机械蒸汽再压缩蒸发的开车过程工艺分析

2019-05-13李方天刘金勇

山东化工 2019年8期

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、海水淡化、污水处理等工业中。当蒸发沸点升较低的溶液时，机械蒸汽再压缩技术比四效蒸发技术有明显的优势[1]。王远等建立了机械蒸汽再压缩系统的热力学模型,并对换热器无相变瞬态传热分析的模型进行了简化，利用迭代法对系统非稳态运行过程进行了模拟，发现当换热量达到蒸发器换热的最大值时，蒸汽流量出现明显拐点，并呈下降趋势直至稳态，压缩机最大功率及最大进气量也都出现在非稳态运行过程中[2]。黄靓等考察了中药提取液浓缩过程中沸点变化与溶剂组成和溶质浓度的关系，发现在浓缩过程中，要综合考虑溶剂和溶质两者的影响[3]。本文是在机械蒸汽再压缩蒸发装置实际运行的基础上，结合简化模型，对开车过程进行工艺分析，这包括蒸发前操作和蒸发达到设计条件的过程。

1 蒸发前的操作

在完成单机试车、联动试清水，并准备好开车的各项条件后，就开始蒸发处理设计的物料。在真正运行机械蒸汽再压缩蒸发前，要进行包括进料操作、循环升温、压缩机开启等工作。

1.1 进料操作

通过进料泵，向蒸发系统进料，当分离器内的液位到达指定液位时先停止进料。一般情况下，当有三个透镜时，指定液位位于第二个透镜中间位置；当只有两个透镜时，液位位于两个透镜中间的位置。对于3 m3/h的蒸发量，达到指定液位时，加入物料的量在12 m3左右。

在运行过程中分离室内的液位不能过低或过高，液位过高易造成泡沫夹带，而液位过低易使泵产生气蚀。通过调节进料调节阀,保持分离室的液位在正常操作液位范围内，维持稳定。

机械蒸汽再压缩开始时蒸发量大于设计量，原因在于蒸发达到设计条件之前，溶液浓度都较低，沸点升较低，产生的二次蒸汽温度较高，密度较大，对于同样的体积处理量，其质量处理量就较大。从这方面考虑，进料泵流量不宜过小。

另一方面，根据伯努利方程：

当出口压力为负压时，需要克服的阻力就减少了，此时泵的流量就会增大。

从以上两个方面考虑，进料泵的设计流量一般为处理量的1.5～2倍。这样进料到指定液位的时间就在2h左右。

1.2 循环升温

在循环泵开启的条件下，要通过生蒸汽对效内的循环物料进行加热，以达到蒸发温度，使压缩机能够开启。

忽略蒸汽冷凝液和热量损失，可得到以下热量衡算和传热方程：

(其中G为物料质量流量，cp为物料热容，T为物料温度，θ为时间；W为生蒸汽流量，r为蒸汽潜热；K传热系数，S为传热面积，Δt为换热温差)

可见循环升温过程主要取决于外加蒸汽的通入量W。通入量W越大，升温过程时间越短。在升温初期，由于Δt较大，仅需要一部分换热面积就使生蒸汽完全冷凝，其余的换热面积就继续用于蒸汽冷凝液和物料的换热，这时候的换热量也比方程中的换热量要大一些，从而升温时间要短一些。

根据相关工程经验，一般蒸发器底部液相温度控制为95℃，可将蒸汽进料自动调节阀开度与蒸发器底部液相温度联锁。温度过低，溶液达不到沸腾状态，产生的蒸汽量少，将影响蒸汽压缩机运行。

1.3 压缩机开启

当蒸发器内达到一定温度时，就可以开启蒸汽压缩机。对于罗茨蒸汽压缩机，开启前旁通阀完全打开，压缩机变频在零赫兹时，开启压缩机，然后逐步调节变频，注意开启时，频率调整不要过快。当变频调至总赫兹的一半时，再缓慢关闭压缩机旁通阀门开度，每次减少2%～5%，直至将旁通全部关闭，再继续提高压缩机变频，直至提高变频至总赫兹的80%～90%，注意整个过程不要超电流。

2 蒸发达到设计条件的过程

2.1 罗茨压缩机进出口实际运行数据分析

表1 某机械蒸汽再压缩的罗茨压缩机进出口实际运行数据

表1为某机械蒸汽再压缩的罗茨压缩机进出口实际运行数据。当罗茨压缩机出口温度超过110～115℃，需要开启喷水阀，在罗茨压缩机入口进行喷水，以防止出口蒸汽温度过高。从表1可以看出，压缩机进口温度和进口压力下对应饱和温度几乎一样，可以认为进口的二次蒸汽几乎是饱和蒸汽。同样压缩机出口温度比出口压力下对应饱和温度略高一点，可认为压缩后的蒸汽也非常接近饱和状态。

2.2 蒸发达到设计条件的过程

以初始溶液为6.0%的氯化钠溶液且蒸发量为3t/h的机械蒸汽再压缩为例，分析从开始蒸发到达到设计蒸发量时的过程。设定液相温度为95℃，先根据效内浓度，得到溶液的沸点升，从而推算进入压缩机的蒸汽饱和温度，再根据蒸汽密度以及压缩机的体积处理量，得到此时的蒸发量。

虽然开车的某1h中物料浓度一直在增加，但对最终这1h内的蒸发量估算影响不是很大，可以假定这1h的蒸发量为这个时段刚开始的蒸发能力。计算结果如下表2所示，蒸发小时时间与蒸发量的关系如下图1所示。

表2 蒸发能力达到设计条件过程分析

图1 蒸发小时时间(h)与蒸发量(t/h)的关系

由表2可以看出，在蒸发初期，蒸发量可以达到3.8t/h，超出设计值的26.7%，在运行六个小时后，才达到设计条件，蒸发量为3.0t/h。从图2可以明显看出蒸发量随蒸发时间的延长而逐步降低。这说明机械蒸汽再压缩从开始到达到设计条件，需要一定的运行时间。这也与初始浓度有关，初始浓度越低，所需要的时间就越长。