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观点碰撞:影响MVR蒸发系统的因素分析

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机械蒸汽再压缩(MVR)技术,是将电能转换为压缩机的机械能,在通过压缩机叶轮对水蒸汽做功,将蒸发器产生的二次蒸汽进行再压缩,提高二次蒸汽的品味,再作为蒸发器的热源对原料液进行加热实现二次利用。目前,也因为MVR蒸发系统从原理上更节能,致使利用电驱动的MVR压缩机已经广泛应用于食品饮料、化工、制药、环保等诸多行业。

一、MVR蒸发装置介绍

MVR蒸发装置是蒸汽压缩机和蒸发系统的有机结合,整套蒸发系统的温升范围在20-24℃以内时,进行蒸发的一种方法。当蒸发系统的温升超过以上温升范围,则不建议使用MVR蒸发系统。MVR蒸发装置主要的优点有:能耗低,蒸发低含盐量的溶液到接近饱和溶液时,蒸发一吨水只需消耗电量约20-30kW(根据物料的沸点升确定),蒸发温度可根据物料特性进行合理选择;蒸发速度快:物料进、出设备只需十几秒,有利于处理热敏介质;蒸发温度可以控制在较低温度,低温蒸发可以降低材料的腐蚀和能耗的损失;通过使用蒸汽压缩机,能量循环利用更加充分,使MVR蒸发装置的运行能耗降低。

通常MVR蒸发装置主要由以下几大部分组成:MVR蒸汽压缩机、换热器、蒸发器、分离器、冷凝器、真空系统、机泵、仪表阀门、控制系统等组成。

MVR蒸发装置能量利用率高,自动化程度高,运行稳定,占地面积小,被越来越多的用户所接受。但MVR蒸发系统在设计,运行中需考虑物料、海拔、设备、操作等诸多因素的影响,以下内容对可能影响MVR蒸发系统的各因素进行分析叙述。

二、蒸发原料特性的影响

物料的主要物性参数有:密度、溶液组成成分、比热、粘度、沸点升高、表面张力、热敏性、腐蚀性等,密度、溶液组成成分、定压比热、粘度极大响了物料侧的传热系数,而传热系数的不同会直接影响蒸发面积的设计计算。

粘度和表面张力,主要影响物料的汽、液分离过程和分离器的长径比的选择,在成膜蒸发过程中还会影响物料的布膜情况。沸点升高,主要影响工艺流程的选择,蒸发温度的选择,温度梯度分布和蒸汽压缩机的选择。沸点升高比较高的物料,在蒸汽压缩机温升范围内,可以选用MVR蒸发工艺,单级高速离心压缩机和容积式罗茨压缩机都可以提供20℃以上的温升,高温升蒸汽压缩机的生产工艺会更复杂,要求精度会更高。

物料的粘度除了影响传热系数还会对蒸发器型式的选择有影响。粘度高的物料须选择强制循环或刮板式蒸发器,以防止物料流动速度过慢发生结焦的现象,同时强制循环蒸发器也可以更有效的预防装置化学结垢,通过高速流体的湍流效果,降低换热器化学结垢风险。

物料的热敏性,要求物料在蒸发器中停留的时间要短,否则会使物料发生质变,则需减少蒸发器的效数或级数,减少物料在蒸发器中循环时间。如果蒸发物料对温度有要求时,设计时一定要考虑蒸发温度、蒸发器型式及流程的选择。

一些物料的腐蚀性,如高含盐废水中氯根含量很高,特别是物料在高温下的腐蚀性,这是影响选材的一个重要因素,尤其是MVR蒸发装置的加热器,材质通常是系统中最高的。

三、安装位置海拔的影响

海拔是反应一个地区地势高低的物理量。海拔高,当地的气压小,表压降低,对应的溶液沸点降低。海拔高度对MVR蒸发的影响直接体现于系统的真空度以及对应饱和蒸汽的热工参数。

为降低能耗MVR蒸发多数选择在负压下运行,其负压的获得需采用真空系统。真空系统另一个作用是将MVR蒸发装置中的不凝气抽出,防止不凝气富集,降低传热效率,阻碍蒸发。海拔高低会影响极限真空度。如水环真空泵在0海拔其极限真空为-0.094Mpa,在海拔1500m时,其极限真空为-0.08Mpa。对热源蒸汽而言,表压0.1Mpa的蒸汽,0海拔对应温度为99.6℃,1500m海拔对应的温度为95.1℃。可见海拔会对蒸汽热工参数有影响,因此,在MVR蒸发设计时要充分考虑。

高海拔对于水泵电机的选择也有影响,海拔超过1000,m时,需要选择高原电机,以防止水泵电机不能按照设计参数运行,影响水泵流量和扬程。

四、系统设计参数的影响

工艺参数是MVR蒸发器的设计的根本,对原料特性参数的了解和掌握,才能更好的避免设计风险,确保系统能够正常运行。物料浓度、组成成分、处理量和蒸发量决定设备的规模,效、级的数量,蒸汽压缩机选型,蒸发面积的大小,换热器材质,设备投资的成本。

进料浓度和出料浓度直接影响传热的计算和蒸发温度的选择,进而影响蒸汽压缩机进、出口温度的选择。由于蒸发强度的问题,出料浓度还会影响蒸发器形式的选择和蒸发流程的设计。

进、出料温度。MVR蒸发装置在工艺设计中要做到能量的极大化利用,因此在考虑满足进、出口物料温度的情况下通过工艺变化将冷凝水出口温度降低最低。

五、主要设备选择及操作的影响

5.1 进料变化的影响

进料量:蒸发系统设计完成后,换热器面积,传热系数,蒸汽压缩确定后,整套系统有其固有的操作弹性,即在正常运行时进料量有一定的范围。根据能量守恒定律,设备最大传热量为定值。进料量过大,会影响蒸发传热系数,使蒸发量发生变化,出料的浓度会降低。进料量过小时,各效蒸发器物料侧流量大大减少,不仅会使蒸发温度升高,严重时会造成干烧、结焦的现象。同时进料量过小,意味着蒸发产生的蒸汽减小,也会影响到蒸汽压缩机的运行,甚至会造成压缩机的损坏。

进料浓度:进料浓度变化会引起物料物性的变化,会直接影响传热系数以及沸点升高的变化,如果原料量保持不变,表现出来的现象就是蒸发量减低,达不到原始设计的蒸发量,同时还有可能导致物料结晶析出,造成结焦或堵管等问题。

进料温度:蒸发器进料一般要求泡点进料,如果进料温度过低会牺牲部分蒸发器的面积用于提升物料显热而非潜热,降低蒸发量,因此设计过程通常在原料液进入蒸汽器前设置一台蒸汽预热器,一旦来料温度过低,通过预热器不能满足泡点进料,可以通过补充生蒸汽用蒸汽预热器进行最后的加热。

5.2 蒸汽压缩机工况变化影响

MVR蒸汽压缩机是此蒸发装置中核心设备。主要的参数有流量,进、出口温度(温升),电流等。蒸汽压缩机也根据温升、蒸汽流量不同,有多种选择,如离心风机、单机高速离心机、容积式罗茨压缩机等。

根据能量守恒定律,压缩机需要的总功要等于水蒸气进、出口总焓之差。功是由电机提供,压缩需要的总功除效率值得到轴功率,根据轴功率和电机功率系列值选择最佳的电机。电机提供的最大的功和蒸汽温升所需的功在有的情况下差值较大,这就造成压缩机富裕量大。

压缩机在设计参数下,流量、温升、压比、效率值都为最高,压缩机设计完成后,其运行由温度、流量、电机等共同决定。当压缩机进口温度低,比容增大,压缩机可进入的最大蒸汽量增大,但由于压缩机功率已定,则根据能量守恒原理出口的温度会降低,表现为进、出口温差不够。当压缩机进口温度升高时,比容减小,水蒸汽质量流量减小,由于电机和效率值的影响,出料温度会升高,但由于叶轮和转速等影响,表征到进、出口的温差不会增大。

压缩机开机的过程是电机频率逐渐增大的过程。在小频率下,流量和温升有个对应值,随着流量的增大,在相同的频率下温升会减小但是压缩机会自动提高频率已保证更高的温升。压缩机频率、流量、温升会相互影响逐渐升高至额定值。

5.3 气液分离器的影响

气液分离器是提供物料和二次蒸汽分离的场所,分离器的设计要充分考虑蒸发量、蒸发温度、物料粘度、分离器液位等因素。

分离器如果设计过小,当蒸发量增大,会使二次蒸汽上升的速度加快,造成夹带液量严重,也可能会造成压降增大,对导致蒸汽携带大量高浓度物料进入压缩机系统,造成压缩机腐蚀,冷凝液品质下降。一旦原料粘附在压缩机内部叶轮表面,会造成压缩机腐蚀,严重会导致叶轮动平衡破坏,造成压缩机损坏。

物料浓度、粘度、表面张力增大,会造成二次蒸汽分离困难,分离器分离量不够。分离器的物料循环量和液位高度增大会造成二次蒸汽夹带量严重。分离器的直径是保证汽、液分离有足够的分离面,分离器高度是提高汽液相互夹带的因素。分离器高度越高,分离效率越高,但设备成本也会增加。因此在分离器设计中,除沫器的设计十分必要,一方面可以降到分离器高度,同时保证蒸汽夹带影响对后续影响最小。

5.4 泵的影响

泵是蒸发系统中主要的动设备,主要起输送液体的作用。MVR蒸发系统中泵多采用双机械密封的型式。主要因为要在负压下降物料抽出。泵机械密封的好坏以及运行时的流量、吸程、扬程都会对蒸发系统产生影响。

系统设计如果选择强制循环泵,尤其是有晶体生成的工艺设计,循环泵优先选择轴流泵,其特点是大流量,低扬程,同时其泵头设计特点,在工作过程中对溶液产出的晶体破坏最小,有利于系统晶体的生长。

冷凝水泵如果不能及时将冷凝水抽出,会使冷凝水在蒸发器中聚集,会使蒸发器的传热发生严重的抑制作用。蒸发器中本来使用蒸汽加热变为热水加热,效率会大大降低,导致蒸汽发生堵塞。

5.5 其他的影响

除了以上提出的影响因素外,还有配管时的管径选择,管道走向的问题、阀门形式的选择,阀门安装位置的选择等等问题的影响、操作规范性的问题等,都会对整套蒸发系统产生影响。

六、总结

MVR蒸发系统,技术原理上已经十分成熟,但是作为一套系统工程、设计、安装、调试各个环节都很重要。物料特性参数、工艺设计细节、设备选型注意事项、现场实际操作都对系统的运行产生影响。因此在系统设计的初期,要充分了解原原料特性,同时也要了解原料产生过程,对蒸发系统的前后工艺都进行了解,综合考虑各种因素,以保证装置正常、连续、高效的运行。



(来源:合众环保)

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