热泵蒸发技术对废碱液处理的经济性研究

摘要：

针对化工和食品加工行业废碱液回收排放要求，设计了一套新型双效逆流升膜蒸发机械压缩式热泵废碱液回收系统，并给出了系统流程图.该系统以板式换热器作为蒸发器，在保证充分换热的前提下，通过对一、二效蒸发冷凝器进行热平衡计算以及对系统能效进行经济性分析，分析、比较了多效蒸发和热泵蒸发过程，从而得到系统性能指标的变化规律.结果表明：机械压缩式热泵蒸发技术的制热性能系数较高，可更好地提升节能效果，实现经济效益最大化，并对保护环境起到了至关重要的作用.

关键词：

升膜蒸发； 机械压缩式热泵； 多效蒸发

中图分类号： TK 124

文献标志码： A

Abstract：

According to the demands of the waste lye recycling emissions from chemical industry and food processing，a new kind of doubleeffect adverse countercurrent rising film evaporator mechanical compression heat pump used in the waste lye recycling system is established.The plate heat exchanger was used as evaporator in the system，in this study，the system process is drawn.In the context of full heat，through the first and second effect evaporative condenser heat balance calculation and system economics analysis of energy efficiency，more fully to compare multieffect evaporation with heat pump evaporation，then we know the relationships of the variation of system performance.It turned out that，the mechanical compression type heat pump has a higher thermal performance coefficient.Better to realize the energy saving effect and economic benefit maximization.For the protection of the environment have played a vital role.

Keywords：

climbing film evaporation； mechanical compression； multieffect evaporation

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.

1热泵蒸发浓缩碱液回收系统

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.

2理论分析及设计计算

2.1机械压缩式热泵蒸发系统原理

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.

2.2升膜蒸发原理

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.

2.3系统设计原理

3热泵蒸发系统能效经济性分析

3.1节能分析

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.

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.

式中：ξ为锅炉热效率（取0.8）；P4为标准煤在加热锅炉时释放的一次能源量；P3为质量流量为960.27 kg·h-1的水蒸发为蒸汽所需的能量；M2为传统多效蒸发锅炉所需标准煤量.

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.

4结论

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.

参考文献：

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[2]冯霄，运新华，郁永章.多效蒸发与热泵蒸发的分析与比较[J].化工机械，1995，22（1）：52-55.

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[6]文咏祥，马胜利.45%隔膜碱一次性浓缩为73%片碱的国产升膜技术探讨[J].氯碱工业，2003（2）：32-34.

[7]曲虎，马梓涵，管善峰，等.油田采出水中溶解性气体的腐蚀与防护[J].环境科技，2011，24（2）：60-69.

[8]BUONOPANE R A，TROUPE R A，MORGAN J C.Heat transfer design method for plate heat exchangers[J].Chemical Engineering Progress，1963，59（7）：57-61.

[9]冯霄.压缩式热泵蒸发系统的热经济系统优化设计[C].热力学分析与节能论文集，北京：科学出版社，1993.

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