机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析_顾承真

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2014 年第 33 卷第 1 期
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
研Байду номын сангаас开发 机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析
顾承真 1，闵兆升 1，洪厚胜 1
210009） 摘要：机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发系统是一种新型高效节能蒸发技术。它有多个单元设备组成，每个操作节 点的控制都对系统运行的稳定性和节能效率至关重要，其中包括进料温度、蒸发压强、蒸汽压缩比、冷凝液温 度等。若操作条件不当，不仅会大大降低蒸发效率而且会对设备和管路造成损害。本文建立了一套充分利用能 源的 MVR 蒸发工艺流程，并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算，同时利用 Aspen Plus 模拟软 件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制，研究了循环蒸汽量、补充水的量与进料温度、冷凝 液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。由数据分析可得：原料在饱和液体时进料最佳，冷凝液 的温度应保持与蒸发温度的有效温差在 5～8 ℃时较好，压缩机的蒸汽压缩比控制在 1.8～2.2 较为合理。同时可 利用冷凝液和浓缩液的余热对原料预热，补充水也可从冷凝液中直接取用。 关键词：机械蒸汽再压缩；Aspen Plus 模拟；性能分析 中图分类号：TQ 51 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2014）01–0030–06 DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.006
，2
（1 南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 211816；2 南京汇科生物工程设备有限公司，江苏 南京
Performance analysis of mechanical vapor recompression evaporation system
GU Chengzhen1，MIN Zhaosheng1，HONG Housheng1
收稿日期：2013-07-18；修改稿日期：2013-09-12。 第一作者：顾承真（1986—） ，男，硕士研究生，主要从事生物过程 装备研究。 E-mail guchengzhenadu@。联系人：洪厚胜，研究 员， 硕士生导师， 主要从事生物过程装备研究。 E-mail hhs@。
图 1 MVR 工艺流程
对于蒸发室内换热，采用两个换热器（HEATER 和 COOLER）和热流（heater steamer）的连接来完成， 同时选择闪蒸（Flash）模块实现气液分离[26]。
凝放热；蒸发室管程内的料液吸收来自蒸汽的冷凝 潜热后，料液沸腾产生气液混合物，气液混合物随 着管子向下流动的过程中气液逐渐分离，到达蒸发 室底部时，气体被引入到气液分离器中，二次蒸汽 从气液分离器的上端通过管道输送到离心压缩机的 入口处，在离心压缩机的强作用下，蒸汽变成高温 高压的高品位蒸汽，同时从凝水泵中抽取一定的补 充水消除此时蒸汽的过热度。被饱和的蒸汽此时作 为热源进入蒸发室的壳程进行冷凝放热，得到的冷 凝液通过换热器 1 对料液进行初步预热，最后通过 凝水泵打入凝水罐。与此同时，从蒸发室出来的浓 缩液仍具有一定的液体热，通过换热器 2 再次对料 液预热，若浓缩液未达到浓缩要求，可以通过循环 泵再次进入蒸发室内进行二次浓缩。当 MVR 系统 在运行稳定时，就可以关闭新鲜蒸汽的入口，之后 系统便可自行完成蒸发浓缩过程。 1.2 分析模型建立 Aspen Plus 软件具有较完备的单元操作模型， 物性参数较为完善，能很好地校核系统操作过程中 物料的质量平衡和能量平衡[25]。本文主要研究不同 的工况条件下，进料温度、蒸发室内压强、蒸汽压 缩比等对补充水分、循环蒸汽产生量以及能效比的 影响。模拟计算时，由于水的物性参数全面方便计 算而且工业上蒸发浓缩时多数是水溶液，具有一定 的代表性，因此在模拟计算时物料均以水代替。分 析模型（图 2）作如下几点假设：①不考虑系统的 散热和蒸汽泄漏等因素的影响；②由于采用的是水 体系模型，所以不用考虑溶液浓度变化对溶液沸点 的影响；③Aspen Plus 软件不适合动态分析，故忽 略作业开始时通入的蒸汽，以蒸发室产生的二次蒸 汽作为初始条件，同时限制 VAP1 和 VAP3 的质量 流量、压强和温度，以实现物理意义上的循环；④
1 MVR 蒸发系统分析
1.1 工艺流程 图 1 所示的是 MVR 蒸发体系的工艺流程。开 机运行时，料液由给料泵依次通过换热器 1 和换热 器 2 到达蒸发室内，此时的热源是从外部输入的新 鲜蒸汽，通过新鲜蒸汽入口到达蒸发室的壳程中冷
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2014 年第 33 卷
图 2 MVR 流程模拟图
Abstract：Mechanical vapor recompression (MVR) evaporation system is a new energy efficient evaporation technology. It has several unit devices，the system stability and energy efficiency depend on each node control，such as feed temperature，evaporation pressure，the ratio of vapor compression and condensation temperature. If the operational conditions are not appropriate， the evaporation efficiency will be reduced，and the equipment and piping will be damaged. This paper established a MVR evaporation process flow that can fully use energy. Quality and energy of each operation node were calculated，and a system of simulation process was establish using the Aspen Plus software. This research investigated the mass flow of cyclic steam and the mass flow of added water under different feed temperatures ， condensation temperatures ， the ratio of vapor compression and evaporation pressure，by analyzing controlling unit operations. The results showed that raw materials reached the optimal conditions in saturated liquids， temperature of the condensate to the evaporation temperature at 5—8℃ was most effective for the system，and the vapor compression ratio of compressor in the 1.8— 2.2 was more reasonable. The heat from condensate and the concentrate can be used to preheat the raw material，and the added water can be drawn directly from the condensate.
第1期
顾承真等：机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析
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Keys words：mechanical vapor recompression (MVR)；Aspen Plus simulation；performance analysis 机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发技术是继多效蒸 发技术、蒸汽喷射压缩技术之后的第三代节能蒸发 技术[1-2]。目前 MVR 蒸发系统已经成功地应用于海 水淡化[3-5]、中草药浓缩[6]、化工污水处理[7-8]、食品 工业中产品的浓缩结晶[9]等相关领域并取得了显著 的节能效果。当今世界能源极其匮乏，大力倡导开 发高效、节能减排的化工单元设备是未来工业化发 展的趋势。 MVR 蒸发系统主要由蒸发室、气液分离器、 蒸汽压缩机、换热器、真空泵及附属设备组成，其 中主体设备就是压缩机和蒸发室。压缩机选用离心 压缩机，蒸发室选用单效降膜蒸发器，是目前工业 应用生产的主体趋势。它们具有如下优势[10-12]：① 单效降膜蒸发工艺物料停留时间短，浓缩程度高， 连续化作业时较稳定；②降膜蒸发器常处于一定的 真空条件，适合热敏性物料的蒸发，低温蒸发更温 和，耗能低；③离心式压缩机与罗茨压缩机相比， 有流量大、噪声小、运行成本低、没有串油及漏气 的顾虑等优点。现有 MVR 系统中使用的气液分离 器多为离心式的，它主要是依靠气液密度的不同在 离心力的作用实现气液分离[13]。换热器主要是为了 对原料进行预热和对冷凝液等余热的充分利用，工 业上常使用板式换热器[14]。真空泵的选择和设计也 是 MVR 蒸发体系一个重要的环节，不仅要排除蒸 发体系中的不凝气体，还要维持系统有一定的真空 度，对于蒸发量较大的工况还可以多台真空泵联合 使用。目前工业上普遍采用水环真空泵抽真空[15]。 MVR 蒸发技术的基本原理就是将蒸发室内的二次 蒸汽通过压缩机的压缩， 产生高温高压的压缩蒸汽， 之后重新作为蒸发室的加热热源。因此，二次蒸汽 得到有效的利用，蒸发效率大大提高。MVR 蒸发 技术与传统的多效蒸发器相比，节能效率达到 30%～70% [16-17]。 MVR 蒸发技术目前在国内仍处于研究和工业 试运行阶段，仍有很多技术问题有待解决。 （1） 以罗茨压缩机驱动的 MVR 蒸发系统因其 压缩的蒸汽流量小不适合工业化大生产应用，离心 压缩机将会逐渐取代罗茨压缩机在 MVR 蒸发体系 但离心式压缩机在驱动 MVR 运行时， 中的应用[18]。 叶轮是处于高速旋转的，对压缩机的机械密封和机 械强度等都提出了更高的要求。目前国内的企业在 使用离心机驱动 MVR 时，离心压缩机主要是从国 外进口，国产的离心压缩机在性能指标和稳定性上 需要继续研究和开发[19-21]。 （2） 高效的气液分离器也是 MVR 蒸发技术中 一个关键的单元设备。普通的气液分离器在分离的 二次蒸汽中会夹带一定的溶质和液体水滴，但在 MVR 蒸发技术中得到的二次蒸汽需要通过离心压 缩机的压缩，蒸汽中即使携带少量的液体，也会降 低蒸汽的压缩效率，而且会对压缩机的叶轮造成冲 击以致损坏[22]。因此，开发新型高效的气液分离设 备也是值得研究的课题之一。 （3） 二次蒸汽通过压缩机的压缩， 往往具有一 定的过热度，但过热的蒸汽不能直接用在蒸发器中 换热，因为过热的蒸汽不仅会降低传热效率，而且 会对管道和设备造成极大的损坏[23]。因此，如何将 压缩后的过热蒸汽先变成饱和蒸汽，也是 MVR 蒸 发技术中不可或缺的操作之一。 由于 MVR 蒸发技术中有许多控制节点，包括 料液的温度、蒸发压强、蒸汽的压缩比以及冷凝水 温度等，都对 MVR 蒸发系统的稳定性和节能优化 有重要的关联。本文主要是通过软件模拟和理论分 析对每个节点进行控制变量，分析得出最佳的节点 ， 操作控制。而且很多文献[16-18 24]在对 MVR 系统进 行能量衡算和工业试验的描述中都没有考虑消除过 热蒸汽时需要补充水的量，文中则从理论和流程模 拟结果上阐述补充水的量与蒸汽压缩比、蒸发压强 之间的关系。 本文主要是从理论上进行计算和分析，在模型 设计时以水作为工质，忽略蒸发压强对溶液沸点的 影响。有机分子的稀溶液在蒸发浓缩过程中，溶液 的沸点受到蒸发压强的影响较小，因此，本文构造 的模型可供牛奶乳品工业、中草药浓缩等领域作为 参考。 但对于离子型化合物的浓溶液在蒸发过程中， 蒸发压强对溶液的沸点影响较大，不可以简单地以 水来代替，需要重新构建离子溶液模型，本文暂不 说明。