【文章內(nèi)容簡介】 傳熱性能和系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性，溶液布膜的特性不僅決定了換熱系數(shù)，傳熱機理很大程度上都不盡相同[23]。若換熱管管壁液膜分布不均勻時，蒸發(fā)效率會大幅度降低，同時還會因局部管壁溫度太高出現(xiàn)“干壁”現(xiàn)象。為了強化蒸發(fā)器的傳熱效果，有研究者對已有的降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進行了改進，如閃蒸降膜蒸發(fā)器組合系統(tǒng)[24]。另有研究者對降膜蒸發(fā)器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了大膽的創(chuàng)新設(shè)計，諸如傘板形狀的換熱面，在布液性能上大大得到了提高[25]。 蒸汽壓縮機圖12 壓縮機分類 The classification of pressor壓縮機用在MVR系統(tǒng)中使得對壓縮機出氣口溫度有較高的要求，因此在不同體系中壓縮機的選擇要多加考慮，具體分類如圖12所示[26]。螺桿式壓縮機工作時是由主轉(zhuǎn)子帶動副轉(zhuǎn)子，螺桿面與殼體之間形成分離室內(nèi)。壓縮機內(nèi)蒸汽的壓縮比主要有轉(zhuǎn)子的尺寸和出口偏離的位置決定, Vmin=，Vmax= 22m3/s。羅茨式壓縮機是由兩個或三個凸輪與壓縮機的殼體組成壓縮腔室，凸輪之間的間隙很小，通過對出口壓力的調(diào)控可完成對蒸汽的壓縮。其中Vmin= m3/s，Vmax= 25m3/s。離心風機與離心壓縮機運行原理都是一樣的，蒸汽從軸方向進入葉輪部位，在離心力作用下從葉輪邊沿處流出。其中，離心風機的流量范圍為Vmin =1 m3/s，Vmax= 140m3/s，蒸汽壓縮比可達 ；離心壓縮機的流量處理范圍為Vmin = ，Vmax= 150m3/s，壓力比最大為 [27]。MVR蒸發(fā)技術(shù)得以成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)就是蒸汽壓縮機的設(shè)計，目前廣泛應(yīng)用于MVR蒸發(fā)系統(tǒng)中的壓縮機主要有羅茨壓縮機和離心式壓縮機。離心壓縮機是速度型壓縮機，其主要特征是將壓縮機、飛旋葉輪以及調(diào)頻電機緊密地布置在一起。為了能對蒸汽具有壓縮功能，一般離心機的葉輪較大，轉(zhuǎn)速較快，為了防止葉輪受到強力而受損，離心機葉輪的構(gòu)造材質(zhì)要求很高。有時為了得到較高的蒸汽壓縮比，單級離心壓縮機遠遠不能達到要求，需要布置數(shù)級葉輪串聯(lián)在一起由獨立的葉輪軸連接驅(qū)動。羅茨壓縮機屬于容積式風機，機殼內(nèi)有兩葉或三葉相互吻合的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子間的空隙很小，壓縮機進口為吸入的低溫低壓蒸汽，出口便是壓縮后的高溫高壓蒸汽。羅茨壓縮機的蒸汽處理量與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，與蒸汽出口壓強關(guān)系不大，蒸汽壓縮比相對較高，往往可以得到更高溫度、壓強的壓縮蒸汽。由于機械壓縮做功原因，壓縮蒸汽具有一定的過熱度，不僅不利于換熱而且會使機殼溫度升高，往往在壓縮機進口處注入一定的水分是蒸汽飽和化。羅茨壓縮機和離心壓縮機在工程應(yīng)用中的差別主要體現(xiàn)在：羅茨式壓縮機可以將蒸汽提高很大的壓差，但蒸汽處理量相對離心壓縮機偏小，而且排氣不均勻有氣流脈沖。從技術(shù)角度來說，羅茨壓縮機對葉輪轉(zhuǎn)子的加工精度有較高的要求，要把蒸汽泄露率降到最低，離心壓縮機的運行效果更加穩(wěn)定，耐用程度更高。從設(shè)備的材質(zhì)角度來說，羅茨壓縮機滾動轉(zhuǎn)子之間的縫隙很小，若采用不銹鋼材質(zhì)，容易發(fā)生轉(zhuǎn)子粘合的事故，為了提高轉(zhuǎn)子的耐腐蝕能力，除了對蒸發(fā)工藝中二次蒸汽的純度要求較高，往往需要在碳鋼轉(zhuǎn)子上鍍上鎳鉻等材質(zhì)。而離心壓縮機就可以采用不銹鋼材質(zhì)，增強設(shè)備的耐腐蝕功能，因此在腐蝕度較高的環(huán)境下，離心壓縮機壽命更高。從運行時產(chǎn)生噪音大小的角度來說，在相同蒸汽處理量下，羅茨壓縮機產(chǎn)生的噪音要大很多。從運行成本角度來說，離心壓縮機要比羅茨壓縮機節(jié)能不少，當需要蒸發(fā)一噸水時羅茨壓縮機需要50kw?h機能耗也就30kw?h左右[27, 28]。 氣液分離器氣液分離器的作用是凈化氣相并將凝液收集回收。化工生產(chǎn)過程中按照氣相分離效果好壞分別有超濾分離、絲網(wǎng)分離、旋液式分離以及重力沉降分離等方法。MVR系統(tǒng)需要處理的是蒸汽流，不僅要具有較高的分離效率，同時還不能損失太多能量，一般適用于MVR系統(tǒng)的氣液分離器主要是重力沉降分離器和旋液分離器。重力沉降式分離器結(jié)構(gòu)簡單，主要就是一個空筒，體積偏大。雖然氣液分離的阻力很小但是分離的效率很低，工業(yè)上為了提高氣液的分離效率，需要與絲網(wǎng)捕霧器想結(jié)合來提高設(shè)備的分離效率。實際生產(chǎn)中，過濾絲網(wǎng)應(yīng)根據(jù)不同的工藝條件和分離精度選擇不同的絲網(wǎng)層高和網(wǎng)孔目數(shù)，為了使二次蒸汽順利通過，絲網(wǎng)應(yīng)具有通氣阻液的作用，形成一道捕沫屏障。旋液式氣液分離器是一種依靠離心力作為氣液分離的推動力，其主要結(jié)構(gòu)有旋液進口、圓柱筒體、圓錐收縮口以及排氣管等。分離效率比重力沉降式分離器要高，但分離的效果不太穩(wěn)定，對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更高。孫福江等[29]研究者對分離器設(shè)計了專用的氣液分離裝置于分離器溢流口處，并改變了進氣口結(jié)構(gòu)和排氣管的長度，分離效率有了明顯改善。韓東等[30]研究者在設(shè)計氣液分離器時添加了數(shù)塊3/4型擋板與圓柱形筒體內(nèi)，并提出了雙級分離器的優(yōu)化方案，在第一級排氣口處連接一個二級分離裝置，分離效率也大幅度提高。宋賢良等[31]人將傳統(tǒng)的單向氣流進口改為軸對稱雙進口結(jié)構(gòu)，使得分離器的總分離效率高達97%。 真空泵很多工業(yè)產(chǎn)品特別是生物的蒸發(fā)，需要在一定的真空度下操作完成。抽真空也就是排不凝性氣體的過程，所謂的不凝性氣體就是指在降溫降壓下部分惰性氣體不能冷凝成液體，隨著生產(chǎn)的進行，其存在量越來越多。不凝性氣體的累積不僅對系統(tǒng)內(nèi)的壓力造成不穩(wěn)定，而且不凝性氣體的存在對蒸汽的換熱形成巨大的障礙。真空泵的選擇和設(shè)計也是MVR蒸發(fā)體系中一個重要的環(huán)節(jié)，不僅要排除蒸汽體系中的不凝性氣體，還要維持有一定的真快度，對于蒸發(fā)量較大的工況還可以多臺真空泵聯(lián)合使用，目前工業(yè)上普遍采用水環(huán)真空泵抽真空[32]。 MVR蒸發(fā)技術(shù)國外研究現(xiàn)狀MVR熱泵技術(shù)在1834年就由國外的學(xué)者提出，直到1917年瑞士的SulzerEscherWyss公司初步制造了一個簡單的MVR系統(tǒng)，最終實現(xiàn)實際運行作業(yè)的是由奧地利一家企業(yè)在1925年設(shè)計安裝完成[33, 34]。Narmine H Aly[35]發(fā)表了一篇生產(chǎn)能力為5m3/d的機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)體系的文章，該套裝置采用降膜式蒸發(fā)器和離心式蒸汽壓縮機為主體設(shè)備，%，控制的蒸發(fā)溫度在7092℃之間。實驗結(jié)果的測定值與模擬計算的理論值比較發(fā)現(xiàn)，誤差在允許范圍的8%以內(nèi)。Hikmet S Aybar[36]搭建了一套小型MVR實驗?zāi)Ｐ?，℃，壓縮蒸汽溫度為87℃，，?h/m3。Rubina Babar[37]對蒸發(fā)量為1m3?d1的MVR蒸發(fā)系統(tǒng)進行了范圍調(diào)試，蒸發(fā)溫度最高值可達到103℃。由實驗數(shù)據(jù)可知；壓縮機的功耗隨蒸汽壓縮比的變化而影響較大，蒸發(fā)溫度的變化對壓縮機的功耗影響不大；有效的傳熱溫差增大時，系統(tǒng)的蒸發(fā)水量增加，同時功耗也是越大的；進料溫度對系統(tǒng)的蒸發(fā)影響較大，進料溫度越高，壓縮機消耗的功越低，系統(tǒng)的蒸發(fā)水量隨之降低。MVR蒸發(fā)技術(shù)在許多具體的工業(yè)應(yīng)用中也有所突破，Worek K[38]用MVR技術(shù)處理了來自原油分離過程中的工業(yè)廢水，是用兩臺離心壓縮機并聯(lián)使用，蒸發(fā)器的處理能力高達83m3?h1。Andika[39]等針對特殊的廢水處理研制了一套MVR蒸發(fā)工藝系統(tǒng)，?h1，壓縮機使用離心式壓縮機，將刮膜式蒸發(fā)器作為主體蒸發(fā)器，并將工藝控制在低溫50℃蒸發(fā)，蒸發(fā)每噸水所消耗的能量約20kw，由實測結(jié)果顯示，%。Kim[40]等對冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢水嘗試了MVR蒸發(fā)技術(shù)的處理方案，對于使用MVR蒸發(fā)技術(shù)、多效蒸發(fā)技術(shù)和冷凍法三種技術(shù)處理成本比較發(fā)現(xiàn)，達到相同處理效果時，三種處理辦法的成本約合人民幣分別為91元/m126元/m3和147元/m3。顯然MVR處理廢水的費用最低。Hehal[41]等利用MVR工藝操作的原理應(yīng)用于海水淡化中，比傳統(tǒng)的多效處理海水的方法效率提升了30%。Andersson[42]等人利用MVR裝置濃縮尿素廢液，尿素最終由5%的原液濃縮到了35%，基本達到預(yù)定設(shè)計的回收標準。通過與熱力蒸汽再壓縮之間的差異比較，MVR蒸發(fā)系統(tǒng)雖然一次性投資高，但運行費用很低，而且維護的費用也低。S Hayani Mounir[43]等對MVR濃縮廢液時進行了相關(guān)的熱力學(xué)分析，并得出了蒸發(fā)溫度差與操作成本之間的關(guān)系，諸如飽和蒸汽每升高8℃，運行成本便降低3%，蒸汽處理量減少一倍時，經(jīng)濟成本可降低24%，蒸汽壓縮機效率與經(jīng)濟成本也有一定的關(guān)系，當效率增加23%，總體上的經(jīng)濟運行費用減少8%等。Modla[44]等通過建立溫熵圖并根據(jù)熱力學(xué)額基礎(chǔ)原理提出了能源綜合利用的夾點理論，對工程應(yīng)用中節(jié)能體系的提升有很大的參考意義，減少的大量的能源浪費。Waheed[45]等在解決MVR與精餾塔結(jié)合起來時具體換熱位置的問題上提出了相關(guān)的設(shè)計方法。綜合考量了經(jīng)濟費用、系統(tǒng)溫度、能量利用率以及電力與燃料之間的價格比這幾個因素的關(guān)系，并給出了較詳細的優(yōu)化方案。Alexander[46]在MVR熱泵型精餾塔的工程中具體分析了某種化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計問題，利用相關(guān)的仿真模擬軟件建立了穩(wěn)定模型，模擬結(jié)果顯示MVR熱泵型精餾塔分離效率高于傳統(tǒng)精餾塔效率。 MVR蒸發(fā)技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀20世界70年代初國際石油能源危機，節(jié)約能耗是大勢所趨，MVR作為蒸發(fā)工段的新技術(shù)便迅速得到發(fā)展與推廣。我國在1989年才初次引進過MVR設(shè)備，最終由于各種原因四年后停止了運行。此后我國在MVR技術(shù)的實質(zhì)性研究成果上寥寥無幾，直到近15年，在政府大力推動節(jié)能減排的力度下以及企業(yè)和科研單位的創(chuàng)新研究下，MVR蒸發(fā)技術(shù)在國內(nèi)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局面。梁林等[21, 47]以維生素C溶液為實驗工藝的載體在MVR蒸發(fā)體系中進行蒸發(fā)濃縮。研究了二次蒸汽流量與進料溫度和進料量之間的關(guān)系,以及壓縮機功率與進料溫度之間的關(guān)系，得出蒸發(fā)量與進料溫度基本呈線性增加關(guān)系,蒸發(fā)工藝如圖13所示:圖13MVR技術(shù)用于維C生產(chǎn)工藝 C production process in MVR technology實驗采用羅茨壓縮機作為MVR驅(qū)動動力，（表壓）。測出的實驗值與傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)器在理論上節(jié)能比較發(fā)現(xiàn)：%，與三效蒸發(fā)器相比蒸發(fā)每噸水可以節(jié)省16元。韓東等[48]研究者將MVR蒸發(fā)結(jié)晶體系應(yīng)用于硫酸銨溶液的濃縮，實驗流程如圖14所示：圖14 MVR技術(shù)用于硫酸銨蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng) MVR evaporator for ammonium sulfate crystallization system本套系統(tǒng)設(shè)計的是連續(xù)操作體系，壓縮機是從德國引進的。系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度是78℃，換熱面積約合96m2，為了輔助工程設(shè)計，研究者還開發(fā)了一套專用的模擬計算軟件。該套系統(tǒng)的運行穩(wěn)定而且節(jié)能效果明顯，與四效蒸發(fā)器相比每蒸發(fā)一噸水可節(jié)約54%的標煤。石成君等[49]將水平橫管降膜蒸發(fā)器作為主體蒸發(fā)器應(yīng)用于MVR蒸發(fā)技術(shù)中，并建立了相關(guān)的能量平衡關(guān)系式及數(shù)學(xué)模型，流程如圖15所示，圖15 MVR系統(tǒng)處理高鹽度廢水流程 evaporation process system for highsalinity wastewater 通過對該系統(tǒng)的低壓低溫蒸發(fā)技術(shù)的節(jié)點分析，以及利用數(shù)學(xué)模型將料液的預(yù)熱溫度、傳熱溫度差、進出口料液的濃度等因素進行關(guān)聯(lián)，得出以下相關(guān)結(jié)論：溶液濃度的變化對蒸發(fā)面積影響很大，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)健運行需要放大設(shè)計面積的因子；蒸汽溫度與蒸發(fā)溫度的差值應(yīng)控制在3—7℃，進料溫度應(yīng)保證飽和狀態(tài)或微過熱狀態(tài)；蒸發(fā)溫度綜合考慮下還應(yīng)具實際工藝要求決定。李清方等[50]學(xué)者針對化工油田組分復(fù)雜、污染性強的污染物特點，嘗試了MVR脫鹽處理的技術(shù)方案，處理系統(tǒng)如圖16所示。圖16基于MVR的油田污水淡化處理系統(tǒng) MVRbased oilfield wastewater desalination system 因油田污染物的特殊成分，建立MVR系統(tǒng)首先從工藝流程模擬和數(shù)學(xué)建模上進行了理論分析，通過研究污水溫度、蒸發(fā)溫度以及傳熱溫差等影響系統(tǒng)性能的因素，結(jié)果表明高效傳熱效率的蒸發(fā)器，較高的污染進口溫度以及較高的蒸發(fā)溫度都是有利于系統(tǒng)節(jié)能運行的。陳金增等[51]在海水淡化工藝中使用了MVR蒸發(fā)系統(tǒng)，不僅在運行過程中節(jié)能明顯，還給出了蒸發(fā)過程的數(shù)學(xué)模型，得出了系統(tǒng)蒸發(fā)水量和壓縮機的功耗都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加等相關(guān)線性關(guān)系。張金鴻等[52]研究員對污水廠中反滲透高濃度污水進行了MVR技術(shù)應(yīng)用探索，在中試規(guī)模的體系中，MVR處理的結(jié)果達到標準回用水的標準，同時將濃水進行了減量化處理。王力威[53]等人將單螺桿壓縮機應(yīng)用在了MVR系統(tǒng)中，并對此類型的壓縮機性能較好的分析研究，當系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度在80℃以上，，實際運行過程中單位能耗可蒸發(fā)的水量為20kg/(kw?h)。龐衛(wèi)科[54]研究團隊研制了離心風機驅(qū)動MVR系統(tǒng)的運行，通過理論與試驗相結(jié)合的辦法考察了系統(tǒng)在小流量的處理范圍內(nèi)性能變化，實際運行結(jié)果顯示：蒸發(fā)壓力升高時，機組的蒸發(fā)量和功耗均有不同程度的增加，實際功耗與理論計算的功耗保持一致的變化趨勢。在小流量范圍內(nèi)，該風機型MVR具有一定的可靠性。 MVR蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢與發(fā)展蒸發(fā)工藝作為生物化工行業(yè)重要的操作單元，其工藝設(shè)備一直處在不斷發(fā)展的過程中，其中多效蒸發(fā)器是近幾十年一直普遍應(yīng)用而且技術(shù)較為成熟的設(shè)備。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)是近十幾年內(nèi)興起的新蒸發(fā)工藝，由于設(shè)備材質(zhì)，工程技術(shù)的提高以及能源價格呈現(xiàn)不斷上漲的趨勢，MVR因在節(jié)能減排上具有明顯的優(yōu)勢而廣泛被研究和應(yīng)用。多效蒸發(fā)器從結(jié)構(gòu)上看是將多個單一蒸發(fā)器通過管道依次連接起來使用，工藝原理上是將前一效產(chǎn)生的二次蒸汽作為下一效級的加熱蒸汽，如此反復(fù)利用二次蒸汽。多效蒸發(fā)的特點是隨著效級的增加，操作壓強也是隨之降低的，相應(yīng)的溶液的沸點也依次遞減。在保持多效蒸發(fā)的總溫度不變的前提下，相同蒸發(fā)能力時，效級的增加，總的生蒸汽消耗量便相應(yīng)減少，因此生產(chǎn)成本便隨之降低，達到經(jīng)濟節(jié)能的目的。實際設(shè)計生產(chǎn)過程中，需要將設(shè)備的投資與運行能耗綜合起來考慮，以便選擇最佳的蒸發(fā)效級。一般溫差損失小的，可以做到46效，溫差大的體系可以采用23效，總體來說，工業(yè)應(yīng)用中一般不超過5效[55]。以3效蒸發(fā)器為例，工藝流程如圖17所示。圖17三效蒸發(fā)器流程示意圖 Threeeffect evaporator flow MVR蒸發(fā)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上類似于將單效蒸發(fā)器與壓