基于硫酸鈉廢水蒸發(fā)過程的MVR系統(tǒng)熱力分析*

董守亮，趙 飛

(青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

蒸發(fā)作為傳統(tǒng)的工藝過程，廣泛應(yīng)用于制鹽、乳品干燥、污水處理等行業(yè)中，但傳統(tǒng)蒸發(fā)操作耗能較大，因此過程的節(jié)能降耗是研究人員關(guān)注的焦點[1-3]。機(jī)械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)技術(shù)，簡稱MVR，是一種先進(jìn)的工業(yè)系統(tǒng)二元蒸餾方法，可用于多種溶液的蒸發(fā)[4-6]。相比于傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)，不需要鍋爐提供驅(qū)動蒸汽，減少了生蒸汽和燃煤鍋爐污染物的排放，同時不用對濃縮液進(jìn)行冷卻，相比傳統(tǒng)蒸發(fā)形式省去一臺換熱器，因此可以降低投資運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。由于MVR能循環(huán)使用溶液蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)有很高的能效，隨著電力價格相比于生蒸汽價格的下降趨勢，MVR熱泵將會得到更廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)工藝流程

以處理量960 t/d、質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%硫酸鈉廢水的MVR熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)作為研究對象進(jìn)行分析。MVR熱泵系統(tǒng)的工藝原理見圖1。

圖1 MVR熱泵系統(tǒng)工藝原理圖

原料液0經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后，原料液1進(jìn)入降膜蒸發(fā)器管程，在蒸發(fā)器中受熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的低溫位二次蒸汽2進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)中升溫升壓提高熱焓后的二次蒸汽3進(jìn)入蒸發(fā)器殼程，與原料液1換熱冷凝放熱后，產(chǎn)生的冷凝液6排出蒸發(fā)器，產(chǎn)生的濃縮液4進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱與原料液放熱后排出系統(tǒng)為濃縮液5。該系統(tǒng)由于充分利用了二次蒸汽的潛熱并取消了循環(huán)冷卻水，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

2 系統(tǒng)分析模型

e=h-h0-T0(s-s0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

系統(tǒng)中設(shè)備改進(jìn)的潛力定義為符號IP，表示為[16]：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，W為設(shè)備的功率，kW。

(12)

(13)

(14)

2.2 熱經(jīng)濟(jì)性分析模型

設(shè)備的成本平衡涉及生產(chǎn)產(chǎn)品的支出率，一般的成本平衡方程為[17]：

(15)

表1 過程單元的成本模型[18]

每個過程單元設(shè)備的年投資成本可由下面的關(guān)系式計算[19]：

(16)

則蒸汽壓縮機(jī)的成本平衡方程為：

(17)

則蒸發(fā)器的成本平衡方程為：

(18)

則預(yù)熱器的成本平衡方程為：

(19)

泵的成本平衡方程為：

(20)

3 分析與討論

表2 MVR系統(tǒng)的性能參數(shù)

表2 MVR系統(tǒng)的性能參數(shù)

設(shè)備號設(shè)備ED/kW利用的能量/kWIP/kWRI/%ηex/%Ⅰ蒸發(fā)器33．6182．716．252．452Ⅱ蒸汽壓縮機(jī)18．458．65．228．772Ⅲ預(yù)熱器9．247．43．414．463Ⅳ進(jìn)料泵1．51．90．52．368Ⅴ冷凝液泵1．41．80．52．267總計64．1292．425．21

對于系統(tǒng)，各單元的熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)計算結(jié)果見表3，這些參量包括燃料成本(CF)，產(chǎn)品成本(CP)，損失成本(CD)，設(shè)備投資成本(ZCI)和操作維護(hù)成本(ZOM)。

表3 MVR系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

4 結(jié) 論

(3) 系統(tǒng)運(yùn)行時各設(shè)備彼此聯(lián)結(jié)影響，因此系統(tǒng)性能的改進(jìn)不可能單臺設(shè)備孤立的實現(xiàn)，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)各設(shè)備的優(yōu)化匹配以實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

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