一种MVR 蒸发工艺理论计算模型

张 仂，于希军

(1.中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450;2.潍坊盐业公司，山东 潍坊 261011)

蒸汽机械再压缩(Mechanical Vapor Recompression，MVR)蒸发工艺是通过压缩蒸发产生的二次蒸汽，将低品位蒸汽热源提升为高品质蒸汽热源，重新用于蒸发操作的工艺。1885 年，世界上第一套蒸汽压缩制盐装置在法国的萨日特(Salet)制盐厂建成。1917 年，瑞士埃舍尔维斯(Escher Wyss)公司设计制造了离心式压缩机使MVR 制盐迅速发展。20 世纪60 年代～70 年代，随着MVR 蒸发工艺日渐成熟，欧美国家已成功的将该技术用于盐业［1-2］、化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理［3］等领域。

我国于1984 年在四川省张家坝盐化厂引进了10 万t/a MVR蒸发制盐装置，该装置为我国MVR蒸发结晶行业技术提升积累了丰富的经验。2003 年～2005 年间，国内水处理行业的蒸发结晶装置开始采用MVR 技术。2010 年，中盐金坛盐化公司引进的100 万t/a MVR 热泵制盐装置投产，成为我国大型化MVR 蒸发技术付诸于实践的里程碑［4-5］。2018 年，中盐龙祥采用石膏晶种法MVR 制盐装置投产。

与多效蒸发(ME)工艺相比，MVR 工艺具有较多优势［6］。随着环保和节能要求不断提高，MVR 工艺应用日益广泛，对MVR 工艺特性深入了解也日渐重要。文章建立了一种MVR 工艺模型，利用物料平衡和热量平衡对该模型各参数进行了理论求解，为工程实践提供理论支撑。

1 工艺模型

MVR 工艺流程模型如图1 所示。料液经冷凝水换热器5 和完成液换热器6 换热以后，进入蒸发器1。蒸发生成的二次汽进入水蒸汽压缩机3 进行压缩，压缩得到的过热蒸汽经过热消除器2 以后，与生蒸汽混合后共同进入蒸发器1 加热室。加热蒸汽经换热后，以冷凝水形式出加热室。蒸发完成液经换热器6 降温后排出系统，加热室冷凝水经换热器5 降温后排出系统。

图1 MVR 蒸发工艺流程模型Fig.1 MVR evaporation process model

2 模型假设

为方便计算，计算模型采取以下假设:

(1)压缩过程为绝热等熵;(2)整个工艺系统与外界无换热，即系统热损失为零;(3)忽略流体流动阻力损失。

3 已知条件

计算中已知条件为:蒸发器进料流量F，蒸发器二次蒸汽流量(即压缩机进口蒸汽流量)Vi和蒸发器浓缩液流量M。另外，已知蒸发器二次汽温度(即压缩机进口蒸汽温度)Ti和压力pi(即压缩机进口蒸汽温度和压力)，蒸发器进料温度Tf。还有部分热力学性质参数如比热，焓值等也应已知或简单求出。

对于过热蒸汽热力学参数计算，最好是利用一些现有小软件进行查询，以节省计算时间和保证精度。

4 理论计算

4.1 压缩机功率

一般地，已知压缩机进口饱和水蒸气压力pi和压缩机压缩比R，则可以求出压缩机出口过热蒸汽压力po

通过水蒸汽物性表可以查得压缩机进口蒸汽焓值Hi，利用现有软件可以查询等熵情况下的压缩机出口过热蒸汽温度To和焓值Ho。这样，可求得压缩机进出口单位质量下水蒸气焓值差值ΔH:

由压缩功可以很容易得到压缩机轴功率，考虑减速机功耗、电机效率等，则可以计算电机功率。

4.2 过热消除器

式(5)中，可以利用软件计算po、To状态下的过热蒸汽变为饱和时的温度Ts和焓值Hs，其中饱和蒸汽压力保持不变。将式(4)代入式(5)，经过变换，可以得到式(6)。

由于过热消除器进水温度Tw由工艺输入确定，因此Hw很容易求得，继而求得过热消除器进水量W 以及

4.3 蒸发器

式(8)中，Hs、F、Hf、C、Hc、M、Hm、Vi、Hi以及式(9)中W 已知或根据工艺设定，因此可以求得冷凝水流量C 和进加热室蒸汽量V2。

考虑到(V2-S)式(7)已经求解出，可以求得补充生蒸汽流量S。

4.4 换热器

由于各参数都已求解出或者可以设定，冷凝水换热器和完成液换热器换热面积根据传热方程很容易单独求得。

5 模型讨论

(1)由于未考虑系统热损失和流体流动阻力损失，补充生蒸汽流量S 在一定条件下可能为负值，表明系统产生蒸汽比蒸发所需蒸汽量多，多余蒸汽可以用于进料预热。

(2)压缩机进出口温升(饱和状态下)需要根据物料特点和压缩机特性综合考虑，保证满足工艺要求和实现节能降耗。

(3)在实际压缩过程中，压缩机内为多变过程，不仅仅是等熵过程。

(4)预热对于回收热量具有重要意义，尤其是对于高温蒸发过程。

(5)一般工艺中，蒸发器二次汽以经过洗涤后再进入压缩机为好，尤其是大型系统和采用离心式压缩机的系统。

(6)水蒸汽压缩机因应用形式不同，其实际运行效率一般在50% ～80%之间，对系统性能影响较大。

(7)该模型简单易懂，可以为快速了解MVR 工艺和计算参数提供理论指导。

符号说明:

压缩机进口蒸汽流量Vi，kg/h;

压缩机进口蒸汽压力pi，MPa;

压缩机进口蒸汽温度Ti，K;

压缩机进口蒸汽焓值Hi，kJ/kg;

压缩机出口蒸汽压力po，MPa;

压缩功Cw，kJ;

压缩比R;

压缩机等熵效率Φ;

压缩机出口蒸汽温度To，K;

压缩机出口蒸汽焓值Ho，kJ/kg;

蒸发器进料流量F，kg/h;

蒸发器进料焓值Hf，kJ/kg;

蒸发器浓缩液流量M，kg/h;

蒸发器未换热浓缩液焓值Hm，kJ/kg;

过热消除器进水流量W，kg/h;

过热消除器进水焓值Hw，kJ/kg;

进加热室蒸汽量V2，kg/h;

补充生蒸汽流量S，kg/h;

补充生蒸汽焓值Hs，kJ/kg;

冷凝水流量C，kg/h;

未换热冷凝水焓值Hc，kJ/kg。