基于表面自由蒸发的MVR系统设计分析.pdf
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1、第45卷第1期2024年有色冶金设计与研究2月基于表面自由蒸发的MVR 系统设计分析彭宏道12,邓墨昌1.2,郑许浩翔1.2(1.中国瑞林工程技术股份有限公司,江西南昌3 3 0 0 3 8;(2.江西瑞林装备有限公司,江西南昌3 3 0 0 3 2)【摘要 为了减少在蒸发器内液一液传热过程中的结垢现象,提出了一种喷雾型传质、传热工艺模型,使溶液与热媒质直接表面接触,产生自由蒸发过程,特别适合于在高浓度、易结垢的溶液蒸发场合。经过工厂的中试,对系统各方面性能进行全面评估和分析,包括对系统的热效率、蒸发效果、能耗等方面,验证了工艺数学模型的正确性,系统能耗降低至54.2 5kWh/t,能效比CO
2、P为13,结垢问题得到有效解决。【关键词 表面接触;自由蒸发;机械蒸汽再压缩;结垢中图分类号:TK221;TH45Design and Experimental Analysis of Mechanical Vapour Recompression(MVR)SystemAbstract To reduce scaling in the liquid-liquid heat transfer process inside the evaporator,a spray-type mass transfer and heattransfer process model is proposed.Thi
3、s allows the solution to directly contact the heat medium surface and produce a free evaporationprocess,which is particularly suitable for evaporation of high-concentration and easily scaling solutions.After pilot-scale test of theplant,the systems overall performance was comprehensively evaluated a
4、nd analyzed,including thermal efficiency,evaporation effect,energy consumption,etc.The correctness of the mathematical model for the process was verified,and the energy consumption of thesystem was reduced to 54.25 kWh/t,with a coefficient of performance(COP)of 13,thus effectively solving the scalin
5、g problem.Keywords surface contact;free evaporation;mechanical vapor re-compression;scaling文献标志码:BBased on Surface Free EvaporationPENG Hongdaol,ENG Zhachang,ZHENC Xuhaoxiangl(1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330038,China;2.Jiangxi Nerin Equipment Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330032,
6、China)文章编号:10 0 4-43 45(2 0 2 4)0 1-0 0 2 2-0 41传统MVR工艺的优势及存在缺陷蒸发浓缩是使含有不挥发性溶质的溶液经过加热或减压,使溶剂沸腾汽化并移出蒸汽,从而使溶液中溶质浓度提高的方法。在各种浓缩方式中,蒸发浓缩凭借着高效性和易操作性,广泛应用于化工、轻工、食品、制药、海水淡化、污水处理等工业生产领域 2-4。然而,蒸发浓缩是一个能耗较高的过程,为使废热得到循环利用,余热得到回收,业内从未停止对蒸发浓缩工艺进行研发和优化。该技术先后经过单效蒸发技术、多效蒸发技术、蒸汽喷射压缩蒸发技术等几个阶段的发展,目前已经进入机械蒸汽再压缩收稿日期:2 0 2
7、 3-0 8-12作者简介:彭宏道(19 8 4一),男,高级工程师,主要从事有色金属行业装备的研发与设计工作。技术阶段。机械蒸汽再压缩技术(MechanicalVapourRecompression,以下简称“MVR技术)是通过蒸汽压缩机对蒸发浓缩过程中产生的二次蒸汽进行机械压缩 5-,提高蒸汽的压力和温度,并在蒸发器中冷凝将二次蒸汽中的潜热传递给原料液,从而减少蒸发过程对外界能量的摄人,是一项先进、节能的蒸发浓缩技术。传统的MVR能流图如图1。MVR技术的优点有:1)正常生产时,不需要消耗新蒸汽,或仅需要补充少量蒸汽;2)多为单效蒸发,结构简单,占地面积小;3)二次蒸汽的冷凝无需使用循环冷
8、却水,配套工程少;4)自动化程度高,操第1期作简单。电能-冷凝水图1MVR系统能流但是,传统的MVR技术也避免不了其他任何向污水传递热量的蒸发器中普遍存在的结垢问题。根据热量传递原理,当流体的温度低于换热器金属壁表面的温度时,能量从换热器管壁传递给流体,同时沿着金属壁厚度方向,产生相应的结垢浓度梯度。具体过程如下:热金属壁表面加热流体,形成高温污水薄层。随着蒸发的进行,此薄层浓度沿壁面法线方向逐渐减小,当达到饱和时,即会在换热器表面形成水垢。水垢形成后,换热效率会大幅度降低;由此而产生的停机清理,给设备连续运行带来影响,并产生安全隐患。为了减少在MVR蒸发器内液一液传热过程中的结垢现象,本文提
9、出一种喷雾型传质、传热工艺模型,使溶液与热媒质直接表面接触,产生自由蒸发过程,特别适合于在高浓度、易结垢的溶液蒸发场合。2表面自由蒸发的MVR工艺模型2.1表面自由蒸发的原理表面自由蒸发的原理是在应用了MVR技术的基础上,在系统中的原料液和二次蒸汽之间通过第三媒介(工艺蒸汽)将二次蒸汽中携带的潜热进行回收、存储,并在蒸发腔体内循环,原料液通过特殊的雾化结构喷人蒸发腔内,与工艺蒸汽实现表面接触传热、传质。由于整个蒸发过程发生在溶液液滴表面,热量传递过程处于自由状态,显著提升了传热和传质的效率和效果。同时,原料液蒸发过程不发生在换热器金属壁表面上,避免了其与管壁接触而产生的浓度梯度现象,从而解决了
10、传统蒸发器中容易产生的结垢问题。被蒸发溶液表面吸热后,蒸发形成水蒸气,最后在换热器中冷凝形成净水;而蒸发后余留的高浓度液滴,被蒸发器腔体内的除雾器捕捉富集在收集器中,形成浓缩液。表面自由蒸发原理见图2。基于表面自由蒸发的MVR系统设计分析残余蒸汽液滴(100)图2 液滴表面自由蒸发的过程蒸发腔体选用长方体,在腔体内均匀布置喷嘴,让原料液以10 0 m的液滴直径、40 m/s的速度喷入腔体内,经过仿真计算,蒸发分离率能够达到8 0%以上,效果较好。2.2系统蒸发的工艺模型根据上述原理,将表面自由蒸发技术应用在蒸发系统中,需要对传统MVR工艺的蒸发工艺模型进行改进。该工艺主要特点是通过机械压缩对二
11、次蒸汽进行了升温增压后,在原料液和热交换器之间增加了工艺蒸汽作为传热传质的媒介,来实现热量的回收并返回至系统中利用。其工艺过程如下:1)原料液喷人蒸发腔体内,与工艺蒸汽进行热交换,实现液滴表面自由蒸发。2)蒸发出的二次蒸汽被压缩机抽出,通过压缩使其达到高温、高压其潜热能够回收的状态。3)二次蒸汽进人热交换器,与冷侧的工艺蒸汽进行间接热交换,使汽化潜热返回至系统中。二次蒸汽释放热量并冷凝,工艺蒸汽升温变成过热蒸汽;4)过热的工艺蒸汽进入蒸发腔体内,与原料液直接表面接触进行传质传热。改进后的系统蒸发工艺模型见图3。热交换器净水图3 系统蒸发的工艺模型2.3系统的质量及热能平衡模型蒸发浓缩系统运行成
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