30年行業(yè)老工程師為您介紹 MVR蒸發(fā)工藝及在蒸發(fā)結晶中的應用

今天從降膜蒸發(fā)工藝、典型的蒸發(fā)結晶分離工藝、MVR技術及應用領域三個方面，詳細帶您進入蒸發(fā)結晶的世界，不多說，上干貨。

降膜蒸發(fā)工藝簡介

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

蒸餾過程的實質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。

根據所用能源、設備、流程不同主要可分多效蒸發(fā)、多級閃急蒸發(fā)、蒸汽壓縮蒸發(fā)（MVR）等。

1.多效蒸發(fā)技術

（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，如此依次進行。

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

（2）優(yōu)點（多級閃蒸比較）

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

  
  

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

  
  

• 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。

特點：

• 多效的真空度依次增大，即絕對壓力依次降低；

  
  

• 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就有過熱現象，也就是發(fā)生閃蒸，產生一些蒸汽，即淡水；

  
  

• 對濃度大，黏度也大的物料而言，后幾效的傳熱系數就比較低；而且由于濃度大，沸點就高，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：容易結晶的物料，如制鹽，一經加熱蒸發(fā)，很快達到過飽和狀態(tài)，結晶析出。

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：

逆流是指進料流動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入系統(tǒng)，逐步向前面各效流動，濃度越來越高，所以料液往前面一效送入時，不僅沒有閃蒸，而且要經過一段預熱過程，才能達到沸騰。

可見和順流的優(yōu)缺點恰好相反。對于濃度高時黏度大的物料用逆流比較合適，因為最后的一次蒸發(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。這在化工生產上采用較多。

2.多效蒸發(fā)工藝及設備簡介

根據單效蒸發(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。實際上，由于溶液有沸點升高現象，管線有流動阻力損失，使溫差有損失，再加上效數多了，即使保溫很好，散熱面積大了，熱損失也增多，所以當效數增多時，熱量利用的效率也隨之有所降低。

考慮到效數增加則設備的投資增大，故實際采用效數應該有一最佳點。

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、橫管等結構。

料液在蒸發(fā)器中的流動方式有：自然對流循環(huán)和強制循環(huán)兩類。這種蒸發(fā)器出現較早、操作方便，但結垢嚴重、鹽水靜液柱高、溫差損失大，故效數不宜太多，一般在6效以下。

（2）豎管蒸發(fā)（VTE）這里是指管內降膜式蒸發(fā)器。

兩個基本優(yōu)點，一是因管內為膜狀汽化，傳熱壁兩側都有相變，故傳熱系數高。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，目前一般設計的效數為11～13效，造水比可達9～10。

結垢問題，特別是當液體分配不均或者水量不足時，在管的內壁可能形成干區(qū)，結垢的危險性增大。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，主要靠化學法防垢加上溫度、濃度的合理設計。

（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）在管內凝結。

它具有與豎管降膜式相同的優(yōu)缺點，但設備高度遠比豎管降膜式為小，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筒體中，因而熱損失小，能耗低。

由于溫度低，結垢和腐蝕都大大減輕，保證了較高的傳熱系數；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技術在蒸發(fā)結晶中的應用

1.典型的蒸發(fā)濃縮(結晶)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）運行，造成三重浪費。

（2）能耗與效數關系(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)用壓縮機進行壓縮，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)對外界能源的需求的一項高效節(jié)能技術。

（2）MVR 熱泵特性與分析

MVR 熱泵流程圖

根據 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， 通過模擬計算表明其在能源利用效率方面的優(yōu)勢。

MVR 熱泵計算分析

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，熱功比達到了24.9。工質的熱焓僅增加0.8%，但其溫度提高了 13%， 相當于輸入少量的高品位機械能， 卻把大量的低品位熱能轉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)流程工藝進展

MVR單效蒸發(fā)系統(tǒng)

MVR 熱泵裝置結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， 高熱敏性料液適宜于小溫差條件下多梯度分階段進行。

MVR 熱泵系統(tǒng)的工藝流程也設計成單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)系統(tǒng)的流程簡單， 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， 不宜進行大溫差傳熱的溶液蒸發(fā)，同時其也可用于蒸發(fā)量較大的工藝場合。 

3.MVR系統(tǒng)

（1）核心流程及組成

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

預熱器：余熱利用及提高進料溫度

真空系統(tǒng)：維持整個系統(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)。壓縮機轉速、閥門、流量計、溫度、壓力的控制調節(jié)，以達到自動蒸發(fā)、清洗、停機等操作。自動報警，系統(tǒng)自動保護，以保持系統(tǒng)動態(tài)平衡。

（2）MVR的優(yōu)勢

（3）降膜蒸發(fā)器注意事項

• 降膜蒸發(fā)器換熱管內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， 換熱管管壁出現液膜不均時產生的后果不僅僅是蒸發(fā)效率大大降低， 同時可能造成換熱管局部溫度過高， 出現“干燒” 現象， 長期持續(xù)下去將明顯減少其使用壽命。

  
  

• 管內液膜不均導致的蒸發(fā)不均問題還會在蒸發(fā)過度的管壁處析出部分溶質， 集聚其表面后形成結垢。

  
  

• 此外， 高溫下蒸發(fā)溶液內所含物質會呈現較強的腐蝕特性， 在工藝設計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)結晶中的應用

（1）海水淡化領域

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

基本原理：

海水蒸發(fā)過程所產生的二次蒸汽，經壓縮機增壓，蒸汽飽和溫度相應提高，再輸入到蒸發(fā)器管束內，作為進料海水蒸發(fā)的熱源，并自身冷凝為淡化水。

工藝流程：

進料海水用極少量阻垢劑預處理后，進入一個板式換熱器，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，與管束內經壓縮機增壓的蒸汽熱交換。管內蒸汽冷凝成淡水導出，管外一部分鹽水產生蒸發(fā)，通過汽液分離器出去夾帶的液滴之后，蒸汽進壓縮機并導入傳熱管束內，如此構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：

壓氣蒸餾與多效蒸餾的技術十分類似，差別在于前者使用壓縮機，后者使用蒸汽驅動。

適用范圍：適用于僅有電能的地方，主要建造中小型裝置。

（2）制鹽領域

MVＲ制鹽工藝，可以很好地解決現有制鹽生產因為能源漲價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，提高產品質量，降低生產成本，提高經濟效益的最佳選擇.

工作原理：

首先采用生蒸汽加熱鹵水到沸點，來自蒸發(fā)器的低溫低壓二次蒸汽為壓縮機所吸入，通過壓縮機的絕熱壓縮作用，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。壓縮機在此過程中消耗一定的有用能。加熱蒸汽進入加熱室后與鹵水換熱，蒸發(fā)出水份，即二次蒸汽。二次蒸汽為壓縮機吸入，形成循環(huán)過程。

工藝流程：

工藝流程框圖

MVR技術圖

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)、進罐鹵水預熱系統(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）廢水處理領域

許多生產領域會產生含有大量的無機鹽的廢水，如氯化鈉、硫酸鈉、碳酸鈉等，這些無機鹽一直是廢水處理中的難題之一，如果對廢水中的無機鹽加以回收，這些無機鹽既可以作為生產過程的原料、節(jié)約成本、避免資源的浪費，又可以避免環(huán)境污染，實現資源的循環(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，利用蒸汽對制藥工業(yè)廢水進行循環(huán)加熱、蒸發(fā)、濃縮等處理，得到的蒸餾水回流到預熱器中，以用于預熱原液；得到的濃縮液和蒸汽則進入液氣分離器中，通過液氣分離器，分離出的蒸汽進入壓縮機內，而分離出的濃縮液則被直接回流至收集罐內，對濃縮液進行處理可回收其中的有用物質。

廢水領域主要有：石油廢水、香料廢水、原藥廢水、化工廢水

（4）全鹵制堿領域

氯堿的生產具有能耗高、有污染的特點，因此，燒堿行業(yè)必須采用離子膜法制堿工藝，而要用此工藝實現全鹵制堿，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：

（據化工707）