精制鹽水熱泵蒸發(fā)過程模擬

陳麗芳，朱華兵，徐　璐（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457）

精制鹽水熱泵蒸發(fā)過程模擬

陳麗芳，朱華兵，徐璐
（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457）

熱泵蒸發(fā)制鹽工藝的經(jīng)濟(jì)性與否，取決的主要因素是能耗，因此如何降低能耗成為改進(jìn)工藝的主要方向。多效蒸發(fā)制鹽可以通過改變流程、增加效數(shù)、增設(shè)預(yù)熱、各效閃發(fā)等操作降低工藝的能耗，熱泵蒸發(fā)制鹽主要可以通過改變蒸發(fā)壓力來降低能耗。用Aspen Plus模擬研究探索熱泵制鹽節(jié)能措施，模擬中采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的純鹽溶液，選擇常壓、正壓（132.5 kPa）蒸發(fā)，計(jì)算對(duì)比不同壓力下的能耗大小，并同五效蒸發(fā)制鹽能耗進(jìn)行對(duì)比，繼而選出最優(yōu)工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

熱泵蒸發(fā)；Aspen Plus；真空制鹽

目前，在中國能源緊缺的前提下，熱泵引起了許多行業(yè)的關(guān)注，在制鹽行業(yè)中，熱泵還沒有占到主導(dǎo)地位，大多數(shù)企業(yè)還是采用多效蒸發(fā)。然而熱泵蒸發(fā)制鹽的生產(chǎn)工藝自出現(xiàn)便存在著經(jīng)濟(jì)性問題［1］，在發(fā)展的過程中，真空制鹽成本中能耗占60%以上，節(jié)能降耗成了制鹽行業(yè)要解決的首要問題；多效蒸發(fā)制鹽生產(chǎn)中，蒸汽消耗費(fèi)用約占生產(chǎn)成本的50%～60%，電費(fèi)約占生產(chǎn)成本的10%～20%，熱泵蒸發(fā)制鹽過程中，主要消耗電力，約占生產(chǎn)成本的55%左右，而蒸汽消耗費(fèi)用只占總成本的15%左右，因此，降低單位產(chǎn)品蒸汽消耗及電耗或提高蒸汽熱經(jīng)濟(jì)是降低真空制鹽生產(chǎn)成本的關(guān)鍵［2］。

熱泵蒸發(fā)制鹽的主要特點(diǎn)是：僅使用單個(gè)蒸發(fā)罐，并采用正壓或常壓生產(chǎn)，若是負(fù)壓生產(chǎn)，壓比就太大，壓縮機(jī)的軸功率就明顯增大，反而不節(jié)能，故本文將采用常壓蒸發(fā)和正壓蒸發(fā)，并進(jìn)行模擬對(duì)比，綜合考慮各方面因素，最終優(yōu)化工藝參數(shù)。

1　Aspen Plus模擬在熱泵蒸發(fā)制鹽中的應(yīng)用

1.1關(guān)鍵工藝過程的Aspen Plus模型及方法設(shè)定

1）蒸發(fā)器模型。蒸發(fā)器的示意圖如圖1所示，蒸發(fā)器的物料平衡方程為：

式中：FIN為進(jìn)入蒸發(fā)器的鹵水質(zhì)量流量，kg/s；FOUT為從蒸發(fā)器排出的鹵水質(zhì)量流量，kg/s；MV為蒸發(fā)器汽化水分的質(zhì)量流量，kg/s；G為蒸發(fā)器析出的NaCl的質(zhì)量流量，kg/s。

圖1　Aspen Plus分離模塊示例

2）蒸發(fā)器的熱量衡算（如圖2所示）

式中：t為鹵水溫度，℃；Cp為鹵水（鹽漿）定壓熱容（比熱），kJ/（kg·℃）；M為進(jìn)入蒸發(fā)器的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；H為進(jìn)入蒸發(fā)器的水蒸氣焓值，kJ/kg；h為冷凝水焓值，kJ/kg；MV為蒸發(fā)器汽化水分的質(zhì)量流量，kg/s；H′為蒸發(fā)器二次蒸汽焓值，kJ/kg；Gq為NaCl的結(jié)晶熱，kJ/s；QL為蒸發(fā)器的熱損失，kJ/s，通常為了簡化計(jì)算，取熱損失為蒸汽冷凝放出熱量的百分?jǐn)?shù)——稱為熱損失率，即QL=η×M×r。熱泵制鹽中，熱損失率取5%即可，r為飽和水蒸氣的冷凝熱，kJ/kg，r=H-h。

圖2　蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型

3）壓縮機(jī)模型。壓縮機(jī)Aspen Plus模型見圖3。

圖3　Aspen Plus分離模塊示例

1.2進(jìn)料設(shè)定

1）補(bǔ)償蒸汽設(shè)定：實(shí)際生產(chǎn)中的補(bǔ)償蒸汽物性由蒸發(fā)壓力決定，嚴(yán)格控制有效溫差在5～7℃［3］，保證蒸汽的熱經(jīng)濟(jì)較高，常壓（101.325 kPa）蒸發(fā)補(bǔ)償蒸汽溫度即為116℃、正壓（132.5 kPa）蒸發(fā)對(duì)應(yīng)溫度即為124℃。

2）進(jìn)料設(shè)定：進(jìn)料鹵水基本在常溫下接近飽和，為了便于計(jì)算，本模擬選擇的進(jìn)料是常溫下的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的鹵水，其他的無機(jī)鹽成分則忽略不計(jì)，認(rèn)為是單組分溶液。進(jìn)料量的確定是根據(jù)產(chǎn)量要求來定的，本模擬要求年產(chǎn)量為60萬t，生產(chǎn)8 000 h，基于設(shè)備選型問題，需要采用兩個(gè)蒸發(fā)罐同時(shí)生產(chǎn)，計(jì)算可得每個(gè)蒸發(fā)罐產(chǎn)率為37.5 t/h，則可算得進(jìn)料量m=150 t/h。

1.3排料設(shè)定

1）排鹽設(shè)定：排出的物料的參數(shù)屬于因變量，不能直接設(shè)定，這需要控制參變量來調(diào)節(jié)，最終達(dá)到期望值，雖然會(huì)存在一定的誤差，但只要控制在誤差范圍內(nèi)即可。對(duì)于排料的設(shè)定有兩點(diǎn)，第一是排鹽溫度，第二是排鹽的固液比。排鹽溫度的控制需要通過調(diào)節(jié)鹽腳進(jìn)料來實(shí)現(xiàn)，控制的目的一方面為了降低能耗，另一方面也是為了能將溫度控制在離心機(jī)最大可接受離心溫度以下，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中沒有做嚴(yán)格要求，所以模型中把溫度控制在80℃以下，便于管道運(yùn)輸。固液質(zhì)量比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般控制在1∶1，一方面不能過低，以免增加能耗；另一方面不能過高，以免出現(xiàn)堵管情況。

2）循環(huán)母液設(shè)定：離心機(jī)甩后液最終將被泵送回蒸發(fā)系統(tǒng)，這是一次外循環(huán)，而單個(gè)蒸發(fā)器本身存在強(qiáng)制循環(huán)，這是一次內(nèi)循環(huán)。因此整個(gè)熱泵蒸發(fā)包含兩個(gè)循環(huán)，如果將兩個(gè)循環(huán)都通過模型本身來設(shè)定，一方面會(huì)增加計(jì)算量，另一方面會(huì)讓模型很難快速收斂，為了更高效地對(duì)流程進(jìn)行模擬，本次采用“截?cái)喾ā?，將循環(huán)母液截?cái)喑蓛啥?，最終通過調(diào)節(jié)參數(shù)控制分離，控制循環(huán)母液與鹽漿的質(zhì)量比在1±0.001范圍內(nèi)。

1.4其他設(shè)定

1）沸點(diǎn)升設(shè)定：Aspen Plus流程模擬軟件在考慮Flash2模塊時(shí)認(rèn)為該模塊分離出來的氣相和液相溫度一致，而實(shí)際蒸發(fā)器的蒸發(fā)室中氣相和液相卻并不是溫度一致，而是分別為各自的露點(diǎn)溫度，即存在一定的溫差，比如本模擬中的常壓蒸發(fā)，蒸發(fā)器中的溶液溫度為108.2℃，運(yùn)行Flash2后出口蒸汽也為108.2℃，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，常壓下飽和水蒸氣溫度應(yīng)為100℃，為了將這一現(xiàn)象修正過來，就需要人工設(shè)定一個(gè)沸點(diǎn)升模型來將熱量返回到蒸發(fā)系統(tǒng)中，本模擬選用的模塊為一個(gè)HeatX模塊（見圖4），讓閃發(fā)器引出的二次蒸汽降到露點(diǎn)溫度。

溶液沸點(diǎn)升模型：蒸發(fā)器的二次蒸汽溫度大于飽和壓力下的溫度，需要消除沸點(diǎn)升。

式中：T為二次蒸汽溫度，℃；t為蒸發(fā)器蒸發(fā)室溶液的沸點(diǎn)，℃；BPE為溶液的沸點(diǎn)升，℃。

同種溶液沸點(diǎn)升的數(shù)值隨溶液的濃度而變，濃度越大，沸點(diǎn)升高的數(shù)值就越大；溶液的沸點(diǎn)升高還與壓力有關(guān)，當(dāng)溶液的濃度一定時(shí)，沸點(diǎn)升高值可以用杜林規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

式中：BPE為蒸發(fā)器溶液的沸點(diǎn)升，℃；BPEa為溶液在常壓下沸點(diǎn)升，℃；f為校正系數(shù)。

式中：r為蒸發(fā)器二次蒸汽的汽化熱，kJ。

溶液沸點(diǎn)升高的后果使蒸發(fā)器傳熱的有效溫差下降，即溶液沸點(diǎn)溫度高于所產(chǎn)生的二次蒸汽的溫度，為此也稱由于溶液沸點(diǎn)升高而引起的溫差損失。在熱泵制鹽生產(chǎn)中，由于氯化鈉的溶解度隨溫度變化很小，而且蒸發(fā)時(shí)，氯化鈉均是飽和的，所以一般認(rèn)為沸點(diǎn)升高僅僅與蒸發(fā)器的操作壓力有關(guān)，查有關(guān)手冊(cè)可以得到，常壓下氯化鈉飽和溶液的沸點(diǎn)升高為8℃，蒸發(fā)的沸點(diǎn)升可由式（4）計(jì)算得到。

2）關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)定。關(guān)鍵工藝參數(shù)見表1。

表1　關(guān)鍵工藝參數(shù)

3）物性方法設(shè)定。Aspen Plus流程模擬軟件針對(duì)的對(duì)象各種各樣，而具體對(duì)某一類系統(tǒng)，對(duì)于物性方法的選擇，就需要自己設(shè)定，本次模擬針對(duì)的系統(tǒng)屬于電解質(zhì)系統(tǒng)，即選用ENRTL-RK法。

2　Aspen Plus對(duì)熱泵制鹽流程的模擬

2.1熱泵蒸發(fā)基本流程

鹵水進(jìn)蒸發(fā)罐前，需要通過分段預(yù)熱，首先通過閃發(fā)蒸汽進(jìn)行一段預(yù)熱，充分利用閃發(fā)氣的汽化熱；然后再利用加熱室排出的冷凝水進(jìn)行二段預(yù)熱，將鹵水加熱至接近沸點(diǎn)；最后再通過補(bǔ)償蒸汽將原料鹵水加熱至沸點(diǎn)，輸送至加熱室。在蒸發(fā)室中鹵水快速蒸發(fā)，濃度不斷提高，得到的大量的二次蒸汽，通過捕沫、除雜和洗滌等簡單處理后，再進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮（Aspen Plus模型見圖3），壓縮后的蒸汽溫度過高，不能直接用來加熱鹵水，此時(shí)需要通過少量的冷凝水噴淋，使蒸汽變?yōu)閷?duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽，然后再回加熱室作熱源使用［4-5］。加熱室排出的冷凝水主要用作預(yù)熱鹵水，補(bǔ)償蒸汽加熱得到的飽和冷凝水可以用來噴淋，消除過熱度，而壓縮機(jī)出來的壓縮蒸汽全部進(jìn)入加熱室，這樣所有的熱源都在循環(huán)中，不需要向加熱室補(bǔ)充生蒸汽，計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，壓縮蒸汽的量剛剛好可以滿足加熱室的需求量，這套工藝流程的優(yōu)點(diǎn)就是用較少的能量使二次蒸汽循環(huán)利用，是節(jié)能的較佳方式。

2.2熱泵蒸發(fā)制鹽Aspen流程

熱泵蒸發(fā)模型見圖4。熱泵蒸發(fā)模型的建立：原料鹵水首先與兩股循環(huán)物流混合，一股為離心機(jī)母液，另一股為蒸發(fā)器循環(huán)母液，然后被閃發(fā)器的二次蒸汽加熱，再通過加熱室的冷凝水進(jìn)行二段加熱，最終被補(bǔ)償蒸汽加熱至沸點(diǎn)，最后進(jìn)入加熱室，加熱析出氯化鈉晶體，最后進(jìn)入蒸發(fā)室，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入沸點(diǎn)升模型降溫至飽和溫度后進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)對(duì)蒸汽做功后，壓縮蒸汽溫度升高，再返回加熱室，鹽漿進(jìn)入結(jié)晶器，再進(jìn)入離心機(jī)，得到產(chǎn)品濕鹽，母液返回。

圖4　熱泵蒸發(fā)模型

3　熱泵蒸發(fā)制鹽工藝模擬結(jié)果分析

3.1熱量衡算（按每小時(shí)產(chǎn)鹽37.5 t計(jì)算）

對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果基本穩(wěn)合實(shí)際生產(chǎn)過程，現(xiàn)將兩個(gè)壓力下的模擬結(jié)果簡單對(duì)比，見表2。

表2　常壓及正壓主要技術(shù)參數(shù)及模擬結(jié)果

3.2能耗概算

熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)主要能耗在于壓縮機(jī)的耗電費(fèi)及補(bǔ)償蒸汽的耗費(fèi)，而現(xiàn)有的五效蒸發(fā)系統(tǒng)主要是耗汽費(fèi)，實(shí)際生產(chǎn)過程中五效蒸發(fā)系統(tǒng)的噸鹽耗汽為0.85 t，而采用熱泵蒸發(fā)制鹽，耗費(fèi)的是大量的電能，目前電力的價(jià)格不斷降低，平均0.8元/（kW·h），而生蒸汽價(jià)格大約為200元/t。常壓蒸發(fā)時(shí)，選擇蒸汽溫度為116℃，對(duì)應(yīng)蒸汽壓力為176.6 kPa，則壓縮機(jī)參數(shù)就可以設(shè)定了，進(jìn)口壓力為101.325 kPa，出口壓力為176.6 kPa。正壓（132.5 kPa）蒸發(fā)時(shí)，水的沸點(diǎn)為107.4℃，蒸汽溫度選為124℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力為228.1 kPa，所以壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力為132.5 kPa，出口壓力設(shè)定為228.1 kPa。壓比增大時(shí)，壓縮機(jī)的機(jī)械效率越低，通常壓比小于2.2［6］，此模擬中的兩個(gè)壓力下壓比均符合要求。

由于實(shí)際過程中，有一部分能量損失，損失的能量多少由保溫措施的好壞來決定，生產(chǎn)過程中，加熱室、蒸發(fā)器外部都會(huì)做相應(yīng)厚度的保溫層。生產(chǎn)過程中損失熱量約為總換熱量的3%～5%，Aspen Plus模擬的過程中用換熱器來表示能量的損失，壓縮機(jī)壓縮后的蒸汽全部進(jìn)入加熱室，多余的部分用來作為熱量損失，本文熱量損失模型中，常壓蒸發(fā)損失熱量為2 185.59 kW，約為交換熱的3.165%；正壓蒸發(fā)時(shí)，損失熱量為2 043.70 kW，約為3.046%，符合實(shí)際情況，數(shù)據(jù)可用。

Aspen模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常壓和正壓兩種情況下，壓縮機(jī)的軸功率相差不大，補(bǔ)償蒸汽也是基本一樣，表明兩種壓力下的能耗沒有太大變化，可以近似認(rèn)為一樣。現(xiàn)將兩壓力下熱泵蒸發(fā)能耗與五效蒸發(fā)能耗對(duì)比［7］，結(jié)果見表3。

表3　熱泵蒸發(fā)與五效蒸發(fā)制鹽能耗對(duì)比

4　結(jié)論與展望

熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)主要能耗在于壓縮機(jī)的軸功率，其次在于補(bǔ)償蒸汽的多少，通過兩個(gè)壓力下熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著蒸發(fā)器壓力的升高，壓縮機(jī)的壓比只是稍微減小，壓縮機(jī)的軸功率從4 146 kW降低到4 061 kW，只降低了2.05%，而壓力提高的同時(shí)，模擬發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償蒸汽的量也是稍微提高了。根據(jù)實(shí)際能源價(jià)格，計(jì)算得到噸鹽能耗在130～135元，相差不大。另外，兩個(gè)壓力下設(shè)備選型基本一樣，經(jīng)計(jì)算蒸發(fā)室安全直徑D=9.0 m，蒸發(fā)室高度（經(jīng)驗(yàn)選?。〩=10.0 m，投資成本沒有變化，因此，基于安全等因素，選用常壓蒸發(fā)或根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)提高壓力。盡管熱泵蒸發(fā)制鹽對(duì)設(shè)備、廠房、安全的要求都較高，但是，在節(jié)能方面，效果十分顯著，熱經(jīng)濟(jì)率高，是將來制鹽的發(fā)展趨勢(shì)，逐步取代多效蒸發(fā)。

［1］鄧建民.機(jī)械壓縮制鹽技術(shù)發(fā)展歷程及先進(jìn)性淺述［J］.現(xiàn)代鹽化工，2014（3）：1-3.

［2］馮霄，運(yùn)新華，郁永章.多效蒸發(fā)與熱泵蒸發(fā)的分析與比較［J］.化工機(jī)械，1995，22（1）：52-56.

［3］李家強(qiáng)．對(duì)真空蒸發(fā)制鹽蒸發(fā)系統(tǒng)五種傳熱溫度差損失的探討［J］.海湖鹽與化工，2000，29（4）：23-27.

［4］黃成．機(jī)械壓縮式熱泵制鹽工藝簡述［J］．鹽業(yè)與化工，2010，39（4）：42-44.

［5］趙玉柱.淺談熱泵制鹽技術(shù)的原理及工藝［J］.科技傳播，2011（36）：166，144.

［6］李軍，郝冬青.淺析機(jī)械壓縮式熱泵制鹽中壓縮機(jī)工作的問題［J］.鹽業(yè)與化工，2013，42（12）：42-43.

［7］俞性佑，章世鑫.多效蒸發(fā)制鹽與熱泵法（蒸汽機(jī)械壓縮）制鹽中蒸發(fā)能耗的分析與比較［J］.中國井礦鹽，1993（6）：18-21.

聯(lián)系方式：chenlifang@tust.edu.cn

Simulation of thermo-compression evaporation in purified brine

Chen Lifang，Zhu Huabing，Xu Lu
（Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Chemical Engineering and Materials，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China）

Whether the heat pump evaporation salt making process is economical mainly depends on the energy consumption. So how to decrease the energy consumption becomes the key direction of technology improvement.The energy consumption of multi-effect evaporation salt making process can be decreased by changing the structure of the process，increasing the number of the effects，adding preheating equipments，flash evaporation in every effect and so on.The energy consumption of heat pump evaporation salt making process can be decreased by changing the evaporation pressure.By using process simulation software Aspen Plus，the modeling of multi-effect evaporation in vacuum salt process was built to study the measures of decreasing energy consumption.In the simulation，at atmospheric and positive pressure（132.5 kPa），25%pure salt solution was used and the energy consumptions at different pressures were compared.Meanwhile it was also compared with the five effects evaporation process.Based on the simulation results，the best process can be chosen and the economic benefits can be maximized. Key words：thermo-compression evaporation；Aspen Plus；vacuum salt process

TQ028.61

A

1006-4990（2016）04-0053-04

2015-10-21

陳麗芳（1965—），女，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)結(jié)晶、海鹵水資源綜合利用、高鹽廢水處理，已發(fā)表論文20余篇。