于水的三相点压力（4.58mm    Hg后直接与冰结晶体接触，水蒸气则凝缩，同时冰的结晶体则融化，该方法的主要缺点是压缩机容易发生故障，而且效率低。

（Ⅱ）加利亚公司（Carrier    Corp）之真空固化蒸汽吸收法（Vacuum    Freezing    Vapor    Absorption    Process，简称VFVA法）。

VFVA法在美国海水局第113号报告书中有详细的记载。该法特点在于用高浓度的溴化锂水溶液汲收一次蒸气，将稀释溶液蒸浓再生时产生的水蒸气凝缩而得纯水成品。循环纯水在冷凝器中吸收热量而增高温度后再与冰接触，并将冰融化，该法的缺点是溴化锂溶液的腐蚀性高及循环水量大。

（Ⅲ）浓缩专家公司（Concentration    Specialists，Inc.）之吸收凝固蒸气加压法（Absorption    Freezing    Vapor    Compression    Process，简称AFVC法）。AFVC法是最近开发的，并设有相当规模的实验工场。该法用11%左右的食盐水吸收结冰操作时所得的低压蒸气。稀释的盐水加热浓缩可得到比水的三相点压力稍高的蒸气。将此蒸气与冰的结晶接触，则水蒸气凝缩，而同时将冰融化。该法在用盐水以吸收低压蒸气的操作上尚有困难，而且能量的消耗量还相当高。

（Ⅳ）真空冻结多相转变法（Vacuum    Freezing    Multiple    Phase    Transformation    Process，简称VFMPT法）。

VFMPT法是Chen-Yen    Cheng    and    Sing-Wang    Cheng所发明，并在美国专利第4，420，318号及第4，505，728号中有详细的说明。此法中经真空冻结操作产生溶剂固体及一次蒸气，而一次蒸气经逆升华及逆升华物融解的两次相转变操作而被液化。

（b）一次致冷剂共晶冻结法（Primary    Refrigerant    Eutectic    Freezing，简称PREUF法）。

PREUF法是Chen-Yen    Cheng，Wu-Ching    Cheng及Wu-Cheh    Cheng所发明。该法在美国专利第4，654，064号中有详细说明。在此法中，接近共晶成分的溶液在稍低于共晶压力的条件下气化时，同时会生成溶剂及溶质的固体物，两固体物可用密度的差异分离。这一过程可把共晶混合物分离为溶剂和溶质。

（c）湿式及干式蒸馏固化法（Wet    and    Dry    Distillative    Freezing    Process，简称Wet    and    Dry    DF）

湿式及干式蒸馏法是Chen-Yen    Cheng及Sing-Wang    Cheng所发明，并在美国专利第4，578，093号中有详细说明。此法用于化学品的高度纯化，溶液在低压下经湿式蒸馏固化法转变成一次蒸气及含有溶剂固体的一次凝聚物。溶剂固体经晶体洗涤后，再经干式蒸馏固化法而成为高纯度结晶。

（d）真空结晶法

真空结晶法是化学工程师都很熟悉的一种单元操作。在此法中，溶液在低压下，一面气化而一面生成溶质结晶。此法通常需要加热。

附图简要说明

图1表示固/液/气多相转变系统中最主要的操作区。该操作区内有两组横向交错排列的螺旋型固/液/气多相转变的处理单元。一个螺旋型处理单元中的多数螺旋元件可形成单导螺旋或多导螺旋。图2是多导螺旋处理单元的示意图。图3是由两个螺旋型处理单元所组成的处理系统的示意图。图4是由四个螺旋型处理单元所组成的处理系统的示意图。

图5及图6各表示另一个固/液/气多相转变系统最主要的操作区的平面图及立面图。该操作作区内有两组横向交错排列的平盘型固/液/气多相转变的处理单元。图7是由两个平盘型处理单元所组成的处理系统的示意图。图8是由四个平盘型处理单元所组成的处理系统的示意图。

图9是由两个螺旋型处理单元所组成的处理系统的示意图。此系统可用于以真空冻结法及湿式蒸馏固化法来处理水溶液进料。图10是另一处理系统。此系统可用于处理非水溶液进料。图11所表示的处理系统可用于以一次致冷剂共晶冻结法处理水溶液进料。图12所表示的系统可用于以真空冻结法及湿式蒸馏固化法来处理非水溶液的进料。图13所表示的系统可用于以真空结晶法处理水溶液及非水溶液的进料。图14所表示的系统具有罩盖包围处理单元的第二端。操作中，螺旋单位把罩盖所包围的范围内的固液混合物（简称浆液）加压而从处理区排出。

图15表示一处理元件的表面可带有（细）纹，（micro-texture），使其表面能滞留较多量的固体及液体。如此可增加固/液/气的多相转变速率。喷砂是产生微纹的一种方法。图16及17表示一处理元件的表面可加以粗纹（macro-texture），使其表面能滞留多量的固体及液体。元件的表面可用压模成型法或铸模法产生粗纹。有粗纹的元件可增加固/液/气的多相转变速率。

图18及图19是一综合处理系统的示意图。该系统有一个水平真空容器及四个一次蒸气的两段液化器。水平真空容器中有二个螺旋处理单元。

本发明的实施方法

本发明的方法及装置可用于进行固/液/气的多相转变操作（固/液/气转变）。该多相转变系指将一种液体同时气化和固化而产生一次蒸气及含有固体的一次凝聚物的操作。所产生的固体可以是溶剂晶体，溶质晶体或两种晶体的混合物。因此，本发明的方法及装置可用于真空冻结法，一次致冷剂共晶冻结法，湿式蒸馏固化法及真空结晶法等过程。在这些过程中的固/液/气的多相转变步骤应符合下述条件：

（1）提供液/气的接触面，使气化和固化可以同时进行。

（2）需将生成于固体表面上的晶体从该表面分离。

（3）加强热与质的传送。

（4）将所生成的固体在处理区内输送。

（5）将所生成的固体从处理区排出。

本发明的方法中，固/液/气的多相转变在一纵长形处理区中进行。处理区在纵向有第一端及第二端。处理区中有两个或两个以上的纵长形可转动的处理单元。这些处理单元在横向交错配置。处理单元可以是螺旋单元或平盘单元。每一螺旋单元由一个轴及多个螺旋处理元件组成，而一个平盘单元由一个轴及多个平盘处理元件组成。

处理元件在纵向的截面小，但有大的表面面积以促进固/液/气的多相转变作业。在处理区中，通常有两个或两个以上的处理单元沿着纵向排列，而相邻两单元在横向交错配置。

装置内最重要的部分是所用的两个或两个以上的处理单元，处理单元可以是螺旋单元或平盘单元，图1至图4是螺旋单元的示意图。图5至图8是平盘单元的示意图。

图1表示两个横向交错排列而反向转动的螺旋型处理单元1，2的平面图。每一单元有一根旋转轴3及多个螺旋处理元件4。每一螺旋处理元件的纵向断面面积小，但有大的表面积。所以该表面可滞留较多量的固体及液体而提供固/液/气的多相转变所需要的液/气间的接触面。由图可看出，两支轴间距离应适当，以使两单元在与轴垂直的方向（横方向）上交错。二单元中的元件在轴的方向上紧紧相邻。图2表示图1中两单元的立面图。

所用的螺旋可以是单道螺旋，也可以是多道螺旋。多道螺旋有两个或两个以上的螺旋5，6，7，8，在园周方向以不同的角度连接在一共同的轴9上。一个多道螺旋可有较大的螺距，然而可以提供大的表面积。使用大螺距的螺旋可提高固体的输送速率。

相邻两单元的转动可以是同方向或反方向。图3表示设有两螺旋单元10，11的系统。这两个单元以反方向旋转。这种方式的转动可把相交区12（Intermeshing    Zone）中的固液混合物加压而使它容易排出。图4说明具有四个螺旋单元13，14，15，16的系统，该图表明左边两个单元13，14以反时针方向旋转，而右边两个单元15，16以顺时针方向旋转。这样，第一相邻二单元13及14以同方向旋转而把固体物向中心区17推动;第三相邻二单元15及16也以同方向旋转而把固体物向中心区17推动;第二相邻二单元以反方向旋转而把中心区的固/液混合物加压。

图5是有二个平盘型处理单元18，19的处理系统的平面图;图6是同系统24的立面图。每一单元18，19分别有一根回转轴20，21及多个平盘元件22，23，两单元上的各元件在与轴垂直的方向上交错，而轴向元件之间的间距小，如在0.5英寸与2英寸之间。盘的表面就是处理表面。这些表面可滞留固体及液体，而在操作条件下，可使液体同时气化及固化。

图7是有二个平盘单元25，26的系统示意图。如图所示，该两单元在与轴垂直的方向交错，并以相反方向旋转。因此，在元件表面上所生成的固体物，因二单元的旋转所引起的刮削作用及元件间的流体流动，而从表面排出。图8表示有四个平盘处理单元27，28，29，30的处理系统。各单元以顺时针或逆时针的方向旋转。

图9是有两个螺旋单元的处理系统的示意图。此系统可用于诸如真空冻结法，湿式蒸馏固化法来处理多种水溶液。该系统有真空容器31，两个螺旋单元32，33，及液池34。如图所示，螺旋元件的一部分被浸在流体34中，当螺旋被转动而处理区中的压力被保持在稍低于溶液在冻结点温度下的蒸气压时，液体的同时气化和凝固在元件表面及液池表面进行。所生成的固体物由元件表面分离而向前推进。

固/液/气的多相转变所生成的固体和液体会暂时留在元件表面上。该表面上的液体与固体间产生相对的流动，因而产生新的液体界面。元件表面的流体流动会加强质与热的传递。

使用本发明的方法及装置来实现固/液/气的多相转变较之以前各种方法有着下列优点：

（1）被处理液体在处理元件表面上的滞留时间长，并且可以经常产生新的液面;

（2）为旋转各处理单元元件所需的能量消耗很小;

（3）质与热的输送速率高。

由于螺旋单元旋转，在处理元件表面生成而滞留在表面的固体会被放出而浮在水池表面。浮动的冰结晶与液体形成的固-液混合物被螺旋向前推动，并从处理区排出。

图10表示另一种由两个螺旋单元所组成的处理系统。这一系统可用于以真空冻结法或湿式蒸馏固化法来处理非水溶液进料。该系统的结构及操作都与上面所述的图9的系统相似。唯一的差别是，所形成的固体在液池中下沉而形成固液混合物35，此混合物也被螺旋单元推动而由处理区排出。

图11表示又一种由两个螺旋单元所组成的处理系统。这一系统可用于以一次致冷剂共晶冻结法来处理水溶液进料。该系统的结构与操作也都与上面所述的相似，唯一的差别是，共晶冻结会产生溶剂结晶（冰）及溶质结晶。溶剂结晶与溶液的混合物36在液池的表面区，而溶质结晶与溶液的混合物37沉在液池的底部。这两种混合物都被螺旋单元推动。

图12是又一种处理系统的示意图。该系统除了有两个螺旋处理单元38，39之外，还有一个输送槽及输送螺旋40，这种系统可用于：（1）以真空冻结法及湿式蒸馏固化法来处理非水溶液;（2）以一次致冷剂共晶冻结法来处理水溶液。在前者，溶剂固体会沉入输送槽而被输送螺旋推动。在后者，所生成的冰结晶会浮在液池上面而被螺旋单元推动，而所生成的溶质结晶会沉入输送槽而被输送螺旋推动。

图13是又一种处理系统的示意图。此系统可用于以真空结晶法来处理水溶液及非水溶液。因为在真空结晶法中需要加热，所以在该系统中有一加热套管43，通常所产成的溶质结晶44会沉到液池底部而被螺施单元推出。

图14所表示的系统中有罩盖45包围螺旋单元46，47的排出端。如此可加压固液混合物48而促进该混合物的排出。

上面以由两个螺旋型单元所组成的诸系统来说明如何实现这些过程中的固/液/气的多相变换操作。使用平盘型单元所组成的各系统也同样可用于实现一系列过程中的固/液/气的多相变换操作，但因为平盘型单元并没有推动固体的作用，所以需要另加一套固体输送设备。

为增加固/液/气的多相转变速率，处理单元的表面需要滞留适量的液体及固体，处理单元的表面如有细纹或粗纹，或有粗、细纹时，可增加单元表面所滞留的固体和液体的量。图15表示经喷砂操作而形成细纹50的单元表面49。图16及17表示以压纹操作形成粗纹52的单元表面51。

当有一层薄膜状溶液经受同时气化和固化的操作时，液面附近的溶质浓度会增加。这主要是因为溶剂固化而离开液相所致。溶质浓度的增加会使溶液的冻结温度降低而使气化速率减小。如果能把薄膜中的溶液搅拌而经常产生新的液面时，就能提高同时气化及固化的速率。当处理单元旋转时，在元件表面上的液体会流动而经常产生新的液面，因而能保持高的气化及固化速率。

图18及19是一个综合处理系统的示意图。该系统包含一个水平真空容器53及四个第一蒸气的液化器54，水平真空容器的内部有固/液/气的多相转变区，而在转变区内有两个多相转变的处理单元55。在操作中，这些处理单元的一部分表面浸在被处理的液体中，而一部分56露在气相中。大部分多相转变在气相表面进行。螺旋单元把所生成的固体向排出口57输送。

四个蒸气液化器54经由两个通道58接到水平真空容器的顶部。每一通道内有二个蒸气阀。每一蒸气阀控制由转变区到一个蒸气液化区的一次蒸气的流动。在每一蒸气液化区内有一凝缩器。

真空冻结法，湿式蒸馏固化法及一次致冷剂共晶冻结法等方法中的固/液/气的多相转变所生成的一次蒸气的压力通常都比溶剂的三相点压力低。故称为亚三相点蒸气。一次蒸气在同压下被冷却时而生成固体物沉积在凝缩器表面上。所以每一凝缩器上的固体都得靠加热的方式融解去除。在本系统中使用四个一次蒸气的两段液化器;其中三个被用来冷却一次蒸气而生成二次凝聚体，而其余的一个经加热而去除冷却表面上的固体。