蒸汽机械再压缩蒸发器的实验研究

蒸汽机械再压缩蒸发器的实验研究

广泛用于化工、轻工业、食品、制药、海洋淡化和污水处理的生产中。由于这种操作是一个耗能较大的过程，因此，提高蒸发过程中的能量利用率对节约能源具有重要的意义。在工业生产中，人们已经采用了很多方法来提高蒸发过程的能量利用。其中，多效蒸发和蒸汽机械再压缩蒸发（MVR）被认为是比较有效的两种工艺。而MVR又以其节约能源、经济可靠、结构紧凑等越来越被人所关注。MVR本身还具有其它很多优点，主要有操作简单、对料液的预处理要求不高、无需冷凝器、无需启动蒸汽、寿命长等。MVR作为一种节能效果较好的蒸发方式，已在海水脱盐方面得到了广泛的研究，一些MVR系统已应用于实际的脱盐生产过程中。目前，很多研究者对MVR中采用水平降膜蒸发器的工艺过程进行了研究，研究表明，采用MVR能够降低蒸发过程中的能耗。本文介绍了一套采用竖直降膜蒸发器的MVR系统，研究了系统在不同操作条件下的蒸发性能，并就节能性和经济性与多效蒸发进行了比较。1蒸发管的制备本文所介绍的MVR系统主要有降膜蒸发器、分离器、压缩机、真空泵、溶液桶、循环泵等构成，流程图如图1所示。实验中用一辅助加热器来代替系统的预热单元，以便得到不同温度下的进料溶液。物料在进料桶内被加热到要求温度后，由进料桶底部经管路导入系统，在降膜蒸发器顶部与从蒸发器过来的浓循环液相混合后，经由布液器分配到各蒸发管内成膜蒸发。在此应当注意必须保证有足够的浓循环液，以便料液能够在整个蒸发管内形成均匀的夜膜。进入蒸发管的料液吸收管外的热量后沸腾蒸发，变成汽、水混合物。这种混合物在蒸发器的下封头成两路分出，一路是夹有部分浓料液的水蒸气（二次蒸汽），一路是浓缩后的浓溶液。夹有部分浓料液的水蒸气进入分离器，经分离器分离出浓溶液后，由分离器上部排出；分离出的浓溶液由分离器底部排出与另一路的浓溶液混合。混合后的浓溶液经由循环泵后，分成两股，一股作为产品导入产品罐；另一股作为循环液被导入蒸发器继续参与循环。由分离器顶部排出的二次蒸汽，被吸入罗茨式压缩机，压缩以提高温度和压力。压缩后的二次蒸汽为过热的气体，为了能充分利用压缩后二次蒸汽的潜热，在将二次蒸汽排出前，采用有效的方法来消除过热。消除过热后的二次蒸汽进入蒸发器的壳程，冷凝放出潜热后以冷凝水的形式排入冷凝罐，进一步处理后排出。系统中装有两台真空泵，这样可以形成真空的系统环境，并可以将蒸发过程产生的不凝性气体排出。这是因为不凝性气体的存在对传热系数具有较大的不利影响，将不断产生的不凝性气体排出有利于热量的传递。2进料温度对蒸发出1km蒸发的影响本文实验以维生素C溶液为原料，蒸发器的蒸发面积为3.5m2，操作在真空下进行，真空度为0.09MPa（表压）。实验主要的变量有进料温度、进料量；主要的因变量有二次蒸汽流量、压缩机功率。图2和图3分别表示蒸发量随着进料温度不同的变化情况和随着进料量不同的变化情况。图4示出了蒸发出1kg水蒸气所需压缩功率与进料温度之间的关系。从图2可以看出，进料温度对蒸发量的影响显著。蒸发量随着进料温度的提高而增大。这是因为进料温度高料液所带有的热量就多，进入蒸发器的热量也就多，这样就更易蒸发出较多的二次蒸汽。这样就使蒸发量处在较高的水平。然而，蒸发量并不会持续的增加下去，它要受到压缩机和蒸发器的性能限制。另外，图2也表明MVR可以在低温下实现蒸发，这一特性使得MVR可以应用与热敏性大的物料蒸发操作中。从图3中可以看到，进料量对蒸发量的影响较小，随着进料量的增大蒸发量变化不大。这是因为在蒸发管内液膜的厚度是受限制的，过多的进料量并不能提高蒸发量。从图3中会看到在本实验条件下当进料量为320kg/h时蒸发量达到最大值，进料量进一步增大并没有带来蒸发量的加大。图4表明每蒸发出1kg水蒸气所消耗的功随着进料温度的增大减小。这是因为温度较高的进料进入蒸发器时带入了更多的能量。3节能和经济3.1蒸发系统比较为了介绍MVR系统的节能性，选取进料温度为40℃，进料量为320kg/h时的情况为例，与传统多效蒸发器耗能进行比较。由图2和图4可以看到，当进料温度为40℃时，蒸发量和功率分别为29kg/h和0.107kW/kg。表1给出了多效蒸发器每蒸发出1kg水蒸气所需要消耗生蒸汽的经验量。我们将MVR系统和多效蒸发系统所各自消耗的能量转化为标准煤消耗量进行比较，比较结果列于表2。正如表2所展示的，与一效蒸发器相比，每蒸发出1t水蒸气，MVR系统可以节省78.6%的标煤；与二效相比可节省68.6%的标煤；与三效相比可节省41.2%的标煤；与四效相比可节省21.6%的标煤；与五效相比可节省12.9%的标煤。3.2蒸发系统的成本为了说明MVR系统的经济性，我们进行了一个简单的分析。目前，生蒸汽的市场价格平均为200元/吨，工业用电的价格为0.6元/(kW·h)。现在，我们将MVR系统和多效蒸发系统的各操作成本列于表3。从表3，我们可以看到每蒸发出1t水蒸气，MVR系统相对于一效、二效、三效可分别节约156元、86元、16元；与四效蒸发器的费用相当。由此可以看到MVR系统在操作成本上的经济性。4蒸发效率对比本文研究了MVR系统在不同操作情况下的蒸发性能，结果表明，文中所介绍的这套设备的最佳进料量为320kg/h；该套设备可以在低温下蒸发，可用于热敏性较大的物料蒸发中。本文分别将MVR系统的能耗和操作成本与多效蒸发器进行了对比，结果表明，该套系统相对于一效、二效、三效、四效、五效蒸发器分别可以节省78.6%、68.