纵观全球化工产业的发展,随着发达国家市场的逐步成熟与产业技术的进步,世界化工行业正在进行新一轮的产业结构调整,高新技术成为化工行业未来发展的主要方向.化工企业为我国的工业发展做出了很大的贡献.与此同时,在国家“十二五”规划的指引下,为了实现可持续发展与产业结构升级转型,化工行业肩负着节能减排的巨大任务^[1].蒸发-冷凝处理技术是一种新的废液污水处理技术,由于在蒸发过程中高品位的蒸汽变为低品位的二次蒸汽,低品位二次蒸汽的利用在很大程度上决定了蒸发操作的经济性^[2].

热泵蒸发和多效蒸发技术无疑是提高蒸发操作能量利用经济性的两条最主要的路径^[3].热泵蒸发是驱动蒸汽的动力,二次蒸汽经压缩机压缩提高了温度和压力后,再返回蒸发器作为热源利用,这在很大程度上提高了二次蒸汽的利用率.因此,热泵蒸发将具有广阔的应用空间,而机械压缩式蒸发系统在处理小流量时保持巨大的竞争力^{[4, 5]}.多效蒸发是利用溶液和蒸汽换热后,溶液侧蒸发出的二次蒸汽作为前一效或下一效蒸发器的加热蒸汽,然后将多个蒸发器串联,依次发生蒸发的过程便构成了多效蒸发系统.本文采用机械压缩式双效逆流升膜板式蒸发器热泵对废碱液进行浓缩,并和多效蒸发系统在效果与经济效益方面作了分析比较,为解决废碱液污染、合理利用废液资源以及资源利用最大化提供借鉴.

本实验系统如图 1所示.该热泵蒸发系统采用双效逆流板式升膜蒸发工艺,主要包含二次蒸汽循环和废碱液循环.二次蒸汽循环由压缩机、一效气液分离器、一效蒸发冷凝器、二效气液分离器、二效蒸发冷凝器、闪蒸罐1、闪蒸罐2、闪蒸罐3等组成回路.二次蒸汽可在蒸发器中冷凝,同时从废碱液中蒸发出水蒸气,再次进入压缩机压缩.废碱液循环是一个开式的循环,由预热器1、预热器2、预热器3、预热器4、预热器5、二效蒸发冷凝器、二效气液分离器、一效蒸发冷凝器、一效气液分离器等组成回路.废稀碱液经冷凝水和浓缩碱液预热后,先进入二效蒸发冷凝器蒸发,然后进入二效分离器,碱液再次进入一效蒸发冷凝器蒸发.二效分离器分离出来的二次蒸汽经压缩机压缩后进入一效蒸发冷凝器中加热碱液,一效气液分离器出来的二次蒸汽进入二效蒸发冷凝器中加热碱液.为了提高传热性能,预热器和蒸发冷凝器均为板式换热器,同时利用升膜原理,被蒸发碱液 受热沸腾汽化产生大量蒸汽带动料液上升,在蒸发冷凝器壁面形成传热性能良好的液膜,加快蒸发,从而提高传热性能.采用FORCE CONTROL 16.0数据采集系统实时采集压力和温度信号并储存,以便后期数据导出及分析处理.

图 1

Fig. 1

图 1 实验系统示意图 Fig. 1 Schematic of the experimental system 1—预热器1; 2—预热器2; 3—预热器3; 4—预热器4; 5—预热器5; 6—一效蒸发冷凝器; 7—二效蒸发冷凝器; 8—一效气液分离器; 9—二效气液分离器; 10—离心压缩机; 11—闪蒸罐1; 12—闪蒸罐2; 13—闪蒸罐3; 14—第一次浓缩碱液泵; 15—稀碱液泵; 16—水泵1; 17—水泵2; 18—第二次浓缩碱液泵; 19—辅助喷淋蒸汽系统; 20—稀碱液电磁流量计

机械压缩式热泵蒸发系统原理如图 2所示.热泵蒸发是利用补充一定的压缩功(耗电)代替部分消耗大量一次能源的加热蒸汽.其原理是从蒸发冷凝器出来的二次蒸汽进入压缩机,在压缩机中绝热压缩,使其温度、压力升高,然后送回蒸发冷凝器作为加热蒸汽使用,在加热室中冷凝后排出,从而达到浓缩废碱液的目的.

图 2

Fig. 2

图 2 机械压缩式热泵蒸发系统原理示意图 Fig. 2 Schematic diagram of mechanical compression heat pump evaporation system

升膜是一种以热能为驱动力并转化为动能的连续运动的液膜.在狭长流道中,过冷液体蒸发,不同流道区域呈现不同的传热形式,包括单相液体的对流换热、过冷沸腾、饱和核态沸腾、通过液膜的两相强制对流传热^[6].当蒸汽完全占据整个狭长流道时,高速流动的蒸汽将液体挤压至流道四周壁面,此时的剪切力使其形成稳定的液膜.由其形成状态和机理可知,形成的液膜很薄,当液膜经过加热表面时会迅速蒸发,此时换热器达到极高的传热系数,因此升膜蒸发换热器性能较满液式蒸发器高出很多^[7].国内许多专家学者对于升膜蒸发换热系数的计算做了广泛的研究.

双效逆流蒸发冷凝器流程如图 3所示,图中:m₁、x₁、p₁、T₁、h₁分别为初始碱液质量流量、初始碱液质量分数、压力、温度、焓值;m₂、p₂、T₂、h₂分别为二效蒸发冷凝器中碱液产生的二次蒸汽质量流量、压力、温度、饱和蒸汽焓值;m₃、x₃、p₃、T₃、h₃分别为二次浓缩碱液质量流量、质量分数、压力、温度、焓值; m₄、p₄、T₄、h₄分别为冷凝饱和水的质量流量、压力、温度、焓值; m₅、p₅、T₅、h₅分别为饱和一次蒸汽质量流量、压力、温度、焓值; m₆、x₆、p₆、T₆、h₆的含义及值等同于m₃、x₃、p₃、T₃、h₃; m₇、p₇、T₇、h₇分别为冷凝的高温饱和水的质量流量、压力、温度、焓值;m₈、x₈、p₈、T₈、h₈分别为浓缩碱液的质量流量、质量分数、压力、温度、焓值;m₉、T₉、h₉分别为高温蒸汽的质量流量、温度、焓值.

图 3

Fig. 3

图 3 双效逆流蒸发冷凝器流程 Fig. 3 Schematic diagram of the double-effect evaporation-condenser

图 3中系统采用双效逆流升膜方式.根据质量守恒^[8]列出两效蒸发关系式.

一效蒸发冷凝器中关系式有

二效蒸发冷凝器中关系式有

实验设计要求是将质量流量为0.578 kg·s^-1的氢氧化钠稀碱液从质量分数为4%浓缩到25%,假定:m₅=m₉=m₂;p₁=p₂=0.1 MPa;T₂=100℃;高温饱和蒸汽压力为0.179 MPa;一效蒸发冷凝器压力0.123 MPa,则p₅=0.123 MPa.最后得h₈=444.6 kJ·kg^-1,根据氢氧化钠溶液焓浓图得焓值h′₈=442 kJ·kg^-1.假设条件满足要求,计算结果如表 1所示.

表 1 (Tab. 1)

表 1 系统设计计算结果 Tab. 1 The results of system design calculation 参 数 一效 二效 加热蒸汽温度/℃ 119 112 运行压力pi/kPa 179 123 碱液质量分数/％ 25 7 加热蒸汽量D/(kg·h-1) 960.27 902.64 压缩机功耗/kW 45.1 45.1 制热性能系数 12 12

表 1 中文系统设计计算结果标题 Tab. 1 The results of system design calculation

制热性能系数的大小决定了经济性的好坏.一般而言,制热性能系数COP越大,效能越高,经济性越好.蒸汽的经济性η定义为单位加热蒸汽从溶液中蒸发的水蒸气量,即

由于采用机械压缩式,则有

由系统设计原理及能量守恒原理,可认为m_iγ_i=Dγ₀,得

此时系统有

由多效蒸发原理以及式(3)~(6)可得多效蒸发和热泵蒸发相对于单效蒸发的节能率ω,两者比较结果如图 4所示,图中:ω=1-1/η;字母a至h分别代表第一至第八效;Ⅰ为多效蒸发;Ⅱ为机械压缩式蒸发.

图 4

Fig. 4

图 4 多效蒸发和热泵蒸发相对于单效蒸发的节能率比较 Fig. 4 Comparison of multi-effect evaporation and heat evaporation relative to the single-effect evaporation in terms of energy saving rate

从图 4可知,机械压缩式热泵蒸发系统的能效比越高,η越大,节能率越高.当η=10时,机械压缩式热泵蒸发系统的节能率大大超过多效蒸发系统.对于多效蒸发,从第五效后曲线接近水平,再增加效数节能效果不明显.由于设备初投资增大、系统温差减小等因素存在,实际中很少采用高于五效的蒸发系统.机械压缩式热泵蒸发系统的节能率视传热温差不同而不同^[9],但均很高,远超过多效蒸发.同理,COP=12时也完全符合这一规律.

热泵蒸发消耗的电能需转换为标准煤与多效蒸发进行比较.由表 1可知,热泵蒸发功耗W=45.1 kW,所需标准煤量(以一天的用量为基准)为

由式(7)~(9)得M₁=0.401 t·d^－1.

根据表 1,系统需要的加热蒸汽量D=960.27 kg·h^-1,加热蒸汽压力为0.179 MPa,相同压力下水蒸气潜热γ=2 211.4 kJ·kg^-1.同理,以一天作为基准(忽略将常温时的水加热至饱和温度的显热),有

由式(10)~(12)得M₂=2.171 t·d^-1.

由以上计算可以看出,热泵蒸发所需标准煤量比传统多效蒸发要少,理论上可认为采用五效蒸发的效果低于热泵蒸发.研究结果表明,热泵蒸发系统效率高,耗能少,具有广阔的应用推广空间.

设计了一套机械压缩式热泵蒸发废碱液回收系统,将理论计算结果与多效蒸发系统结果进行比较.结果表明,该系统在节能效果和经济效益方面优势显著.同时,该系统采用板式换热器作为蒸发器,运用升膜蒸发方式实现溶液浓缩回收,结构紧凑,换热效果好.对于多效蒸发系统,效数越多,节能率越高,但五效以后节能率就不再明显提高.因此,虽然机械压缩式热泵系统初投资较大,但其节能效果显著,成本回收期短,具有很好的开发利用前景.