机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统性能研究.docx

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1、机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统性能研究当前位置：文档视界机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统性能研究机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统性能研究ResearchanddevelopmentofMechanicalVaporRecompressionsystemAThesisSubmittedtoNanjingTechUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYChengzhenGuSupervisedbyProf.HoushengHongApril2021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获得的

2、研究成果。尽我所知，除了文中十分加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其别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奉献均已在论文中作了明确的讲明并表示了谢意。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，能够采用影印、缩印或其他复制手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受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，请保留三年后根

3、据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：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。其中蒸发浓缩经过是特别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MechanicalVaporRecompression，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，被以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

4、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AspenPlus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

5、最佳3.MVR热泵系统蒸发压强应结合详细产品的热敏性，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;最适蒸发压强与详细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

6、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，系统的能耗只要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，详述了详细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比照，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蒸发量单位能耗蒸发量AspenplusABSTRACTTheworldtodayisfacingbothsevereenergycrisisandenvironmentalcri

7、sis.Thetotalenergyisshortage,whichseriouslyconstrainstherapiddevelopmentofChinasnationaleconomyandthecountryhasbeenadvocatingenergysavingproductionmethods.Concentratedbyevaporationprocesswhichisaveryenergy-intensiveproductionprocesses,andiswidelyusedindyeingandfinishing,papermaking,chemicalengineeri

8、ng,pharmaceuticalandfoodindustries.Therefore,itisnecessarytodevelopanewevaporationplantwhichislowenergyconsumption,lowoperatingcostsandahighdegreeofautomation.MechanicalVaporRecompression(MVR),whichhasbeenconsideredoneofthemostenergy-efficientevaporation,helptoreuseheatandimproveenergyefficient.Thet

9、heoryisthatthesecondarysteamcreatedbyevaporatorisrecompressedbycompressor,thepressure,temperatureandenthalpyofthevaporishigher,andcanbeusedastheheatsourcetoheatsystemitself.Materialsabsorbsheatbecauseofcondensationofsteam,andwaterinthematerialsbecomesvaporbecauseofendotherm.Thesecondarysteamiscompre

10、ssedandusedagain,sothematerialscontinuedtoevaporate.Hence,thesystemonlydemandsofenergyfromthecompressor.ThispaperestablishedaMVRevaporationprocessflowthatcanfullyuseenergy.Qualityandenergyofeachoperationnodewerecalculated，andasystemofsimulationprocesswasestablishusingtheAspenPlussoftware.Thisresearc

11、hinvestigatedthemassflowofcyclicsteamandthemassflowofaddedwaterunderdifferentfeedtemperatures,condensationtemperatures，theratioofvaporcompressionandevaporationpressure，byanalyzingcontrollingunitoperations.Theresultsintheoryshowedthat:(1)rawmaterialsreachedtheoptimalconditionsinsaturatedliquidsorslig

12、htlyoverheated.(2)thevaporcompressionratioofcompressorinthe1.82.2wasmorereasonable.(3)ThevaporpressureofMVRsystemshouldbecombinedwithspecificheat-sensitiveproductsasmuchaspossibleatarelativelylowevaporationpressure.(4)Thecondensateispreferablydischargedinthesaturatedliquid.MVRexperimentalplatformwhi

13、chcanhandle150kg/hwaterevaporationisdesigned,wherefallingfilmevaporatorhavinganevaporationareaof10m2.Rootcompressorisselectedasavaporcompressorwhichownpowerof18kw,alsodesigngas-liquidseparator,tanksandpipingsize.Thispaperinvestigatedthatfeedtemperature,evaporationpressureandcompressorfrequencyhowtoa

14、ffectevaporationofthetotalamountofwaterevaporationandspecificmoistureextractionrater(SMER),whichisasperformanceindicatorsofMVR.Theresultsshowthat:theoptimumtemperatureofthefeedisasaturatedliquidtemperatureattheevaporatorpressure.theoptimumevaporationpressurebasedonevaporationcapacityandcompressoreff

15、iciencywhichCloselyrelatedtothespecificsystem.Whilemaintainingahighlevelofefficiencyofthecompressor,theevaporatorpressureissuitablyinfavorofenergysaving.Frequencyofthecompressordirectlyaffectevaporationofthetotalamountofwaterandcompressorpower,SMERisincreasingwhenimprovethefrequencyofthecompressorwi

16、thintheallowablerange.Theenergyconsumptionofthesystem,measuredat86kPaofevaporatorpressure,onlyoccupytheoreticalminimumenergyconsumptionof46%comparedtothethree-effectevaporation.Asrequiredbytheindustrialproduction,waterevaporationcapacityof1000kg/hisdesignedpreliminaryandcalculatedofspecificcondition

17、sindetail.Bycontrastwiththethree-effectevaporator,MVRsystemcansave400,000yuan,equivalenttosaving74%coalannuallyintheory.KEYWORD：MVR；energyconsumption；waterevaporation；SMER；Aspenplus目录摘要.IABSTRACT.(i)第一章绪论(1)1.1课题背景(1)1.1.1能源与环境的严重形势(1)1.1.2余热回收的意义(2)1.1.3蒸发工艺的应用与发展(3)1.2MVR蒸发技术的研究现状(5)1.2.1MVR蒸发系统简介

18、(5)1.2.2MVR蒸发技术国外研究现状(10)1.2.3MVR蒸发技术国内研究现状(11)1.3MVR蒸发技术的优势与发展(14)1.4化工经过模拟系统(18)1.4.1Aspenplus系统介绍(18)1.4.2AspenPlus模拟在工业生产中的应用(19)1.5本文研究的内容与意义(20)1.5.1主要研究内容(20)1.5.2课题的意义(20)第二章MVR蒸发系统分析与模拟计算(22)2.1MVR蒸发系统的理论基础(22)2.1.1蒸汽压缩机的热泵原理(22)2.1.2MVR系统的流程及原理(24)2.1.3MVR蒸发的数学模型(25)2.2水体系下的计算与理论分析(28)2.2.

19、1MVR系统的理论计算(28)2.2.2MVR系统的节点分析(29)2.3MVR流程模拟的工艺优化(32)2.3.1二次蒸汽流量的灵敏度分析(33)2.3.2补充水的灵敏度分析(34)2.3.3压缩机功率灵敏度分析(34)2.3.4能效比的灵敏度分析(35)2.4本章小结(36)第三章蒸发量为150kg/h的MVR实验平台的建立(37)3.1主体单元构造设计(37)3.1.1压缩机选型与功率计算(37)3.1.2蒸发器的设计计算(40)3.1.3气液分离器直径和高度计算(48)3.2MVR系统相关设备的选型设计(50)3.2.1容器储罐的设计(51)3.2.2预热器的选型与计算(53)3.2.

20、3仪表及管道阀门的设计(54)3.2.4MVR系统设备一览表(55)3.3MVR实验测试与分析(57)3.3.1实验流程与操作(57)3.3.2实验参数的检测与测试方法(58)3.3.3实验结果与讨论(59)3.3.4中试结果的能耗分析(62)3.4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(66)4.1工业级MVR系统的设计(66)4.1.1产品特性与处理要求(66)4.1.2MVR系统处理发酵废液的设计方法(67)4.1.3蒸发量为1000kg/h的MVR系统工况计算(69)4.1.4MVR系统的自控方案(70)4.2MVR系统的能耗分析(72)4.2.1蒸发

21、量为1000kg/h的三效蒸发器能耗估算(72)4.2.2蒸发量为1000kg/h的MVR系统能耗估算(73)4.2.3MVR系统的经济效益和能源效益(73)4.3本章小结(74)第五章总结与瞻望(75)5.1主要结论(75)5.2本文创新点(76)5.3课题瞻望(76)参考文献(78)附录(84)成果(86)致谢(87)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，煤炭供给也就150年左右，天然气储备到21世

22、界下半叶也将宣告干涸。核能的利用率固然很高，但以每年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。因而进入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奉献者，尤其是拥有诸多人口、经济实力仍然薄弱、总体生活水平不高

23、、正在一心一意谋发展的中国来讲，对能源的需求消耗日益增加。据统计中国占全球能源消耗增量的71%，中国人口诸多，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%，美国的利用率到达51%，西欧国家为40%，与之相比我国能源利用率差距较大。中国的煤炭储备固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%，2020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特别紧张，形势不容乐观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