機械蒸汽再壓縮與多效蒸發火用耗對比

李方天 ，李 林，劉金勇

(1.山東鴻運工程設計有限公司，山東 濟南 250100；2.山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250100)

蒸發操作廣泛應用于化工、制藥、食品、深冷、海水淡化、污水處理等工業中。現在主要采用的蒸發技術是多效蒸發技術和蒸汽機械再壓縮技術這兩種技術。

多效蒸發是利用前效蒸發產生的二次蒸汽，作為后效蒸發器的熱源，以利用其冷凝熱。這樣僅第一效需要消耗生蒸汽，末效的二次蒸汽需要循環冷卻水冷凝。

蒸汽機械再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)是將蒸發產生的二次蒸汽，經壓縮機壓縮后，提高其壓力和飽和溫度，增加了熱焓，再送入加熱室作為熱源，以達到循環利用二次蒸汽已有的熱能，從而不需要外部生蒸汽。

多效蒸發和蒸汽機械再壓縮常進行能效比較，本文就是以蒸發1噸水為例，從火用上進行了比較。

1 多效蒸發的生蒸汽消耗

根據熱力學第二定律，一種形式的能量并不總是可以完全轉換為功。從這一角度出發，可以把能量看成由兩個部分組成：可轉換的部分與不可轉換的部分，可轉換為功的部分就稱為火用。根據GB/T 14909-2005《能量系統火用分析技術導則》規定，火用的基準態溫度為298.15K (25℃) ，基準態壓力為0.1M Pa(1bar)。依據熱力性質圖表，水在該狀態下的sw0=0.31kj/kg.K(即0.0741kcal/kg.℃),焓hw0=84.24kj/kg(即20.125kcal/kg)。可根據Ex=(hx-hw0)-T0(sx-sw0)來計算不同狀態下蒸汽的火用值。

常用于多效蒸發的蒸汽為溫度為100～120℃的飽和蒸汽，對應的壓力為0.1～0.2MPa。多效蒸發以四效為例，考慮實際上存在的各種溫度差損失和熱損失，蒸發1t水大約需要消耗0.3t蒸汽。則四效蒸發的生蒸汽消耗如表1。

表1 不同溫度下的飽和蒸汽的焓值和火用值

如果溶液的沸點升較低，那么可選用的飽和蒸汽壓力或溫度就可較低，或者可使換熱溫差較大，從而減少換熱面積。

2 機械蒸汽再壓縮的壓縮機電耗

壓縮機的做功提高蒸汽的品質，要克服溶液的沸點升，并能對溶液溫度有有效的傳熱溫差以及各種熱損失等。當溶液的沸點升越高，壓縮機的溫升就越高。對于同一體系的MVR系統，有效換熱溫差取值越大，相應的換熱器面積就可越小，但這就使壓縮機出口溫度增大；反之有效換熱溫差取值越小，壓縮機出口溫度可減小，相應的換熱器面積就可越大。這樣，MVR系統的有效換熱溫差必然有個合理的取值。

為統一比較，設定溶液溫度為94℃，壓縮機出口飽和溫度為102℃，此時的壓縮后蒸汽飽和壓力為108.8kPaG。壓縮機的功率可用下式進行計算：

其中n為絕熱指數，取1.3，壓縮機的效率η值在0.7～0.9之間，本文中取η=0.7。

表2 不同沸點升下機械蒸汽再壓縮的壓縮機功率計算

不同沸點升下機械蒸汽再壓縮的壓縮機功率計算結果見表2， 可見，當溶液沸點升越高，壓縮機的功率就越大。

3 MVR壓縮機功率與四效蒸發蒸汽火用值對比

對四效蒸發，溶液沸點升與選用的飽和蒸汽有一定的對應關系：當溶液沸點升0℃時，選用100℃的飽和蒸汽；當溶液沸點升12℃時，選用120℃的飽和蒸汽。這樣在某一沸點升的MVR壓縮機功率和四效蒸發蒸汽火用值就可以比較了, MVR壓縮機功率與四效蒸發蒸汽火用值對比見表3、圖1。

表3 MVR壓縮機功率與四效蒸發蒸汽火用值對比

沸點升幅/℃

雖然MVR蒸發和四效蒸發還有循環泵、進出料泵等能量消耗，但是在兩種蒸發工藝中都相對消耗不大，且兩種蒸發工藝消耗量也差不多，故僅比較MVR壓縮機功率和四效蒸發蒸汽火用值可以對比兩種蒸發工藝。

4 對比結論

(1)在沸點升較低(小于10℃時)，MVR壓縮機功率較四效蒸發蒸汽火用值具有明顯的優勢，估在蒸發沸點升較低的溶液時，機械蒸汽再壓縮工藝有優勢，比如硫酸鈉溶液蒸發等。

(2)在沸點升較高(在10℃左右時)，MVR壓縮機功率較四效蒸發蒸汽火用值差不多，而所謂的MVR節能主要體現節約在焓值上，同時蒸汽價格主要是熱能，機械蒸汽再壓縮工藝有運行的價格優勢。

(3)從火用的角度，MVR的蒸發優勢體現在沸點升小于10℃的物料蒸發工藝。

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