基于多級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮熱泵的稀N，N-二甲基甲酰胺水溶液蒸餾濃縮工藝

楊德明，陶 磊

（常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164）

工業(yè)技術(shù)

基于多級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮熱泵的稀N，N-二甲基甲酰胺水溶液蒸餾濃縮工藝

楊德明，陶 磊

（常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164）

分析了蒸汽機(jī)械再壓縮（MVR）熱泵蒸餾濃縮工藝的特點(diǎn)和適用工況，以稀N，N-二甲基甲酰胺水溶液的濃縮過程為研究對(duì)象，提出了三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝。采用Aspen Plus化工流程模擬軟件中的嚴(yán)格精餾模塊和壓縮機(jī)模塊，以能耗最低為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝和三效蒸餾濃縮工藝分別進(jìn)行了模擬與優(yōu)化，得到了合適的工藝操作參數(shù)。模擬結(jié)果表明，與三效蒸餾濃縮工藝相比，三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝節(jié)能約83.2%，其平均能效比（壓縮機(jī)制熱量與壓縮機(jī)輸入功率的比）為0.834；多級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

稀N，N-二甲基甲酰胺水溶液；蒸汽機(jī)械再壓縮熱泵；三效蒸餾濃縮；節(jié)能；Aspen Plus軟件

機(jī)械蒸汽再壓縮 （MVR）的基本原理是將過程產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，把電能轉(zhuǎn)化為熱能，提高二次蒸汽的溫度、壓力和熱焓，再進(jìn)入換熱器冷凝以充分利用蒸汽的潛熱，達(dá)到大幅節(jié)能的目的［1-4］。MVR作為一種節(jié)能效果尤為明顯的工藝，已在海水脫鹽和物料濃縮方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用［5-9］。

目前N，N-二甲基甲酰胺（DMF）的回收大多采用吸附分離、多塔蒸餾等節(jié)能方法［10-13］。吸附分離法往往使DMF達(dá)不到較高的濃度，而多效蒸餾過程也需使用蒸汽，因此節(jié)能效果也不是很明顯。鑒于MVR熱泵的節(jié)能特點(diǎn)，有必要對(duì)稀DMF水溶液的蒸餾濃縮工藝進(jìn)行模擬研究。

本工作針對(duì)稀DMF水溶液的濃縮過程，提出了三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝，采用Aspen Plus化工流程模擬軟件進(jìn)行模擬，并與三效蒸餾濃縮工藝進(jìn)行了比較。

1 MVR熱泵蒸餾濃縮工藝

1.1 MVR熱泵蒸餾濃縮工藝分析

MVR熱泵蒸餾濃縮示意見圖1。圖1中的T為壓縮機(jī)出口壓力下對(duì)應(yīng)的蒸汽飽和溫度（即蒸汽冷凝溫度），t為被加熱物料的汽化溫度，wDMF為濃縮液中DMF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。則塔底換熱傳熱溫差為Δt=T-t，壓縮比為p2/p1。MVR熱泵濃縮工藝一般要求Δt為10～15 ℃。若Δt太小，所需的換熱面積就會(huì)過大，設(shè)備投資隨之加大；反之若Δt太大，壓縮機(jī)的功耗就會(huì)大幅度增加，操作費(fèi)用也會(huì)隨之加大，而且客觀上蒸氣壓縮機(jī)的p2/p1一般不會(huì)超過2。因此，Δt為10～15 ℃是最為經(jīng)濟(jì)的。

圖1 MVR熱泵蒸餾濃縮的示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical vapor recompression(MVR) heat pump distillation concentration.

對(duì)于稀DMF水溶液的濃縮，若采用單級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝，由于以上Δt條件的制約，往往達(dá)不到要求的濃縮程度。為此提出了多級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝，而多級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的級(jí)數(shù)必然也會(huì)受Δt的限制。這是因?yàn)殡S濃縮級(jí)數(shù)的增加，物料濃縮的程度提高，導(dǎo)致物料的汽化溫度升高，這就要求壓縮機(jī)出口的蒸汽溫度也要相應(yīng)地提高，而壓縮機(jī)出口溫度的提高必然要求p2/p1增大。但由于蒸汽壓縮機(jī)的p2/p1一般不會(huì)超過2，所以壓縮機(jī)出口的蒸汽溫度必然會(huì)受到限制。因此，MVR熱泵濃縮工藝的級(jí)數(shù)與物料的濃縮程度以及操作壓力等參數(shù)有關(guān)。以下通過模擬計(jì)算確定稀DMF水溶液MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的級(jí)數(shù)。

假定稀DMF水溶液的處理量為5 000 kg/h，其中MDF的含量為10%（w），要求濃縮至約50%（w），并規(guī)定蒸出的廢水中DMF含量不大于200×10-6（w）。考慮到DMF在高溫下容易分解，因此濃縮過程需在常壓或負(fù)壓下進(jìn)行。

利用Aspen Plus化工流程模擬軟件模擬得到不同操作壓力條件下Δt與wDMF之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可見，當(dāng)規(guī)定p2/p1=1.8～2.0時(shí)，隨料液中DMF含量的增加，即便是采用比較低的操作壓力，其Δt下降也很快。當(dāng)wDMF≥50%后，Δt已低于10 ℃，此時(shí)再采用MVR熱泵工藝，設(shè)備投資就會(huì)大幅度提高，已失去了該工藝的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

模擬結(jié)果表明，若采用三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝，從稀DMF水溶液濃縮的工藝要求以及MVR熱泵技術(shù)本身的適用條件兩方面均能得到滿足。因次采用三級(jí)MVR熱泵蒸餾工藝對(duì)稀DMF水溶液進(jìn)行濃縮。

表1 Δt與wDMF 之間的關(guān)系Table 1 Relationship between Δt and wDMF

1.2 三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝流程

稀DMF水溶液三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的流程見圖2。

圖2 稀DMF水溶液三級(jí)MVR蒸餾濃縮工藝的流程Fig.2 Schematic diagram of triple-stage MVR heat pump distillation concentration of dilute DMF aqueous solution.

料液（稀DMF水溶液）進(jìn)入一級(jí)脫水塔T1塔底，在壓縮蒸汽的加熱下受熱汽化，塔頂蒸汽進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)C1壓縮后，與塔底物料進(jìn)行換熱，釋放潛熱冷凝成飽和液體，小部分回流入塔，大部分作為廢水排出。一級(jí)脫水塔T1塔底物料進(jìn)入二級(jí)脫水塔T2，依次類推，最后在三級(jí)脫水塔T3塔底得到濃縮液（提濃后的DMF水溶液）。為控制蒸出的廢水中DMF的含量，每級(jí)濃縮塔內(nèi)均裝填一定高度的填料，以保證蒸出的廢水中DMF的含量不大于200×10-6（w）。

1.3 三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝模擬

選用Aspen Plus化工流程模擬軟件中的嚴(yán)格精餾模塊和壓縮機(jī)模塊分別模擬脫水塔和蒸汽壓縮機(jī)，采用NRTL方程計(jì)算汽液相平衡數(shù)據(jù)，以能耗最低為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)表1的結(jié)果，規(guī)定三級(jí)脫水塔塔底出料中DMF的含量（w）分別為14.29%，24.98%，49.98%；操作壓力分別為101.3，50.0，25.0 kPa，在此條件下的模擬結(jié)果見表2。由于考慮了脫水塔填料層的壓降，每級(jí)脫水塔塔底的實(shí)際壓力比塔頂壓力略高，因而導(dǎo)致?lián)p失了一定的Δt，表2中的Δt即為有效Δt。

表2 三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of the triple-stage MVR heat pump distillation concentration

MVR熱泵系統(tǒng)的能效比（COP）定義為壓縮機(jī)制熱量與壓縮機(jī)輸入功率的比，三級(jí)MVP熱泵的平均COP為0.834。由表2還可看出，隨操作壓力和溫度的降低，COP隨之減小，這是因?yàn)樵诘蛪汗r下，蒸汽的體積增大，勢(shì)必要提高p2/p1，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗加大。因此在低壓和低溫工況下，不適合采用MVR熱泵蒸餾濃縮工藝。

由于MVR熱泵蒸餾濃縮工藝沒有用到外供的加熱蒸汽（系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)除外）和冷卻水，因而總的操作費(fèi)用僅為壓縮機(jī)的功耗。壓縮機(jī)總的功耗為307.9 kW，則處理每噸稀DMF水溶液的能耗約為61.6 kW·h。按每噸標(biāo)煤折合2 500 kW·h電計(jì)算，則三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮蒸發(fā)每噸水相當(dāng)于消耗標(biāo)煤分別約28.6，30.6，33.9 kg，蒸發(fā)每噸水平均能耗約為31.0 kg標(biāo)煤。MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)非常明顯。

2 三效蒸餾濃縮工藝模擬

2.1 三效蒸餾濃縮工藝模擬

為進(jìn)一步考察MVR熱泵蒸餾濃縮工藝的節(jié)能效果，采用三效蒸餾濃縮工藝進(jìn)行比較。三效蒸餾濃縮工藝的流程見圖3。一效脫水塔T1塔底用界外蒸汽加熱，二效脫水塔T2塔底用一效脫水塔T1塔塔頂蒸汽加熱，依次類推，最后在三效脫水塔T3塔底得到DMF濃縮液。

由于三效蒸餾濃縮工藝的能量平衡主要取決于第一效的蒸發(fā)量，所以若第一效的蒸發(fā)量增加（即回流比加大），則二效和三效的回流比同樣會(huì)增大，分離效果會(huì)變好，但能耗也會(huì)隨之增加。規(guī)定三效脫水塔的操作壓力分別為101.3，50.0，25.0 kPa，在滿足稀DMF水溶液濃縮要求的前提下，進(jìn)行優(yōu)化模擬，模擬結(jié)果見表3。表3中的Δt即為相鄰兩塔前面一塔的塔頂溫度與后面一塔的塔底溫度之差。三效濃縮工藝的操作費(fèi)用即為一效脫水塔塔底蒸汽費(fèi)用和三效脫水塔的塔頂冷卻水費(fèi)用。

表3 三效蒸餾濃縮工藝的模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of the triple effect distillation concentration

圖3 三效蒸餾濃縮工藝的流程Fig.3 Schematic diagram of triple effect distillation concentration.

由表3可見，一效脫水塔塔底熱負(fù)荷為1 843.7 kW，則處理每噸稀DMF水溶液的能耗約為369 kW·h，折合成標(biāo)煤，蒸發(fā)每噸水消耗標(biāo)煤約為184.1 kg。此能耗尚未計(jì)入冷卻水的消耗。

2.2 討論

MVR蒸餾工藝非常適合于塔頂和塔底溫差相差不大的場(chǎng)合，這樣才可以通過壓縮塔頂蒸汽，提高其熱焓用于塔底的供熱，以達(dá)到大幅度節(jié)能的目的。由于蒸汽的熱焓比較大，因此MVR蒸餾工藝對(duì)于塔頂汽相為蒸汽的工藝尤其適合采用。通過計(jì)算可知，與三效蒸餾工藝相比，一方面由于MVR蒸餾工藝本身的節(jié)能特點(diǎn)，另外一方面由于MVR蒸餾工藝不需要任何冷卻介質(zhì)，因而操作費(fèi)用大幅降低。但由于目前蒸汽壓縮機(jī)的造價(jià)比較昂貴，因此設(shè)備投資較大。

對(duì)于類似稀水溶液的濃縮和回收，多級(jí)MVR熱泵工藝是一條可行的新型節(jié)能技術(shù)路線。但鑒于壓縮機(jī)的投資費(fèi)用比較大，需綜合考慮。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)MVR熱泵蒸餾濃縮稀DMF水溶液工藝的分析，結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為采用三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝較為合理經(jīng)濟(jì)。

（2）常壓或近常壓工況條件下，MVR熱泵系統(tǒng)的COP較低壓和低溫工況條件下的COP要高。因此，在比較低的壓力工況條件下，不適合采用MVR熱泵蒸餾濃縮工藝。

（3）采用三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝，蒸發(fā)每噸水平均消耗標(biāo)煤約為31.0 kg；而采用三效蒸餾濃縮工藝，蒸發(fā)每噸水消耗標(biāo)煤約為184.1 kg。相對(duì)于三效蒸餾濃縮工藝，三級(jí)MVR熱泵蒸餾濃縮工藝可節(jié)能約83.2%。

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Distillation Concentration of Dilute Dimethylformamide Aqueous Solution Based on Multi-Stage Mechanical Vapor Recompression Heat Pump

Yang Deming，Tao Lei
（College of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China）

A process for triple-stage mechanical vapor recompression(MVR) heat pump concentration，which was applied to treating dilute dimethylformamide aqueous solution，was presented by the analysis of the characters and working conditions of the MVR heat pump concentration technique. Aimed at the minimum of the energy consumption，the triple-stage MVR heat pump concentration and triple effect concentration were simulated by means of Compr module and Radfrac module of Aspen Plus software，and suitable parameters were obtained. The research results showed that the triple-stage MVR heat pump concentration process could save energy by 83.2% compared with the triple effect concentration，and the average COP(coffi cient of performance) reached 0.834.

dilute dimethylformamide aqueous solution；mechanical vapor recompression heat pump；triple effect distillation concentration；energy-saving；Aspen Plus software

1000 - 8144（2012）11 - 1298 - 04

TQ 028

A

2012 - 05 - 15；［修改稿日期］2012 - 08 - 24。

楊德明（1966—），男，江蘇省蘇州市人，碩士，教授，電話 0519 - 86330255，電郵 dmy216@163.com。

（編輯 李治泉）