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蒸汽压缩机蒸发装置的设计介绍

   【压缩机网】蒸汽压缩机蒸发装置与所用的工艺过程和设备有关,一套装置的设计需要满足其经济性、运行可靠性及操作维护方便等要求。其中,经济性要求较低的设备投资和操作运行费用;运行可靠性要求稳定生产、运行周期长;操作维护方便要求操作控制简便易行,易于检修,节省人力。
 
  一、设计的总体考虑
  1.蒸汽压缩机提供蒸发的推动力
  要实现蒸汽压缩机蒸发系统的完好正常运行必须消耗外功,此外功即为热能回收再利用的推动力。任何气体被压缩时期温度就会随压力的升高而升高。蒸汽压缩机蒸发装置就是把蒸发器内沸腾溶液所产生的二次蒸汽,经压缩机的压缩提高压力、温度,再送回蒸发器加热室管束的壳程间,同时放出蒸汽的汽热潜能,并传递给加热室管束内的溶液,使其继续蒸发。由于二次蒸汽的潜热得到反复的利用,蒸汽压缩机蒸发仅需从压缩机供给较少的能量,就可提供使热量传递给蒸发溶液所需要的推动力,保持蒸发器内溶液连续不断的沸腾蒸发。在蒸汽压缩机蒸发过程中利用压缩功的热当量使溶液不断地蒸发,不需要从别处供给加热蒸汽,无论采用何种类型的压缩机,在相同的吸入压力和排出压力的情况下其对蒸汽所做的压缩功都是相同的。在蒸汽压缩机蒸发操作中要以最小的输入功达到最大的蒸发效率,而最小输入功则以最高的传热速率来达到。当传热系数和温差经过试算初定后,问题就变成了在最小输入功的条件下,满足总传热量所需要而凑合传热面积的问题了。例如,在海水蒸馏中必须使传热系数最大,温差最小以便使压缩功率最小。然而,在化工生产中,有许多其他因素也是和设备的热平衡算有关的,这些因素在设计时都要考虑进去。
  最经济操作的关键是使压缩机尽可能超过的压力范围最小,以达到在高的传热速率下操作。显然,温度推动力越大,蒸发器所需的传热面积就越小,因而必须在操作费和设备费之间进行核算。几乎如何具体化状态都可以从热力学进行相当准确的计算。一般都假定压缩机的无用功可以抵消辐射热损失加上正常预热所需要的能量,而蒸汽压缩机的范围越大,越会生成过热过高的蒸汽,影响压缩机的单位能量的蒸发量,使其剧减。
  2.沸点升高消耗压缩功
  处理的溶液沸点升高会带来一些不利的因素。沸点升高将消耗克服沸点升高所需的压缩功,还会降低温差。为了保证有利条件下的正常操作,就得按比例扩大蒸发器的传热面积。在化学工业中,效率递减的转折点就出现在每千克生蒸汽能蒸发10~15kg蒸汽的时候,这时,蒸汽的用量已减少到超过单效的90%,可以认为这就是能够预期的特别高的经济性。生蒸汽的节约超过这一点,则费用便多过其所值。如果要求更高的节约,问题就会困难得多,这时要有尽可能高的传热速率和最小的温度差。任何妨碍这些需要因素势必导致效率的降低。沸点升高越大则压缩机出口压力就越高,相应的过热度也升得很高,这样耗功就越多。
  3.回收二次蒸汽冷凝液热量达到最好经济效果
  把蒸汽压缩方法用于某种生产过程时,由于从蒸发器加热室排出的二次蒸汽冷凝液的热量没有再加以回收利用,会使热效率降低不少,运行费用就有所增加,不是很经济,对生产不利。任何污物和溶质都可能在蒸发过程中随二次蒸汽夹带,因而沾污冷凝液。如果冷凝液作为产品,显然其质量就有问题;如果溶质作为产品,由于夹带原因而会使产率降低。在放射性废水的净化处理中,即便是极微量放射性物质的夹带,也会造成排放水很难达到排放标准,为了把二次蒸汽中所夹带的物质和液滴去除掉,装上除沫器是完全必要的。
  4.操作压力及不凝性气体的排放
  由于某些物料的特性,如食品工业及医药工业中的厂家,都要求蒸发器在真空条件下操作,这样可以保证避免高温使产品变质。设计中,根据工艺条件对压缩机提出具体要求,压缩比要保持在最适宜的1.5:1,不要超出2:1的范围,确保最佳经济效果。在真空条件下,蒸汽的比容会增大很多,在吸入同等质量的蒸汽必然要加大压缩机的容积,同时外界空气也容易向蒸发系统内渗漏,从而导致生产量的下降和操作条件的恶化。因此,蒸汽压缩机蒸发一般没有特殊要求,采用常压蒸发操作最为适宜。
  在整个蒸发过程中,存在水中的不溶解性气体会随着蒸汽的流动而积累在蒸发器加热室的管壳的空间里,因蒸汽在此放出汽化热而被冷凝成水,不凝性气体则越积越多占据一定空间,必然使传热面积减少,蒸发量下降。所以,设计时一定要考虑不凝性气体的排放问题。在放射性废水的蒸发处理中,其中不凝性气体就不能直接排入环境,应排入气体净化装置。而没有污染性的不凝气体是可以直接排放的。
  5.蒸汽压缩机入口蒸汽的适当过热和出口蒸汽的消除过热
  蒸汽压缩机蒸发过程中,如果采用离心式压缩机,要求吸入蒸汽不允许含有液滴,因为高速液滴在压缩机内会损坏旋转叶片,除去压缩机吸入蒸汽的液滴可采用两种方式:一是在压缩机前设置一台除沫器,把蒸汽中的雾滴除掉后进压缩机;另一方法是把压缩机出口的过热蒸汽返回少量使液滴汽化,以保证压缩机吸入的蒸汽为干饱和蒸汽。
  蒸汽压缩机蒸发均为干饱和蒸汽的压缩机出口的蒸汽必然过热,压缩范围越大,则过热的程度就越高。过热度应加以消除,否则会影响传热效果。其原因是在过热条件下传热时会在液相侧的传热壁上形成一层气泡,气体的传热系数比液体的传热系数小,因而传热速率下降影响蒸发效果。消除过热的办法是在压缩机出口管线上的适当位置喷入二次蒸汽冷凝水,也就是把从蒸发器收集的二次蒸汽冷凝水用送入到那个过热管线上的适当位置,而这段管线,应向蒸发器方向具有一定的倾斜度,这样可以保证喷水时一旦过多时,能自动流入加热室同那里的冷凝水一起流入二次蒸汽冷凝水收容器而不会流入压缩机中。
 
  二、蒸汽压缩机蒸发生产流程设备配置的考虑
  蒸汽压缩机蒸发装置的利用主要是为了节能,那么在蒸汽压缩蒸发生产过程中,凡是排出系统之外带有一定热量的介质或物料,都应通过某种方式将其热量加以回收利用,充分做到热量损失越小越好。因此,设备布置的越紧凑越好,设备之间管线越短越好。
  各个设备所处的位置与流通介质在运行循环点的需要相匹配,这样以需要就近安排设备,管线不长,设备紧凑,有利于提高热效率。下面是蒸发装置中的主要设备及功能:
  1.原槽液:槽内始终保持有一定量溶液,以确保能连续不断地向系统供料。槽内设有高、中、低检测液位计,并设有供料,泵的出口设有流量计及压力表。
  2.热交换器:第一预热器设置的目的就是为了回收二次蒸汽冷凝液中的热量。进入系统的冷料液在此得到第一次预热,热源为压缩后的二次蒸汽。在预热冷料的同时二次蒸汽也得到了冷却。
  第二预热器是为了回收排出的不凝性气体及其所夹带的蒸汽中的热量。进入系统的冷料液在第一次预热器得到第一次预热后又得到了第二次预热。
  3.蒸发器:是压缩机蒸发过程中生产浓缩物料或结晶的固体产品的关键设备,在此处理的溶液再次受热沸腾蒸发使其中的溶剂水分从溶液中分离出去,所形成的二次蒸汽通过压缩机的压缩再作为蒸发器的加热热源,浓缩液或固体产品从蒸发器底部排出。
  4.雾沫分离器:一是除去二次蒸汽中雾滴以确保进入压缩机的蒸汽的干饱和蒸汽。二是将二次蒸汽夹带的溶质捕集回收以减少产品的损失。
  5.蒸汽压缩机:是蒸发过程中形成节约热能的重要设备。通过压缩机回收二次蒸汽的热量,由此形成了投入少而收获多的条件;同常规单效蒸发相比节约蒸汽达90%左右。
  6.电热水箱:用作整个系统冷启动的热源,在正常运行情况下系统因热辐射损失热量的补偿和作为收集系统中连续不断地产生二次蒸汽冷凝液,并将共用泵连续不断地送入第一预热器加热进入系统的冷料液,而自身则被冷却。
  7.浓缩液收集槽:热泵生产过程的产品再次得到收集并送出系统。
 
  三、系统启动热源和补充热源
  蒸汽压缩机蒸发过程是在一个热平衡过程中进行的,由于过程的散热损失,必须补充热量以保持系统的热平衡。蒸汽压缩机蒸发在正常运行中其热源主要靠系统自身所产生的二次蒸汽热量。但是,系统运行开始时蒸发器中的料液还没有蒸发,即没有二次蒸汽,这样蒸发系统就运行不起来。当蒸发系统正常运行后,从理论上讲,系统就可以自行运转了,即只要由压缩机输入一定量的外功,就会产生不需要的外加热源,蒸汽压缩机蒸发系统就可以运行了。可是,在实际生产中,尽管设备、管线保温的再好也不是绝热的。这必然与周围环境存在着热交换,使系统产生散热损失,排出系统之外的物料也会带走部分热量。这些损失到系统之外的热量若不加补充,蒸发系统的热量就不平衡,运转就会慢慢停下来。因而,蒸汽压缩机蒸发系统只有通过补偿热源给系统补偿损失的热量,保持热平衡,才能维持正常运行。
  1.借用已有热力管网中的蒸汽
  启动热源时,将热力管网中的蒸汽引入蒸发器,使蒸发器内的溶液沸腾蒸发产生二次蒸汽,启动压缩机将二次蒸汽压缩提高温度压力后代替从管网引入的蒸汽,同时慢慢减少管网的蒸汽,待系统运行正常稳定后,如果压缩机做功可以维持正常运行又能弥补系统的散热损失时,即可关闭管网供蒸汽。作为补偿热源,如果蒸发过程正常后,压缩机做的功只能维持系统的正常运行,没有多余能量补偿系统的散热损失时,可利用热力管网中的少量蒸汽作为系统的散热损失的补偿。
  2.柴油机组
  蒸汽压缩蒸发器和一台能回收废热的柴油机组结合起来,可以得到很高的效率——相当于8效蒸发器的效率。但经常要求把柴油机的冷却水维持在较高的压力下操作,以获得最大的经济效益。这样的系统还有一个很大的优点,即它可以自己启动,不需要另加的加热热源。在海水淡化过程中,柴油发动机驱动蒸汽压缩机以及料液泵和蒸馏液泵,发动机的冷却及排气两系统的热传给进入系统的冷海水,但蒸发器中的水达到沸点后,压缩机吸入蒸发器所产生的二次蒸汽;压缩后并返回到蒸发器的加热室。有压缩机做功给系统提供附加热。通过增加压力来提升蒸汽的温度,这便导致蒸发器内的海水进一步沸腾蒸发,返回蒸发器加热室壳程中压缩的二次蒸汽被冷凝,作为饮用水而排出。
  3.蒸汽压缩机蒸发系统自身配备小型的启动点热水锅
  配备电锅炉电功率的大小完全由要求启动时间的长短而定,功率大当然启动的时间就短。其优点是省去锅炉房设施及运行维修人员,不烧煤或天然气,减少污染,可以自身启动,独立运行,不受外界条件的干扰,操作灵活,随时可以启动,也可以随时停止运行。
 
  四、选用适宜的压缩机及驱动装置
  在机械压缩式蒸发过程中,从启动到进入正常运行状态后,系统启动热源就可以关闭。维持系统连续不断地正常运行的推动力来自压缩机的做功。无论采用何种类型的压缩机,在相同的吸入压力和排出压力的情况下,对压缩机来说所做的理论功都是相同的。但是,随着压缩机的类型和结构的不同存在着不同的容积效率、机械效率、传动效率以及对外界的热损失等因素,因此对压缩一定量的蒸汽而言,其实际所需要的功率大有出入,而这所消耗的能量对蒸汽压缩机蒸发的经济价值有很大的影响,为了节约动力,提高经济价值,应根据具体情况合理地选择适宜的压缩机是很必要的。目前,在实际生产过程中,蒸汽压缩机蒸发过程中所用的压缩机根据蒸发量多选用罗茨式压缩机、螺杆式压缩机和离心式压缩机等。
  蒸汽压缩机的驱动装置根据实际情况,会选用电动机、柴油发动机和工业汽轮机作为原动机。
 
  五、蒸发器考虑选用要点以及蒸汽压缩机蒸发系统的运行与控制
  1.蒸发器的设计要根据所浓缩蒸发的物料的性质来进行考虑。
  (1)蒸发器的类型多采用外加热自然循环型、中央循环列管式、升膜或降膜式以及强制循环蒸发器等。
  (2)蒸发器材质的选择要根据蒸煮溶液的腐蚀性来确定。
  (3)蒸发器内操作压力,在食品和药物的浓缩过程中要求蒸发器内沸腾溶液在负压条件下操作,但在废水处理及无机盐的浓缩蒸发时,最好在常压下操作。
  (4)要考虑设备费用和运行费用的经济合理性。
  2.蒸汽压缩机蒸发系统的运行及控制
  蒸汽压缩机蒸发与其他化工单元的操作一样,系统的启动、运行和停车都必须严格按操作程序进行。一般步骤有:启动供料泵,开启启动电源,启动压缩机,调节电热水箱,启动热水泵和浓缩液泵,打开不凝性气体排放门和停车等,但必须根据现场工况进行调整。
  蒸汽压缩机蒸发系统的操作,可采用自动或手动,也可用作处理机进行程序控制,很容易实现全自动化操作。蒸发生产过程中的监测和其它产品生产过程里的监测一样,生产过程中各个监测点的测量数据可判别产品在过程和终端是否符合设计质量指标,保证生产过程能够正常稳定地运行。在蒸发过程中监控的主要项目有温度、压力、流量、液位以及压缩机的转速和功率,这些项目的参数在启动后,进入正常状态后应维持在相对恒定值的条件下。
  总之,设计工作最终必须满足生产需要。在蒸汽压缩机蒸发这个专业上的设计内容里还必须把节约能源、节约用水和环境保持这几个方面,尤其节能这一重点作以认真考虑,尽量做到完善。
蒸汽压缩机蒸发装置的设计介绍

标签: 压缩机蒸汽  

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