精制鹽水熱泵蒸發過程模擬

陳麗芳，朱華兵，徐　璐（天津科技大學化工與材料學院，天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津300457）

精制鹽水熱泵蒸發過程模擬

陳麗芳，朱華兵，徐璐
（天津科技大學化工與材料學院，天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津300457）

熱泵蒸發制鹽工藝的經濟性與否，取決的主要因素是能耗，因此如何降低能耗成為改進工藝的主要方向。多效蒸發制鹽可以通過改變流程、增加效數、增設預熱、各效閃發等操作降低工藝的能耗，熱泵蒸發制鹽主要可以通過改變蒸發壓力來降低能耗。用Aspen Plus模擬研究探索熱泵制鹽節能措施，模擬中采用質量分數為25%的純鹽溶液，選擇常壓、正壓（132.5 kPa）蒸發，計算對比不同壓力下的能耗大小，并同五效蒸發制鹽能耗進行對比，繼而選出最優工藝，實現經濟效益最大化。

熱泵蒸發；Aspen Plus；真空制鹽

目前，在中國能源緊缺的前提下，熱泵引起了許多行業的關注，在制鹽行業中，熱泵還沒有占到主導地位，大多數企業還是采用多效蒸發。然而熱泵蒸發制鹽的生產工藝自出現便存在著經濟性問題［1］，在發展的過程中，真空制鹽成本中能耗占60%以上，節能降耗成了制鹽行業要解決的首要問題；多效蒸發制鹽生產中，蒸汽消耗費用約占生產成本的50%～60%，電費約占生產成本的10%～20%，熱泵蒸發制鹽過程中，主要消耗電力，約占生產成本的55%左右，而蒸汽消耗費用只占總成本的15%左右，因此，降低單位產品蒸汽消耗及電耗或提高蒸汽熱經濟是降低真空制鹽生產成本的關鍵［2］。

熱泵蒸發制鹽的主要特點是：僅使用單個蒸發罐，并采用正壓或常壓生產，若是負壓生產，壓比就太大，壓縮機的軸功率就明顯增大，反而不節能，故本文將采用常壓蒸發和正壓蒸發，并進行模擬對比，綜合考慮各方面因素，最終優化工藝參數。

1　Aspen Plus模擬在熱泵蒸發制鹽中的應用

1.1關鍵工藝過程的Aspen Plus模型及方法設定

1）蒸發器模型。蒸發器的示意圖如圖1所示，蒸發器的物料平衡方程為：

式中：FIN為進入蒸發器的鹵水質量流量，kg/s；FOUT為從蒸發器排出的鹵水質量流量，kg/s；MV為蒸發器汽化水分的質量流量，kg/s；G為蒸發器析出的NaCl的質量流量，kg/s。

圖1　Aspen Plus分離模塊示例

2）蒸發器的熱量衡算（如圖2所示）

式中：t為鹵水溫度，℃；Cp為鹵水（鹽漿）定壓熱容（比熱），kJ/（kg·℃）；M為進入蒸發器的蒸汽質量流量，kg/s；H為進入蒸發器的水蒸氣焓值，kJ/kg；h為冷凝水焓值，kJ/kg；MV為蒸發器汽化水分的質量流量，kg/s；H′為蒸發器二次蒸汽焓值，kJ/kg；Gq為NaCl的結晶熱，kJ/s；QL為蒸發器的熱損失，kJ/s，通常為了簡化計算，取熱損失為蒸汽冷凝放出熱量的百分數——稱為熱損失率，即QL=η×M×r。熱泵制鹽中，熱損失率取5%即可，r為飽和水蒸氣的冷凝熱，kJ/kg，r=H-h。

圖2　蒸發器數學模型

3）壓縮機模型。壓縮機Aspen Plus模型見圖3。

圖3　Aspen Plus分離模塊示例

1.2進料設定

1）補償蒸汽設定：實際生產中的補償蒸汽物性由蒸發壓力決定，嚴格控制有效溫差在5～7℃［3］，保證蒸汽的熱經濟較高，常壓（101.325 kPa）蒸發補償蒸汽溫度即為116℃、正壓（132.5 kPa）蒸發對應溫度即為124℃。

2）進料設定：進料鹵水基本在常溫下接近飽和，為了便于計算，本模擬選擇的進料是常溫下的NaCl質量分數為25%的鹵水，其他的無機鹽成分則忽略不計，認為是單組分溶液。進料量的確定是根據產量要求來定的，本模擬要求年產量為60萬t，生產8 000 h，基于設備選型問題，需要采用兩個蒸發罐同時生產，計算可得每個蒸發罐產率為37.5 t/h，則可算得進料量m=150 t/h。

1.3排料設定

1）排鹽設定：排出的物料的參數屬于因變量，不能直接設定，這需要控制參變量來調節，最終達到期望值，雖然會存在一定的誤差，但只要控制在誤差范圍內即可。對于排料的設定有兩點，第一是排鹽溫度，第二是排鹽的固液比。排鹽溫度的控制需要通過調節鹽腳進料來實現，控制的目的一方面為了降低能耗，另一方面也是為了能將溫度控制在離心機最大可接受離心溫度以下，因為實際生產中沒有做嚴格要求，所以模型中把溫度控制在80℃以下，便于管道運輸。固液質量比根據經驗一般控制在1∶1，一方面不能過低，以免增加能耗；另一方面不能過高，以免出現堵管情況。

2）循環母液設定：離心機甩后液最終將被泵送回蒸發系統，這是一次外循環，而單個蒸發器本身存在強制循環，這是一次內循環。因此整個熱泵蒸發包含兩個循環，如果將兩個循環都通過模型本身來設定，一方面會增加計算量，另一方面會讓模型很難快速收斂，為了更高效地對流程進行模擬，本次采用“截斷法”，將循環母液截斷成兩段，最終通過調節參數控制分離，控制循環母液與鹽漿的質量比在1±0.001范圍內。

1.4其他設定

1）沸點升設定：Aspen Plus流程模擬軟件在考慮Flash2模塊時認為該模塊分離出來的氣相和液相溫度一致，而實際蒸發器的蒸發室中氣相和液相卻并不是溫度一致，而是分別為各自的露點溫度，即存在一定的溫差，比如本模擬中的常壓蒸發，蒸發器中的溶液溫度為108.2℃，運行Flash2后出口蒸汽也為108.2℃，而實際生產過程中，常壓下飽和水蒸氣溫度應為100℃，為了將這一現象修正過來，就需要人工設定一個沸點升模型來將熱量返回到蒸發系統中，本模擬選用的模塊為一個HeatX模塊（見圖4），讓閃發器引出的二次蒸汽降到露點溫度。

溶液沸點升模型：蒸發器的二次蒸汽溫度大于飽和壓力下的溫度，需要消除沸點升。

式中：T為二次蒸汽溫度，℃；t為蒸發器蒸發室溶液的沸點，℃；BPE為溶液的沸點升，℃。

同種溶液沸點升的數值隨溶液的濃度而變，濃度越大，沸點升高的數值就越大；溶液的沸點升高還與壓力有關，當溶液的濃度一定時，沸點升高值可以用杜林規則和經驗公式計算。

式中：BPE為蒸發器溶液的沸點升，℃；BPEa為溶液在常壓下沸點升，℃；f為校正系數。

式中：r為蒸發器二次蒸汽的汽化熱，kJ。

溶液沸點升高的后果使蒸發器傳熱的有效溫差下降，即溶液沸點溫度高于所產生的二次蒸汽的溫度，為此也稱由于溶液沸點升高而引起的溫差損失。在熱泵制鹽生產中，由于氯化鈉的溶解度隨溫度變化很小，而且蒸發時，氯化鈉均是飽和的，所以一般認為沸點升高僅僅與蒸發器的操作壓力有關，查有關手冊可以得到，常壓下氯化鈉飽和溶液的沸點升高為8℃，蒸發的沸點升可由式（4）計算得到。

2）關鍵工藝參數設定。關鍵工藝參數見表1。

表1　關鍵工藝參數

3）物性方法設定。Aspen Plus流程模擬軟件針對的對象各種各樣，而具體對某一類系統，對于物性方法的選擇，就需要自己設定，本次模擬針對的系統屬于電解質系統，即選用ENRTL-RK法。

2　Aspen Plus對熱泵制鹽流程的模擬

2.1熱泵蒸發基本流程

鹵水進蒸發罐前，需要通過分段預熱，首先通過閃發蒸汽進行一段預熱，充分利用閃發氣的汽化熱；然后再利用加熱室排出的冷凝水進行二段預熱，將鹵水加熱至接近沸點；最后再通過補償蒸汽將原料鹵水加熱至沸點，輸送至加熱室。在蒸發室中鹵水快速蒸發，濃度不斷提高，得到的大量的二次蒸汽，通過捕沫、除雜和洗滌等簡單處理后，再進入壓縮機被壓縮（Aspen Plus模型見圖3），壓縮后的蒸汽溫度過高，不能直接用來加熱鹵水，此時需要通過少量的冷凝水噴淋，使蒸汽變為對應壓力下的飽和蒸汽，然后再回加熱室作熱源使用［4-5］。加熱室排出的冷凝水主要用作預熱鹵水，補償蒸汽加熱得到的飽和冷凝水可以用來噴淋，消除過熱度，而壓縮機出來的壓縮蒸汽全部進入加熱室，這樣所有的熱源都在循環中，不需要向加熱室補充生蒸汽，計算中可以發現，壓縮蒸汽的量剛剛好可以滿足加熱室的需求量，這套工藝流程的優點就是用較少的能量使二次蒸汽循環利用，是節能的較佳方式。

2.2熱泵蒸發制鹽Aspen流程

熱泵蒸發模型見圖4。熱泵蒸發模型的建立：原料鹵水首先與兩股循環物流混合，一股為離心機母液，另一股為蒸發器循環母液，然后被閃發器的二次蒸汽加熱，再通過加熱室的冷凝水進行二段加熱，最終被補償蒸汽加熱至沸點，最后進入加熱室，加熱析出氯化鈉晶體，最后進入蒸發室，產生的二次蒸汽進入沸點升模型降溫至飽和溫度后進入壓縮機，壓縮機對蒸汽做功后，壓縮蒸汽溫度升高，再返回加熱室，鹽漿進入結晶器，再進入離心機，得到產品濕鹽，母液返回。

圖4　熱泵蒸發模型

3　熱泵蒸發制鹽工藝模擬結果分析

3.1熱量衡算（按每小時產鹽37.5 t計算）

對相關資料進行研究分析，發現模擬結果基本穩合實際生產過程，現將兩個壓力下的模擬結果簡單對比，見表2。

表2　常壓及正壓主要技術參數及模擬結果

3.2能耗概算

熱泵蒸發系統主要能耗在于壓縮機的耗電費及補償蒸汽的耗費，而現有的五效蒸發系統主要是耗汽費，實際生產過程中五效蒸發系統的噸鹽耗汽為0.85 t，而采用熱泵蒸發制鹽，耗費的是大量的電能，目前電力的價格不斷降低，平均0.8元/（kW·h），而生蒸汽價格大約為200元/t。常壓蒸發時，選擇蒸汽溫度為116℃，對應蒸汽壓力為176.6 kPa，則壓縮機參數就可以設定了，進口壓力為101.325 kPa，出口壓力為176.6 kPa。正壓（132.5 kPa）蒸發時，水的沸點為107.4℃，蒸汽溫度選為124℃，對應的飽和蒸汽壓力為228.1 kPa，所以壓縮機的進口壓力為132.5 kPa，出口壓力設定為228.1 kPa。壓比增大時，壓縮機的機械效率越低，通常壓比小于2.2［6］，此模擬中的兩個壓力下壓比均符合要求。

由于實際過程中，有一部分能量損失，損失的能量多少由保溫措施的好壞來決定，生產過程中，加熱室、蒸發器外部都會做相應厚度的保溫層。生產過程中損失熱量約為總換熱量的3%～5%，Aspen Plus模擬的過程中用換熱器來表示能量的損失，壓縮機壓縮后的蒸汽全部進入加熱室，多余的部分用來作為熱量損失，本文熱量損失模型中，常壓蒸發損失熱量為2 185.59 kW，約為交換熱的3.165%；正壓蒸發時，損失熱量為2 043.70 kW，約為3.046%，符合實際情況，數據可用。

Aspen模擬結果發現，常壓和正壓兩種情況下，壓縮機的軸功率相差不大，補償蒸汽也是基本一樣，表明兩種壓力下的能耗沒有太大變化，可以近似認為一樣。現將兩壓力下熱泵蒸發能耗與五效蒸發能耗對比［7］，結果見表3。

表3　熱泵蒸發與五效蒸發制鹽能耗對比

4　結論與展望

熱泵蒸發系統主要能耗在于壓縮機的軸功率，其次在于補償蒸汽的多少，通過兩個壓力下熱泵蒸發系統的比較可以發現，隨著蒸發器壓力的升高，壓縮機的壓比只是稍微減小，壓縮機的軸功率從4 146 kW降低到4 061 kW，只降低了2.05%，而壓力提高的同時，模擬發現補償蒸汽的量也是稍微提高了。根據實際能源價格，計算得到噸鹽能耗在130～135元，相差不大。另外，兩個壓力下設備選型基本一樣，經計算蒸發室安全直徑D=9.0 m，蒸發室高度（經驗選取）H=10.0 m，投資成本沒有變化，因此，基于安全等因素，選用常壓蒸發或根據實際需要適當提高壓力。盡管熱泵蒸發制鹽對設備、廠房、安全的要求都較高，但是，在節能方面，效果十分顯著，熱經濟率高，是將來制鹽的發展趨勢，逐步取代多效蒸發。

［1］鄧建民.機械壓縮制鹽技術發展歷程及先進性淺述［J］.現代鹽化工，2014（3）：1-3.

［2］馮霄，運新華，郁永章.多效蒸發與熱泵蒸發的分析與比較［J］.化工機械，1995，22（1）：52-56.

［3］李家強．對真空蒸發制鹽蒸發系統五種傳熱溫度差損失的探討［J］.海湖鹽與化工，2000，29（4）：23-27.

［4］黃成．機械壓縮式熱泵制鹽工藝簡述［J］．鹽業與化工，2010，39（4）：42-44.

［5］趙玉柱.淺談熱泵制鹽技術的原理及工藝［J］.科技傳播，2011（36）：166，144.

［6］李軍，郝冬青.淺析機械壓縮式熱泵制鹽中壓縮機工作的問題［J］.鹽業與化工，2013，42（12）：42-43.

［7］俞性佑，章世鑫.多效蒸發制鹽與熱泵法（蒸汽機械壓縮）制鹽中蒸發能耗的分析與比較［J］.中國井礦鹽，1993（6）：18-21.

聯系方式：chenlifang@tust.edu.cn

Simulation of thermo-compression evaporation in purified brine

Chen Lifang，Zhu Huabing，Xu Lu
（Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Chemical Engineering and Materials，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China）

Whether the heat pump evaporation salt making process is economical mainly depends on the energy consumption. So how to decrease the energy consumption becomes the key direction of technology improvement.The energy consumption of multi-effect evaporation salt making process can be decreased by changing the structure of the process，increasing the number of the effects，adding preheating equipments，flash evaporation in every effect and so on.The energy consumption of heat pump evaporation salt making process can be decreased by changing the evaporation pressure.By using process simulation software Aspen Plus，the modeling of multi-effect evaporation in vacuum salt process was built to study the measures of decreasing energy consumption.In the simulation，at atmospheric and positive pressure（132.5 kPa），25%pure salt solution was used and the energy consumptions at different pressures were compared.Meanwhile it was also compared with the five effects evaporation process.Based on the simulation results，the best process can be chosen and the economic benefits can be maximized. Key words：thermo-compression evaporation；Aspen Plus；vacuum salt process

TQ028.61

A

1006-4990（2016）04-0053-04

2015-10-21

陳麗芳（1965—），女，副教授，研究方向為工業結晶、海鹵水資源綜合利用、高鹽廢水處理，已發表論文20余篇。