機械蒸汽再壓縮蒸發的開車過程工藝分析

李方天，李 林，劉金勇

(1.山東鴻運工程設計有限公司，山東 濟南 250100；2.山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250100)

蒸發操作廣泛應用于化工、制藥、食品、海水淡化、污水處理等工業中。當蒸發沸點升較低的溶液時，機械蒸汽再壓縮技術比四效蒸發技術有明顯的優勢[1]。王遠等建立了機械蒸汽再壓縮系統的熱力學模型,并對換熱器無相變瞬態傳熱分析的模型進行了簡化，利用迭代法對系統非穩態運行過程進行了模擬，發現當換熱量達到蒸發器換熱的最大值時，蒸汽流量出現明顯拐點，并呈下降趨勢直至穩態，壓縮機最大功率及最大進氣量也都出現在非穩態運行過程中[2]。黃靚等考察了中藥提取液濃縮過程中沸點變化與溶劑組成和溶質濃度的關系，發現在濃縮過程中，要綜合考慮溶劑和溶質兩者的影響[3]。本文是在機械蒸汽再壓縮蒸發裝置實際運行的基礎上，結合簡化模型，對開車過程進行工藝分析，這包括蒸發前操作和蒸發達到設計條件的過程。

1 蒸發前的操作

在完成單機試車、聯動試清水，并準備好開車的各項條件后，就開始蒸發處理設計的物料。在真正運行機械蒸汽再壓縮蒸發前，要進行包括進料操作、循環升溫、壓縮機開啟等工作。

1.1 進料操作

通過進料泵，向蒸發系統進料，當分離器內的液位到達指定液位時先停止進料。一般情況下，當有三個透鏡時，指定液位位于第二個透鏡中間位置；當只有兩個透鏡時，液位位于兩個透鏡中間的位置。對于3 m3/h的蒸發量，達到指定液位時，加入物料的量在12 m3左右。

在運行過程中分離室內的液位不能過低或過高，液位過高易造成泡沫夾帶，而液位過低易使泵產生氣蝕。通過調節進料調節閥,保持分離室的液位在正常操作液位范圍內，維持穩定。

機械蒸汽再壓縮開始時蒸發量大于設計量，原因在于蒸發達到設計條件之前，溶液濃度都較低，沸點升較低，產生的二次蒸汽溫度較高，密度較大，對于同樣的體積處理量，其質量處理量就較大。從這方面考慮，進料泵流量不宜過小。

另一方面，根據伯努利方程：

當出口壓力為負壓時，需要克服的阻力就減少了，此時泵的流量就會增大。

從以上兩個方面考慮，進料泵的設計流量一般為處理量的1.5～2倍。這樣進料到指定液位的時間就在2h左右。

1.2 循環升溫

在循環泵開啟的條件下，要通過生蒸汽對效內的循環物料進行加熱，以達到蒸發溫度，使壓縮機能夠開啟。

忽略蒸汽冷凝液和熱量損失，可得到以下熱量衡算和傳熱方程：

(其中G為物料質量流量，cp為物料熱容，T為物料溫度，θ為時間；W為生蒸汽流量，r為蒸汽潛熱；K傳熱系數，S為傳熱面積，Δt為換熱溫差)

可見循環升溫過程主要取決于外加蒸汽的通入量W。通入量W越大，升溫過程時間越短。在升溫初期，由于Δt較大，僅需要一部分換熱面積就使生蒸汽完全冷凝，其余的換熱面積就繼續用于蒸汽冷凝液和物料的換熱，這時候的換熱量也比方程中的換熱量要大一些，從而升溫時間要短一些。

根據相關工程經驗，一般蒸發器底部液相溫度控制為95℃，可將蒸汽進料自動調節閥開度與蒸發器底部液相溫度聯鎖。溫度過低，溶液達不到沸騰狀態，產生的蒸汽量少，將影響蒸汽壓縮機運行。

1.3 壓縮機開啟

當蒸發器內達到一定溫度時，就可以開啟蒸汽壓縮機。對于羅茨蒸汽壓縮機，開啟前旁通閥完全打開，壓縮機變頻在零赫茲時，開啟壓縮機，然后逐步調節變頻，注意開啟時，頻率調整不要過快。當變頻調至總赫茲的一半時，再緩慢關閉壓縮機旁通閥門開度，每次減少2%～5%，直至將旁通全部關閉，再繼續提高壓縮機變頻，直至提高變頻至總赫茲的80%～90%，注意整個過程不要超電流。

2 蒸發達到設計條件的過程

2.1 羅茨壓縮機進出口實際運行數據分析

表1 某機械蒸汽再壓縮的羅茨壓縮機進出口實際運行數據

表1為某機械蒸汽再壓縮的羅茨壓縮機進出口實際運行數據。當羅茨壓縮機出口溫度超過110～115℃，需要開啟噴水閥，在羅茨壓縮機入口進行噴水，以防止出口蒸汽溫度過高。從表1可以看出，壓縮機進口溫度和進口壓力下對應飽和溫度幾乎一樣，可以認為進口的二次蒸汽幾乎是飽和蒸汽。同樣壓縮機出口溫度比出口壓力下對應飽和溫度略高一點，可認為壓縮后的蒸汽也非常接近飽和狀態。

2.2 蒸發達到設計條件的過程

以初始溶液為6.0%的氯化鈉溶液且蒸發量為3t/h的機械蒸汽再壓縮為例，分析從開始蒸發到達到設計蒸發量時的過程。設定液相溫度為95℃，先根據效內濃度，得到溶液的沸點升，從而推算進入壓縮機的蒸汽飽和溫度，再根據蒸汽密度以及壓縮機的體積處理量，得到此時的蒸發量。

雖然開車的某1h中物料濃度一直在增加，但對最終這1h內的蒸發量估算影響不是很大，可以假定這1h的蒸發量為這個時段剛開始的蒸發能力。計算結果如下表2所示，蒸發小時時間與蒸發量的關系如下圖1所示。

表2 蒸發能力達到設計條件過程分析

圖1 蒸發小時時間(h)與蒸發量(t/h)的關系

由表2可以看出，在蒸發初期，蒸發量可以達到3.8t/h，超出設計值的26.7%，在運行六個小時后，才達到設計條件，蒸發量為3.0t/h。從圖2可以明顯看出蒸發量隨蒸發時間的延長而逐步降低。這說明機械蒸汽再壓縮從開始到達到設計條件，需要一定的運行時間。這也與初始濃度有關，初始濃度越低，所需要的時間就越長。

3 結論

(1)進料泵的選擇，既要考慮蒸發初期蒸發量較大，又要考慮正常運行負壓時泵流量的增加。

(2)機械蒸汽再壓縮入口的二次蒸汽幾乎是飽和蒸汽，壓縮后的蒸汽也非常接近飽和狀態。

(3)機械蒸汽再壓縮從開始到達到設計蒸發量，需要一定的運行時間。初始濃度越低，所需要的時間就越長。