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1、2020 5 30 MVR蒸发工艺及在蒸发结晶中的应用 陈侠 1 5 典型的中药提取工艺 主要汇报内容 2 天津科技大学海洋学院简介 天津科技大学是中央和地方共建 以天津市管理为主的普通高等院校 是天津市重点建设的以工为主 多学科协调发展的多科性大学 现建有河西 泰达 塘沽三个校区 总占地面积133 87万平方米 总建筑面积69 49万平方米 现有教职工2189人 博士生导师 硕士生导师382人 教授 副教授728人 其中 双聘院士5名 在校生近3万人 天津科技大学的海洋科学与工程学院成立于1953年 是目前在制盐 盐化工方向全国唯一具有本科 硕士 博士学位授予权的学校 素有 盐业黄埔 之称
2、学院历来注重工程实践和科研成果的转化 建有完善的科研开发和转化平台 拥有天津市海洋资源与化学重点实验室 天津市海洋化工行业技术中心 海洋资源与环境监测中心 全国盐业培训中心 天津黄埔盐化工程技术有限公司 3 主讲人简介 陈侠 男 生于1964年12月 毕业于天津科技大学盐业化学工程系 现任天津科技大学海洋学院教授 硕士生导师 海洋化工实验中心主任 卤水精细化工研究室主任 天津黄埔盐化工程技术有限公司总经理 主要技术兼职 中国化工学会无机盐酸碱盐专业委员会专家中国盐业协会 中盐总公司中国盐业专家中国无机盐工业协会钙镁盐分会专家组专家中国化工学会蒸发及结晶技术专业组专家科技部卤水精细化工创新联盟专
3、家组专家天津市科技委员会项目评审专家天津市国际招标局专家中文期刊 盐业与化工 编委员会编委 4 2020 5 30 2020 5 30 2 一 蒸发工艺及设备简介 降膜为主 蒸发 或蒸馏法 虽然是一种古老的方法 但由于技术不断地改进与发展 该法至今仍是浓缩或制淡水的主要方法 蒸馏过程的实质就是水蒸气的形成过程 其原理如同海水受热蒸发形成云 云在一定条件下遇冷形成雨 而雨是不带咸味的 根据所用能源 设备 流程不同主要可分多效蒸发 多级闪急蒸发 蒸汽压缩蒸发 MVR 等 5 2020 5 30 2020 5 30 3 1 多效蒸发技术 多效蒸发是最古老的淡化方法之一 在多级闪蒸诞生以前一直是蒸发
4、浓缩的主导 原理 多效蒸发是由单效蒸发组成的系统 将前一蒸发器产生的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽 并在下一效蒸发器中冷凝成蒸馏水 如此依次进行 原料水进入系统方式 有逆流 平流 分别进入各效 并流 从第1效进入 和逆流预热并流进料等 6 2020 5 30 4 1 1多效蒸发的特点 与多级闪蒸比较而言的 优点 多效蒸发的换热过程是沸腾和冷凝传热 是相变传热 因此传热系数是很高 总的来说多效蒸发所用的传热面积比多级闪蒸少 多效蒸发通常是一次通过式的蒸发 不像多级闪蒸那样大量的液体在设备内循环 因此动力消耗较少 多效蒸发的浓缩比高 多效蒸发的弹性大 7 2020 5 30 2020 5 30
5、 5 多效蒸发的工艺流程主要有三种 顺流 逆流和平流 顺流 是指料液和加热蒸汽都是按第一效到第二效的次序前进 特点 多效的真空度依次增大 即绝对压力依次降低 故料液在各效之间的输送不必用泵 而是靠压差自然流动到后面各效 温度也是依次降低 故料液从前一效通往后一效时就有过热现象 也就是发生闪蒸 产生一些蒸汽 即淡水 对浓度大 黏度也大的物料而言 后几效的传热系数就比较低 而且由于浓度大 沸点就高 各效不容易维持较大的温度差 不利于传热 1 2多效蒸发流程的分类 8 2020 5 30 2020 5 30 6 平流 平流是指各效都单独平行加料 不过加热蒸汽除第一效外 其余各效皆用的是二次蒸汽 适用
6、于 容易结晶的物料 如制盐 一经加热蒸发 很快达到过饱和状态 结晶析出 在水处理过程中主要是要获取淡水 不需用逆流和平流 而且逆流和平流没有顺流的热效率高 9 2020 5 30 2020 5 30 7 逆流 逆流是指进料流动的路线和加热蒸汽的流向相反 原料从真空度最高的末一效进入系统 逐步向前面各效流动 浓度越来越高 所以料液往前面一效送入时 不仅没有闪蒸 而且要经过一段预热过程 才能达到沸腾 可见和顺流的优缺点恰好相反 对于浓度高时黏度大的物料用逆流比较合适 因为最后的一次蒸发是在温度最高的第一效 所以虽然浓度大 黏度还是可以降低一些 可以维持比较高的传热系数 这在化工生产上采用较多 10
7、 2020 5 30 2020 5 30 8 1 3 多效蒸发工艺及设备简介 根据单效蒸发器的分析 蒸发量D 加热蒸汽量D0 0 91或者D0 D 1 1 即1kg蒸汽可以蒸出0 91kg的淡水 如果将蒸出的二次蒸汽通往第二个蒸发器的加热室去作为加热用 那么同样1kg的二次蒸汽又可以蒸出0 91kg的淡水 以此类推 效数越多 利用1kg加热蒸汽可以蒸发出的淡水也越多 这从热量的利用上来讲是有利的 实际上 由于溶液有沸点升高现象 管线有流动阻力损失 使温差有损失 再加上效数多了 即使保温很好 散热面积大了 热损失也增多 所以当效数增多时 热量利用的效率也随之有所降低 考虑到效数增加则设备的投资增
8、大 故实际采用效数应该有一最佳点 11 2020 5 30 2020 5 30 11 多效蒸发设备的分类 多效蒸发设备的种类繁多 不同的物料 不同的浓度 可选用不同的蒸发器 按蒸发管的排列方向 可以分为垂直管蒸发器 VTE 和水平管蒸发器 HTE 按蒸发物料流动的类型 可以分为强制对流蒸发器和膜式蒸发器 在膜式蒸发器中按流动方向 又可分为升膜式和降膜式蒸发器 在降膜式蒸发器中分为 垂直管降膜和水平管降膜蒸发器 按各效组合的方向可以分为水平组合的蒸发器和塔式蒸发器 12 2020 5 30 2020 5 30 12 组成多效蒸发系统的蒸发器有多种型式 常用的有以下主要三种 浸没管式 ST 该种蒸
9、发器是加热管被料液浸没的一大类蒸发设备 广义的浸没管蒸发器又有多种样式 有直管 蛇管 U形管以及竖管 横管等结构 料液在蒸发器中的流动方式有 自然对流循环和强制循环两类 这种蒸发器出现较早 操作方便 但结垢严重 盐水静液柱高 温差损失大 故效数不宜太多 一般在6效以下 13 2020 5 30 2020 5 30 13 竖管蒸发 VTE 这里是指管内降膜式蒸发器 两个基本优点 一是因管内为膜状汽化 传热壁两侧都有相变 故传热系数高 且消除了料液的静液柱所造成的温差损失 系统的浓缩率比较高 低浓度溶液如海水淡化 目前一般设计的效数为11 13效 造水比可达9 10 结垢问题 特别是当液体分配不均
10、或者水量不足时 在管的内壁可能形成干区 结垢的危险性增大 因此在防垢和清垢方面有较高的要求 一般说来 在这类蒸发系统中晶种法不宜采用 主要靠化学法防垢加上温度 浓度的合理设计 14 2020 5 30 2020 5 30 14 该种蒸发器是循环料液通过喷淋装置在横管束的管外形成液膜 加热蒸汽 或前效二次蒸汽 在管内凝结 它具有与竖管降膜式相同的优缺点 但设备高度远比竖管降膜式为小 装置紧凑 所有各效的管束 喷淋管和汽水分离器都装在一个筒体中 因而热损失小 能耗低 由于温度低 结垢和腐蚀都大大减轻 保证了较高的传热系数 此外汽相阻力小 又消除了静液头损失 传热温差可以很小 尤其适于使用低位热能
11、横管薄膜式 HTE 15 2020 5 30 2020 5 30 15 横管薄膜蒸发原理 16 2020 5 30 2020 5 30 16 压汽蒸馏MVR 17 2020 5 30 2020 5 30 17 多效降膜蒸发流程 海水淡化为例 18 2020 5 30 2020 5 30 21 多级闪蒸技术 闪蒸是指一定温度的水在环境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时发生的骤然蒸发现象 闪蒸后的水温度降低以使其饱和蒸汽压与环境压力平衡 也是利用了这个原理 使加热至一定温度的料液 依次在一系列压力逐渐降低的容器中闪蒸汽化 原料得到浓缩 蒸汽冷凝后得到淡水 该方法是在多效蒸馏的基础上发展而来的 相比
12、多效蒸馏法多级闪蒸减少了垢的形成 多在低浓度料液浓缩中使用 19 2020 5 30 2020 5 30 23 20 2020 5 30 2020 5 30 24 多级闪蒸技术的特点 多级闪蒸与其他技术相比 具有如下的优点 由于此方法加热与蒸发过程分离 并未使原水真正沸腾 仅是表面沸腾 从而大大改善了一般蒸馏的结垢问题 技术成熟可靠 运行安全性高 特别适合于大型的低浓度物料浓缩应用 设备机构简单 投资成本较低 主要缺点 大量原水的循环和流体的输送 导致操作成本升高 与多效蒸馏法相比 需要较大的热传面积 21 2020 5 30 2020 5 30 25 低温多效蒸发技术 海水 22 1 典型的
13、蒸发浓缩 结晶 工艺 蒸发浓缩过程而言 介质发生 相变 液相 汽相 水的比热为1kcal kg 1kg的水 温度每上升1 需要1kcal的热量 对1kg的水加热从0 上升到100 沸腾 仅需要100kcal的热量 将1kg100 的水汽化 成为同温度的蒸汽 则需要539kcal热量 能耗是相当于使同样重量的水温度每升高1 所需热量的539倍 二 技术在蒸发结晶中的应用 23 2258KJ占92 1 1单效蒸发 1kgH2O为例 新鲜蒸汽大量热量 二次蒸汽 冷却水 大气冷却塔消耗大量循环水以及电能 泵 运行 造成三重浪费 24 占地面积增加 蒸发效数不能无限增加 1 2能耗与效数关系 蒸发量为1
14、tH2O为例 低品位能量 25 MVR MechanicalVaporRe compression 机械蒸汽再压缩 是指将蒸发 蒸馏等 过程的二次蒸汽 温度低 压力低而无法利用 用压缩机进行压缩 提高其温度 压力 重新作为热源加热需要被蒸发的物料 从而达到循环利用蒸汽的目的 使蒸发过程不需要外加蒸汽 即用少量的电能获得较多的热能 从而减少系统对外界能源的需求的一项高效节能技术 MVR的作用 提高蒸汽的品位 而不创造能量 2 MVR的工作原理 2 1MVR的作用 26 MVR热泵蒸发系统的开式循环机理是基于回收利用物料蒸发所产生的二次蒸汽的潜热而进行 由于在蒸发器中二次蒸汽所需的潜热来自外排蒸汽
15、本身冷凝所放出的潜热 因此蒸发所耗的能量仅仅是压缩机所耗的能量 2 2MVR热泵特性与分析 MVR热泵流程图 27 根据MVR热泵系统的工作原理可知 其效率取决于回收利用的潜热值与输入的机械功之间的比较 下表以常压下基本循环的状态变化为例 通过模拟计算表明其在能源利用效率方面的优势 2 3MVR热泵效率与分析 MVR热泵计算分析 从上表看出 系统消耗90 5kJ kg的压缩功 就可以回收利用2257 6kJ kg的潜热 热功比达到了24 9 工质的热焓仅增加0 8 但其温度提高了13 相当于输入少量的高品位机械能 却把大量的低品位热能转化成为可资利用的高品位热能 从而提高了能源利用效率 28
16、2 2MVR技术发展状况 MVR并非新技术 国外早在1834年就已有人提出MVR热泵的构想 而最终应用该项技术的产品是由瑞士的一家企业1917年制造 1925年 奥地利设计安装了一套设备 由此出现了实际运行中使用的MVR装置 上世纪70年代石油问题造成了能源危机 在节能降耗的大势所趋下 MVR热泵得到了迅速发展 20世纪80年代 张家坝制盐化工厂在国内首次引进机械热压缩工艺进行制盐生产 2010年 中盐金坛引进的生产能力120万吨 年精制盐MVR装置 成功运行至今 目前MVR技术已被众多的行业和企业所认可 29 系统流程工艺进展 MVR热泵装置结合不同的处理工艺过程 需要提供适宜的传热温差 蒸发过程中传热温差和压差大小一般与处理料液的热敏性有关 高热敏性料液适宜于小温差条件下多梯度分阶段进行 MVR热泵系统的工艺流程也设计成单效蒸发和多效蒸发 单效蒸发系统的流程简单 操作较方便 适合于水分蒸发量大 热敏物性较弱 允许大温差传热 只需蒸发一次就可达到浓缩要求的溶液 MVR单效蒸发系统 30 MVR系统多效蒸发方式适合于处理热敏较敏感 不宜进行大温差传热的溶液蒸发 同时其也可用于蒸发量较大
