基于表面自由蒸發(fā)的MVR系統(tǒng)設(shè)計分析

彭宏道 鄧曌昌 鄭許浩翔

〔摘 要〕為了減少在蒸發(fā)器內(nèi)液—液傳熱過程中的結(jié)垢現(xiàn)象，提出了一種噴霧型傳質(zhì)、傳熱工藝模型，使溶液與熱媒質(zhì)直接表面接觸，產(chǎn)生自由蒸發(fā)過程，特別適合于在高濃度、易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)場合。經(jīng)過工廠的中試，對系統(tǒng)各方面性能進行全面評估和分析，包括對系統(tǒng)的熱效率、蒸發(fā)效果、能耗等方面，驗證了工藝數(shù)學(xué)模型的正確性，系統(tǒng)能耗降低至54.25 kWh/t，能效比COP為13，結(jié)垢問題得到有效解決。

〔關(guān)鍵詞〕表面接觸；自由蒸發(fā)；機械蒸汽再壓縮；結(jié)垢

中圖分類號：TK221;TH45 ? 文獻標志碼：B? ? ?文章編號：1004-4345（2024）01-00２2-0４

Design and Experimental Analysis of Mechanical Vapour Recompression （MVR） System

Based on Surface Free Evaporation

PENG Hongdao1，2， DENG Zhaochang1，2， ZHENG Xuhaoxiang1，2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. Jiangxi Nerin Equipment Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330032，China）

Abstract? To reduce scaling in the liquid-liquid heat transfer process inside the evaporator， a spray-type mass transfer and heat transfer process model is proposed. This allows the solution to directly contact the heat medium surface and produce a free evaporation process， which is particularly suitable for evaporation of high-concentration and easily scaling solutions. After pilot-scale test of the plant， the system's overall performance was comprehensively evaluated and analyzed， including thermal efficiency， evaporation effect， energy consumption， etc. The correctness of the mathematical model for the process was verified， and the energy consumption of the system was reduced to 54.25 kWh/t， with a coefficient of performance （COP） of 13， thus effectively solving the scaling problem.

Keywords? ?surface contact; free evaporation; mechanical vapor re-compression; scaling

1? ?傳統(tǒng)MVR工藝的優(yōu)勢及存在缺陷

蒸發(fā)濃縮是使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液經(jīng)過加熱或減壓，使溶劑沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的方法[1]。在各種濃縮方式中，蒸發(fā)濃縮憑借著高效性和易操作性，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[2-4]。然而，蒸發(fā)濃縮是一個能耗較高的過程，為使廢熱得到循環(huán)利用，余熱得到回收，業(yè)內(nèi)從未停止對蒸發(fā)濃縮工藝進行研發(fā)和優(yōu)化。該技術(shù)先后經(jīng)過單效蒸發(fā)技術(shù)、多效蒸發(fā)技術(shù)、蒸汽噴射壓縮蒸發(fā)技術(shù)等幾個階段的發(fā)展，目前已經(jīng)進入機械蒸汽再壓縮技術(shù)階段。

機械蒸汽再壓縮技術(shù)（Mechanical Vapour Recompression，以下簡稱“MVR技術(shù)”）是通過蒸汽壓縮機對蒸發(fā)濃縮過程中產(chǎn)生的二次蒸汽進行機械壓縮[5-6]，提高蒸汽的壓力和溫度，并在蒸發(fā)器中冷凝將二次蒸汽中的潛熱傳遞給原料液，從而減少蒸發(fā)過程對外界能量的攝入，是一項先進、節(jié)能的蒸發(fā)濃縮技術(shù)。傳統(tǒng)的MVR能流圖[7]如圖1。

MVR技術(shù)的優(yōu)點有：1）正常生產(chǎn)時，不需要消耗新蒸汽，或僅需要補充少量蒸汽；2）多為單效蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積?。?）二次蒸汽的冷凝無需使用循環(huán)冷卻水，配套工程少；4）自動化程度高，操作簡單。

但是，傳統(tǒng)的MVR技術(shù)也避免不了其他任何向污水傳遞熱量的蒸發(fā)器中普遍存在的結(jié)垢問題。根據(jù)熱量傳遞原理，當流體的溫度低于換熱器金屬壁表面的溫度時，能量從換熱器管壁傳遞給流體，同時沿著金屬壁厚度方向，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)垢濃度梯度。具體過程如下：熱金屬壁表面加熱流體，形成高溫污水薄層。 隨著蒸發(fā)的進行，此薄層濃度沿壁面法線方向逐漸減小，當達到飽和時，即會在換熱器表面形成水垢。水垢形成后，換熱效率會大幅度降低；由此而產(chǎn)生的停機清理，給設(shè)備連續(xù)運行帶來影響，并產(chǎn)生安全隱患。

為了減少在MVR蒸發(fā)器內(nèi)液—液傳熱過程中的結(jié)垢現(xiàn)象，本文提出一種噴霧型傳質(zhì)、傳熱工藝模型，使溶液與熱媒質(zhì)直接表面接觸，產(chǎn)生自由蒸發(fā)過程，特別適合于在高濃度、易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)場合。

2? ?表面自由蒸發(fā)的MVR工藝模型

2.1? 表面自由蒸發(fā)的原理

表面自由蒸發(fā)的原理是在應(yīng)用了MVR技術(shù)的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中的原料液和二次蒸汽之間通過第三媒介（工藝蒸汽）將二次蒸汽中攜帶的潛熱進行回收、存儲，并在蒸發(fā)腔體內(nèi)循環(huán)，原料液通過特殊的霧化結(jié)構(gòu)噴入蒸發(fā)腔內(nèi)，與工藝蒸汽實現(xiàn)表面接觸傳熱、傳質(zhì)。由于整個蒸發(fā)過程發(fā)生在溶液液滴表面，熱量傳遞過程處于自由狀態(tài)，顯著提升了傳熱和傳質(zhì)的效率和效果。同時，原料液蒸發(fā)過程不發(fā)生在換熱器金屬壁表面上，避免了其與管壁接觸而產(chǎn)生的濃度梯度現(xiàn)象，從而解決了傳統(tǒng)蒸發(fā)器中容易產(chǎn)生的結(jié)垢問題。

被蒸發(fā)溶液表面吸熱后，蒸發(fā)形成水蒸氣，最后在換熱器中冷凝形成凈水；而蒸發(fā)后余留的高濃度液滴，被蒸發(fā)器腔體內(nèi)的除霧器捕捉富集在收集器中，形成濃縮液。表面自由蒸發(fā)原理見圖2。

蒸發(fā)腔體選用長方體，在腔體內(nèi)均勻布置噴嘴，讓原料液以≤100 μm的液滴直徑、40 m/s的速度噴入腔體內(nèi)，經(jīng)過仿真計算，蒸發(fā)分離率能夠達到80%以上，效果較好。

2.2? 系統(tǒng)蒸發(fā)的工藝模型

根據(jù)上述原理，將表面自由蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用在蒸發(fā)系統(tǒng)中，需要對傳統(tǒng)MVR工藝的蒸發(fā)工藝模型進行改進。該工藝主要特點是通過機械壓縮對二次蒸汽進行了升溫增壓后，在原料液和熱交換器之間增加了工藝蒸汽作為傳熱傳質(zhì)的媒介，來實現(xiàn)熱量的回收并返回至系統(tǒng)中利用。其工藝過程如下：1）原料液噴入蒸發(fā)腔體內(nèi)，與工藝蒸汽進行熱交換，實現(xiàn)液滴表面自由蒸發(fā)。2）蒸發(fā)出的二次蒸汽被壓縮機抽出，通過壓縮使其達到高溫、高壓其潛熱能夠回收的狀態(tài)。3）二次蒸汽進入熱交換器，與冷側(cè)的工藝蒸汽進行間接熱交換，使汽化潛熱返回至系統(tǒng)中。二次蒸汽釋放熱量并冷凝，工藝蒸汽升溫變成過熱蒸汽； 4）過熱的工藝蒸汽進入蒸發(fā)腔體內(nèi)，與原料液直接表面接觸進行傳質(zhì)傳熱。改進后的系統(tǒng)蒸發(fā)工藝模型見圖3。

2.3? 系統(tǒng)的質(zhì)量及熱能平衡模型

蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)運行成功的關(guān)鍵在于建立起系統(tǒng)中的質(zhì)量及熱能的平衡模型。在本系統(tǒng)中，工藝循環(huán)蒸汽作為第三媒介，需要從熱交換器中獲取熱量，然后在蒸發(fā)腔體內(nèi)與原料液進行接觸釋放熱量。在其釋放熱量過程中，需要兼顧腔體內(nèi)的壓力、溫度、流量、流速等因素，因此弄清這其中的熱力學(xué)過程是本系統(tǒng)中的難點之一。

根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律，蒸汽腔體內(nèi)的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)關(guān)系見下式：

mc+mf = md+mp；

Ev = mchc+mfhf- mdhd-mphp。

式中：Ev為蒸汽前后熱能的變化，kW。不考慮散熱時，Ev取0。mc為循環(huán)蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s。hc為循環(huán)蒸汽的焓，kJ/kg。mf為原料液的質(zhì)量流量，kg/s。hf為原料液的焓，kJ/kg。md為濃縮液的質(zhì)量流量，kg/s；hd為濃縮液的焓，kJ/kg。mp為蒸發(fā)后工藝蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s。hp為蒸發(fā)后蒸汽的焓，kJ/kg。

在原料液處理量為417 kg/h、蒸發(fā)率為90%的情況下，建立蒸發(fā)腔體內(nèi)熱力學(xué)關(guān)系模型見表1。

需要注意的是，循環(huán)蒸汽的熱焓值需要根據(jù)其溫度和壓力值進行設(shè)定。壓力值與其他因素有較大的關(guān)系，本數(shù)學(xué)模型中取101.418 kPa。

2.4? 系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定

在進行蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計時，首先需要明確關(guān)鍵參數(shù)，如蒸發(fā)量、分離率、原料液成分等，然后再基于這些條件根據(jù)工藝模型進行關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)計算和選型?？紤]到工藝循環(huán)蒸汽采用的是過熱蒸汽，可以利用其過熱段的熱量來加熱處于飽和水狀態(tài)的原料液，進而實現(xiàn)蒸發(fā)的過程。過熱段存儲的熱量較少，而蒸發(fā)過程所需熱量很大，因此過熱蒸汽的質(zhì)量流量相對于原料液來說相差很大，綜合考慮設(shè)備的體積和成本后，本系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：1）蒸發(fā)量為417 kg/h；2）蒸發(fā)分離率為80%；3）蒸發(fā)能耗控制在90 kWh/t以內(nèi)；4）原料液為NaCl溶液，溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為2%，比熱容為4.190 6 kJ/（kg·C）。

3? ?樣機試驗情況

通過系統(tǒng)性的設(shè)計，選擇單螺桿壓縮機作為系統(tǒng)中的能量補給中心。設(shè)備能夠在蒸發(fā)流量相對較少的情況下，獲得較高的壓縮比，也不會產(chǎn)生的喘振現(xiàn)象，壓縮過程的等熵效率也較高。選用翅片換熱器作為主換熱單元，在二次蒸汽與工藝蒸汽進行氣氣換熱時能夠獲得良好的熱交換效果，對系統(tǒng)的能效提升有益。選用離心風(fēng)機作為工藝蒸汽的風(fēng)速補給動力，增加工藝蒸汽與霧化原料液滴之間的表面碰撞傳熱效果。蒸發(fā)腔體區(qū)域的PID圖見圖4。

通過系統(tǒng)性設(shè)計、制造、組裝后，基于表面自由蒸發(fā)的MVR系統(tǒng)完成了系統(tǒng)試驗。圖5為表面自由蒸發(fā)系統(tǒng)的試驗裝置。

通過系統(tǒng)性的調(diào)試與改進，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，達到了預(yù)期的設(shè)計指標要求，具體運行的性能參數(shù)見表2。采用不同工藝的運行能耗對比見表3。

經(jīng)過系統(tǒng)對原料液的濃縮處理，排出來的冷凝凈水基本達到回用水質(zhì)要求。試驗幾個月后，換熱器中未發(fā)現(xiàn)有明顯結(jié)垢現(xiàn)象，傳熱效果保持較好。系統(tǒng)溶液處理前后的水質(zhì)第三方檢測報告見表4。

4? ?結(jié)論

為了解決高濃度污水在蒸發(fā)濃縮過程中在金屬壁表面上因濃度梯度產(chǎn)生的結(jié)垢問題，本文提出了一種在液滴表面自由蒸發(fā)的技術(shù)，能夠從根本上避免問題的發(fā)生。本技術(shù)通過樣機工業(yè)試驗，驗證了工藝的可行性，能夠回收80%以上的冷凝水，同時相比于其他傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝來說，能耗具有一定的優(yōu)勢，能效比COP能達到13，水能耗達到54.25 kWh/t，系統(tǒng)可運行3個月以上無結(jié)垢現(xiàn)象，能減少因停機維護對生產(chǎn)的影響。

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收稿日期：2023-08-12

作者簡介：彭宏道（1984—），男，高級工程師，主要從事有色金屬行業(yè)裝備的研發(fā)與設(shè)計工作。