两级机械蒸汽再压缩系统

摘 要

　　单级机械蒸汽再压缩系统广泛应用于各类蒸发浓缩领域，是节能降耗的有效形式。其对于沸点温升低、蒸发量大的物料具有较好的适用性和节能性。当物料的沸点温升较高时，水蒸气压缩机能耗显着提升，导致单级系统的节能性大幅降低。为有效解决上述问题，本文以沸点温升较大的硫酸镁溶液作为研究对象，设计了两级机械蒸汽再压缩系统，通过一级蒸发器对初期浓度、沸点温升均较低时的溶液先预先蒸发，二级蒸发器再继续蒸发至饱和状态，实现了蒸发浓缩过程的进一步节能。本文主要包括以下研究内容：

　　（1）竖管降膜蒸发器传热传质过程数值模拟研究。以硫酸镁溶液在竖直管内的降膜蒸发过程为研究对象，考虑传质过程对传热的影响因素，对两级系统中的竖管降膜蒸发器进行传热传质研究；在适当简化传热、传质相互耦合复杂过程的基础上，采用数值解法求解液膜在管内蒸发的温度场、浓度场分布。并分析壁温、进口溶液浓度、进口溶液流量等对其传热性能的影响。

　　（2）MVR 水蒸气压缩机热力特性与蒸汽平衡研究。比较和分析 R245fa 工质与水蒸气在 MVR 系统不同工况下对压缩机结构设计与能耗的影响规律，提出适合低温蒸发的热泵蒸发系统；构建 MVR 压缩机能耗分析数学模型；在硫酸镁溶液的物性特点分析的基础上，对 MVR 系统的热量平衡、蒸汽平衡进行了研究，得出了蒸发压力、传热温差、物料出口浓度和喷入饱和水量对抽气量的影响规律。

　　（3）两级机械蒸汽再压缩系统数学建模。通过分析硫酸镁溶液蒸发浓缩与结晶过程中的实际工艺要求，建立两级 MVR 系统的工艺流程；在热力学分析的基础上，构建两级 MVR 系统热力模型以及各换热器传热计算模型；由于二级强制循环泵的能耗不可忽略，同时建立了循环泵的能耗数学模型。

　　（4）两级机械蒸汽再压缩系统的优化设计。通过分析热力模型，选取实际工况条件下的一级蒸发器内蒸发压力、一级蒸发器出口溶液浓度等 6 个关键参数作为优化变量；综合考虑系统节能性与经济性，选取系统年总费用作为优化目标函数，并通过遗传算法对两级 MVR 系统进行优化设计，得出最小的年总费用值为122.2 万元/年。

　　关键词：两级 MVR 系统；降膜蒸发；MVR 压缩机；遗传算法

Abstract

　　The single-stage mechanical vapor re-compression system is widely used in various evaporation and concentration filed. It is an effective form of energy saving and consumption reduction. It has good applicability and energy-saving properties for materials with low boiling points and high evaporation capacity. When the temperature rise of the boiling point of the material is high, the energy consumption of water vapor compressor is significantly increased, resulting in a huge reduction in the energy efficiency of the single-stage system. In order to effectively solve this problem, the paper use MgSO4 solution as a research object and design a two-stage mechanical vapor compression system. The solution with a lower initial temperature and a higher boiling point temperature is passed through the first-stage evaporator for pre-evaporation. And the solution will be evaporated to saturation in the secondary evaporator, achieving further energy saving in the evaporation and concentration process. This article mainly includes the following contents:

　　（1）The numerical simulation of the heat and mass transfer process of a vertical tube falling film evaporator. Taking the falling film evaporation process of MgSO4 solution in vertical tube as the research object. Taking into account the influencing factors of heat transfer in the mass transfer process, the paper studies the heat and mass transfer of the falling tube evaporator in the two-stage system. Based on simplifying the process of heat and mass transfer, a numerical solution is used to solve the temperature filed and concentration filed distribution of liquid film in the tube. This paper analysis the effect of the wall temperature, heat transfer tube length, the concentration of imported solution on the heat transfer performance.

　　（2）Study on the thermodynamic characteristics of water vapor compressor and vapor balance. Comparing and analysis the effect of R245fa and vapor on the structural design and energy consumption under different working conditions of MVR system, this paper proposes a heat pump system suitable for low temperature rise and constructs a mathematics model for energy analysis of MVR compressor. Based on the analysis of physical properties, the heat balance and vapor balance of the MVR system is studied. The paper obtains the effects of evaporation pressure, heat transfer temperature difference, material outlet concentration and injected saturated water volume.

　　（3）Mathematical model of two-stage mechanical vapor re-compression system. By analyzing the actual requirements in the process of evaporation, concentration and crystallization of MgSO4, a two-stage MVR system process is established. On the basis of thermodynamic analysis, the paper constructs a two-stage MVR system thermal model and every heat transfer calculation models. The energy consumption of secondary forced circulating pump can not be ignored, and the mathematics model of pump is established.

　　（4）Optimized design of two-stage MVR system. By analyzing the thermal model, six key parameters such as the evaporation pressure in the first-stage evaporator and the concentration of the first-stage evaporator outlet solution under actual working conditions are selected as the optimization variables. The total annual cost of system is selected considering the energy saving and economy of the system. The two-stage MVR system will be optimized through a genetic algorithm, and the minimum total cost is 1.222 million yuan annually.

　　Keywords: Two-stage MVR system, Falling-film evaporation, MVR compressor, Genetic algorithm

　　生态文明建设是国家可持续发展的长远规划，国家坚持把节能和环保作为基本国策之一。自 2013 年 3 月 1 日以来，火电、化工等六大行业及燃煤锅炉[1]已被纳入到排放限制行业中。与此同时，随着国内煤炭、石油等传统能源价格持续走高，工业企业生产成本压力陡增。加强能源消费管理、促进生产工艺技术、设备创新是工业企业克服发展瓶颈，国家实现节能减排目标的必由之路。

　　蒸发浓缩[2]是工业生产中常见的化工处理工艺，经常应用在化学工业、纺织印染、食品医药、海水淡化、废水处理等生产工艺过程中。实际生产中常以水溶液为蒸发对象，以饱和蒸汽作为加热热源。而从溶液中蒸发出来的“二次蒸汽”属于低压蒸汽，不具备用气条件。因此这部分二次蒸汽直接排放至大气，或被冷却系统冷凝或用到一些低压蒸汽设备，造成污染和能源浪费。为节约蒸汽消耗，降低生产成本，目前蒸发浓缩领域主要有三种改进工艺：传统的多效蒸发[3]（Multiple EffectEvaporator，MEE）、热力蒸汽再压缩[4]（Thermal Vapor Re-compression，TVR）、机械蒸汽再压缩[5-8]（Mechanical Vapor Re-compression，MVR）。多效蒸发工艺需花费外界热源提供的热量，加热物料使本效蒸发生成的二次蒸汽为下一效的蒸发提供热量，再用冷却塔等装置生产冷却水来冷却末效蒸发产生的二次蒸汽。而热力蒸汽再压缩在传统工艺基础上增设了一个喷射泵，花费部分外界生蒸汽来引射物料产生的部分二次蒸汽，所有蒸汽在喷射泵内升温升压后作为物料加热的热源。

　　多效蒸发相对于单效蒸发工艺，二次蒸汽的潜热得到了二次利用，使得蒸发过程的单位蒸发量所需耗汽量下降，但受经济技术条件制约，多效蒸发工艺的效数不能无止尽的增加。而热力蒸汽再压缩通过引入喷射泵使部分二次蒸汽的潜热得到有效利用，相对于多效工艺进一步节约了生蒸汽的用量。总的来说，这两种工艺均未能完全利用二次蒸汽潜热，且均需消耗较多冷却水用于末效剩余二次蒸汽的冷凝。

　　本课题所研究的 MVR 系统在电汽价格比合适的情况下，经水蒸气压缩机压缩二次蒸汽用于加热物料，充分利用了原先浪费的二次蒸汽潜热，相对前两种工艺能更大限度地减少蒸汽和冷却水的消耗量，是未来蒸发浓缩领域的必然趋势。

　　相对于传统的蒸发浓缩技术，MVR 技术具有以下优点：

　　（1）节能性 MVR 技术将蒸发器中原本需要冷却水冷凝的二次蒸汽经压缩机压缩后作为新的热源，节省了生蒸汽和冷却水的使用量，单位能量消耗低，与多效蒸发工艺相比，蒸发 1kg 水，MVR 系统耗能大约只有多效蒸发系统的 9%[9]。

　　（2）经济性 MVR 系统除开始启动与补充运行过程中散失的热量需要少量蒸汽外，其余过程均不要生蒸汽。同时为了冷却抽真空时伴随而出的部分蒸汽需配备一个较小的冷却水系统。因此，生产过程中只需消耗电力，运行成本相对传统蒸发工艺更小。以 15t/h 氨基酸发酵液的蒸发浓缩为例，对采用机械蒸汽再压缩工艺与三效蒸发工艺进行对比研究。结果表明，传统三效蒸发每年蒸汽消耗 900万元，循环用水消耗 50 万元，MVR 蒸发器电耗成本 150 万元，因此每年可节省运行成本 800 万元[10]。

　　（3）技术优越性 机械蒸汽再压缩系统传热温差小，蒸发过程温和，物料产品在蒸发器中停留时间短，操作简单，可根据工况条件调节负荷，操作成本低，可实现自动化运行。

　　MVR技术因其诸多优势以及近年来国家积极倡导加快节能减排进程而在国内越来越受到重视，尽管已有项目开始实际应用，但针对不同物料，系统设计也将不同，以及诸如水蒸气压缩机的研发制造、系统的优化设计问题依然困扰着研究人员。本课题以制备七水硫酸镁晶体的蒸发浓缩流程为研究对象。七水硫酸镁主要用于肥料﹑制革﹑印染﹑塑料﹑瓷器﹑火柴和防火材料的制造，医药上用作泻盐等。除去常规的工业制盐工艺，在烟气脱硫技术领域，国内逐渐兴起的镁法烟气脱硫工艺，副产品主要为亚硫酸镁和硫酸镁，通过回收处理可制成七水硫酸镁，用作肥料和建筑材料，提高镁法脱硫技术的经济性[11]。因此，将 MVR 技术应用到七水硫酸镁晶体的生产工艺中，可以产生较好的经济环保效益。

　　目前市场上出现的硫酸镁溶液的蒸发浓缩技术仍以多效蒸发技术为主，MVR技术尚未普及，证明 MVR 技术在使用过程中仍有许多技术难点未被克服。本文针对硫酸镁溶液沸点温升较高的物性特点，考虑到单级 MVR 系统应用于沸点温升较高的物料时会造成压缩机能耗显着增大，结合技术经济性考虑，研究两级机械蒸汽再压缩技术在硫酸美溶液蒸发浓缩、结晶工艺中的使用。

　　机械蒸汽再压缩技术刚刚出现时，因为能源供给充足，且水蒸气压缩机的制造工艺得不到提升，导致该技术未能得到有效推广。到了上世纪 70 年代，由于能源需求渐增与供应不足的矛盾造成能源价格飞速上涨，MVR 技术逐渐受到各国研究人员的重新认识和关注，并成功应用于蒸发操作中[12]。现今该技术已被广泛应用于食品和饮料行业（牛奶、果汁、蔗糖溶液的蒸发）、环保化工行业（废水的蒸发）等领域。在国内，1989 年，四川自贡张家坝化工厂首次引进 MVR 装置[13]，其后越来越多的研究人员开始关注该技术，MVR 技术逐渐在国内各领域兴起。

　　目前，MVR 技术的研究方向主要集中在蒸发器、水蒸气压缩机、系统工艺流程、系统结构优化设计等方面。

　　MVR 系统的关键部件为压缩机和蒸发器，针对不同的物料，物料物性不同，工艺要求，比如：蒸发温度、压力、处理量不同均会导致压缩机、蒸发器形式和工作性能的不同。国内外研究主要集中在对蒸发器传热传质特性和压缩机热力特性的研究。

　　两级机械蒸汽再压缩系统：

两级 MVR 系统原理图

两级 MVR 系统原理简图

竖管降膜蒸发器结构示意图

目录

　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 课题研究背景和意义
　　　　1.2 国内外研究现状及分析
　　　　　　1.2.1 MVR 系统主要部件研究
　　　　　　1.2.2 MVR 工艺流程的研究
　　　　　　1.2.3 MVR 系统优化方法研究
　　　　　　1.2.4 MVR 系统运行特性研究
　　　　1.3 国内外文献综述小结
　　　　1.4 本文主要研究内容
　　第 2 章 竖管降膜蒸发器传热传质数值模拟研究
　　　　2.1 竖管降膜蒸发传热传质过程机理
　　　　2.2 工质物性参数方程的确定
　　　　　　2.2.1 硫酸镁溶液主要物性参数计算方程拟合
　　　　　　2.2.2 溶液分子扩散系数的求解
　　　　　　2.2.3 液膜侧传热系数的定义
　　　　2.3 竖管降膜蒸发器传热传质数学建模
　　　　　　2.3.1 控制方程和边界条件
　　　　　　2.3.2 液膜流速和膜厚求解
　　　　　　2.3.3 汽液平衡方程
　　　　2.4 数学模型求解
　　　　　　2.4.1 控制区域和控制方程离散
　　　　　　2.4.2 方程求解步骤
　　　　2.5 模拟结果讨论
　　　　　　2.5.1 温度和浓度的分布
　　　　　　2.5.2 降膜蒸发传热系数影响因素
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 MVR 水蒸气压缩机热力特性与蒸汽平衡
　　　　3.1 MVR 压缩机热力特性
　　　　　　3.1.1 活塞式压缩机设计计算
　　　　　　3.1.2 压缩机热力特性比较
　　　　3.2 MVR 压缩机计算模型建立
　　　　3.3 蒸汽平衡规律
　　　　　　3.3.1 蒸发器热量衡算
　　　　　　3.3.2 热量衡算结果分析
　　　　　　3.3.3 抽气量影响规律
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 两级 MVR 系统数学模型建立
　　　　4.1 两级 MVR 系统工艺流程建立
　　　　4.2 两级 MVR 系统热力模型建立
　　　　　　4.2.1 两级 MVR 系统热力计算模型控制方程建立
　　　　　　4.2.2 热力计算模型分析
　　　　4.3 两级 MVR 系统传热计算模型建立
　　　　　　4.3.1 预热器传热计算模型建立
　　　　　　4.3.2 竖管降膜蒸发器传热计算模型建立
　　　　　　4.3.3 强制循环蒸发器传热计算模型建立
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 两级 MVR 系统优化研究
　　　　5.1 两级 MVR 系统设计分析
　　　　　　5.1.1 两级 MVR 系统设计条件分析
　　　　　　5.1.2 两级 MVR 系统热力模型求解
　　　　5.2 两级 MVR 系统优化设计目标函数
　　　　　　5.2.1 优化设计目标函数确定
　　　　　　5.2.2 系统年总费用计算
　　　　5.3 两级 MVR 系统优化的约束条件
　　　　5.4 单因素对目标函数影响分析
　　　　5.5 两级 MVR 系统优化算法
　　　　5.6 优化设计方法及结果
　　　　5.7 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　附录
　　攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
　　哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限
　　致 谢

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