蒸发浓缩是一种基本的化工单元操作,广泛应用于化工、轻工、医药、冶金、食品加工、海水淡化、污水处置、原子能等范围中。蒸发浓缩操作主要通过采用源源不绝的生蒸汽作为热源,关于低浓度、处置量大的物料,生蒸汽的消耗所带来的能耗是相当可观的,节能成为现在摆脱能源短缺束缚的要紧途径之一[1],合适采用能源,提升能源借助率是蒸发过程中需要看重的问题[2]。对于一些需要购买蒸汽的企业,伴随市场蒸汽价钱的不断上涨,蒸汽运行的本钱也愈来愈高,企业的负担明显增大。因此怎么样降低装置蒸汽的运行本钱、使能耗减少,以此来达到节省能源的目的,是现在蒸发浓缩工艺亟待解决的问题。
现在,大多企业广泛采用多效蒸发技术,借助前一效蒸发产生的二次蒸汽作为后一效蒸发器的热量出处。理论上多效蒸发的效数越多,所节省的生蒸汽越多,但伴随蒸发器效数的增多,设施资金投入费和基建费也相应地增加。因此大量企业一般做到三效或者四效。但多效蒸发末效产生的蒸汽还存有很大的潜热借助价值,直接进入冷凝器无疑造成了巨大的能量浪费,如果这些蒸汽进入压缩机进行压缩后,使得二次蒸汽的温度、重压、热焓值得到大幅度的提高,得到的高品位的二次蒸汽可以重新进入第 一效蒸发器内替代新鲜蒸汽进行换热,于是除了启动该系统时,需要通入一点蒸汽外,只须产生二次蒸汽,就可关闭新鲜蒸汽的加入,这样就充分借助了二次蒸汽的潜热,从而达到节能的目的。
传统三效蒸发技术
多效蒸发是应用最早的淡化办法,20世纪60年代末进步了低温多效蒸发海水淡化技术[3]。较大的低温多效淡化装置坐落于以色列的ASHDOD电厂,制水规模11.9万m3/d,单机日产淡水1.7万m3/d[4,5]。多效蒸发的多个蒸发器中只有第 一效采用生蒸汽,因此生蒸汽的采用量大为降低。若忽视热损失而沸点进料,单效蒸发的单位蒸汽消耗量e约为1,n效蒸发的e约为1/n。多效蒸发由于其具有换热性能好、动力消耗少、操作弹性大等优势,在海水淡化技术中占要紧地位[6,7]。
针对多效蒸发系统打造了水平和能量平衡方程,编制了计算程序进行求解。研究了系统效数、加热蒸汽温度、浓缩比等参数对系统造水比的影响。研究结果表明:多效蒸发海水淡化系统造水比随系统效数的增加而提升、随加热蒸汽温度的提升而减少、随系统浓缩比的增加而提升。
针对油田污水成分复杂、不适合膜法脱盐的特征,提出了用多效蒸发技术对油田污水进行集中脱盐的技术策略。打造了油田污水多效蒸发系统工艺步骤的计算模型,剖析了蒸发温度、效数等主要运行参数对系统性能的影响。
传统的三效并流降膜蒸发工艺如图1所示其工作原理是,预热后的原料液经原料泵被输送到第 一效蒸发器的顶部进料室,通过布液器进入列管内,与管外的生蒸汽进行热量交换,原料液以降膜形式蒸发。蒸发产生的浓缩液和二次蒸汽进入分离器内进行分离,分离出来的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽,而分离后的浓缩液经泵打入到第二效蒸发器内进一步浓缩。第二效分离出来的二次蒸汽进入第三效的加热室作为加热蒸汽,产生的浓缩液经泵打入到第三效蒸发器内继续浓缩到规定的浓度后通过出料泵排出,第三效产生的二次蒸汽则全部送进冷凝器内进行冷凝。
多效蒸发是运用前一效产生的二次蒸汽作为后一效的热量出处,虽然在一定量上节省了生蒸汽,但是第 一效依然需要供应源源不绝地生蒸汽,并且从末效出来的二次蒸汽还需要用冷凝水进行冷凝。这样不仅需要担负冷凝水的成本还浪费了很多的蒸汽潜热。
三效MVR蒸发技术
现在对MVR系统工业运行的报道比较少,大部分还是仅仅停留在实验室运行阶段。
对埃及原子能管理局传热实验室产能为5t/d的单级MVR脱盐系统进行了研究。实验结果表明为保证水平管外较好的形成薄膜,浓海水的循环量为进料量的15～20倍;蒸汽过热度在15～20℃范围内;生产率伴随操作温度的升高而增大。
对单级MVR处置麻黄 素废液进行了实验研究,结果指出使用该技术获得的出水满足生产回用需要;系统节能成效显著。
使用单级MVR系统对高浓度洗毛废水处置进行了实验研究,结果表明该技术处置洗毛废水成效良好。
综上可知,已有一些对MVR实验研究的报道,这些研究大多是针对单效MVR系统在实验室条件下的研究。然而对于多效MVR蒸发技术实验研究还少有报道。而以实质工业运行为背景的研究无论是处置何种物料更是鲜有报道。因此,对多效MVR技术拓展具有工业运行背景的研究,从实质运行上剖析和把握系统的运行特点及规律,积累实质应用经验,是促进该技术工程化进步亟须进行的工作。
三效MVR蒸发技术的工艺步骤如图2所示。将末效蒸发器分离出来的二次蒸汽经压缩机压缩,其温度、重压升高,热焓增大,然后进入一效蒸发器加热室冷凝并释放出潜热,受热侧的料液得到热量后沸腾汽化产生二次蒸汽依次进入后一效蒸发器作为热源,第三效蒸发器产生的二次蒸汽经分离后再进入压缩机,周而复始重复上述过程,蒸发器蒸发的二次蒸汽源源不断地经过压缩机压缩,提升热焓,返回到一效蒸发器作为蒸发的热源,这样既省去了二次蒸汽冷却水系统,节省了很多的冷却水,还可以充分收购借助二次蒸汽的热能,省掉生蒸汽,达到节能的目的。
能耗对比剖析
用1 t/h氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象,对采用三效MVR蒸发和传统多效蒸发技术的工艺步骤进行能耗对比剖析。
工艺条件:进料量F=1 t/h,料液初始浓度x0=3.8%,完成液浓度为x3=18%,蒸发温度为T1=99.6℃,加热蒸汽温度为T2=104.5℃,末效蒸汽出口温度为T3=85.6℃。因此压缩机温升应该达到△t=T1-T3=104.5-85.6=18.9℃,现在压缩机能达到的较大温升范围为15～25℃。因此三效MVR工艺完全可行。
3.1加热蒸汽消耗量
多效蒸发主要是第 一效耗费加热蒸汽,依据物料衡算
各效的热量衡算式为
分析到各种温度差损失和蒸发器的热损失等,查阅资料书及文献[15]取上述数值后,代入热量衡算式计算可得多效蒸发加热蒸汽的消耗量为284.289 kg/h。一般工业蒸汽的价钱为240元/t,全年工作时间根据7 200 h来计算,因此多效蒸发每年的蒸汽成本为284.289×7 200×0.24=491 251.4元
对于三效MVR蒸发,理论上,设施启动后正常运行时,不再需要外来蒸汽的供给,仅需压缩机耗费肯定的电能即可。
在本例中,依据已知条件,通过设计计算,压缩机的理论功率为
式中Wth——压缩机理论功率/kW;
T1——进气温度/℃;
P1——压缩机进充气压力强/kPa;
P2——压缩机出口气体压强/kPa;
Rg——水蒸气气体常数/J·(kg·℃)-1,取值461 J/(kg·℃);
n——多变系数,一般n=1.2～1.3。
由于压缩机压缩二次蒸汽属于多变过程,压缩机多变效率和机械效率均取90%,因此在实质运行过程中,压缩机所消耗的总功率按下式计算
式中WT——压缩机实质功率/kW;
ηe——机械效率/[%];
ηm——多变效率/[%]。
压缩机实质功率为
工业电价为0.7元/kW·h,全年工作时间根据7 200 h来计算,则三效MVR蒸发系统每年所消耗的电费为36.221×7 200×0.7=182 553.8元，因此依据上述数据,三效MVR较传统多效蒸发,每年可以节省308 697.6元。
3.2冷凝水消耗量
冷凝水的温度为tw=25℃,排出温度tk=30℃,冷凝重压p=60 kPa,冷凝蒸汽量W3=246.192 kg/h
式中G——冷凝水用户流量/kg·h-1;
h——进入冷凝器二次蒸汽的焓/J·kg-1;
W——进入冷凝器的用户流量/kg·h-1;
CPW——水的比热容/J·(kg·℃)-1,取值4.187×103J/(kg·℃);
tw——冷凝水的初始温度/℃;
tk——水冷凝液混合物的排出温度/℃。
冷凝水的用户流量
因此三效蒸发的冷凝水用户流量为29.71 t/h。冷凝水的处置成本为0.4元/t,因此三效蒸发每年所采用的冷凝水成本为
29.71×0.4×7 200=85 564.8元
对于三效MVR蒸发系统来说,不仅末效产生的二次蒸汽可以升温升压后重新回到第 一效作为热源,而且加热蒸汽的冷凝水又作为预热原料的热源,整个系统充分的收购借助了二次蒸汽的潜热,因此省掉了冷凝水系统。所以三效MVR比起传统的多效蒸发,每年还可以节省85 564.8元的冷凝水成本。
3.3综合节能对比
为了便于相互对比和在总量上进行研究,将三效MVR蒸发系统和多效蒸发系统各自耗费的能量转化为准则煤消耗量来进行比对,可以将三效MVR蒸发系统的节能成效直观地体现出来。根据1 kWh电的等价热量为0.4 kg的准则煤,1 kg饱和蒸汽的等价热量为0.14 kg的准则煤进行计算,采用三效MVR每年所耗费电的等价热量为104.316 t准则煤。使用三效蒸发每年所消耗蒸汽的等价热量为286.563 t准则煤。对比以上数据可以得出,相比于多效蒸发来说,采用三效MVR蒸发系统每年可以节省63.6%的准则煤
结论
三效MVR蒸发系统既节省了加热蒸汽的用量,同时又无需用冷却水冷凝末效的蒸汽,从而节省了冷却水的成本,可以说是节能显著的一种工艺步骤。本文通过1 t/h氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象,剖析了三效MVR蒸发技术和传统多效蒸发技术的能耗问题,对比结果显示,采用三效MVR蒸发技术比传统的多效蒸发技术每年可节省308 697.6元的加热蒸汽成本及85 564.8元的蒸汽冷凝水成本,等于节省了63.6%的准则煤。说明三效MVR蒸发节能成效明显,运行本钱低,充分借助了二次蒸汽的潜热,设施一经启动,则不再需要新鲜蒸汽,只是需要一部分电能,使能耗大大减少。为三效MVR蒸发技术的推行采用供应了基础。
