最全面的MVR蒸发工艺知识

1 最全面的最全面的 MVRMVR 蒸发工艺知识蒸发工艺知识 一、蒸发工艺及设备简介（降膜为主） 蒸发（或蒸馏法）虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍 是浓缩或制淡水的主要方法。 蒸馏过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条 件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。 根据所用能源、 设备、 流程不同主要可分多效蒸发、 多级闪急蒸发、 蒸汽压缩蒸发 （MVR） 等。 多效蒸发技术 多效蒸发是最古老的淡化方法之一，在多级闪蒸诞生以前一直是蒸发、浓缩的主导。 原理：多效蒸发是由单效蒸发组成的系统。将前一蒸发器产生的二次蒸汽引入下一蒸发 器作为加热蒸汽，并在下一效蒸发器中冷凝成蒸馏水，如此依次进行。 原料水进入系统方式：有逆流、平流（分别进入各效）、并流（从第 1 效进入）和逆流 预热并流进料等。 1、多效蒸发的特点 与多级闪蒸比较而言的。优点： 多效蒸发的换热过程是沸腾和冷凝传热，是相变传热，因此传热系数是很高。总的来 说多效蒸发所用的传热面积比多级闪蒸少。 多效蒸发通常是一次通过式的蒸发，不像多级闪蒸那样大量的液体在设备内循环，因 此动力消耗较少； 多效蒸发的浓缩比高； 多效蒸发的弹性大。 2 2、多效蒸发流程的分类 多效蒸发的工艺流程主要有三种，顺流、逆流和平流。 顺流： 是指料液和加热蒸汽都是按第一效到第二效的次序前进。 特点： 多效的真空度依次增大，即绝对压力依次降低； 故料液在各效之间的输送不必用泵，而是靠压差自然流动到后面各效； 温度也是依次降低，故料液从前一效通往后一效时就有过热现象，也就是发生闪蒸， 产生一些蒸汽，即淡水； 对浓度大，黏度也大的物料而言，后几效的传热系数就比较低；而且由于浓度大，沸 点就高，各效不容易维持较大的温度差，不利于传热。 平流： 平流是指各效都单独平行加料， 不过加热蒸汽除第一效外， 其余各效皆用的是二次蒸汽。 适用于：容易结晶的物料，如制盐，一经加热蒸发，很快达到过饱和状态，结晶析出。 在水处理过程中主要是要获取淡水，不需用逆流和平流，而且逆流和平流没有顺流的热 效率高。 逆流： 逆流是指进料流动的路线和加热蒸汽的流向相反。原料从真空度最高的末一效进入系 统，逐步向前面各效流动，浓度越来越高，所以料液往前面一效送入时，不仅没有闪蒸，而 且要经过一段预热过程，才能达到沸腾。 可见和顺流的优缺点恰好相反。对于浓度高时黏度大的物料用逆流比较合适，因为最后 的一次蒸发是在温度最高的第一效。所以虽然浓度大，黏度还是可以降低一些，可以维持比 较高的传热系数。这在化工生产上采用较多。 3 3、多效蒸发工艺及设备简介 根据单效蒸发器的分析， 蒸发量 D/加热蒸汽量 D0=0.91 或者 D0/D=1.1， 即 1kg 蒸汽 可以蒸出 0.91kg 的淡水。 如果将蒸出的二次蒸汽通往第二个蒸发器的加热室去作为加热用， 那么同样 1kg 的二次 蒸汽又可以蒸出 0.91kg 的淡水。 以此类推，效数越多，利用 1kg 加热蒸汽可以蒸发出的淡水也越多，这从热量的利用上 来讲是有利的。 实际上，由于溶液有沸点升高现象，管线有流动阻力损失，使温差有损失，再加上效数 多了，即使保温很好，散热面积大了，热损失也增多，所以当效数增多时，热量利用的效率 也随之有所降低。考虑到效数增加则设备的投资增大，故实际采用效数应该有一最佳点。 4、多效蒸发设备的分类 多效蒸发设备的种类繁多，不同的物料，不同的浓度，可选用不同的蒸发器。 按蒸发管的排列方向：可以分为垂直管蒸发器（VTE）和水平管蒸发器（HTE）。 按蒸发物料流动的类型：可以分为强制对流蒸发器和膜式蒸发器。 在膜式蒸发器中按流动方向：又可分为升膜式和降膜式蒸发器。 在降膜式蒸发器中分为：垂直管降膜和水平管降膜蒸发器。 按各效组合的方向可以分为：水平组合的蒸发器和塔式蒸发器。 组成多效蒸发系统的蒸发器有多种型式，常用的有以下主要三种。 浸没管式（ST） 该种蒸发器是加热管被料液浸没的一大类蒸发设备。 广义的浸没管蒸发器又有多种样式，有直管、蛇管、U 形管以及竖管、横管等结构。 料液在蒸发器中的流动方式有：自然对流循环和强制循环两类。这种蒸发器出现较早、 操作方便，但结垢严重、盐水静液柱高、温差损失大，故效数不宜太多，一般在 6 效以下。 4 竖管蒸发（VTE）这里是指管内降膜式蒸发器。 两个基本优点，一是因管内为膜状汽化，传热壁两侧都有相变，故传热系数高。且消除 了料液的静液柱所造成的温差损失。系统的浓缩率比较高，低浓度溶液如海水淡化，目前一 般设计的效数为 1113 效，造水比可达 910。 结垢问题，特别是当液体分配不均或者水量不足时，在管的内壁可能形成干区，结垢的 危险性增大。因此在防垢和清垢方面有较高的要求。 一般说来，在这类蒸发系统中晶种法不宜采用，主要靠化学法防垢加上温度、浓度的合 理设计。 横管薄膜式（HTE） 该种蒸发器是循环料液通过喷淋装臵在横管束的管外形成液膜，加热蒸汽（或前效二次 蒸汽）在管内凝结。 它具有与竖管降膜式相同的优缺点，但设备高度远比竖管降膜式为小，装臵紧凑，所有 各效的管束、喷淋管和汽水分离器都装在一个筒体中，因而热损失小，能耗低。 由于温度低，结垢和腐蚀都大大减轻，保证了较高的传热系数；此外汽相阻力小，又消 除了静液头损失，传热温差可以很小，尤其适于使用低位热能。 5 横管薄膜蒸发器的原理 压汽蒸馏原理 6 多效降膜蒸发流程 海水淡化为例 多级闪蒸技术 闪蒸是指一定温度的水在环境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时发生的骤然蒸发 现象。闪蒸后的水温度降低以使其饱和蒸汽压与环境压力平衡。 也是利用了这个原理，使加热至一定温度的料液，依次在一系列压力逐渐降低的 容器中闪蒸汽化，原料得到浓缩，蒸汽冷凝后得到淡水。 该方法是在多效蒸馏的基础上发展而来的。相比多效蒸馏法多级闪蒸减少了垢的形成， 多在低浓度料液浓缩中使用。 低温多效蒸发技术 7 1、多级闪蒸技术的特点 多级闪蒸与其他技术相比，具有如下的优点: .由于此方法加热与蒸发过程分离，并未使原水真正沸腾(仅是表面沸腾)，从而大大改 善了一般蒸馏的结垢问题； .技术成熟可靠，运行安全性高，特别适合于大型的低浓度物料浓缩应用； .设备机构简单，投资成本较低。 2、主要缺点: .大量原水的循环和流体的输送，导致操作成本升高； .与多效蒸馏法相比，需要较大的热传面积； 3、低温多效蒸发技术 8 二、技术在蒸发结晶中的应用 典型的蒸发浓缩(结晶)工艺 蒸发浓缩过程而言，介质发生“相变”：液相汽相 水的比热为 1 kcal/kg/。1 kg 的水，温度每上升 1 需要 1 kcal 的热量。对 1 kg 的水加热从 0 上升到 100 沸腾，仅需要 100 kcal 的热量。将 1kg 100 的水汽化， 成为同温度的蒸汽，则需要 539 kcal 热量。能耗是相当于使同样重量的水温度每升高 1 所需热量的 539 倍。 1、单效蒸发（1kgH2O 为例) 新鲜蒸汽大量热量二次蒸汽冷却水大气 冷却塔消耗大量循环水以及电能（泵）运行，造成三重浪费 9 2、能耗与效数关系(蒸发量为 1 t H2O 为例) 三、MVR 的工作原理 1、MVR 的作用 10 MVR（Mechanical Vapor Re-compression）-机械蒸汽再压缩，是指将蒸发(蒸馏等) 过程的二次蒸汽(温度低、压力低而无法利用)用压缩机进行压缩，提高其温度、压力，重新 作为热源加热需要被蒸发的物料，从而达到循环利用蒸汽的目的，使蒸发过程不需要外加蒸 汽； 即用少量的电能获得较多的热能， 从而减少系统对外界能源的需求的一项高效节能技术。 MVR 的作用：提高蒸汽的品位，而不创造能量 2、MVR 热泵特性与分析 MVR 热泵蒸发系统的开式循环机理是基于回收利用物料蒸发所产生的二次蒸汽的潜 热而进行。 由于在蒸发器中二次蒸汽所需的潜热来自外排蒸汽本身冷凝所放出的潜热， 因此蒸发所 耗的能量仅仅是压缩机所耗的能量。 MVR 热泵流程图 3、MVR 热泵效率与分析 11 根据 MVR 热泵系统的工作原理可知， 其效率取决于回收利用的潜热值与输入的机械功 之间的比较。 下表以常压下基本循环的状态变化为例， 通过模拟计算表明其在能源利用效率方面的优 势。 4、MVR 热泵计算分析 从上表看出，系统消耗 90.5 kJ/kg 的压缩功，就可以回收利用 2257.6 kJ/kg 的潜热， 热功比达到了 24. 9。工质的热焓仅增加 0. 8%，但其温度提高了 13%，相当于输入少量的 高品位机械能，却把大量的低品位热能转化成为可资利用的高品位热能，从而提高了能源利 用效率。 四、 MVR 技术发展状况 MVR 并非新技术，国外早在 1834 年就已有人提出 MVR 热泵的构想，而最终应用该 项技术的产品是由瑞士的一家企业 1917 年制造。 1925 年，奥地利设计安装了一套设备，由此出现了实际运行中使用的 MVR 装置。 上世纪 70 年代石油问题造成了能源危机，在节能降耗的大势所趋下，MVR 热泵得到 了迅速发展。 20 世纪 80 年代，张家坝制盐化工厂在国内首次引进机械热压缩工艺进行制盐生产。 2010 年，中盐金坛引进的生产能力 120 万吨/年精制盐 MVR 装置，成功运行至今。 目前 MVR 技术已被众多的行业和企业所认可。 五、MVR 系统组成 1、系统流程工艺进展 12 MVR 热泵装置结合不同的处理工艺过程，需要提供适宜的传热温差。蒸发过程中传热 温差和压差大小一般与处理料液的热敏性有关， 高热敏性料液适宜于小温差条件下多梯度分 阶段进行。 MVR 热泵系统的工艺流程也设计成单效蒸发和多效蒸发。 单效蒸发系统的流程简单，操作较方便，适合于水分蒸发量大，热敏物性较弱，允许大 温差传热，只需蒸发一次就可达到浓缩要求的溶液。 MVR 单效蒸发系统 MVR 热泵的多效蒸发工艺 13 MVR 系统多效蒸发方式适合于处理热敏较敏感，不宜进行大温差传热的溶液蒸发，同 时其也可用于蒸发量较大的工艺场合。 2、MVR 系统 3、MVR 系统组成 14 蒸发器：主体设备，包含加热器、分离器、循环泵。压缩机系统：核心设备，压缩二次 蒸汽提供蒸发热源，提高二次蒸汽的热焓。 预热器：余热利用及提高进料温度 真空系统：维持整个系统的真空度，从装置中抽出部分不凝气体以及溶液带入的气体， 以达到系统稳定的蒸发状态。控制系统：PLC 或 DCS 系统。压缩机转速、阀门、流量计、 温度、压力的控制调节，以达到自动蒸发、清洗、停机等操作。自动报警，系统自动保护， 以保持系统动态平衡。 4、MVR 控制系统 自动控制系统：MVR 蒸发系统控制中心（DCS 或 PLC 控制中心），通过对电机转速的 调节，阀门、流量计、温度、压力的控制，以达到自动蒸发、清洗、停机等操作。自动报警， 自动保护系统不受损伤，保持系统动态平衡。 自动清洗系统：不同的溶液蒸发一段时间后，可能会发生结垢现象，一般说 99%以上 的结垢都是可以通过添加化学溶剂除去，一般可以使用 CIP 原位清洗或者拆除清洗。 六、MVR 技术发展状况 MVR 主要优势-节能 近年来，由于人类对能源的需求越来越大，能源供应成为瓶颈问题。面对如此情况，节 15 能成为目前摆脱能源短缺束缚的重要途径之一。 七、 MVR 及其应用领域 饮料工业（牛奶、果汁、乳清、糖溶液的蒸发浓缩） 食品、添加剂工业（味精、大豆、蛋白质乳液蒸发浓缩） 制药及生物工程（中药、维生素，氨基酸、柠檬酸等） 化学工业（蒸发浓缩、结晶、分离提纯） 废水处理（含盐废水、含重金属废水等） 制盐工业、海水淡化 八、MVR 的优势 1、节能降耗 16 2、MVR 与双蒸发工艺比较 工作时间：24 小时/天 300 天/年电价：0.8 RMB/KWh 蒸汽价：200 RMB/T 3、MVR 关健设备-蒸发器 蒸发器形式多样： 强化的降膜蒸发器是一种高效节能换热设备,与其他类型的蒸发器相比有明显的优势。 降膜蒸发技术属薄膜蒸发,由于其相变发生在流动的液膜中,因而有高的传热系数和热流 密度,低的传热温差,尤其低温传热性能优良。 4、降膜蒸发器注意事项 17 降膜蒸发器换热管内的成膜均匀程度和成膜厚度是降膜蒸发器安全高效工作的重要保 证； 溶液分布器的布液效果优劣， 换热管管壁出现液膜不均时产生的后果不仅仅是蒸发效率 大大降低，同时可能造成换热管局部温度过高，出现“干烧”现象，长期持续下去将明显减 少其使用寿命。 管内液膜不均导致的蒸发不均问题还会在蒸发过度的管壁处析出部分溶质， 集聚其表面 后形成结垢。 此外，高温下蒸发溶液内所含物质会呈现较强的腐蚀特性，在工艺设计过程中需要引起 注意，可通过采取使用防腐性换热器材料等措施来解决。 5、换热器强化换热技术 所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、 单位传热面积传递的热量 尽可能增多。 应用强化传热技术的目的是为了进一步提高换热设备的效率,减少能量传递过程中的不 可逆损失,更合理更有效地利用能源,减少换热面积,降低金属消耗。 要求合理的设计、制造出高效的换热器。 6、强化传热途径分析 在换热器中，提高传热性能的研究是指对传热的强化。 从强化传热的过程来划分可以分为导热过程的强化、 对流传热过程的强化和辐射传热过 程强化三大类，其中研究最多、应用最广的是对流传热强化。 18 在冷流体和热流体的进出口温度一定时，通过改变换热面的布臵来改变平均传热温差。 但是由于受到受热材料物理性质和实际工作条件的限制，平均传热温差不可能太大，即 传热平均温差的增加是很有限的。 (2) 增大传热面积 A 增加传热面积是研究最多的一种强化传热方法，是一种简单且很有效的强化换热途径。 增加换热面积的方法比较多，采用小管径和扩展表面换热面均可增加传热面积。 19 由以上可见，采用增加平均温差以强化传热的途径，其应用范围有限。 用增加换热面积是有效途径，但同样受到各种条件的限制，换热面积不能增加过多。 提高传热系数成为提高换热器换热性能的主要方法。 传热系数和对流传热系数、管壁导热系数、管壁厚度、污垢导热系数有关，而管壁导热 系数和管壁厚度受材料规格、性能和换热器运行工况的限制。 减小污垢的厚度或延缓垢层的形成以减小污垢热阻与提高对流传热系数关系密切。 九、降膜蒸发器布液器研宄进展 国内外学者大量研究实验,普遍认为： 布液器对原液分配的均匆程度及喷淋密度、 液膜流 动特性是影响降膜蒸发传热的主要因素。 目前主要存在的布液方式 主要分为溢流型、插件型、喷淋型三种。 20 溢流型结构简单,安装方便、不易堵塞,但布膜效果难以保正,适用于液膜分布要求不高的 场合; 插件型能够保证液体在单管内布膜均勾,但不易保证液体均勾分配到所有换热管上,且流 动阻力大、易堵塞、安装要求精度高,适于处理清洁物料的小型降膜蒸发器; 盘式分布器布液均勾,不易结坂,操作稳定,但制造成本高,适用于大型降膜蒸发器。 降膜蒸发技术已比较成熟，将其运用到 MVR 热泵系统上时需注意系统的匹配优化问 题。 影响换热管内溶液均匀成膜的溶液分布器是提高降膜蒸发器性能和可靠性关健问题之 一。 适宜于降膜蒸发的换热面新结构型式开发也逐渐成为人们感兴趣的研究方向。 21 22 十、各种强化传热技术 当前应用于降膜蒸发管程强化传热的换热管主要有波形管、横纹管、螺旋槽纹管、缩放 管、内插螺旋线圆管等。 分布分析,认为液膜形状主要受表面张力影响,相对于光滑圆管,竖直螺旋槽纹管的液膜厚 度更均勾,传热传质性质更好。 光管和波纹管的平均传热膜分系数以及摩擦系数都随液膜质量流量的增大而升高,而波 纹管的传热系数比光管要高 30%左右,压降却低于光管。 实验结果证明液膜蒸发侧的传热系数比光管高 10%左右, 随着喷淋密度的增加,传热膜系数提高,并且波纹管能够更好