熱泵蒸發(fā)技術(shù)對廢堿液處理的經(jīng)濟性研究

渠慎玄　陶樂仁　黃理浩

摘要：

針對化工和食品加工行業(yè)廢堿液回收排放要求，設(shè)計了一套新型雙效逆流升膜蒸發(fā)機械壓縮式熱泵廢堿液回收系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)流程圖.該系統(tǒng)以板式換熱器作為蒸發(fā)器，在保證充分換熱的前提下，通過對一、二效蒸發(fā)冷凝器進行熱平衡計算以及對系統(tǒng)能效進行經(jīng)濟性分析，分析、比較了多效蒸發(fā)和熱泵蒸發(fā)過程，從而得到系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化規(guī)律.結(jié)果表明：機械壓縮式熱泵蒸發(fā)技術(shù)的制熱性能系數(shù)較高，可更好地提升節(jié)能效果，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，并對保護環(huán)境起到了至關(guān)重要的作用.

關(guān)鍵詞：

升膜蒸發(fā)； 機械壓縮式熱泵； 多效蒸發(fā)

中圖分類號： TK 124

文獻標(biāo)志碼： A

Abstract：

According to the demands of the waste lye recycling emissions from chemical industry and food processing，a new kind of doubleeffect adverse countercurrent rising film evaporator mechanical compression heat pump used in the waste lye recycling system is established.The plate heat exchanger was used as evaporator in the system，in this study，the system process is drawn.In the context of full heat，through the first and second effect evaporative condenser heat balance calculation and system economics analysis of energy efficiency，more fully to compare multieffect evaporation with heat pump evaporation，then we know the relationships of the variation of system performance.It turned out that，the mechanical compression type heat pump has a higher thermal performance coefficient.Better to realize the energy saving effect and economic benefit maximization.For the protection of the environment have played a vital role.

Keywords：

climbing film evaporation； mechanical compression； multieffect evaporation

縱觀全球化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著發(fā)達國家市場的逐步成熟與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進步，世界化工行業(yè)正在進行新一輪的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，高新技術(shù)成為化工行業(yè)未來發(fā)展的主要方向.化工企業(yè)為我國的工業(yè)發(fā)展做出了很大的貢獻.與此同時，在國家“十二五”規(guī)劃的指引下，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型，化工行業(yè)肩負著節(jié)能減排的巨大任務(wù)[1].蒸發(fā)-冷凝處理技術(shù)是一種新的廢液污水處理技術(shù)，由于在蒸發(fā)過程中高品位的蒸汽變?yōu)榈推肺坏亩握羝推肺欢握羝睦迷诤艽蟪潭壬蠜Q定了蒸發(fā)操作的經(jīng)濟性[2].

熱泵蒸發(fā)和多效蒸發(fā)技術(shù)無疑是提高蒸發(fā)操作能量利用經(jīng)濟性的兩條最主要的路徑[3].熱泵蒸發(fā)是驅(qū)動蒸汽的動力，二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮提高了溫度和壓力后，再返回蒸發(fā)器作為熱源利用，這在很大程度上提高了二次蒸汽的利用率.因此，熱泵蒸發(fā)將具有廣闊的應(yīng)用空間，而機械壓縮式蒸發(fā)系統(tǒng)在處理小流量時保持巨大的競爭力[4-5].多效蒸發(fā)是利用溶液和蒸汽換熱后，溶液側(cè)蒸發(fā)出的二次蒸汽作為前一效或下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，然后將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，依次發(fā)生蒸發(fā)的過程便構(gòu)成了多效蒸發(fā)系統(tǒng).本文采用機械壓縮式雙效逆流升膜板式蒸發(fā)器熱泵對廢堿液進行濃縮，并和多效蒸發(fā)系統(tǒng)在效果與經(jīng)濟效益方面作了分析比較，為解決廢堿液污染、合理利用廢液資源以及資源利用最大化提供借鑒.

1熱泵蒸發(fā)濃縮堿液回收系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)如圖1所示.該熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)采用雙效逆流板式升膜蒸發(fā)工藝，主要包含二次蒸汽循環(huán)和廢堿液循環(huán).二次蒸汽循環(huán)由壓縮機、一效氣液分離器、一效蒸發(fā)冷凝器、二效氣液分離器、二效蒸發(fā)冷凝器、閃蒸罐1、閃蒸罐2、閃蒸罐3等組成回路.二次蒸汽可在蒸發(fā)器中冷凝，同時從廢堿液中蒸發(fā)出水蒸氣，再次進入壓縮機壓縮.廢堿液循環(huán)是一個開式的循環(huán)，由預(yù)熱器1、預(yù)熱器2、預(yù)熱器3、預(yù)熱器4、預(yù)熱器5、二效蒸發(fā)冷凝器、二效氣液分離器、一效蒸發(fā)冷凝器、一效氣液分離器等組成回路.廢稀堿液經(jīng)冷凝水和濃縮堿液預(yù)熱后，先進入二效蒸發(fā)冷凝器蒸發(fā)，然后進入二效分離器，堿液再次進入一效蒸發(fā)冷凝器蒸發(fā).二效分離器分離出來的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后進入一效蒸發(fā)冷凝器中加熱堿液，一效氣液分離器出來的二次蒸汽進入二效蒸發(fā)冷凝器中加熱堿液.為了提高傳熱性能，預(yù)熱器和蒸發(fā)冷凝器均為板式換熱器，同時利用升膜原理，被蒸發(fā)堿液

受熱沸騰汽化產(chǎn)生大量蒸汽帶動料液上升，在蒸發(fā)冷凝器壁面形成傳熱性能良好的液膜，加快蒸發(fā)，從而提高傳熱性能.采用FORCE CONTROL 16.0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集壓力和溫度信號并儲存，以便后期數(shù)據(jù)導(dǎo)出及分析處理.

2理論分析及設(shè)計計算

2.1機械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)原理

機械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)原理如圖2所示.熱泵蒸發(fā)是利用補充一定的壓縮功（耗電）代替部分消耗大量一次能源的加熱蒸汽.其原理是從蒸發(fā)冷凝器出來的二次蒸汽進入壓縮機，在壓縮機中絕熱壓縮，使其溫度、壓力升高，然后送回蒸發(fā)冷凝器作為加熱蒸汽使用，在加熱室中冷凝后排出，從而達到濃縮廢堿液的目的.

2.2升膜蒸發(fā)原理

升膜是一種以熱能為驅(qū)動力并轉(zhuǎn)化為動能的連續(xù)運動的液膜.在狹長流道中，過冷液體蒸發(fā)，不同流道區(qū)域呈現(xiàn)不同的傳熱形式，包括單相液體的對流換熱、過冷沸騰、飽和核態(tài)沸騰、通過液膜的兩相強制對流傳熱[6].當(dāng)蒸汽完全占據(jù)整個狹長流道時，高速流動的蒸汽將液體擠壓至流道四周壁面，此時的剪切力使其形成穩(wěn)定的液膜.由其形成狀態(tài)和機理可知，形成的液膜很薄，當(dāng)液膜經(jīng)過加熱表面時會迅速蒸發(fā)，此時換熱器達到極高的傳熱系數(shù)，因此升膜蒸發(fā)換熱器性能較滿液式蒸發(fā)器高出很多[7].國內(nèi)許多專家學(xué)者對于升膜蒸發(fā)換熱系數(shù)的計算做了廣泛的研究.

2.3系統(tǒng)設(shè)計原理

3熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)能效經(jīng)濟性分析

3.1節(jié)能分析

制熱性能系數(shù)的大小決定了經(jīng)濟性的好壞.一般而言，制熱性能系數(shù)COP越大，效能越高，經(jīng)濟性越好.蒸汽的經(jīng)濟性η定義為單位加熱蒸汽從溶液中蒸發(fā)的水蒸氣量，即

由多效蒸發(fā)原理以及式（3）～（6）可得多效蒸發(fā)和熱泵蒸發(fā)相對于單效蒸發(fā)的節(jié)能率ω，兩者比較結(jié)果如圖4所示，圖中：ω=1-1/η；字母a至h分別代表第一至第八效；Ⅰ為多效蒸發(fā)；Ⅱ為機械壓縮式蒸發(fā).

從圖4可知，機械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的能效比越高，η越大，節(jié)能率越高.當(dāng)η=10時，機械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能率大大超過多效蒸發(fā)系統(tǒng).對于多效蒸發(fā)，從第五效后曲線接近水平，再增加效數(shù)節(jié)能效果不明顯.由于設(shè)備初投資增大、系統(tǒng)溫差減小等因素存在，實際中很少采用高于五效的蒸發(fā)系統(tǒng).機械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能率視傳熱溫差不同而不同[9]，但均很高，遠超過多效蒸發(fā).同理，COP=12時也完全符合這一規(guī)律.

式中：ξ為鍋爐熱效率（取0.8）；P4為標(biāo)準(zhǔn)煤在加熱鍋爐時釋放的一次能源量；P3為質(zhì)量流量為960.27 kg·h-1的水蒸發(fā)為蒸汽所需的能量；M2為傳統(tǒng)多效蒸發(fā)鍋爐所需標(biāo)準(zhǔn)煤量.

由式（10）～（12）得M2=2.171 t·d-1.

由以上計算可以看出，熱泵蒸發(fā)所需標(biāo)準(zhǔn)煤量比傳統(tǒng)多效蒸發(fā)要少，理論上可認為采用五效蒸發(fā)的效果低于熱泵蒸發(fā).研究結(jié)果表明，熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)效率高，耗能少，具有廣闊的應(yīng)用推廣空間.

4結(jié)論

設(shè)計了一套機械壓縮式熱泵蒸發(fā)廢堿液回收系統(tǒng)，將理論計算結(jié)果與多效蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)果進行比較.結(jié)果表明，該系統(tǒng)在節(jié)能效果和經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢顯著.同時，該系統(tǒng)采用板式換熱器作為蒸發(fā)器，運用升膜蒸發(fā)方式實現(xiàn)溶液濃縮回收，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效果好.對于多效蒸發(fā)系統(tǒng)，效數(shù)越多，節(jié)能率越高，但五效以后節(jié)能率就不再明顯提高.因此，雖然機械壓縮式熱泵系統(tǒng)初投資較大，但其節(jié)能效果顯著，成本回收期短，具有很好的開發(fā)利用前景.

參考文獻：

[1]周宏春.節(jié)能減排的難點與解決之道[J].環(huán)境保護，2012（19）：31-35.

[2]馮霄，運新華，郁永章.多效蒸發(fā)與熱泵蒸發(fā)的分析與比較[J].化工機械，1995，22（1）：52-55.

[3]王寶江，李彥興，姚蘭，等.清水配制污水稀釋聚合物溶液試驗研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20（2）：86-88.

[4]BORSANI R，REBAGLIATI S.Fundamentals and costing of MSF desalination plants and comparison with other technologies[J].Dealination，2005，182（36）：29-37.

[5]ETTOUNEY H M，ElDESSOUKY H T，F(xiàn)AIBISH R R S，et al.Evaluatingthe economics of deslination[J].Chemical Engineering Progress，2002，98（32）：32-39.

[6]文詠祥，馬勝利.45%隔膜堿一次性濃縮為73%片堿的國產(chǎn)升膜技術(shù)探討[J].氯堿工業(yè)，2003（2）：32-34.

[7]曲虎，馬梓涵，管善峰，等.油田采出水中溶解性氣體的腐蝕與防護[J].環(huán)境科技，2011，24（2）：60-69.

[8]BUONOPANE R A，TROUPE R A，MORGAN J C.Heat transfer design method for plate heat exchangers[J].Chemical Engineering Progress，1963，59（7）：57-61.

[9]馮霄.壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[C].熱力學(xué)分析與節(jié)能論文集，北京：科學(xué)出版社，1993.