李亞仙，劉　寶，陳曉慶，葛　娟，韋正帥，劉　帥，張　倩

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)影響因素分析

李亞仙，劉寶，陳曉慶，葛娟，韋正帥，劉帥，張倩

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

MVR蒸發(fā)是目前化工生產(chǎn)中重要的操作單元之一，由于其運(yùn)行平穩(wěn)、能耗低，廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥、牛奶、環(huán)保等行業(yè)。文章根據(jù)MVR蒸發(fā)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)影響MVR蒸發(fā)的因素進(jìn)行分析、總結(jié)。

MVR；影響因素；物性；工藝；設(shè)備運(yùn)行

機(jī)械壓縮（MVR）是利用電能驅(qū)動(dòng)葉輪，將蒸發(fā)的二次蒸汽進(jìn)行再壓縮，提高蒸汽的品味，作為蒸發(fā)器的熱源進(jìn)行二次利用。目前，由于蒸汽價(jià)格和電價(jià)差異較大，加之國(guó)家對(duì)環(huán)保的控制已限制蒸汽鍋爐的大量使用，致使利用電驅(qū)動(dòng)的MVR壓縮機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、化工、乳品、發(fā)酵、明膠、環(huán)保等諸多行業(yè)。

1　MVR蒸發(fā)裝置簡(jiǎn)介

MVR蒸發(fā)裝置是MVR壓縮機(jī)和蒸發(fā)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在合理的蒸發(fā)溫度下進(jìn)行蒸發(fā)的一種方法。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：能耗低，蒸發(fā)一噸水只需消耗電量20～27kwh；蒸發(fā)溫度可根據(jù)物料合理選擇；蒸發(fā)速度快，物料進(jìn)、出設(shè)備只需十幾秒，有利于處理熱敏介質(zhì)；低溫蒸發(fā)可以降低材料的腐蝕和能耗的損失；能量循環(huán)利用使能耗降低；最大程度的降低冷卻水的消耗［1］。

一套MVR蒸發(fā)裝置主要由MVR壓縮機(jī)、預(yù)熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、分離器、真空系統(tǒng)、泵、管件閥門、控制系統(tǒng)等組成。

MVR蒸發(fā)裝置能量利用率高，運(yùn)行穩(wěn)定被越來(lái)越多的用戶和行業(yè)所接受。但MVR蒸發(fā)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中需考慮物料、海拔、設(shè)備、操作等諸多因素的影響，文章對(duì)可能影響MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的各因素進(jìn)行分析敘述。

2　物料的物性對(duì)MVR蒸發(fā)的影響

物料的主要物性參數(shù)有密度、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、沸點(diǎn)升高、焓值、表面張力、熱敏性、腐蝕性等。密度、定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度極大影響了物料側(cè)的傳熱系數(shù)，而傳熱系數(shù)的不同會(huì)直接影響蒸發(fā)面積的設(shè)計(jì)計(jì)算［2］。

表面張力，主要影響物料的汽、液分離過(guò)程和分離器的直徑、高度的選擇，在膜式蒸發(fā)中還會(huì)影響物料的布膜情況。沸點(diǎn)升高主要影響工藝流程的選擇，蒸發(fā)溫度的選擇，溫度梯度分布和壓縮機(jī)選擇。沸點(diǎn)升高比較高的物料，通常選用MVR單效蒸發(fā)，壓縮機(jī)溫升高，采用負(fù)壓蒸發(fā)可以有效降低物料的沸點(diǎn)升。

物料的粘度除了影響傳熱系數(shù)還會(huì)對(duì)蒸發(fā)器型式的選擇有影響。濃度高的物料須選擇強(qiáng)制循環(huán)或刮板式蒸發(fā)器，以防止物料流動(dòng)速度過(guò)慢發(fā)生結(jié)焦的現(xiàn)象。

物料的熱敏性［3］，要求物料在蒸發(fā)器中停留的時(shí)間要短，否則會(huì)使物料發(fā)生質(zhì)變，則需減少蒸發(fā)器的效數(shù)或級(jí)數(shù)，減少物料在蒸發(fā)器中循環(huán)時(shí)間。如果蒸發(fā)物料對(duì)溫度有要求時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)器型式及流程的選擇。

物料的腐蝕性特別是物料在高溫下的腐蝕性，這是選材的一個(gè)重要因素。

3　海拔的影響

海拔是反應(yīng)一個(gè)地區(qū)地勢(shì)高低的物理量。海拔高，當(dāng)?shù)氐臍鈮盒?，表壓降低，?duì)應(yīng)的溶液沸點(diǎn)降低。海拔高度對(duì)MVR蒸發(fā)的影響直接體現(xiàn)于系統(tǒng)的真空度以及對(duì)應(yīng)飽和蒸汽的熱工參數(shù)。

為降低能耗，MVR蒸發(fā)多數(shù)選擇在負(fù)壓下運(yùn)行，其負(fù)壓的獲得需采用真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)另一個(gè)作用是將MVR蒸發(fā)裝置中的不凝氣抽出。海拔高低會(huì)影響極限真空度。如水環(huán)真空泵在0海拔其極限真空為-0.094Mpa，在海拔1500m時(shí)，其極限真空為-0.08Mpa。對(duì)熱源蒸汽而言，表壓0.1Mpa的蒸汽，0海拔對(duì)應(yīng)溫度為99.6℃，1500海拔對(duì)應(yīng)的溫度為95.1℃?？梢姾０螘?huì)對(duì)蒸汽熱工參數(shù)有影響，因此，在MVR蒸發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮。

4　工藝參數(shù)的影響

工藝參數(shù)對(duì)MVR蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)起著重要的作用。處理量和蒸發(fā)量決定設(shè)備的規(guī)模，效、級(jí)的數(shù)量，蒸發(fā)面積的大小，設(shè)備投資的成本。

進(jìn)料濃度和出料濃度直接影響傳熱的計(jì)算和蒸發(fā)溫度的選擇，進(jìn)而影響壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度的選擇。由于蒸發(fā)強(qiáng)度的問(wèn)題，出料濃度還會(huì)影響蒸發(fā)器形式的選擇和蒸發(fā)流程的設(shè)計(jì)［4］。

進(jìn)、出料溫度。MVR蒸發(fā)裝置在工藝設(shè)計(jì)中要做到能量的極大化利用，因此在考慮滿足進(jìn)、出口物料溫度的情況下通過(guò)工藝變化將冷凝水、冷卻水的出口溫度降低最低。

5　設(shè)備運(yùn)行及操作的影響

5.1進(jìn)料參數(shù)變化的影響

進(jìn)料量：蒸發(fā)系統(tǒng)有其固有的操作彈性，即在正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)料量有一定的范圍。根據(jù)能量守恒定律，設(shè)備最大傳熱量為定值。進(jìn)料量過(guò)大，會(huì)影響蒸發(fā)傳熱系數(shù)［8］，使蒸發(fā)量發(fā)生變化，出料的濃度會(huì)降低。進(jìn)料量過(guò)小時(shí)，各效蒸發(fā)器物料側(cè)流量大大減少，不僅會(huì)使蒸發(fā)溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干燒、結(jié)焦的現(xiàn)象。

進(jìn)料濃度：進(jìn)料濃度變化會(huì)引起物料物性的變化，會(huì)直接影響傳熱系數(shù)以及沸點(diǎn)升高的變化，對(duì)蒸發(fā)的影響前面以敘述過(guò)不再詳述。

進(jìn)料溫度：進(jìn)料溫度不僅會(huì)影響物料的物性，從而影響物料側(cè)的傳熱系數(shù)。蒸發(fā)器進(jìn)料一般要求泡點(diǎn)進(jìn)料，如果進(jìn)料溫度過(guò)低會(huì)犧牲部分蒸發(fā)器的面積用于提升物料顯熱而非潛熱，降低蒸發(fā)量。

5.2MVR壓縮機(jī)工況變化影響

MVR壓縮機(jī)是此蒸發(fā)裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一。主要的參數(shù)有流量，進(jìn)、出口溫度，電流等。壓縮機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)通常采用體積流量，由于水蒸汽比容和溫度一一對(duì)應(yīng)，則溫度不同壓縮機(jī)最大質(zhì)量流量不同。

根據(jù)能量守恒定律，壓縮機(jī)需要的總功要等于水蒸氣進(jìn)、出口總焓之差。功是由電機(jī)提供，壓縮需要的總功除效率值得到軸功率，根據(jù)軸功率和電機(jī)功率系列值選擇最佳的電機(jī)。電機(jī)提供的最大的功和蒸汽溫升所需的功在有的情況下差值較大，這就造成壓縮機(jī)富裕量大［5，6］。

壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)參數(shù)下，流量、溫升、壓比、效率值都為最高，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)完成后，其運(yùn)行由溫度、流量、電機(jī)等共同決定。當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度低，比容增大，壓縮機(jī)可進(jìn)入的最大蒸汽量增大，但由于壓縮機(jī)功率已定，則根據(jù)能量守恒原理出口的溫度會(huì)降低，表現(xiàn)為進(jìn)、出口溫差不夠［7］。當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度升高時(shí)，比容減小，水蒸汽質(zhì)量流量減小，由于電機(jī)和效率值的影響，出料溫度會(huì)升高，但由于葉輪和轉(zhuǎn)速等影響，表征到進(jìn)、出口的溫差不會(huì)增大。

壓縮機(jī)開機(jī)的過(guò)程是電機(jī)頻率逐漸增大的過(guò)程［8］。在小頻率下，流量和溫升有個(gè)對(duì)應(yīng)值，隨著流量的增大，在相同的頻率下溫升會(huì)減小但是壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)提高頻率已保證更高的溫升。壓縮機(jī)頻率、流量、溫升會(huì)相互影響逐漸升高至額定值。

壓縮機(jī)運(yùn)行與物料沸點(diǎn)升有關(guān)，表征在蒸發(fā)物料蒸發(fā)所需的能量與壓縮機(jī)提供能量的平衡［9］。MVR蒸發(fā)處理水，通常表現(xiàn)為蒸發(fā)量滿足要求但溫升和電流值偏低，體現(xiàn)為在較低的溫差下就可以蒸發(fā)出夠量的水以滿足能耗的需求。在處理沸點(diǎn)升的物料中，壓縮機(jī)提供的能量一部分要克服沸點(diǎn)升剩余的才能用于蒸發(fā)，這就需要更多的功，表現(xiàn)為流量變化不大但出口溫度和電流值增大。

5.3分離器的影響

分離器是提供物料和二次蒸汽分離的場(chǎng)所，分離器的設(shè)計(jì)要充分考慮蒸發(fā)量、蒸發(fā)溫度、物料粘度、表面張力、循環(huán)量、分離器液位等因素。

分離器中蒸發(fā)量增大，會(huì)使二次蒸汽上升的速度加快，夾帶液量嚴(yán)重，也可能會(huì)造成壓降增大，二次蒸汽再冷凝量增多，如果持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使分離器尋找新的平衡溫度，溫度會(huì)升高［10］。

分離器的蒸發(fā)溫度變高時(shí)，如果蒸發(fā)器提供的熱量不變則分離出的二次蒸汽量會(huì)減少，由于溫度高水蒸氣的比容變小則分離器中二次蒸汽流速變慢，分離效果好［11］。如溫度降低，MVR蒸汽系統(tǒng)其他參數(shù)不變情況下，閃蒸的二次蒸汽量會(huì)增大，同時(shí)二次蒸汽比容大，則二次蒸汽上升速度變快，物沫夾帶可能會(huì)加重。

物料濃度、粘度、表面張力增大，會(huì)造成二次蒸汽分離困難，分離器分離量不夠。分離器的物料循環(huán)量和液位高度增大會(huì)造成二次蒸汽夾帶量嚴(yán)重。分離器的直徑是保證汽、液分離有足夠的分離面，分離器高度是提高汽液相互夾帶的因素［12］。分離器高度越高，分離效率越高，但設(shè)備成本也會(huì)增加。除了提高分離高度當(dāng)然還有許多減少夾帶提高分離率的結(jié)構(gòu)及措施。

5.4泵的影響

泵是蒸發(fā)系統(tǒng)中主要的動(dòng)設(shè)備，主要起輸送液體的作用。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)中泵多采用雙機(jī)械密封的型式。主要因?yàn)橐谪?fù)壓下降物料抽出。泵機(jī)械密封的好壞以及運(yùn)行時(shí)的流量、吸程、揚(yáng)程都會(huì)對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

料泵密封泄漏或其他原因致使流量不足，會(huì)引起積液或缺料，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生干燒甚至結(jié)焦堵塞蒸發(fā)器。

冷凝水泵如果不能及時(shí)將冷凝水抽出，會(huì)使冷凝水在蒸發(fā)器中聚集，會(huì)使蒸發(fā)器的傳熱發(fā)生嚴(yán)重的抑制作用［13］。蒸發(fā)器中本來(lái)使用蒸汽加熱變?yōu)闊崴訜幔蕰?huì)大大降低，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生堵塞。

5.5其他的影響

除了以上提出的運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的影響因素外，還有配管的問(wèn)題、閥門質(zhì)量問(wèn)題的影響、操作規(guī)范性的問(wèn)題等，都會(huì)對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

6　結(jié)束語(yǔ)

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)作為一套系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。物料、工藝、設(shè)備、操作都

對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期就應(yīng)該綜合考慮各種因素，在設(shè)備生產(chǎn)、安裝、調(diào)試時(shí)注意可能影響設(shè)備運(yùn)行的原因，以保證裝置正常、連續(xù)、高效的運(yùn)行。

［1］ 時(shí)鈞，汪家鼎，余國(guó)琮，等.化學(xué)工程手冊(cè)第二版［M］.北京：化學(xué)工程出版社，1996：19.2-33.

［2］ 臘棟等.降膜蒸發(fā)過(guò)程的傳熱性能研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2006，5：6-10.

［3］ 張琳，高麗麗，崔磊，趙慶良.MVR蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬［J］.化工進(jìn)展，2013，32（3）：543-547.

［4］ 高麗麗，張琳，杜明照.MVR蒸發(fā)與多效蒸發(fā)技術(shù)的能效對(duì)比分析研究［J］.現(xiàn)代化工，2012，32（10）：29-31.

［5］ 倪思梅等.機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品，2013，3：39-42.

［6］ 周文生，韓東.降膜蒸發(fā)器傳熱特性的數(shù)值模擬［J］.化工進(jìn)展，2009，29：54-60.

［7］ 張國(guó)標(biāo)等.機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝（MVR）蒸發(fā)高濃度氨氮廢水試運(yùn)行總結(jié)［J］.科學(xué)論壇，2010，47（6）：39-41.

［8］ 顧承真，閔兆升，洪厚勝.機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)的性能分析［J］.化工進(jìn)展，2014，33（1）：30-35.

［9］ 劉殿宇.影響蒸發(fā)器使用的幾個(gè)因素［J］.發(fā)酵科技通訊，200，37（4）：46-47.

［10］韓東，顧昂，岳晨.可用于MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的氣液分離器改進(jìn)結(jié)構(gòu)分析［J］，化工學(xué)報(bào)，2012，63（2）：508-513.

［11］辛寶豐.氣液分離器的設(shè)計(jì)和選擇［J］.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，1986.3：1-9.

［12］HG/T20570.8氣液分離器設(shè)計(jì)［Z］.中國(guó)寰球化學(xué)工程公司.

［13］張豐杰.車修來(lái).板式蒸發(fā)配套泵的設(shè)計(jì)選型及應(yīng)用效果［J］.輕金屬，2003.6：50-52.

TQ051.6