机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能研究进展

顾承真 颜 旭 张志强 洪厚胜，2

（1．南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 211816；2．南京汇科生物工程设备有限公司，江苏 南京 210009）

蒸发操作在工业上广泛应用于食品工业、制药工业、饮料工业（牛奶、果汁、糖溶液蒸发）、废水处理（含盐废水、含重金属废水）、化学工程等领域［1－3］。蒸发在工业生产中是非常耗能的一道程序，无论是从节约能源还是从经济效益上来说，高效节能的蒸发设备对工业生产上的意义变得非常重要。多效蒸发和机械蒸汽再压缩蒸发是目前工业生产中主流的蒸发工艺，其中多效蒸发（TVR）工艺因其多次利用二次蒸汽能达到一定的节能效果。而机械蒸汽再压缩蒸发（MVR）因可以反复利用二次蒸汽起到高效节能的作用，同时MVR 蒸发系统还有操作简单，低温蒸发，占地面积小，无需冷却系统等优点［4］。目前MVR 蒸发系统逐渐成为科学研究和工业应用的热点项目，不久的将来MVR 蒸发器必将在中国得到快速发展和广泛应用。

1 MVR 蒸发系统的工艺流程与设备类型

MVR 蒸发系统主要由预热器、蒸发器、气液分离器、蒸汽压缩机以及真空泵、清洗系统等相关附属设备组成［5］。其中压缩机和蒸发器是MVR 系统的核心设备。目前常用的蒸汽压缩机主要是罗茨压缩机和离心压缩机。但离心式压缩机与罗茨压缩机相比有流量大、噪音小、运行成本低、没有串油及漏气的顾虑等优点［6］。离心式压缩机将会成为以后MVR蒸发系统发展的主选设备。蒸发换热器常常采用真空蒸发设备，常用的真空蒸发换热器主要有降膜式蒸发器和升膜式蒸发器，其中降膜式蒸发器可进行低温操作，可浓缩高黏度物料，物料在管内停留时间短，适合热敏性物料的蒸发浓缩。目前，降膜式蒸发器在中国的应用日趋成熟［7］。文章以离心压缩机和降膜式蒸发器为MVR 的载体，进行相关的计算和工艺流程说明。

如图1所示，原料经过预热器加热至饱和溶液，然后由降膜式蒸发器的顶部进料，在蒸发器内充分蒸发后，得到的气液混合物进入分离器。在分离器中浓缩液由底部引出，产生的二次蒸汽进入离心压缩机进行压缩。压缩后的蒸汽温度，压强升高，热焓增大，高品位的蒸汽通过管道进入蒸发器的壳程冷凝，释放出冷凝潜热，变成冷凝液排出蒸发室。同时管程内的料液吸收热量，沸腾汽化，产生二次蒸汽，进入上述循环过程。理论上物料蒸发所需的热量和二次蒸汽冷凝所放出的热量几乎相等。所以整个过程中只需要初次补入蒸汽，之后便可循环利用二次蒸汽，消耗的只有少量的电能。

2 MVR 热泵系统的原理分析与计算

焓熵图可以清楚的反应MVR 系统中蒸汽的热力过程［8］。图2为水蒸汽焓熵图，可以用来辅助分析MVR 工艺流程中的能量变化。

图1 MVR 工艺流程Figure1 Processing flow of MVR

图2 水蒸汽焓熵图Figure2 Enthalpy entropy diagram of steam

（1）1→2阶段：物料在此阶段属于预热阶段，若进料温度越高，所携带的热量就越多，越易产生二次蒸汽，蒸发量大大提高。所以一般将物料预热到饱和状态，饱和进料也是实现MVR 连续作业且无需补充热源的基础，为了充分利用系统的热量，可以将物料与蒸汽冷凝液或者热的浓缩液进行换热升温。

（2）2→3阶段：物料在此阶段属于蒸发过程，蒸发管中的饱和物料在吸收二次蒸汽的冷凝潜热后，自身发生汽化。随着汽化的进行，物料不断的吸收热量，因此物料的焓值不断增加。但此阶段，水蒸汽一直处于饱和湿蒸汽状态，温度保持不变。

（3）3→4阶段：蒸发后的气液混合物，进入气液分离器，分离后的低温低压蒸汽进入压缩机进行机械压缩，得到高温高压的高品质蒸汽。在此过程中，蒸汽的温度、压强、热焓都有大幅度提高。

若离心压缩机在运行时，系统没有能量损失、压缩过程在极短的时间内完成且与外界不进行热量交换。此时可以将压缩过程看成绝热等熵压缩（图2 中3→4 阶段）。满足［9］：

式中：

P—— 气体压强，kPa；

V—— 气体体积，m3；

环境温度对矿化垃圾反应床稳态运行性能具有较大影响，主要表现在影响污染物去除性能及床体水力渗透性能2个方面。

CP1—— 进气口蒸汽的比定压热容，kJ／（kg·K）；

Cv1—— 进气口蒸汽的比定容热容，kJ／（kg·K）。

而离心压缩机实际压缩过程中，会有部分能量损失，且水蒸汽在压缩过程中多个参数同时变化，一般看成是多变压缩过程。由于离心压缩机在高速运转时，机内损失的能量会转化为热能，气体的温度会升高，焓值也随之增大（图2中3→4′阶段）。但此时仍然满足一定的关系：

式中：

m—— 多变指数。

多变效率ηpol 是机器本身性能参数的一个指标，一般合格的离心压缩机的多变效率ηpol 范围在0．70～0．84［10］。当忽略水蒸汽的动压头变化时，则有可以通过此关系式求出多变指数m。

通过蒸汽的状态变化，可以得到多变过程的压缩功率为

Ts—— 吸气温度，K；

PS—— 吸气压强，kPa；

Pd—— 排气压强，kPa；

Rw—— 水蒸汽气体常数，J／（kg·℃）。

若蒸发器的蒸发能力（每小时蒸发水的质量）为qms，吸入蒸汽的密度为ρ1，则吸入气体的体积流量，设离心压缩机的机械效率为ηm，电动机的效率为ηeL，在特定的压缩比下，电动机总消耗的功率为

（4）4→7阶段：在状态4点，蒸汽处于过热状态，在一定的压缩比ε下，由公式可得到过热蒸汽的温度Td，由查表或者相关软件可知，此时蒸汽的比焓值h4。之后蒸汽在等压（P2＝Pd）条件下不断冷凝放热，状态变化依次为饱和干蒸汽（点5），饱和湿蒸汽（点6），最终变成冷凝液（点7）。设蒸发器内的传热温差为Δt，则有冷凝温度为TC＝td＋Δt，对应的冷凝液比焓值为h7。

所以在整个系统的工况，过热蒸汽在蒸发器里冷却至冷凝液过程中所放出的总热量为Q0＝qms（h4－h7）。若考虑系统因散热引起的能量损失，则Q有效＝Q0·γ，其中γ 为散热系数。

为了能反应MVR 蒸发系统的节能效果，工业上常常把能效比Cop 作为节能的衡量标准，其中：

3 MVR 蒸发系统的性能研究与分析

梁林等［11］以VC溶液为试验工艺的载体在MVR 蒸发体系中进行蒸发浓缩。研究了二次蒸汽流量与进料温度和进料量之间的关系，以及压缩机功率与进料温度之间的关系。得出蒸发量与进料温度基本呈线性增加关系，主要是因为进料温度越高，所携带的能量就多，越易相变产生更多的二次蒸汽。在一定范围内，蒸发量随着进料量的增大而增大，当进料量继续增大时，蒸发量基本不变。主要是因为在降膜式蒸发管中，液膜的厚度是受到一定的限制，过多的进料量并不能提高有效液膜厚度，因此蒸发量难以提高。压缩机消耗的功率随着进料温度的增大而呈现减少趋势，由能量平衡可知，物料进入蒸发器时携带的能量越多，需要压缩机提高能量差就越少［12］。

由文献［13］知，当蒸发系统的传热温差较小时，COP 值较大，随着温差的增大，COP值先迅速减少再趋于平稳，可知MVR系统应该在较小的温差下进行操作，黄成等［5］也指出最适有效传热温差应该在5～8 ℃，加上操作过程的温差损失，温差控制在20 ℃左右较合适。

袁卫星等［14］分别对等熵压缩和饱和多变压缩过程的COP值进行了计算分析，得出饱和多变过程的COP 值明显高于绝热压缩值，其主要原因是在饱和压缩过程中产生的热量全部被流体带走了。但饱和多变压缩在离心式压缩机中难以实现，高速旋转的离心机叶轮在含水的气流中容易疲劳断裂［15］。

王海澍等［16］通过在传统5效蒸发器第三效的单元设备上附加了蒸汽热泵回收装置，回收了部分的二次蒸汽。由试验数据绘制了一条在不同压缩比下，压缩功率随入口压力的关系式，得出压缩机的最适压比为2～3。压缩比过大时，压缩蒸汽的过热度较大，不仅对机器的材料和密封性能提出了要求，同时为了消除过热，在蒸汽饱和器中，产生较多的副产蒸汽，蒸汽系统难以维持平衡，在经济效益也是欠佳的。

赵博［17］假设在充分换热条件下，以压缩比为变量条件，分别研究了进料温度、电动机功率、换热量以及能效比与压缩比之间的关系。当不改变其他条件时，进料温度随压缩比的增大而减少，这可以从进出蒸汽器的能量守恒得以解释。因为压力比的增大需要压缩机做功增大，则二次蒸汽携带更多的能量进入蒸汽器，所以进料的能量相应的减少了。当压缩比不变时，进料温度随吸气压力的增大而增大，因为吸气压力的增大，意味着蒸汽的饱和温度也增大了，所以溶液的沸点升高，在饱和进料条件下，进料的温度是增加的。

电机功率也是随着压缩比的增大而增大的。这是因为压缩比的增大，意味着需要消耗更多的电功率使二次蒸汽获得较高的能量。同时压缩比增大时，换热量先稍有减少后缓慢增大。因为当进气压力不变且压缩比增大时，压缩后蒸汽的压强增大。又因为在蒸发温差不变的条件下，冷凝液的热焓值不变，因此换热量主要由排气的焓值决定。而由蒸汽的压焓图［10］可知，热焓随压强的增大也是先增大后减少的，故换热量也有相同的趋势。又因为能效比COP 反应的是换热量与压缩机耗能的比值，所以能效比随压缩比的增加先是迅速减少然后趋于平衡，且能效比不随吸气压力的变化而变化。

由以上分析可知：对于MVR 蒸发体系来说，物料应选择饱和进料，蒸汽通过压缩机时，压缩比应该控制在2～3，同时需要消除蒸汽的过热。在蒸发器里应该控制合理的传热温差，确保有效温差在5～8 ℃时较好。由于蒸发能力与具体的设备和控制条件都有关系，因此，根据工艺要求的不同，可以控制不同的真空度以及选择合适的蒸发面积。

4 结论与展望

MVR 蒸发系统是目前世界上最节能的蒸发浓缩单元，由目前国际的能源价格的走势来看，仅依靠少许电能的MVR蒸发设备将会在市场中占有重要的位置。同时离心式压缩机和降膜式蒸发器的组合使用也将是MVR 在工业上应用的主流趋势。当离心压缩机配有调频电机时，若要改变蒸汽的压缩比，只需要调节叶轮的转速。

二次蒸汽在压缩过程中参数的变化是耦合在一起的，对于离心式压缩机来说，叶轮的结构设计直接决定了压缩机的性能好坏，进而影响了压缩蒸汽的品质。因而对叶轮的优化设计需要继续深入研究［18，19］。二次蒸汽在进入压缩机之前往往会有少量的液体带入，即使是极少的液体也会对高速旋转的离心机叶片产生冲击，导致长时间工作的叶片腐蚀断裂等［20］。因此在二次蒸汽进入离心压缩机前安装高效的气液分离设备也是十分重要的。同时由于离心压缩机对液滴非常敏感，难以实现饱和压缩过程，二次蒸汽压缩后往往处于过热状态，压缩比越大，过热度越大。而过热的蒸汽不仅对设备有损害且在蒸发器中的传热效果不好。因此，在压缩后的蒸汽进入管道前，能够合理的设计出蒸汽饱和器以便消除蒸汽的过热，对整个MVR 系统的优化也是很有必要的。

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