Как механическая парокомпрессия (MVR) на концентраторе экономит пар? Принцип теплового насоса и границы применения

Концентраторы — широко применяемое вакуумное выпарное оборудование в химической, пищевой и фармацевтической промышленности; они удаляют воду из жидкости и повышают концентрацию ценных компонентов. Традиционная однокорпусная выпарка потребляет около 1,1–1,3 т пара на тонну испарённой воды, и стоимость пара обычно составляет основную часть эксплуатационных затрат всей выпарной секции. Механическая парокомпрессия (MVR) использует паровой компрессор для повышения давления и температуры вторичного пара и возврата его в греющую камеру; расход свежего пара при этом обычно снижается почти до нуля, а основным энергозатратным ресурсом становится электроэнергия. В статье объясняются принцип MVR, величина экономии пара, границы применения и ключевая комплектация, чтобы вы могли решить до запуска проекта, стоит ли устанавливать MVR на этот концентратор.

В чём заключается принцип механической парокомпрессии (MVR)?

Краткий вывод: MVR берёт вторичный пар, который иначе был бы сброшен, сжимает и нагревает его компрессором и снова использует как источник тепла, заменяя «расход пара» на «расход электроэнергии».

Жидкость кипит в греющей камере; температура образующегося вторичного пара обычно на 3–8 ℃ ниже температуры греющего пара (типовой однокорпусный режим). В традиционной схеме этот вторичный пар направляется в конденсатор и сбрасывается; в схеме MVR он засасывается паровым компрессором, после сжатия давление и температура насыщения повышаются, и пар возвращается в греющую камеру, отдавая скрытую теплоту и продолжая выпаривать следующую порцию жидкости. Степень сжатия обычно составляет 1,1–1,5; при увеличении степени сжатия на 0,1 температура насыщения вторичного пара повышается примерно на 4–6 ℃. Пока повышение температуры вторичного пара покрывает температурный напор в греющей камере, система непрерывно циркулирует; свежий пар требуется лишь в небольшом количестве для предварительного прогрева при пуске и компенсации теплопотерь.

С термодинамической точки зрения тепло, необходимое для выпаривания, поступает из скрытой теплоты пара, которую в принципе можно вернуть после конденсации. MVR с помощью компрессора «повышает» низкотемпературный низкодавленный вторичный пар до высокотемпературного греющего пара — это эквивалентно перекачке низкопотенциального тепла на более высокий уровень механической работой, поэтому такой способ называют также тепловым насосом. Логика обратна холодильному циклу, но принцип схож: работа компрессора обменивается на многократно используемую скрытую теплоту, а эффективность системы зависит от степени сжатия и потерь температурного напора.

Почему вторичный пар можно «рекомпрессировать» и снова использовать?

Краткий вывод: потому что скрытая теплота вторичного пара, образующегося при выпаривании, очень велика, а после сжатия его температура повышается, и он снова может служить источником тепла; чем ближе температура и чем меньше степень сжатия, тем меньше расход электроэнергии.

При атмосферном давлении вода кипит при 100 ℃, скрытая теплота парообразования около 2257 кДж/кг. При сжатии насыщенного пара 100 ℃ до примерно 110 ℃ давление насыщения повышается с ~0,101 МПа до ~0,143 МПа — степень сжатия около 1,4. Этот пар 110 ℃ возвращается в греющую камеру и при температурном напоре относительно жидкости 105 ℃ продолжает подавать тепло. В вакуумной выпарке ситуация аналогична, только абсолютное давление ниже: например, при выпаривании при 0,02 МПа (температура насыщения около 60 ℃) сжатие до 0,026 МПа (~66 ℃) также обеспечивает температурный напор 4–6 ℃. Чем меньше степень сжатия, тем ниже мощность компрессора, поэтому проектировщики снижают температурный напор до минимально допустимого по технологии, ценой увеличения площади теплообмена.

Насколько MVR экономит пар по сравнению с одно- и двухкорпусной выпаркой?

Краткий вывод: однокорпусная выпарка расходует около 1,1–1,3 т пара на тонну испарённой воды; двухкорпусная — около 0,55–0,65 т; при подходящих условиях MVR обычно снижает расход свежего пара до 0,05–0,15 т, а основным затратным ресурсом становится электроэнергия.

Суть энергосбережения MVR — «обмен тепла на работу». Скрытая теплота вторичного пара возвращается компрессором, поэтому системе больше не требуется большое количество свежего пара для непрерывного нагрева. По общеотраслевому опыту, MVR расходует около 30–70 кВт·ч электроэнергии на тонну испарённой воды (включая компрессор и вспомогательные насосы) в зависимости от температурного напора, степени сжатия и уровня теплоизоляции; соотношение цен на электроэнергию и пар определяет экономическую целесообразность. При высокой цене пара, длительном времени работы и стабильной производительности срок окупаемости MVR обычно короткий; если пар дешёвый и время работы в сутки небольшое, традиционная многокорпусная выпарка выгоднее. В таблице ниже приведено типовое сравнение трёх способов (все значения — общеотраслевые эмпирические):

Как выбрать между MVR и пароструйной компрессией (TVR)?

Краткий вывод: TVR использует свежий пар высокого давления в качестве рабочего агента для подсасывания вторичного пара — конструкция проста, но зависит от давления пара; MVR приводится электричеством, степень сжатия более гибкая и подходит для предприятий без пара высокого давления.

TVR (термическая парокомпрессия) использует свежий пар 0,6–1,0 МПа в качестве рабочего агента эжектора для смешения и повышения давления низконапорного вторичного пара, превращая один корпус в «1+1» корпусов; капитальные затраты низкие, вращающихся узлов нет, но эффективность эжектора зависит от колебаний давления пара, и расход свежего пара остаётся значительным. MVR использует роторный (Roots) или центробежный компрессор с регулируемой степенью сжатия и не зависит от источника пара; подходит для предприятий без пара или с высокой ценой пара. При выборе сначала проверьте наличие стабильного пара высокого давления на площадке: если он есть и дёшев, TVR стоит рассматривать в первую очередь; если пара нет или электроэнергия относительно дёшева, больше подходит MVR. Оба способа можно комбинировать с многокорпусной выпаркой, образуя гибридную схему «многокорпусная + MVR».

Какие материалы подходят для MVR? Какие условия не подходят?

Краткий вывод: лучше всего для MVR подходят материалы с большой производительностью по испарению, стабильной температурой кипения, низкой термочувствительностью и высокой ценой пара; термочувствительные, вспенивающиеся, малопроизводительные или часто останавливаемые режимы требуют осторожной оценки.

Типичные подходящие сценарии — крупнотоннажная непрерывная выпарка: концентрирование рассолов, молочной кислоты и сиропов, выпарная обработка сточных вод. В этих случаях повышение температуры кипения стабильно, подбор компрессора обоснован, а система может длительно работать на полной нагрузке. Неподходящих случаев три. Во-первых, сильно термочувствительные материалы: для уменьшения температурного напора MVR часто требует большей площади теплообмена, время пребывания в греющей камере увеличивается; если технология не допускает длительного нагрева, следует применять плёночный испаритель с малым температурным напором и проверить время пребывания. Во-вторых, вспенивающиеся материалы: пена, уносимая вторичным паром, загрязняет и даже повреждает рабочее колесо компрессора, поэтому требуются эффективный каплеотбойник и доступ для очистки. В-третьих, малые партии с частыми пусками-остановками: после распределения потерь на пуски и капитальных затрат энергосберегающее преимущество неочевидно — в этом случае спокойнее работает одно- или двухкорпусная схема.

Как определить ключевую комплектацию концентратора с MVR?

Краткий вывод: основное — выбрать производительность компрессора по количеству испаряемой воды, степень сжатия по повышению температуры кипения, тип испарителя по свойствам материала, а также предусмотреть каплеотбойник, конденсатор и вакуумную систему.

Производительность компрессора рассчитывается по часовому количеству испаряемой воды и требуемому температурному напору; роторные (Roots) компрессоры обычно подходят для малой и средней производительности и повышенной степени сжатия, центробежные — для больших расходов и малой степени сжатия. Площадь теплообмена рассчитывается по общему коэффициенту теплопередачи и среднелогарифмическому температурному напору; общий коэффициент кожухотрубных греющих камер обычно принимают в эмпирическом диапазоне 600–900 Вт/(м²·К) с поправкой на вязкость и склонность к загрязнению. Вакуумная система поддерживает давление выпаривания; конденсатор в основном обрабатывает избыточный пар при пуске и пар, выносимый неконденсируемыми газами; при нормальной работе нагрузка на конденсатор значительно снижается. Для комплектации необходимы пять базовых параметров: концентрация на входе, концентрация на выходе, температура выпаривания, цена пара и цена электроэнергии — тогда спецификации компрессора, теплообменника и вакуумного насоса фиксируются сразу.

Какие параметры материала нужно подготовить перед внедрением MVR?

Краткий вывод: нужно как минимум пять групп параметров — производительность по испарению, концентрации на входе/выходе, повышение температуры кипения, термочувствительность и склонность к вспениванию; отсутствие любого из них может привести к ошибке подбора компрессора.

Производительность по испарению определяет масштаб системы и обычно задаётся как часовое количество испарённой воды; концентрации на входе и выходе определяют общий объём испаряемой воды и время цикла; повышение температуры кипения определяет степень сжатия и модель компрессора; термочувствительность — тип испарителя и время пребывания; склонность к вспениванию — конструкцию каплеотбойника и защиту компрессора. Кроме того, содержание твёрдых веществ, солей и склонность к накипеобразованию влияют на запас площади теплообмена и периодичность очистки. Эти параметры не требуют лабораторной точности, но должны задаваться разумными диапазонами, чтобы изготовитель мог выполнить предварительный расчёт по «типичным/обычным» эмпирическим значениям и уточнить их в техническом соглашении. При нестандартном изготовлении концентраторов компания Haolin Shengda сначала выпускает конфигурационный лист по этим параметрам, затем согласует марку компрессора, взрывозащищённость и требования автоматизации.

Как определить мощность и скорость вращения компрессора системы MVR?

Краткий вывод: мощность компрессора рассчитывается по расходу пара и температурному напору, скорость определяется моделью компрессора, а мощность приводного двигателя обычно выбирается с запасом 10–20% по степени сжатия и расходу.

Роторные компрессоры (Roots) обычно работают при 1000–3000 об/мин и подходят для малой и средней производительности; центробежные компрессоры имеют более высокие обороты — до 5000–20000 об/мин — и подходят для больших расходов при малой степени сжатия. Мощность двигателя выбирается по мощности на валу компрессора с учётом потерь в передаче; мощность на валу пропорциональна расходу пара и температурному напору. При проектировании сразу фиксируются четыре параметра: расход пара на входе, степень сжатия, частота вращения двигателя и мощность. При длительной работе на пониженных оборотах необходимо проверить охлаждение двигателя и при необходимости установить отдельный вентилятор.

При повышении степени сжатия на 0,1 мощность на валу возрастает примерно на 8–12% (типичное эмпирическое значение), поэтому не следует без необходимости повышать степень сжатия, если технология уже обеспечена; при более высокой степени сжатия площадь теплообмена может быть меньше, и эти два фактора нужно сравнивать по экономике вместе. Датчики частоты вращения, датчики температуры и контроль вибрации позволяют заранее предупредить о неисправности компрессора и сократить внеплановые остановки.

Компания Haolin Shengda производит реакторы из нержавеющей стали, мешалки-танки, резервуары для хранения, диспергаторы, концентраторы и комплектные химические линии, а также выполняет нестандартное изготовление концентраторов по схемам одно-, двухкорпусной выпарки и MVR с расчётом площади теплообмена и подбором компрессора по параметрам материала. Перед внедрением MVR рекомендуется сначала рассчитать четыре параметра — производительность по испарению, повышение температуры кипения, цену пара и цену электроэнергии, а затем обсуждать конфигурацию оборудования.

Дополнительное чтение: - Как выбрать между одно- и двухкорпусным концентратором? Определение экономии пара по производительности и термочувствительности материала - Как выбрать теплоноситель концентратора? Пар, термомасло и электронагрев по термочувствительности материала и производительности

Статья подготовлена компанией Haolin Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn). Основная продукция: реакторы из нержавеющей стали, мешалки-танки, резервуары для хранения, диспергаторы, концентраторы и комплектные химические линии; возможна нестандартная комплектация.