張 仂，于希軍

(1.中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450;2.濰坊鹽業(yè)公司，山東 濰坊 261011)

蒸汽機(jī)械再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)蒸發(fā)工藝是通過(guò)壓縮蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，將低品位蒸汽熱源提升為高品質(zhì)蒸汽熱源，重新用于蒸發(fā)操作的工藝。1885 年，世界上第一套蒸汽壓縮制鹽裝置在法國(guó)的薩日特(Salet)制鹽廠建成。1917 年，瑞士埃舍爾維斯(Escher Wyss)公司設(shè)計(jì)制造了離心式壓縮機(jī)使MVR 制鹽迅速發(fā)展。20 世紀(jì)60 年代～70 年代，隨著MVR 蒸發(fā)工藝日漸成熟，歐美國(guó)家已成功的將該技術(shù)用于鹽業(yè)［1-2］、化工、食品、造紙、醫(yī)藥、海水淡化及污水處理［3］等領(lǐng)域。

我國(guó)于1984 年在四川省張家壩鹽化廠引進(jìn)了10 萬(wàn)t/a MVR蒸發(fā)制鹽裝置，該裝置為我國(guó)MVR蒸發(fā)結(jié)晶行業(yè)技術(shù)提升積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。2003 年～2005 年間，國(guó)內(nèi)水處理行業(yè)的蒸發(fā)結(jié)晶裝置開(kāi)始采用MVR 技術(shù)。2010 年，中鹽金壇鹽化公司引進(jìn)的100 萬(wàn)t/a MVR 熱泵制鹽裝置投產(chǎn)，成為我國(guó)大型化MVR 蒸發(fā)技術(shù)付諸于實(shí)踐的里程碑［4-5］。2018 年，中鹽龍祥采用石膏晶種法MVR 制鹽裝置投產(chǎn)。

與多效蒸發(fā)(ME)工藝相比，MVR 工藝具有較多優(yōu)勢(shì)［6］。隨著環(huán)保和節(jié)能要求不斷提高，MVR 工藝應(yīng)用日益廣泛，對(duì)MVR 工藝特性深入了解也日漸重要。文章建立了一種MVR 工藝模型，利用物料平衡和熱量平衡對(duì)該模型各參數(shù)進(jìn)行了理論求解，為工程實(shí)踐提供理論支撐。

1 工藝模型

MVR 工藝流程模型如圖1 所示。料液經(jīng)冷凝水換熱器5 和完成液換熱器6 換熱以后，進(jìn)入蒸發(fā)器1。蒸發(fā)生成的二次汽進(jìn)入水蒸汽壓縮機(jī)3 進(jìn)行壓縮，壓縮得到的過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)熱消除器2 以后，與生蒸汽混合后共同進(jìn)入蒸發(fā)器1 加熱室。加熱蒸汽經(jīng)換熱后，以冷凝水形式出加熱室。蒸發(fā)完成液經(jīng)換熱器6 降溫后排出系統(tǒng)，加熱室冷凝水經(jīng)換熱器5 降溫后排出系統(tǒng)。

圖1 MVR 蒸發(fā)工藝流程模型Fig.1 MVR evaporation process model

2 模型假設(shè)

為方便計(jì)算，計(jì)算模型采取以下假設(shè):

(1)壓縮過(guò)程為絕熱等熵;(2)整個(gè)工藝系統(tǒng)與外界無(wú)換熱，即系統(tǒng)熱損失為零;(3)忽略流體流動(dòng)阻力損失。

3 已知條件

計(jì)算中已知條件為:蒸發(fā)器進(jìn)料流量F，蒸發(fā)器二次蒸汽流量(即壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽流量)Vi和蒸發(fā)器濃縮液流量M。另外，已知蒸發(fā)器二次汽溫度(即壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度)Ti和壓力pi(即壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度和壓力)，蒸發(fā)器進(jìn)料溫度Tf。還有部分熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如比熱，焓值等也應(yīng)已知或簡(jiǎn)單求出。

對(duì)于過(guò)熱蒸汽熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算，最好是利用一些現(xiàn)有小軟件進(jìn)行查詢，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和保證精度。

4 理論計(jì)算

4.1 壓縮機(jī)功率

一般地，已知壓縮機(jī)進(jìn)口飽和水蒸氣壓力pi和壓縮機(jī)壓縮比R，則可以求出壓縮機(jī)出口過(guò)熱蒸汽壓力po

通過(guò)水蒸汽物性表可以查得壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽焓值Hi，利用現(xiàn)有軟件可以查詢等熵情況下的壓縮機(jī)出口過(guò)熱蒸汽溫度To和焓值Ho。這樣，可求得壓縮機(jī)進(jìn)出口單位質(zhì)量下水蒸氣焓值差值ΔH:

由壓縮功可以很容易得到壓縮機(jī)軸功率，考慮減速機(jī)功耗、電機(jī)效率等，則可以計(jì)算電機(jī)功率。

4.2 過(guò)熱消除器

式(5)中，可以利用軟件計(jì)算po、To狀態(tài)下的過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡蜁r(shí)的溫度Ts和焓值Hs，其中飽和蒸汽壓力保持不變。將式(4)代入式(5)，經(jīng)過(guò)變換，可以得到式(6)。

由于過(guò)熱消除器進(jìn)水溫度Tw由工藝輸入確定，因此Hw很容易求得，繼而求得過(guò)熱消除器進(jìn)水量W 以及

4.3 蒸發(fā)器

式(8)中，Hs、F、Hf、C、Hc、M、Hm、Vi、Hi以及式(9)中W 已知或根據(jù)工藝設(shè)定，因此可以求得冷凝水流量C 和進(jìn)加熱室蒸汽量V2。

考慮到(V2-S)式(7)已經(jīng)求解出，可以求得補(bǔ)充生蒸汽流量S。

4.4 換熱器

由于各參數(shù)都已求解出或者可以設(shè)定，冷凝水換熱器和完成液換熱器換熱面積根據(jù)傳熱方程很容易單獨(dú)求得。

5 模型討論

(1)由于未考慮系統(tǒng)熱損失和流體流動(dòng)阻力損失，補(bǔ)充生蒸汽流量S 在一定條件下可能為負(fù)值，表明系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽比蒸發(fā)所需蒸汽量多，多余蒸汽可以用于進(jìn)料預(yù)熱。

(2)壓縮機(jī)進(jìn)出口溫升(飽和狀態(tài)下)需要根據(jù)物料特點(diǎn)和壓縮機(jī)特性綜合考慮，保證滿足工藝要求和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

(3)在實(shí)際壓縮過(guò)程中，壓縮機(jī)內(nèi)為多變過(guò)程，不僅僅是等熵過(guò)程。

(4)預(yù)熱對(duì)于回收熱量具有重要意義，尤其是對(duì)于高溫蒸發(fā)過(guò)程。

(5)一般工藝中，蒸發(fā)器二次汽以經(jīng)過(guò)洗滌后再進(jìn)入壓縮機(jī)為好，尤其是大型系統(tǒng)和采用離心式壓縮機(jī)的系統(tǒng)。

(6)水蒸汽壓縮機(jī)因應(yīng)用形式不同，其實(shí)際運(yùn)行效率一般在50% ～80%之間，對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。

(7)該模型簡(jiǎn)單易懂，可以為快速了解MVR 工藝和計(jì)算參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

符號(hào)說(shuō)明:

壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽流量Vi，kg/h;

壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力pi，MPa;

壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度Ti，K;

壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽焓值Hi，kJ/kg;

壓縮機(jī)出口蒸汽壓力po，MPa;

壓縮功Cw，kJ;

壓縮比R;

壓縮機(jī)等熵效率Φ;

壓縮機(jī)出口蒸汽溫度To，K;

壓縮機(jī)出口蒸汽焓值Ho，kJ/kg;

蒸發(fā)器進(jìn)料流量F，kg/h;

蒸發(fā)器進(jìn)料焓值Hf，kJ/kg;

蒸發(fā)器濃縮液流量M，kg/h;

蒸發(fā)器未換熱濃縮液焓值Hm，kJ/kg;

過(guò)熱消除器進(jìn)水流量W，kg/h;

過(guò)熱消除器進(jìn)水焓值Hw，kJ/kg;

進(jìn)加熱室蒸汽量V2，kg/h;

補(bǔ)充生蒸汽流量S，kg/h;

補(bǔ)充生蒸汽焓值Hs，kJ/kg;

冷凝水流量C，kg/h;

未換熱冷凝水焓值Hc，kJ/kg。