基于表面自由蒸發的MVR系統設計分析

彭宏道 鄧曌昌 鄭許浩翔

〔摘 要〕為了減少在蒸發器內液—液傳熱過程中的結垢現象，提出了一種噴霧型傳質、傳熱工藝模型，使溶液與熱媒質直接表面接觸，產生自由蒸發過程，特別適合于在高濃度、易結垢的溶液蒸發場合。經過工廠的中試，對系統各方面性能進行全面評估和分析，包括對系統的熱效率、蒸發效果、能耗等方面，驗證了工藝數學模型的正確性，系統能耗降低至54.25 kWh/t，能效比COP為13，結垢問題得到有效解決。

〔關鍵詞〕表面接觸；自由蒸發；機械蒸汽再壓縮；結垢

中圖分類號：TK221;TH45 ? 文獻標志碼：B? ? ?文章編號：1004-4345（2024）01-00２2-0４

Design and Experimental Analysis of Mechanical Vapour Recompression （MVR） System

Based on Surface Free Evaporation

PENG Hongdao1，2， DENG Zhaochang1，2， ZHENG Xuhaoxiang1，2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. Jiangxi Nerin Equipment Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330032，China）

Abstract? To reduce scaling in the liquid-liquid heat transfer process inside the evaporator， a spray-type mass transfer and heat transfer process model is proposed. This allows the solution to directly contact the heat medium surface and produce a free evaporation process， which is particularly suitable for evaporation of high-concentration and easily scaling solutions. After pilot-scale test of the plant， the system's overall performance was comprehensively evaluated and analyzed， including thermal efficiency， evaporation effect， energy consumption， etc. The correctness of the mathematical model for the process was verified， and the energy consumption of the system was reduced to 54.25 kWh/t， with a coefficient of performance （COP） of 13， thus effectively solving the scaling problem.

Keywords? ?surface contact; free evaporation; mechanical vapor re-compression; scaling

1? ?傳統MVR工藝的優勢及存在缺陷

蒸發濃縮是使含有不揮發性溶質的溶液經過加熱或減壓，使溶劑沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質濃度提高的方法[1]。在各種濃縮方式中，蒸發濃縮憑借著高效性和易操作性，廣泛應用于化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等工業生產領域[2-4]。然而，蒸發濃縮是一個能耗較高的過程，為使廢熱得到循環利用，余熱得到回收，業內從未停止對蒸發濃縮工藝進行研發和優化。該技術先后經過單效蒸發技術、多效蒸發技術、蒸汽噴射壓縮蒸發技術等幾個階段的發展，目前已經進入機械蒸汽再壓縮技術階段。

機械蒸汽再壓縮技術（Mechanical Vapour Recompression，以下簡稱“MVR技術”）是通過蒸汽壓縮機對蒸發濃縮過程中產生的二次蒸汽進行機械壓縮[5-6]，提高蒸汽的壓力和溫度，并在蒸發器中冷凝將二次蒸汽中的潛熱傳遞給原料液，從而減少蒸發過程對外界能量的攝入，是一項先進、節能的蒸發濃縮技術。傳統的MVR能流圖[7]如圖1。

MVR技術的優點有：1）正常生產時，不需要消耗新蒸汽，或僅需要補充少量蒸汽；2）多為單效蒸發，結構簡單，占地面積??；3）二次蒸汽的冷凝無需使用循環冷卻水，配套工程少；4）自動化程度高，操作簡單。

但是，傳統的MVR技術也避免不了其他任何向污水傳遞熱量的蒸發器中普遍存在的結垢問題。根據熱量傳遞原理，當流體的溫度低于換熱器金屬壁表面的溫度時，能量從換熱器管壁傳遞給流體，同時沿著金屬壁厚度方向，產生相應的結垢濃度梯度。具體過程如下：熱金屬壁表面加熱流體，形成高溫污水薄層。 隨著蒸發的進行，此薄層濃度沿壁面法線方向逐漸減小，當達到飽和時，即會在換熱器表面形成水垢。水垢形成后，換熱效率會大幅度降低；由此而產生的停機清理，給設備連續運行帶來影響，并產生安全隱患。

為了減少在MVR蒸發器內液—液傳熱過程中的結垢現象，本文提出一種噴霧型傳質、傳熱工藝模型，使溶液與熱媒質直接表面接觸，產生自由蒸發過程，特別適合于在高濃度、易結垢的溶液蒸發場合。

2? ?表面自由蒸發的MVR工藝模型

2.1? 表面自由蒸發的原理

表面自由蒸發的原理是在應用了MVR技術的基礎上，在系統中的原料液和二次蒸汽之間通過第三媒介（工藝蒸汽）將二次蒸汽中攜帶的潛熱進行回收、存儲，并在蒸發腔體內循環，原料液通過特殊的霧化結構噴入蒸發腔內，與工藝蒸汽實現表面接觸傳熱、傳質。由于整個蒸發過程發生在溶液液滴表面，熱量傳遞過程處于自由狀態，顯著提升了傳熱和傳質的效率和效果。同時，原料液蒸發過程不發生在換熱器金屬壁表面上，避免了其與管壁接觸而產生的濃度梯度現象，從而解決了傳統蒸發器中容易產生的結垢問題。

被蒸發溶液表面吸熱后，蒸發形成水蒸氣，最后在換熱器中冷凝形成凈水；而蒸發后余留的高濃度液滴，被蒸發器腔體內的除霧器捕捉富集在收集器中，形成濃縮液。表面自由蒸發原理見圖2。

蒸發腔體選用長方體，在腔體內均勻布置噴嘴，讓原料液以≤100 μm的液滴直徑、40 m/s的速度噴入腔體內，經過仿真計算，蒸發分離率能夠達到80%以上，效果較好。

2.2? 系統蒸發的工藝模型

根據上述原理，將表面自由蒸發技術應用在蒸發系統中，需要對傳統MVR工藝的蒸發工藝模型進行改進。該工藝主要特點是通過機械壓縮對二次蒸汽進行了升溫增壓后，在原料液和熱交換器之間增加了工藝蒸汽作為傳熱傳質的媒介，來實現熱量的回收并返回至系統中利用。其工藝過程如下：1）原料液噴入蒸發腔體內，與工藝蒸汽進行熱交換，實現液滴表面自由蒸發。2）蒸發出的二次蒸汽被壓縮機抽出，通過壓縮使其達到高溫、高壓其潛熱能夠回收的狀態。3）二次蒸汽進入熱交換器，與冷側的工藝蒸汽進行間接熱交換，使汽化潛熱返回至系統中。二次蒸汽釋放熱量并冷凝，工藝蒸汽升溫變成過熱蒸汽； 4）過熱的工藝蒸汽進入蒸發腔體內，與原料液直接表面接觸進行傳質傳熱。改進后的系統蒸發工藝模型見圖3。

2.3? 系統的質量及熱能平衡模型

蒸發濃縮系統運行成功的關鍵在于建立起系統中的質量及熱能的平衡模型。在本系統中，工藝循環蒸汽作為第三媒介，需要從熱交換器中獲取熱量，然后在蒸發腔體內與原料液進行接觸釋放熱量。在其釋放熱量過程中，需要兼顧腔體內的壓力、溫度、流量、流速等因素，因此弄清這其中的熱力學過程是本系統中的難點之一。

根據質量和能量守恒定律，蒸汽腔體內的傳熱傳質數學關系見下式：

mc+mf = md+mp；

Ev = mchc+mfhf- mdhd-mphp。

式中：Ev為蒸汽前后熱能的變化，kW。不考慮散熱時，Ev取0。mc為循環蒸汽的質量流量，kg/s。hc為循環蒸汽的焓，kJ/kg。mf為原料液的質量流量，kg/s。hf為原料液的焓，kJ/kg。md為濃縮液的質量流量，kg/s；hd為濃縮液的焓，kJ/kg。mp為蒸發后工藝蒸汽的質量流量，kg/s。hp為蒸發后蒸汽的焓，kJ/kg。

在原料液處理量為417 kg/h、蒸發率為90%的情況下，建立蒸發腔體內熱力學關系模型見表1。

需要注意的是，循環蒸汽的熱焓值需要根據其溫度和壓力值進行設定。壓力值與其他因素有較大的關系，本數學模型中取101.418 kPa。

2.4? 系統中的關鍵參數的設定

在進行蒸發系統設計時，首先需要明確關鍵參數，如蒸發量、分離率、原料液成分等，然后再基于這些條件根據工藝模型進行關鍵設備的參數計算和選型?？紤]到工藝循環蒸汽采用的是過熱蒸汽，可以利用其過熱段的熱量來加熱處于飽和水狀態的原料液，進而實現蒸發的過程。過熱段存儲的熱量較少，而蒸發過程所需熱量很大，因此過熱蒸汽的質量流量相對于原料液來說相差很大，綜合考慮設備的體積和成本后，本系統中關鍵參數設置如下：1）蒸發量為417 kg/h；2）蒸發分離率為80%；3）蒸發能耗控制在90 kWh/t以內；4）原料液為NaCl溶液，溶質質量分數為2%，比熱容為4.190 6 kJ/（kg·C）。

3? ?樣機試驗情況

通過系統性的設計，選擇單螺桿壓縮機作為系統中的能量補給中心。設備能夠在蒸發流量相對較少的情況下，獲得較高的壓縮比，也不會產生的喘振現象，壓縮過程的等熵效率也較高。選用翅片換熱器作為主換熱單元，在二次蒸汽與工藝蒸汽進行氣氣換熱時能夠獲得良好的熱交換效果，對系統的能效提升有益。選用離心風機作為工藝蒸汽的風速補給動力，增加工藝蒸汽與霧化原料液滴之間的表面碰撞傳熱效果。蒸發腔體區域的PID圖見圖4。

通過系統性設計、制造、組裝后，基于表面自由蒸發的MVR系統完成了系統試驗。圖5為表面自由蒸發系統的試驗裝置。

通過系統性的調試與改進，系統能夠穩定運行，達到了預期的設計指標要求，具體運行的性能參數見表2。采用不同工藝的運行能耗對比見表3。

經過系統對原料液的濃縮處理，排出來的冷凝凈水基本達到回用水質要求。試驗幾個月后，換熱器中未發現有明顯結垢現象，傳熱效果保持較好。系統溶液處理前后的水質第三方檢測報告見表4。

4? ?結論

為了解決高濃度污水在蒸發濃縮過程中在金屬壁表面上因濃度梯度產生的結垢問題，本文提出了一種在液滴表面自由蒸發的技術，能夠從根本上避免問題的發生。本技術通過樣機工業試驗，驗證了工藝的可行性，能夠回收80%以上的冷凝水，同時相比于其他傳統蒸發工藝來說，能耗具有一定的優勢，能效比COP能達到13，水能耗達到54.25 kWh/t，系統可運行3個月以上無結垢現象，能減少因停機維護對生產的影響。

參考文獻

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收稿日期：2023-08-12

作者簡介：彭宏道（1984—），男，高級工程師，主要從事有色金屬行業裝備的研發與設計工作。