1、分类号密级U D C 编号硕士学位论文机械再压缩蒸发系统的研究开发研究生姓名： 顾承真导师姓名： 洪教授申请学位级别： 硕士一级学科名称： 化学工程与技术二级学科名称： 生物化工2015 年 4 月机械再压缩蒸发系统的研究开发南京工业大学Research and development of Mechanical Vapor Recompression systemA ThesisSubmitted toNanjingTechUniversityFor the AcademicDegreeofMasterofEngineeringBYChengzhen GuSupervised byProf.
2、 Housheng HongApril 2015学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 日期：学位论文的使用声明1、南京工业大学、国家图书馆、中国科学技术信息研究所、万方数据电子出版社、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手
3、段保存论文并通过网络向社会提供信息服务。论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。 （打钩生效）2、本论文已经通过保密申请，请保留三年后按照第一项公开（打钩生效）3、本论文已经通过校军工保密申请，不予公开（打钩生效）研究生签名： 导师签名：日期：日期：硕士学位论文I摘要能源和环境危机是当今世界的难题，能源总量的供不应求严重制约着我国经济的快速发展，国家也一直倡导节能减排的生产方式。其中蒸发浓缩过程是十分耗能的一道生产工序，并广泛应用在印染、造纸、化工、医药和食品等行业。研究设计出一种能耗少、运行费用低和自动化程度高的新蒸发设备具有重要的现实意义。机械蒸汽再压缩（Mechanical
4、Vapor Recompression，简称 MVR）蒸发技术因热量的重复利用和提高能源效率的特点，被认为是当今世界最节能的蒸发方式。其原理是：溶液在蒸发器内受热产生的二次蒸汽经蒸汽压缩机的作用，使蒸汽的温度、压力和热焓增加，重新作为系统的热源使用。物料吸收蒸汽的冷凝潜热并继续产生二次蒸汽，二次蒸汽再次被压缩利用，这样物料持续蒸发，系统只需要消耗压缩机的功耗便可完成蒸发工段。本文建立了一套充分利用热源的 MVR 蒸发工艺流程，并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算，同时利用 Aspen Plus 模拟软件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制，研究了二次蒸汽循环量、补充水的
5、量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。理论上得出的结论有：1.原料进入蒸发器前应先预热至饱和液体或微过热状态。2.二次蒸汽在压缩阶段，压缩比在 1.82.2 时节能效果最佳 3. MVR 热泵系统蒸发压强应结合具体产品的热敏性，尽可能控制在较低的蒸发压强。4.蒸汽冷凝液在饱和液体下排出较好。设计了蒸发量为 150kg/h 的水蒸发体系的 MVR 实验平台，其中降膜蒸发器的蒸发面积为 10m2，选用了功率为 18kw 的罗茨压缩机作为蒸汽压缩机，同时也设计气液分离器、储罐和管道的大小。实验中以总蒸发水量和单位能耗蒸发水量作为 MVR 蒸发系统的性能指标，分别研究了进料
6、温度、蒸发压强、压缩机频率对其影响。结果表明：最佳进料温度是蒸发压强下的饱和液体温度;最适蒸发压强与具体系统的蒸发能力和压缩机效率密切有关，在压缩机效率保持较高水平的前提下，适当降低蒸发压强有利于系统的节能；压缩机的频率直接影响系统的蒸发量和压缩机的功耗，在压缩机允许的范围内增大压缩机频率，单摘 要II位能耗蒸发量是增加的；实测的 MVR 在蒸发压强为 86kPa 时，系统的能耗只有理论三效蒸发器的最低能耗的 46%。根据实际工业生产的需要，初步设计了蒸发量为 1000kg/h 工业级 MVR 系统，详述了具体工况的能量转变和单体设备规模。通过与三效蒸发器在能耗上的理论对比，MVR 系统每年可
7、节约运行成本 40 万元，能源效益上可节能 74%。关键词：机械蒸汽再压缩能耗蒸发量单位能耗蒸发量 Aspen plus硕士学位论文iABSTRACTThe world today is facing both severe energy crisis and environmental crisis. The total energy is shortage, which seriously constrains the rapid development of Chinas national economy and the country has been advocating energ
8、y saving production methods. Concentrated by evaporation process which is a very energy-intensive production processes ,and is widely used in dyeing and finishing ,paper making, chemical engineering, pharmaceutical and food industries. Therefore, it is necessary to develop a new evaporation plant wh
9、ich is low energy consumption, low operating costs and a high degree of automation.Mechanical Vapor Recompression (MVR), which has been considered one of the most energy-efficient evaporation, help to reuse heat and improve energy efficient. The theory is that the secondary steam created by evaporat
10、or is recompressed by compressor, the pressure , temperature and enthalpy of the vapor is higher, and can be used as the heat source to heat system itself. Materials absorbs heat because of condensation of steam, and water in the materials becomes vapor because of endotherm. The secondary steam is c
11、ompressed and used again, so the materials continued to evaporate. Hence, the system only demands of energy from the compressor.This paper established a MVR evaporation process flow that can fully use energy. Quality and energy of each operation node were calculated，and a system of simulation proces
12、s was establish using the Aspen Plus software. This research investigated the mass flow of cyclic steam and the mass flow of added water under different feed temperatures, condensation temperatures，the ratio of vapor compression and evaporation pressure，by analyzing controlling unit operations. The
13、results in theory showed that: (1) raw materials reached the optimal conditions in saturated liquids or slightly overheated. (2) the vapor compression ratio of compressor in the 1.82.2 was more reasonable. (3) The vapor pressure of MVR system should ABSTRACTiibe combined with specific heat-sensitive
14、 products as much as possible at a relatively low evaporation pressure.(4) The condensate is preferably discharged in the saturated liquid. MVR experimental platform which can handle 150kg/h water evaporation is designed ,where falling film evaporator having an evaporation area of 10m2. Root compres
15、sor is selected as a vapor compressor which own power of 18kw,also design gas-liquid separator ,tanks and piping size. This paper investigated that feed temperature, evaporation pressure and compressor frequency how to affect evaporation of the total amount of water evaporation and specific moisture
16、 extraction rater (SMER), which is as performance indicators of MVR. The results show that: the optimum temperature of the feed is a saturated liquid temperature at the evaporator pressure. the optimum evaporation pressure based on evaporation capacity and compressor efficiency which Closely related
17、 to the specific system. While maintaining a high level of efficiency of the compressor, the evaporator pressure is suitably in favor of energy saving. Frequency of the compressor directly affect evaporation of the total amount of water and compressor power, SMER is increasing when improve the frequ
18、ency of the compressor within the allowable range.The energy consumption of the system, measured at 86kPa of evaporator pressure, only occupy theoretical minimum energy consumption of 46% compared to the three-effect evaporation.As required by the industrial production, water evaporation capacity of
19、 1000kg/h is designed preliminary and calculated of specific conditions in detail. By contrast with the three-effect evaporator, MVR system can save 400,000 yuan, equivalent to saving 74% coal annually in theory. KEYWORD：MVR ；energy consumption；water evaporation；SMER ；Aspen plus硕士学位论文1目 录摘要 .IABSTRA
20、CT .i第一章绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 能源与环境的严重形势 .11.1.2 余热回收的意义 .21.1.3 蒸发工艺的应用与发展 .31.2 MVR 蒸发技术的研究现状 .51.2.1 MVR 蒸发系统简介 .51.2.2 MVR 蒸发技术国外研究现状 .101.2.3 MVR 蒸发技术国内研究现状 .111.3 MVR 蒸发技术的优势与发展 .141.4 化工过程模拟系统 .181.4.1 Aspen plus 系统介绍 .181.4.2 Aspen Plus 模拟在工业生产中的应用 .191.5 本文研究的内容与意义 .201.5.1 主要研究内容 .201.5.2
21、课题的意义 .20第二章 MVR 蒸发系统分析与模拟计算 .222.1 MVR 蒸发系统的理论基础 .222.1.1 蒸汽压缩机的热泵原理 .222.1.2 MVR 系统的流程及原理 .242.1.3 MVR 蒸发的数学模型 .252.2 水体系下的计算与理论分析 .282.2.1 MVR 系统的理论计算 .282.2.2 MVR 系统的节点分析 .292.3 MVR 流程模拟的工艺优化 .32目录22.3.1 二次蒸汽流量的灵敏度分析 .332.3.2 补充水的灵敏度分析 .342.3.3 压缩机功率灵敏度分析 .342.3.4 能效比的灵敏度分析 .352.4 本章小结 .36第三章蒸发量
22、为 150kg/h 的 MVR 实验平台的建立 .373.1 主体单元结构设计 .373.1.1 压缩机选型与功率计算 .373.1.2 蒸发器的设计计算 .403.1.3 气液分离器直径和高度计算 .483.2 MVR 系统相关设备的选型设计 .503.2.1 容器储罐的设计 .513.2.2 预热器的选型与计算 .533.2.3 仪表及管道阀门的设计 .543.2.4 MVR 系统设备一览表 .553.3 MVR 实验测试与分析 .573.3.1 实验流程与操作 .573.3.2 实验参数的检测与测试方法 .583.3.3 实验结果与讨论 .593.3.4 中试结果的能耗分析 .623.4 本章小结 .65第四章蒸发量为 1000kg/h 的 MVR 系统设计与节能分析 .664.1 工业级 MVR 系统的设计 .664.1.1 产品特性与处理要求 .664.1.2 MVR 系统处理发酵废液的设计方法 .674.1.3 蒸发量为 1000kg/h 的 MVR 系统工况计算 .694.1.4 MVR 系统的自控方案 .704.2 MVR 系统的能耗分析 .724.2.1 蒸发量为 1000kg/h 的三效蒸发器能耗估算 .72
