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1、第 34 卷第 4 期现代化工Apr 2014 2014 年 4 月 Modern Chemical Industry 罗茨压缩机驱动 MV 热泵系统的 节点分析 顾承真1， 洪厚胜1， 2* ， 颜 旭1， 张志强1 ( 1 南京工业大学生物与制药工程学院， 江苏 南京 211816; 2 南京汇科生物工程设备有限公司， 江苏 南京 210009) 摘要: 通过温熵图和焓熵图结合工艺流程图对 MV 系统进行了深度剖析， 在 Aspen Plus 软件的辅助计算下， 以水为蒸发工 质， 忽略系统的一切热量损失， 对系统中的各个操作单元进行了理论上的分析， 并结合工艺要求给出了最佳的操作条件:
2、原料进 入蒸发室前需要预热到蒸发压强下的饱和温度或者处于微过热状态; 在设备条件允许的条件下， 尽量控制在较高的真空度下蒸 发; 罗茨压缩机对二次蒸汽压缩时， 压缩比控制在 2 左右最佳， 既能保证有效的传热温差， 又能拥有很高的能效比; 冷凝液可以 作为补充水源来消除压缩蒸汽的过热度， 使过热蒸汽饱和化或处于微过热状态; 蒸汽冷凝液应在饱和液体状态下引出， 然后去 预热原料和充当补充水; 真空系统的处理应由真空泵抽吸不凝性气体和少量的二次蒸汽， 为了维持 MV 系统的能量平衡， 应适 时的补充少量新鲜蒸汽。 关键词: 机械蒸汽再压缩; 二次蒸汽; 操作条件 中图分类号: TQ51文献标志码:
3、 A 文章编号: 0253 4320( 2014) 04 0125 05 Nodal analysis of mechanical vapor recompression heat pump driven by roots compressor GU Cheng- zhen1，HONG Hou- sheng1， 2*，YAN Xu1，ZHANG Zhi- qiang1 ( 1 College of Life Science and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China;
4、2 Nanjng HuiKe Bioengineering Equipment corporation，Nanjing 210009，China) Abstract:The MV system is deeply analyzed in combination with temperature- entropy diagram and enthalpy- entropy diagram With water as the working fluid and ignoring all the heat loss in the system， each operating unit of the
5、system is analyzed theoretically under the help of Aspen Plus software Combining process requirements， the optimum operating conditions are proposed The material should be in the condition of saturation temperature or in a slightly overheated state before entering into the evaporation chamber If the
6、 device conditions permitted， the evaporation should try to control under high vacuum condition The best compression ratio controlled to about 1. 8 2. 2 is used both to ensure the effective temperature difference and have a high energy efficiency when the roots compressor is on the secondary vapor c
7、ompression In addition， condensate can be used as a supplementary source to eliminate superheat pressurized steam and ensure the superheated steam to be saturated or in a slightly superheated state Condensate of saturated steam should be drawn timely and then preheat raw materials or act as a s supp
8、lementary water The non- condensable gas and a small amount of secondary steam should be removed from the system under the suction device of vacuum to ensure the MV system in a high degree of vacuum A small amount of fresh steam should be timely supplied to maintain energy balance Key words:MV;secon
9、dary vapor;operating conditions 收稿日期: 2013 11 25 基金项目: 国家高科技研究发展 ( “863” ) 重点项目( 2012AA021201) 作者简介: 顾承真( 1986 ) ， 男， 硕士生; 洪厚胜( 1964 ) ， 博士， 研究员， 研究方向为生物工程装备开发， 通讯联系人， 025 83403940， hhs njut edu cn。 在目前能源紧缺的大环境下， 国家一直倡导节 能减排、 绿色生产的科学发展方式。各种企业和工 厂都在需求一种高效节能的生产模式， 其中蒸发浓 缩阶段广泛应用于生物发酵产品浓缩、 化工废水处 理、 海水淡化
10、等行业 1 ， 蒸发工艺也一直处于不断 地探索和升级中。单从蒸汽的利用效率角度上， 蒸 发工况先后经历了单效蒸发技术、 多效蒸发技术、 蒸 汽喷射压缩蒸发技术和机械蒸汽再压缩技术2 。 其中机械蒸汽再压缩技术又称 MV( mechanical va- por recompression) 热泵技术。 MV 蒸发技术是目前世界上最节能的蒸发方 式， 该项技术最早产生于欧美等国家。近年来随着 能源价格的不断上涨以及我国实行可持续发展的要 求， MV 技术先后被列为 2007 和 2010 年国家鼓励 发展的节能环保设备3 。 构成 MV 系统的主体设备就是降膜蒸发器和 压缩机 4 。其中驱动 MV
11、 系统运行的压缩机主要 有离心压缩机和罗茨压缩机 2 种类型。虽然离心压 缩机具有流量大、 噪音小、 压缩蒸汽受污染程度小等 优点， 但由于目前国内生产离心压缩机的技术不够 521 现代化工第 34 卷第 4 期 成熟， 工业应用主要依靠国外进口， 价格昂贵; 而且 离心压缩机处在高速旋转的过程中， 叶轮对进口蒸 汽中的水滴敏感度很高， 因此对气液分离器的结构 设计要求很高。单级离心压缩机的温升一般不超过 8， 对于蒸发温度损失较大的体系， 由于换热温差 太小， 系统难以维持稳定。若采用多级压缩， 虽然温 升可以增大， 但投资费用也增加巨大。另外， 离心压 缩机固有的喘振现象对机体的损害也是巨
12、大 的 5 7 。国产罗茨压缩机的制造技术非常成熟， 成 本较低， 罗茨压缩机对入口蒸汽的水滴敏感度不高， 温度升高较大， 国内的中小型企业蒸发浓缩时蒸发 量小于 10 t/h， 因此罗茨压缩机驱动的 MV 在国内 的应用仍有现实的意义8 9 。 本文中主要是以水为蒸发体系， 建立以单效降 膜式蒸发器为蒸发主体、 罗茨压缩机驱动的 MV 系统的流程设计， 并从整个 MV 系统的节能效率 出发， 对单元操作过程的节点控制进行详细论证。 1MV 的工艺流程和热力学状态 MV 热泵系统的原理流程如图 1 所示， 蒸汽的 热力学状态变化如图 2( 温熵图) 和图 3( 焓熵图) 所 示。原料经过预热器
13、预热后状态为 A( a) ， 此时料 液处于饱和液体状态; 预热后的料液进入蒸发器的 蒸发室内吸收热量沸腾气化产生二次蒸汽， 气液混 合物经过气液分离器的分离作用， 浓缩液从出料泵 流出， 得到的二次蒸汽进入罗茨压缩机的入口处， 此 时的蒸汽是在特定蒸发压强下的饱和蒸汽， 其气体 状态参数为 B( b) ; 二次蒸汽在压缩机的作用下， 温 度升高， 压强增大， 蒸汽的热焓提高， 理想情况( 等 熵压缩) 的状态为 C( c) ， 实际蒸汽压缩过程中是不 可逆过程而且系统不是完全绝热的， 其状态参数是 具有更高过热度的状态 D( d) ， 此时的过热蒸汽先 经过饱和化处理后进入蒸发器的壳程里冷凝
14、放热得 到饱和冷凝液， 其状态为 E( e) 。冷凝液先存在暂存 罐中然后由泵引出对原料进行预热， 实现能源综合 图 1 MV 热泵工艺流程 图 2蒸汽温熵( TS) 图 图 3蒸汽焓熵( hS) 图 利用。系统在开始运行时需要向蒸发器壳程里通入 新鲜蒸汽， 一旦系统运行稳定后， 便可利用压缩蒸汽 的冷凝潜热维持系统的热量平衡， 只需要在热量损 失较多时补充少量新鲜蒸汽即可10 12 。 从温熵图可以看出， 整个 MV 的热泵系统中 处在 2 种压强和 3 个温度状态下， 压强变化是蒸汽 压缩前的蒸发压强和蒸汽压缩后的冷凝压强， 温度 变化主要是蒸发温度， 压缩后的过热温度以及压缩 饱和温度。
15、从焓熵图可知， MV 系统得以运行的实 质就是利用压缩机做少量的功来提高蒸汽的热焓， 进而利用压缩蒸汽释放大量的冷凝潜热重新加热原 料。由于气化潜热( 或者冷凝潜热) 占蒸汽的热焓 值绝大部分， 因此能够充分利用蒸汽的潜热是热泵 系统正常运行的关键 13 14 。例如 0. 1 MPa 下饱和 蒸汽的焓值 h =2 675 J/g， 而气化潜热为 2 258 J/g。 假设饱和蒸汽从 0. 1 MPa 压缩到 0. 2 MPa 时， 压缩 后饱和蒸汽焓值 h = 2 706 J/g， 冷凝潜热为 h = 2 202 J/g， 压缩机消耗的功为 w =31 J/g， 故整个系 统的能效比 cop
16、 =2 202/31。 2MV 单元节点的控制 MV 热泵系统是封闭的内循环式蒸发体系， 每个 单元结构的设计和操作控制都对整个系统的稳定性以 及最佳的节能性至关重要， 各个节点之间的参数都是 耦合在一起的， MV 技术具有最优的设计参数 15 。 为了方便从理论上阐述节点的条件变化对整个 系统的影响， 本研究做了很多假设: 以水代替物 料， 忽略蒸发时的温差损失; 蒸汽压缩过程是等熵 压缩; 不考虑系统的热量损失， 并使用 Aspen Plus 621 2014 年 4 月顾承真等: 罗茨压缩机驱动 MV 热泵系统的节点分析 模拟软件对流程中部分节点状态的变化进行分 析 16 17 。基本假
17、设条件是: 用于加热物料的初始蒸 汽的流量为 100 kg/h， 由于实际的蒸发量往往不大于 进料量的80%， 本次模拟进料量选择为150 kg/h。 2. 1原料的预热阶段 原料进入蒸发室前往往需要预热， 假设原料预热 阶段的压强为0. 1 MPa， 蒸发温度 T =60时， 不同的 进料温度对产生二次蒸汽量的影响如图4 所示。 图 4二次蒸汽与进料温度的关系 从图 4 可知， 二次蒸汽的产生量随进料温度的 升高而增大， 进料温度小于蒸发温度( T =60) 时， 二次蒸汽量也小于初始蒸汽量( w = 100 kg/h) 。因 为若原料的进料温度较低， 原料在沸腾前需要获得 一定的液体显热。
18、则压缩蒸汽与进料换热时， 会消 耗一定的热量来加热原料直至其沸腾。因此， 用于 原料气化所需的气化潜热量会偏少， 导致二次蒸汽 量逐渐偏小， 在系统没有外加蒸汽的前提下， 蒸发量 也逐渐减少。若原料是一定蒸发压强下的沸点进料 时， 则压缩蒸汽的冷凝潜热将全部用来使原料气化， 产生二次蒸汽。由于原料的气化潜热和压缩蒸汽的 冷凝潜热相差不大， 因此， 产生的二次蒸汽量维持在 较高的水平， 把系统的散热和能量损失考虑在内的 话， 也只需要定时地补充少量的新鲜蒸汽即可。当 进料温度大于蒸发温度时， 二次蒸汽量也显然大于 初始蒸汽量。因为预热后的原料温度高于蒸发温 度， 原料进入蒸发室时会因为压强的降低
19、而产生自 蒸发状态， 也就是说即使没有外部热源， 也能产生少 量的二次蒸汽。但是提高进料的温度， 相应地也就 增大了预热阶段的能量输入18 。 进料温度高低主要取决于蒸发温度， 因此， 当蒸 发温度一定时， 物料应该加热至对应蒸发压强下的 饱和温度， 若物料的热敏性不强时， 当有多余的热源 情况下也可适当将物料加热至微过热状态， 以便得 到少量的副产蒸汽供系统循环利用。 2. 2原料的蒸发阶段 蒸发温度的高低影响了整个 MV 系统压强的 高低， 也直接影响了压缩机的功耗大小和蒸发水量， 如图 5 和图 6 所示。 图 5蒸发量与蒸发温度的关系 图 6压缩机功耗与蒸发温度的关系 从图 5 和图
20、6 可知， 随着蒸发温度的提高， 蒸发 水的总量和压缩机的功耗都是增加的。因为蒸发温 度的提高， 在一定的压缩比下蒸汽的过热度越高， 消 除过热所需的雾化水也就越多， 由质量守恒可知， 得 到的蒸发水量也就越多。但是蒸发水量的增量是很 小的， 主要是由于具有一定过热蒸汽的过热焓所携 带的热量比例很小， 因此从过热蒸汽到饱和蒸汽所 需的雾化水也是少量的。蒸发温度越高， 蒸汽的比 容越小， 蒸汽继续压缩的难度越高， 在相同的压缩比 下所需要功耗也因此增大。 蒸发温度的提高对蒸发水量的影响不大， 但对 压缩机的功耗影响很显著。而且较高的蒸发温度在 一定的压缩比下得到的蒸汽过热度也很大， 对设备 和管
21、道造成不同程度的损坏， 很多工业产品都具有 一定的热敏性， 也要求蒸发温度不能太高， 较低的蒸 发温度也会减轻原料预热时的能耗负担， 故真空度 越高， 蒸发的条件也就越温和。当然也要考虑设备 制造精度的问题， 在低压条件下蒸发会增大系统的 漏气系数。因此 MV 热泵系统蒸发温度应结合具体 产品的热敏性， 尽可能控制在较低的蒸发温度 19 20 。 2. 3蒸汽压缩阶段 MV 主要的技术特点就是将产生的二次蒸汽 全部通过压缩机压缩， 使蒸汽的压力和温度提高， 获 得高品味的蒸汽， 然后重新作为加热蒸汽。因此， 压 缩阶段是整个 MV 蒸发系统的心脏。 蒸汽在压缩前后压强的比值称为压缩比 ， 压
22、721 现代化工第 34 卷第 4 期 缩后对应压强下的饱和温度与蒸发温度的差值称为 传热温差 t， 压缩蒸汽冷凝放出的热量与压缩机消 耗的能量的比值称为能效比 cop， 假设蒸发压强为 0. 06 MPa， 压缩比与传热温差以及压缩比与能效比 关系如图 7 和图 8 所示。 图 7传热温差与压缩比关系 图 8能效比与压缩比关系 由图 7、 图 8 可知， 随着压缩比的增大， 传热温 差也逐渐增大; 能效比先是快速减少然后慢慢趋于 平稳。因为压缩比增大时， 压缩后的压强也就变大， 对应的蒸汽饱和温度也跟着增大， 因此传热温差也 是增大的。而压缩比增大时， 压缩后蒸汽的冷凝潜 热增长率很小， 但
23、压缩机的功耗几乎呈线性增加， 因 此能效比总体是减少的趋势。 传热温差的大小是影响 MV 蒸发系统整体性 能的关键。因为适当的传热温差可以使管壁上溶液 产生大量气泡， 猛烈搅动液体促进传热， 给热系数成 倍提高， 当温差很大时， 蒸发器的加热壁面上产生的 大量蒸汽来不及以气泡状脱离， 就已聚成气膜覆盖 在壁面上， 该气膜使传热阻力显著提高， 传热状况恶 化。而当传热温差很小时， 温度梯度小， 传热速率降 低， 造成换热不充分。而且近壁面处的溶液沸腾还 没有发生， 传热主要依靠对流给热来达到， 传热系数 小。理论上有效温差控制在 5 8最为适宜， 但在 工程上考虑到有散热系数、 能量损失、 溶液
24、沸点升高 等因素， 温差可适当扩大范围， 而且从蒸发器的结构 设计上说， 适当地扩大传热温差可以减少蒸发器的 换热面积 21 。 综合图 7 和图 8， 在最适合的传热温差范围内， 蒸汽压缩比 为2 左右， 在此压缩比下， 能效比具有 很高的值， 若压缩比继续增大， 不仅能效比降低， 而 且传热温差会太大， 不利于换热。若压缩比太小， 理 论上可以获得很高的能效比， 但实际上会因传热温 差过小而导致系统热平衡破坏。因此综合多方面因 素， 蒸汽压缩比控制在 2 左右较好。 2. 4蒸汽输送阶段 罗茨压缩机属于容积式压缩机， 蒸汽压缩后温 度会很高， 过热蒸汽不仅降低传热系数， 对设备和管 道都有
25、不同程度的损坏。因此为了消除过热， 往往 会在压缩机的出气口补入定量的水。假设蒸发温度 为100， 补充水的量与温度之间的关系如图9 所示。 图 9补充水量与温度的关系 从图 9 中可以看出， 补充水量随着其温度的升 高而增多。因为温度越高， 水的比焓就越大， 当消除 定量的过热蒸汽时， 每千克补充水气化所需的热量 差值就越小， 故补充水的量就越多。 对于 100 kg/h 蒸发量的体系， 补充水量随温度 的变化增长率很小， 补充水所占总蒸发量在 3% 5%。但过低的补充水温度可能会由于雾化效果、 蒸 汽流速、 管道直径等因素导致过热蒸汽饱和过程不 均匀、 蒸汽压强不稳定等现象出现。因此， 从
26、整个系 统的能源利用来说， 补充水取自冷凝液为最好， 因为 冷凝液不仅水温较高， 而且水质纯净适合喷水雾化。 实际蒸汽在管道输送过程中会因压降损失和散热等 因素导致已饱和的蒸汽部分冷凝， 使得蒸汽潜热利 用率降低， 为了最大限度地利用蒸汽潜热， 可以控制 补充水的量， 使蒸汽处于微过热状态22 23 。 2. 5其他节点控制 2. 5. 1冷凝液的控制 在蒸汽冷凝阶段， 最大限度地释放出冷凝潜热 是主要的操作控制条件。由于系统中存在不凝性气 体以及压缩蒸汽中含有部分不凝性气体， 在蒸汽冷 凝放热的过程中， 蒸发器的壳程中会积累不凝性气 体， 不凝性气体的存在会大大降低蒸发的传热效率。 因此应定
27、时排除壳程中的不凝性气体。 由于蒸汽冷凝换热的主要热源就是蒸汽的冷凝 潜热， 溶液的蒸发过程大部分都在降膜管的下降过 821 2014 年 4 月顾承真等: 罗茨压缩机驱动 MV 热泵系统的节点分析 程中完成了， 而此过程利用的热量主要就要蒸汽的 冷凝潜热。处在蒸发室底部的冷凝液与溶液换热只 能利用部分液体潜热， 对整个换热过程影响不大， 而 且过多的冷凝液堆积在换热器壳体的底部也影响蒸 汽的覆盖面积， 具有较高温度冷凝液可以作为原料 的预热热源， 因此， 冷凝液最适合在饱和液体状态下 及时排出 24 。 2. 5. 2真空系统的控制 MV 最大的技术特点就是能够适合低温蒸发 操作， 理想的情
28、况就是既能够及时排出蒸发室内的 不凝性气体又能全部回收二次蒸汽， 但实际中很难 把 2 种气体通过物理的方法将它们分开。 与传统的多效蒸发器不同的是， 多效蒸发器是 在蒸发器的末效位置， 将最终产生的二次蒸汽通过 冷凝器冷凝后加真空泵抽取一定的真空度即可。 MV 热泵系统在维持系统一定真空度的同时， 需要 最大限度地利用二次蒸汽， 可以在蒸发室底部或者 气液分离器出口部分接上真空冷凝装置， 因为压缩 机的吸气能力远远大于真空泵的抽吸能力， 不会出 现过多二次蒸汽的损耗， 对于系统中损失的这些二 次蒸汽， 定时补充少量的新鲜蒸汽即可25 。 3结论 ( 1) 原料在进入蒸发室前， 需要将原料预热
29、到 一定蒸发压强下的沸点温度， 或者加热至微过热 状态。 ( 2) MV 系统适合低温蒸发， 较低的蒸发温度 更有利于系统的节能和循环运行。 ( 3) 蒸汽压缩比的大小直接影响了传热温差的 大小和系统的能效比， 综合多方面因素， 压缩比最佳 的控制范围在 2 左右。 ( 4) 蒸汽冷凝液应该在饱和液体状态下及时排 出并利用热流体的热量对原料进行预热， 以及抽取 部分的水源作为消除压缩蒸汽过热度的最佳补充水 源。补充水的量应严格控制， 保证压缩蒸汽处于饱 和状态或微过热状态。 ( 5) 对于低温蒸汽， 真空泵在维持 MV 系统一 定的真空度时， 会流失部分的二次蒸汽， 系统需要定 时补充新鲜蒸汽
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