一、蒸發工藝及設備簡介（降膜為主）

　　蒸發（或蒸餾法）雖然是一種古老的方法，但由于技術不斷地改進與發展，該法至今仍是濃縮或制淡水的主要方法。

　　蒸餾過程的實質就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。

　　根據所用能源、設備、流程不同主要可分多效蒸發、多級閃急蒸發、蒸汽壓縮蒸發（MVR）等。

　　多效蒸發是最古老的淡化方法之一，在多級閃蒸誕生以前一直是蒸發、濃縮的主導。

　　原理：多效蒸發是由單效蒸發組成的系統。將前一蒸發器產生的二次蒸汽引入下一蒸發器作為加熱蒸汽，并在下一效蒸發器中冷凝成蒸餾水，如此依次進行。

　　原料水進入系統方式：有逆流、平流（分別進入各效）、并流（從第1效進入）和逆流預熱并流進料等。

　　與多級閃蒸比較而言的。優點：

　?、俣嘈д舭l的換熱過程是沸騰和冷凝傳熱，是相變傳熱，因此傳熱系數是很高?？偟膩碚f多效蒸發所用的傳熱面積比多級閃蒸少。

　?、诙嘈д舭l通常是一次通過式的蒸發，不像多級閃蒸那樣大量的液體在設備內循環，因此動力消耗較少；

　?、鄱嘈д舭l的濃縮比高；

　?、芏嘈д舭l的彈性大。

　　多效蒸發的工藝流程主要有三種，順流、逆流和平流。

　　順流：是指料液和加熱蒸汽都是按第一效到第二效的次序前進。

　　特點：

　?、俣嘈У恼婵斩纫来卧龃?，即絕對壓力依次降低；

　　故料液在各效之間的輸送不必用泵，而是靠壓差自然流動到后面各效；

　?、跍囟纫彩且来谓档?，故料液從前一效通往后一效時就有過熱現象，也就是發生閃蒸，產生一些蒸汽，即淡水；

　?、蹖舛却?，黏度也大的物料而言，后幾效的傳熱系數就比較低；而且由于濃度大，沸點就高，各效不容易維持較大的溫度差，不利于傳熱。

　　平流：

　　平流是指各效都單獨平行加料，不過加熱蒸汽除第一效外，其余各效皆用的是二次蒸汽。

　　適用于：容易結晶的物料，如制鹽，一經加熱蒸發，很快達到過飽和狀態，結晶析出。

　　在水處理過程中主要是要獲取淡水，不需用逆流和平流，而且逆流和平流沒有順流的熱效率高。

　　逆流：

　　逆流是指進料流動的路線和加熱蒸汽的流向相反。原料從真空度最高的末一效進入系統，逐步向前面各效流動，濃度越來越高，所以料液往前面一效送入時，不僅沒有閃蒸，而且要經過一段預熱過程，才能達到沸騰。

　　可見和順流的優缺點恰好相反。對于濃度高時黏度大的物料用逆流比較合適，因為最后的一次蒸發是在溫度最高的第一效。所以雖然濃度大，黏度還是可以降低一些，可以維持比較高的傳熱系數。這在化工生產上采用較多。

　　根據單效蒸發器的分析，蒸發量D/加熱蒸汽量D0=0.91或者D0/D=1.1，即1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水。

　　如果將蒸出的二次蒸汽通往第二個蒸發器的加熱室去作為加熱用，那么同樣1kg的二次蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水。

　　以此類推，效數越多，利用1kg加熱蒸汽可以蒸發出的淡水也越多，這從熱量的利用上來講是有利的。

　　實際上，由于溶液有沸點升高現象，管線有流動阻力損失，使溫差有損失，再加上效數多了，即使保溫很好，散熱面積大了，熱損失也增多，所以當效數增多時，熱量利用的效率也隨之有所降低。考慮到效數增加則設備的投資增大，故實際采用效數應該有一最佳點。

　　多效蒸發設備的種類繁多，不同的物料，不同的濃度，可選用不同的蒸發器。

　　按蒸發管的排列方向：可以分為垂直管蒸發器（VTE）和水平管蒸發器（HTE）。

　　按蒸發物料流動的類型：可以分為強制對流蒸發器和膜式蒸發器。

　　在膜式蒸發器中按流動方向：又可分為升膜式和降膜式蒸發器。

　　在降膜式蒸發器中分為：垂直管降膜和水平管降膜蒸發器。

　　按各效組合的方向可以分為：水平組合的蒸發器和塔式蒸發器。

　　組成多效蒸發系統的蒸發器有多種型式，常用的有以下主要三種。

　　▲浸沒管式（ST）

　　該種蒸發器是加熱管被料液浸沒的一大類蒸發設備。

　　廣義的浸沒管蒸發器又有多種樣式，有直管、蛇管、U形管以及豎管、橫管等結構。

　　料液在蒸發器中的流動方式有：自然對流循環和強制循環兩類。這種蒸發器出現較早、操作方便，但結垢嚴重、鹽水靜液柱高、溫差損失大，故效數不宜太多，一般在6效以下。

　　▲豎管蒸發（VTE）這里是指管內降膜式蒸發器。

　　兩個基本優點，一是因管內為膜狀汽化，傳熱壁兩側都有相變，故傳熱系數高。且消除了料液的靜液柱所造成的溫差損失。系統的濃縮率比較高，低濃度溶液如海水淡化，目前一般設計的效數為11～13效，造水比可達9～10。

　　結垢問題，特別是當液體分配不均或者水量不足時，在管的內壁可能形成干區，結垢的危險性增大。因此在防垢和清垢方面有較高的要求。

　　一般說來，在這類蒸發系統中晶種法不宜采用，主要靠化學法防垢加上溫度、濃度的合理設計。

　　▲橫管薄膜式（HTE）

　　該種蒸發器是循環料液通過噴淋裝臵在橫管束的管外形成液膜，加熱蒸汽（或前效二次蒸汽）在管內凝結。

　　它具有與豎管降膜式相同的優缺點，但設備高度遠比豎管降膜式為小，裝臵緊湊，所有各效的管束、噴淋管和汽水分離器都裝在一個筒體中，因而熱損失小，能耗低。

　　由于溫度低，結垢和腐蝕都大大減輕，保證了較高的傳熱系數；此外汽相阻力小，又消除了靜液頭損失，傳熱溫差可以很小，尤其適于使用低位熱能。

　　橫管薄膜蒸發器的原理

壓汽蒸餾原理

　　多效降膜蒸發流程

　　海水淡化為例

　　閃蒸是指一定溫度的水在環境壓力低于該溫度所對應的飽和蒸汽壓時發生的驟然蒸發現象。閃蒸后的水溫度降低以使其飽和蒸汽壓與環境壓力平衡。

　?。停樱埔彩抢昧诉@個原理，使加熱至一定溫度的料液，依次在一系列壓力逐漸降低的容器中閃蒸汽化，原料得到濃縮，蒸汽冷凝后得到淡水。

　　該方法是在多效蒸餾的基礎上發展而來的。相比多效蒸餾法多級閃蒸減少了垢的形成，多在低濃度料液濃縮中使用。

　低溫多效蒸發技術

　　多級閃蒸與其他技術相比，具有如下的優點:

　?、?由于此方法加熱與蒸發過程分離，并未使原水真正沸騰(僅是表面沸騰)，從而大大改善了一般蒸餾的結垢問題；

　?、?技術成熟可靠，運行安全性高，特別適合于大型的低濃度物料濃縮應用；

　?、?設備機構簡單，投資成本較低。

　?、?大量原水的循環和流體的輸送，導致操作成本升高；

　?、?與多效蒸餾法相比，需要較大的熱傳面積；

　　蒸發濃縮過程而言，介質發生“相變”：液相→汽相

　　水的比熱為1 kcal/kg〃℃。1 kg的水，溫度每上升1 ℃需要1 kcal的熱量。對1 kg的水加熱從0 ℃上升到100 ℃沸騰，僅需要100 kcal的熱量。將1kg 100 ℃的水汽化，成為同溫度的蒸汽，則需要539 kcal熱量。能耗是相當于使同樣重量的水溫度每升高1 ℃所需熱量的539倍。

　　新鮮蒸汽大量熱量→二次蒸汽→冷卻水→大氣

　　冷卻塔消耗大量循環水以及電能（泵）運行，造成三重浪費

　　MVR（Mechanical Vapor Re-compression）-機械蒸汽再壓縮，是指將蒸發(蒸餾等)過程的二次蒸汽(溫度低、壓力低而無法利用)用壓縮機進行壓縮，提高其溫度、壓力，重新作為熱源加熱需要被蒸發的物料，從而達到循環利用蒸汽的目的，使蒸發過程不需要外加蒸汽；即用少量的電能獲得較多的熱能，從而減少系統對外界能源的需求的一項高效節能技術。

　　MVR的作用：提高蒸汽的品位，而不創造能量

　　MVR 熱泵蒸發系統的開式循環機理是基于回收利用物料蒸發所產生的二次蒸汽的潛熱而進行。

　　由于在蒸發器中二次蒸汽所需的潛熱來自外排蒸汽本身冷凝所放出的潛熱，因此蒸發所耗的能量僅僅是壓縮機所耗的能量。

　　MVR 熱泵流程圖

　　根據MVR 熱泵系統的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機械功之間的比較。

　　下表以常壓下基本循環的狀態變化為例，通過模擬計算表明其在能源利用效率方面的優勢。

　　從上表看出，系統消耗90.5 kJ/kg 的壓縮功，就可以回收利用2257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達到了24. 9。工質的熱焓僅增加0. 8%，但其溫度提高了13%，相當于輸入少量的高品位機械能，卻把大量的低品位熱能轉化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

　　MVR并非新技術，國外早在1834 年就已有人提出MVR 熱泵的構想，而最終應用該項技術的產品是由瑞士的一家企業1917 年制造。

　　1925年，奧地利設計安裝了一套設備，由此出現了實際運行中使用的MVR 裝置。

　　上世紀70 年代石油問題造成了能源危機，在節能降耗的大勢所趨下，MVR 熱泵得到了迅速發展。

　　20 世紀80 年代，張家壩制鹽化工廠在國內首次引進機械熱壓縮工藝進行制鹽生產。

　　2010年，中鹽金壇引進的生產能力120萬噸/年精制鹽MVR 裝置，成功運行至今。

　　目前MVR技術已被眾多的行業和企業所認可。

　　MVR 熱泵裝置結合不同的處理工藝過程，需要提供適宜的傳熱溫差。蒸發過程中傳熱溫差和壓差大小一般與處理料液的熱敏性有關，高熱敏性料液適宜于小溫差條件下多梯度分階段進行。

　　MVR 熱泵系統的工藝流程也設計成單效蒸發和多效蒸發。

　　單效蒸發系統的流程簡單，操作較方便，適合于水分蒸發量大，熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發一次就可達到濃縮要求的溶液。

　　MVR單效蒸發系統

　　MVR 熱泵的多效蒸發工藝

　　MVR 系統多效蒸發方式適合于處理熱敏較敏感，不宜進行大溫差傳熱的溶液蒸發，同時其也可用于蒸發量較大的工藝場合。

　　蒸發器：主體設備，包含加熱器、分離器、循環泵。壓縮機系統：核心設備，壓縮二次蒸汽提供蒸發熱源，提高二次蒸汽的熱焓。

　　預熱器：余熱利用及提高進料溫度

　　真空系統：維持整個系統的真空度，從裝置中抽出部分不凝氣體以及溶液帶入的氣體，以達到系統穩定的蒸發狀態?？刂葡到y：PLC或DCS系統。壓縮機轉速、閥門、流量計、溫度、壓力的控制調節，以達到自動蒸發、清洗、停機等操作。自動報警，系統自動保護，以保持系統動態平衡。

　　自動控制系統：MVR蒸發系統控制中心（DCS或PLC控制中心），通過對電機轉速的調節，閥門、流量計、溫度、壓力的控制，以達到自動蒸發、清洗、停機等操作。自動報警，自動保護系統不受損傷，保持系統動態平衡。

　　自動清洗系統：不同的溶液蒸發一段時間后，可能會發生結垢現象，一般說99%以上的結垢都是可以通過添加化學溶劑除去，一般可以使用CIP原位清洗或者拆除清洗。

　　近年來，由于人類對能源的需求越來越大，能源供應成為瓶頸問題。面對如此情況，節能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一。

　　飲料工業（牛奶、果汁、乳清、糖溶液的蒸發濃縮）

　　食品、添加劑工業（味精、大豆、蛋白質乳液蒸發濃縮）

　　制藥及生物工程（中藥、維生素，氨基酸、檸檬酸等）

　　化學工業（蒸發濃縮、結晶、分離提純）

　　廢水處理（含鹽廢水、含重金屬廢水等）

　　制鹽工業、海水淡化

　　工作時間：24 小時/天300 天/年電價：0.8 RMB/KW·h 蒸汽價：200 RMB/T

　　蒸發器形式多樣：

　　強化的降膜蒸發器是一種高效節能換熱設備,與其他類型的蒸發器相比有明顯的優勢。

　　降膜蒸發技術屬薄膜蒸發,由于其相變發生在流動的液膜中,因而有高的傳熱系數和熱流密度,低的傳熱溫差,尤其低溫傳熱性能優良。

　　降膜蒸發器換熱管內的成膜均勻程度和成膜厚度是降膜蒸發器安全高效工作的重要保證；

　　溶液分布器的布液效果優劣，換熱管管壁出現液膜不均時產生的后果不僅僅是蒸發效率大大降低，同時可能造成換熱管局部溫度過高，出現“干燒”現象，長期持續下去將明顯減少其使用壽命。

　　管內液膜不均導致的蒸發不均問題還會在蒸發過度的管壁處析出部分溶質，集聚其表面后形成結垢。

　　此外，高溫下蒸發溶液內所含物質會呈現較強的腐蝕特性，在工藝設計過程中需要引起注意，可通過采取使用防腐性換熱器材料等措施來解決。

　　所謂換熱器傳熱過程的強化就是力求使換熱器在單位時間內、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。

　　應用強化傳熱技術的目的是為了進一步提高換熱設備的效率,減少能量傳遞過程中的不可逆損失,更合理更有效地利用能源,減少換熱面積,降低金屬消耗。

　　要求合理的設計、制造出高效的換熱器。

　　在換熱器中，提高傳熱性能的研究是指對傳熱的強化。

　　從強化傳熱的過程來劃分可以分為導熱過程的強化、對流傳熱過程的強化和輻射傳熱過程強化三大類，其中研究最多、應用最廣的是對流傳熱強化。

　　在冷流體和熱流體的進出口溫度一定時，通過改變換熱面的布臵來改變平均傳熱溫差。

　　但是由于受到受熱材料物理性質和實際工作條件的限制，平均傳熱溫差不可能太大，即傳熱平均溫差的增加是很有限的。

　　(2) 增大傳熱面積A

　　增加傳熱面積是研究最多的一種強化傳熱方法，是一種簡單且很有效的強化換熱途徑。

　　增加換熱面積的方法比較多，采用小管徑和擴展表面換熱面均可增加傳熱面積。

　　由以上可見，采用增加平均溫差以強化傳熱的途徑，其應用范圍有限。

　　用增加換熱面積是有效途徑，但同樣受到各種條件的限制，換熱面積不能增加過多。

　　提高傳熱系數成為提高換熱器換熱性能的主要方法。

　　傳熱系數和對流傳熱系數、管壁導熱系數、管壁厚度、污垢導熱系數有關，而管壁導熱系數和管壁厚度受材料規格、性能和換熱器運行工況的限制。

　　減小污垢的厚度或延緩垢層的形成以減小污垢熱阻與提高對流傳熱系數關系密切。

　　國內外學者大量研究實驗,普遍認為：布液器對原液分配的均匆程度及噴淋密度、液膜流動特性是影響降膜蒸發傳熱的主要因素。

　　目前主要存在的布液方式

　　主要分為溢流型、插件型、噴淋型三種。

　　溢流型結構簡單,安裝方便、不易堵塞,但布膜效果難以保正,適用于液膜分布要求不高的場合;

　　插件型能夠保證液體在單管內布膜均勾,但不易保證液體均勾分配到所有換熱管上,且流動阻力大、易堵塞、安裝要求精度高,適于處理清潔物料的小型降膜蒸發器;

　　盤式分布器布液均勾,不易結坂,操作穩定,但制造成本高,適用于大型降膜蒸發器。

　　降膜蒸發技術已比較成熟，將其運用到MVR 熱泵系統上時需注意系統的匹配優化問題。

　　影響換熱管內溶液均勻成膜的溶液分布器是提高降膜蒸發器性能和可靠性關健問題之一。

　　適宜于降膜蒸發的換熱面新結構型式開發也逐漸成為人們感興趣的研究方向。

　　當前應用于降膜蒸發管程強化傳熱的換熱管主要有波形管、橫紋管、螺旋槽紋管、縮放管、內插螺旋線圓管等。

　　分布分析,認為液膜形狀主要受表面張力影響,相對于光滑圓管,豎直螺旋槽紋管的液膜厚度更均勾,傳熱傳質性質更好。

　　光管和波紋管的平均傳熱膜分系數以及摩擦系數都隨液膜質量流量的增大而升高,而波紋管的傳熱系數比光管要高30%左右,壓降卻低于光管。

　　實驗結果證明液膜蒸發側的傳熱系數比光管高10%左右,

　　隨著噴淋密度的增加,傳熱膜系數提高,并且波紋管能夠更好的布膜,減少了“干斑”現象,能有效提高傳熱系數,降低總功耗。

　　扭曲橢圓管換熱器特點：

　　扭曲橢圓管換熱器是種新型高效的換熱設備。

　　將光滑圓管通過壓扁、沿軸線扭轉后獲得扭曲橢圓管。

　　由于扭曲橢圓管截面形狀為橢圓形,每個扭矩的長軸之間可以相互支撐，在殼程形成特有的無折流板自支撐結構,并且形成螺旋形流道,實現殼側流體縱向螺旋流動,降低了流動阻力,強化殼側流體擾動;

　　管程由于壓扁與扭曲作用,同樣為流體創造了螺旋形流道,流體受流道導引旋轉流動,能有效破壞邊界層,提高傳熱膜系數;

　　由于離心力作用,使流體能有效貼壁,應用于管內降膜蒸發器中能避免干壁現象,扭曲橢圓管管型及自支撐結構。

　　扭曲橢圓管換熱器

　　扭曲橢圓管能夠在犧牲較小管程壓降的條件下換取較高的傳熱效率,對換熱器強化具有很大的作用。

　　針對MVRHP 系統中關鍵設備降膜蒸發器：

　　換熱管內液膜的成膜均勻程度和成膜厚度是降膜蒸發器安全高效工作的重要保證；

　　換熱管管壁出現液膜不均時，可能會產生蒸發效率降低，同時也可能造成換熱管局部溫度過高，導致局部液膜斷裂,進而出現“干壁”現象

　　MVR設備的核心-壓縮機的類型比較：

　　MVR系統中壓縮機的效率

　　MVR核心-壓縮機

　　不同MVR壓縮機的后期維護

單級高速離心壓縮機

　單級高速壓縮機的葉輪

葉輪俯視

　　軸系

葉輪與擴壓器

進口導葉可調結構

　　單級高速離心壓縮機特點：

　　1流量大、可以達到1～300m3/s

　　2效率高、能耗低，壓縮機效率達到85%以上

　　3對蒸汽100%無污染、無需其他后處理

　　4使用壽命長、運行成本低

　　5振動小、噪聲低

　　6結構緊湊、維護方面

　　7壓力、溫度可調范圍廣、耗水少