基于硫酸鈉廢水蒸發過程的MVR系統熱力分析*

董守亮，趙 飛

(青海大學 化工學院，青海 西寧 810016)

蒸發作為傳統的工藝過程，廣泛應用于制鹽、乳品干燥、污水處理等行業中，但傳統蒸發操作耗能較大，因此過程的節能降耗是研究人員關注的焦點[1-3]。機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)技術，簡稱MVR，是一種先進的工業系統二元蒸餾方法，可用于多種溶液的蒸發[4-6]。相比于傳統的多效蒸發，不需要鍋爐提供驅動蒸汽，減少了生蒸汽和燃煤鍋爐污染物的排放，同時不用對濃縮液進行冷卻，相比傳統蒸發形式省去一臺換熱器，因此可以降低投資運行成本，提高經濟效益[7-8]。由于MVR能循環使用溶液蒸發產生的熱量，系統有很高的能效，隨著電力價格相比于生蒸汽價格的下降趨勢，MVR熱泵將會得到更廣泛的應用。

1 系統工藝流程

以處理量960 t/d、質量分數25%硫酸鈉廢水的MVR熱泵蒸發系統作為研究對象進行分析。MVR熱泵系統的工藝原理見圖1。

圖1 MVR熱泵系統工藝原理圖

原料液0經預熱器預熱后，原料液1進入降膜蒸發器管程，在蒸發器中受熱蒸發后產生的低溫位二次蒸汽2進入蒸汽壓縮機，在壓縮機中升溫升壓提高熱焓后的二次蒸汽3進入蒸發器殼程，與原料液1換熱冷凝放熱后，產生的冷凝液6排出蒸發器，產生的濃縮液4進入預熱器預熱與原料液放熱后排出系統為濃縮液5。該系統由于充分利用了二次蒸汽的潛熱并取消了循環冷卻水，實現了節能降耗的目的。

2 系統分析模型

e=h-h0-T0(s-s0)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

系統中設備改進的潛力定義為符號IP，表示為[16]：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，W為設備的功率，kW。

(12)

(13)

(14)

2.2 熱經濟性分析模型

設備的成本平衡涉及生產產品的支出率，一般的成本平衡方程為[17]：

(15)

表1 過程單元的成本模型[18]

每個過程單元設備的年投資成本可由下面的關系式計算[19]：

(16)

則蒸汽壓縮機的成本平衡方程為：

(17)

則蒸發器的成本平衡方程為：

(18)

則預熱器的成本平衡方程為：

(19)

泵的成本平衡方程為：

(20)

3 分析與討論

表2 MVR系統的性能參數

表2 MVR系統的性能參數

設備號設備ED/kW利用的能量/kWIP/kWRI/%ηex/%Ⅰ蒸發器33．6182．716．252．452Ⅱ蒸汽壓縮機18．458．65．228．772Ⅲ預熱器9．247．43．414．463Ⅳ進料泵1．51．90．52．368Ⅴ冷凝液泵1．41．80．52．267總計64．1292．425．21

對于系統，各單元的熱經濟性參數計算結果見表3，這些參量包括燃料成本(CF)，產品成本(CP)，損失成本(CD)，設備投資成本(ZCI)和操作維護成本(ZOM)。

表3 MVR系統的熱經濟性參數

4 結 論

(3) 系統運行時各設備彼此聯結影響，因此系統性能的改進不可能單臺設備孤立的實現，應綜合考慮系統各設備的優化匹配以實現節能增效的目的。

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