机械蒸汽再压缩技术4种典型蒸发器的比较

（北京化工大学，北京100029）

机械蒸汽再压缩技术4种典型蒸发器的比较

郝帅

（北京化工大学，北京100029）

机械蒸汽再压缩（MVR）技术是近年来快速发展的一项重要环保节能技术，其核心设备是蒸发器和压缩机。总结了4种典型蒸发器的优缺点，并根据国内外相关研究总结了其在MVR领域的应用现状和发展趋势，为以后MVR技术应用于化工废水处理零排放等方面提供参考。

MVR蒸发器；优缺点；应用现状

0 引言

传统行业多使用多效蒸发器来处理废水，成本高，运行复杂，而机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发器运行简单，处理成本低，大大降低蒸汽消耗，为节能减排做出贡献。由于其节能效果显著、技术成熟可靠，在不少行业中，MVR技术已逐步取代传统的蒸发技术并成为主流，大大降低了生产成本，带来了巨大的经济效益[1]。

蒸发器是MVR技术的核心设备，对于不同的物料，蒸发器的合理选用至关重要。

大量阅读文献发现：目前已应用于MVR技术的主要有强制循环蒸发器、升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、板式蒸发器。本文对这4种蒸发器进行了优缺点总结和对比，并结合国内外相关研究指出其在MVR领域的应用现状和发展趋势。

1 4种典型蒸发器的比较及应用

1.1强制循环蒸发器

强制循环蒸发器的优点有：（1）蒸发速度稳定；（2）相比自然循环蒸发器，传热系数大；（3）在蒸发末期，循环效果不会因为物料浓度变化而下降[2]；（4）能够处理浓度高、黏度大、易结晶、易污垢的物料。缺点是：（1）需要借助外力提供动力且动力消耗大，不适用于传热面积大的场合使用；（2）一般选用低扬程、大流量的循环泵，由于蒸发末期温度较高，要考虑泵的汽蚀、耐温和密封等问题；（3）采用强制循环蒸发器，物料在蒸发器内滞留量大，高温下停留时间较长，受热过程中易使物料分解变质，不适用于热敏性物料的处理[3，4]。

传统地讲，强制循环蒸发器用于一般蒸发工艺中的单效、多效蒸发，适用于肉的浸出液、盐、苛性钠、明矾或其它结晶物质，胶、酒精及易生泡沫的物质[5]。但近年来，随着MVR技术的快速发展，部分业内人士将其引入MVR工艺中，将膜式蒸发器和强制循环蒸发器结合使用，取得了较好的节能、经济效果。如方健才在基于MVR技术处理氯化铵水溶液的研究中采用了一体式升膜加强制循环闪蒸式蒸发器[6]。朱松天研究的MVR淡盐水浓缩工艺采用降膜式蒸发器预浓缩加强制循环蒸发器蒸发浓缩[7]。

1.2升膜式蒸发器

升膜式蒸发器的优点有：（1）一次通过加热器即达浓缩要求，不需要循环；（2）停留时间短，蒸发速度快；（3）传热效率高；（4）能够处理热敏性、黏度不大和易起沫的溶液；（5）占地面积小，空间高度低，结构紧凑，造价低，投资少；（6）一般情况为连续操作，也可以间歇操作；（7）清洗方便，劳动强度低，并可用清洗液循环清洗；（8）物料循环较好,正常操作时不易结焦。缺点是：（1）要保证二次蒸汽具有较高的速度，使得蒸汽能将料液拉成膜状；（2）若蒸发量过大，管子过长，在管子顶部容易造成液体量不足以覆盖管壁而产生干壁现象；（3）不适用于高黏度、有晶体析出和易结垢的溶液[3]；（4）加热温差较大，操作不易控制，易造成跑料等现象；（5）成膜困难，膜形成后不易保持，稳定性不好；（6）不适宜于高黏度物料的浓缩，如甜炼乳的浓缩；（7）操作要求较高，起初进料不能过快，应严格控制料位，保持一定的料位高度，否则难以成膜；（8）进入升膜式蒸发器中料液的温度必须大于或等于蒸发温度，否则料液在蒸发器底部必有一部分受热面用来加热料液使其达到沸点后才能汽化蒸发，不仅如此，低温的物料进入蒸发器后不能马上形成膜，在泵及真空的作用下会以液柱的形式上升，从而降低了蒸发效率；（9）由于料液在加热管中的布膜完全靠高速的二次蒸汽流及真空带动下形成，所以，其膜不稳定，在进入分离器中二次蒸汽与料液分离过程中容易产生二次蒸汽物沫夹带，即分离不彻底而造成跑料；（10）需要高温加热蒸发获得较高的加热温差并达到预期的二次蒸汽的流速；（11）当蒸发量大于料液量实际的蒸发水分时也不能成膜，甚至还引起结垢结焦[8]；（12）出料系统及加热器底部密封要求高，操作中不宜随意停车，否则易结焦；（13）生产能力相比其他蒸发器较低[9]。

升膜式和强制循环式的比较：（1）升膜式一次通过加热器即达浓缩要求，不需要循环；（2）升膜式物料在蒸发器内停留时间短，蒸发速度快，适用于热敏性溶液，而强制循环式不适合；（3）强制循环式可以处理高黏度、有晶体析出和易结垢的溶液，而升膜式不适合。

升膜式蒸发器要保持一定的持液高度，生产过程中成膜困难，生产力较低，在MVR技术中使用较少。将其与板式蒸发器结合形成板式升膜式蒸发器尚有一些应用。

1.3降膜式蒸发器

降膜式蒸发器的优点有：（1）液体均匀分布，沿加热管壁成膜均匀；（2）一次通过加热器即达浓缩要求，不循环；（3）停留时间短，蒸发速度快；（4）传热效率高；（5）可用于蒸发黏度较大、浓度较高的溶液[3]；（6）适合热敏性物料的蒸发浓缩，在加热蒸发过程中有益元素能得到有效保护而不被分解破坏[8]；（7）可低温蒸发；（8）蒸发参数稳定，易于控制；（9）连续操作，设备有效时间利用率高；（10）蒸发与预热都在小温差下进行，不易结焦，易于清洗；（11）热能消耗少；（12）经济效益大。其缺点是：（1）设备较高，要求高层厂房；（2）要求工作蒸汽压力较高且稳定；（3）设备投资较高；（4）不适合于处理易结晶、易结垢的溶液[9]；（5）低于沸点温度的料液必须经过预热至沸点或沸点以上的温度后方可进入降膜式蒸发器，否则在降膜管中也要有一部分受热面用来加热料液使其达到沸点后才能汽化蒸发。

降膜式和升膜式的比较：（1）降膜式蒸发器没有静压强效应，不会由此引起温度差损失；同时沸腾传热系数和温度差无关，即在较低的传热温度差下，传热系数也较大，因而对热敏性溶液的蒸发，降膜式较升膜式更为有利；（2）降膜式产生膜状流动的原因与升膜式的不同，前者是由于重力作用及液体对管壁的亲润力，而使液体成膜状沿管壁流下，不取决于管内二次蒸汽的速度，所以料液在加热管中布膜及蒸发就更加稳定而有序；（3）降膜式是借重力作用成膜的，为使每根管内液体均匀分布，因此蒸发器的上部有降膜分布器[10]。

在MVR技术方面，降膜式蒸发器绝大多数应用在热敏性料液的低温蒸发上，目前在食品、乳品、化工、制药及玉米深加工中都有广泛的应用。如用于果蔬汁、牛奶、维C、胶原蛋白、玉米浸泡液、污水处理等的蒸发浓缩[11-13]。Narmine H Aly研究的机械蒸汽再压缩蒸发实验系统中釆用了降膜式蒸发器[14]。恽世昌研究的MVR工艺中，蒸发能力为12 t/h的MVR单效降膜蒸发器时多投资的人民币410万元，16个月就可以全部收回；每年节约的305多万元就是企业以后每年新增加的纯利润[15]。此外，Gustavo Kronenberg等人总结了低温蒸发过程的优点：（1）低温蒸发对设备腐烛度低，可以延长设备的使用寿命；（2）低温溶液不宜结垢，处理简单；（3）低温对材质要求相对不高，可以使用铝合金等物质来制造设备（4）预热处理要求低，可以利用低品位的能源，通过水电联合使用，工厂废热利用，可节约能源成本；（5）低温生产可以提高产品的品质，直接用于精炼厂等[16]。

1.4板式蒸发器

板式蒸发器的优点有：（1）传热速率高；（2）持液量低；（3）滞留时间短、对产品质量提供了最大的保障作用，广泛地应用于热敏性物料的蒸发；（4）改变集装在一起的板数便可很容易的改变蒸发量[5]；（5）可在负压下低温蒸发；（6）体积较小、占用空间比较小；（7）流程组合多样，拆卸方便，漏热量小；（8）适合于全自动控制。缺点是：（1）蒸发速率没有管式降膜蒸发器快；（2）结垢、结焦比较严重，程度难以判断；（3）清洗困难，难以判断是否清洗彻底；（4）板片规格没有管式降膜蒸发器管子的规格灵活，需要不同的规格要重新出模具进行制造；（5）成膜厚度不如管式蒸发器好把握；（6）应用范围、处理量与管式降膜蒸发器相比较小[17]。

板式蒸发器主要型式有升膜式、升降膜式及降膜式3种。与管壳式蒸发器相比，板式蒸发器使MVR系统更节能、更紧凑[11]。其加热温度都比较低，其中板式降膜蒸发器使物料在设备中停留的时间最短，最大限度地保持了物料中的有益元素不被破坏，因此，比较适用于热敏性物料的蒸发浓缩，但其与管式降膜蒸发器相比尚不足。

基于机械蒸汽压缩技术，板式蒸发器在果汁饮品、食品、玉米深加工、医药等领域都有应用，如用于苹果汁、山梨醇、骨头汤、胶原蛋白等的生产[7]。J.R. Lara，G等在机械蒸汽压缩技术处理海水的研究中采用了一种新型的板式蒸发器，实验验证了该蒸发器的传热系数高达182 Kw/(m2·K)[18]。

2 发展趋势

近年来，随着MVR技术的逐渐成熟，强制循环蒸发器、升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、板式蒸发器作为四种典型的蒸发器在MVR领域均有一些应用案例。但选用单效降膜蒸发器，是目前工业应用生产的主体趋势[19]。

强制循环蒸发器主要应用于浓度要求较高以及有结晶析出的溶液蒸发[20]，但其动力消耗大，与目前节能减排、环保为先的政策不大符合，一般不优先使用。升膜式蒸发器要求加热温差较大，操作不易控制，易造成跑料等现象的发生。因此，近些年来很少应用。由于板式蒸发器具有较高的传热系数，能够达到3.0～7.5 kW/(m2·K)，是管壳式换热器数倍；且在换热较理想的工况下出口处传热温差可低至1～2℃，更有占地面积仅是管壳式蒸发器的1/5～1/10、流程组合多样、拆卸方便、易清洗且漏热量小等优点[21-22]，因此，近年来在一些领域有所应用。但是板式蒸发器蒸发速率没有管式降膜蒸发器快；成膜厚度不如管式蒸发器好把握；应用范围、处理量与管式降膜蒸发器相比较小等缺点使得它并没有管式降膜蒸发器应用领域广泛，对处理量不大、中小型生产规模还是比较适用的，其发展方向是板式降膜式蒸发器，因为板式降膜蒸发器的物料在设备中停留时间相对其它两种最短[7]。降膜式蒸发器具有成膜均匀、蒸发速率稳定，物料停留时间短，浓缩程度高，连续化作业时较稳定，真空低温蒸发，耗能低等特点和优势，是目前MVR系统使用的主流趋势[23]。

3 结束语

受蒸发器类型的限制，每类蒸发器蒸发物料都会有局限性，如升膜蒸发器速度大、停留时间短，对热敏性物料有较好的分离，但是不适用于黏度大、易结晶的物料。而强制循环蒸发器可以用于黏度大和易结晶的物料，这样正好可以恰好弥补升膜蒸发器的缺点，所以对于热敏性、黏度大、易结晶的物料，可以考虑升膜蒸发与强制循环蒸发联合并用[24]。此外，普通的MVR蒸发器具有单位能量消耗低、工艺简单、实用性强、蒸发温度低、适合热敏性物料的蒸发等优点，与板式蒸发器极强的传热效率相结合，将使MVR板式蒸发器具有极强的技术优势[25]。当然还有很多其他类型的蒸发器互相结合应用也可能会产生更好的效应。随着MVR技术逐步应用与化工、生工等行业的废水零排放工艺，许多物料特性复杂，难以用单一的蒸发器来处理，组合式的应用很有前景。

MVR蒸发器有着广泛的应用，其选用对不同的MVR工艺有着重要的影响，不但可使用在化工、果汁浓缩、食品发酵、牛奶等工艺上的蒸发浓缩，还可以用在高浓度无机废水和有机废水的零排放解决方案上，我国的污水排放问题也一直没有得到有效的解决，全国各地很多工厂排放的工业污水远远不能达到国际排放标准，机械蒸汽再压缩技术能有效解决污水排放问题。机械蒸汽再压缩蒸馆在石化行业以及溶剂回收方面也有应用。机械蒸汽再压缩干燥设备，使用在精细化工产品、污泥干燥等行业的干燥。使用机械蒸发节能技术生产的蒸发、干燥设备，占地面积小，自动化能力高，有助于提高工业产品的质量，有效地节约能源[24]。

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Comparation of four kinds of typical evaporators in the mechanical vapour re⁃compression technology

HAO Shuai

(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029，China)

Mechanical vapour recompression(MVR)is an important-environment-powerfrugal technology developed rapidly in recent years.Its main equipments are evaporator and compressor.The pros and cons of four kinds oftypicalevaporators and their current application and development trend in the MVR areas are concluded according related research at home and abroad in this paper.We provide some refer⁃ences for MVR technology applying to zero emission ofchemicalwastewater treatment and others in the future.

MVR evaporator;pros and cons;current application

TS252.3

B

1001-2230（2017）04-0041-03

2016-07-05

郝帅（1993-），男，硕士研究生，研究方向为蒸发器优化设计。