機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)的性能研究進(jìn)展

顧承真 顏 旭 張志強(qiáng) 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?gòu)U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(wú)論是從節(jié)約能源還是從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)說(shuō)，高效節(jié)能的蒸發(fā)設(shè)備對(duì)工業(yè)生產(chǎn)上的意義變得非常重要。多效蒸發(fā)和機(jī)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(dá)到一定的節(jié)能效果。而機(jī)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(shí)MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)還有操作簡(jiǎn)單，低溫蒸發(fā)，占地面積小，無(wú)需冷卻系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)［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(diǎn)項(xiàng)目，不久的將來(lái)MVR 蒸發(fā)器必將在中國(guó)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(jī)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(jī)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(jī)主要是羅茨壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)。但離心式壓縮機(jī)與羅茨壓縮機(jī)相比有流量大、噪音小、運(yùn)行成本低、沒有串油及漏氣的顧慮等優(yōu)點(diǎn)［6］。離心式壓縮機(jī)將會(huì)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(jìn)行低溫操作，可濃縮高黏度物料，物料在管內(nèi)停留時(shí)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(guó)的應(yīng)用日趨成熟［7］。文章以離心壓縮機(jī)和降膜式蒸發(fā)器為MVR 的載體，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和工藝流程說(shuō)明。

如圖1所示，原料經(jīng)過(guò)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(jìn)料，在蒸發(fā)器內(nèi)充分蒸發(fā)后，得到的氣液混合物進(jìn)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(jìn)入離心壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。壓縮后的蒸汽溫度，壓強(qiáng)升高，熱焓增大，高品位的蒸汽通過(guò)管道進(jìn)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(shí)管程內(nèi)的料液吸收熱量，沸騰汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，進(jìn)入上述循環(huán)過(guò)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(gè)過(guò)程中只需要初次補(bǔ)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(jì)算

焓熵圖可以清楚的反應(yīng)MVR 系統(tǒng)中蒸汽的熱力過(guò)程［8］。圖2為水蒸汽焓熵圖，可以用來(lái)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(jìn)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(jìn)料也是實(shí)現(xiàn)MVR 連續(xù)作業(yè)且無(wú)需補(bǔ)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(jìn)行換熱升溫。

（2）2→3階段：物料在此階段屬于蒸發(fā)過(guò)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(jìn)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(jìn)入氣液分離器，分離后的低溫低壓蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行機(jī)械壓縮，得到高溫高壓的高品質(zhì)蒸汽。在此過(guò)程中，蒸汽的溫度、壓強(qiáng)、熱焓都有大幅度提高。

若離心壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)沒有能量損失、壓縮過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)完成且與外界不進(jìn)行熱量交換。此時(shí)可以將壓縮過(guò)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(qiáng)，kPa；

V—— 氣體體積，m3；

環(huán)境溫度對(duì)礦化垃圾反應(yīng)床穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(gè)方面。

CP1—— 進(jìn)氣口蒸汽的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；

Cv1—— 進(jìn)氣口蒸汽的比定容熱容，kJ／（kg·K）。

而離心壓縮機(jī)實(shí)際壓縮過(guò)程中，會(huì)有部分能量損失，且水蒸汽在壓縮過(guò)程中多個(gè)參數(shù)同時(shí)變化，一般看成是多變壓縮過(guò)程。由于離心壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)內(nèi)損失的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，氣體的溫度會(huì)升高，焓值也隨之增大（圖2中3→4′階段）。但此時(shí)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(jī)器本身性能參數(shù)的一個(gè)指標(biāo)，一般合格的離心壓縮機(jī)的多變效率ηpol 范圍在0．70～0．84［10］。當(dāng)忽略水蒸汽的動(dòng)壓頭變化時(shí)，則有可以通過(guò)此關(guān)系式求出多變指數(shù)m。

通過(guò)蒸汽的狀態(tài)變化，可以得到多變過(guò)程的壓縮功率為

Ts—— 吸氣溫度，K；

PS—— 吸氣壓強(qiáng)，kPa；

Pd—— 排氣壓強(qiáng)，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(shí)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(jī)的機(jī)械效率為ηm，電動(dòng)機(jī)的效率為ηeL，在特定的壓縮比下，電動(dòng)機(jī)總消耗的功率為

（4）4→7階段：在狀態(tài)4點(diǎn)，蒸汽處于過(guò)熱狀態(tài)，在一定的壓縮比ε下，由公式可得到過(guò)熱蒸汽的溫度Td，由查表或者相關(guān)軟件可知，此時(shí)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(diǎn)5），飽和濕蒸汽（點(diǎn)6），最終變成冷凝液（點(diǎn)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(duì)應(yīng)的冷凝液比焓值為h7。

所以在整個(gè)系統(tǒng)的工況，過(guò)熱蒸汽在蒸發(fā)器里冷卻至冷凝液過(guò)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(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)工藝的載體在MVR 蒸發(fā)體系中進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。研究了二次蒸汽流量與進(jìn)料溫度和進(jìn)料量之間的關(guān)系，以及壓縮機(jī)功率與進(jìn)料溫度之間的關(guān)系。得出蒸發(fā)量與進(jìn)料溫度基本呈線性增加關(guān)系，主要是因?yàn)檫M(jìn)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(jìn)料量的增大而增大，當(dāng)進(jìn)料量繼續(xù)增大時(shí)，蒸發(fā)量基本不變。主要是因?yàn)樵诮的な秸舭l(fā)管中，液膜的厚度是受到一定的限制，過(guò)多的進(jìn)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(jī)消耗的功率隨著進(jìn)料溫度的增大而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，由能量平衡可知，物料進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)攜帶的能量越多，需要壓縮機(jī)提高能量差就越少［12］。

由文獻(xiàn)［13］知，當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱溫差較小時(shí)，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(jìn)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(guò)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(duì)等熵壓縮和飽和多變壓縮過(guò)程的COP值進(jìn)行了計(jì)算分析，得出飽和多變過(guò)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(guò)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(jī)中難以實(shí)現(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)葉輪在含水的氣流中容易疲勞斷裂［15］。

王海澍等［16］通過(guò)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(yàn)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(jī)的最適壓比為2～3。壓縮比過(guò)大時(shí)，壓縮蒸汽的過(guò)熱度較大，不僅對(duì)機(jī)器的材料和密封性能提出了要求，同時(shí)為了消除過(guò)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(jì)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(jìn)料溫度、電動(dòng)機(jī)功率、換熱量以及能效比與壓縮比之間的關(guān)系。當(dāng)不改變其他條件時(shí)，進(jìn)料溫度隨壓縮比的增大而減少，這可以從進(jìn)出蒸汽器的能量守恒得以解釋。因?yàn)閴毫Ρ鹊脑龃笮枰獕嚎s機(jī)做功增大，則二次蒸汽攜帶更多的能量進(jìn)入蒸汽器，所以進(jìn)料的能量相應(yīng)的減少了。當(dāng)壓縮比不變時(shí)，進(jìn)料溫度隨吸氣壓力的增大而增大，因?yàn)槲鼩鈮毫Φ脑龃螅馕吨羝娘柡蜏囟纫苍龃罅耍匀芤旱姆悬c(diǎn)升高，在飽和進(jìn)料條件下，進(jìn)料的溫度是增加的。

電機(jī)功率也是隨著壓縮比的增大而增大的。這是因?yàn)閴嚎s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(shí)壓縮比增大時(shí)，換熱量先稍有減少后緩慢增大。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣壓力不變且壓縮比增大時(shí)，壓縮后蒸汽的壓強(qiáng)增大。又因?yàn)樵谡舭l(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(qiáng)的增大也是先增大后減少的，故換熱量也有相同的趨勢(shì)。又因?yàn)槟苄П菴OP 反應(yīng)的是換熱量與壓縮機(jī)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(duì)于MVR 蒸發(fā)體系來(lái)說(shuō)，物料應(yīng)選擇飽和進(jìn)料，蒸汽通過(guò)壓縮機(jī)時(shí)，壓縮比應(yīng)該控制在2～3，同時(shí)需要消除蒸汽的過(guò)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(shí)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(guó)際的能源價(jià)格的走勢(shì)來(lái)看，僅依靠少許電能的MVR蒸發(fā)設(shè)備將會(huì)在市場(chǎng)中占有重要的位置。同時(shí)離心式壓縮機(jī)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(shì)。當(dāng)離心壓縮機(jī)配有調(diào)頻電機(jī)時(shí)，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(guò)程中參數(shù)的變化是耦合在一起的，對(duì)于離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了壓縮機(jī)的性能好壞，進(jìn)而影響了壓縮蒸汽的品質(zhì)。因而對(duì)葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要繼續(xù)深入研究［18，19］。二次蒸汽在進(jìn)入壓縮機(jī)之前往往會(huì)有少量的液體帶入，即使是極少的液體也會(huì)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)葉片產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間工作的葉片腐蝕斷裂等［20］。因此在二次蒸汽進(jìn)入離心壓縮機(jī)前安裝高效的氣液分離設(shè)備也是十分重要的。同時(shí)由于離心壓縮機(jī)對(duì)液滴非常敏感，難以實(shí)現(xiàn)飽和壓縮過(guò)程，二次蒸汽壓縮后往往處于過(guò)熱狀態(tài)，壓縮比越大，過(guò)熱度越大。而過(guò)熱的蒸汽不僅對(duì)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(jìn)入管道前，能夠合理的設(shè)計(jì)出蒸汽飽和器以便消除蒸汽的過(guò)熱，對(duì)整個(gè)MVR 系統(tǒng)的優(yōu)化也是很有必要的。

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