間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)在二氧化硫脲濃縮中的應(yīng)用①

彭 濤

(江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司)

蒸發(fā)是化工、環(huán)保、醫(yī)藥及食品等工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種單元操作，是一個(gè)能耗較大的工藝過(guò)程。蒸發(fā)操作過(guò)程中高溫位的蒸汽向低溫位轉(zhuǎn)化，而較低溫位的二次蒸汽的利用率在很大程度上決定著蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性[1]。近年來(lái)，熱泵蒸發(fā)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)操作節(jié)能、提高蒸發(fā)能量利用經(jīng)濟(jì)性的重要途徑[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱泵蒸發(fā)技術(shù)的研究大多集中在直接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)[3～6]，而對(duì)間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。為此，筆者提出一種間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)在二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮中的應(yīng)用進(jìn)行分析討論。

1 間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)原理

對(duì)于機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)，按照二次蒸汽能量回收方式的不同，可分為直接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)(圖1)和間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)(圖2)。直接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)又稱(chēng)機(jī)械式蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)技術(shù)，通過(guò)壓縮機(jī)直接壓縮蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的二次蒸汽來(lái)提高蒸汽的溫度和焓值，并將壓縮后的蒸汽再次用于物料加熱[7]。當(dāng)物料的要求蒸發(fā)溫度較低(低于40℃)時(shí)，蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的真空度較高，且二次蒸汽的比容較大，此時(shí)MVR系統(tǒng)需配備較大排氣量的蒸汽壓縮機(jī)。此外，由于系統(tǒng)真空度較高，環(huán)境向蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的漏氣有所增加，不凝氣進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)后將導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗顯著增加。

圖1 直接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)

圖2 間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)

間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)蒸發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)上新增一臺(tái)換熱器和一套熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)通常由壓縮機(jī)、料液加熱器、節(jié)流閥和工質(zhì)加熱器組成，其封閉回路內(nèi)充注有低沸點(diǎn)的熱泵工質(zhì)。間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理運(yùn)行，如圖3所示，料液蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入工質(zhì)加熱器用以加熱熱泵工質(zhì)，熱泵工質(zhì)吸熱蒸發(fā)并汽化(4→1過(guò)程)；汽化后的熱泵工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后升溫增焓(1→2過(guò)程)；然后進(jìn)入料液加熱器加熱料液并冷凝液化(2→3過(guò)程)；之后高壓液態(tài)熱泵工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥降壓后返回工質(zhì)加熱器(3→4過(guò)程)，并再次吸收二次蒸汽潛熱后蒸發(fā)汽化。

圖3 間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)熱泵工質(zhì)循環(huán)p-H關(guān)系

綜上所述，間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)通過(guò)熱泵系統(tǒng)的逆卡諾循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)料液蒸發(fā)二次蒸汽潛熱的回收，并將此部分熱量再次用于物料的蒸發(fā)加熱。在低溫蒸發(fā)類(lèi)項(xiàng)目中，與MVR系統(tǒng)相比，間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)壓縮機(jī)不受二次蒸汽比容和蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的影響，因此，具有較好的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。

2 二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮工藝特點(diǎn)

二氧化硫脲作為一種新型還原劑，因具有還原電位高、分解速度慢、穩(wěn)定性好、用量少、運(yùn)輸儲(chǔ)存安全方便、無(wú)毒及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于印染和漂白工業(yè)中[8,9]，現(xiàn)已成為保險(xiǎn)粉的安全替代品。二氧化硫脲是一種典型的熱敏型物料，在其蒸發(fā)濃縮過(guò)程中，如果蒸發(fā)溫度過(guò)高，二氧化硫脲將發(fā)生水解并生成次硫酸，次硫酸氧化生成H2SO4，而H2SO4將進(jìn)一步加快二氧化硫脲的氧化[10]。因此，為了避免二氧化硫脲在蒸發(fā)過(guò)程中發(fā)生高溫水解，二氧化硫脲濃縮時(shí)的蒸發(fā)溫度通常需控制在20℃以?xún)?nèi)。

3 案例分析

江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司采用間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)對(duì)某二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。該項(xiàng)目二氧化硫脲設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度20℃，蒸發(fā)量10t/h，物料沸點(diǎn)升約5℃。

3.1 改造前存在的問(wèn)題

改造前的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)加熱蒸發(fā)運(yùn)行模式，蒸發(fā)加熱熱源采用減壓生蒸汽，料液加熱器采用管殼式換熱器，料液走管程，生蒸汽走殼程。蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽通過(guò)冷水機(jī)組進(jìn)行冷凝，冷水機(jī)組的裝機(jī)功率為1 500kW，冷水機(jī)組所產(chǎn)生的冷水溫度約為7℃。

圖4 改造前的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在如下問(wèn)題：

a. 產(chǎn)品收率低，產(chǎn)品質(zhì)量差。該系統(tǒng)采用減壓生蒸汽作為蒸發(fā)熱源，生蒸汽溫度波動(dòng)導(dǎo)致料液加熱器的換熱管壁面溫度過(guò)高，從而引發(fā)二氧化硫脲高溫水解，降低了產(chǎn)品收率，導(dǎo)致二氧化硫脲晶體發(fā)黃，產(chǎn)品質(zhì)量較差。

b. 換熱管易堵塞。二氧化硫脲高溫水解產(chǎn)物易在換熱管壁面結(jié)疤結(jié)垢，影響換熱器傳熱效率和系統(tǒng)蒸發(fā)量。另外，換熱管堵塞現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致?lián)Q熱器需經(jīng)常檢修，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。

c. 系統(tǒng)運(yùn)行能耗高。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用于料液加熱的生蒸汽消耗量約11.8t/h，用于二次蒸汽冷凝的冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗為1 310kW。

3.2 系統(tǒng)改造

由于二氧化硫脲具有極強(qiáng)的熱敏性，蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)操作溫度不得超過(guò)20℃，再加上沸點(diǎn)升5℃，導(dǎo)致其二次蒸汽溫度僅為15℃，因此多效蒸發(fā)技術(shù)在此工況下不適用；采用熱力式蒸汽再壓縮技術(shù)雖然可以節(jié)省部分生蒸汽，但仍需要大量的冷凍水來(lái)冷凝多余的二次蒸汽，節(jié)能效果有限；如果使用MVR技術(shù)，將不再需要生蒸汽和冷凍水，節(jié)能效果極其顯著，但由于15℃的水蒸氣比容(78m3/kg)較大，要求蒸汽壓縮機(jī)的排氣量很大，價(jià)格昂貴。

為此，江蘇樂(lè)科節(jié)能科技股份有限公司采用間接式低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮技術(shù)對(duì)該二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造(圖5)。節(jié)能改造利用了原料液蒸發(fā)循環(huán)回路設(shè)備(料液加熱器、分離器和循環(huán)泵)、進(jìn)出料系統(tǒng)和真空系統(tǒng)；拆除了原系統(tǒng)中用于二次蒸汽冷凝的冷水機(jī)組、冷卻塔等配套設(shè)備。改造后的系統(tǒng)新增一套間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)回路，該回路包括新增設(shè)的工質(zhì)泵、節(jié)流閥、豎管降膜式工質(zhì)加熱器、離心壓縮機(jī)和原料液加熱器，熱泵循環(huán)工質(zhì)采用R22。豎管降膜式工質(zhì)加熱器的殼程走二次蒸汽，管程為熱泵工質(zhì)R22。

圖5 改造后的二氧化硫脲蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理

改造后的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，二氧化硫脲溶液通過(guò)循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)在料液加熱器內(nèi)并被不斷加熱，然后在分離器內(nèi)進(jìn)行負(fù)壓蒸發(fā)，蒸發(fā)所得二次蒸汽經(jīng)分離器的分離作用后進(jìn)入豎管降膜式工質(zhì)加熱器的殼側(cè)釋放熱量并冷凝液化。間接式熱泵循環(huán)回路內(nèi)的熱泵工質(zhì)R22在工質(zhì)泵的作用下，經(jīng)節(jié)流閥減壓后由豎管降膜式工質(zhì)加熱器的頂部噴入，并在豎管降膜式工質(zhì)加熱器換熱管內(nèi)壁進(jìn)行降膜蒸發(fā)，吸收換熱管外部二次蒸汽的冷凝放熱，汽化后的R22蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮增壓后溫度升高，然后進(jìn)入料液加熱器的殼程，加熱換熱管內(nèi)的二氧化硫脲后冷凝液化，R22凝液連同降膜式工質(zhì)加熱器中未汽化的R22液體一同被工質(zhì)泵吸入，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后返回至豎管降膜式工質(zhì)加熱器并再次吸收二次蒸汽的冷凝潛熱。

二氧化硫脲間接式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸發(fā)過(guò)程低壓二次蒸汽的冷凝，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次蒸汽冷凝熱量的回收，并通過(guò)熱泵系統(tǒng)將熱量再次用于物料的蒸發(fā)加熱，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的循環(huán)利用。對(duì)于二次蒸汽的冷凝，原系統(tǒng)采用冷水機(jī)組，改造后系統(tǒng)采用熱泵系統(tǒng)，雖然二次蒸汽的冷凝負(fù)荷相同，但兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工況存在差異。如圖6所示，熱泵系統(tǒng)通過(guò)R22工質(zhì)直接與二次蒸汽進(jìn)行冷凝換熱，其蒸發(fā)溫度為10℃；但原冷水機(jī)組需通過(guò)冷水機(jī)組制取的冷水冷卻二次蒸汽，冷水機(jī)組的制冷劑與二次蒸汽間需進(jìn)行兩次換熱，其蒸發(fā)溫度為5℃。此外，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度僅需保證與二氧化硫脲間的傳熱溫差即可，冷凝溫度為25℃；而原冷水機(jī)組的冷凝溫度受限于環(huán)境溫度，其冷凝溫度需35℃。由此可見(jiàn)，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度高于原冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度，冷凝溫度低于原冷水機(jī)組的冷凝溫度，在相同的制冷負(fù)荷下，熱泵系統(tǒng)所需的工質(zhì)循環(huán)量和單位循環(huán)量壓縮機(jī)耗功均小于原冷水機(jī)組，熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗明顯低于原冷水機(jī)組。

圖6 熱泵系統(tǒng)與原冷水機(jī)組運(yùn)行工況對(duì)比

4 經(jīng)濟(jì)性分析

該項(xiàng)目改造前后的能耗和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表1，其中系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間為8 000h，每噸蒸汽的價(jià)格為150元，電價(jià)1元/(kW·h)。

表1 項(xiàng)目改造前后的能耗和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

系統(tǒng)改造后，項(xiàng)目每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1 997.6萬(wàn)元，節(jié)省率達(dá)81.1%，項(xiàng)目投資回收期不足一年，項(xiàng)目取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，采用間接式熱泵蒸發(fā)技術(shù)后，二氧化硫脲的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定，基本維持在20℃左右，二氧化硫脲在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中不再發(fā)生高溫水解現(xiàn)象，產(chǎn)品收率明顯提高，換熱器也未發(fā)生堵管現(xiàn)象，所得二氧化硫脲晶體潔白，產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)蒸發(fā)操作是一個(gè)能耗較大的工藝過(guò)程，二次蒸汽的合理利用在很大程度上決定了蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性。間接式熱泵蒸發(fā)濃縮技術(shù)通過(guò)回收二次蒸汽的汽化潛熱并再次用于物料的蒸發(fā)加熱，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)熱量的循環(huán)利用，可顯著節(jié)省蒸發(fā)作業(yè)的運(yùn)行費(fèi)用。因此，間接式熱泵蒸發(fā)濃縮技術(shù)在熱敏性物料低溫蒸發(fā)領(lǐng)域?qū)⒕哂休^好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] 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):52～55.

[2] 鹿方,馮霄.工業(yè)熱泵的經(jīng)濟(jì)性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(2):95～99.

[3] 劉軍,張沖,楊魯偉,等.夾套式MVR熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能分析[J].化工學(xué)報(bào),2015,66(5):1904～1911.

[4] Sorour M A,Mostafa S R,Samri S M B.A Case Study of Orange Juice Concentration by Recompression Evaporation Techniques[J].Journal of Food Process Engineering,2012,36(3):337～342.

[5] 林文舉,林文野,楊魯偉.板式蒸發(fā)器式蒸汽再壓縮系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2013,40(2):176～181.

[6] Winchester J,Marsh C.Dynamics and Control of Falling Film Evaporators with Mechanical Vapour Recompression[J]. American Control Conference,1999,77(5):3600～3604.

[7] 申濤,趙旭.機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)在高氨氮廢水處理中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2013,40(6):816～818.

[8] 湯秀華,李軍,任永勝.二氧化硫脲的合成工藝及其保質(zhì)期研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,20(5):108～111.

[9] 潘志信,郭相坤.二氧化硫脲廢水的特性和利用[J].印染助劑,2004,21(2):40～42.

[10] 壽文毓.二氧化硫脲的制備[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2000,7(1):30～32.