带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统设计

吴 宏 李育隆 陈 江

(北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京100191)

污水处理是保护生态平衡，缓解全球水资源紧缺的重要方法.目前蒸馏法已成为越来越重要的水处理方法［1］.蒸馏法以压汽蒸馏法VC(Vapor Compression)、多效蒸馏法MEE(Multiple Effect E-vaporation)及多级闪蒸法MSF(Multi-Stage Flash)为代表.压汽蒸馏法主要有热力压汽蒸馏法TVC(Thermal Vapor Compression)和机械压汽蒸馏法MVC(Mechanical Vapor Compression)两 类［2］.MVC系统是将低温的饱和蒸汽经压缩机压缩，使其压力、温度升高，热焓增加，然后再作为热蒸汽使用，以达到蒸发、分离及节能的目的［3］.

MVC系统的研究以建立数学模型、设计方法、实验研究和性能评定为主.文献［4］在1982年给出了由215个方程组成的MVC海水淡化系统的数学模型.文献［5］在1985年报道了每单元1500(m3·d-1)的MVC海水淡化系统，并且描述了其设计过程和该系统性能的分析.文献［6］对低温下压汽蒸馏的可靠性、稳定性进行了研究，并且评价了装置的经济性.文献［7］给出了单效MVC系统的综合设计方法，并且对一套MVC系统进行了分析，给出了设计和操作中特征参数.文献［8］给出了MVC系统优化的目标及优化设计的方法.文献［9］为达到低耗电量和高产水率的双重目的，改进了MVC系统，最终产水率提高到了3000(m3·d-1)，能耗为 8.1(kWh·m-3).文献［10］报道了包含两个单元的MVC系统，其中每个单元产能可达500(m3·d-1)，设备的平均效率为87.3%～90.2%.

目前，MVC系统多用于海水淡化的工艺中，其工艺过程［7］是:将原料海水预热后，进入蒸发/冷凝器的蒸发腔内蒸发.所产生的蒸汽经蒸汽压缩机压缩，压力升高，变成高温过热蒸汽，再引入蒸发/冷凝器的冷凝腔内冷凝生成淡水.冷凝释放的潜热作为热源加热蒸发腔内的海水，使其蒸发，如此实现海水-盐分的分离以及热能的循环利用.

MVC与TVC［7-11］相比，不需要高压蒸汽发生器，工艺简单.为了尽可能多的回收热能，MVC系统除了利用蒸发/冷凝器回收潜热外，还利用预热器回收高温冷凝水和浓缩水的显热.与渗透膜技术［12-13］相比，MVC技术对前处理要求低，可以避免由于各种添加剂而造成的水源二次污染.总之，MVC系统具有以下优点［7］:系统构造模块化，结构简单紧凑;前处理简单;只需动力源，不需要外部热源;操作简单，调节方便.大型MVC循环系统的淡水生产成本较低，平均能耗为10.4～11.2(kWh·m)-3［10］.然而在处理成分复杂的污水时，由于在结构方面的限制现有的机械蒸汽压缩技术方案遇到了难以克服结垢和污物处理的困难［9，14-15］，使其使用的范围、寿命以及可靠性大大降低.在消化吸收现有技术的基础上，本文提出了一套带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统，该系统能够很好地克服传统压汽蒸馏系统的以上缺陷，使其应用领域大大扩展，不仅仅局限在海水淡化技术上.在保持系统高效运行的同时，系统处理规模较灵活，对废水的适应性上有较大的改善.

图1 分离式的蒸发器与冷凝器的MVC系统原理示意图

图2 蒸发器与冷凝器分离结构示意图

1 过程描述

图1是带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统的原理示意图.该系统包括蒸发器、冷凝器、蒸汽压缩机、净化水-污水预热器、浓缩水-污水预热器.图中没有示出不冷凝气体排出器、污水过滤装置、控制装置以及除沫器.该系统中蒸发器与冷凝器分离，如图2所示.冷凝器的管束和蒸发器的盘面以小间隔交错排列，蒸发器盘面的中心稍微高于液面，冷凝器排管全部位于液面下方，在系统运行的过程中，蒸发器的盘面旋转，从而形成蒸发器和冷凝器之间的相对运动.

系统的运行过程为:将污水Ms经过净化水-污水预热器、浓缩水-污水预热器进行预热，再将预热后的具有一定温度T2的污水Ms送入蒸发器，在蒸发器中，污水受热蒸发，生成水蒸汽;水蒸汽随之通过除沫器后进入压缩机，经压缩后其温度升高成为过热蒸汽;过热蒸汽通入冷凝器冷凝生成淡水Mp，冷凝释放出的潜热又作为蒸发器的热源，加热污水，最终排出的冷凝水Mp继而通入净化水-污水预热器中预热污水.经过浓缩后的浓缩水Mc同样通入浓缩水-污水预热器预热污水.

传统MVC系统的蒸发/冷凝器的换热管起着蒸发和冷凝的双重作用［7］，其管内水蒸气由气态冷凝成液态，在管外液态水又吸收热量蒸发变成气态，这种结构虽然紧凑但是管的外壁容易发生结垢，尤其是大都采用喷淋结构，对于污水管壁的结垢问题会非常严重.污垢影响使得管壁的热阻大大增加，管壁的换热性能下降使得冷凝器和蒸发器的效率都大大下降，性能的恶化使得系统无法持续运行下去.本文提出的新型带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统中，蒸发器和冷凝器在结构上分离，冷凝器内蒸汽释放的冷凝潜热通过冷凝器换热管以强迫对流方式传递给污水，污水通过对流换热把热量传递给蒸发器，在蒸发器上通水膜的显热作为提供蒸发的热量.此外，由于可在蒸发器的盘面植入刮刷，刮刷随着蒸发器盘面一起旋转，在旋转的同时不断的“刮刷”冷凝器换热管，从而在一定程度上抑制了冷凝器的结垢速率，使得冷凝器的换热性能在长期运行中能基本保持不变［16］.

2 热力模型分析

图3是带分离式蒸发冷凝器的机械压汽蒸馏系统理想状态下的循环T-S图.本文所谓的理想状态指:①压缩机压缩的是饱和蒸汽，并且压缩过程等熵可逆;②无热损;③无流动损失;④循环工质为不含盐分的纯净水或水蒸气，从而忽略工质随着浓度升高而沸点升高.

图3 理想状态下的循环T-S图

在图3中，过程1-2，6-6'-7在预热器中进行，系统完成净化水、浓缩水热量的回收，并且使污水预热.过程2-2'-3在蒸发器中进行，饱和水吸热蒸发，过程3-4是饱和蒸汽在压缩机中绝热压缩成过热蒸汽，4-5-6是过热蒸汽先释放显热变成饱和蒸汽，然后再释放冷凝潜热的过程.过程7-1可认为是在外环境中进行的.此循环类似于朗肯循环，故可以称之为类逆朗肯循环.

下面以T-S图为基础，对带分离式蒸发冷凝器的MVC系统的类逆朗肯循环进行模型分析.

与传统MVC一样，分离式的蒸发器与冷凝器的MVC系统质量守恒:

在净化水-污水预热器、浓缩水-污水预热器中，污水吸收的热量等于净化水和浓缩水放出的热量:

由预热器的换热量可以确定其换热面积APR，本文的换热面积包括净化水-污水预热器和浓缩水-污水预热器两者的换热面积之和.

式中，αPS，αCS分别是净化水-污水预热器、浓缩水-污水预热器的传热效率因子，根据张洪彦［17］的研究结果，其数值均取0.9.KPS，KCS分别是净化水-污水预热器、浓缩水-污水预热器的总传热系数，在污垢系数为0.0005时，KPS，KCS均取为 2838 W/(m2·K)［18］.Δtm为对数平均温差.

在蒸发器中，已预热的污水吸收热量后温度继续升高，达到一定温度后变成饱和蒸汽.

式中，λEV是汽化潜热.

蒸发器中总吸热量也等于蒸发器的换热量:

式中，β是蒸发器的传热效率因子，取0.8;KEV是蒸发器的总传热系数，计算时取 2600 W/(m2·K)［19］;ΔT 表示冷凝温度和蒸发温度的差值，也是蒸发器换热的温差，在数值上ΔT=T6-T2'.

由式(6)～式(8)可以推出蒸发器换热面积AEV的表达式:

在冷凝器中，放出的热量等于过热蒸汽的显热与冷凝释放的潜热之和.

式中λCO是冷凝潜热.温度T4是由压缩机的压缩能力决定的，故T4与T3存在如下关系:

式中，π表示蒸汽压缩机压比，取1.2;k是定熵指数，取 1.33［20］.将式(12)代入式(10)有

冷凝器中总放热量也等于冷凝器的换热量:

式中，γ是冷凝器的传热效率因子，其值取0.9;KCO是冷凝器的总传热系数，计算时取为 3000 W/(m2·K)［18］.

由式(10)～式(14)推出冷凝器换热面积ACO:

3 性能优化

对于整个应用系统来讲，成本由制造成本和运行成本构成.由式(3)、式(9)和式(15)可知，换热面积是温差的函数，随温差的增加而减小;而循环效率也是温差的函数，随温差增加而增加，因此存在着最佳的温差来实现总成本控制.

假设单位换热面积需要ξ的制造成本，则总的制造成本YMA为

由于MVC系统以回收热量再利用作为节能的手段，故将此类逆朗肯循环的循环效率η定义为回收热量占总蒸发需热量的百分比.即

由于循环效率越高，运行成本越低，则运行成本YOP与循环效率的关系为式中σ为运行成本与循环效率的相关常数.

带分离式蒸发冷凝器的MVC系统的总成本为制造成本和运行成本之和，故:

综合以上的数学分析，将式(3)、式(9)、式(15)代入式(16)、式(18)、式(19)可以得到制造成本YMA、运行成本YOP、总成本YAL随着换热温差ΔT变化的关系，如图4～图6所示.

图4 制造成本与ΔT的关系

图5 运行成本与ΔT的关系

图6 总成本与ΔT的关系

图4显示了制造成本YMA随着换热温差ΔT的增大而减小;ΔT越小，则所需要的换热面积就越大，相应的制造成本也就越高;在ΔT达到13℃时，YMA的变化趋于平坦.

图5是运行成本YOP随着换热温差ΔT的变化趋势.随着ΔT的升高，运行成本也几乎线性的增长.这是由于温差越大，则系统效率就越低，系统回收热量的能力也就越弱，需要从外界补充更多的能量来维持循环，从而增加了运行成本.

图6是总成本与温差的关系，图线显示在极小温差下，由于制造成本的增大使得总成本很高，随着ΔT的升高，总成本迅速减小，当达到 ΔT＞3.7℃时，曲线趋于平缓.故而蒸发器与冷凝器间以3.7℃的小温差换热时其经济成本最低.并且小温差换热的热损失也小，系统循环效率也高.

4 影响系统效率的主要因素

分离式的蒸发器与冷凝器的MVC系统的效率主要由冷凝器和蒸发器的换热效率决定的.在本系统中，能强化换热从而提高系统效率的因素主要有蒸发器盘面旋转和减小水膜厚度两方面.

带分离式蒸发冷凝器的MVC系统蒸发器和冷凝器在结构上分离.系统在运行时，蒸发器盘面的旋转使得流动边界层和温度边界层都变薄，随着旋转速度的加快，热边界层的厚度变得越薄，从而冷凝器和水的换热系数也越高，强化换热的效果也越好［19］.另一方面，蒸发器的蒸发面积是决定蒸发量大小的重要因素，因而可以通过控制蒸发器盘面旋转的快慢来控制有效蒸发面积从而控制蒸发量，从而使蒸发量、冷凝量以及压缩机的流量达到恰当的匹配.

影响冷凝器效率的主要因素是粘滞在冷凝器换热管管壁上的水膜.蒸汽在凝结时，其热阻取决于通过液膜层的厚度.水膜厚度的增加使传热系数急剧减低，从而使换热效率大大降低，因此，有必要减小水膜的厚度.为了减小水膜的厚度，在本系统中可行的方法有:①通过换热管管型的设计，及时的排走凝结液体，不使其积存在传热表面上.②对换热管管壁进行疏水性化学处理，如离子注入金属表面方法，从而使凝结液体无法滞留在换热管壁上.

5 结论

本文提出一套带分离式蒸发冷凝器的新型MVC系统.通过对传统技术的改进，新型系统可以将MVC应用于污水处理工艺中，可有效解决结垢和污物处理困难的问题.文中分析了系统的热力循环过程，以最优寿命成本作为优化目标，对该系统可进行优化的参数进行优化，结果表明:蒸发器与冷凝器间以3.7℃的小温差换热经济成本最低，并且可减小热损失，提高循环效率.

本系统中蒸发器盘面旋转、减小水膜厚度可以增强换热，提高系统效率.综合而言，分离式MVC系统是一种高效、节能的污水处理技术，具有广阔的发展前景.

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