機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)的性能研究進展

顧承真 顏 旭 張志強 洪厚勝，2

（1．南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211816；2．南京匯科生物工程設備有限公司，江蘇 南京 210009）

蒸發(fā)操作在工業(yè)上廣泛應用于食品工業(yè)、制藥工業(yè)、飲料工業(yè)（牛奶、果汁、糖溶液蒸發(fā)）、廢水處理（含鹽廢水、含重金屬廢水）、化學工程等領域［1－3］。蒸發(fā)在工業(yè)生產(chǎn)中是非常耗能的一道程序，無論是從節(jié)約能源還是從經(jīng)濟效益上來說，高效節(jié)能的蒸發(fā)設備對工業(yè)生產(chǎn)上的意義變得非常重要。多效蒸發(fā)和機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)是目前工業(yè)生產(chǎn)中主流的蒸發(fā)工藝，其中多效蒸發(fā)（TVR）工藝因其多次利用二次蒸汽能達到一定的節(jié)能效果。而機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）因可以反復利用二次蒸汽起到高效節(jié)能的作用，同時MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)還有操作簡單，低溫蒸發(fā)，占地面積小，無需冷卻系統(tǒng)等優(yōu)點［4］。目前MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)逐漸成為科學研究和工業(yè)應用的熱點項目，不久的將來MVR 蒸發(fā)器必將在中國得到快速發(fā)展和廣泛應用。

1 MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝流程與設備類型

MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)主要由預熱器、蒸發(fā)器、氣液分離器、蒸汽壓縮機以及真空泵、清洗系統(tǒng)等相關附屬設備組成［5］。其中壓縮機和蒸發(fā)器是MVR 系統(tǒng)的核心設備。目前常用的蒸汽壓縮機主要是羅茨壓縮機和離心壓縮機。但離心式壓縮機與羅茨壓縮機相比有流量大、噪音小、運行成本低、沒有串油及漏氣的顧慮等優(yōu)點［6］。離心式壓縮機將會成為以后MVR蒸發(fā)系統(tǒng)發(fā)展的主選設備。蒸發(fā)換熱器常常采用真空蒸發(fā)設備，常用的真空蒸發(fā)換熱器主要有降膜式蒸發(fā)器和升膜式蒸發(fā)器，其中降膜式蒸發(fā)器可進行低溫操作，可濃縮高黏度物料，物料在管內停留時間短，適合熱敏性物料的蒸發(fā)濃縮。目前，降膜式蒸發(fā)器在中國的應用日趨成熟［7］。文章以離心壓縮機和降膜式蒸發(fā)器為MVR 的載體，進行相關的計算和工藝流程說明。

如圖1所示，原料經(jīng)過預熱器加熱至飽和溶液，然后由降膜式蒸發(fā)器的頂部進料，在蒸發(fā)器內充分蒸發(fā)后，得到的氣液混合物進入分離器。在分離器中濃縮液由底部引出，產(chǎn)生的二次蒸汽進入離心壓縮機進行壓縮。壓縮后的蒸汽溫度，壓強升高，熱焓增大，高品位的蒸汽通過管道進入蒸發(fā)器的殼程冷凝，釋放出冷凝潛熱，變成冷凝液排出蒸發(fā)室。同時管程內的料液吸收熱量，沸騰汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，進入上述循環(huán)過程。理論上物料蒸發(fā)所需的熱量和二次蒸汽冷凝所放出的熱量幾乎相等。所以整個過程中只需要初次補入蒸汽，之后便可循環(huán)利用二次蒸汽，消耗的只有少量的電能。

2 MVR 熱泵系統(tǒng)的原理分析與計算

焓熵圖可以清楚的反應MVR 系統(tǒng)中蒸汽的熱力過程［8］。圖2為水蒸汽焓熵圖，可以用來輔助分析MVR 工藝流程中的能量變化。

圖1 MVR 工藝流程Figure1 Processing flow of MVR

圖2 水蒸汽焓熵圖Figure2 Enthalpy entropy diagram of steam

（1）1→2階段：物料在此階段屬于預熱階段，若進料溫度越高，所攜帶的熱量就越多，越易產(chǎn)生二次蒸汽，蒸發(fā)量大大提高。所以一般將物料預熱到飽和狀態(tài)，飽和進料也是實現(xiàn)MVR 連續(xù)作業(yè)且無需補充熱源的基礎，為了充分利用系統(tǒng)的熱量，可以將物料與蒸汽冷凝液或者熱的濃縮液進行換熱升溫。

（2）2→3階段：物料在此階段屬于蒸發(fā)過程，蒸發(fā)管中的飽和物料在吸收二次蒸汽的冷凝潛熱后，自身發(fā)生汽化。隨著汽化的進行，物料不斷的吸收熱量，因此物料的焓值不斷增加。但此階段，水蒸汽一直處于飽和濕蒸汽狀態(tài)，溫度保持不變。

（3）3→4階段：蒸發(fā)后的氣液混合物，進入氣液分離器，分離后的低溫低壓蒸汽進入壓縮機進行機械壓縮，得到高溫高壓的高品質蒸汽。在此過程中，蒸汽的溫度、壓強、熱焓都有大幅度提高。

若離心壓縮機在運行時，系統(tǒng)沒有能量損失、壓縮過程在極短的時間內完成且與外界不進行熱量交換。此時可以將壓縮過程看成絕熱等熵壓縮（圖2 中3→4 階段）。滿足［9］：

式中：

P—— 氣體壓強，kPa；

V—— 氣體體積，m3；

環(huán)境溫度對礦化垃圾反應床穩(wěn)態(tài)運行性能具有較大影響，主要表現(xiàn)在影響污染物去除性能及床體水力滲透性能2個方面。

CP1—— 進氣口蒸汽的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；

Cv1—— 進氣口蒸汽的比定容熱容，kJ／（kg·K）。

而離心壓縮機實際壓縮過程中，會有部分能量損失，且水蒸汽在壓縮過程中多個參數(shù)同時變化，一般看成是多變壓縮過程。由于離心壓縮機在高速運轉時，機內損失的能量會轉化為熱能，氣體的溫度會升高，焓值也隨之增大（圖2中3→4′階段）。但此時仍然滿足一定的關系：

式中：

m—— 多變指數(shù)。

多變效率ηpol 是機器本身性能參數(shù)的一個指標，一般合格的離心壓縮機的多變效率ηpol 范圍在0．70～0．84［10］。當忽略水蒸汽的動壓頭變化時，則有可以通過此關系式求出多變指數(shù)m。

通過蒸汽的狀態(tài)變化，可以得到多變過程的壓縮功率為

Ts—— 吸氣溫度，K；

PS—— 吸氣壓強，kPa；

Pd—— 排氣壓強，kPa；

Rw—— 水蒸汽氣體常數(shù)，J／（kg·℃）。

若蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力（每小時蒸發(fā)水的質量）為qms，吸入蒸汽的密度為ρ1，則吸入氣體的體積流量，設離心壓縮機的機械效率為ηm，電動機的效率為ηeL，在特定的壓縮比下，電動機總消耗的功率為

（4）4→7階段：在狀態(tài)4點，蒸汽處于過熱狀態(tài)，在一定的壓縮比ε下，由公式可得到過熱蒸汽的溫度Td，由查表或者相關軟件可知，此時蒸汽的比焓值h4。之后蒸汽在等壓（P2＝Pd）條件下不斷冷凝放熱，狀態(tài)變化依次為飽和干蒸汽（點5），飽和濕蒸汽（點6），最終變成冷凝液（點7）。設蒸發(fā)器內的傳熱溫差為Δt，則有冷凝溫度為TC＝td＋Δt，對應的冷凝液比焓值為h7。

所以在整個系統(tǒng)的工況，過熱蒸汽在蒸發(fā)器里冷卻至冷凝液過程中所放出的總熱量為Q0＝qms（h4－h(huán)7）。若考慮系統(tǒng)因散熱引起的能量損失，則Q有效＝Q0·γ，其中γ 為散熱系數(shù)。

為了能反應MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能效果，工業(yè)上常常把能效比Cop 作為節(jié)能的衡量標準，其中：

3 MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的性能研究與分析

梁林等［11］以VC溶液為試驗工藝的載體在MVR 蒸發(fā)體系中進行蒸發(fā)濃縮。研究了二次蒸汽流量與進料溫度和進料量之間的關系，以及壓縮機功率與進料溫度之間的關系。得出蒸發(fā)量與進料溫度基本呈線性增加關系，主要是因為進料溫度越高，所攜帶的能量就多，越易相變產(chǎn)生更多的二次蒸汽。在一定范圍內，蒸發(fā)量隨著進料量的增大而增大，當進料量繼續(xù)增大時，蒸發(fā)量基本不變。主要是因為在降膜式蒸發(fā)管中，液膜的厚度是受到一定的限制，過多的進料量并不能提高有效液膜厚度，因此蒸發(fā)量難以提高。壓縮機消耗的功率隨著進料溫度的增大而呈現(xiàn)減少趨勢，由能量平衡可知，物料進入蒸發(fā)器時攜帶的能量越多，需要壓縮機提高能量差就越少［12］。

由文獻［13］知，當蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱溫差較小時，COP 值較大，隨著溫差的增大，COP值先迅速減少再趨于平穩(wěn)，可知MVR系統(tǒng)應該在較小的溫差下進行操作，黃成等［5］也指出最適有效傳熱溫差應該在5～8 ℃，加上操作過程的溫差損失，溫差控制在20 ℃左右較合適。

袁衛(wèi)星等［14］分別對等熵壓縮和飽和多變壓縮過程的COP值進行了計算分析，得出飽和多變過程的COP 值明顯高于絕熱壓縮值，其主要原因是在飽和壓縮過程中產(chǎn)生的熱量全部被流體帶走了。但飽和多變壓縮在離心式壓縮機中難以實現(xiàn)，高速旋轉的離心機葉輪在含水的氣流中容易疲勞斷裂［15］。

王海澍等［16］通過在傳統(tǒng)5效蒸發(fā)器第三效的單元設備上附加了蒸汽熱泵回收裝置，回收了部分的二次蒸汽。由試驗數(shù)據(jù)繪制了一條在不同壓縮比下，壓縮功率隨入口壓力的關系式，得出壓縮機的最適壓比為2～3。壓縮比過大時，壓縮蒸汽的過熱度較大，不僅對機器的材料和密封性能提出了要求，同時為了消除過熱，在蒸汽飽和器中，產(chǎn)生較多的副產(chǎn)蒸汽，蒸汽系統(tǒng)難以維持平衡，在經(jīng)濟效益也是欠佳的。

趙博［17］假設在充分換熱條件下，以壓縮比為變量條件，分別研究了進料溫度、電動機功率、換熱量以及能效比與壓縮比之間的關系。當不改變其他條件時，進料溫度隨壓縮比的增大而減少，這可以從進出蒸汽器的能量守恒得以解釋。因為壓力比的增大需要壓縮機做功增大，則二次蒸汽攜帶更多的能量進入蒸汽器，所以進料的能量相應的減少了。當壓縮比不變時，進料溫度隨吸氣壓力的增大而增大，因為吸氣壓力的增大，意味著蒸汽的飽和溫度也增大了，所以溶液的沸點升高，在飽和進料條件下，進料的溫度是增加的。

電機功率也是隨著壓縮比的增大而增大的。這是因為壓縮比的增大，意味著需要消耗更多的電功率使二次蒸汽獲得較高的能量。同時壓縮比增大時，換熱量先稍有減少后緩慢增大。因為當進氣壓力不變且壓縮比增大時，壓縮后蒸汽的壓強增大。又因為在蒸發(fā)溫差不變的條件下，冷凝液的熱焓值不變，因此換熱量主要由排氣的焓值決定。而由蒸汽的壓焓圖［10］可知，熱焓隨壓強的增大也是先增大后減少的，故換熱量也有相同的趨勢。又因為能效比COP 反應的是換熱量與壓縮機耗能的比值，所以能效比隨壓縮比的增加先是迅速減少然后趨于平衡，且能效比不隨吸氣壓力的變化而變化。

由以上分析可知：對于MVR 蒸發(fā)體系來說，物料應選擇飽和進料，蒸汽通過壓縮機時，壓縮比應該控制在2～3，同時需要消除蒸汽的過熱。在蒸發(fā)器里應該控制合理的傳熱溫差，確保有效溫差在5～8 ℃時較好。由于蒸發(fā)能力與具體的設備和控制條件都有關系，因此，根據(jù)工藝要求的不同，可以控制不同的真空度以及選擇合適的蒸發(fā)面積。

4 結論與展望

MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)是目前世界上最節(jié)能的蒸發(fā)濃縮單元，由目前國際的能源價格的走勢來看，僅依靠少許電能的MVR蒸發(fā)設備將會在市場中占有重要的位置。同時離心式壓縮機和降膜式蒸發(fā)器的組合使用也將是MVR 在工業(yè)上應用的主流趨勢。當離心壓縮機配有調頻電機時，若要改變蒸汽的壓縮比，只需要調節(jié)葉輪的轉速。

二次蒸汽在壓縮過程中參數(shù)的變化是耦合在一起的，對于離心式壓縮機來說，葉輪的結構設計直接決定了壓縮機的性能好壞，進而影響了壓縮蒸汽的品質。因而對葉輪的優(yōu)化設計需要繼續(xù)深入研究［18，19］。二次蒸汽在進入壓縮機之前往往會有少量的液體帶入，即使是極少的液體也會對高速旋轉的離心機葉片產(chǎn)生沖擊，導致長時間工作的葉片腐蝕斷裂等［20］。因此在二次蒸汽進入離心壓縮機前安裝高效的氣液分離設備也是十分重要的。同時由于離心壓縮機對液滴非常敏感，難以實現(xiàn)飽和壓縮過程，二次蒸汽壓縮后往往處于過熱狀態(tài)，壓縮比越大，過熱度越大。而過熱的蒸汽不僅對設備有損害且在蒸發(fā)器中的傳熱效果不好。因此，在壓縮后的蒸汽進入管道前，能夠合理的設計出蒸汽飽和器以便消除蒸汽的過熱，對整個MVR 系統(tǒng)的優(yōu)化也是很有必要的。

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