機械蒸汽再壓縮與多效蒸發(fā)火用耗對比

李方天 ，李 林，劉金勇

(1.山東鴻運工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250100；2.山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250100)

蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品、深冷、海水淡化、污水處理等工業(yè)中?，F(xiàn)在主要采用的蒸發(fā)技術(shù)是多效蒸發(fā)技術(shù)和蒸汽機械再壓縮技術(shù)這兩種技術(shù)。

多效蒸發(fā)是利用前效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，作為后效蒸發(fā)器的熱源，以利用其冷凝熱。這樣僅第一效需要消耗生蒸汽，末效的二次蒸汽需要循環(huán)冷卻水冷凝。

蒸汽機械再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)是將蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮后，提高其壓力和飽和溫度，增加了熱焓，再送入加熱室作為熱源，以達到循環(huán)利用二次蒸汽已有的熱能，從而不需要外部生蒸汽。

多效蒸發(fā)和蒸汽機械再壓縮常進行能效比較，本文就是以蒸發(fā)1噸水為例，從火用上進行了比較。

1 多效蒸發(fā)的生蒸汽消耗

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一種形式的能量并不總是可以完全轉(zhuǎn)換為功。從這一角度出發(fā)，可以把能量看成由兩個部分組成：可轉(zhuǎn)換的部分與不可轉(zhuǎn)換的部分，可轉(zhuǎn)換為功的部分就稱為火用。根據(jù)GB/T 14909-2005《能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，火用的基準態(tài)溫度為298.15K (25℃) ，基準態(tài)壓力為0.1M Pa(1bar)。依據(jù)熱力性質(zhì)圖表，水在該狀態(tài)下的sw0=0.31kj/kg.K(即0.0741kcal/kg.℃),焓hw0=84.24kj/kg(即20.125kcal/kg)。可根據(jù)Ex=(hx-hw0)-T0(sx-sw0)來計算不同狀態(tài)下蒸汽的火用值。

常用于多效蒸發(fā)的蒸汽為溫度為100～120℃的飽和蒸汽，對應(yīng)的壓力為0.1～0.2MPa。多效蒸發(fā)以四效為例，考慮實際上存在的各種溫度差損失和熱損失，蒸發(fā)1t水大約需要消耗0.3t蒸汽。則四效蒸發(fā)的生蒸汽消耗如表1。

表1 不同溫度下的飽和蒸汽的焓值和火用值

如果溶液的沸點升較低，那么可選用的飽和蒸汽壓力或溫度就可較低，或者可使換熱溫差較大，從而減少換熱面積。

2 機械蒸汽再壓縮的壓縮機電耗

壓縮機的做功提高蒸汽的品質(zhì)，要克服溶液的沸點升，并能對溶液溫度有有效的傳熱溫差以及各種熱損失等。當溶液的沸點升越高，壓縮機的溫升就越高。對于同一體系的MVR系統(tǒng)，有效換熱溫差取值越大，相應(yīng)的換熱器面積就可越小，但這就使壓縮機出口溫度增大；反之有效換熱溫差取值越小，壓縮機出口溫度可減小，相應(yīng)的換熱器面積就可越大。這樣，MVR系統(tǒng)的有效換熱溫差必然有個合理的取值。

為統(tǒng)一比較，設(shè)定溶液溫度為94℃，壓縮機出口飽和溫度為102℃，此時的壓縮后蒸汽飽和壓力為108.8kPaG。壓縮機的功率可用下式進行計算：

其中n為絕熱指數(shù)，取1.3，壓縮機的效率η值在0.7～0.9之間，本文中取η=0.7。

表2 不同沸點升下機械蒸汽再壓縮的壓縮機功率計算

不同沸點升下機械蒸汽再壓縮的壓縮機功率計算結(jié)果見表2， 可見，當溶液沸點升越高，壓縮機的功率就越大。

3 MVR壓縮機功率與四效蒸發(fā)蒸汽火用值對比

對四效蒸發(fā)，溶液沸點升與選用的飽和蒸汽有一定的對應(yīng)關(guān)系：當溶液沸點升0℃時，選用100℃的飽和蒸汽；當溶液沸點升12℃時，選用120℃的飽和蒸汽。這樣在某一沸點升的MVR壓縮機功率和四效蒸發(fā)蒸汽火用值就可以比較了, MVR壓縮機功率與四效蒸發(fā)蒸汽火用值對比見表3、圖1。

表3 MVR壓縮機功率與四效蒸發(fā)蒸汽火用值對比

沸點升幅/℃

雖然MVR蒸發(fā)和四效蒸發(fā)還有循環(huán)泵、進出料泵等能量消耗，但是在兩種蒸發(fā)工藝中都相對消耗不大，且兩種蒸發(fā)工藝消耗量也差不多，故僅比較MVR壓縮機功率和四效蒸發(fā)蒸汽火用值可以對比兩種蒸發(fā)工藝。

4 對比結(jié)論

(1)在沸點升較低(小于10℃時)，MVR壓縮機功率較四效蒸發(fā)蒸汽火用值具有明顯的優(yōu)勢，估在蒸發(fā)沸點升較低的溶液時，機械蒸汽再壓縮工藝有優(yōu)勢，比如硫酸鈉溶液蒸發(fā)等。

(2)在沸點升較高(在10℃左右時)，MVR壓縮機功率較四效蒸發(fā)蒸汽火用值差不多，而所謂的MVR節(jié)能主要體現(xiàn)節(jié)約在焓值上，同時蒸汽價格主要是熱能，機械蒸汽再壓縮工藝有運行的價格優(yōu)勢。

(3)從火用的角度，MVR的蒸發(fā)優(yōu)勢體現(xiàn)在沸點升小于10℃的物料蒸發(fā)工藝。

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