30年行業(yè)老工程師為您介紹 MVR蒸發(fā)工藝及在蒸發(fā)結(jié)晶中的應(yīng)用

今天從降膜蒸發(fā)工藝、典型的蒸發(fā)結(jié)晶分離工藝、MVR技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面，詳細(xì)帶您進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶的世界，不多說，上干貨。

降膜蒸發(fā)工藝簡(jiǎn)介

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)

（1）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。

（2）優(yōu)點(diǎn)（多級(jí)閃蒸比較）

• 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?？偟膩碚f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。

（3）多效蒸發(fā)的工藝流程分類

多效蒸發(fā)的工藝流程主要有三種，順流、逆流和平流。

a.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。

b.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。

c.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。

2.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)。

3. 3種主要組成多效蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器

（1）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。

（2）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)。

（3）橫管薄膜式（HTE）

該種蒸發(fā)器是循環(huán)料液通過噴淋裝置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，裝置緊湊，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。

MVR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

（1）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)。

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

2.MVR的工作原理

（1）MVR的作用

MVR—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)。

（2）MVR 熱泵特性與分析

MVR 熱泵流程圖

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)。

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。

（3）MVR系統(tǒng)流程工藝進(jìn)展

MVR單效蒸發(fā)系統(tǒng)

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。

（4）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。 

3.MVR系統(tǒng)

（1）核心流程及組成

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。

（2）MVR的優(yōu)勢(shì)

（3）降膜蒸發(fā)器注意事項(xiàng)

• 降膜蒸發(fā)器換熱管內(nèi)的成膜均勻程度和成膜厚度是降膜蒸發(fā)器安全高效工作的重要保證；

  
  

• 溶液分布器的布液效果優(yōu)劣， 換熱管管壁出現(xiàn)液膜不均時(shí)產(chǎn)生的后果不僅僅是蒸發(fā)效率大大降低， 同時(shí)可能造成換熱管局部溫度過高， 出現(xiàn)“干燒” 現(xiàn)象， 長(zhǎng)期持續(xù)下去將明顯減少其使用壽命。

  
  

• 管內(nèi)液膜不均導(dǎo)致的蒸發(fā)不均問題還會(huì)在蒸發(fā)過度的管壁處析出部分溶質(zhì)， 集聚其表面后形成結(jié)垢。

  
  

• 此外， 高溫下蒸發(fā)溶液內(nèi)所含物質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)較強(qiáng)的腐蝕特性， 在工藝設(shè)計(jì)過程中需要引起注意， 可通過采取使用防腐性換熱器材料等措施來解決。

4.MVR在蒸發(fā)結(jié)晶中的應(yīng)用

（1）海水淡化領(lǐng)域

目前國(guó)內(nèi)海水淡化技術(shù)主要有反滲透法和蒸餾法。其中蒸餾法主要包括多級(jí)閃蒸、低溫多效蒸餾和壓氣蒸餾技術(shù)（VC）。由于MVR技術(shù)節(jié)能最為顯著，因此應(yīng)用較廣泛。

基本原理：

海水蒸發(fā)過程所產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)增壓，蒸汽飽和溫度相應(yīng)提高，再輸入到蒸發(fā)器管束內(nèi)，作為進(jìn)料海水蒸發(fā)的熱源，并自身冷凝為淡化水。

工藝流程：

進(jìn)料海水用極少量阻垢劑預(yù)處理后，進(jìn)入一個(gè)板式換熱器，回收自蒸發(fā)器排放出的濃鹽水和淡化水熱量。之后，與循環(huán)的濃鹽水混合，進(jìn)入到蒸發(fā)器中，噴淋到水平傳熱管束的外表面上，噴淋量剛好在管子表面形成連續(xù)的液膜，與管束內(nèi)經(jīng)壓縮機(jī)增壓的蒸汽熱交換。管內(nèi)蒸汽冷凝成淡水導(dǎo)出，管外一部分鹽水產(chǎn)生蒸發(fā)，通過汽液分離器出去夾帶的液滴之后，蒸汽進(jìn)壓縮機(jī)并導(dǎo)入傳熱管束內(nèi)，如此構(gòu)成二次蒸汽不斷的循環(huán)和潛熱交換。如上圖2-3所示。

主要優(yōu)缺點(diǎn)：

壓氣蒸餾與多效蒸餾的技術(shù)十分類似，差別在于前者使用壓縮機(jī)，后者使用蒸汽驅(qū)動(dòng)。

適用范圍：適用于僅有電能的地方，主要建造中小型裝置。

（2）制鹽領(lǐng)域

MVＲ制鹽工藝，可以很好地解決現(xiàn)有制鹽生產(chǎn)因?yàn)槟茉礉q價(jià)所造成的成本大幅度升高問題，是制鹽企業(yè)減少能源消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的最佳選擇.

工作原理：

首先采用生蒸汽加熱鹵水到沸點(diǎn)，來自蒸發(fā)器的低溫低壓二次蒸汽為壓縮機(jī)所吸入，通過壓縮機(jī)的絕熱壓縮作用，提高二次蒸汽的壓力和飽和溫度，然后送回原蒸發(fā)器的加熱室，作為加熱蒸汽使用。壓縮機(jī)在此過程中消耗一定的有用能。加熱蒸汽進(jìn)入加熱室后與鹵水換熱，蒸發(fā)出水份，即二次蒸汽。二次蒸汽為壓縮機(jī)吸入，形成循環(huán)過程。

工藝流程：

工藝流程框圖

MVR技術(shù)圖

系統(tǒng)組成：

蒸發(fā)系統(tǒng)、二次蒸汽洗滌系統(tǒng)、蒸汽壓縮系統(tǒng)、壓縮蒸汽過熱度消除系統(tǒng)、進(jìn)罐鹵水預(yù)熱系統(tǒng)、離心脫水干燥系統(tǒng)、冷凝水系統(tǒng)、生蒸汽系統(tǒng)、其它系統(tǒng)，根據(jù)物料不同，通常有鹵水處理系統(tǒng)，石膏晶種法需要有石膏系統(tǒng)。含硝鹵水需要有提硝系統(tǒng)等。

（3）廢水處理領(lǐng)域

許多生產(chǎn)領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生含有大量的無機(jī)鹽的廢水，如氯化鈉、硫酸鈉、碳酸鈉等，這些無機(jī)鹽一直是廢水處理中的難題之一，如果對(duì)廢水中的無機(jī)鹽加以回收，這些無機(jī)鹽既可以作為生產(chǎn)過程的原料、節(jié)約成本、避免資源的浪費(fèi)，又可以避免環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)使用。

蒸發(fā)原理：

蒸發(fā)原理如下圖所示

工藝流程：

通過泵將預(yù)熱器加熱、濃縮處理的制藥廢水引入MVR蒸發(fā)器中，在熱交換器中，利用蒸汽對(duì)制藥工業(yè)廢水進(jìn)行循環(huán)加熱、蒸發(fā)、濃縮等處理，得到的蒸餾水回流到預(yù)熱器中，以用于預(yù)熱原液；得到的濃縮液和蒸汽則進(jìn)入液氣分離器中，通過液氣分離器，分離出的蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)，而分離出的濃縮液則被直接回流至收集罐內(nèi)，對(duì)濃縮液進(jìn)行處理可回收其中的有用物質(zhì)。

廢水領(lǐng)域主要有：石油廢水、香料廢水、原藥廢水、化工廢水

（4）全鹵制堿領(lǐng)域

氯堿的生產(chǎn)具有能耗高、有污染的特點(diǎn)，因此，燒堿行業(yè)必須采用離子膜法制堿工藝，而要用此工藝實(shí)現(xiàn)全鹵制堿，需處理淡鹽水至接近飽和。去掉水分的方式包括膜過濾、多效蒸發(fā)、MVＲ 蒸發(fā)、淡鹽水返井4 種。

MVR蒸發(fā)工藝流程：

流程示意圖如圖中所示：

（據(jù)化工707）