機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)的開車過程工藝分析

李方天，李 林，劉金勇

(1.山東鴻運(yùn)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.山東天力能源股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品、海水淡化、污水處理等工業(yè)中。當(dāng)蒸發(fā)沸點(diǎn)升較低的溶液時(shí)，機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)比四效蒸發(fā)技術(shù)有明顯的優(yōu)勢[1]。王遠(yuǎn)等建立了機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,并對換熱器無相變瞬態(tài)傳熱分析的模型進(jìn)行了簡化，利用迭代法對系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)換熱量達(dá)到蒸發(fā)器換熱的最大值時(shí)，蒸汽流量出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，并呈下降趨勢直至穩(wěn)態(tài)，壓縮機(jī)最大功率及最大進(jìn)氣量也都出現(xiàn)在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中[2]。黃靚等考察了中藥提取液濃縮過程中沸點(diǎn)變化與溶劑組成和溶質(zhì)濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在濃縮過程中，要綜合考慮溶劑和溶質(zhì)兩者的影響[3]。本文是在機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)裝置實(shí)際運(yùn)行的基礎(chǔ)上，結(jié)合簡化模型，對開車過程進(jìn)行工藝分析，這包括蒸發(fā)前操作和蒸發(fā)達(dá)到設(shè)計(jì)條件的過程。

1 蒸發(fā)前的操作

在完成單機(jī)試車、聯(lián)動(dòng)試清水，并準(zhǔn)備好開車的各項(xiàng)條件后，就開始蒸發(fā)處理設(shè)計(jì)的物料。在真正運(yùn)行機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)前，要進(jìn)行包括進(jìn)料操作、循環(huán)升溫、壓縮機(jī)開啟等工作。

1.1 進(jìn)料操作

通過進(jìn)料泵，向蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)料，當(dāng)分離器內(nèi)的液位到達(dá)指定液位時(shí)先停止進(jìn)料。一般情況下，當(dāng)有三個(gè)透鏡時(shí)，指定液位位于第二個(gè)透鏡中間位置；當(dāng)只有兩個(gè)透鏡時(shí)，液位位于兩個(gè)透鏡中間的位置。對于3 m3/h的蒸發(fā)量，達(dá)到指定液位時(shí)，加入物料的量在12 m3左右。

在運(yùn)行過程中分離室內(nèi)的液位不能過低或過高，液位過高易造成泡沫夾帶，而液位過低易使泵產(chǎn)生氣蝕。通過調(diào)節(jié)進(jìn)料調(diào)節(jié)閥,保持分離室的液位在正常操作液位范圍內(nèi)，維持穩(wěn)定。

機(jī)械蒸汽再壓縮開始時(shí)蒸發(fā)量大于設(shè)計(jì)量，原因在于蒸發(fā)達(dá)到設(shè)計(jì)條件之前，溶液濃度都較低，沸點(diǎn)升較低，產(chǎn)生的二次蒸汽溫度較高，密度較大，對于同樣的體積處理量，其質(zhì)量處理量就較大。從這方面考慮，進(jìn)料泵流量不宜過小。

另一方面，根據(jù)伯努利方程：

當(dāng)出口壓力為負(fù)壓時(shí)，需要克服的阻力就減少了，此時(shí)泵的流量就會(huì)增大。

從以上兩個(gè)方面考慮，進(jìn)料泵的設(shè)計(jì)流量一般為處理量的1.5～2倍。這樣進(jìn)料到指定液位的時(shí)間就在2h左右。

1.2 循環(huán)升溫

在循環(huán)泵開啟的條件下，要通過生蒸汽對效內(nèi)的循環(huán)物料進(jìn)行加熱，以達(dá)到蒸發(fā)溫度，使壓縮機(jī)能夠開啟。

忽略蒸汽冷凝液和熱量損失，可得到以下熱量衡算和傳熱方程：

(其中G為物料質(zhì)量流量，cp為物料熱容，T為物料溫度，θ為時(shí)間；W為生蒸汽流量，r為蒸汽潛熱；K傳熱系數(shù)，S為傳熱面積，Δt為換熱溫差)

可見循環(huán)升溫過程主要取決于外加蒸汽的通入量W。通入量W越大，升溫過程時(shí)間越短。在升溫初期，由于Δt較大，僅需要一部分換熱面積就使生蒸汽完全冷凝，其余的換熱面積就繼續(xù)用于蒸汽冷凝液和物料的換熱，這時(shí)候的換熱量也比方程中的換熱量要大一些，從而升溫時(shí)間要短一些。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，一般蒸發(fā)器底部液相溫度控制為95℃，可將蒸汽進(jìn)料自動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度與蒸發(fā)器底部液相溫度聯(lián)鎖。溫度過低，溶液達(dá)不到沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生的蒸汽量少，將影響蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行。

1.3 壓縮機(jī)開啟

當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)達(dá)到一定溫度時(shí)，就可以開啟蒸汽壓縮機(jī)。對于羅茨蒸汽壓縮機(jī)，開啟前旁通閥完全打開，壓縮機(jī)變頻在零赫茲時(shí)，開啟壓縮機(jī)，然后逐步調(diào)節(jié)變頻，注意開啟時(shí)，頻率調(diào)整不要過快。當(dāng)變頻調(diào)至總赫茲的一半時(shí)，再緩慢關(guān)閉壓縮機(jī)旁通閥門開度，每次減少2%～5%，直至將旁通全部關(guān)閉，再繼續(xù)提高壓縮機(jī)變頻，直至提高變頻至總赫茲的80%～90%，注意整個(gè)過程不要超電流。

2 蒸發(fā)達(dá)到設(shè)計(jì)條件的過程

2.1 羅茨壓縮機(jī)進(jìn)出口實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表1 某機(jī)械蒸汽再壓縮的羅茨壓縮機(jī)進(jìn)出口實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

表1為某機(jī)械蒸汽再壓縮的羅茨壓縮機(jī)進(jìn)出口實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)羅茨壓縮機(jī)出口溫度超過110～115℃，需要開啟噴水閥，在羅茨壓縮機(jī)入口進(jìn)行噴水，以防止出口蒸汽溫度過高。從表1可以看出，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度和進(jìn)口壓力下對應(yīng)飽和溫度幾乎一樣，可以認(rèn)為進(jìn)口的二次蒸汽幾乎是飽和蒸汽。同樣壓縮機(jī)出口溫度比出口壓力下對應(yīng)飽和溫度略高一點(diǎn)，可認(rèn)為壓縮后的蒸汽也非常接近飽和狀態(tài)。

2.2 蒸發(fā)達(dá)到設(shè)計(jì)條件的過程

以初始溶液為6.0%的氯化鈉溶液且蒸發(fā)量為3t/h的機(jī)械蒸汽再壓縮為例，分析從開始蒸發(fā)到達(dá)到設(shè)計(jì)蒸發(fā)量時(shí)的過程。設(shè)定液相溫度為95℃，先根據(jù)效內(nèi)濃度，得到溶液的沸點(diǎn)升，從而推算進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸汽飽和溫度，再根據(jù)蒸汽密度以及壓縮機(jī)的體積處理量，得到此時(shí)的蒸發(fā)量。

雖然開車的某1h中物料濃度一直在增加，但對最終這1h內(nèi)的蒸發(fā)量估算影響不是很大，可以假定這1h的蒸發(fā)量為這個(gè)時(shí)段剛開始的蒸發(fā)能力。計(jì)算結(jié)果如下表2所示，蒸發(fā)小時(shí)時(shí)間與蒸發(fā)量的關(guān)系如下圖1所示。

表2 蒸發(fā)能力達(dá)到設(shè)計(jì)條件過程分析

圖1 蒸發(fā)小時(shí)時(shí)間(h)與蒸發(fā)量(t/h)的關(guān)系

由表2可以看出，在蒸發(fā)初期，蒸發(fā)量可以達(dá)到3.8t/h，超出設(shè)計(jì)值的26.7%，在運(yùn)行六個(gè)小時(shí)后，才達(dá)到設(shè)計(jì)條件，蒸發(fā)量為3.0t/h。從圖2可以明顯看出蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時(shí)間的延長而逐步降低。這說明機(jī)械蒸汽再壓縮從開始到達(dá)到設(shè)計(jì)條件，需要一定的運(yùn)行時(shí)間。這也與初始濃度有關(guān)，初始濃度越低，所需要的時(shí)間就越長。

3 結(jié)論

(1)進(jìn)料泵的選擇，既要考慮蒸發(fā)初期蒸發(fā)量較大，又要考慮正常運(yùn)行負(fù)壓時(shí)泵流量的增加。

(2)機(jī)械蒸汽再壓縮入口的二次蒸汽幾乎是飽和蒸汽，壓縮后的蒸汽也非常接近飽和狀態(tài)。

(3)機(jī)械蒸汽再壓縮從開始到達(dá)到設(shè)計(jì)蒸發(fā)量，需要一定的運(yùn)行時(shí)間。初始濃度越低，所需要的時(shí)間就越長。