机械蒸汽再压缩系统的流程模拟及性能研究

李 伟 洪厚胜,2 朱曼利 孙宏韬

(1. 南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 211816；2. 南京汇科生物工程设备有限公司，江苏 南京 210009；3. 南京工业大学化学与分子工程学院，江苏 南京 211816)

机械蒸汽再压缩系统的流程模拟及性能研究

李 伟1洪厚胜1,2朱曼利3孙宏韬1

(1. 南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 211816；2. 南京汇科生物工程设备有限公司，江苏 南京 210009；3. 南京工业大学化学与分子工程学院，江苏 南京 211816)

为使得整个机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统的稳定性、节能性更好，借助Aspen Plus软件学习版，根据MVR运行原理，构建了MVR性能分析模型，并通过改变MVR节点的参数，模拟研究了蒸发量、补充新鲜蒸汽量与进料温度、蒸发压强的关系；蒸发量、沸点与进料浓度(NaCl质量分数)、蒸发压强的关系；蒸发器换热量、COP与蒸发压强、压缩机压力升的关系。通过分析模拟结果得出：适当减小压缩比，可以提高蒸发系统的COP；原料液应该加热到沸点后，再进入蒸发器中进行换热；从节能效果看，MVR蒸发系统更适合在低温低压下运行；在蒸发前，应对浓度较大的原料液进行适当的稀释。

机械蒸汽再压缩系统；Aspen Plus；性能研究；节能

Abstract：Mechanical vapor recompression (MVR) system has been more and more popular because of its good energy-saving effect and small footprint, but how to make the stability and energy-saving of whole MVR evaporation system are better still need to further research on its performance. With the help of Aspen Plus software version, the MVR performance analysis model was set according to the operation principle of MVR to study the relationship between the amount of evaporation, the amount of fresh steam and feed temperature, evaporation pressure, and the relationship between evaporation and boiling temperature and feed concentration (NaCl mass fraction) and evaporation pressure, the relationship between heat transfer rate of evaporator, COP and evaporation pressure, pressure increase of compressor by changing the parameters of MVR node. Make conclusions by analyzing the simulation results: the COP can be improved by reducing the compression ratio properly; the feed should be heated to the boiling point temperature and then into the evaporator for heat transfer; MVR evaporation system is more suitable for operation at low temperature and low pressure from the view of energy saving; the feed with high concentration should be dilute before evaporation.

Keywords： mechanical vapor recompression system; Aspen Plus; performance analysis; energy saving

蒸发浓缩作为基本的化工单元操作，早已经广泛应用于化工、食品、制药、原子能等领域中[1-2]。但蒸发作为耗能大户也一直面临着新技术的改革，机械蒸汽再压缩系统是继单效蒸发、多效蒸发、TVR之后第四代蒸发技术，相比于前三代，MVR系统有着节能效果明显、蒸发温度低、占地面积小、自动化程度高等诸多优点[3-5]。已经广泛应用于海水淡化[6-8]、废水处理[9-10]、中药浓缩[11-12]、固体干燥[13]等领域。

MVR蒸发系统工艺流程见图1，其工作原理[14-16]：原料液可以利用蒸汽冷凝水的余热以及新鲜蒸汽的热量进行预热，使其达到饱和温度，然后进入蒸发器中与壳程中的蒸汽进行换热蒸发，生成的二次蒸汽经过气液分离器进行分离提纯后，进入蒸汽压缩机，经由蒸汽压缩机压缩后的高品位的二次蒸汽经过冷却水消除过热度后，作为加热物料可以替代新鲜的生蒸汽进入到蒸发器的壳程中，冷凝换热。同时，由于蒸汽压缩机性能的问题，通常需要通入一定量的新鲜蒸汽来保持整个系统的稳定换热，该系统完全利用了二次蒸汽所蕴含的潜能，并且压缩机的抽吸作用会给系统产生一定的真空度，省去了前三代蒸发器中的用于冷凝二次蒸汽的冷凝器。

机械蒸汽再压缩系统主要有蒸汽压缩机、蒸发器、气液分离器，预热器、真空泵以及其他附属设备[17-18]。在该系统中，蒸汽压缩机是最重要的设备，其工作效率的高低直接关系到MVR系统节能的效果。目前中国用于MVR系统上性能良好的压缩机主要依赖于进口[19]。根据蒸发量的不同需要，应用最多的是离心式压缩机和罗茨式压缩机。蒸发器的种类有很多，目前应用较广泛、技术成熟的蒸发器是：中央循环管式蒸发器、外热式蒸发器。由于食品行业物料具有热敏性的特点，一般选用竖直管降膜式蒸发器较多[20]。水平管降膜蒸发器凭借着高传热效率、设备体积小等优点已经越来越受到青睐，但适用于洁净的物料，易于结垢的物料则有难清理结垢的缺点[21-22]，蒸发出来的二次蒸汽含有部分液态水，直接进入蒸汽压缩机会造成压缩机的损坏。因此，需要性能良好的气液分离器，适合MVR系统的气液分离器主要是悬液分离器和重力沉降分离器；预热器则主要选用结构简单、换热系数高的板式换热器。

1. 原料罐 2. 一级预热器 3. 二级预热器 4. 原料液泵 5. 冷凝水泵 6. 冷凝水罐 7. 浓缩液泵 8. 蒸发器 9. 蒸汽压缩机

图1 MVR蒸发系统工艺流程

Figure 1 The process flow of MVR evaporation system

国内外也已经对MVR系统作了大量的模拟研究。顾承真等[23]以水作为工质，利用Aspen Plus软件建立了分析模型，并研究了循环蒸汽量、补充水的量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系，并提出了最佳工艺操作条件。刘立等[24]构建了MVR循环工艺模型，并将实际运行中的蒸汽冷凝放热量以及电动机功率进行了验证，得出了所构建模型的可靠性，并以此进行了MVR系统放大分析。Han[25]利用Aspen Plus基于MVR技术的工作原理构建了单级和双级的零排放的海水淡化系统，并与传统的蒸发技术进行了能耗对比。这些研究足可以看出Aspen Plus在分析MVR系统上有很大的应用。

MVR蒸发系统的性能受到许多节点的控制，而且每个节点之间的参数都有一定的关联度，本试验拟通过流程模拟的方法构建了MVR工艺流程，通过控制进料温度、进料浓度、蒸发压强、蒸汽的压力升等节点的参数，讨论其对MVR蒸发系统性能的影响，旨在为离子型溶液的MVR蒸发过程优化提供借鉴，得到能够模拟MVR蒸发过程的方法，指导MVR系统的工程放大。

1 MVR系统理论分析与模型的构建

1.1 MVR系统理论分析

MVR系统存在物料衡算与能量衡算，物料衡算由式(1)、(2)计算：

F=D+W，

(1)

Fxf=Wxw，

(2)

式中：

F——原料液的质量流量，kg/h；

D——二次蒸汽的质量流量，kg/h；

W——浓缩液的质量流量，kg/h；

xf——原料液中NaCl的质量分数，%；

xw——浓缩液中NaCl的质量分数，%。

能量衡算由式(3)计算：

Dr0=Fc0(t-t0)+Dr1+QL，

(3)

式中：

r0——压缩后二次蒸汽的汽化热，kJ/kg；

c0——原料液的比热容，kJ/(kg·℃)；

t——原料液的沸点，℃；

t0——原料液的初始温度，℃；

r2——二次蒸汽的汽化热，kJ/kg；

QL——系统的热量损失，kJ/h。

蒸发器中产生的二次蒸汽经过蒸汽压缩机压缩后变为过热蒸汽，其中，压缩后的过热温度[26]可由式(4)计算：

(4)

式中：

Td——压缩后过热蒸汽的温度，K；

Ts——料液在蒸发压强下的饱和温度，K；

k——绝热系数；

ε——压缩比；

ηv——容积效率，%；

τ——压缩机温度偏差，K。

一定工况下，蒸汽压缩机在压缩过程中所消耗的理论功率[27]由式(5)计算：

(5)

式中：

Wth——压缩机的理论功率，kW；

qvs——二次蒸汽的体积流量，m3/s；

p1——蒸发压强，kPa；

m——多变系数。

由于压缩机压缩二次蒸汽属于多变过程，同时，压缩机本身存在机械效率，所以实际运行过程中，压缩机所消耗的总功率按式(6)计算：

(6)

式中：

WT——压缩机的实际功率，kW；

ηe——机械效率，%；

ηm——多变效率，%。

过热蒸汽在进入蒸发器以前，需要对其进行饱和化处理，所需要冷却水的质量流量由式(7)计算：

Dhw+qshs=(D+qs)hsa，

(7)

式中：

hw——过热蒸汽的单位比焓，kJ/kg；

qs——冷凝水的质量流量，kg/h；

hs——冷凝水的单位比焓，kJ/kg；

hsa——饱和蒸汽的单位比焓，kJ/kg。

MVR属于热泵技术，评价热泵工作过程性能好坏的参数便是转为高温高品位的热源获得的热量Q1与为此所消耗的机械功WT之间的比值大小，工程上称这个比值为供热系数[28]，用符号COP来表示：

(8)

式中：

COP——供热系数；

Q1——蒸发器换热量，kW。

1.2 MVR系统模型的构建

Aspen Plus 是基于稳态化模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程模拟软件，主要由三部分组成：物性数据库、单元操作模块、系统实现策略，可用于各种操作过程的模拟及从单个操作单元到整个工艺流程的模拟[29]。本文根据MVR工艺原理以及Aspen Plus模拟的特点，选用通过热物流连接的2个Heater与两相闪蒸器flash2共同组成蒸发器及气液分离器，选用compr作为蒸汽压缩机，选用一个Heater将压缩后的过热蒸汽冷凝到饱和蒸汽，整个MVR系统分析模型见图2[30-31]，物料选用一定质量分数的NaCl溶液，考察进料温度、蒸发压强、进料浓度、二次蒸汽经过压缩机压缩后的温升以及补充新鲜蒸汽的量对蒸发量、压缩机功率、COP的影响，为保证模拟结果的合理性。现作以下假设：

(1) 整个MVR系统的热量损失主要集中在蒸发器的换热过程，选择总换热量的5%作为整个系统的热量损失。

(2) 以产生一定量的二次蒸汽作为初始条件，忽略启动时所需要的新鲜蒸汽。

(3) 蒸汽压缩机的多变效率、机械效率均取为90%。

(4) 为达热平衡，补充0.5 MPa的新鲜饱和蒸汽。

图2 MVR系统模拟图

2 模拟结果与讨论

2.1 蒸发量、补充新鲜蒸汽量与进料温度、蒸发压强的关系

选取原料的进料量为5 000 kg/h，初始阶段产生的二次蒸汽量为1 000 kg/h，原料液中NaCl的质量分数为10%，选取不同的进料温度，在不同的蒸发压力下对蒸发量、补充新鲜蒸汽量进行模拟，结果见图3、4。

图3 进料温度、蒸发压强与蒸发量的关系

Figure 3 The relation between feed temperature, evapora-tion pressure and evaporation rate

图4 进料温度、蒸发压强与补充新鲜蒸汽量的关系

Figure 4 The relation between feed temperature, evapora-tion pressure and Supplementary fresh vapor

由图3可知，在同一蒸发压强下，蒸发量随着进料温度的增加成线性增加，在同一进料温度下，蒸发量随蒸发压强的增大而减小。由图4可知，为达到热平衡，在同一蒸发压强下，随着进料温度的增加，所需要补充的新鲜蒸汽量呈线性减少，在同一进料温度下，需补充的新鲜蒸汽量随着蒸发压强的增大而逐渐增大。主要原因是：① 原料液在进入蒸发器后需要先加热到相应压强下的沸点温度才可以进行蒸发，在蒸汽换热量一定的前提下，进入蒸发器的原料液温度越低，本身所携带的热量越少，则需要加热到沸点所需要的热量越多，则用于蒸发的剩余热量会越少，产生的二次蒸汽量越少，为维持系统一定的蒸发量，所需要补充的新鲜蒸汽的量会相应地减少；② 在一定的进料温度下，系统的蒸发压强越低，其所对应的饱和沸点温度越低，则会有更多的热量用于蒸发过程，产生的二次蒸汽越多，所补充的新鲜蒸汽量越少。

2.2 蒸发量、沸点与进料浓度(NaCl质量分数)、蒸发压强的关系

料液的进料量为5 000 kg/h，初始阶段产生的二次蒸汽量为1 000 kg/h，进料温度为饱和温度，选取不同的进料浓度，在不同的蒸发压强下对蒸发量、溶液的沸点进行模拟，结果见图5、6。

图5 进料浓度、蒸发压强与蒸发量的关系

Figure 5 The relation between feed concentration, evaporation pressure and evaporation rate

图6 进料浓度、蒸发压强与沸点的关系

Figure 6 The relation between feed concentration, evaporation pressure and boiling temperature

由图5可知，在同一蒸发压强下，随着进料浓度的增加，料液的蒸发量逐渐减小，且蒸发压强为40 kPa时蒸发量的下降速度要小于蒸发压强为60，80 kPa时的。由图6可知，随着进料浓度的增加，沸点呈上升趋势，在同一进料浓度下，沸点随着蒸发压强的增大而升高。主要原因在于在进料温度与系统的换热量一定的情况下，进料浓度越高，溶液的沸点越高，溶液达到沸腾需要的热量会越多，因此，用于蒸发的热量会相应地减小，产生的二次蒸发量减小。另外，随着进料浓度的增加蒸发压强为40 kPa的沸点升速要小于蒸发压强为60，80 kPa下的。

2.3 压缩机功率、冷凝器热负荷与蒸发压强，蒸汽压力升的关系

料液的进料量为5 000 kg/h，初始阶段产生的二次蒸汽量为1 000 kg/h，进料温度为饱和温度，进料浓度为10%，选取二次蒸汽经过压缩机压缩后不同的压力升，在不同的蒸发压强下对压缩机功率、冷凝器热负荷进行模拟，结果见图7、8。

由图7、8可知，两者的变化趋势差别不大，在一定的蒸汽压力升下，压缩机功率、冷凝器热负荷随着蒸发压强的增大而减小，在一定的蒸发压强下，压缩机功率、冷凝器热负荷随着蒸汽压力升的增大而增大。主要原因是：① 当蒸汽的压力升一定、压缩机的处理量不变时，随着蒸发压强的增大，压缩机所对应的压缩比会相应减小，压缩后二次蒸汽的能量会变小，过热温度会减小，被冷却水冷却成饱和蒸汽所放出的热量同样会减小；② 在同一蒸发压强下，蒸汽的压力升越大，相对应压缩机的压缩比会越大，压缩后蒸汽的热量会变大，需要压缩机做更多的功，压缩机所消耗的功率越大，则经过压缩后的过热蒸汽的温度越高，为冷凝到饱和状态，所消耗冷却水的量也相应地增加。所以，两者具有相同的趋势。

图7 蒸发压强、压力升与压缩机功率的关系Figure 7 The relation between evaporation pressure, pressure increase of vapor and compressor power

图8 蒸发压强、压力升与热负荷的关系

Figure 8 The relation between evaporation pressure, pressure increase of vapor and thermal load

2.4 蒸发器换热量、COP与蒸发压强、蒸汽压力升的关系

进料量为5 000 kg/h，初始二次蒸汽量为1 000 kg/h，原料液的浓度为10%，沸点进料，热损失保持换热总量的5%，在不同的蒸发压强，不同的蒸汽压力升下，对蒸发器的换热量、COP进行模拟，结果见图9、10。

图9 蒸发压强、压力升与换热量的关系

Figure 9 The relation between evaporation pressure, pressure increase of vapor and heat exchange

图10 蒸发压强、压力升与COP的关系

Figure 10 The relation between evaporation pressure, pressure increase of vapor andCOP

由图9可知，在同一蒸汽压力升下，蒸发器的换热量随蒸发压强的增大而减小；在同一蒸发压强下，随着压力升的减小而增大。主要原因是：① 在一定的压力升下，蒸发压强越大，压缩机相对应的压缩比越小，其被压缩后的饱和蒸汽压越大，相对应的汽化热越小，如保持产生的二次蒸汽量不变，则蒸发器的换热量会相应地减小；② 在同一蒸发压强下，由于二次蒸汽的进料量一定，蒸汽的压力升越大，二次蒸汽被压缩后的饱和蒸汽压越大，相对应的汽化热值减小，蒸发器的换热量减小。由图10可知，在同一压力升下，随蒸发压强的增大，相对应的压缩比减小，COP值变大，因此适当地增大蒸发压强，可以降低能耗，提高蒸发系统的COP。在不同的蒸发压强下，压力升越大，COP的增幅越大，在不同的压强下，压力升为30 kPa时的COP增幅最大，也就是说，压缩比越小，COP值越大，但由于需要维持一定的蒸发量，因此，压缩比应该有一个合理的取值范围。

3 结论

通过Aspen Plus软件对影响MVR蒸发系统的几个节点进行了模拟，主要通过进料温度、蒸发压强、蒸发量、补充新鲜蒸汽量、压缩机压力升、进料浓度、蒸发器换热量、冷凝器热负荷、压缩机功率、COP性能评价指标来对MVR蒸发系统的性能进行研究。并对模拟结果进行了理论分析，结论如下：

(1) 适当地减小压缩比，可以提高蒸发系统的COP，减少压缩机所消耗功率，减少冷凝水的用量。理论上，压缩比越小，系统越节能、效率越高。但由于系统需要维持一定的蒸发量，因此，压缩比应该有一个合理的取值范围。

(2) 为维持系统一定的蒸发量，更好地将系统热能用于蒸发，减少新鲜蒸汽的消耗量，原料液应该加热到沸点后，再进入蒸发器中进行换热。

(3) MVR蒸发系统更适合在低温低压下运行，同时需要结合物料的热敏性来考虑。

(4) 物料的浓度越大，沸点升越大，越不易蒸发，在蒸发前，可以对浓度较大的原料液进行适当的稀释后再进行蒸发。

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Process simulation and performance study of mechanical vapor recompression system

LI Wei1HONGHong-sheng1，2ZHUMan-li3SUNHong-tao1

(1.CollegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing,Jiangsu211816,China; 2.NanjingHuikeBioengineeringEquipmentCorporation,Nanjing,Jiangsu210009,China; 3.CollegeofChemistryandMolecularEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing,Jiangsu211816,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.016

李伟，男，南京工业大学在读硕士研究生。

洪厚胜(1965—)，男，南京工业大学教授，博士。 E-mail: hhs@njtech.edu.cn

2017—05—04