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MVR在板式蒸发装置中的应用_硕士毕业论文

时间:2011-05-19  作者:秩名

论文导读::降低蒸发装置的蒸汽用量对于节能减排有重要的意义。该公司的MVR蒸发技术在国际上处于领先地位。蒸发设备广泛应用于制药、轻工食品、石油化工、生物工程等行业。
关键词:蒸发装置,MVR,蒸发
 

蒸发设备广泛应用于制药、轻工食品、石油化工、生物工程等行业。随着经济的飞速发展及石油、天然气、煤炭等不可再生资源的日渐枯竭,使为蒸发设备提供热源的蒸汽成本不断增加,蒸发设备是生产系统中蒸汽消耗较大的设备,蒸汽成本的上升使得企业设备运行成本急剧增加。因此,降低蒸发装置的蒸汽用量对于节能减排有重要的意义。

自20世纪80年代以来,蒸汽透平压缩机的技术日渐成熟,已经广泛应用于各行业各类气体介质的压缩及输送。在本世纪初,国外已能够生产大型蒸汽压缩机。主要的蒸发器生产厂商德国GEA 公司已尝试将大型蒸汽压缩机应用于管式蒸发装置并取得成功,该公司的MVR蒸发技术在国际上处于领先地位,但国内外目前尚末将此技术应用在板式蒸发装置上。我公司作为国内唯一具有大型板式蒸发装置生产能力的企业,如果能将此技术成功应用于板式蒸发装置,则其产品极具竞争优势,对我国经济的发展有重要的促进意义。

本文在研究了国外最先进蒸发技术及离心式蒸汽压缩技术的基础上,提出了将MVR技术应用于我公司大型板式蒸发装置的工艺方案,此MVR蒸发器将可以不用蒸汽作为加热热源,将电能转换为机械能压缩二次蒸汽循环蒸发,极大的降低了蒸发设备能耗。

1机械蒸汽浓缩法及其原理

MVR(MechanicalVapor Recompression)蒸发装置二次蒸汽机械压缩法是指利用涡轮发动机的增压原理、经特殊流体设计而组成的二次蒸汽机械增压式蒸发系统的简称。在这种工艺系统中,密闭容器内经加热蒸发生成的二次水蒸汽,通过蒸汽压缩机时被再压缩增压至较高温度的高压蒸汽硕士毕业论文,此高压高温蒸汽再被用于蒸发设备的加热热源,进入蒸发器的加热腔继续蒸发,实现电能到热能的转换,这样的蒸发装置不再对外界蒸汽能源的依懒与摄取,循环传热的过程中增压后的蒸汽做为蒸发器的加热热源后也得以迅速冷凝,成为洁净蒸馏水。压缩机以提高蒸发器产生的二次蒸汽的压力来达到二次蒸汽更高温度的凝结。这种提高了压力的蒸汽,会提高潜在的热能,然后再重新返回蒸发器来进行加热,从而制造出更多的二次蒸汽。这样,热能被持续的重新利用,而不易损失[1]

进行完热交换的蒸汽冷凝成纯度很高的水,被收集出来,热交换过程中产生的二次蒸汽再被压缩,作为下一循环的热源。如此循环,多级蒸发后的液体从蒸发器底部排出。因此,只需在系统冷启动时导入热源,采用电加热或少量蒸汽预热物料即可使蒸发器开始正常循环运转。在蒸发器中,是一个封闭的系统,所有的蒸汽都被回收,再用高压风扇加压后作热源之用,不需要额外的蒸汽或冷却水,提高了能源利用效率。

2 多效蒸发器与MVR蒸发器对比

2.1 多效蒸发工艺

张永生(1975-),男,甘肃临泽人,工程师,工学硕士,主要从事蒸发换热设备设计及研制工作。

在多效蒸发装置中,新鲜蒸汽为第一效的加热热源,而第一效产生的二次蒸汽不进入冷凝器,而是作为第二效的加热热源得以再次利用,这样可以将新蒸汽消耗有效降低约50%。重复利用此原理,三效、四效、五效、六效蒸发装置可进一步降低新蒸汽消耗,这样的六效蒸发装置,理论上蒸汽消耗可降低至15%。

第一效的最高加热温度与末效的最低沸点温度形成了总温差,分布于各个效,从而形成温差分布。结果,每效温差随效数增加而减小。所以为达到指定的蒸发速率必须增大加热面积。初步估算表明,用于所有效的加热面积随效数成比例增加硕士毕业论文,这样一来蒸汽节省量逐渐减少的同时,投资费用显著增加。多效蒸发器直接加热热流图见图1。

MVR

图1 多效蒸发器直接加热热流图

2.2 TVR板式蒸发技术

TVR(Thermal VaporRecompression)热力压缩,是指用高温高压的工作蒸汽将低品质乏气再压缩重复利用的技术。其关键设备是由蒸汽喷射器来完成,是一种能量转换的装置,高温高压的新鲜工作蒸汽进入喷射器,由喷嘴高速喷出,将静压能转换为动能,由于射流和空气之间产生卷吸作用和紊动扩散作用,把吸入室的气体带走,使该处产生局部真空状态,在外界大气压力的作用下,分离器分离出的二次蒸汽被吸入,随同高压高速流体被带入喉管,与之混合,并进行能量交换,形成中等品质的蒸汽,进入加热室当作加热蒸汽使用,来加热料液。

蒸汽喷射式热泵具有结构简单、操作稳定、价格低廉、节能等特点。使用蒸汽喷射式热泵,当引射比为1:1时,效能上相当于增加一效蒸发器,工艺流图见图2.

MVR

图2 TVR热力压缩流程图

2.3 MVR板式蒸发器蒸发流程

机械蒸汽再压缩时,通过机械驱动的压缩机将蒸发器蒸的二次蒸汽压缩至较高压力和温度。因此压缩机作为热泵来工作,给蒸汽增加能量。

配备有机械蒸汽再压缩型热泵的蒸发装置,在一般的操作条件下仅需要很少的能量输入,是一种开放式的系统,而TVR热力压缩是一种封闭的系统,喷射压缩器只能压缩一部分蒸汽,动力蒸汽的能量最后通过冷却水作为残余热量被移走。在机械蒸汽再压缩系统中,所有的蒸汽被压缩到一个较高的冷凝压力,热流图如图3所示。

MVR

图3 机械蒸汽再压缩蒸发过程热流图

板式蒸发器是由板式加热元件组成,浓缩液自加热元件表面自下而上,又从上而下流过,与加热板片进行热交换,受热的料液在加热板片表面形成薄膜,由此而蒸发,蒸发表面产生的蒸汽离开加热元件的侧面上升,所以几乎不过热地送至离心式压缩机。蒸发的二次蒸汽被压缩机经一次或二次压缩,变成较高温度品质的蒸汽,再送到蒸发器内部加热元件中作为加热源。为了消除压缩机中蒸汽过热现象硕士毕业论文,要不断地向压缩机内注入少许的蒸汽冷凝液,因为压缩过程蒸汽变成过热,为了把温度降低到与压缩机排出压力相当的饱和温度。加热蒸汽在蒸发器加热单元中凝结成水,排出后部分送至预热器中用来加热待蒸发物料,少部分送至离心压缩机中去消除过热[2]

3 MVR在板式蒸发系统中的应用

MVR系统与板式蒸发系统的组合中,其工艺可以设计为单效蒸发,也可以实现多效蒸发,具体情况需根据MVR系统能提供的最大压缩温差来决定。

在高速透平压缩系统中,由于其应用齿轮组技术,叶轮转速较高,可以实现较大的压缩比,故其压缩后温差较高,蒸发系统可以采用顺流工艺,即压缩系统的蒸汽吸入口与排出口间可以实现多效顺流,其工艺简图如图4。但此压缩系统由于其主轴转速较高,故叶轮直径较小,压缩蒸汽量较小,对于较大蒸发量的蒸发装置,此系统难以满足其工艺要求。

图4 顺流工艺简图

在离心式压缩系统中,驱动装置电机直接与叶轮轴相连,叶轮转速相对较低,可能实现极大蒸汽量的压缩,但此装置缺点为温差△t 低。如果实现多效连续蒸发,则各效间温差较低,影响系统的蒸发效率。但由于其蒸汽压缩量大,可以实现并流蒸发,工艺简图见图5。

图5 并流工艺简图

为了弥补由于采用离心式压缩系统而导致温差过小的缺点,可采用多级压缩,即应用2个或3个离心式压缩系统串联结构,使压缩系统蒸汽进出口压缩比增大,而蒸发系统可采用串联式结构,而各效蒸发器间可能获得相对较高的温差,工艺简图见见图6。

图6 二级压缩顺流工艺简图

以双效板式蒸发装置为例,蒸发量为10t/h的双效板式蒸发装置,每小时需新鲜蒸汽4.5吨,成本约675元,采用MVR机械压缩系统后,无需蒸汽加热硕士毕业论文,电费成本只需100元,MVR系统蒸发器运行成本仅为普通蒸发器运行成本的六分之一。在乳品工业中可以设计小型到中型的单效MVR蒸发器,其热效率非常良好,可以相当于3效MVR涡输压缩机蒸发器,每0.75kW可除45kg到68kg水分[3]。一般情况下,供给能量达到蒸发能量的7%~8%,即可满足额定蒸发的生产需求[4]

MVR系统蒸发器一般采用离心式低△t压缩风机,因其成本较低,蒸发系统可以设计为单效大流量蒸发,其蒸发温度可以控制在55℃,实现真正意义上的低温蒸发,尤其适合于热敏性物料的蒸发。这种新型热泵蒸发装置在正常运行时,除原料预热使用极少量蒸汽(约为原料的2%)外,不需要其它的蒸汽热源。当然,压缩机一定要靠电来驱动,会产生额外的电耗[5],其工艺图见图7。

图7 双效MVR板式蒸发装置工艺图

4 结语

相对于普通的蒸发设备,MVR蒸发器具有单位能量消耗低、工艺简单、实用性强、蒸发温度低、适合热敏性物料的蒸发等优点,与板式蒸发器极强的传热效率相结合,将使MVR板式蒸发器具有极强的技术优势,对节能减排及促国民经济的发展有极其重要的作用。


参考文献
[1]杨燕平.单家寺油田稠油采出水回用锅炉,石油规划设计[J],2008.5,19(3):20-22
[2]Bubnik, Z., et. al, Chemicaland Physical Data for Sugar Manufacturers and Users ,Sugar Technologists Manual[J], , 8th edition, Bartens, 1995,2:200-204.
[3]李锐.火电厂废水处理新设备的应用[J],电力环境保护,2008,24(6):1-3.
[4]金世琳.带有机械再压缩(MVR)的蒸发器,食品机械[J],1990.2 :25-28.
[5]李承志.蒸汽再压缩式蒸发器,氯碱工业[J],2003.6,6 :18-20.
 

 

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