机械再压缩蒸发系统的研究开发论文

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1、机械再压缩蒸发系统的研究开发论文-作者：-日期：分类号密级机械再压缩蒸发系统的研究开发南京工业大学U D C 编号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 systemA ThesisSubmitted toNanjingTechUniversityFor the AcademicDegreeofMasterofEngineeringBYCheng

2、zhen GuSupervised byProf. Housheng HongApril 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：日期：学位论文的使用声明1、南京工业大学、国家图书馆、中国科学技术信息研究所、万方数据电子出版社、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的

3、复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文并通过网络向社会提供信息服务。论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。（打钩生效）2、本论文已经通过保密申请，请保留三年后按照第一项公开（打钩生效）3、本论文已经通过校军工保密申请，不予公开（打钩生效）研究生签名：导师签名：日期：日期：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

4、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

5、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1.82.2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、

6、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，单位能耗蒸发量是增加的；实测的MVR在蒸发压强为86kPa时，系统的能耗只有理论三效蒸发器的最低能耗的46%。根据实际工业生产的需要，初步设计了蒸发量为1000kg/h工业级MVR系统，详述了具体工况的能量转变和单体设备规模。通过与三效蒸发器在能耗上的理论对比，MVR系统每年可节约运行成本40万元，能源效益上可节

7、能74%。关键词：机械蒸汽再压缩能耗蒸发量单位能耗蒸发量 Aspen plusABSTRACTThe world today is facing both severe energy crisis and environmental crisis. The total energy is shortage, which seriously constrains the rapid development of Chinas national economy and the country has been advocating energy saving production methods.

8、 Concentrated by evaporation process which is a very energy-intensive production processes ,and is widely used in dyeing and finishing ,paper making, chemical engineering, pharmaceutical and food industries. Therefore, it is necessary to develop a new evaporation plant which is low energy consumptio

9、n, low operating costs and a high degree of automation.Mechanical Vapor Recompression (MVR), which has been considered one of the most energy-efficient evaporation, help to reuse heat and improve energy efficient. The theory is that the secondary steam created by evaporator is recompressed by compre

10、ssor, the pressure , temperature and enthalpy of the vapor is higher, and can be used as the heat source to heat system itself. Materials absorbs heat because of condensation of steam, and water in the materials becomes vapor because of endotherm. The secondary steam is compressed and used again, so

11、 the materials continued to evaporate. Hence, the system only demands of energy from the compressor.This paper established a MVR evaporation process flow that can fully use energy. Quality and energy of each operation node were calculated，and a system of simulation process was establish using the As

12、pen Plus software. This research investigated the mass flow of cyclic steam and the mass flow of added water under different feed temperatures, condensation temperatures，the ratio of vapor compression and evaporation pressure，by analyzing controlling unit operations. The results in theory showed tha

13、t: (1) raw materials reached the optimal conditions in saturated liquids or slightly overheated. (2) the vapor compression ratio of compressor in the 1.82.2 was more reasonable. (3) The vapor pressure of MVR system should be combined with specific heat-sensitive products as much as possible at a rel

14、atively low evaporation pressure.(4) The condensate is preferably discharged in the saturated liquid. MVR experimental platform which can handle 150kg/h water evaporation is designed ,where falling film evaporator having an evaporation area of 10m2. Root compressor is selected as a vapor compressor

15、which own power of 18kw,also design gas-liquid separator ,tanks and piping size. This paper investigated that feed temperature, evaporation pressure and compressor frequency how to affect evaporation of the total amount of water evaporation and specific moisture extraction rater (SMER), which is as

16、performance indicators of MVR. The results show that: the optimum temperature of the feed is a saturated liquid temperature at the evaporator pressure. the optimum evaporation pressure based on evaporation capacity and compressor efficiency which Closely related to the specific system. While maintai

17、ning a high level of efficiency of the compressor, the evaporator pressure is suitably in favor of energy saving. Frequency of the compressor directly affect evaporation of the total amount of water and compressor power, SMER is increasing when improve the frequency of the compressor within the allo

18、wable range.The energy consumption of the system, measured at 86kPa of evaporator pressure, only occupy theoretical minimum energy consumption of 46% compared to the three-effect evaporation.As required by the industrial production, water evaporation capacity of 1000kg/h is designed preliminary and

19、calculated of specific conditions in detail. By contrast with the three-effect evaporator, MVR system can save 400,000 yuan, equivalent to saving 74% coal annually in theory. KEYWORD：MVR；energy consumption；water evaporation；SMER；Aspen plus目 录摘要IABSTRACTi第一章绪论11.1 课题背景11.1.1能源与环境的严重形势11.1.2 余热回收的意义21

20、.1.3 蒸发工艺的应用与发展31.2 MVR蒸发技术的研究现状51.2.1 MVR蒸发系统简介51.2.2 MVR蒸发技术国外研究现状101.2.3 MVR蒸发技术国内研究现状111.3 MVR蒸发技术的优势与发展141.4 化工过程模拟系统181.4.1 Aspen plus系统介绍181.4.2 Aspen Plus模拟在工业生产中的应用191.5本文研究的内容与意义201.5.1 主要研究内容201.5.2 课题的意义20第二章 MVR蒸发系统分析与模拟计算222.1 MVR蒸发系统的理论基础222.1.1 蒸汽压缩机的热泵原理222.1.2 MVR系统的流程及原理242.1.3 MV

21、R蒸发的数学模型252.2 水体系下的计算与理论分析282.2.1 MVR系统的理论计算282.2.2 MVR系统的节点分析292.3 MVR流程模拟的工艺优化322.3.1 二次蒸汽流量的灵敏度分析332.3.2 补充水的灵敏度分析342.3.3 压缩机功率灵敏度分析342.3.4 能效比的灵敏度分析352.4 本章小结36第三章蒸发量为150kg/h的MVR实验平台的建立373.1主体单元结构设计373.1.1压缩机选型与功率计算373.1.2蒸发器的设计计算403.1.3 气液分离器直径和高度计算483.2 MVR系统相关设备的选型设计503.2.1 容器储罐的设计513.2.2 预热器

22、的选型与计算533.2.3 仪表及管道阀门的设计543.2.4 MVR系统设备一览表553.3 MVR实验测试与分析573.3.1 实验流程与操作573.3.2 实验参数的检测与测试方法583.3.3 实验结果与讨论593.3.4 中试结果的能耗分析623.4 本章小结65第四章蒸发量为1000kg/h的MVR系统设计与节能分析664.1 工业级MVR系统的设计664.1.1 产品特性与处理要求664.1.2 MVR系统处理发酵废液的设计方法674.1.3 蒸发量为1000kg/h的MVR系统工况计算694.1.4 MVR系统的自控方案704.2 MVR系统的能耗分析724.2.1 蒸发量为1

23、000kg/h的三效蒸发器能耗估算724.2.2 蒸发量为1000kg/h的MVR系统能耗估算734.2.3 MVR系统的经济效益和能源效益734.3 本章小结74第五章总结与展望755.1 主要结论755.2 本文创新点765.3 课题展望76参考文献78附录84成果86致谢87第一章绪论1.1 课题背景1.1.1能源与环境的严重形势工业革命以来，世界经济的快速发展受益于化石能源，集中体现于石油、煤炭、核能和天然气等能源的开发与应用。然而以化石能源作为经济资源载体将迅速的消耗殆尽，世界石油储量支撑不到60年，煤炭供应也就150年左右，天然气储备到21世界下半叶也将宣告枯竭。核能的利用率虽然很

24、高，但以每年6万吨铀金属的开采量为算，也只能维持到21世纪40年代初，核聚变能在50年之内还不能得到普遍应用。化石能源链的断裂，势必带来全球性经济危机和加剧能源争夺的冲突1。因此进入21世纪以来，能源短缺问题和气候条件的恶化是制约经济发展的关键因素，同时环境污染的不可逆性变化和可再生能源的稀少短缺让世界各国对能源与环境问题格外的重视。今后几十年甚至更长一段时间内，世界仍将以化石能源作为主要的经济发展载体，可再生能源的开发与发展将变成世界能源格局中的重要支柱。目前，新兴经济体是全球能源消耗的主要贡献者，尤其是拥有众多人口、经济实力仍然薄弱、总体生活水平不高、正在一心一意谋发展的中国来说，对能源的

25、需求消耗日益增加。据统计中国占全球能源消耗增量的71%，中国人口众多，人均能源消耗水平占世界前列。但由于我国的科技实力不够强大，有效能源的利用率仅占28%，美国的利用率达到51%，西欧国家为40%，与之相比我国能源利用率差距较大。中国的煤炭贮备虽然位于世界第三大国，以我国平均每年1.5亿吨煤的消耗量，预测到2030年煤炭的消耗量将突破45亿吨。我国的油气资源相对匮乏，石油和天然气的尚且可采储量约占全球份额的1.3%，2011年全球约2/3石油交易增长量来源于中国，而中国在石油交易市场中净进口量增长占13%，而美国的石油净进口量与2005年的最高峰相比降低了29%。我国的能源供求关系将十分紧张，

26、形势不容乐观2, 3。能源大量消耗的同时，环境承受力相应增大。化石能源燃烧产生大量的二氧化碳是大气温室效应的主要破坏者，煤烟的大量排放还会产生一些次生灾害，其中包括城市环境、河流水体污染等。随着现代文明的进程和工业的发展，煤的应用和开发仍然在节节攀升，中国是世界上二氧化碳（CO2）排放量最大的国家，在一次能源利用中，煤炭消耗所产生的环境污染是相当严重的。我国的水资源污染也相当严重，每年污水排放量达600亿吨，其中工业废水所占比例高达66%。经过处理后排放的废水中有70%来自于工业废水以及10%的生活污水，其余的废水都是直接流入江海湖泊之中，导致严重的水体恶化，甚至部分有毒废水直接影响着居民的生

27、活用水。目前，有86%的城市河流在一定程度上受到了污染，淮河等淡水系已经遭到不同程度的破坏。我国领域的淡水量仅占不到世界的10%，人均用水量不到世界水平的1/4，作为一个贫水国，水体的严重污染不仅加剧了水源的供求矛盾，对国民经济的发展也影响巨大。随着近几十年经济的快速发展，中国对能源的需求量和对环境变化的作用上都越来越大，世界各国都愿意同中国建立能源合作伙伴，加强能源的利用效率。同时中国对全球环境问题上态度也十分明确，2009年我国就提出了待到2020年CO2的排放量相对于2005而言至少要降低40%的目标。中国是近年来推进节能减排力度最大的国家之一。2011年以来中国政府先后出台了节能减排“

28、十二五”规划以及“十二五”节能环保产业发展规划等相关文件，充分体现了我国对环境问题的高度重视3。低碳经济是当今世界性的潮流，其核心就是低碳能源技术。在低碳经济下的中国能源所涉及到的技术层面有：（1）节能减排，最大限度的利用化石能源。（2）调整能源结构以及相关的产业结构，促进能源结构向低碳能源技术方向发展4。1.1.2 余热回收的意义中国是能源相对匮乏的国家，在发展经济的过程中需要借鉴发达国家的经验来克服能源瓶颈问题，重视能源导向性利用，实现能源利用效益的最大化。其中工业生产过程中产生的余热是十分有用的资源，很多企业由于技术问题将低温的余热直接排放到环境里了。大量工业废热的集中排放不仅是一种能源

29、的浪费并且对环境造成不同程度的污染，例如，火电厂烟囱里的烟气温度很高，而且还伴有SO2、CO2等有毒害的气体。在生物和化工行业中，蒸发浓缩是一道十分耗能的单元操作，此操作过程中产生较多的二次蒸汽，若直接排放不仅浪费了蒸汽的潜热而且部分物料也随着二次蒸汽一同流出系统外对环境造成一定的污染。其中我国工业只有30%左右的余热得到回收并循环利用，其余的热量基本上当成废热被排掉了，因此废热的循环利用和余热的回收是节能减排的重要环节之一，也是降低污染、减少生产成本、提高社会经济效益的必要措施。从各个行业对能源的利用情况来说，化工类和生物工程类传统企业在能源的消耗和系统余热的浪费上还是相当严重的。很多化工类

30、企业都配备高压蒸汽锅炉，诸如蒸发体系、干燥体系、灭菌体系以及升温加热体系等都需要蒸汽作为热源5。一般生产工艺所需的蒸汽压力相对较低，常常需要节流降压或通过减压阀降低蒸汽压力，此过程中白白浪费了许多有效热能；干燥过程中热送风携带的热量也不容小觑；尤其是蒸发结晶过程中产生大量的二次蒸汽，此二次蒸汽具有很高的冷凝潜热，往往由于利用不当被冷却水降温后排入环境中造成能源的利用率低。工艺生产过程中时刻伴有吸热和放热的现象，因所采取的的设备也是各式各样，行业内也很难规定统一热量利用标准6, 7。仅以工业低温蒸汽的余热资源利用来说，相同的热量值在不同的温度下实际可利用的价值也是大相径庭，低温蒸汽意味着其热量的

31、品位越低，可利用的范围局限性也就越大。因此如何将低温低压蒸汽的利用率达到最大化是走节能路线的重要导向8。总体来说，我国人均能源比例十分贫瘠，而国民经济的增长又离不开能源。科学发展观以及如何构建节约型社会既是政治口号，也是对我国实体企业的发展提出了要求，合理利用能源以及节能减排是有利于国家和社会的长治久安。目前工业余热涉及的面广，余热的品位等级也是参差不齐，是值得大力推广和利用的有效二次能源，我国应当把工业余热的回收和循坏利用作为主要的节能方向9。1.1.3 蒸发工艺的应用与发展通过对稀溶液进行加热沸腾使大量的挥发性溶剂吸热汽化，从而达到对其中不易挥发的溶质进行浓缩，在此过程得到浓缩液产品或获取

32、挥发性溶剂的过程叫做蒸发。蒸发的本质就是将挥发性的溶剂与难挥发性的溶质进行物理层面上分离，因此蒸发是很多工业生产中必不可少的步骤。蒸发工艺广泛应用于化工行业、废水处理、海水淡化、发酵产品提纯以及乳制品的生产等。例如氯化铵作为肥料生产时，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

33、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

34、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

35、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

36、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。

37、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

38、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

39、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。图1-1 降

40、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

41、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, Vmin=0.06m3/s，Vmax= 22m3/s。罗茨式压缩机

42、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压缩。其中Vmin=0.05 m3/s，Vmax= 25m3/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，离心风机的流量范围为Vmin =1 m3/s，Vmax= 140m3/s，蒸汽压缩比可达 1.25倍；离心压缩机的流量处理范围为Vmin = 0.5m3/s，Vmax= 150m3/s，压力比最大为 2.527。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

43、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

44、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

45、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50kwh机能耗也就30kwh左右27, 28。1.2.1.4 气液分离器气液分离器的作用是净化气相并将凝液收集回收。化工生产过程中按照气相分离效果好坏分别有超滤分离、丝网分离、旋液式分离以及重力沉降分离等方法。MVR系统需要处理的是蒸汽流，不仅要具有较高的分离效率，同时还不能损失太多能量，一般适用于MVR系统的气液分离器主要是重力沉降分

46、离器和旋液分离器。重力沉降式分离器结构简单，主要就是一个空筒，体积偏大。虽然气液分离的阻力很小但是分离的效率很低，工业上为了提高气液的分离效率，需要与丝网捕雾器想结合来提高设备的分离效率。实际生产中，过滤丝网应根据不同的工艺条件和分离精度选择不同的丝网层高和网孔目数，为了使二次蒸汽顺利通过，丝网应具有通气阻液的作用，形成一道捕沫屏障。旋液式气液分离器是一种依靠离心力作为气液分离的推动力，其主要结构有旋液进口、圆柱筒体、圆锥收缩口以及排气管等。分离效率比重力沉降式分离器要高，但分离的效果不太稳定，对结构设计要求更高。孙福江等29研究者对分离器设计了专用的气液分离装置于分离器溢流口处，并改变了进气

47、口结构和排气管的长度，分离效率有了明显改善。韩东等30研究者在设计气液分离器时添加了数块3/4型挡板与圆柱形筒体内，并提出了双级分离器的优化方案，在第一级排气口处连接一个二级分离装置，分离效率也大幅度提高。宋贤良等31人将传统的单向气流进口改为轴对称双进口结构，使得分离器的总分离效率高达97%。1.2.1.5 真空泵很多工业产品特别是生物的蒸发，需要在一定的真空度下操作完成。抽真空也就是排不凝性气体的过程，所谓的不凝性气体就是指在降温降压下部分惰性气体不能冷凝成液体，随着生产的进行，其存在量越来越多。不凝性气体的累积不仅对系统内的压力造成不稳定，而且不凝性气体的存在对蒸汽的换热形成巨大的障碍。

48、真空泵的选择和设计也是MVR蒸发体系中一个重要的环节，不仅要排除蒸汽体系中的不凝性气体，还要维持有一定的真快度，对于蒸发量较大的工况还可以多台真空泵联合使用，目前工业上普遍采用水环真空泵抽真空32。1.2.2 MVR蒸发技术国外研究现状MVR热泵技术在1834年就由国外的学者提出，直到1917年瑞士的Sulzer-EscherWyss公司初步制造了一个简单的MVR系统，最终实现实际运行作业的是由奥地利一家企业在1925年设计安装完成33, 34。Narmine H Aly35发表了一篇生产能力为5m3/d的机械蒸汽再压缩蒸发体系的文章，该套装置采用降膜式蒸发器和离心式蒸汽压缩机为主体设备，浓缩

49、的初始浓度为4.6%，压缩机比为1.4，控制的蒸发温度在70-92之间。实验结果的测定值与模拟计算的理论值比较发现，误差在允许范围的8%以内。Hikmet S Aybar36搭建了一套小型MVR实验模型，蒸发温度设定为81.35，压缩蒸汽温度为87，蒸汽压缩比为1.25，压缩机实际运行功率为2.6kw，最终得出的单位蒸发量的能耗为11.47kwh/m3。Rubina Babar37对蒸发量为1m3d-1的MVR蒸发系统进行了范围调试，压缩机的可调功率为0.59-1.75，蒸发温度最高值可达到103。蒸汽压缩比值为1.3。由实验数据可知；压缩机的功耗随蒸汽压缩比的变化而影响较大，蒸发温度的变化对

50、压缩机的功耗影响不大；有效的传热温差增大时，系统的蒸发水量增加，同时功耗也是越大的；进料温度对系统的蒸发影响较大，进料温度越高，压缩机消耗的功越低，系统的蒸发水量随之降低。MVR蒸发技术在许多具体的工业应用中也有所突破，Worek K38用MVR技术处理了来自原油分离过程中的工业废水，是用两台离心压缩机并联使用，蒸发器的处理能力高达83m3h-1。Andika39等针对特殊的废水处理研制了一套MVR蒸发工艺系统，处理规模为11.6kgh-1，压缩机使用离心式压缩机，将刮膜式蒸发器作为主体蒸发器，并将工艺控制在低温50蒸发，蒸发每吨水所消耗的能量约20kw，由实测结果显示，废除的回收能力达到98

51、.6%。Kim40等对冶金工业中产生的废水尝试了MVR蒸发技术的处理方案，对于使用MVR蒸发技术、多效蒸发技术和冷冻法三种技术处理成本比较发现，达到相同处理效果时，三种处理办法的成本约合人民币分别为91元/m3、126元/m3和147元/m3。显然MVR处理废水的费用最低。Hehal41等利用MVR工艺操作的原理应用于海水淡化中，蒸发每吨淡水的的能耗低到7.3KW，比传统的多效处理海水的方法效率提升了30%。Andersson42等人利用MVR装置浓缩尿素废液，尿素最终由5%的原液浓缩到了35%，基本达到预定设计的回收标准。通过与热力蒸汽再压缩之间的差异比较，MVR蒸发系统虽然一次性投资高，但

52、运行费用很低，而且维护的费用也低。S Hayani Mounir43等对MVR浓缩废液时进行了相关的热力学分析，并得出了蒸发温度差与操作成本之间的关系，诸如饱和蒸汽每升高8，运行成本便降低3%，蒸汽处理量减少一倍时，经济成本可降低24%，蒸汽压缩机效率与经济成本也有一定的关系，当效率增加23%，总体上的经济运行费用减少8%等。Modla44等通过建立温-熵图并根据热力学额基础原理提出了能源综合利用的夹点理论，对工程应用中节能体系的提升有很大的参考意义，减少的大量的能源浪费。Waheed45等在解决MVR与精馏塔结合起来时具体换热位置的问题上提出了相关的设计方法。综合考量了经济费用、系统温度、能

53、量利用率以及电力与燃料之间的价格比这几个因素的关系，并给出了较详细的优化方案。Alexander46在MVR热泵型精馏塔的工程中具体分析了某种化学反应的设计问题，利用相关的仿真模拟软件建立了稳定模型，模拟结果显示MVR热泵型精馏塔分离效率高于传统精馏塔效率。1.2.3 MVR蒸发技术国内研究现状20世界70年代初国际石油能源危机，节约能耗是大势所趋，MVR作为蒸发工段的新技术便迅速得到发展与推广。我国在1989年才初次引进过MVR设备，最终由于各种原因四年后停止了运行。此后我国在MVR技术的实质性研究成果上寥寥无几，直到近15年，在政府大力推动节能减排的力度下以及企业和科研单位的创新研究下，M

54、VR蒸发技术在国内呈现蓬勃发展的局面。梁林等21, 47以维生素C溶液为实验工艺的载体在MVR蒸发体系中进行蒸发浓缩。研究了二次蒸汽流量与进料温度和进料量之间的关系,以及压缩机功率与进料温度之间的关系，得出蒸发量与进料温度基本呈线性增加关系,蒸发工艺如图1-3所示:图1-3MVR技术用于维C生产工艺Fig.1-3Vitamin C production process in MVR technology实验采用罗茨压缩机作为MVR驱动动力，降膜蒸发器的面积为3.5m2，系统使用两台真空泵将真空度控制在0.09Mpa（表压）。测出的实验值与传统的多效蒸发器在理论上节能比较发现：比五效蒸发器节省煤

55、量为12.9%，与三效蒸发器相比蒸发每吨水可以节省16元。韩东等48研究者将MVR蒸发结晶体系应用于硫酸铵溶液的浓缩，实验流程如图1-4所示：图1-4 MVR技术用于硫酸铵蒸发结晶系统Fig.1-4 MVR evaporator for ammonium sulfate crystallization system本套系统设计的是连续操作体系，压缩机是从德国引进的。系统的蒸发温度是78，换热面积约合96m2，蒸发量达到设计标准的1.2t/h，为了辅助工程设计，研究者还开发了一套专用的模拟计算软件。该套系统的运行稳定而且节能效果明显，与四效蒸发器相比每蒸发一吨水可节约54%的标煤。石成君等49将

56、水平横管降膜蒸发器作为主体蒸发器应用于MVR蒸发技术中，并建立了相关的能量平衡关系式及数学模型，流程如图1-5所示，图1-5 MVR系统处理高盐度废水流程Fig.1-5MVR evaporation process system for high-salinity wastewater 通过对该系统的低压低温蒸发技术的节点分析，以及利用数学模型将料液的预热温度、传热温度差、进出口料液的浓度等因素进行关联，得出以下相关结论：溶液浓度的变化对蒸发面积影响很大，为了保证系统的稳健运行需要放大设计面积的因子；蒸汽温度与蒸发温度的差值应控制在37，进料温度应保证饱和状态或微过热状态；蒸发温度综合考虑下还

57、应具实际工艺要求决定。李清方等50学者针对化工油田组分复杂、污染性强的污染物特点，尝试了MVR脱盐处理的技术方案，处理系统如图1-6所示。图1-6基于MVR的油田污水淡化处理系统Fig.1-6 MVR-based oilfield wastewater desalination system 因油田污染物的特殊成分，建立MVR系统首先从工艺流程模拟和数学建模上进行了理论分析，通过研究污水温度、蒸发温度以及传热温差等影响系统性能的因素，结果表明高效传热效率的蒸发器，较高的污染进口温度以及较高的蒸发温度都是有利于系统节能运行的。陈金增等51在海水淡化工艺中使用了MVR蒸发系统，不仅在运行过程中节能

58、明显，还给出了蒸发过程的数学模型，得出了系统蒸发水量和压缩机的功耗都随着蒸发温度的升高而增加等相关线性关系。张金鸿等52研究员对污水厂中反渗透高浓度污水进行了MVR技术应用探索，在中试规模的体系中，MVR处理的结果达到标准回用水的标准，同时将浓水进行了减量化处理。王力威53等人将单螺杆压缩机应用在了MVR系统中，并对此类型的压缩机性能较好的分析研究，当系统的蒸发温度在80以上，螺杆压缩机的容积效率可达到0.73左右，能效比高达12.5，实际运行过程中单位能耗可蒸发的水量为20kg/(kwh)。庞卫科54研究团队研制了离心风机驱动MVR系统的运行，通过理论与试验相结合的办法考察了系统在小流量的处

59、理范围内性能变化，实际运行结果显示：蒸发压力升高时，机组的蒸发量和功耗均有不同程度的增加，实际功耗与理论计算的功耗保持一致的变化趋势。在小流量范围内，该风机型MVR具有一定的可靠性。1.3 MVR蒸发技术的优势与发展蒸发工艺作为生物化工行业重要的操作单元，其工艺设备一直处在不断发展的过程中，其中多效蒸发器是近几十年一直普遍应用而且技术较为成熟的设备。MVR蒸发系统是近十几年内兴起的新蒸发工艺，由于设备材质，工程技术的提高以及能源价格呈现不断上涨的趋势，MVR因在节能减排上具有明显的优势而广泛被研究和应用。多效蒸发器从结构上看是将多个单一蒸发器通过管道依次连接起来使用，工艺原理上是将前一效产生的

60、二次蒸汽作为下一效级的加热蒸汽，如此反复利用二次蒸汽。多效蒸发的特点是随着效级的增加，操作压强也是随之降低的，相应的溶液的沸点也依次递减。在保持多效蒸发的总温度不变的前提下，相同蒸发能力时，效级的增加，总的生蒸汽消耗量便相应减少，因此生产成本便随之降低，达到经济节能的目的。实际设计生产过程中，需要将设备的投资与运行能耗综合起来考虑，以便选择最佳的蒸发效级。一般温差损失小的，可以做到4-6效，温差大的体系可以采用2-3效，总体来说，工业应用中一般不超过5效55。以3效蒸发器为例，工艺流程如图1-7所示。图1-7三效蒸发器流程示意图Fig.1-7 Three-effect evaporator f

61、low MVR蒸发系统在结构上类似于将单效蒸发器与压缩机之间通过管道连接成回路，其工艺特点是将蒸发器内溶液相通的区间内产生的二次蒸汽全部回收利用并重新作为热源对料液进行加热，完成此功能的设备便是蒸汽压缩机。二次蒸汽是低温低压的低品位蒸汽，不能直接作为热源被系统利用，此蒸汽通过压缩机的处理后，便是高温高压的高品位蒸汽了，虽然此过程蒸汽的温度和压力提高的幅度不大，但足以作为加热热源对料液加热使用了。MVR热泵技术在能源消耗上主要是以少量的电能来代替蒸汽热能，电能的来源更加多样化和经济化，在多数工业应用中，其总体能耗要比多效蒸发器低很多。电机的使用也取代了大量用于生产蒸汽的锅炉房，在保护环境上也有很

62、大的功效。另外，MVR蒸发技术在二次蒸汽的处理上是全部的循环利用，省去了大量的冷却水资源，因此在减少工业用水，保护水资源上也有很大的帮助28。其原理流程图如1-8所示，图1-8 MVR系统流程图Fig.1-8MVR system flow process从应用领域上来看，MVR蒸发技术在多数情况下可以完全取代多效蒸发器，主要是因为他们在对料液的处理方上都是采用间壁加热蒸发的方式，两种技术都可以控制不同的蒸发温度，只是对于一些含腐蚀性离子较高的溶液不易采用MVR技术。从能源消耗上来看，多效蒸发全部采用外源生蒸汽，而MVR技术只需消耗及少量的生蒸汽，主要以消耗电能为主。对于相同蒸发能力下，电能比蒸

63、汽的能效比要小的多，只是在设备的一次性投资上MVR技术要稍微高点。从尾气的处理上来看，多效蒸发虽然多次利用二次蒸汽，但最终的尾气还需要通过冷凝抽空，不仅浪费了蒸汽能量也消耗大量循环水。从设备体积上来看，多效蒸发器随着效级的增加占地面积也相应增加，而MVR技术只相当于在单效蒸发器的体积上增加一个压缩机的体积，管路的连接上更加紧凑。对于不同规模的处理量上，也只需要适当增加蒸发器的蒸发面积以及提高压缩机的功率即可。蒸发每吨水时多效蒸发器消耗的蒸汽量与MVR技术的综合能耗在理论上的能耗比较如表1-1所示56，其中1kw.h电与0.404kg的标煤等价，1kg饱和蒸汽与0.145kg标准煤热量等价计算。表1-1 多效蒸发与MVR技术的能效比较Tab.1-1 Multi-effect evaporation energy efficiency compared with the MVR类别双效三效四效五效MVR耗能/t0.570.40.30.2750kw.h等价标煤量/kg82.655843.539.1520.2MVR/多效（%）2