1、分类号密级机械再压缩蒸发系统的研究开发南京工业大学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 Vap
4、or 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、补充水的量与进料温度、冷
5、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，分别研究了进料温度、蒸发压强、压缩机频率对其影响。结果表
6、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
7、蒸发量单位能耗蒸发量 Aspen plusI硕士学位论文ABSTRACTThe 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 energy saving production methods. Concentrat
8、ed 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 which is low energy consumption, low oper
9、ating 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 evaporator is recompressed by compressor, the p
10、ressure , 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 compressed and used again, so the materi
11、als 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 process was establish using the Aspen Plus so
12、ftware. 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 results in theory showed that: (1) raw
13、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 be combined with specific heat-sensitive products as much as possible at a relatively low
14、 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 compressor is selected as a vapor compressor which own p
15、ower 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 extraction rater (SMER), which is as performance
16、 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 to the specific system. While maintaining a high
17、 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 frequency of the compressor within the allowable range
18、.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 1000kg/h is designed preliminary and calculated
19、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 plus3目 录摘要IABSTRACTi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
20、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 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25
21、2.2 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322.3.1 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.
22、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
23、蒸发器能耗估算724.2.2 蒸发量为1000kg/h的MVR系统能耗估算734.2.3 MVR系统的经济效益和能源效益734.3 本章小结74第五章总结与展望755.1 主要结论755.2 本文创新点765.3 课题展望76参考文献78附录84成果86致谢87硕士学位论文第一章绪论1.1 课题背景1.1.1能源与环境的严重形势工业革命以来，世界经济的快速发展受益于化石能源，集中体现于石油、煤炭、核能和天然气等能源的开发与应用。然而以化石能源作为经济资源载体将迅速的消耗殆尽，世界石油储量支撑不到60年，煤炭供应也就150年左右，天然气储备到21世界下半叶也将宣告枯竭。核能的利用率虽然很高，但以
24、每年6万吨铀金属的开采量为算，也只能维持到21世纪40年代初，核聚变能在50年之内还不能得到普遍应用。化石能源链的断裂，势必带来全球性经济危机和加剧能源争夺的冲突1。因此进入21世纪以来，能源短缺问题和气候条件的恶化是制约经济发展的关键因素，同时环境污染的不可逆性变化和可再生能源的稀少短缺让世界各国对能源与环境问题格外的重视。今后几十年甚至更长一段时间内，世界仍将以化石能源作为主要的经济发展载体，可再生能源的开发与发展将变成世界能源格局中的重要支柱。目前，新兴经济体是全球能源消耗的主要贡献者，尤其是拥有众多人口、经济实力仍然薄弱、总体生活水平不高、正在一心一意谋发展的中国来说，对能源的需求消耗
25、日益增加。据统计中国占全球能源消耗增量的71%，中国人口众多，人均能源消耗水平占世界前列。但由于我国的科技实力不够强大，有效能源的利用率仅占28%，美国的利用率达到51%，西欧国家为40%，与之相比我国能源利用率差距较大。中国的煤炭贮备虽然位于世界第三大国，以我国平均每年1.5亿吨煤的消耗量，预测到2030年煤炭的消耗量将突破45亿吨。我国的油气资源相对匮乏，石油和天然气的尚且可采储量约占全球份额的1.3%，2011年全球约2/3石油交易增长量来源于中国，而中国在石油交易市场中净进口量增长占13%，而美国的石油净进口量与2005年的最高峰相比降低了29%。我国的能源供求关系将十分紧张，形势不容
26、乐观2, 3。能源大量消耗的同时，环境承受力相应增大。化石能源燃烧产生大量的二氧化碳是大气温室效应的主要破坏者，煤烟的大量排放还会产生一些次生灾害，其中包括城市环境、河流水体污染等。随着现代文明的进程和工业的发展，煤的应用和开发仍然在节节攀升，中国是世界上二氧化碳（CO2）排放量最大的国家，在一次能源利用中，煤炭消耗所产生的环境污染是相当严重的。我国的水资源污染也相当严重，每年污水排放量达600亿吨，其中工业废水所占比例高达66%。经过处理后排放的废水中有70%来自于工业废水以及10%的生活污水，其余的废水都是直接流入江海湖泊之中，导致严重的水体恶化，甚至部分有毒废水直接影响着居民的生活用水。
27、目前，有86%的城市河流在一定程度上受到了污染，淮河等淡水系已经遭到不同程度的破坏。我国领域的淡水量仅占不到世界的10%，人均用水量不到世界水平的1/4，作为一个贫水国，水体的严重污染不仅加剧了水源的供求矛盾，对国民经济的发展也影响巨大。随着近几十年经济的快速发展，中国对能源的需求量和对环境变化的作用上都越来越大，世界各国都愿意同中国建立能源合作伙伴，加强能源的利用效率。同时中国对全球环境问题上态度也十分明确，2009年我国就提出了待到2020年CO2的排放量相对于2005而言至少要降低40%的目标。中国是近年来推进节能减排力度最大的国家之一。2011年以来中国政府先后出台了节能减排“十二五”
28、规划以及“十二五”节能环保产业发展规划等相关文件，充分体现了我国对环境问题的高度重视3。低碳经济是当今世界性的潮流，其核心就是低碳能源技术。在低碳经济下的中国能源所涉及到的技术层面有：（1）节能减排，最大限度的利用化石能源。（2）调整能源结构以及相关的产业结构，促进能源结构向低碳能源技术方向发展4。1.1.2 余热回收的意义中国是能源相对匮乏的国家，在发展经济的过程中需要借鉴发达国家的经验来克服能源瓶颈问题，重视能源导向性利用，实现能源利用效益的最大化。其中工业生产过程中产生的余热是十分有用的资源，很多企业由于技术问题将低温的余热直接排放到环境里了。大量工业废热的集中排放不仅是一种能源的浪费并
29、且对环境造成不同程度的污染，例如，火电厂烟囱里的烟气温度很高，而且还伴有SO2、CO2等有毒害的气体。在生物和化工行业中，蒸发浓缩是一道十分耗能的单元操作，此操作过程中产生较多的二次蒸汽，若直接排放不仅浪费了蒸汽的潜热而且部分物料也随着二次蒸汽一同流出系统外对环境造成一定的污染。其中我国工业只有30%左右的余热得到回收并循环利用，其余的热量基本上当成废热被排掉了，因此废热的循环利用和余热的回收是节能减排的重要环节之一，也是降低污染、减少生产成本、提高社会经济效益的必要措施。从各个行业对能源的利用情况来说，化工类和生物工程类传统企业在能源的消耗和系统余热的浪费上还是相当严重的。很多化工类企业都配
30、备高压蒸汽锅炉，诸如蒸发体系、干燥体系、灭菌体系以及升温加热体系等都需要蒸汽作为热源5。一般生产工艺所需的蒸汽压力相对较低，常常需要节流降压或通过减压阀降低蒸汽压力，此过程中白白浪费了许多有效热能；干燥过程中热送风携带的热量也不容小觑；尤其是蒸发结晶过程中产生大量的二次蒸汽，此二次蒸汽具有很高的冷凝潜热，往往由于利用不当被冷却水降温后排入环境中造成能源的利用率低。工艺生产过程中时刻伴有吸热和放热的现象，因所采取的的设备也是各式各样，行业内也很难规定统一热量利用标准6, 7。仅以工业低温蒸汽的余热资源利用来说，相同的热量值在不同的温度下实际可利用的价值也是大相径庭，低温蒸汽意味着其热量的品位越低
31、，可利用的范围局限性也就越大。因此如何将低温低压蒸汽的利用率达到最大化是走节能路线的重要导向8。总体来说，我国人均能源比例十分贫瘠，而国民经济的增长又离不开能源。科学发展观以及如何构建节约型社会既是政治口号，也是对我国实体企业的发展提出了要求，合理利用能源以及节能减排是有利于国家和社会的长治久安。目前工业余热涉及的面广，余热的品位等级也是参差不齐，是值得大力推广和利用的有效二次能源，我国应当把工业余热的回收和循坏利用作为主要的节能方向9。1.1.3 蒸发工艺的应用与发展通过对稀溶液进行加热沸腾使大量的挥发性溶剂吸热汽化，从而达到对其中不易挥发的溶质进行浓缩，在此过程得到浓缩液产品或获取挥发性溶
32、剂的过程叫做蒸发。蒸发的本质就是将挥发性的溶剂与难挥发性的溶质进行物理层面上分离，因此蒸发是很多工业生产中必不可少的步骤。蒸发工艺广泛应用于化工行业、废水处理、海水淡化、发酵产品提纯以及乳制品的生产等。例如氯化铵作为肥料生产时，需求量大应用面广，其生产工艺即可采用蒸发-冷却耦合结晶并最终得到需要的粉末状固体10；造纸工业也是一个高能耗、投资大并对环境有严重污染的行业，造纸产生的黑液作为一种工业废水需要蒸发浓缩后回收利用或集中处理11；从海水中分离出淡水的技术和方法称为海水淡化，海水淡化是解决水资源匮乏的有效途径并日益受到各国的重视，其中采用低温蒸发是较为广泛采用的方法和手段12。很多生物发酵制
33、品在得到纯品前都需要对发酵液进行蒸发浓缩处理，氨基酸的生产过程就是典型的例子，生物制品需要保持一定的生物活性，适当的蒸发方式既可以保持其活性也能将产品浓缩提纯13；乳制品的生产工艺同样离不开蒸发操作，从牛乳到奶粉的过程中务必要将其中大部分的水分除去，然后才能喷雾干燥处理。因此在相关的食品行业中，蒸发作为一个重要的单元操作是衔接原料与成品之间有效的处理手段14。在工业生产过程中，完成蒸发工艺主要依靠于蒸发设备。对于不断创新和进步的工业技术，蒸发设备也在不断的发展和完善，而且种类众多，结构差异较大。其分类方法有所不同：（1）按操作分类，分别有单效蒸发器、多效蒸发器、多效多级闪蒸式蒸发器、热泵喷射式
34、蒸发器以及蒸汽压缩式蒸发器等；（2）按操作流程分类，有自然循环式、强制循环式、间歇式以及连续式操作。（3）根据结构上加热部分的不同，可分为管状和非管状蒸发器。（4）按照料液蒸发过程是否成膜，可分为膜式蒸发器和非膜式蒸发器。其中非膜式循环蒸发器的特点料液在蒸发器内部连续往返运动，以强化传热效率，主要缺点是料液的停留时间长，加热温度高，加热室内存留量多，不适应处理对温度敏性的物质。膜式蒸发器是通过特殊的结构使得溶液一次性受热浓缩就可以达到所需的浓度，而且停留时间仅为几秒或十几秒左右，料液蒸发过程中成膜流动传热效果最佳。该膜式蒸发器根据成膜方向的不同又可分为升膜式蒸发器及降膜蒸发器，升膜蒸发器是有单
35、根或多根垂直加热管位于加热室内，经过预热后接近沸点或达到沸点的料液从加热的下部注入管内，在二次蒸汽快速上升带动的作用下，溶液顺着加热管的壁面呈现薄层的液膜状流动并不断的蒸发，当料液到达顶部的分离装置时，就可达到所需的浓缩浓度。降膜蒸发器的成膜原理与升膜蒸发器相似，料液是从蒸发器顶部流入，在重力的作用下溶液随着加热管壁面成膜向下流动并不断的蒸发水分，此类蒸发器对成膜的要求相对较高故需要加工精度较高的液体分布器。降膜蒸发器在处理粘度和浓度较大的溶液时效果较好15-17。1.2 MVR蒸发技术的研究现状在目前能源紧缺的大环境下，国家也一直倡导节能减排、绿色生产的科学发展方式。各种企业和工厂都在需求一
36、种高效节能的生产模式，其中蒸发浓缩阶段作为化工生产过程高耗能的工序之一，蒸发工艺也一直处于不断的探索和升级中。单从蒸汽的利用效率角度，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，其中机械蒸汽再压缩技术在行业内简称为MVR热泵技术18。近年来我国政府考虑到能源价格问题以及遵循可持续发展的理念，先后在 2007和 2010年将MVR技术列为国家大力鼓励和支持发展的节能环保设备19, 20。1.2.1 MVR蒸发系统简介MVR蒸发技术是一种既节能又环保的技术，此技术的核心就是充分反复利用蒸发系统内产生的二次蒸汽，进而减少甚至不用外源蒸汽的一种形式。其具体的
37、实施过程就是将蒸发料液吸热沸腾产生的二次蒸汽经过气液分离器的分离和纯化后吸入蒸汽压缩机内（一般压缩的介质是饱和水蒸气），经过压缩机的压缩作用，蒸汽的温度、压力以及热焓均有所提高，变成高品位的蒸汽，此蒸汽又可直接作为加热热源对蒸发溶液加热。压缩蒸汽在加热管道内冷凝成冷凝水并释放大量的冷凝潜热供料液吸热并再次产生新的二次蒸汽，如此一来便可源源不断的循环蒸发，一旦系统稳定运行后，便可撤出外源蒸汽或者只需要补充少量的蒸汽即可。MVR作为一个蒸发体系，是一个相对封闭的内循环系统。根据蒸发产品的要求不同以及工艺条件多变性，MVR具体的结构和设备组成略有差异，但从MVR运行的原理角度上来说，主要由预热器、蒸
38、发器、气液分离器、蒸汽压缩机、真空泵以及清洗系统等相关附属设备组成，其中蒸汽压缩机和蒸发器是MVR系统的核心组件21。1.2.1.1 预热器由于MVR系统稳定运行的前提是达到一个能量平衡值，一般溶液在进入蒸发器前都需要预热。完成预热过程的设备是预热器，其本质就是普通的换热器，可以是板式换热器或列管换热器等。为了最大限度的节省预热能耗，预热的热源可以是高温蒸汽冷凝水、热浓缩液以及部分新鲜蒸汽。一般待浓缩的料液浓度较小且对预热器本身的结构和类型要求不高，可以适当的选择换热系数值相对较高的换热器，从而增大换热效率22。1.2.1.2 蒸发器目前工业上应用较为成熟的蒸发器的种类很多，有1.循环型：包括
39、悬框式、外加热式、中央循环管式以及强制循环式等。2.单程型：主要有升降膜蒸发器、搅拌薄膜蒸发器和离心薄膜蒸发器等22。根据MVR系统运行的特点，可串联到MVR系统的蒸发器应该由蒸发室和加热室组成，其中加热室是向所需加热的料液提供热源的区间，蒸发室内溶液受热沸腾汽化产生的二次蒸汽在气液收集腔内，浓缩液在自身重力作用下沉于蒸发器底部，二次蒸汽便在外力的作用下分离并回收利用。MVR系统高效节能的特点，需要同样高效率的换热器与之配对。其中降膜蒸发器可进行低温操作，可浓缩高粘度物料，物料在管内停留时间短，适合热敏性物料的蒸发浓缩21。目前降膜式蒸发器应用日趋成熟，如图1-1所示23。图1-1 降膜蒸发器
40、结构原理图Fig.1-1 Structure diagram of falling film evaporator降膜蒸发器由换热管、液体分布器以及排气系统等结构组成，原料液从蒸发器顶端加入，液体分布器将溶液均匀的分布在各个降膜管的管口处，溶液自然下落成膜片状而且在流动过程中伴随着蒸发。对于降膜蒸发器来说，液体分布器是关键部件，直接影响到溶液的传热性能和系统的操作稳定性，溶液布膜的特性不仅决定了换热系数，传热机理很大程度上都不尽相同23。若换热管管壁液膜分布不均匀时，蒸发效率会大幅度降低，同时还会因局部管壁温度太高出现“干壁”现象。为了强化蒸发器的传热效果，有研究者对已有的降膜蒸发器结构进行了
41、改进，如闪蒸-降膜蒸发器组合系统24。另有研究者对降膜蒸发器传统结构进行了大胆的创新设计，诸如伞板形状的换热面，在布液性能上大大得到了提高25。1.2.1.3 蒸汽压缩机图1-2 压缩机分类Fig.1-2 The classification of compressor压缩机用在MVR系统中使得对压缩机出气口温度有较高的要求，因此在不同体系中压缩机的选择要多加考虑，具体分类如图1-2所示26。螺杆式压缩机工作时是由主转子带动副转子，螺杆面与壳体之间形成分离室内。压缩机内蒸汽的压缩比主要有转子的尺寸和出口偏离的位置决定, Vmin=0.06m3/s，Vmax= 22m3/s。罗茨式压缩机是由两个
42、或三个凸轮与压缩机的壳体组成压缩腔室，凸轮之间的间隙很小，通过对出口压力的调控可完成对蒸汽的压缩。其中Vmin=0.05 m3/s，Vmax= 25m3/s。离心风机与离心压缩机运行原理都是一样的，蒸汽从轴方向进入叶轮部位，在离心力作用下从叶轮边沿处流出。其中，离心风机的流量范围为Vmin =1 m3/s，Vmax= 140m3/s，蒸汽压缩比可达 1.25倍；离心压缩机的流量处理范围为Vmin = 0.5m3/s，Vmax= 150m3/s，压力比最大为 2.527。MVR蒸发技术得以成熟应用的基础就是蒸汽压缩机的设计，目前广泛应用于MVR蒸发系统中的压缩机主要有罗茨压缩机和离心式压缩机。离
43、心压缩机是速度型压缩机，其主要特征是将压缩机、飞旋叶轮以及调频电机紧密地布置在一起。为了能对蒸汽具有压缩功能，一般离心机的叶轮较大，转速较快，为了防止叶轮受到强力而受损，离心机叶轮的构造材质要求很高。有时为了得到较高的蒸汽压缩比，单级离心压缩机远远不能达到要求，需要布置数级叶轮串联在一起由独立的叶轮轴连接驱动。罗茨压缩机属于容积式风机，机壳内有两叶或三叶相互吻合的转子，转子间的空隙很小，压缩机进口为吸入的低温低压蒸汽，出口便是压缩后的高温高压蒸汽。罗茨压缩机的蒸汽处理量与转子的转速成正比，与蒸汽出口压强关系不大，蒸汽压缩比相对较高，往往可以得到更高温度、压强的压缩蒸汽。由于机械压缩做功原因，压
44、缩蒸汽具有一定的过热度，不仅不利于换热而且会使机壳温度升高，往往在压缩机进口处注入一定的水分是蒸汽饱和化。罗茨压缩机和离心压缩机在工程应用中的差别主要体现在：罗茨式压缩机可以将蒸汽提高很大的压差，但蒸汽处理量相对离心压缩机偏小，而且排气不均匀有气流脉冲。从技术角度来说，罗茨压缩机对叶轮转子的加工精度有较高的要求，要把蒸汽泄露率降到最低，离心压缩机的运行效果更加稳定，耐用程度更高。从设备的材质角度来说，罗茨压缩机滚动转子之间的缝隙很小，若采用不锈钢材质，容易发生转子粘合的事故，为了提高转子的耐腐蚀能力，除了对蒸发工艺中二次蒸汽的纯度要求较高，往往需要在碳钢转子上镀上镍铬等材质。而离心压缩机就可以
45、采用不锈钢材质，增强设备的耐腐蚀功能，因此在腐蚀度较高的环境下，离心压缩机寿命更高。从运行时产生噪音大小的角度来说，在相同蒸汽处理量下，罗茨压缩机产生的噪音要大很多。从运行成本角度来说，离心压缩机要比罗茨压缩机节能不少，当需要蒸发一吨水时罗茨压缩机需要50kwh机能耗也就30kwh左右27, 28。1.2.1.4 气液分离器气液分离器的作用是净化气相并将凝液收集回收。化工生产过程中按照气相分离效果好坏分别有超滤分离、丝网分离、旋液式分离以及重力沉降分离等方法。MVR系统需要处理的是蒸汽流，不仅要具有较高的分离效率，同时还不能损失太多能量，一般适用于MVR系统的气液分离器主要是重力沉降分离器和旋
46、液分离器。重力沉降式分离器结构简单，主要就是一个空筒，体积偏大。虽然气液分离的阻力很小但是分离的效率很低，工业上为了提高气液的分离效率，需要与丝网捕雾器想结合来提高设备的分离效率。实际生产中，过滤丝网应根据不同的工艺条件和分离精度选择不同的丝网层高和网孔目数，为了使二次蒸汽顺利通过，丝网应具有通气阻液的作用，形成一道捕沫屏障。旋液式气液分离器是一种依靠离心力作为气液分离的推动力，其主要结构有旋液进口、圆柱筒体、圆锥收缩口以及排气管等。分离效率比重力沉降式分离器要高，但分离的效果不太稳定，对结构设计要求更高。孙福江等29研究者对分离器设计了专用的气液分离装置于分离器溢流口处，并改变了进气口结构和
47、排气管的长度，分离效率有了明显改善。韩东等30研究者在设计气液分离器时添加了数块3/4型挡板与圆柱形筒体内，并提出了双级分离器的优化方案，在第一级排气口处连接一个二级分离装置，分离效率也大幅度提高。宋贤良等31人将传统的单向气流进口改为轴对称双进口结构，使得分离器的总分离效率高达97%。1.2.1.5 真空泵很多工业产品特别是生物的蒸发，需要在一定的真空度下操作完成。抽真空也就是排不凝性气体的过程，所谓的不凝性气体就是指在降温降压下部分惰性气体不能冷凝成液体，随着生产的进行，其存在量越来越多。不凝性气体的累积不仅对系统内的压力造成不稳定，而且不凝性气体的存在对蒸汽的换热形成巨大的障碍。真空泵的选择和设计也是MVR蒸发体系中一个重要的环节，不仅要排除蒸汽体系中的不凝性气体，还要维持有一定的真快度，对于蒸发量较大的工况还可以多台真空泵联合使用，目前工业上普遍采用水环真空泵抽真空32。1.2.2 MVR蒸发技术国外研究现状MVR热泵技术在1834年就由国外的学者提出，直到1917年瑞士的Sulzer-EscherWyss公司初步制造了一个简单的MVR系统，最终实现实际运行作业的是由奥地利一家企业在1925年设计安装完成33, 34。Narmine H
