三效MVR与三效蒸发技术的能耗对比分析

(内蒙古科技大学 化学与化工学院，内蒙古 包头 014000)

蒸发浓缩是一种基本的化工单元操作，广泛应用于化工、轻工、医药、冶金、食品加工、海水淡化、污水处理、原子能等领域中。蒸发浓缩操作主要通过使用源源不绝的生蒸汽作为热源，关于低浓度、处理量大的物料，生蒸汽的消耗所带来的能耗是相当可观的，节能成为目前摆脱能源短缺束缚的重要途径之一[1]，合理使用能源,提高能源利用率是蒸发过程中必须重视的问题[2]。对于一些需要购买蒸汽的企业，随着市场蒸汽价格的不断上涨，蒸汽运行的成本也越来越高，企业的负担明显增大。因此如何减少装置蒸汽的运行成本、使能耗降低，以此来达到节约能源的目的，是目前蒸发浓缩工艺亟待解决的问题。

目前，大多企业广泛使用多效蒸发技术，利用前一效蒸发产生的二次蒸汽作为后一效蒸发器的热量来源。理论上多效蒸发的效数越多，所节省的生蒸汽越多，但随着蒸发器效数的增多,设备投资费和基建费也相应地增加。因此很多企业一般做到三效或者四效。但多效蒸发末效产生的蒸汽还存有很大的潜热利用价值，直接进入冷凝器无疑造成了巨大的能量浪费，如果这些蒸汽进入压缩机进行压缩后，使得二次蒸汽的温度、压力、热焓值得到大幅度的提升，得到的高品位的二次蒸汽可以重新进入第一效蒸发器内替代新鲜蒸汽进行换热，于是除了启动该系统时，需要通入一点蒸汽外，只要产生二次蒸汽，就可关闭新鲜蒸汽的加入，这样就充分利用了二次蒸汽的潜热，从而达到节能的目的。

1 传统三效蒸发技术

多效蒸发是应用最早的淡化方法，20世纪60年代末发展了低温多效蒸发海水淡化技术[3]。最大的低温多效淡化装置位于以色列的ASHDOD电厂，制水规模11.9万m3/d，单机日产淡水1.7万m3/d[4-5]。多效蒸发的多个蒸发器中只有第一效使用生蒸汽，因此生蒸汽的使用量大为减少。若忽略热损失而沸点进料，单效蒸发的单位蒸汽消耗量e约为1，n效蒸发的e约为1/n。多效蒸发由于其具有换热性能好、动力消耗少、操作弹性大等优势，在海水淡化技术中占重要地位[6-7]。

Kamali[8-9]等针对多效蒸发系统建立了质量和能量平衡方程，编制了计算程序进行求解。研究了系统效数、加热蒸汽温度、浓缩比等参数对系统造水比的影响。研究结果表明：多效蒸发海水淡化系统造水比随系统效数的增加而提高、随加热蒸汽温度的提高而降低、随系统浓缩比的增加而提高。

李清方[10-11]等针对油田污水成分复杂、不适合膜法脱盐的特点，提出了用多效蒸发技术对油田污水进行集中脱盐的技术方案。建立了油田污水多效蒸发系统工艺流程的计算模型，分析了蒸发温度、效数等主要运行参数对系统性能的影响。

传统的三效并流降膜蒸发工艺如图1所示其工作原理是，预热后的原料液经原料泵被输送到第一效蒸发器的顶部进料室，通过布液器进入列管内，与管外的生蒸汽进行热量交换，原料液以降膜形式蒸发。蒸发产生的浓缩液和二次蒸汽进入分离器内进行分离，分离出来的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，而分离后的浓缩液经泵打入到第二效蒸发器内进一步浓缩。第二效分离出来的二次蒸汽进入第三效的加热室作为加热蒸汽，产生的浓缩液经泵打入到第三效蒸发器内继续浓缩到规定的浓度后通过出料泵排出，第三效产生的二次蒸汽则全部送进冷凝器内进行冷凝。

多效蒸发是运用前一效产生的二次蒸汽作为后一效的热量来源，虽然在一定程度上节省了生蒸汽，但是第一效依然需要提供源源不绝地生蒸汽，并且从末效出来的二次蒸汽还需要用冷凝水进行冷凝。这样不仅需要担负冷凝水的费用还浪费了大量的蒸汽潜热。

2 三效MVR蒸发技术

目前对MVR系统工业运行的报道比较少，大多数还是仅仅停留在实验室运行阶段。

Narmine H A等[12]对埃及原子能管理局传热实验室产能为5t/d的单级MVR脱盐系统进行了研究。实验结果表明为保证水平管外较好的形成薄膜，浓海水的循环量为进料量的15～20倍；蒸汽过热度在15～20℃范围内；生产率随着操作温度的升高而增大。

周桂英[13]等对单级MVR处理麻黄素废液进行了实验研究，结果指出采用该技术获得的出水满足生产回用要求；系统节能效果显著。

武江津[14]等采用单级MVR系统对高浓度洗毛废水处理进行了实验研究， 结果表明该技术处理洗毛废水效果良好。

综上可知，已有一些对MVR实验研究的报道，这些研究大多是针对单效 MVR系统在实验室条件下的研究。 然而对于多效MVR蒸发技术实验研究还少有报道。而以实际工业运行为背景的研究无论是处理何种物料更是鲜有报道。因此，对多效MVR技术开展具有工业运行背景的研究，从实际运行上分析和把握系统的运行特征及规律，积累实际应用经验，是促使该技术工程化发展亟须进行的工作。

三效MVR蒸发技术的工艺流程如图2所示。将末效蒸发器分离出来的二次蒸汽经压缩机压缩，其温度、压力升高，热焓增大，然后进入一效蒸发器加热室冷凝并释放出潜热，受热侧的料液得到热量后沸腾汽化产生二次蒸汽依次进入后一效蒸发器作为热源，第三效蒸发器产生的二次蒸汽经分离后再进入压缩机，周而复始重复上述过程，蒸发器蒸发的二次蒸汽源源不断地经过压缩机压缩，提高热焓，返回到一效蒸发器作为蒸发的热源，这样既省去了二次蒸汽冷却水系统，节约了大量的冷却水，还可以充分回收利用二次蒸汽的热能，省掉生蒸汽，达到节能的目的。

3 能耗对比分析

用1 t/h氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象，对使用三效MVR蒸发和传统多效蒸发技术的工艺流程进行能耗对比分析。

工艺条件：进料量F=1 t/h，料液初始浓度x0=3.8%，完成液浓度为x3=18%，蒸发温度为T1=99.6℃，加热蒸汽温度为T2=104.5℃，末效蒸汽出口温度为T3=85.6℃。因此压缩机温升应该达到△t=T1-T3=104.5-85.6=18.9℃，目前压缩机能达到的最大温升范围为15～25℃。因此三效MVR工艺完全可行。

3.1 加热蒸汽消耗量

多效蒸发主要是第一效耗费加热蒸汽，依据物料衡算

各效的热量衡算式为

考虑到各种温度差损失和蒸发器的热损失等，查阅资料书及文献[15]取上述数值后，代入热量衡算式计算可得多效蒸发加热蒸汽的消耗量为284.289 kg/h。一般工业蒸汽的价格为240元/t，全年工作时间按照7 200 h来计算，因此多效蒸发每年的蒸汽费用为

284.289×7 200×0.24=491 251.4元

对于三效MVR蒸发，理论上，设备启动后正常运行时，不再需要外来蒸汽的供给，只需要压缩机耗费一定的电能即可。

在本例中，根据已知条件，通过设计计算，压缩机的理论功率为

式中Wth——压缩机理论功率/kW；

T1——进气温度/℃；

P1——压缩机进气压强/kPa；

P2——压缩机出口气体压强/kPa；

Rg——水蒸气气体常数/J·(kg·℃)-1，取值461 J/(kg·℃)；

n——多变系数，通常n=1.2～1.3。

由于压缩机压缩二次蒸汽属于多变过程，压缩机多变效率和机械效率均取90%，因此在实际运行过程中，压缩机所消耗的总功率按下式计算

式中WT——压缩机实际功率/kW；

ηe——机械效率/[%]；

ηm——多变效率/[%]。

压缩机实际功率为

工业电价为0.7元/kW·h，全年工作时间按照7 200 h来计算，则三效MVR蒸发系统每年所消耗的电费为

36.221×7 200×0.7=182 553.8元

因此根据上述数据，三效MVR较传统多效蒸发，每年可以节省308 697.6元。

3.2 冷凝水消耗量

冷凝水的温度为tw=25℃，排出温度tk=30℃，冷凝压力p=60 kPa,冷凝蒸汽量W3=246.192 kg/h

式中G——冷凝水流量/kg·h-1；

h——进入冷凝器二次蒸汽的焓/J·kg-1；

W——进入冷凝器的流量/kg·h-1；

CPW——水的比热容/J·(kg·℃)-1,取值4.187×103J/(kg·℃)；

tw——冷凝水的初始温度/℃；

tk——水冷凝液混合物的排出温度/℃。

冷凝水的流量

=29 711.088 kg/h

因此三效蒸发的冷凝水流量为29.71 t/h。冷凝水的处理费用为0.4元/t，因此三效蒸发每年所使用的冷凝水费用为

29.71×0.4×7 200=85 564.8元

对于三效MVR蒸发系统来说，不仅末效产生的二次蒸汽可以升温升压后重新回到第一效作为热源，而且加热蒸汽的冷凝水又作为预热原料的热源，整个系统充分的回收利用了二次蒸汽的潜热，因此省掉了冷凝水系统。所以三效MVR 比起传统的多效蒸发，每年还可以节省85 564.8元的冷凝水费用。

3.3 综合节能对比

为了便于相互对比和在总量上进行研究，将三效MVR蒸发系统和多效蒸发系统各自耗费的能量转化为标准煤消耗量来进行比对，可以将三效MVR蒸发系统的节能效果直观地体现出来。按照1 kWh电的等价热量为0.4 kg的标准煤，1 kg饱和蒸汽的等价热量为0.14 kg的标准煤进行计算，使用三效MVR每年所耗费电的等价热量为104.316 t标准煤。采用三效蒸发每年所消耗蒸汽的等价热量为286.563 t标准煤。对比以上数据可以得出，相比于多效蒸发来说，使用三效MVR蒸发系统每年可以节省63.6%的标准煤。

4 结论

三效MVR蒸发系统既节省了加热蒸汽的用量，同时又不需要用冷却水冷凝末效的蒸汽，从而节省了冷却水的费用，可以说是节能显著的一种工艺流程。本文通过1 t/h氯化钠溶液的蒸发浓缩作为研究对象，分析了三效MVR蒸发技术和传统多效蒸发技术的能耗问题，对比结果显示，使用三效MVR蒸发技术比传统的多效蒸发技术每年可节省308 697.6元的加热蒸汽费用及85 564.8元的蒸汽冷凝水费用，相当于节省了63.6%的标准煤。说明三效MVR蒸发节能效果明显，运行成本低，充分利用了二次蒸汽的潜热，设备一经启动，则不再需要新鲜蒸汽，只是需要一部分电能，使能耗大大降低。为三效MVR蒸发技术的推行使用提供了基础。