机械式蒸汽再压缩蒸发和三效蒸发的计算机模拟

任占胜，周婷婷

（浙江巨化装备工程集团有限公司，浙江 衢州324004）

蒸发浓缩技术在化工、制药和食品等行业中应用广泛，尤其环保领域中对工业废水循环利用的需求。目前多数企业采用多效蒸发技术，即利用前效蒸发产生的二次蒸汽作为后一效的热源，但第1效使用新鲜蒸汽补进作为蒸发热源，因此需要耗费大量的生蒸汽[1]。新一代机械式蒸汽再压缩（MVR）蒸发浓缩技术通过利用压缩机将二次蒸汽压缩，可以直接作为加热蒸发物料的热源，完全实现蒸汽的自给自足和循环利用，大大减少了生蒸汽消耗。MVR蒸发浓缩技术工艺简单、实用性强、操作成本低，完全可以在各领域代替常规蒸发[2]。因此，MVR蒸发浓缩技术近年来在国内蒸发、结晶、精馏等生产工艺中得到广泛应用，市场前景广阔。

随着计算机的普及，MVR蒸发浓缩模型建立及优化、能量物料平衡计算上愈发成为研究热点。本研究以低含盐工业废水预浓缩为例，借助ASPEN软件对搭建的模型进行能量物料平衡计算，验证MVR技术相对三效蒸发技术的节能效果，并对主要换热器进行了设计计算。

1 MVR蒸汽压缩技术原理

MVR是新一代节能环保蒸发技术，其流程如图1所示。

图 1 MVR蒸发流程Fig 1 MVR evaporation flow

核心设备蒸汽压缩机，通过其将蒸发分离出的二次蒸汽压缩，提高温度、压力、热焓后打进加热器的壳程作为物料蒸发的热源，回收了潜热，达到循环利用的目的。此过程中不需要额外新鲜蒸汽补进，完全依靠自循环达到蒸发浓缩的目的，仅消耗压缩机的电能，过程节能。在热力学中，MVR蒸发器可以理解为开式热泵，压缩机的作用不是产生蒸发的热量，而是输送蒸发器的热量形成热量循环[2]。

2 ASPEN模拟MVR和三效蒸发

2.1 计算方法

MVR蒸发浓缩流程搭建以及技术应用首先需要通过前期大量的资料收集和实验室研究，从物料特性以及方案可行性上对项目做大量的分析。首先考虑物料在高温下的变形，选取一定的真空度作为蒸发温度，同时也可以减少预热能量；接着在蒸发温度下测定物料沸程，为选取压缩机温升、压比以及降膜换热器各进出口参数所使用；一般情况下，沸程5～8℃作为选择压缩机压比的标准。而三效蒸发系统的搭建重点在于确定各蒸发器温度，各效之间需要设置合适的温度差和压力差，才能保证液体蒸发[3]。

使用Aspen软件模拟流程，通过选取换热器heatX、闪蒸汽flash2和分流器Fsplit模块模拟三效蒸发，MVR系统外加以缩机Compr模块模拟压缩过程。在确定MVR蒸发系统和三效蒸发系统的主要工艺参数后，通过Aspen搭建的流程以及模拟运行，可以进行简单的物料、能量衡算。计算结果中的压缩机功率、各个换热器的换热量等对接下去的设备工艺设计以及整个系统的能耗分析具有很大的参考价值，是整个项目方案阶段必经步骤之一。另外，Aspen内嵌的aspen-edr软件可以直接进行换热器的工艺设计。

2.2 计算输入

1）工艺参数。MVR蒸发浓缩系统中，各温度压力等参数基于前期实验分析，主要的工艺参数包括蒸汽压缩机温升选择，蒸发真空度，蒸发温度以及进料温度等。三效蒸发系统各蒸发器之间选择接近的压力差。

2）模型参数。见表1。

表 1模型参数Tab 1 Model Parameters

3 案例计算

3.1 基本参数

以某废水处理工程项目为例，用Aspen模拟计算MVR蒸发浓缩和三效蒸发。相关工艺参数以及软件输入参数见表2和表3。

表 2设计参数Tab 2 Design Parameters

表 3蒸发压力Tab 3 Evaporation pressures of different periods

处理目标：废液出口NaCl的质量分数在29%以上，对应总的蒸发量约9.7 t/h，闪蒸分离的蒸汽经蒸汽压缩机压缩后，能量能实现自给自足。

3.2 过程模拟

MVR蒸发模型和三效蒸发模型流程分别见图2和图3。

图 2 MVR蒸发模型Fig 2 Model of MVR evaporation

图 3三效蒸发模型Fig 3 Model of triple-effect evaporation

3.3 能耗对比

对预热后进入MVR和三效蒸发系统的能耗进行对比。

MVR蒸发系统能量通过压缩机实现自给自足，几乎不消耗其余的蒸汽，但消耗一定的电能。以85%的压缩机效率计算得到，9.7 t/h的蒸汽在经过18℃的温升后，需要消耗450.3 kW的电能。多效蒸发系统主要能耗集中在蒸汽上，三效蒸发系统蒸发出9.7 t/h的蒸汽需要消耗新鲜低压蒸汽3.41 t/h。

综上对各系统进行经济效益对比：按照各地平均单价标准，按0.8元/(kW·h)计算，新鲜蒸汽按180元/t计算，年运行按7 200 h计算。因此，使用MVR系统蒸发年耗电费用为259.373万元，使用三效系统蒸发年耗蒸汽费用为441.936万元，相对三效蒸发，MVR蒸发每年可节省能耗费用达182.563万元，处理量越大，节能的成本会更明显。

3.4 换热器设计

通过ASPEN-EDR软件可以对降膜式换热器进行设计，并选取优化设计结果。设备采用S31603材质，对MVR蒸发预浓缩系统和三效蒸发系统进行了主要设备投入费用的估价对比，结果如表5所示。

表 4能耗对比Tab 4 Contrast of energy consumption

表 5核心设备估价对比Tab 5 Cost contrast of the core equipment

MVR蒸发浓缩的换热器和压缩机设备费用约265万元，三效蒸发系统的换热器投资费用约135万元。MVR一次性投入成本比三效蒸发投入的成本多2倍左右，但是MVR运行蒸汽能耗节省的费用完全可以使其2年内收回。

4 结 论

以14 t/h，质量分数9%的氯化钠溶液为处理物料，以浓缩后质量分数29%为目标，借助Aspen软件对MVR蒸发和传统三效蒸发进行了流程模拟，物料、能量计算，得出压缩机功率以及生蒸汽消耗；并使用Aspen内嵌的aspen-edr软件对降膜换热器进行工艺设计，确定结构和估算一次性投入成本，结论为：

1）MVR蒸发技术相对传统三效蒸发技术，每年可节省能耗费用达18.71万元/t，处理量越大，节省费用越多；

2）MVR技术一次性投入成本为约三效蒸发的2～3倍，处理量合适，MVR运行蒸汽能耗节省的费用完全可以使其2年内收回。

3）MVR蒸发浓缩技术单位能量消耗低、工艺简单、实用性强、运行成本低，尤其在废水处理领域可以完全代替传统多效蒸发技术，在其他蒸发浓缩领域也有很大是市场前景。