机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用_刘立
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
wk.baidu.com
机。综合分析当前阶段机械蒸汽再压缩技术应用的背景和前景，提出了该技术在蒸发领域的应用中要注意的问
题，并给出了一些建议。
关键词： 机械蒸汽再压缩技术； 蒸发； 应用； 节能
中图分类号： TL 941． 12
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2014） 11-0001-05
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1005-9954． 2014． 11． 001
2 MVＲ 技术在蒸发领域的应用进展 2． 1 海水淡化领域
国外 MVＲ 技术的研究开展比较早，尤其在海 水淡化领域已经得到广泛应用［7-11］，我国在引进、消 化和海水淡化技术创新与装备制造等方面做了大量 的工作，但与国外相比，我国海水淡化规模并不大， 在研究水平、创新能力及系统设计等方面仍有较大 差距。目前海水淡化技术主要有反渗透法和蒸馏 法。蒸馏法主要包括多级闪蒸、低温多效蒸馏和压 汽蒸馏技术［12-13］。对于压汽蒸馏技术，曲 源、田 晓 亮［14］提出了带有热泵循环的节能海水淡化系统，通 过对多级闪蒸、低温压汽蒸馏、MVＲ 热泵循环这 3
我国制盐技术以多效蒸发为主，国外尤其是欧洲 比较流行 MVＲ 制盐技术。选择 MVＲ 制盐工艺，可以 很好地解决现有制盐生产因为能源涨价所造成的成本 大幅度升高问题，是制盐企业减少能源消耗，提高产品 质量，降低生产成本，提高经济效益的最佳选择［18-20］。
MVＲ 制盐系统主要包括蒸发系统、二次蒸汽洗 涤系统、蒸汽压缩系统、压缩蒸汽过热度消除系统、进 罐卤水预热系统、离心脱水干燥系统、冷凝水系统、生 蒸汽系统、其他系统。技术参数主要有热平衡、压缩 比、有效温差。常志勇［17］主要针对 MVＲ 技术在钙型 卤水中的应用展开研究，对生产规模为 1 200 kt / a 的 制盐企业从工艺流程、投资、物耗和产品质量等方面 展开分析，并将 MVＲ 蒸发与五效蒸发（ ME） 进行对 比，其中 MVＲ 蒸发制盐工艺流程见图 3［18］。
摘要： 文章主要介绍了最近几年国内外机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用进展，重点阐述了在海水淡化、制
盐、废水处理（ 硝酸铵废水、氯化铵废水、硫酸铵废水、油田污水等） 、全卤制碱等领域的应用，进行了相关的能耗分
析，并在此基础上分析了水蒸汽压缩机的研究现状，主要分析了目前应用最为广泛的罗茨式和离心式水蒸汽压缩
根据油田用水消耗大、污水温度高的特点，李清 方等［26］提出了用 MVＲ 技术来对油田污水进行脱盐 处理的技术方案，研究发现，压缩机压缩比是影响功 耗的主因，随 传 热 温 差 增 大，总 比 传 热 面 积 线 性 减 小，压缩机比电耗线性增加，因此对传热温差需要优 化。此方法具有设备紧凑，不需要外部热源及冷却 水，规模相 对 灵 活 的 特 点。 许 克 等［27］ 对 含 有 氨 氮、 COD、氯离子等污染物的铜蚀刻废液进行了研究，废 水经过预处理之后进入 MVＲ 蒸发系统，生产氯化 铵产品，蒸馏水经过离子交换树脂处理可达到出水 标准。
许多生产领域会产生含有大量的无机盐的废 水，如氯化钠、硫酸钠、碳酸钠等，这些无机盐一直是 废水处理中的难题之一，如果对废水中的无机盐加 以回收，这些无机盐既可以作为生产过程的原料、节 约成本、避免资源的浪费，又可以避免环境污染，实 现资源的循 环 使 用。 余 海 晨 等［22］ 针 对 工 厂 的 高 浓 度硝酸铵废水，采取物化过滤、MVＲ 蒸发浓缩、膜提 纯等工艺技术对其进行回收利用，最后产生的浓缩 液可作生产化肥，产出的淡水又可作为工厂的生产 用 水，该 技 术 具 有 良 好 的 经 济 效 益 和 环 境 效益［22-23］。
图 3 MVＲ 蒸发制盐工艺流程框图 Fig． 3 Flow of MVＲ evaporation process in producing salt
黄成［19］则主要从 MVＲ 制盐工艺的原理出发， 对相关参数进行了分析，进汽压力高，对提高压缩效
刘 立等 机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用
·3·
A-产品； B-蒸汽； B1-残余蒸汽； C-浓缩液； D-电能； E-加热蒸汽冷凝水； V-热损失
图 2 机械蒸汽再压缩式热泵蒸发热流图 Fig． 2 Heat flow diagram of MVＲ heat pump evaporation
MVＲ 蒸发技术具有如下优点［6］： （ 1） 耗用少量新鲜蒸汽，运行费用低； （ 2） 公用工程配套少，占地空间小； （ 3） 启动容易，操作简单，运行稳定； （ 4） 构造简单，操作成本低，蒸发温和。 国内 MVＲ 技术已进入快速发展时期，在诸多 生产领域已经有了发展，并且已经有部分企业的压 缩机技术突飞猛进，尤其在离心式和罗茨式这 2 种 水蒸气压缩机上摆脱了完全依赖进口的限制，但仍 需要一个长期开发和性能完善的过程。
第 42 卷 第 11 期 2014 年 11 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEEＲING（ CHINA）
Vol． 42 No． 11 Nov． 2014
机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用
刘 立1 ，张继军2，3 ，刘 燕1，2 ，张少峰1，2
（ 河北工业大学 1． 化工学院； 2． 海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津 300130； 3． 石家庄工大化工设备有限公司 河北省蒸发结晶及干燥工程技术研究中心，河北 石家庄 050031）
Application of mechanical vapor recompression technology in evaporation
LIU Li1 ，ZHANG Ji-jun2，3 ，LIU Yan1，2 ，ZHANG Shao-feng1，2 （ 1． School of Chemical Engineering and Technology； 2． Engineering Ｒesearch Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China； 3． Evaporation Crystallization and Drying Engineering Technology Ｒesearch Center of Hebei Province，Shijiazhuang University
Chemical Equipment Co．，Ltd．，Shijiazhuang 050031，Hebei Province，China） Abstract： Mainly introducing the application progress of the mechanical vapor recompression （ MVＲ） evaporation technology both in China and abroad，especially in the field of seawater desalination，production of salt，treatment of wastewater （ ammonium nitrate，ammonia chloride，ammonium sulfate，oilfield sewage，etc． ） ，alkali with whole marinating and other fields of application． And the relevant energy consumption analysis was carried out． On that basis，the research status of vapor compressor was introduced and analyzed，particularly Ｒoots blower compressor and centrifuge fan compressor． According to the background and foreground of mechanical vapor recompression technology in the field of evaporation，the problems and suggestions in the application of evaporation were discussed． Key words： mechanical vapor recompression technology； evaporation； application； energy-saving
领域的科研与教学工作，E-mail： zhangjj2888@ sohu． com。
·2·
化学工程 2014 年第 42 卷第 11 期
该种技术可以说是一种经济的能量集成技术， 减少了一次能源的浪费和大量的冷却、加热需求对 环境造成的负面影响。对于没有生蒸汽的场所同样 适用，可以使用电能产生二次蒸汽，系统输入少量外 功，便 可 有 效 利 用 低 压 水 蒸 汽 的 大 量 热 能［2-4］。 MVＲ 蒸发热流图如图 2 所示［5］。
1 MVＲ 技术简介 典型的 MVＲ 蒸发流程如图 1 所示［2］。
图 1 机械蒸汽再压缩式热泵蒸发流程图 Fig． 1 Flow sheet of MVＲ heat pump evaporation
收稿日期： 2014-03-27 作者简介： 刘立（ 1987—） ，男，硕士研究生，从事化工过程强化与优化方向的研究； 张继军，通信联系人，教授级高级工程师，从事化学工程
不同类型 的 废 水 处 理 过 程 不 同。 方 健 才［24］ 对 碱式氯化铜生产过程中产生的高浓度含氯化铵废水 的蒸发过程进行了相关研究，将多效蒸发改成 MVＲ 蒸 发，对 比 三 效 蒸 发 结 晶 器，企 业 每 年 可 节 省 69． 45% 的标准煤，运行节省 69% 的费用。
根据机械压缩式热泵以及升膜蒸发原理，黄理 浩等［25］ 针 对 含 NaOH 的 废 水，设 计 了 一 套 高 效 MVＲ 热泵蒸发碱回收系统，该系统不仅回收了水及 NaOH 溶液，与传统系统相比，能源利用率高，能效 比大，更环保，正常运行 1 年即可回收成本。
率有利，但是设备制造及材质要求也相应提高； 压缩 比越大，压缩机效率越低。韩东等［21］以硫酸铵溶液 为原料，研究了一套 MVＲ 蒸发结晶系统，将质量分 数为 20% 的硫酸铵蒸发到 45% ，实验表明，MVＲ 蒸 发系统比三效蒸发器和四效蒸发器依次可以节省 61． 13% 和 53． 48% 的标准煤。 2． 3 废水处理领域
种海水淡化系统进行能耗估算，结果显示利用 MVＲ 热泵循环的海水淡化系统最为节能。大规模海水淡 化装置的吨水能耗约为 8—12 kW / h［15］。
Faisal A1-Juwayhel 等［16］通过比较蒸汽热力压 缩、机械蒸汽再压缩、吸收蒸汽压缩和吸附蒸汽压缩 这 4 种不同类型的单效蒸发海水淡化系统，得出机 械蒸汽再压 缩 蒸 发 系 统 最 具 优 势。 焦 东 升［17］ 从 热 力学第二定律入手，对 MVＲ 海水淡化系统进行 分析，通过对蒸发冷凝器、压缩机、水泵和预热器的 分析，得 到 4 个 设 备 的 损 失 分 别 为： 34． 6% ， 35． 5% ，16． 9% ，10． 2% ，蒸发冷凝器的 损失主要 是由于温差换热造成，而压缩机压缩比又是影响温 差的重要参数，压缩比小，温差低， 效率高。因此 MVＲ 系统应选高性能低压缩比的压缩机。 2． 2 制盐领域
近年来，随着蒸汽价格飞速上涨，蒸发过程的能 耗使得广大企业成本负担急剧增大，同时，节能环保 和减排工作已成为全社会参与的国事大事，因此，寻 找一种高效节能的蒸发浓缩技术显得非常迫切。在 此趋势下，机 械 蒸 汽 再 压 缩 技 术 得 以 迅 速 发 展［1］。 机械蒸汽 再 压 缩 技 术 属 于 热 泵 技 术 的 一 种，简 称 MVＲ 或者 MVC。
机。综合分析当前阶段机械蒸汽再压缩技术应用的背景和前景，提出了该技术在蒸发领域的应用中要注意的问
题，并给出了一些建议。
关键词： 机械蒸汽再压缩技术； 蒸发； 应用； 节能
中图分类号： TL 941． 12
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2014） 11-0001-05
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1005-9954． 2014． 11． 001
2 MVＲ 技术在蒸发领域的应用进展 2． 1 海水淡化领域
国外 MVＲ 技术的研究开展比较早，尤其在海 水淡化领域已经得到广泛应用［7-11］，我国在引进、消 化和海水淡化技术创新与装备制造等方面做了大量 的工作，但与国外相比，我国海水淡化规模并不大， 在研究水平、创新能力及系统设计等方面仍有较大 差距。目前海水淡化技术主要有反渗透法和蒸馏 法。蒸馏法主要包括多级闪蒸、低温多效蒸馏和压 汽蒸馏技术［12-13］。对于压汽蒸馏技术，曲 源、田 晓 亮［14］提出了带有热泵循环的节能海水淡化系统，通 过对多级闪蒸、低温压汽蒸馏、MVＲ 热泵循环这 3
我国制盐技术以多效蒸发为主，国外尤其是欧洲 比较流行 MVＲ 制盐技术。选择 MVＲ 制盐工艺，可以 很好地解决现有制盐生产因为能源涨价所造成的成本 大幅度升高问题，是制盐企业减少能源消耗，提高产品 质量，降低生产成本，提高经济效益的最佳选择［18-20］。
MVＲ 制盐系统主要包括蒸发系统、二次蒸汽洗 涤系统、蒸汽压缩系统、压缩蒸汽过热度消除系统、进 罐卤水预热系统、离心脱水干燥系统、冷凝水系统、生 蒸汽系统、其他系统。技术参数主要有热平衡、压缩 比、有效温差。常志勇［17］主要针对 MVＲ 技术在钙型 卤水中的应用展开研究，对生产规模为 1 200 kt / a 的 制盐企业从工艺流程、投资、物耗和产品质量等方面 展开分析，并将 MVＲ 蒸发与五效蒸发（ ME） 进行对 比，其中 MVＲ 蒸发制盐工艺流程见图 3［18］。
摘要： 文章主要介绍了最近几年国内外机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用进展，重点阐述了在海水淡化、制
盐、废水处理（ 硝酸铵废水、氯化铵废水、硫酸铵废水、油田污水等） 、全卤制碱等领域的应用，进行了相关的能耗分
析，并在此基础上分析了水蒸汽压缩机的研究现状，主要分析了目前应用最为广泛的罗茨式和离心式水蒸汽压缩
根据油田用水消耗大、污水温度高的特点，李清 方等［26］提出了用 MVＲ 技术来对油田污水进行脱盐 处理的技术方案，研究发现，压缩机压缩比是影响功 耗的主因，随 传 热 温 差 增 大，总 比 传 热 面 积 线 性 减 小，压缩机比电耗线性增加，因此对传热温差需要优 化。此方法具有设备紧凑，不需要外部热源及冷却 水，规模相 对 灵 活 的 特 点。 许 克 等［27］ 对 含 有 氨 氮、 COD、氯离子等污染物的铜蚀刻废液进行了研究，废 水经过预处理之后进入 MVＲ 蒸发系统，生产氯化 铵产品，蒸馏水经过离子交换树脂处理可达到出水 标准。
许多生产领域会产生含有大量的无机盐的废 水，如氯化钠、硫酸钠、碳酸钠等，这些无机盐一直是 废水处理中的难题之一，如果对废水中的无机盐加 以回收，这些无机盐既可以作为生产过程的原料、节 约成本、避免资源的浪费，又可以避免环境污染，实 现资源的循 环 使 用。 余 海 晨 等［22］ 针 对 工 厂 的 高 浓 度硝酸铵废水，采取物化过滤、MVＲ 蒸发浓缩、膜提 纯等工艺技术对其进行回收利用，最后产生的浓缩 液可作生产化肥，产出的淡水又可作为工厂的生产 用 水，该 技 术 具 有 良 好 的 经 济 效 益 和 环 境 效益［22-23］。
图 3 MVＲ 蒸发制盐工艺流程框图 Fig． 3 Flow of MVＲ evaporation process in producing salt
黄成［19］则主要从 MVＲ 制盐工艺的原理出发， 对相关参数进行了分析，进汽压力高，对提高压缩效
刘 立等 机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用
·3·
A-产品； B-蒸汽； B1-残余蒸汽； C-浓缩液； D-电能； E-加热蒸汽冷凝水； V-热损失
图 2 机械蒸汽再压缩式热泵蒸发热流图 Fig． 2 Heat flow diagram of MVＲ heat pump evaporation
MVＲ 蒸发技术具有如下优点［6］： （ 1） 耗用少量新鲜蒸汽，运行费用低； （ 2） 公用工程配套少，占地空间小； （ 3） 启动容易，操作简单，运行稳定； （ 4） 构造简单，操作成本低，蒸发温和。 国内 MVＲ 技术已进入快速发展时期，在诸多 生产领域已经有了发展，并且已经有部分企业的压 缩机技术突飞猛进，尤其在离心式和罗茨式这 2 种 水蒸气压缩机上摆脱了完全依赖进口的限制，但仍 需要一个长期开发和性能完善的过程。
第 42 卷 第 11 期 2014 年 11 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEEＲING（ CHINA）
Vol． 42 No． 11 Nov． 2014
机械蒸汽再压缩技术在蒸发领域的应用
刘 立1 ，张继军2，3 ，刘 燕1，2 ，张少峰1，2
（ 河北工业大学 1． 化工学院； 2． 海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津 300130； 3． 石家庄工大化工设备有限公司 河北省蒸发结晶及干燥工程技术研究中心，河北 石家庄 050031）
Application of mechanical vapor recompression technology in evaporation
LIU Li1 ，ZHANG Ji-jun2，3 ，LIU Yan1，2 ，ZHANG Shao-feng1，2 （ 1． School of Chemical Engineering and Technology； 2． Engineering Ｒesearch Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China； 3． Evaporation Crystallization and Drying Engineering Technology Ｒesearch Center of Hebei Province，Shijiazhuang University
Chemical Equipment Co．，Ltd．，Shijiazhuang 050031，Hebei Province，China） Abstract： Mainly introducing the application progress of the mechanical vapor recompression （ MVＲ） evaporation technology both in China and abroad，especially in the field of seawater desalination，production of salt，treatment of wastewater （ ammonium nitrate，ammonia chloride，ammonium sulfate，oilfield sewage，etc． ） ，alkali with whole marinating and other fields of application． And the relevant energy consumption analysis was carried out． On that basis，the research status of vapor compressor was introduced and analyzed，particularly Ｒoots blower compressor and centrifuge fan compressor． According to the background and foreground of mechanical vapor recompression technology in the field of evaporation，the problems and suggestions in the application of evaporation were discussed． Key words： mechanical vapor recompression technology； evaporation； application； energy-saving
领域的科研与教学工作，E-mail： zhangjj2888@ sohu． com。
·2·
化学工程 2014 年第 42 卷第 11 期
该种技术可以说是一种经济的能量集成技术， 减少了一次能源的浪费和大量的冷却、加热需求对 环境造成的负面影响。对于没有生蒸汽的场所同样 适用，可以使用电能产生二次蒸汽，系统输入少量外 功，便 可 有 效 利 用 低 压 水 蒸 汽 的 大 量 热 能［2-4］。 MVＲ 蒸发热流图如图 2 所示［5］。
1 MVＲ 技术简介 典型的 MVＲ 蒸发流程如图 1 所示［2］。
图 1 机械蒸汽再压缩式热泵蒸发流程图 Fig． 1 Flow sheet of MVＲ heat pump evaporation
收稿日期： 2014-03-27 作者简介： 刘立（ 1987—） ，男，硕士研究生，从事化工过程强化与优化方向的研究； 张继军，通信联系人，教授级高级工程师，从事化学工程
不同类型 的 废 水 处 理 过 程 不 同。 方 健 才［24］ 对 碱式氯化铜生产过程中产生的高浓度含氯化铵废水 的蒸发过程进行了相关研究，将多效蒸发改成 MVＲ 蒸 发，对 比 三 效 蒸 发 结 晶 器，企 业 每 年 可 节 省 69． 45% 的标准煤，运行节省 69% 的费用。
根据机械压缩式热泵以及升膜蒸发原理，黄理 浩等［25］ 针 对 含 NaOH 的 废 水，设 计 了 一 套 高 效 MVＲ 热泵蒸发碱回收系统，该系统不仅回收了水及 NaOH 溶液，与传统系统相比，能源利用率高，能效 比大，更环保，正常运行 1 年即可回收成本。
率有利，但是设备制造及材质要求也相应提高； 压缩 比越大，压缩机效率越低。韩东等［21］以硫酸铵溶液 为原料，研究了一套 MVＲ 蒸发结晶系统，将质量分 数为 20% 的硫酸铵蒸发到 45% ，实验表明，MVＲ 蒸 发系统比三效蒸发器和四效蒸发器依次可以节省 61． 13% 和 53． 48% 的标准煤。 2． 3 废水处理领域
种海水淡化系统进行能耗估算，结果显示利用 MVＲ 热泵循环的海水淡化系统最为节能。大规模海水淡 化装置的吨水能耗约为 8—12 kW / h［15］。
Faisal A1-Juwayhel 等［16］通过比较蒸汽热力压 缩、机械蒸汽再压缩、吸收蒸汽压缩和吸附蒸汽压缩 这 4 种不同类型的单效蒸发海水淡化系统，得出机 械蒸汽再压 缩 蒸 发 系 统 最 具 优 势。 焦 东 升［17］ 从 热 力学第二定律入手，对 MVＲ 海水淡化系统进行 分析，通过对蒸发冷凝器、压缩机、水泵和预热器的 分析，得 到 4 个 设 备 的 损 失 分 别 为： 34． 6% ， 35． 5% ，16． 9% ，10． 2% ，蒸发冷凝器的 损失主要 是由于温差换热造成，而压缩机压缩比又是影响温 差的重要参数，压缩比小，温差低， 效率高。因此 MVＲ 系统应选高性能低压缩比的压缩机。 2． 2 制盐领域
近年来，随着蒸汽价格飞速上涨，蒸发过程的能 耗使得广大企业成本负担急剧增大，同时，节能环保 和减排工作已成为全社会参与的国事大事，因此，寻 找一种高效节能的蒸发浓缩技术显得非常迫切。在 此趋势下，机 械 蒸 汽 再 压 缩 技 术 得 以 迅 速 发 展［1］。 机械蒸汽 再 压 缩 技 术 属 于 热 泵 技 术 的 一 种，简 称 MVＲ 或者 MVC。