MVR蒸发与多效蒸发技术的能效

MVR蒸发与多效蒸发技术的能效

蒸发浓缩是工业中非常典型的化工单元操作，广泛应用于化工、轻工、食品、制药、海水淡化、污水处理等工业生产中。该操作的热源主要依赖源源不断的锅炉生蒸汽。对于浓度低、处理量大的物料，蒸汽耗费的能源相当可观。对于需要外购蒸汽的企业，随着市场蒸汽价格的上涨，蒸汽运行成本不断攀升，企业负担急剧增大。如何减少装置蒸汽的运行成本、节约能源，是目前蒸发浓缩工艺亟待解决的问题。

许多企业普遍采用多效蒸发技术，利用前效蒸发产生的二次蒸汽作为后效蒸发器的热源。然而，一般最多只能做到四效，四效后的蒸发效果显著下降。无论是单效蒸发还是多效蒸发，蒸发过程始终需要消耗大量的生蒸汽。以四效蒸发器为例，蒸发1吨水大约需要消耗0.3吨蒸汽。若装置的蒸发量为15吨/小时，蒸汽价格假定为200元/吨，按每年300个工作日、7200小时计算，蒸汽的运行费用约为648万元。如果能减少蒸汽的消耗量，节约的能源将相当可观，经济效益也将非常显著。

利用机械蒸汽再压缩技术（Mechanical Vapor Recompression, MVR），将蒸发器蒸发产生的原本需要冷却水冷凝的二次蒸汽，经压缩机压缩后，提高其压力和饱和温度，增加热焓，再送入蒸发器加热器作为热源，替代生蒸汽循环利用。这样，二次蒸汽的潜热得到了充分利用，从而达到了节能的目的。

一、多效蒸发技术

传统的三效并流降膜蒸发工艺下图所示。其工作原理：预热后的原料液通过原料泵输送到一效蒸发器的顶部布料室，经布液器进入列管内，与管外的生蒸汽进行换热，原料液以降膜方式蒸发。蒸发产生的浓缩液和二次蒸汽进入分离器内进行分离，分离后的浓缩液由泵打入二效蒸发器，分离出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，浓缩液在第二效内进一步浓缩。第二效产生的浓缩液再由泵打入三效蒸发器，分离出的二次蒸汽进入第三效的加热室作为加热蒸汽，浓缩液在第三效内被浓缩至规定浓度后由出料泵排出，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。

多效蒸发技术利用前效产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽，虽然在一定程度上节省了生蒸汽，但第一效仍需持续供应大量生蒸汽，且末效产生的二次蒸汽还需冷凝水冷凝，整个蒸发系统较为复杂。此外，随着效数的增加，设备费用相应提高，每效的传热温差损失也会增加，导致有效传热温差减小，设备的生产强度下降.

二、机械蒸汽再压缩技术

机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发技术的工艺流程如图2所示。将从蒸发器分离出的二次蒸汽经压缩机压缩后，其温度和压力升高，热焓增加，然后进入蒸发器加热室冷凝并释放潜热，受热侧的料液获得热量后沸腾汽化，产生的二次蒸汽经分离后再次进入压缩机，如此循环往复。蒸发器蒸发的二次蒸汽源源不断地经过压缩机压缩，提高热焓，返回蒸发器作为蒸发的热源，从而充分回收利用二次蒸汽的热能，省去生蒸汽，达到节能目的；同时，还省略了二次蒸汽冷却水系统，节约了大量冷却水。

 

三、能效对比分析研究

以下以15t/h淀粉糖的蒸发浓缩工程实例为研究对象，对比分析采用MVR蒸发技术和传统多效蒸发技术的工艺流程能效。

1. 工艺条件

淀粉糖蒸发总量：W = 15t/h

原料质量分数：x? = 1%

进料温度：T? = 50℃

完成液浓度：x = 3%

蒸发温度：T? = 70℃

加热蒸汽温度：T? = 78℃

2.加热蒸汽的消耗量

多效蒸发工艺运行时，主要消耗加热蒸汽的是第一效。根据物料平衡：

计算得多效蒸发第一效的加热蒸汽消耗量为4.437 kg/s。

以三效蒸发为例，考虑各种温差损失和蒸发器的热损失，其能效比为0.42，则三效蒸发的单位蒸汽消耗量为1.864 kg/s。

假定工业蒸汽价格为200元/t，全年工作时间为7200h，故多效蒸发年蒸汽费用为：

 

机械式蒸汽再压缩技术理论上在启动后正常运转时，不再需要外来蒸汽供应，仅压缩机消耗一定的电能。

在本例中，根据已知条件，经设计计算可得，压缩机的功率为：

工业电价假定为0.65元/(kW·h)，全年工作时间为7200h，则MVR系统每年所需的电耗费用为：

从上述数据可明显看出，MVR蒸发相对于多效蒸发，每年可节省费用达783.14万元。

3.3 冷却水处理量

冷却水的流量由冷凝器的热量衡算：

以三效蒸发为例，若第三效二次蒸汽的温度为70℃，冷却水初温为20℃，蒸发量在各效间的比例分配为1.0:1.1:1.2。

根据以上条件，经计算得，三效蒸发的冷却水流量为69.74 t/h。

冷却水的处理费用为0.4元/t，则三效蒸发1年所用的冷却水费用为：

 

机械式蒸汽再压缩系统由于二次蒸汽加压后重新回到加热室作为加热蒸汽，而加热蒸汽的冷凝水又作为预热原料的热源，整个系统充分回收利用了蒸汽的潜热，因而省却了冷却水系统，基本实现工业废水的零排放。

可以看出，MVR蒸发比起三效蒸发，每年还可节省20.09万元的冷却水费用。

3.4 输入热量

在达到相同的淀粉糖生产条件下，分别分析传统多效蒸发和MVR蒸发技术所需的输入热量。

多效蒸发的输入热量为：

式中，q为蒸汽冷凝水带出显热；q?e为浓缩液带走热量；q?e为终效蒸汽冷凝放出潜热；q39;为损失热；q为料液带入热。

经计算得：q?e为840.78×10? kJ/h，q?e为1,880.97×10? kJ/h，q?e为11,551.5×10? kJ/h，q39;忽略，q为4,477.8×10? kJ/h。

最终三效蒸发的输入热量为Q=9,795.45×10? kJ/h。

对于MVR蒸发，加热室以压缩后的高温位二次蒸汽作为加热热源，加热蒸汽在加热室中与被处理料液进行热交换而凝结成液体后排出系统外。因此，MVR蒸发排出的是显热。根据这种蒸发方式列热平衡可得：

式中，q1v为蒸汽冷凝水带出显热量；q2v为浓缩液带走热量；q3v为预热溶液所需的热量；q39;及q同三效蒸发。

经计算得：q1v为4,910.49×10? kJ/h，q2v为1,180.97×10? kJ/h，q3v为1,180.97×10? kJ/h，q39;忽略，q为4,477.8×10? kJ/h。

最终可得MVR的输入热量为Q39;=2,213.66×10? kJ/h。

达到相同的生产条件，采用MVR蒸发装置，其所需要的热量约为三效蒸发的24%。

3.5 综合节能对比

为了直观地表现MVR系统的节能效果，将MVR系统和多效蒸发系统各自消耗的能量转化为标准煤消耗量进行比较。按照1kW·h电的等价热量为0.404 kg的标准煤，1 kg饱和蒸汽的等价热量为0.145 kg的标准煤计算，则在本例中，使用MVR则1年所消耗电的等价热量为1.14 kt标准煤。采用三效蒸发1年所耗蒸汽的等价热量为7kt标准煤。

比较上述数据可以看出，相对于三效蒸发而言，使用MVR蒸发可以节省85.7%的标准煤。

四、结论

本文以15 t/h淀粉糖的蒸发浓缩为工程实例，对采用MVR蒸发技术和多效蒸发技术的能效进行对比分析。结果表明，采用MVR蒸发技术比传统的多效蒸发技术每年可节省783.14万元的加热蒸汽费用及20.12万元的蒸汽冷凝水费用，相当于节省了85.7%的标准煤。另外，在相同的蒸发条件下，MVR蒸发装置所需热量为三效蒸发的24%。说明采用MVR蒸发技术可以提高效率、节约能源、降低企业运行成本。