机械蒸汽再压缩与多效蒸发火用耗对比

李方天 ，李 林，刘金勇

(1.山东鸿运工程设计有限公司，山东 济南 250100；2.山东天力能源股份有限公司，山东 济南 250100)

蒸发操作广泛应用于化工、制药、食品、深冷、海水淡化、污水处理等工业中。现在主要采用的蒸发技术是多效蒸发技术和蒸汽机械再压缩技术这两种技术。

多效蒸发是利用前效蒸发产生的二次蒸汽，作为后效蒸发器的热源，以利用其冷凝热。这样仅第一效需要消耗生蒸汽，末效的二次蒸汽需要循环冷却水冷凝。

蒸汽机械再压缩(Mechanical Vapor Recompression)是将蒸发产生的二次蒸汽，经压缩机压缩后，提高其压力和饱和温度，增加了热焓，再送入加热室作为热源，以达到循环利用二次蒸汽已有的热能，从而不需要外部生蒸汽。

多效蒸发和蒸汽机械再压缩常进行能效比较，本文就是以蒸发1吨水为例，从火用上进行了比较。

1 多效蒸发的生蒸汽消耗

根据热力学第二定律，一种形式的能量并不总是可以完全转换为功。从这一角度出发，可以把能量看成由两个部分组成：可转换的部分与不可转换的部分，可转换为功的部分就称为火用。根据GB/T 14909-2005《能量系统火用分析技术导则》规定，火用的基准态温度为298.15K (25℃) ，基准态压力为0.1M Pa(1bar)。依据热力性质图表，水在该状态下的sw0=0.31kj/kg.K(即0.0741kcal/kg.℃),焓hw0=84.24kj/kg(即20.125kcal/kg)。可根据Ex=(hx-hw0)-T0(sx-sw0)来计算不同状态下蒸汽的火用值。

常用于多效蒸发的蒸汽为温度为100～120℃的饱和蒸汽，对应的压力为0.1～0.2MPa。多效蒸发以四效为例，考虑实际上存在的各种温度差损失和热损失，蒸发1t水大约需要消耗0.3t蒸汽。则四效蒸发的生蒸汽消耗如表1。

表1 不同温度下的饱和蒸汽的焓值和火用值

如果溶液的沸点升较低，那么可选用的饱和蒸汽压力或温度就可较低，或者可使换热温差较大，从而减少换热面积。

2 机械蒸汽再压缩的压缩机电耗

压缩机的做功提高蒸汽的品质，要克服溶液的沸点升，并能对溶液温度有有效的传热温差以及各种热损失等。当溶液的沸点升越高，压缩机的温升就越高。对于同一体系的MVR系统，有效换热温差取值越大，相应的换热器面积就可越小，但这就使压缩机出口温度增大；反之有效换热温差取值越小，压缩机出口温度可减小，相应的换热器面积就可越大。这样，MVR系统的有效换热温差必然有个合理的取值。

为统一比较，设定溶液温度为94℃，压缩机出口饱和温度为102℃，此时的压缩后蒸汽饱和压力为108.8kPaG。压缩机的功率可用下式进行计算：

其中n为绝热指数，取1.3，压缩机的效率η值在0.7～0.9之间，本文中取η=0.7。

表2 不同沸点升下机械蒸汽再压缩的压缩机功率计算

不同沸点升下机械蒸汽再压缩的压缩机功率计算结果见表2， 可见，当溶液沸点升越高，压缩机的功率就越大。

3 MVR压缩机功率与四效蒸发蒸汽火用值对比

对四效蒸发，溶液沸点升与选用的饱和蒸汽有一定的对应关系：当溶液沸点升0℃时，选用100℃的饱和蒸汽；当溶液沸点升12℃时，选用120℃的饱和蒸汽。这样在某一沸点升的MVR压缩机功率和四效蒸发蒸汽火用值就可以比较了, MVR压缩机功率与四效蒸发蒸汽火用值对比见表3、图1。

表3 MVR压缩机功率与四效蒸发蒸汽火用值对比

沸点升幅/℃

虽然MVR蒸发和四效蒸发还有循环泵、进出料泵等能量消耗，但是在两种蒸发工艺中都相对消耗不大，且两种蒸发工艺消耗量也差不多，故仅比较MVR压缩机功率和四效蒸发蒸汽火用值可以对比两种蒸发工艺。

4 对比结论

(1)在沸点升较低(小于10℃时)，MVR压缩机功率较四效蒸发蒸汽火用值具有明显的优势，估在蒸发沸点升较低的溶液时，机械蒸汽再压缩工艺有优势，比如硫酸钠溶液蒸发等。

(2)在沸点升较高(在10℃左右时)，MVR压缩机功率较四效蒸发蒸汽火用值差不多，而所谓的MVR节能主要体现节约在焓值上，同时蒸汽价格主要是热能，机械蒸汽再压缩工艺有运行的价格优势。

(3)从火用的角度，MVR的蒸发优势体现在沸点升小于10℃的物料蒸发工艺。

[1] 仲 涛，张东洋，沈光波，等.MVR蒸发含盐有机废水过程中沸点升高研究[J].当代化工，2016,45(6):1123-1124.

[2] 黄宝玉.蒸发结晶过程传热温差的选择[J].天津化工，2013,27(1):31-33.

[3] 高丽丽，张 琳，杜明照.MVR蒸发与多效蒸发技术的能效对比分析研究[J].现代化工，2012,32(10):84-86.

[4] 刘德亮,程 榕，郑燕萍.机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统模拟分析[J].化工时刊，2014,28(2):5-8.

[5] 潘 峰.MVR工艺处理硝酸铵高盐度废水的工程应用及火用分析[D].郑州：华北水利水电大学,2013.