MVR蒸发系统影响因素分析

2016-03-14李亚仙陈晓庆韦正帅

甘肃科技 2016年10期

关键词：蒸发器分离器进料

李亚仙，刘　宝，陈晓庆，葛　娟，韦正帅，刘　帅，张　倩

MVR蒸发系统影响因素分析

李亚仙，刘宝，陈晓庆，葛娟，韦正帅，刘帅，张倩

（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070）

MVR蒸发是目前化工生产中重要的操作单元之一，由于其运行平稳、能耗低，广泛应用于化工、食品、医药、牛奶、环保等行业。文章根据MVR蒸发系统在设计、运行中出现的问题，对影响MVR蒸发的因素进行分析、总结。

MVR；影响因素；物性；工艺；设备运行

机械压缩（MVR）是利用电能驱动叶轮，将蒸发的二次蒸汽进行再压缩，提高蒸汽的品味，作为蒸发器的热源进行二次利用。目前，由于蒸汽价格和电价差异较大，加之国家对环保的控制已限制蒸汽锅炉的大量使用，致使利用电驱动的MVR压缩机已经广泛应用于食品、化工、乳品、发酵、明胶、环保等诸多行业。

1　MVR蒸发装置简介

MVR蒸发装置是MVR压缩机和蒸发系统的有机结合，在合理的蒸发温度下进行蒸发的一种方法。其主要的优点有：能耗低，蒸发一吨水只需消耗电量20～27kwh；蒸发温度可根据物料合理选择；蒸发速度快，物料进、出设备只需十几秒，有利于处理热敏介质；低温蒸发可以降低材料的腐蚀和能耗的损失；能量循环利用使能耗降低；最大程度的降低冷却水的消耗［1］。

一套MVR蒸发装置主要由MVR压缩机、预热器、蒸发器、冷凝器、分离器、真空系统、泵、管件阀门、控制系统等组成。

MVR蒸发装置能量利用率高，运行稳定被越来越多的用户和行业所接受。但MVR蒸发系统在设计、运行中需考虑物料、海拔、设备、操作等诸多因素的影响，文章对可能影响MVR蒸发系统的各因素进行分析叙述。

2　物料的物性对MVR蒸发的影响

物料的主要物性参数有密度、定压比热容、导热系数、粘度、沸点升高、焓值、表面张力、热敏性、腐蚀性等。密度、定压比热、导热系数、粘度极大影响了物料侧的传热系数，而传热系数的不同会直接影响蒸发面积的设计计算［2］。

表面张力，主要影响物料的汽、液分离过程和分离器的直径、高度的选择，在膜式蒸发中还会影响物料的布膜情况。沸点升高主要影响工艺流程的选择，蒸发温度的选择，温度梯度分布和压缩机选择。沸点升高比较高的物料，通常选用MVR单效蒸发，压缩机温升高，采用负压蒸发可以有效降低物料的沸点升。

物料的粘度除了影响传热系数还会对蒸发器型式的选择有影响。浓度高的物料须选择强制循环或刮板式蒸发器，以防止物料流动速度过慢发生结焦的现象。

物料的热敏性［3］，要求物料在蒸发器中停留的时间要短，否则会使物料发生质变，则需减少蒸发器的效数或级数，减少物料在蒸发器中循环时间。如果蒸发物料对温度有要求时，设计时一定要考虑蒸发温度、蒸发器型式及流程的选择。

物料的腐蚀性特别是物料在高温下的腐蚀性，这是选材的一个重要因素。

3　海拔的影响

海拔是反应一个地区地势高低的物理量。海拔高，当地的气压小，表压降低，对应的溶液沸点降低。海拔高度对MVR蒸发的影响直接体现于系统的真空度以及对应饱和蒸汽的热工参数。

为降低能耗，MVR蒸发多数选择在负压下运行，其负压的获得需采用真空系统。真空系统另一个作用是将MVR蒸发装置中的不凝气抽出。海拔高低会影响极限真空度。如水环真空泵在0海拔其极限真空为-0.094Mpa，在海拔1500m时，其极限真空为-0.08Mpa。对热源蒸汽而言，表压0.1Mpa的蒸汽，0海拔对应温度为99.6℃，1500海拔对应的温度为95.1℃。可见海拔会对蒸汽热工参数有影响，因此，在MVR蒸发设计时要充分考虑。

4　工艺参数的影响

工艺参数对MVR蒸发器的设计起着重要的作用。处理量和蒸发量决定设备的规模，效、级的数量，蒸发面积的大小，设备投资的成本。

进料浓度和出料浓度直接影响传热的计算和蒸发温度的选择，进而影响压缩机进、出口温度的选择。由于蒸发强度的问题，出料浓度还会影响蒸发器形式的选择和蒸发流程的设计［4］。

进、出料温度。MVR蒸发装置在工艺设计中要做到能量的极大化利用，因此在考虑满足进、出口物料温度的情况下通过工艺变化将冷凝水、冷却水的出口温度降低最低。

5　设备运行及操作的影响

5.1进料参数变化的影响

进料量：蒸发系统有其固有的操作弹性，即在正常运行时进料量有一定的范围。根据能量守恒定律，设备最大传热量为定值。进料量过大，会影响蒸发传热系数［8］，使蒸发量发生变化，出料的浓度会降低。进料量过小时，各效蒸发器物料侧流量大大减少，不仅会使蒸发温度升高，严重时会造成干烧、结焦的现象。

进料浓度：进料浓度变化会引起物料物性的变化，会直接影响传热系数以及沸点升高的变化，对蒸发的影响前面以叙述过不再详述。

进料温度：进料温度不仅会影响物料的物性，从而影响物料侧的传热系数。蒸发器进料一般要求泡点进料，如果进料温度过低会牺牲部分蒸发器的面积用于提升物料显热而非潜热，降低蒸发量。

5.2MVR压缩机工况变化影响

MVR压缩机是此蒸发装置中关键设备之一。主要的参数有流量，进、出口温度，电流等。压缩机蜗壳设计通常采用体积流量，由于水蒸汽比容和温度一一对应，则温度不同压缩机最大质量流量不同。

根据能量守恒定律，压缩机需要的总功要等于水蒸气进、出口总焓之差。功是由电机提供，压缩需要的总功除效率值得到轴功率，根据轴功率和电机功率系列值选择最佳的电机。电机提供的最大的功和蒸汽温升所需的功在有的情况下差值较大，这就造成压缩机富裕量大［5，6］。

压缩机在设计参数下，流量、温升、压比、效率值都为最高，压缩机设计完成后，其运行由温度、流量、电机等共同决定。当压缩机进口温度低，比容增大，压缩机可进入的最大蒸汽量增大，但由于压缩机功率已定，则根据能量守恒原理出口的温度会降低，表现为进、出口温差不够［7］。当压缩机进口温度升高时，比容减小，水蒸汽质量流量减小，由于电机和效率值的影响，出料温度会升高，但由于叶轮和转速等影响，表征到进、出口的温差不会增大。

压缩机开机的过程是电机频率逐渐增大的过程［8］。在小频率下，流量和温升有个对应值，随着流量的增大，在相同的频率下温升会减小但是压缩机会自动提高频率已保证更高的温升。压缩机频率、流量、温升会相互影响逐渐升高至额定值。

压缩机运行与物料沸点升有关，表征在蒸发物料蒸发所需的能量与压缩机提供能量的平衡［9］。MVR蒸发处理水，通常表现为蒸发量满足要求但温升和电流值偏低，体现为在较低的温差下就可以蒸发出够量的水以满足能耗的需求。在处理沸点升的物料中，压缩机提供的能量一部分要克服沸点升剩余的才能用于蒸发，这就需要更多的功，表现为流量变化不大但出口温度和电流值增大。

5.3分离器的影响

分离器是提供物料和二次蒸汽分离的场所，分离器的设计要充分考虑蒸发量、蒸发温度、物料粘度、表面张力、循环量、分离器液位等因素。

分离器中蒸发量增大，会使二次蒸汽上升的速度加快，夹带液量严重，也可能会造成压降增大，二次蒸汽再冷凝量增多，如果持续时间过长会使分离器寻找新的平衡温度，温度会升高［10］。

分离器的蒸发温度变高时，如果蒸发器提供的热量不变则分离出的二次蒸汽量会减少，由于温度高水蒸气的比容变小则分离器中二次蒸汽流速变慢，分离效果好［11］。如温度降低，MVR蒸汽系统其他参数不变情况下，闪蒸的二次蒸汽量会增大，同时二次蒸汽比容大，则二次蒸汽上升速度变快，物沫夹带可能会加重。

物料浓度、粘度、表面张力增大，会造成二次蒸汽分离困难，分离器分离量不够。分离器的物料循环量和液位高度增大会造成二次蒸汽夹带量严重。分离器的直径是保证汽、液分离有足够的分离面，分离器高度是提高汽液相互夹带的因素［12］。分离器高度越高，分离效率越高，但设备成本也会增加。除了提高分离高度当然还有许多减少夹带提高分离率的结构及措施。

5.4泵的影响

泵是蒸发系统中主要的动设备，主要起输送液体的作用。MVR蒸发系统中泵多采用双机械密封的型式。主要因为要在负压下降物料抽出。泵机械密封的好坏以及运行时的流量、吸程、扬程都会对蒸发系统产生影响。

料泵密封泄漏或其他原因致使流量不足，会引起积液或缺料，严重时会发生干烧甚至结焦堵塞蒸发器。

冷凝水泵如果不能及时将冷凝水抽出，会使冷凝水在蒸发器中聚集，会使蒸发器的传热发生严重的抑制作用［13］。蒸发器中本来使用蒸汽加热变为热水加热，效率会大大降低，导致蒸汽发生堵塞。

5.5其他的影响

除了以上提出的运行时可能出现的影响因素外，还有配管的问题、阀门质量问题的影响、操作规范性的问题等，都会对蒸发系统产生影响。