顧承真 顏 旭 張志強 洪厚勝，2

（1．南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2．南京匯科生物工程設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210009）

蒸發(fā)操作在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、制藥工業(yè)、飲料工業(yè)（牛奶、果汁、糖溶液蒸發(fā)）、廢水處理（含鹽廢水、含重金屬廢水）、化學(xué)工程等領(lǐng)域［1－3］。蒸發(fā)在工業(yè)生產(chǎn)中是非常耗能的一道程序，無論是從節(jié)約能源還是從經(jīng)濟效益上來說，高效節(jié)能的蒸發(fā)設(shè)備對工業(yè)生產(chǎn)上的意義變得非常重要。多效蒸發(fā)和機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)是目前工業(yè)生產(chǎn)中主流的蒸發(fā)工藝，其中多效蒸發(fā)（TVR）工藝因其多次利用二次蒸汽能達到一定的節(jié)能效果。而機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）因可以反復(fù)利用二次蒸汽起到高效節(jié)能的作用，同時MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)還有操作簡單，低溫蒸發(fā)，占地面積小，無需冷卻系統(tǒng)等優(yōu)點［4］。目前MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)逐漸成為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的熱點項目，不久的將來MVR 蒸發(fā)器必將在中國得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

1 MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝流程與設(shè)備類型

MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)主要由預(yù)熱器、蒸發(fā)器、氣液分離器、蒸汽壓縮機以及真空泵、清洗系統(tǒng)等相關(guān)附屬設(shè)備組成［5］。其中壓縮機和蒸發(fā)器是MVR 系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前常用的蒸汽壓縮機主要是羅茨壓縮機和離心壓縮機。但離心式壓縮機與羅茨壓縮機相比有流量大、噪音小、運行成本低、沒有串油及漏氣的顧慮等優(yōu)點［6］。離心式壓縮機將會成為以后MVR蒸發(fā)系統(tǒng)發(fā)展的主選設(shè)備。蒸發(fā)換熱器常常采用真空蒸發(fā)設(shè)備，常用的真空蒸發(fā)換熱器主要有降膜式蒸發(fā)器和升膜式蒸發(fā)器，其中降膜式蒸發(fā)器可進行低溫操作，可濃縮高黏度物料，物料在管內(nèi)停留時間短，適合熱敏性物料的蒸發(fā)濃縮。目前，降膜式蒸發(fā)器在中國的應(yīng)用日趨成熟［7］。文章以離心壓縮機和降膜式蒸發(fā)器為MVR 的載體，進行相關(guān)的計算和工藝流程說明。

如圖1所示，原料經(jīng)過預(yù)熱器加熱至飽和溶液，然后由降膜式蒸發(fā)器的頂部進料，在蒸發(fā)器內(nèi)充分蒸發(fā)后，得到的氣液混合物進入分離器。在分離器中濃縮液由底部引出，產(chǎn)生的二次蒸汽進入離心壓縮機進行壓縮。壓縮后的蒸汽溫度，壓強升高，熱焓增大，高品位的蒸汽通過管道進入蒸發(fā)器的殼程冷凝，釋放出冷凝潛熱，變成冷凝液排出蒸發(fā)室。同時管程內(nèi)的料液吸收熱量，沸騰汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，進入上述循環(huán)過程。理論上物料蒸發(fā)所需的熱量和二次蒸汽冷凝所放出的熱量幾乎相等。所以整個過程中只需要初次補入蒸汽，之后便可循環(huán)利用二次蒸汽，消耗的只有少量的電能。

2 MVR 熱泵系統(tǒng)的原理分析與計算

焓熵圖可以清楚的反應(yīng)MVR 系統(tǒng)中蒸汽的熱力過程［8］。圖2為水蒸汽焓熵圖，可以用來輔助分析MVR 工藝流程中的能量變化。

圖1 MVR 工藝流程Figure1 Processing flow of MVR

圖2 水蒸汽焓熵圖Figure2 Enthalpy entropy diagram of steam

（1）1→2階段：物料在此階段屬于預(yù)熱階段，若進料溫度越高，所攜帶的熱量就越多，越易產(chǎn)生二次蒸汽，蒸發(fā)量大大提高。所以一般將物料預(yù)熱到飽和狀態(tài)，飽和進料也是實現(xiàn)MVR 連續(xù)作業(yè)且無需補充熱源的基礎(chǔ)，為了充分利用系統(tǒng)的熱量，可以將物料與蒸汽冷凝液或者熱的濃縮液進行換熱升溫。

（2）2→3階段：物料在此階段屬于蒸發(fā)過程，蒸發(fā)管中的飽和物料在吸收二次蒸汽的冷凝潛熱后，自身發(fā)生汽化。隨著汽化的進行，物料不斷的吸收熱量，因此物料的焓值不斷增加。但此階段，水蒸汽一直處于飽和濕蒸汽狀態(tài)，溫度保持不變。

（3）3→4階段：蒸發(fā)后的氣液混合物，進入氣液分離器，分離后的低溫低壓蒸汽進入壓縮機進行機械壓縮，得到高溫高壓的高品質(zhì)蒸汽。在此過程中，蒸汽的溫度、壓強、熱焓都有大幅度提高。

若離心壓縮機在運行時，系統(tǒng)沒有能量損失、壓縮過程在極短的時間內(nèi)完成且與外界不進行熱量交換。此時可以將壓縮過程看成絕熱等熵壓縮（圖2 中3→4 階段）。滿足［9］：

式中：

P—— 氣體壓強，kPa；

V—— 氣體體積，m3；

環(huán)境溫度對礦化垃圾反應(yīng)床穩(wěn)態(tài)運行性能具有較大影響，主要表現(xiàn)在影響污染物去除性能及床體水力滲透性能2個方面。

CP1—— 進氣口蒸汽的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；

Cv1—— 進氣口蒸汽的比定容熱容，kJ／（kg·K）。

而離心壓縮機實際壓縮過程中，會有部分能量損失，且水蒸汽在壓縮過程中多個參數(shù)同時變化，一般看成是多變壓縮過程。由于離心壓縮機在高速運轉(zhuǎn)時，機內(nèi)損失的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，氣體的溫度會升高，焓值也隨之增大（圖2中3→4′階段）。但此時仍然滿足一定的關(guān)系：

式中：

m—— 多變指數(shù)。

多變效率ηpol 是機器本身性能參數(shù)的一個指標，一般合格的離心壓縮機的多變效率ηpol 范圍在0．70～0．84［10］。當忽略水蒸汽的動壓頭變化時，則有可以通過此關(guān)系式求出多變指數(shù)m。

通過蒸汽的狀態(tài)變化，可以得到多變過程的壓縮功率為

Ts—— 吸氣溫度，K；

PS—— 吸氣壓強，kPa；

Pd—— 排氣壓強，kPa；

Rw—— 水蒸汽氣體常數(shù)，J／（kg·℃）。

若蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力（每小時蒸發(fā)水的質(zhì)量）為qms，吸入蒸汽的密度為ρ1，則吸入氣體的體積流量，設(shè)離心壓縮機的機械效率為ηm，電動機的效率為ηeL，在特定的壓縮比下，電動機總消耗的功率為

（4）4→7階段：在狀態(tài)4點，蒸汽處于過熱狀態(tài)，在一定的壓縮比ε下，由公式可得到過熱蒸汽的溫度Td，由查表或者相關(guān)軟件可知，此時蒸汽的比焓值h4。之后蒸汽在等壓（P2＝Pd）條件下不斷冷凝放熱，狀態(tài)變化依次為飽和干蒸汽（點5），飽和濕蒸汽（點6），最終變成冷凝液（點7）。設(shè)蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱溫差為Δt，則有冷凝溫度為TC＝td＋Δt，對應(yīng)的冷凝液比焓值為h7。

所以在整個系統(tǒng)的工況，過熱蒸汽在蒸發(fā)器里冷卻至冷凝液過程中所放出的總熱量為Q0＝qms（h4－h(huán)7）。若考慮系統(tǒng)因散熱引起的能量損失，則Q有效＝Q0·γ，其中γ 為散熱系數(shù)。

為了能反應(yīng)MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能效果，工業(yè)上常常把能效比Cop 作為節(jié)能的衡量標準，其中：

3 MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)的性能研究與分析

梁林等［11］以VC溶液為試驗工藝的載體在MVR 蒸發(fā)體系中進行蒸發(fā)濃縮。研究了二次蒸汽流量與進料溫度和進料量之間的關(guān)系，以及壓縮機功率與進料溫度之間的關(guān)系。得出蒸發(fā)量與進料溫度基本呈線性增加關(guān)系，主要是因為進料溫度越高，所攜帶的能量就多，越易相變產(chǎn)生更多的二次蒸汽。在一定范圍內(nèi)，蒸發(fā)量隨著進料量的增大而增大，當進料量繼續(xù)增大時，蒸發(fā)量基本不變。主要是因為在降膜式蒸發(fā)管中，液膜的厚度是受到一定的限制，過多的進料量并不能提高有效液膜厚度，因此蒸發(fā)量難以提高。壓縮機消耗的功率隨著進料溫度的增大而呈現(xiàn)減少趨勢，由能量平衡可知，物料進入蒸發(fā)器時攜帶的能量越多，需要壓縮機提高能量差就越少［12］。

由文獻［13］知，當蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱溫差較小時，COP 值較大，隨著溫差的增大，COP值先迅速減少再趨于平穩(wěn)，可知MVR系統(tǒng)應(yīng)該在較小的溫差下進行操作，黃成等［5］也指出最適有效傳熱溫差應(yīng)該在5～8 ℃，加上操作過程的溫差損失，溫差控制在20 ℃左右較合適。

袁衛(wèi)星等［14］分別對等熵壓縮和飽和多變壓縮過程的COP值進行了計算分析，得出飽和多變過程的COP 值明顯高于絕熱壓縮值，其主要原因是在飽和壓縮過程中產(chǎn)生的熱量全部被流體帶走了。但飽和多變壓縮在離心式壓縮機中難以實現(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)的離心機葉輪在含水的氣流中容易疲勞斷裂［15］。

王海澍等［16］通過在傳統(tǒng)5效蒸發(fā)器第三效的單元設(shè)備上附加了蒸汽熱泵回收裝置，回收了部分的二次蒸汽。由試驗數(shù)據(jù)繪制了一條在不同壓縮比下，壓縮功率隨入口壓力的關(guān)系式，得出壓縮機的最適壓比為2～3。壓縮比過大時，壓縮蒸汽的過熱度較大，不僅對機器的材料和密封性能提出了要求，同時為了消除過熱，在蒸汽飽和器中，產(chǎn)生較多的副產(chǎn)蒸汽，蒸汽系統(tǒng)難以維持平衡，在經(jīng)濟效益也是欠佳的。

趙博［17］假設(shè)在充分換熱條件下，以壓縮比為變量條件，分別研究了進料溫度、電動機功率、換熱量以及能效比與壓縮比之間的關(guān)系。當不改變其他條件時，進料溫度隨壓縮比的增大而減少，這可以從進出蒸汽器的能量守恒得以解釋。因為壓力比的增大需要壓縮機做功增大，則二次蒸汽攜帶更多的能量進入蒸汽器，所以進料的能量相應(yīng)的減少了。當壓縮比不變時，進料溫度隨吸氣壓力的增大而增大，因為吸氣壓力的增大，意味著蒸汽的飽和溫度也增大了，所以溶液的沸點升高，在飽和進料條件下，進料的溫度是增加的。

電機功率也是隨著壓縮比的增大而增大的。這是因為壓縮比的增大，意味著需要消耗更多的電功率使二次蒸汽獲得較高的能量。同時壓縮比增大時，換熱量先稍有減少后緩慢增大。因為當進氣壓力不變且壓縮比增大時，壓縮后蒸汽的壓強增大。又因為在蒸發(fā)溫差不變的條件下，冷凝液的熱焓值不變，因此換熱量主要由排氣的焓值決定。而由蒸汽的壓焓圖［10］可知，熱焓隨壓強的增大也是先增大后減少的，故換熱量也有相同的趨勢。又因為能效比COP 反應(yīng)的是換熱量與壓縮機耗能的比值，所以能效比隨壓縮比的增加先是迅速減少然后趨于平衡，且能效比不隨吸氣壓力的變化而變化。

由以上分析可知：對于MVR 蒸發(fā)體系來說，物料應(yīng)選擇飽和進料，蒸汽通過壓縮機時，壓縮比應(yīng)該控制在2～3，同時需要消除蒸汽的過熱。在蒸發(fā)器里應(yīng)該控制合理的傳熱溫差，確保有效溫差在5～8 ℃時較好。由于蒸發(fā)能力與具體的設(shè)備和控制條件都有關(guān)系，因此，根據(jù)工藝要求的不同，可以控制不同的真空度以及選擇合適的蒸發(fā)面積。

4 結(jié)論與展望

MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)是目前世界上最節(jié)能的蒸發(fā)濃縮單元，由目前國際的能源價格的走勢來看，僅依靠少許電能的MVR蒸發(fā)設(shè)備將會在市場中占有重要的位置。同時離心式壓縮機和降膜式蒸發(fā)器的組合使用也將是MVR 在工業(yè)上應(yīng)用的主流趨勢。當離心壓縮機配有調(diào)頻電機時，若要改變蒸汽的壓縮比，只需要調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速。

二次蒸汽在壓縮過程中參數(shù)的變化是耦合在一起的，對于離心式壓縮機來說，葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定了壓縮機的性能好壞，進而影響了壓縮蒸汽的品質(zhì)。因而對葉輪的優(yōu)化設(shè)計需要繼續(xù)深入研究［18，19］。二次蒸汽在進入壓縮機之前往往會有少量的液體帶入，即使是極少的液體也會對高速旋轉(zhuǎn)的離心機葉片產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致長時間工作的葉片腐蝕斷裂等［20］。因此在二次蒸汽進入離心壓縮機前安裝高效的氣液分離設(shè)備也是十分重要的。同時由于離心壓縮機對液滴非常敏感，難以實現(xiàn)飽和壓縮過程，二次蒸汽壓縮后往往處于過熱狀態(tài)，壓縮比越大，過熱度越大。而過熱的蒸汽不僅對設(shè)備有損害且在蒸發(fā)器中的傳熱效果不好。因此，在壓縮后的蒸汽進入管道前，能夠合理的設(shè)計出蒸汽飽和器以便消除蒸汽的過熱，對整個MVR 系統(tǒng)的優(yōu)化也是很有必要的。

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