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葡萄架势
第３７卷ꎬ总第２１５期２０１９年５月ꎬ第３期
圆极化天线ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ３７ꎬＳｕｍ Ｎｏ ２１５
Ｍａｙ ２０１９ꎬＮｏ ３
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李志新ꎬ王亚雄
(内蒙古科技大学化学与化工学院ꎬ内蒙古㊀包头㊀０１４０００)
摘㊀要：对于海水淡化过程中的高能耗问题ꎬ将多效蒸发和ＭＶＲ工艺相结合ꎬ提出多效ＭＶＲ节能工艺的新思路ꎮ介绍了三效ＭＶＲ蒸发系统的工作原理ꎬ用人工配制的氯化钠溶液模拟海水ꎬ以１ｔ/ｈ氯化钠溶液为例ꎬ对三效ＭＶＲ和三效蒸发技术进行能耗对比分析ꎮ分析结果显示ꎬ三效ＭＶＲ蒸发系统每年可
节省３０８６９７.６元的加热蒸汽费用ꎬ并且还省去了末效蒸汽冷凝的装置ꎬ因此每年还可节省８５５６４.８元的冷凝水费用ꎬ相当于节省了６３.６％的标准煤ꎮ稀土镁合金
关键词:ＭＶＲꎻ多效蒸发ꎻ氯化钠ꎻ节能ꎻ能耗
中图分类号:ＴＱ１１５㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００２－６３３９(２０１９)０３－０２４４－０４
ＣｏｎｔｒａｓｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎＴｈｒｅｅ－ｅｆｆｅｃｔＭＶＲ
ａｎｄＴｈｒｅｅ－ｅｆｆｅｃｔＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＬＩＺｈｉ－ｘｉｎꎬＷＡＮＧＹａ－ｘｉｏｎｇ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢａｏｔｏｕ０１４０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬａｎｅｗｉ￣ｄｅａｏｆｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔＭＶＲｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＭＶＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｅｆｆｅｃｔＭＶＲｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｒｅｆｕｌｌｙｓｔｕｄ￣ｉｅｄ.ＩｎｔｈｉｓｗｏｒｋꎬｔｈｅｓｅａｗａｔｅｒｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙｐｒｅｐａｒｅｄＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ.Ａｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎｔｈｒｅｅ－ｅｆｆｅｃｔＭＶＲｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｈｅｎｔｈｅｆｌｕｉｄｑｕａｎｔｉｔｙｏｆＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓ１ｔ/ｈｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｓａｌｉ￣ｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｅｆｆｅｃｔＭＶＲｃａｎｓａｖｅｔｈｅｓｔｅａｍｈｅａｔｉｎｇｃｏｓｔｏｆ３０８６９７.６ｙｕａｎａｎｎｕａｌｌｙ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｉｔｃａｎａｌｓｏｏｍｉｔｔｈｅｌａｓｔｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｈｕｓｓａｖｅｔｈｅｃｏｎｄｅｎ￣ｓａｔｅｗａｔｅｒｃｏｓｔｏｆ８５５６４.８ｙｕａｎｐｅｒｙｅａｒ(ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｆ
６３.６％ｓｔａｎｄａｒｄｃｏａｌ).Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖａｐｏｒｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎꎻｔｒｉｐｌｅ－ｅｆｆｅｃｔｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎꎻＮａＣｌꎻｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇꎻｅｎｅｒｇｙ
ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
收稿日期㊀２０１８－０９－１４㊀㊀修订稿日期㊀２０１９－０１－０３作者简介：李志新(１９９３~)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为多效
ＭＶＲ设备研发方向ꎮ
㊀㊀蒸发浓缩是一种基本的化工单元操作ꎬ广泛应用于化工㊁轻工㊁医药㊁冶金㊁食品加工㊁海水淡化㊁污水处理㊁原子能等领域中ꎮ蒸发浓缩操作主要通过
使用源源不绝的生蒸汽作为热源ꎬ关于低浓度㊁处理量大的物料ꎬ生蒸汽的消耗所带来的能耗是相当可观的ꎬ节能成为目前摆脱能源短缺束缚的重要途径之一[１]ꎬ合理使用能源ꎬ提高能源利用率是蒸发过程中必须重视的问题[２]ꎮ对于一些需要购买蒸汽的企业ꎬ随着市场蒸汽价格的不断上涨ꎬ蒸汽运行的
毛竹片４４２
成本也越来越高ꎬ企业的负担明显增大ꎮ因此如何减少装置蒸汽的运行成本㊁使能耗降低ꎬ以此来达到节约能源的目的ꎬ是目前蒸发浓缩工艺亟待解决的问题ꎮ
目前ꎬ大多企业广泛使用多效蒸发技术ꎬ利用前一效蒸发产生的二次蒸汽作为后一效蒸发器的热量来源ꎮ理论上多效蒸发的效数越多ꎬ所节省的生蒸汽越多ꎬ但随着蒸发器效数的增多ꎬ设备投资费和基建费也相应地增加ꎮ因此很多企业一般做到三效或者四效ꎮ但多效蒸发末效产生的蒸汽还存有很大的潜热利用价值ꎬ直接进入冷凝器无疑造成了巨大的能量浪费ꎬ如果这些蒸汽进入压缩机进行压缩后ꎬ使得二次蒸汽的温度㊁压力㊁热焓值得到大幅度的提升ꎬ得到的高品位的二次蒸汽可以重新进入第一效蒸发器内替代新鲜蒸汽进行换热ꎬ于是除了启动该系统时ꎬ需要通入一点蒸汽外ꎬ只要产生二次蒸汽ꎬ就可关闭新鲜蒸汽的加入ꎬ这样就充分利用了二次蒸汽的潜热ꎬ从而达到节能的目的ꎮ
１㊀传统三效蒸发技术
多效蒸发是应用最早的淡化方法ꎬ２０世纪６０年代末发展了低温多效蒸发海水淡化技术[３]ꎮ最大的低温多效淡化装置位于以列的ＡＳＨＤＯＤ电厂ꎬ制水规模１１.９万ｍ３/ｄꎬ单机日产淡水１.７万ｍ３/ｄ[４－５]ꎮ多效蒸发的多个蒸发器中只有第一效使用生蒸汽ꎬ因此生蒸汽的使用量大为减少ꎮ若忽略热损失而沸点进料ꎬ单效蒸发的单位蒸汽消耗量ｅ约为１ꎬｎ效蒸发的ｅ约为１/ｎꎮ多效蒸发由于其具有换热性能好㊁动力消耗少㊁操作弹性大等优势ꎬ在海水淡化技术中占重要地位[６－７]ꎮ
Ｋａｍａｌｉ[８－９]等针对多效蒸发系统建立了质量和能量平衡方程ꎬ编制了计算程序进行求解ꎮ研究了系统效数㊁加热蒸汽温度㊁浓缩比等参数对系统造水比的影响ꎮ研究结果表明：多效蒸发海水淡化系统造水比随系统效数的增加而提高㊁随加热蒸汽温度的提高而降低㊁随系统浓缩比的增加而提高ꎮ李清方[１０－１１]等针对油田污水成分复杂㊁不适合膜法脱盐的特点ꎬ提出了用多效蒸发技术对油田污水进行集中脱盐的技术方案ꎮ建立了油田污水多效蒸发系统工艺流程的计算模型ꎬ分析了蒸发温度㊁效数等主要运行参数对系统性能的影响ꎮ
传统的三效并流降膜蒸发工艺如图１所示其工作原理是ꎬ预热后的原料液经原料泵被输送到第一效蒸发器的顶部进料室ꎬ通过布液器进入列管内ꎬ与管外的生蒸汽进行热量交换ꎬ原料液以降膜形式蒸发ꎮ蒸发产生的浓缩液和二次蒸汽进入分离器内进行分离ꎬ分离出来的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽ꎬ而分离后的浓缩液经泵打入到第二效蒸发器内进一步浓缩ꎮ第二效分离出来的二次蒸汽进入第三效的加热室作为加热蒸汽ꎬ产生的浓缩液经泵打入到第三效蒸发器内继续浓缩到规定的浓度后通过出料泵排出ꎬ第三效产生的二次蒸汽则全部送进冷凝器内进行冷凝
ꎮ
图１㊀三效蒸发工艺流程
１－一效蒸发器ꎻ２－二效蒸发器ꎻ３－三效蒸发器ꎻ４－一
效分离器ꎻ５－二效分离器ꎻ６－三效分离器ꎻ７－原料泵ꎻ
８－一效循环泵ꎻ９－二效循环泵ꎻ１０－出料泵ꎻ１１－真空
泵ꎻ１２－冷疑器ꎻ１３－冰箱
多效蒸发是运用前一效产生的二次蒸汽作为后一效的热量来源ꎬ虽然在一定程度上节省了生蒸汽ꎬ但是第一效依然需要提供源源不绝地生蒸汽ꎬ并且从末效出来的二次蒸汽还需要用冷凝水进行冷凝ꎮ这样不仅需要担负冷凝水的费用还浪费了大量的蒸汽潜热ꎮ
２㊀三效ＭＶＲ蒸发技术
目前对ＭＶＲ系统工业运行的报道比较少ꎬ大多数还是仅仅停留在实验室运行阶段ꎮ
ＮａｒｍｉｎｅＨＡ等[１２]对埃及原子能管理局传热实验室产能为５ｔ/ｄ的单级ＭＶＲ脱盐系统进行了研究ꎮ实验结果表明为保证水平管外较好的形成薄膜ꎬ浓海水的循环量为进料量的１５~２０倍ꎻ蒸汽过热度在１５~２０ħ范围内ꎻ生产率随着操作温度的升高而增大ꎮ
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周桂英[１３]等对单级ＭＶＲ处理废液进行了实验研究ꎬ结果指出采用该技术获得的出水满足生产回用要求ꎻ系统节能效果显著ꎮ
武江津[１４]等采用单级ＭＶＲ系统对高浓度洗毛废水处理进行了实验研究ꎬ结果表明该技术处理洗毛废水效果良好ꎮ
综上可知ꎬ已有一些对ＭＶＲ实验研究的报道ꎬ这些研究大多是针对单效ＭＶＲ系统在实验室条件下的研究ꎮ然而对于多效ＭＶＲ蒸发技术实验研究
５４２
还少有报道ꎮ而以实际工业运行为背景的研究无论是处理何种物料更是鲜有报道ꎮ因此ꎬ对多效ＭＶＲ技术开展具有工业运行背景的研究ꎬ从实际运行上分析和把握系统的运行特征及规律ꎬ积累实际应用经验ꎬ是促使该技术工程化发展亟须进行的工作ꎮ
三效ＭＶＲ蒸发技术的工艺流程如图２所示ꎮ将末效蒸发器分离出来的二次蒸汽经压缩机压缩ꎬ其温度㊁压力升高ꎬ热焓增大ꎬ然后进入一效蒸发器加热室冷凝并释放出潜热ꎬ受热侧的料液得到热量后沸腾汽化产生二次蒸汽依次进入后一效蒸发器作为热源ꎬ第三效蒸发器产生的二次蒸汽经分离后再进入压缩机ꎬ周而复始重复上述过程ꎬ蒸发器蒸发的二次蒸汽源源不断地经过压缩机压缩ꎬ提高热焓ꎬ返回到一效蒸发器作为蒸发的热源ꎬ这样既省去了二次蒸汽冷却水系统ꎬ节约了大量的冷却水ꎬ还可以充分回收利用二次蒸汽的热能ꎬ省掉生蒸汽ꎬ达到节能的目的
ꎮ
图２㊀三效ＭＶＲ蒸发工艺
１－一效蒸发器ꎻ２－二效蒸发器ꎻ３－三效蒸发展ꎻ４－一效分离器ꎻ５－二效分离器ꎻ６－三效分离器ꎻ７－原料泵ꎻ
８－一效循环泵ꎻ９－二效循环泵ꎻ１０－出料泵ꎻ１１－压缩机３㊀能耗对比分析
用１ｔ/ｈ氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象ꎬ对使用三效ＭＶＲ蒸发和传统多效蒸发技术的工艺流程进行能耗对比分析ꎮ
工艺条件：进料量Ｆ＝１ｔ/ｈꎬ料液初始浓度ｘ０＝３.８％ꎬ完成液浓度为ｘ３＝１８％ꎬ蒸发温度为Ｔ１＝９９.６ħꎬ加热蒸汽温度为Ｔ２＝１０４.５ħꎬ末效蒸汽出口温度为Ｔ３＝８５.６ħꎮ因此压缩机温升应该达到әｔ＝Ｔ１－Ｔ３＝１０４.５－８５.６＝１８.９ħꎬ目前压缩机能达到的最大温升范围为１５~２５ħꎮ因此三效ＭＶＲ工艺完全可行ꎮ３.１㊀加热蒸汽消耗量
多效蒸发主要是第一效耗费加热蒸汽ꎬ依据物料衡算
Ｗ＝Ｆˑ(１－Ｘ０Ｘ３)＝１０００ˑ(１－０.０３８
０.１８)＝７９０ｋｇ/ｈ
各效的热量衡算式为Ｗ１＝η１(Ｄˑｒ１
ｒᶄ１
)Ｗ２＝η２[Ｗ１ｒᶄ１ｒᶄ２＋(Ｆｃｐ０－Ｗ１ｃｐｗ)ｔ１－ｔ２
ｒᶄ２
]Ｗ３＝η３[Ｗ２
单水合肼ｒᶄ２ｒᶄ３＋(Ｆｃｐ０－Ｗ１ｃｐｗ－Ｗ２ｃｐｗ)ｔ２－ｔ３
ｒᶄ３
]考虑到各种温度差损失和蒸发器的热损失等ꎬ查阅资料书及文献[１５]取上述数值后ꎬ代入热量衡算式计算可得多效蒸发加热蒸汽的消耗量为
２８４.２８９ｋｇ/ｈꎮ一般工业蒸汽的价格为２４０元/ｔꎬ全年工作时间按照７２００ｈ来计算ꎬ因此多效蒸发每年的蒸汽费用为
２８４.２８９ˑ７２００ˑ０.２４＝４９１２５１.４元对于三效ＭＶＲ蒸发ꎬ理论上ꎬ设备启动后正常
运行时ꎬ不再需要外来蒸汽的供给ꎬ只需要压缩机耗费一定的电能即可ꎮ
在本例中ꎬ根据已知条件ꎬ通过设计计算ꎬ压缩机的理论功率为㊀Ｗｔｈ＝
ｎｎ－１ＲｇＴ１[(Ｐ２Ｐ１)ｎ－１ｎ－１]＝１.２５１.２５－１
ˑ４６１ˑ８５.６ˑ[(
１２０６０
)１.２５－１１.
２５－１]＝２９.３３９ｋＷ式中㊀Ｗｔｈ 压缩机理论功率/ｋＷꎻ
Ｔ１ 进气温度/ħꎻ
Ｐ１ 压缩机进气压强/ｋＰａꎻＰ２ 压缩机出口气体压强/ｋＰａꎻ
Ｒｇ 水蒸气气体常数/Ｊ (ｋｇ ħ)－１ꎬ取值４６１Ｊ/(ｋｇ ħ)ꎻ
ｎ 多变系数ꎬ通常ｎ＝１.２~１.３ꎮ
由于压缩机压缩二次蒸汽属于多变过程ꎬ压缩机多变效率和机械效率均取９０％ꎬ因此在实际运行过程中ꎬ压缩机所消耗的总功率按下式计算
ＷＴ＝
Ｗｔｈ
ηｅ ηｍ
式中㊀ＷＴ 压缩机实际功率/ｋＷꎻ
ηｅ 机械效率/[％]ꎻηｍ 多变效率/[％]ꎮ
压缩机实际功率为ＷＴ＝
Ｗｔｈηｅ ηｍ＝２９.３３９
０.９ˑ０.９
＝３６.２２１ｋＷ
工业电价为０.７元/ｋＷ ｈꎬ全年工作时间按照
７２００ｈ来计算ꎬ则三效ＭＶＲ蒸发系统每年所消耗的电费为
３６.２２１ˑ７２００ˑ０.７＝１８２５５３.８元
因此根据上述数据ꎬ三效ＭＶＲ较传统多效蒸
６４２
发ꎬ每年可以节省３０８６９７.６元ꎮ
３.２㊀冷凝水消耗量
冷凝水的温度为ｔｗ＝２５ħꎬ排出温度ｔｋ＝３０ħꎬ
冷凝压力ｐ＝６０ｋＰａꎬ冷凝蒸汽量Ｗ３＝２４６.１９２ｋｇ/ｈＧ＝
Ｗ(ｈ－Ｃｐｗｔｋ)Ｃｐｗ(ｔｋ－ｔｗ)
式中㊀Ｇ 冷凝水流量/ｋｇ ｈ－１ꎻ
ｈ 进入冷凝器二次蒸汽的焓/Ｊ ｋｇ－１ꎻＷ 进入冷凝器的流量/ｋｇ ｈ－１ꎻ
ＣＰＷ 水的比热容/Ｊ (ｋｇ ħ)－１ꎬ取值４.１８７ˑ１０３Ｊ/(ｋｇ ħ)ꎻ
ｔｗ 冷凝水的初始温度/ħꎻ
ｔｋ 水冷凝液混合物的排出温度/ħꎮ
冷凝水的流量
Ｇ＝
Ｗ３(ｈ－Ｃｐｗｔｋ)Ｃｐｗ(ｔｋ－ｔｗ)
＝
２４６.１９２ˑ(２６５２.１ˑ１０３－４.１８７ˑ１０３ˑ３０)４.１８７ˑ１０３ˑ(３０－２５)＝２９７１１.０８８ｋｇ/ｈ
因此三效蒸发的冷凝水流量为２９.７１ｔ/ｈꎮ冷凝水的处理费用为０.４元/ｔꎬ因此三效蒸发每年所使用的冷凝水费用为
２９.７１ˑ０.４ˑ７２００＝８５５６４.８元
对于三效ＭＶＲ蒸发系统来说ꎬ不仅末效产生的二次蒸汽可以升温升压后重新回到第一效作为热源ꎬ而
且加热蒸汽的冷凝水又作为预热原料的热源ꎬ整个系统充分的回收利用了二次蒸汽的潜热ꎬ因此省掉了冷凝水系统ꎮ所以三效ＭＶＲ比起传统的多效蒸发ꎬ每年还可以节省８５５６４.８元的冷凝水费用ꎮ
３.３㊀综合节能对比
为了便于相互对比和在总量上进行研究ꎬ将三效ＭＶＲ蒸发系统和多效蒸发系统各自耗费的能量转化为标准煤消耗量来进行比对ꎬ可以将三效ＭＶＲ蒸发系统的节能效果直观地体现出来ꎮ按照１ｋＷｈ电的等价热量为０.４ｋｇ的标准煤ꎬ１ｋｇ饱和蒸汽的等价热量为０.１４ｋｇ的标准煤进行计算ꎬ使用三效ＭＶＲ每年所耗费电的等价热量为１０４.３１６ｔ标准煤ꎮ采用三效蒸发每年所消耗蒸汽的等价热量为２８６.５６３ｔ标准煤ꎮ对比以上数据可以得出ꎬ相比于多效蒸发来说ꎬ使用三效ＭＶＲ蒸发系统每年可以节省６３.６％的标准煤ꎮ
４㊀结论
三效ＭＶＲ蒸发系统既节省了加热蒸汽的用量ꎬ同时又不需要用冷却水冷凝末效的蒸汽ꎬ从而节
省了冷却水的费用ꎬ可以说是节能显著的一种工艺
流程ꎮ本文通过１ｔ/ｈ氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象ꎬ分析了三效ＭＶＲ蒸发技术和传统多效蒸发技术的能耗问题ꎬ对比结果显示ꎬ使用三效ＭＶＲ蒸发技术比传统的多效蒸发技术每年可节省３０
８６９７.６元的加热蒸汽费用及８５５６４.８元的蒸汽冷凝水费用ꎬ相当于节省了６３.６％的标准煤ꎮ说明三效ＭＶＲ蒸发节能效果明显ꎬ运行成本低ꎬ充分利用了二次蒸汽的潜热ꎬ设备一经启动ꎬ则不再需要新鲜蒸汽ꎬ只是需要一部分电能ꎬ使能耗大大降低ꎮ为三效ＭＶＲ蒸发技术的推行使用提供了基础ꎮ
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