机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统性能研究

分类号密级 U D C 编号

机械

再压缩蒸发 系统 的研 究开

发南京工业大 学

硕士学位论文

机械再压缩蒸发系统的研究开发

研究生姓名： 顾承真

导师姓名： 洪教授 申请学位级别： 硕士

一级学科名称： 化学工程与技术 二级学科名称： 生物化工

2015年4月

Research and development of Mechanical Vapor

Recompression system

A ThesisSubmitted to NanjingTechUniversity For the AcademicDegreeofMasterof

Engineering

BY Chengzhen Gu

Supervised by Prof. Housheng Hong

April 2015

学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：

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硕士学位论文

摘要

能源和环境危机是当今世界的难题，能源总量的供不应求严重制约着我国经济的快速发展，国家也一直倡导节能减排的生产方式。其中蒸发浓缩过程是十分耗能的一道生产工序，并广泛应用在印染、造纸、化工、医药和食品等行业。研究设计出一种能耗少、运行费用低和自动化程度高的新蒸发设备具有重要的现实意义。

机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompression，简称MVR）蒸发技术因热量的重复利用和提高能源效率的特点，被认为是当今世界最节能的蒸发方式。其原理是：溶液在蒸发器内受热产生的二次蒸汽经蒸汽压缩机的作用，使蒸汽的温度、压力和热焓增加，重新作为系统的热源使用。物料吸收蒸汽的冷凝潜热并继续产生二次蒸汽，二次蒸汽再次被压缩利用，这样物料持续蒸发，系统只需要消耗压缩机的功耗便可完成蒸发工段。

本文建立了一套充分利用热源的MVR蒸发工艺流程，并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算，同时利用Aspen Plus模拟软件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制，研究了二次蒸汽循环量、补充水的量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。理论上得出的结论有：1.原料进入蒸发器前应先预热至饱和液体或微过热状态。2.二次蒸汽在压缩阶段，压缩比在1.8—2.2时节能效果最佳3. MVR热泵系统蒸发压强应结合具体产品的热敏性，尽可能控制在较低的蒸发压强。4.蒸汽冷凝液在饱和液体下排出较好。

设计了蒸发量为150kg/h的水蒸发体系的MVR实验平台，其中降膜蒸发器的蒸发面积为10m2，选用了功率为18kw的罗茨压缩机作为蒸汽压缩机，同时也设计气液分离器、储罐和管道的大小。实验中以总蒸发水量和单位能耗蒸发水量作为MVR蒸发系统的性能指标，分别研究了进料温度、蒸发压强、压缩机频率对其影响。结果表明：最佳进料温度是蒸发压强下的饱和液体温度;最适蒸发压强与具体系统的蒸发能力和压缩机效率密切有关，在压缩机效率保持较高水平的前提下，适当降低蒸发压强有利于系统的节能；压缩机的频率直接影响系统的蒸发量和压缩机的功耗，在压缩机允许的范围内增大压缩机频率，单位能耗蒸发量

I

第一章 绪论

产时，需求量大应用面广，其生产工艺即可采用蒸发-冷却耦合结晶并最终得到需要的粉末状固体[10]；造纸工业也是一个高能耗、投资大并对环境有严重污染的行业，造纸产生的黑液作为一种工业废水需要蒸发浓缩后回收利用或集中处理

[11]

；从海水中分离出淡水的技术和方法称为海水淡化，海水淡化是解决水资源

匮乏的有效途径并日益受到各国的重视，其中采用低温蒸发是较为广泛采用的方法和手段[12]。很多生物发酵制品在得到纯品前都需要对发酵液进行蒸发浓缩处理，氨基酸的生产过程就是典型的例子，生物制品需要保持一定的生物活性，适当的蒸发方式既可以保持其活性也能将产品浓缩提纯[13]；乳制品的生产工艺同样离不开蒸发操作，从牛乳到奶粉的过程中务必要将其中大部分的水分除去，然后才能喷雾干燥处理。因此在相关的食品行业中，蒸发作为一个重要的单元操作是衔接原料与成品之间有效的处理手段[14]。

在工业生产过程中，完成蒸发工艺主要依靠于蒸发设备。对于不断创新和进步的工业技术，蒸发设备也在不断的发展和完善，而且种类众多，结构差异较大。其分类方法有所不同：（1）按操作分类，分别有单效蒸发器、多效蒸发器、多效多级闪蒸式蒸发器、热泵喷射式蒸发器以及蒸汽压缩式蒸发器等；（2）按操作流程分类，有自然循环式、强制循环式、间歇式以及连续式操作。（3）根据结构上加热部分的不同，可分为管状和非管状蒸发器。（4）按照料液蒸发过程是否成膜，可分为膜式蒸发器和非膜式蒸发器。其中非膜式循环蒸发器的特点料液在蒸发器内部连续往返运动，以强化传热效率，主要缺点是料液的停留时间长，加热温度高，加热室内存留量多，不适应处理对温度敏性的物质。膜式蒸发器是通过特殊的结构使得溶液一次性受热浓缩就可以达到所需的浓度，而且停留时间仅为几秒或十几秒左右，料液蒸发过程中成膜流动传热效果最佳。该膜式蒸发器根据成膜方向的不同又可分为升膜式蒸发器及降膜蒸发器，升膜蒸发器是有单根或多根垂直加热管位于加热室内，经过预热后接近沸点或达到沸点的料液从加热的下部注入管内，在二次蒸汽快速上升带动的作用下，溶液顺着加热管的壁面呈现薄层的液膜状流动并不断的蒸发，当料液到达顶部的分离装置时，就可达到所需的浓缩浓度。降膜蒸发器的成膜原理与升膜蒸发器相似，料液是从蒸发器顶部流入，在重力的作用下溶液随着加热管壁面成膜向下流动并不断的蒸发水分，此类蒸发器对成膜的要求相对较高故需要加工精度较高的液体分布器。降膜蒸发器在处理粘

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度和浓度较大的溶液时效果较好[15-17]。

1.2 MVR蒸发技术的研究现状

在目前能源紧缺的大环境下，国家也一直倡导节能减排、绿色生产的科学发展方式。各种企业和工厂都在需求一种高效节能的生产模式，其中蒸发浓缩阶段作为化工生产过程高耗能的工序之一，蒸发工艺也一直处于不断的探索和升级中。单从蒸汽的利用效率角度，蒸发工况先后经历了单效蒸发技术、多效蒸发技术、蒸汽喷射压缩蒸发技术和机械蒸汽再压缩技术，其中机械蒸汽再压缩技术在行业内简称为MVR热泵技术[18]。近年来我国政府考虑到能源价格问题以及遵循可持续发展的理念，先后在 2007和 2010年将MVR技术列为国家大力鼓励和支持发展的节能环保设备[19, 20]。 1.2.1 MVR蒸发系统简介

MVR蒸发技术是一种既节能又环保的技术，此技术的核心就是充分反复利用蒸发系统内产生的二次蒸汽，进而减少甚至不用外源蒸汽的一种形式。其具体的实施过程就是将蒸发料液吸热沸腾产生的二次蒸汽经过气液分离器的分离和纯化后吸入蒸汽压缩机内（一般压缩的介质是饱和水蒸气），经过压缩机的压缩作用，蒸汽的温度、压力以及热焓均有所提高，变成高品位的蒸汽，此蒸汽又可直接作为加热热源对蒸发溶液加热。压缩蒸汽在加热管道内冷凝成冷凝水并释放大量的冷凝潜热供料液吸热并再次产生新的二次蒸汽，如此一来便可源源不断的循环蒸发，一旦系统稳定运行后，便可撤出外源蒸汽或者只需要补充少量的蒸汽即可。

MVR作为一个蒸发体系，是一个相对封闭的内循环系统。根据蒸发产品的要求不同以及工艺条件多变性，MVR具体的结构和设备组成略有差异，但从MVR运行的原理角度上来说，主要由预热器、蒸发器、气液分离器、蒸汽压缩机、真空泵以及清洗系统等相关附属设备组成，其中蒸汽压缩机和蒸发器是MVR系统的核心组件[21]。 1.2.1.1 预热器

由于MVR系统稳定运行的前提是达到一个能量平衡值，一般溶液在进入蒸发器

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第一章 绪论

前都需要预热。完成预热过程的设备是预热器，其本质就是普通的换热器，可以是板式换热器或列管换热器等。为了最大限度的节省预热能耗，预热的热源可以是高温蒸汽冷凝水、热浓缩液以及部分新鲜蒸汽。一般待浓缩的料液浓度较小且对预热器本身的结构和类型要求不高，可以适当的选择换热系数值相对较高的换热器，从而增大换热效率[22]。 1.2.1.2 蒸发器

目前工业上应用较为成熟的蒸发器的种类很多，有1.循环型：包括悬框式、外加热式、中央循环管式以及强制循环式等。2.单程型：主要有升降膜蒸发器、搅拌薄膜蒸发器和离心薄膜蒸发器等[22]。根据MVR系统运行的特点，可串联到MVR系统的蒸发器应该由蒸发室和加热室组成，其中加热室是向所需加热的料液提供热源的区间，蒸发室内溶液受热沸腾汽化产生的二次蒸汽在气液收集腔内，浓缩液在自身重力作用下沉于蒸发器底部，二次蒸汽便在外力的作用下分离并回收利用。

MVR系统高效节能的特点，需要同样高效率的换热器与之配对。其中降膜蒸发器可进行低温操作，可浓缩高粘度物料，物料在管内停留时间短，适合热敏性物料的蒸发浓缩[21]。目前降膜式蒸发器应用日趋成熟，如图1-1所示[23]。

料液分布器加热蒸汽分离室换热管

图1-1 降膜蒸发器结构原理图

Fig.1-1 Structure diagram of falling film evaporator

降膜蒸发器由换热管、液体分布器以及排气系统等结构组成，原料液从蒸发

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器顶端加入，液体分布器将溶液均匀的分布在各个降膜管的管口处，溶液自然下落成膜片状而且在流动过程中伴随着蒸发。对于降膜蒸发器来说，液体分布器是关键部件，直接影响到溶液的传热性能和系统的操作稳定性，溶液布膜的特性不仅决定了换热系数，传热机理很大程度上都不尽相同[23]。若换热管管壁液膜分布不均匀时，蒸发效率会大幅度降低，同时还会因局部管壁温度太高出现“干壁”现象。为了强化蒸发器的传热效果，有研究者对已有的降膜蒸发器结构进行了改进，如闪蒸-降膜蒸发器组合系统[24]。另有研究者对降膜蒸发器传统结构进行了大胆的创新设计，诸如伞板形状的换热面，在布液性能上大大得到了提高[25]。 1.2.1.3 蒸汽压缩机

图1-2 压缩机分类

Fig.1-2 The classification of compressor

压缩机用在MVR系统中使得对压缩机出气口温度有较高的要求，因此在不同体系中压缩机的选择要多加考虑，具体分类如图1-2所示[26]。

螺杆式压缩机工作时是由主转子带动副转子，螺杆面与壳体之间形成分离室内。压缩机内蒸汽的压缩比主要有转子的尺寸和出口偏离的位置决定,

3??min=0.06m3/s，??max= 22m/s。罗茨式压缩机是由两个或三个凸轮与压缩机的壳

体组成压缩腔室，凸轮之间的间隙很小，通过对出口压力的调控可完成对蒸汽的

3压缩。其中??min=0.05 m3/s，??max= 25m/s。离心风机与离心压缩机运行原理都是

一样的，蒸汽从轴方向进入叶轮部位，在离心力作用下从叶轮边沿处流出。其中，

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第一章 绪论

3

离心风机的流量范围为??min =1 m3/s，??max= 140m/s，蒸汽压缩比可达 1.25倍；3/离心压缩机的流量处理范围为??min = 0.5m3/s，??max= 150ms，压力比最大为

2.5[27]。

MVR蒸发技术得以成熟应用的基础就是蒸汽压缩机的设计，目前广泛应用于MVR蒸发系统中的压缩机主要有罗茨压缩机和离心式压缩机。离心压缩机是速度型压缩机，其主要特征是将压缩机、飞旋叶轮以及调频电机紧密地布置在一起。为了能对蒸汽具有压缩功能，一般离心机的叶轮较大，转速较快，为了防止叶轮受到强力而受损，离心机叶轮的构造材质要求很高。有时为了得到较高的蒸汽压缩比，单级离心压缩机远远不能达到要求，需要布置数级叶轮串联在一起由独立的叶轮轴连接驱动。

罗茨压缩机属于容积式风机，机壳内有两叶或三叶相互吻合的转子，转子间的空隙很小，压缩机进口为吸入的低温低压蒸汽，出口便是压缩后的高温高压蒸汽。罗茨压缩机的蒸汽处理量与转子的转速成正比，与蒸汽出口压强关系不大，蒸汽压缩比相对较高，往往可以得到更高温度、压强的压缩蒸汽。由于机械压缩做功原因，压缩蒸汽具有一定的过热度，不仅不利于换热而且会使机壳温度升高，往往在压缩机进口处注入一定的水分是蒸汽饱和化。

罗茨压缩机和离心压缩机在工程应用中的差别主要体现在：罗茨式压缩机可以将蒸汽提高很大的压差，但蒸汽处理量相对离心压缩机偏小，而且排气不均匀有气流脉冲。从技术角度来说，罗茨压缩机对叶轮转子的加工精度有较高的要求，要把蒸汽泄露率降到最低，离心压缩机的运行效果更加稳定，耐用程度更高。从设备的材质角度来说，罗茨压缩机滚动转子之间的缝隙很小，若采用不锈钢材质，容易发生转子粘合的事故，为了提高转子的耐腐蚀能力，除了对蒸发工艺中二次蒸汽的纯度要求较高，往往需要在碳钢转子上镀上镍铬等材质。而离心压缩机就可以采用不锈钢材质，增强设备的耐腐蚀功能，因此在腐蚀度较高的环境下，离心压缩机寿命更高。从运行时产生噪音大小的角度来说，在相同蒸汽处理量下，罗茨压缩机产生的噪音要大很多。从运行成本角度来说，离心压缩机要比罗茨压缩机节能不少，当需要蒸发一吨水时罗茨压缩机需要50kw?h机能耗也就30kw?h左右[27, 28]。 1.2.1.4 气液分离器

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第二章 MVR蒸发系统分析与模拟计算

的只是少量的机械功W,但此时的高温高品位热源拥有更多可利用的热能，从某种意义上，热泵的使用可节省大量的燃料。

热泵循环在原理上与热机循环刚好相反，热机是靠从高温热源到低温热源之间的能力衰减来产生机械功。若热泵与热机在运行过程中持有的高低温度相同，则热机的热效率?与热泵的供热系数?h存在以下的关系

?h?1?

(2-8)

故此，热泵的供热系数?h总是大于1，而热机的效率?总是小于1，若二者的热源温度相同时，则有以下关系

?h?Q1Q?W?2?1??fWW

(2-9)

显然，在特殊情况（Q2?0）下，热泵的供热系数为最小，即?h?1。此时是系统没有向低温热源吸取热量。 2.1.2 MVR系统的流程及原理

MVR热泵系统的原理流程如图2-2所示，蒸汽的热力学状态变化如图2-3所示的温熵图（a）和焓熵图（b）。原料经过预热器预热后状态为A（a），此时料液处于饱和液体状态；预热后的料液进入蒸发器的蒸发室内吸收热量沸腾汽化产生二次蒸汽，气液混合物经过气液分离器的分离作用，浓缩液从出料泵流出，得到的二次蒸汽进入罗茨压缩机的入口处，此时的蒸汽是在特定蒸发压强下的饱和蒸汽，其气体状态参数为B（b）；二次蒸汽在压缩机的作用下，温度升高，压强增大，蒸汽的热焓提高，理想情况（等熵压缩）的状态为C(c)，实际蒸汽压缩过程中是不可逆过程而且系统不是完全绝热的，其状态参数是具有更高过热度的状态D（d），此时的过热蒸汽先经过饱和话处理后进入蒸发器的壳程里冷凝放热得到饱和冷凝液，其状态为E（e）。系统在开始运行时需要向蒸发器壳程里通入新鲜蒸汽，一旦系统运行稳定后，便可利用压缩蒸汽的冷凝潜热维持系统的热量平衡，只需要在热量损失较多时补充少量新鲜蒸汽即可[70]。

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新鲜蒸汽降膜蒸发器压缩机冷凝液出预热器凝水罐分离器原料浓缩液

图2-2 MVR热泵的工艺流程

Fig.2-2 Operating principle of the heat pump

从温熵图可以看出，整个MVR的热泵系统中处在两种压强和三个温度状态下，压强变化是蒸汽压缩前的蒸发压强和蒸汽压缩后的冷凝压强，温度变化主要是蒸发温度，压缩后的过热温度以及压缩饱和温度。从焓熵图可知，MVR系统得以运行的实质就是利用压缩机做少量的功来提高蒸汽的热焓，进而利用压缩蒸汽释放大量的冷凝潜热重新加热原料。由于汽化潜热（或者冷凝潜热）占蒸汽的热焓值绝大部分，因此能够充分利用蒸汽的潜热是热泵系统正常运行的关键。

Tp2,DCEp1,ep2,T2bhdcABap1,T1S

S

（a）水蒸气温熵（T-S）图 （b）水蒸气温-熵（h-S）图

图2-3 水蒸气热力学图

Fig.2-3 The chart of steam thermodynamic

2.1.3 MVR蒸发的数学模型

MVR蒸发系统内存在显著的能量变化主要集中在蒸发器、蒸汽压缩机和预热器三个主要的单元结构中。对于实际运行中的物料蒸发，可以从质量传递和热量传递上分析。

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第二章 MVR蒸发系统分析与模拟计算

2.1.3.1 蒸发器

物料沿着蒸发器的管壁流动时，由进料状态的单向流变成气液两相流，液体的流动状态也变化很大。而且，随着料液的蒸发，溶液的物理性质和热敏性等特征均发生变化。为了简化系统的分析，对蒸发过程作了如下理论假设：

1. 忽略溶液浓度变化对沸点的影响。

2. 溶液的比热容不受温度等参数的影响，为恒定值。 3. 蒸汽中不含有物料。 4. 系统换热过程无热损。

由假定条件，存在的质量和物料平衡关系见式（2-10）和式（2-11），

qf?qd?qb

(2-10) (2-11)

qfxf?qbxb

忽略了热损失，蒸发过程吸收的热量在理论上与蒸汽的冷凝释放热相同，具体热量平衡关系如式（2-12），其中传热温差???????????是由系统的设计参数和压缩机性能决定的。

qdhv?qfCp(TV?T0)?qd[hv?Cp(Tvd?Td)]

由换热量和传热面积的关系可得到式（2-13），

??????=???????? ??????????? =???????? ???????0

(2-12)

(2-13)

总传热系统????由设备结构、操作条件和物性等多种因素决定的。对于降膜式蒸发器的总传热系数可表示为式（2-14），

??

1????ln 0 ???? ????1?1

????=(++)

????2????????0??0

2.1.3.2 压缩机

压缩机具有热泵的功能，将低温的饱和二次蒸汽压缩，变成高温高品位的蒸汽后在蒸汽冷凝腔内放热。当压缩过程在瞬间完成，机体内部没有热损且没有热交换时，蒸汽压缩过程消耗的功率可由式（2-15）推导而得[71]，

?????????1

????=????? ??????=??????1??2[1?()???1]

??????1

2

(2-14)

(2-15)

压缩后气体温度可由式（2-16）到（2-18）求得，假设气体仍是理想气体,

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其中由气态理想方程知，

????=??????

对蒸汽压缩过程进行微分得

????????????????++?=0 ????????????1

??2=??1

??1??1

+(??+??)????

??

??

??

(2-16)

(2-17) (2-18)

蒸汽压缩过程平衡蒸汽压差，补充的蒸汽温度为????，最终压缩后蒸汽的温度为??2，将蒸汽看成是理想可压缩气体，蒸汽的压力与温度也满足式（2-19）的关系，其中??0至??5均是常数，

ln P =

2.1.3.3 预热器

预热器的功能是利用浓缩液显热、高温冷凝水显热和热蒸汽的潜热来预热原料，使得溶液达到预定温度??in，预热设备通常选用板式换热器。因预热的热源不同，每个换热体系都有单独的热量交换，总传热量??er可有式（2-20）所求， ??????=???????? ?????????0 =???????? ??????????? +???????? ?????????0 +?????? (2-20) 换热量的计算公式（2-21）可得出换热面积，在不考虑污垢热阻时，板式换热器的总传热系统??er可由公式（2-22）计算，

??????=???????????????????? ??????

1??1?1=(++) ??????????????

(2-21) (2-22)

??0

+??1+??2??+??3??2+??4??3+??5ln?(??) ?? (2-19)

其中主要热源一侧的传热系数??????可通过下面关系式（2-23）计算求解。

????0.25

????=0.135????0.717????0.43() (2-23)

??????通过以上的理论公式可计算出MVR系统在稳定运行时的状态，在确定了系统的蒸发温度和二次蒸汽的压缩比后，在设计要求下的蒸发量时，便可得到系统的换热量，以及压缩机的做功。最后可根据浓缩液和冷凝水的分流量不同分别选择不同面积的预热器，并根据设计预热温度的不同，适当增加一定量的新鲜蒸汽预热以达到设计要求。

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第二章 MVR蒸发系统分析与模拟计算

2.2 水体系下的计算与理论分析

2.2.1 MVR系统的理论计算

假设进料量为??0，温度为Ts，压强为Ps，由焓熵表软件可查得此条件下的焓值h1。若产生的二次蒸汽量为qs，则其压强为Ps，温度为Ts，查表可得其焓值为hs，将气体在离心压缩机内的升温加压过程看成多变压缩过程，假设多变效率为ηpol，由式（2-24）可得多变指数m。其中k是绝熵指数，在进气参数已知时，可查表求得。

??

????????=

???1

?? ???1

(2-24)

设蒸汽压缩机的机械效率为????，电动机的效率为??????，在特定的压缩比（??=Pd）

Ps下，电动机总消耗的功率为式(2-25)。

???1??1

??0=????????(?????1)

???1??????????

(2-25)

压缩后的蒸汽压强为Pd，由公式（2-26）可以得到过热蒸汽的温度为Td。查表可知此条件下的蒸汽焓值为hd为消除蒸汽过热，设需补充定量水的质量流量为qw，温度为Tw，压强为Pw，故其焓知值hw，查表可得在压强Pd下的饱和蒸汽焓值has。

???????????1

=()?? ????????

由能量守恒式（2-27）可求得补充水的质量流量qw。

(2-26)

qwhw?qshd?(qw?qs)has

(2-27)

由于补充水的加入，将产生一定的副产饱和蒸汽，增大了系统的换热能力。根据质量守恒，把最终能够全部用来冷凝换热的蒸汽量称为循环蒸汽量qt，见式（2-28）。

qt?qw?qs

蒸汽冷凝过程放出的热量Q为式（2-29）。

(2-28)

设冷凝水的温度为Tc，由于其压强也为Pd，可得到冷凝液的焓值为hc，故

Q?qt(has?hc)

28

(2-29)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yrz7.html