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蒸發(fā)工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介（降膜為主）

　　蒸發(fā)（或蒸餾法）雖然是一種古老的方法，但由于技術(shù)不斷地改進(jìn)與發(fā)展，該法至今仍是濃縮或制淡水的主要方法。

　　蒸餾過程的實(shí)質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。

　　根據(jù)所用能源、設(shè)備、流程不同主要可分多效蒸發(fā)、多級(jí)閃急蒸發(fā)、蒸汽壓縮蒸發(fā)（MVR）等。

　　（1）多效蒸發(fā)技術(shù)

　　多效蒸發(fā)是最古老的淡化方法之一，在多級(jí)閃蒸誕生以前一直是蒸發(fā)、濃縮的主導(dǎo)。

　　原理：多效蒸發(fā)是由單效蒸發(fā)組成的系統(tǒng)。將前一蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并在下一效蒸發(fā)器中冷凝成蒸餾水，如此依次進(jìn)行。

　　原料水進(jìn)入系統(tǒng)方式：有逆流、平流（分別進(jìn)入各效）、并流（從第1效進(jìn)入）和逆流預(yù)熱并流進(jìn)料等。

　　（一）多效蒸發(fā)的特點(diǎn)

　　與多級(jí)閃蒸比較而言的。優(yōu)點(diǎn)：

• 　　多效蒸發(fā)的換熱過程是沸騰和冷凝傳熱，是相變傳熱，因此傳熱系數(shù)是很高。總的來說多效蒸發(fā)所用的傳熱面積比多級(jí)閃蒸少。

• 　　多效蒸發(fā)通常是一次通過式的蒸發(fā)，不像多級(jí)閃蒸那樣大量的液體在設(shè)備內(nèi)循環(huán)，因此動(dòng)力消耗較少；

• 　　多效蒸發(fā)的濃縮比高；

• 　　多效蒸發(fā)的彈性大

　　（二）多效蒸發(fā)流程的分類

　　多效蒸發(fā)的工藝流程主要有三種，順流、逆流和平流。

　　順流：是指料液和加熱蒸汽都是按第一效到第二效的次序前進(jìn)。

　　特點(diǎn)：

• 　　多效的真空度依次增大，即絕對(duì)壓力依次降低；故料液在各效之間的輸送不必用泵，而是靠壓差自然流動(dòng)到后面各效；

• 　　溫度也是依次降低，故料液從前一效通往后一效時(shí)就有過熱現(xiàn)象，也就是發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生一些蒸汽，即淡水；

• 　　對(duì)濃度大，黏度也大的物料而言，后幾效的傳熱系數(shù)就比較低；而且由于濃度大，沸點(diǎn)就高，各效不容易維持較大的溫度差，不利于傳熱。

　　平流：平流是指各效都單獨(dú)平行加料，不過加熱蒸汽除第一效外，其余各效皆用的是二次蒸汽。

　　適用于：容易結(jié)晶的物料，如制鹽，一經(jīng)加熱蒸發(fā)，很快達(dá)到過飽和狀態(tài)，結(jié)晶析出。

　　在水處理過程中主要是要獲取淡水，不需用逆流和平流，而且逆流和平流沒有順流的熱效率高。

　　逆流：逆流是指進(jìn)料流動(dòng)的路線和加熱蒸汽的流向相反。原料從真空度最高的末一效進(jìn)入系統(tǒng)，逐步向前面各效流動(dòng)，濃度越來越高，所以料液往前面一效送入時(shí)，不僅沒有閃蒸，而且要經(jīng)過一段預(yù)熱過程，才能達(dá)到沸騰。

　　可見和順流的優(yōu)缺點(diǎn)恰好相反。對(duì)于濃度高時(shí)黏度大的物料用逆流比較合適，因?yàn)樽詈蟮囊淮握舭l(fā)是在溫度最高的第一效。所以雖然濃度大，黏度還是可以降低一些，可以維持比較高的傳熱系數(shù)。這在化工生產(chǎn)上采用較多。

　　（三）多效蒸發(fā)工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介

　　根據(jù)單效蒸發(fā)器的分析，蒸發(fā)量D/加熱蒸汽量D0=0.91或者D0/D=1.1，即1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水。

　　如果將蒸出的二次蒸汽通往第二個(gè)蒸發(fā)器的加熱室去作為加熱用，那么同樣1kg的二次蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水。

　　以此類推，效數(shù)越多，利用1kg加熱蒸汽可以蒸發(fā)出的淡水也越多，這從熱量的利用上來講是有利的。

　　實(shí)際上，由于溶液有沸點(diǎn)升高現(xiàn)象，管線有流動(dòng)阻力損失，使溫差有損失，再加上效數(shù)多了，即使保溫很好，散熱面積大了，熱損失也增多，所以當(dāng)效數(shù)增多時(shí)，熱量利用的效率也隨之有所降低。考慮到效數(shù)增加則設(shè)備的投資增大，故實(shí)際采用效數(shù)應(yīng)該有一最佳點(diǎn)。

　　（四）多效蒸發(fā)設(shè)備的分類

　　多效蒸發(fā)設(shè)備的種類繁多，不同的物料，不同的濃度，可選用不同的蒸發(fā)器。

• 　　按蒸發(fā)管的排列方向：可以分為垂直管蒸發(fā)器（VTE）和水平管蒸發(fā)器（HTE）。

• 　　按蒸發(fā)物料流動(dòng)的類型：可以分為強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)器和膜式蒸發(fā)器。

• 　　在膜式蒸發(fā)器中按流動(dòng)方向：又可分為升膜式和降膜式蒸發(fā)器。

• 　　在降膜式蒸發(fā)器中分為：垂直管降膜和水平管降膜蒸發(fā)器。

• 　　按各效組合的方向可以分為：水平組合的蒸發(fā)器和塔式蒸發(fā)器。

　　組成多效蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器有多種型式，常用的有以下主要三種：

　　▲浸沒管式（ST）

　　該種蒸發(fā)器是加熱管被料液浸沒的一大類蒸發(fā)設(shè)備。廣義的浸沒管蒸發(fā)器又有多種樣式，有直管、蛇管、U形管以及豎管、橫管等結(jié)構(gòu)。

　　料液在蒸發(fā)器中的流動(dòng)方式有：自然對(duì)流循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩類。這種蒸發(fā)器出現(xiàn)較早、操作方便，但結(jié)垢嚴(yán)重、鹽水靜液柱高、溫差損失大，故效數(shù)不宜太多，一般在6效以下。

　　▲豎管蒸發(fā)（VTE）這里是指管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器。

　　兩個(gè)基本優(yōu)點(diǎn)，一是因管內(nèi)為膜狀汽化，傳熱壁兩側(cè)都有相變，故傳熱系數(shù)高。且消除了料液的靜液柱所造成的溫差損失。系統(tǒng)的濃縮率比較高，低濃度溶液如海水淡化，目前一般設(shè)計(jì)的效數(shù)為11～13效，造水比可達(dá)9～10。

　　結(jié)垢問題，特別是當(dāng)液體分配不均或者水量不足時(shí)，在管的內(nèi)壁可能形成干區(qū)，結(jié)垢的危險(xiǎn)性增大。因此在防垢和清垢方面有較高的要求。

　　一般說來，在這類蒸發(fā)系統(tǒng)中晶種法不宜采用，主要靠化學(xué)法防垢加上溫度、濃度的合理設(shè)計(jì)。

　　▲橫管薄膜式（HTE）

　　該種蒸發(fā)器是循環(huán)料液通過噴淋裝臵在橫管束的管外形成液膜，加熱蒸汽（或前效二次蒸汽）在管內(nèi)凝結(jié)。

　　它具有與豎管降膜式相同的優(yōu)缺點(diǎn)，但設(shè)備高度遠(yuǎn)比豎管降膜式為小，裝臵緊湊，所有各效的管束、噴淋管和汽水分離器都裝在一個(gè)筒體中，因而熱損失小，能耗低。

　　由于溫度低，結(jié)垢和腐蝕都大大減輕，保證了較高的傳熱系數(shù)；此外汽相阻力小，又消除了靜液頭損失，傳熱溫差可以很小，尤其適于使用低位熱能。

　　（2）多級(jí)閃蒸技術(shù)

　　閃蒸是指一定溫度的水在環(huán)境壓力低于該溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)發(fā)生的驟然蒸發(fā)現(xiàn)象。閃蒸后的水溫度降低以使其飽和蒸汽壓與環(huán)境壓力平衡。

　　ＭＳＦ也是利用了這個(gè)原理，使加熱至一定溫度的料液，依次在一系列壓力逐漸降低的容器中閃蒸汽化，原料得到濃縮，蒸汽冷凝后得到淡水。

　　該方法是在多效蒸餾的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。相比多效蒸餾法多級(jí)閃蒸減少了垢的形成，多在低濃度料液濃縮中使用。

　　（一）多級(jí)閃蒸技術(shù)的特點(diǎn)

　　1.多級(jí)閃蒸與其他技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn):

• 　　由于此方法加熱與蒸發(fā)過程分離，并未使原水真正沸騰(僅是表面沸騰)，從而大大改善了一般蒸餾的結(jié)垢問題；

• 　　技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行安全性高，特別適合于大型的低濃度物料濃縮應(yīng)用；

• 　　設(shè)備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本較低。

　　2.主要缺點(diǎn):

• 　　大量原水的循環(huán)和流體的輸送，導(dǎo)致操作成本升高；

• 　　與多效蒸餾法相比，需要較大的熱傳面積；

  　　3.低溫多效蒸發(fā)技術(shù)

2ＭＶＲ技術(shù)在蒸發(fā)結(jié)晶中的應(yīng)用

　　（1）典型的蒸發(fā)濃縮(結(jié)晶)工藝

　　蒸發(fā)濃縮過程而言，介質(zhì)發(fā)生“相變”：液相→汽相

　　水的比熱為1 kcal/kg〃℃。1 kg的水，溫度每上升1 ℃需要1 kcal的熱量。對(duì)1 kg的水加熱從0 ℃上升到100 ℃沸騰，僅需要100 kcal的熱量。

　　將1kg 100 ℃的水汽化，成為同溫度的蒸汽，則需要539 kcal熱量。能耗是相當(dāng)于使同樣重量的水溫度每升高1 ℃所需熱量的539倍。

　　（一）單效蒸發(fā)（1kgH2O為例)

　　新鮮蒸汽大量熱量→二次蒸汽→冷卻水→大氣，冷卻塔消耗大量循環(huán)水以及電能（泵）運(yùn)行，造成三重浪費(fèi)

　　（二）能耗與效數(shù)關(guān)系(蒸發(fā)量為1 t H2O為例)

　3MVR的工作原理

　　（1）MVR的作用

　　MVR（Mechanical Vapor Re-compression）-機(jī)械蒸汽再壓縮，是指將蒸發(fā)(蒸餾等)過程的二次蒸汽(溫度低、壓力低而無法利用)用壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，提高其溫度、壓力，重新作為熱源加熱需要被蒸發(fā)的物料，從而達(dá)到循環(huán)利用蒸汽的目的，使蒸發(fā)過程不需要外加蒸汽；即用少量的電能獲得較多的熱能，從而減少系統(tǒng)對(duì)外界能源的需求的一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù)。

　　MVR的作用：提高蒸汽的品位，而不創(chuàng)造能量

　　（2）MVR 熱泵特性與分析

　　MVR 熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的開式循環(huán)機(jī)理是基于回收利用物料蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽的潛熱而進(jìn)行。

　　由于在蒸發(fā)器中二次蒸汽所需的潛熱來自外排蒸汽本身冷凝所放出的潛熱，因此蒸發(fā)所耗的能量?jī)H僅是壓縮機(jī)所耗的能量。

（3）MVR 熱泵效率與分析

　　根據(jù)MVR 熱泵系統(tǒng)的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機(jī)械功之間的比較。

　　下表以常壓下基本循環(huán)的狀態(tài)變化為例，通過模擬計(jì)算表明其在能源利用效率方面的優(yōu)勢(shì)。

　　（4）MVR 熱泵計(jì)算分析

　　從上表看出，系統(tǒng)消耗90.5 kJ/kg 的壓縮功，就可以回收利用2257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達(dá)到了24. 9。工質(zhì)的熱焓僅增加0. 8%，但其溫度提高了13%，相當(dāng)于輸入少量的高品位機(jī)械能，卻把大量的低品位熱能轉(zhuǎn)化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

　　4mvr系統(tǒng)組成

　　（1）ＭＶＲ系統(tǒng)流程工藝進(jìn)展

　　MVR 熱泵裝置結(jié)合不同的處理工藝過程，需要提供適宜的傳熱溫差。蒸發(fā)過程中傳熱溫差和壓差大小一般與處理料液的熱敏性有關(guān)，高熱敏性料液適宜于小溫差條件下多梯度分階段進(jìn)行。

　　MVR 熱泵系統(tǒng)的工藝流程也設(shè)計(jì)成單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)系統(tǒng)的流程簡(jiǎn)單，操作較方便，適合于水分蒸發(fā)量大，熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發(fā)一次就可達(dá)到濃縮要求的溶液。

　　（一）MVR單效蒸發(fā)系統(tǒng)

　（二）MVR 熱泵的多效蒸發(fā)工藝

MVR 系統(tǒng)多效蒸發(fā)方式適合于處理熱敏較敏感，不宜進(jìn)行大溫差傳熱的溶液蒸發(fā)，同時(shí)其也可用于蒸發(fā)量較大的工藝場(chǎng)合。

　　（2）MVR系統(tǒng)

　　（3）MVR系統(tǒng)組成

　　蒸發(fā)器：主體設(shè)備，包含加熱器、分離器、循環(huán)泵。壓縮機(jī)系統(tǒng)：核心設(shè)備，壓縮二次蒸汽提供蒸發(fā)熱源，提高二次蒸汽的熱焓。

　　預(yù)熱器：余熱利用及提高進(jìn)料溫度

　　真空系統(tǒng)：維持整個(gè)系統(tǒng)的真空度，從裝置中抽出部分不凝氣體以及溶液帶入的氣體，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的蒸發(fā)狀態(tài)。控制系統(tǒng)：PLC或DCS系統(tǒng)。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門、流量計(jì)、溫度、壓力的控制調(diào)節(jié)，以達(dá)到自動(dòng)蒸發(fā)、清洗、停機(jī)等操作。自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)，以保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。

　　（4）MVR控制系統(tǒng)

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)：MVR蒸發(fā)系統(tǒng)控制中心（DCS或PLC控制中心），通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，閥門、流量計(jì)、溫度、壓力的控制，以達(dá)到自動(dòng)蒸發(fā)、清洗、停機(jī)等操作。自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)不受損傷，保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。

　　自動(dòng)清洗系統(tǒng)：不同的溶液蒸發(fā)一段時(shí)間后，可能會(huì)發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，一般說99%以上的結(jié)垢都是可以通過添加化學(xué)溶劑除去，一般可以使用CIP原位清洗或者拆除清洗。

　　5各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)

　　當(dāng)前應(yīng)用于降膜蒸發(fā)管程強(qiáng)化傳熱的換熱管主要有波形管、橫紋管、螺旋槽紋管、縮放管、內(nèi)插螺旋線圓管等。

　　分布分析,認(rèn)為液膜形狀主要受表面張力影響,相對(duì)于光滑圓管,豎直螺旋槽紋管的液膜厚度更均勾,傳熱傳質(zhì)性質(zhì)更好。

　　（1）波形管與螺紋槽紋管

　　光管和波紋管的平均傳熱膜分系數(shù)以及摩擦系數(shù)都隨液膜質(zhì)量流量的增大而升高,而波紋管的傳熱系數(shù)比光管要高30%左右,壓降卻低于光管。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明液膜蒸發(fā)側(cè)的傳熱系數(shù)比光管高10%左右,隨著噴淋密度的增加,傳熱膜系數(shù)提高,并且波紋管能夠更好的布膜,減少了“干斑”現(xiàn)象,能有效提高傳熱系數(shù),降低總功耗。

　　（2）扭曲橢圓管

　扭曲橢圓管換熱器特點(diǎn)：

• 　　扭曲橢圓管換熱器是種新型高效的換熱設(shè)備。

• 　　將光滑圓管通過壓扁、沿軸線扭轉(zhuǎn)后獲得扭曲橢圓管。

• 　　由于扭曲橢圓管截面形狀為橢圓形,每個(gè)扭矩的長(zhǎng)軸之間可以相互支撐，在殼程形成特有的無折流板自支撐結(jié)構(gòu),并且形成螺旋形流道,實(shí)現(xiàn)殼側(cè)流體縱向螺旋流動(dòng),降低了流動(dòng)阻力,強(qiáng)化殼側(cè)流體擾動(dòng);

• 　　管程由于壓扁與扭曲作用,同樣為流體創(chuàng)造了螺旋形流道,流體受流道導(dǎo)引旋轉(zhuǎn)流動(dòng),能有效破壞邊界層,提高傳熱膜系數(shù);

• 　　由于離心力作用,使流體能有效貼壁,應(yīng)用于管內(nèi)降膜蒸發(fā)器中能避免干壁現(xiàn)象,扭曲橢圓管管型及自支撐結(jié)構(gòu)。

　　扭曲橢圓管能夠在犧牲較小管程壓降的條件下?lián)Q取較高的傳熱效率,對(duì)換熱器強(qiáng)化具有很大的作用。

6MVR設(shè)備的核心-壓縮機(jī)的類型比較

（1）類型比較

（2）MVR系統(tǒng)中壓縮機(jī)的效率

（3）單級(jí)高速離心壓縮機(jī)

（4）單級(jí)高速壓縮機(jī)的葉輪

（5）葉輪俯視

（6）軸系

（7）葉輪與擴(kuò)壓器