文 献 综 述

1.MVR蒸发系统的工业应用背景

由于能源价格的上涨，特别是煤资源的紧缺，煤炭能源的高污染，而且煤炭工业逐渐大众化廉价化，因此在蒸发浓缩阶段寻找一种能够反复利用二次蒸汽的蒸发系统是未来工业发展的方向^[1-2]。MVR蒸发系统就是能够反复利用二次蒸汽，一旦系统运转正常后无需补充新鲜蒸汽的一种新型蒸发浓缩系统。该系统运行的基本原理就是蒸发器产生的二次蒸汽经过蒸汽压缩机的作用产生高温高压蒸汽，并用此蒸汽重新作为加热热源，系统便因此持续永久的运作，整个工程所需的新鲜蒸汽量很少，消耗的只是部分电能。由MVR在相关行业应用效果来看，MVR蒸发系统的使用具有很大的经济效益和社会效益：国药集团威奇达药业有限公司生产的某种抗菌素，提纯后的废液是废酸水且水量大，COD浓度高，该废水可生化性差，需要进行蒸发浓缩处理。该企业采用了MVR蒸发技术，蒸发量为150 t/h处理规模，单位处理成本仅9.97元/t。MVR在氯化钠蒸发结晶装置与同期运行的三效蒸发器相比，通过实际运行数据对比得知同样9 t/h蒸发量，每年可节省560万元，可节约的标煤有2500吨，可减排的二氧化碳达6500吨，可减排的二氧化硫有22吨，可减排的氮氧化物有19吨。在处理味精生产发酵液方面，MVR蒸发系统代替四效蒸发器，不仅减少了运行期间的热源消耗、省去冷却系统、节约占地面积，而且节约标准煤78%以上，节能效果非常突出。据”第三批国家重点推广节能技术报告”中表示，预计2015年，发酵行业产品年产量约2500万吨，蒸汽消耗约2亿吨，其中，浓缩工段约占总能耗的40 %，则浓缩工段用汽约8000万吨。采用MVR蒸发技术，单位产品浓缩汽耗可节约90 %以上。近年来，MVR技术已成为生物医药与农药、化工业、食品加工业、制盐业等各类行业蒸发浓缩环节大力推广使用的节能减排技术，其低能耗、高效率的特点明显优于传统的蒸发技术，在未来有着巨大的发展潜力^[3-7]。

国外早在1834年就有人提出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Sulzer-EscherWyss Ltd于1917年制造简单系统，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。我国的相关研究起步较晚，发展也慢，上世纪70年代末，有研究人员进行了初步试验，其良好的节能效果在国内得到展示^[8]。四川省自贡市张家坝化工厂于1989年引进了此种装置，运行四年后由于各种原因而淘汰，此后国内虽也一直在进行这方面的研究，但取得的实质性成果很少。该技术主要被国外的美国GE、德国的GEA和Messo等公司垄断。国内目前没有完全独立开发的系统，小型系统依靠进口压缩机组装来实现，大型系统或全部进口或依靠国外设计并进口关键部件。我国很多公司看好该技术的前景，但技术开发的实力有限，急需技术积累[^9-11]。

2.MVR蒸发系统的国内外研究进展

MVR蒸发系统的研究主要集中在系统工艺流程设计、蒸汽压缩机、蒸发换热器和气液分离器等四个方面。（1）MVR热泵装置结合不同的处理工艺过程可设计成单效蒸发和多效蒸发。目前，国内已有学者在对麻黄素废液的处理过程中设计采用了MVR蒸发系统的单效蒸发方案。另外，制盐工艺也适合采用单效蒸发的方式，中盐金坛引进的生产能力120万吨/年MVR装置应用在井矿盐的制取上^[12]。（2）蒸汽压缩机的研究与开发技术在西欧各国较早，芬兰于1981年开始试用风机型压缩器，经多年的实践和逐步完善，现在这种压缩机已在西欧各国普遍使用。近几年来，国内行业也加快了国产蒸汽压缩机的开发进程，沈阳化工机械厂已生产出螺杆式蒸汽压缩机，目前还只能用于科研试验。同时期也有学者提出了使用罗茨风机作为提升水蒸气压力的思想。随着蒸汽压缩机国产化研究的深入，防腐防锈密封耐高温和长期运行时的安全可靠性成为其主要的技术难题。近年来业内新开发的无油润滑和水润滑技术或许将为解决该问题指出一个方向^[13]。（3）MVR的节能效果显著，但也需要高效的换热装置与之匹配。在国外，以降膜式蒸发器在MVR上的应用日臻成熟，有研究者将相关的传热强化措施融入其中，进一步提高了换热效果，如闪蒸-降膜蒸发系统。另有研究人员设计了全新的降膜蒸发器结构，以解决常规换热器型所面临的问题，如伞板型换热面、酒窝状竖板换热面等。国内很多研究者已经开始研究升膜式蒸发器和水平管蒸发器等在MVR上的应用。另外适宜于降膜蒸发的换热面新结构型式的开发也逐渐成为人们感兴趣的研究方向。（4）高效的气液分离器在MVR上的应用将是永恒的课题。近年来，国外的很多学者在气液分离内液滴变形、破碎与碰撞等理论方面做了一系列的研究，对传统的重力丝网式分离器、旋流板式分离器和旋风式分离器等做了结构的改造和优化，分离效率可达到99%。随着计算流体力学（CFD）的发展，国内的学者开始使用Fluent等模拟软件对气液分离器进行研究，为进一步提高气液分离效率，很多学者已尝试研究组合式气液分离器在MVR上的应用。总体的分离效率也能达到97%以上^[14-15]。

3．MVR蒸发系统的研究内容与意义

研究内容：1）MVR蒸发系统的工艺条件的研究，由于MVR蒸发系统是由蒸发器，气液分离器，蒸汽压缩机，真空系统等多个单元组成，其中每个设备单元都对二次蒸汽的利用效率至关重要。每个单元结构的工艺参数都对系统运行的稳定性和节能性影响重大。因此系统中各个单元的工艺条件是研究的重点。2）MVR蒸发系统中单元结构的优化，蒸发器是MVR蒸发系统的主体，为了能选出最适合MVR体系的蒸发器，分别对蒸发器的主体，气液分离器，蒸汽压缩机扥做不同类型的比较和选型。3）设计MVR蒸发系统的流程图，对系统中必要的附属结构作优化选型。

设计MVR系统的意义：由于MVR蒸发技术在工业应用上有诸多优点：除刚启动外，生产中几乎不用新加蒸汽，生产时靠把蒸发出的全部二次蒸汽压缩提高温度后作为加热蒸汽维持设备持续运行，二次蒸汽潜热得以利用^[16]；蒸发浓缩阶段几乎不用冷却水；MVR能适合低温蒸发，最低温度可以到达55 ℃ 左右，非常适于热敏性物料浓缩；与传统的三效蒸发设备相比，蒸发每吨水分仅需增加20 kW的耗电。用电代替蒸汽节煤率达60%左右；而且几乎不用蒸汽和冷却水，大大减少了锅炉房烟气排放和冷却水排放，减少环境污染，有利于环境保护。本课题的设计主要在于开发设计出一种高效稳定的节能蒸发体系，为MVR蒸发体系在生物农药蒸发浓缩阶段的应用提供理论基础和实践指导^[17-19]。