蒸發器節能改造的技術研究

陳文鋒

（廣州雙橋股份有限公司，廣東廣州 510280）

0 引言

蒸發廣泛應用于食品、化工、醫藥、生物和環保領域，如牛奶、果汁、鹽、糖、抗生素、氨基酸、廢水的濃縮[1]。由于該過程發生汽化和冷凝等相變化，蒸發過程需要消耗大量的蒸汽用于加熱，裝置設計、操作的優劣在很大程度上取決于裝置的運行能耗。

傳統的節能措施為多效設計，如三效、四效或五效。理論上，單效每蒸發1 t水需要1 t蒸汽，二效需要0.5 t，三效需要0.33 t，以此類推。一效的蒸汽進入冷凝器，用冷卻水冷卻，即汽化潛熱通過冷卻水，最終再通過冷卻塔消耗于大氣中。蒸汽通常由鍋爐產生，由于燃煤造成嚴重的空氣污染，許多地區已要求企業將燃煤鍋爐改成燃氣鍋爐，提高了能源的成本。采用機械蒸汽再壓縮技術[2]（Mechanical Vapor Recompression），利用蒸發器中產生的二次蒸汽，經壓縮機壓縮，壓力、溫度升高，熱焓增加，然后送到蒸發器的加熱室當作加熱蒸汽使用，使料液維持沸騰狀態，而加熱蒸汽本身則冷凝成水，不需要生蒸汽作為熱源。對于類似低沸點的產品，每蒸發1 t水，需要15～18 kW·h。鑒于目前的蒸汽價格（200元/t以上）和電價（0.7元/（kW·h）左右），越來越多的蒸發結晶過程采用機械蒸汽再壓縮技術[3]。

上述技術可以推廣至各個領域的傳統蒸發器改造，節約成本，降低能耗，保護環境。但對于目前正在運行的傳統蒸發器如何改造為機械蒸汽再壓縮加熱以節約能源，由于各種原因尚未受到廣泛關注。本文作者對現有的多臺多效蒸發器進行深入的分析和研究，結合產品特性和蒸發工藝，提出有針對性的系統改造方案，并且成功將一套四效降膜蒸發器改造成以機械蒸汽再壓縮加熱的方式，既節約設備投資，又降低能耗，取得巨大的經濟效益[4]。

1 技術改造

某公司在1997年從美國某公司引進的用于廢水濃縮的四效蒸發器，根據該公司的產品結構調整，后用于葡萄糖的蒸發，但是能耗較高，不利于產品的成本減低。在對原蒸發系統的各項參數，如流程、設備換熱面積等參數研究分析后，將葡萄糖的濃縮條件、所需的蒸發濃度、蒸發量做了詳細的核算，提出將原熱力蒸汽再壓縮加熱（TVR）四效降膜蒸發器改為機械蒸汽再壓縮加熱（MVR）的方案[5]。

該系統由4臺降膜蒸發器、預熱器、冷凝器、真空系統、泵送系統組成。工藝為順流，即產品與加熱蒸汽依次進入I、II、III和IV，各效產品為強制循環。通過數據分析，研究改造思路如下：

（1）根據糖漿的特點[6]，將產品流程由原來的循環流程改為單流程；

（2）調整蒸發器和分離器之間原來的蒸汽管道[7]；

（3）連接所有分離器的蒸汽管道，再與PILLER壓縮機的入口相連；

（4）將PILLER壓縮機出口的蒸汽管分配至原來蒸發器的加熱室[8]；

（5）設計新的控制系統。

1.1 改造前系統流程

（1）產品流程

產品首先進入一進料平衡罐，再由一臺泵送入兩臺板式換熱器預熱后進入一效降膜蒸發器。兩臺預熱器分別利用各效冷凝液的熱量和產品的熱量。產品進入降膜蒸發器的頂部，通過液體分配器進入降膜管，被殼程中的蒸汽加熱，一部分蒸發為蒸汽，液體獲得部分濃縮。被部分濃縮的液體產品通過泵被送入二效再次被濃縮，部分在蒸發器中循環。以此類推，達到最終要求的濃度后用泵送至成品罐。

（2）加熱流程

來自鍋爐的生蒸汽進入一效降膜蒸發器殼程，作為液體產品的加熱熱源，將液體蒸發，蒸汽冷凝成冷凝水。被部分蒸發的蒸汽（二次蒸汽）用作為二效蒸發器的加熱熱源，以此類推。

（3）冷凝流程

最后一效的蒸汽進入冷凝器，用冷卻水冷凝成冷凝水。來自各效蒸發器和冷凝器的冷凝水收集至冷凝水罐，用泵輸送至預熱器作為進料的預熱熱源，充分利用能量。各效的不凝性氣體也進入冷凝器，最終由真空泵抽走，維持系統的真空。

（4）預熱流程

產品用來自冷凝水和成品的熱量預熱，回收熱量。

1.2 改造后系統流程

（1）產品流程

產品首先進入一進料平衡罐，再由一臺泵送入兩臺板式換熱器預熱后進入一效降膜蒸發器。兩臺預熱器分別利用各效冷凝液的熱量和產品的熱量。產品進入降膜蒸發器的頂部，通過液體分配器進入降膜管，被殼程中的蒸汽加熱，一部分蒸發為蒸汽（二次蒸汽），液體獲得部分濃縮。被部分濃縮的液體產品通過泵被送入二效再次被濃縮，部分在蒸發器中循環。以此類推，達到最終要求的濃度后用泵送至成品罐。

（2）加熱流程

各效的二次蒸汽合并，通過一個蒸汽管道與壓縮機的入口相連。經過壓縮機壓縮的二次蒸汽，溫度和壓力提高。壓縮機出口的蒸汽被分配，與各效加熱殼程相連，作為蒸發器的熱源。這樣除了開車過程和很小一部分的密封盒補充，正常運行情況下基本不需要額外的鍋爐蒸汽。

圖1 改造前多效蒸發流程圖

圖2 改造后多效蒸發流程圖

（3）冷凝流程

來自各效蒸發器和冷凝器的冷凝水收集至冷凝水罐，用泵輸送至預熱器作為進料的預熱熱源，充分利用能量。各效的不凝性氣體也進入冷凝器，最終由真空泵抽走，維持系統的真空。

（4）預熱流程

產品用來自冷凝水和成品的熱量預熱，回收熱量。

1.3 TURBINE壓縮機軸功率選型

根據產品特性等，設備的生產能力為41 600 kg/h，蒸汽壓縮機進口溫度為82°C，壓力為51.3 kPa；出口溫度為90°C，出口壓力為70.5 kPa。由等熵壓縮過程得

根據飽和蒸汽表查得：82°C飽和蒸汽對應的焓值為2 647 kj/kg，119.78°C飽和蒸汽對應的焓值為2 706 kj/kg。

則等熵壓縮功為

根據計算結果，選定PILLER公司的TURBINE壓縮機，型號4577 KKXGAE 80800，裝機功率為920 kW。

2 結論

改造前后的工藝數據和成本核算分別如表1、表2所示。系統改造投入約1 000萬元，經過改造系統達到設計的參數，系統操作為全自動操作，在能耗方面蒸發1 t水消耗電約17 kW·h，約為12元/t水，改造前為蒸發1 t水消耗蒸汽約300 kg，約為60元/t水，改造后的系統經過一年多的運行，僅7個月就收回全部投資，為企業節約運行成本，也為節能減排貢獻一份力量。

表1 改造前后的工藝數據

表2 改造前后的成本核算