蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)器的實驗研究

蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)器的實驗研究

廣泛用于化工、輕工業(yè)、食品、制藥、海洋淡化和污水處理的生產(chǎn)中。由于這種操作是一個耗能較大的過程，因此，提高蒸發(fā)過程中的能量利用率對節(jié)約能源具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，人們已經(jīng)采用了很多方法來提高蒸發(fā)過程的能量利用。其中，多效蒸發(fā)和蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)（MVR）被認為是比較有效的兩種工藝。而MVR又以其節(jié)約能源、經(jīng)濟可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等越來越被人所關(guān)注。MVR本身還具有其它很多優(yōu)點，主要有操作簡單、對料液的預(yù)處理要求不高、無需冷凝器、無需啟動蒸汽、壽命長等。MVR作為一種節(jié)能效果較好的蒸發(fā)方式，已在海水脫鹽方面得到了廣泛的研究，一些MVR系統(tǒng)已應(yīng)用于實際的脫鹽生產(chǎn)過程中。目前，很多研究者對MVR中采用水平降膜蒸發(fā)器的工藝過程進行了研究，研究表明，采用MVR能夠降低蒸發(fā)過程中的能耗。本文介紹了一套采用豎直降膜蒸發(fā)器的MVR系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)在不同操作條件下的蒸發(fā)性能，并就節(jié)能性和經(jīng)濟性與多效蒸發(fā)進行了比較。1蒸發(fā)管的制備本文所介紹的MVR系統(tǒng)主要有降膜蒸發(fā)器、分離器、壓縮機、真空泵、溶液桶、循環(huán)泵等構(gòu)成，流程圖如圖1所示。實驗中用一輔助加熱器來代替系統(tǒng)的預(yù)熱單元，以便得到不同溫度下的進料溶液。物料在進料桶內(nèi)被加熱到要求溫度后，由進料桶底部經(jīng)管路導(dǎo)入系統(tǒng)，在降膜蒸發(fā)器頂部與從蒸發(fā)器過來的濃循環(huán)液相混合后，經(jīng)由布液器分配到各蒸發(fā)管內(nèi)成膜蒸發(fā)。在此應(yīng)當注意必須保證有足夠的濃循環(huán)液，以便料液能夠在整個蒸發(fā)管內(nèi)形成均勻的夜膜。進入蒸發(fā)管的料液吸收管外的熱量后沸騰蒸發(fā)，變成汽、水混合物。這種混合物在蒸發(fā)器的下封頭成兩路分出，一路是夾有部分濃料液的水蒸氣（二次蒸汽），一路是濃縮后的濃溶液。夾有部分濃料液的水蒸氣進入分離器，經(jīng)分離器分離出濃溶液后，由分離器上部排出；分離出的濃溶液由分離器底部排出與另一路的濃溶液混合?；旌虾蟮臐馊芤航?jīng)由循環(huán)泵后，分成兩股，一股作為產(chǎn)品導(dǎo)入產(chǎn)品罐；另一股作為循環(huán)液被導(dǎo)入蒸發(fā)器繼續(xù)參與循環(huán)。由分離器頂部排出的二次蒸汽，被吸入羅茨式壓縮機，壓縮以提高溫度和壓力。壓縮后的二次蒸汽為過熱的氣體，為了能充分利用壓縮后二次蒸汽的潛熱，在將二次蒸汽排出前，采用有效的方法來消除過熱。消除過熱后的二次蒸汽進入蒸發(fā)器的殼程，冷凝放出潛熱后以冷凝水的形式排入冷凝罐，進一步處理后排出。系統(tǒng)中裝有兩臺真空泵，這樣可以形成真空的系統(tǒng)環(huán)境，并可以將蒸發(fā)過程產(chǎn)生的不凝性氣體排出。這是因為不凝性氣體的存在對傳熱系數(shù)具有較大的不利影響，將不斷產(chǎn)生的不凝性氣體排出有利于熱量的傳遞。2進料溫度對蒸發(fā)出1km蒸發(fā)的影響本文實驗以維生素C溶液為原料，蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積為3.5m2，操作在真空下進行，真空度為0.09MPa（表壓）。實驗主要的變量有進料溫度、進料量；主要的因變量有二次蒸汽流量、壓縮機功率。圖2和圖3分別表示蒸發(fā)量隨著進料溫度不同的變化情況和隨著進料量不同的變化情況。圖4示出了蒸發(fā)出1kg水蒸氣所需壓縮功率與進料溫度之間的關(guān)系。從圖2可以看出，進料溫度對蒸發(fā)量的影響顯著。蒸發(fā)量隨著進料溫度的提高而增大。這是因為進料溫度高料液所帶有的熱量就多，進入蒸發(fā)器的熱量也就多，這樣就更易蒸發(fā)出較多的二次蒸汽。這樣就使蒸發(fā)量處在較高的水平。然而，蒸發(fā)量并不會持續(xù)的增加下去，它要受到壓縮機和蒸發(fā)器的性能限制。另外，圖2也表明MVR可以在低溫下實現(xiàn)蒸發(fā)，這一特性使得MVR可以應(yīng)用與熱敏性大的物料蒸發(fā)操作中。從圖3中可以看到，進料量對蒸發(fā)量的影響較小，隨著進料量的增大蒸發(fā)量變化不大。這是因為在蒸發(fā)管內(nèi)液膜的厚度是受限制的，過多的進料量并不能提高蒸發(fā)量。從圖3中會看到在本實驗條件下當進料量為320kg/h時蒸發(fā)量達到最大值，進料量進一步增大并沒有帶來蒸發(fā)量的加大。圖4表明每蒸發(fā)出1kg水蒸氣所消耗的功隨著進料溫度的增大減小。這是因為溫度較高的進料進入蒸發(fā)器時帶入了更多的能量。3節(jié)能和經(jīng)濟3.1蒸發(fā)系統(tǒng)比較為了介紹MVR系統(tǒng)的節(jié)能性，選取進料溫度為40℃，進料量為320kg/h時的情況為例，與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)器耗能進行比較。由圖2和圖4可以看到，當進料溫度為40℃時，蒸發(fā)量和功率分別為29kg/h和0.107kW/kg。表1給出了多效蒸發(fā)器每蒸發(fā)出1kg水蒸氣所需要消耗生蒸汽的經(jīng)驗量。我們將MVR系統(tǒng)和多效蒸發(fā)系統(tǒng)所各自消耗的能量轉(zhuǎn)化為標準煤消耗量進行比較，比較結(jié)果列于表2。正如表2所展示的，與一效蒸發(fā)器相比，每蒸發(fā)出1t水蒸氣，MVR系統(tǒng)可以節(jié)省78.6%的標煤；與二效相比可節(jié)省68.6%的標煤；與三效相比可節(jié)省41.2%的標煤；與四效相比可節(jié)省21.6%的標煤；與五效相比可節(jié)省12.9%的標煤。3.2蒸發(fā)系統(tǒng)的成本為了說明MVR系統(tǒng)的經(jīng)濟性，我們進行了一個簡單的分析。目前，生蒸汽的市場價格平均為200元/噸，工業(yè)用電的價格為0.6元/(kW·h)?，F(xiàn)在，我們將MVR系統(tǒng)和多效蒸發(fā)系統(tǒng)的各操作成本列于表3。從表3，我們可以看到每蒸發(fā)出1t水蒸氣，MVR系統(tǒng)相對于一效、二效、三效可分別節(jié)約156元、86元、16元；與四效蒸發(fā)器的費用相當。由此可以看到MVR系統(tǒng)在操作成本上的經(jīng)濟性。4蒸發(fā)效率對比本文研究了MVR系統(tǒng)在不同操作情況下的蒸發(fā)性能，結(jié)果表明，文中所介紹的這套設(shè)備的最佳進料量為320kg/h；該套設(shè)備可以在低溫下蒸發(fā)，可用于熱敏性較大的物料蒸發(fā)中。本文分別將MVR系統(tǒng)的能耗和操作成本與多效蒸發(fā)器進行了對比，結(jié)果表明，該套系統(tǒng)相對于一效、二效、三效、四效、五效蒸發(fā)器分別可以節(jié)省78.6%、68.