機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)和三效蒸發(fā)的計(jì)算機(jī)模擬

任占勝，周婷婷

（浙江巨化裝備工程集團(tuán)有限公司，浙江 衢州324004）

蒸發(fā)濃縮技術(shù)在化工、制藥和食品等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其環(huán)保領(lǐng)域中對工業(yè)廢水循環(huán)利用的需求。目前多數(shù)企業(yè)采用多效蒸發(fā)技術(shù)，即利用前效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的熱源，但第1效使用新鮮蒸汽補(bǔ)進(jìn)作為蒸發(fā)熱源，因此需要耗費(fèi)大量的生蒸汽[1]。新一代機(jī)械式蒸汽再壓縮（MVR）蒸發(fā)濃縮技術(shù)通過利用壓縮機(jī)將二次蒸汽壓縮，可以直接作為加熱蒸發(fā)物料的熱源，完全實(shí)現(xiàn)蒸汽的自給自足和循環(huán)利用，大大減少了生蒸汽消耗。MVR蒸發(fā)濃縮技術(shù)工藝簡單、實(shí)用性強(qiáng)、操作成本低，完全可以在各領(lǐng)域代替常規(guī)蒸發(fā)[2]。因此，MVR蒸發(fā)濃縮技術(shù)近年來在國內(nèi)蒸發(fā)、結(jié)晶、精餾等生產(chǎn)工藝中得到廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。

隨著計(jì)算機(jī)的普及，MVR蒸發(fā)濃縮模型建立及優(yōu)化、能量物料平衡計(jì)算上愈發(fā)成為研究熱點(diǎn)。本研究以低含鹽工業(yè)廢水預(yù)濃縮為例，借助ASPEN軟件對搭建的模型進(jìn)行能量物料平衡計(jì)算，驗(yàn)證MVR技術(shù)相對三效蒸發(fā)技術(shù)的節(jié)能效果，并對主要換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 MVR蒸汽壓縮技術(shù)原理

MVR是新一代節(jié)能環(huán)保蒸發(fā)技術(shù)，其流程如圖1所示。

圖 1 MVR蒸發(fā)流程Fig 1 MVR evaporation flow

核心設(shè)備蒸汽壓縮機(jī)，通過其將蒸發(fā)分離出的二次蒸汽壓縮，提高溫度、壓力、熱焓后打進(jìn)加熱器的殼程作為物料蒸發(fā)的熱源，回收了潛熱，達(dá)到循環(huán)利用的目的。此過程中不需要額外新鮮蒸汽補(bǔ)進(jìn)，完全依靠自循環(huán)達(dá)到蒸發(fā)濃縮的目的，僅消耗壓縮機(jī)的電能，過程節(jié)能。在熱力學(xué)中，MVR蒸發(fā)器可以理解為開式熱泵，壓縮機(jī)的作用不是產(chǎn)生蒸發(fā)的熱量，而是輸送蒸發(fā)器的熱量形成熱量循環(huán)[2]。

2 ASPEN模擬MVR和三效蒸發(fā)

2.1 計(jì)算方法

MVR蒸發(fā)濃縮流程搭建以及技術(shù)應(yīng)用首先需要通過前期大量的資料收集和實(shí)驗(yàn)室研究，從物料特性以及方案可行性上對項(xiàng)目做大量的分析。首先考慮物料在高溫下的變形，選取一定的真空度作為蒸發(fā)溫度，同時(shí)也可以減少預(yù)熱能量；接著在蒸發(fā)溫度下測定物料沸程，為選取壓縮機(jī)溫升、壓比以及降膜換熱器各進(jìn)出口參數(shù)所使用；一般情況下，沸程5～8℃作為選擇壓縮機(jī)壓比的標(biāo)準(zhǔn)。而三效蒸發(fā)系統(tǒng)的搭建重點(diǎn)在于確定各蒸發(fā)器溫度，各效之間需要設(shè)置合適的溫度差和壓力差，才能保證液體蒸發(fā)[3]。

使用Aspen軟件模擬流程，通過選取換熱器heatX、閃蒸汽flash2和分流器Fsplit模塊模擬三效蒸發(fā)，MVR系統(tǒng)外加以縮機(jī)Compr模塊模擬壓縮過程。在確定MVR蒸發(fā)系統(tǒng)和三效蒸發(fā)系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)后，通過Aspen搭建的流程以及模擬運(yùn)行，可以進(jìn)行簡單的物料、能量衡算。計(jì)算結(jié)果中的壓縮機(jī)功率、各個(gè)換熱器的換熱量等對接下去的設(shè)備工藝設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的能耗分析具有很大的參考價(jià)值，是整個(gè)項(xiàng)目方案階段必經(jīng)步驟之一。另外，Aspen內(nèi)嵌的aspen-edr軟件可以直接進(jìn)行換熱器的工藝設(shè)計(jì)。

2.2 計(jì)算輸入

1）工藝參數(shù)。MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中，各溫度壓力等參數(shù)基于前期實(shí)驗(yàn)分析，主要的工藝參數(shù)包括蒸汽壓縮機(jī)溫升選擇，蒸發(fā)真空度，蒸發(fā)溫度以及進(jìn)料溫度等。三效蒸發(fā)系統(tǒng)各蒸發(fā)器之間選擇接近的壓力差。

2）模型參數(shù)。見表1。

表 1模型參數(shù)Tab 1 Model Parameters

3 案例計(jì)算

3.1 基本參數(shù)

以某廢水處理工程項(xiàng)目為例，用Aspen模擬計(jì)算MVR蒸發(fā)濃縮和三效蒸發(fā)。相關(guān)工藝參數(shù)以及軟件輸入?yún)?shù)見表2和表3。

表 2設(shè)計(jì)參數(shù)Tab 2 Design Parameters

表 3蒸發(fā)壓力Tab 3 Evaporation pressures of different periods

處理目標(biāo)：廢液出口NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在29%以上，對應(yīng)總的蒸發(fā)量約9.7 t/h，閃蒸分離的蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮后，能量能實(shí)現(xiàn)自給自足。

3.2 過程模擬

MVR蒸發(fā)模型和三效蒸發(fā)模型流程分別見圖2和圖3。

圖 2 MVR蒸發(fā)模型Fig 2 Model of MVR evaporation

圖 3三效蒸發(fā)模型Fig 3 Model of triple-effect evaporation

3.3 能耗對比

對預(yù)熱后進(jìn)入MVR和三效蒸發(fā)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行對比。

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)能量通過壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)自給自足，幾乎不消耗其余的蒸汽，但消耗一定的電能。以85%的壓縮機(jī)效率計(jì)算得到，9.7 t/h的蒸汽在經(jīng)過18℃的溫升后，需要消耗450.3 kW的電能。多效蒸發(fā)系統(tǒng)主要能耗集中在蒸汽上，三效蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)出9.7 t/h的蒸汽需要消耗新鮮低壓蒸汽3.41 t/h。

綜上對各系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對比：按照各地平均單價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按0.8元/(kW·h)計(jì)算，新鮮蒸汽按180元/t計(jì)算，年運(yùn)行按7 200 h計(jì)算。因此，使用MVR系統(tǒng)蒸發(fā)年耗電費(fèi)用為259.373萬元，使用三效系統(tǒng)蒸發(fā)年耗蒸汽費(fèi)用為441.936萬元，相對三效蒸發(fā)，MVR蒸發(fā)每年可節(jié)省能耗費(fèi)用達(dá)182.563萬元，處理量越大，節(jié)能的成本會更明顯。

3.4 換熱器設(shè)計(jì)

通過ASPEN-EDR軟件可以對降膜式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)備采用S31603材質(zhì)，對MVR蒸發(fā)預(yù)濃縮系統(tǒng)和三效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了主要設(shè)備投入費(fèi)用的估價(jià)對比，結(jié)果如表5所示。

表 4能耗對比Tab 4 Contrast of energy consumption

表 5核心設(shè)備估價(jià)對比Tab 5 Cost contrast of the core equipment

MVR蒸發(fā)濃縮的換熱器和壓縮機(jī)設(shè)備費(fèi)用約265萬元，三效蒸發(fā)系統(tǒng)的換熱器投資費(fèi)用約135萬元。MVR一次性投入成本比三效蒸發(fā)投入的成本多2倍左右，但是MVR運(yùn)行蒸汽能耗節(jié)省的費(fèi)用完全可以使其2年內(nèi)收回。

4 結(jié) 論

以14 t/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的氯化鈉溶液為處理物料，以濃縮后質(zhì)量分?jǐn)?shù)29%為目標(biāo)，借助Aspen軟件對MVR蒸發(fā)和傳統(tǒng)三效蒸發(fā)進(jìn)行了流程模擬，物料、能量計(jì)算，得出壓縮機(jī)功率以及生蒸汽消耗；并使用Aspen內(nèi)嵌的aspen-edr軟件對降膜換熱器進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，確定結(jié)構(gòu)和估算一次性投入成本，結(jié)論為：

1）MVR蒸發(fā)技術(shù)相對傳統(tǒng)三效蒸發(fā)技術(shù)，每年可節(jié)省能耗費(fèi)用達(dá)18.71萬元/t，處理量越大，節(jié)省費(fèi)用越多；

2）MVR技術(shù)一次性投入成本為約三效蒸發(fā)的2～3倍，處理量合適，MVR運(yùn)行蒸汽能耗節(jié)省的費(fèi)用完全可以使其2年內(nèi)收回。

3）MVR蒸發(fā)濃縮技術(shù)單位能量消耗低、工藝簡單、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行成本低，尤其在廢水處理領(lǐng)域可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)多效蒸發(fā)技術(shù)，在其他蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域也有很大是市場前景。