作者：王向斌* ，赵军 （上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

摘要: 蒸发结晶技术可用于废水的浓缩处理，但传统的多效蒸发技术运行成本高。机械蒸汽再压缩技术 （Mechanical Vapor Recompression, MVR）可以有效地降低蒸发过程的能耗，对节约能源和减少废气废水排放具 有重要意义。本文针对用于处理高浓度含盐化工废水的 MVR 系统做了介绍，并对自制试验系统采用的管壳式 热交换器和闪蒸器做了热力计算和结构设计，提出了设计要点和注意事项。

关键词: MVR 技术；预热器；换热器；闪蒸器

0 引言

进入新世纪以来，面对着保护环境和节约能源 的双重要求，高污染、高耗能的化工产业正受到前 所未有的压力，如何提高能源利用效率、减少能源 消耗和有毒有害污染物质的产生，成为化工产业需 要解决的紧迫现实。对于常见的含盐化工废水的处 理，多效蒸发技术[1]目前的应用很广泛，但该技术 存在热效率不高，消耗生蒸汽量大的不足，因此在 多效蒸发技术的基础上提出了机械蒸汽再压缩技 术（Mechanical Vapor Recompression, MVR），这一 技术因为很好地解决了多效蒸发技术消耗蒸汽量 大成本高的问题，符合国家建设节约型社会的要 求，正在得到越来越多的运用。

1 含盐化工废水蒸发处理技术现状

1.1 多效蒸发技术 对于含盐化工废水的处理，常用的是蒸发结晶 技术。蒸发结晶技术是对溶液进行加热蒸发水分将化工废水浓缩，然后将浓缩后的高浓度废水冷却 使溶液中的多种盐分结晶与水分离的技术。常用 的蒸发系统是多效蒸发系统，其原理是将多个蒸 发器串联起来，上一效蒸发器中产生的二次蒸汽 直接或会同外界热源通入到下一效蒸发器中对蒸 发器中的溶液加热使水分蒸发，每一效蒸发器的 冷凝液汇集后排出，溶液后一效蒸发器中饱和析 出结晶，然后进行固液分离，其原理如图 1 所示。 这种多效蒸发技术虽然通过多次蒸发有效利用了 二次蒸汽，提高了能源利用率，但系统蒸发过程 中仍然需要从外界源源不断地补充生蒸汽，总体 能耗较高。 1.2 机械蒸汽再压缩（MVR）技术 由于多效蒸发技术耗能较高，不符合当前我国 节能减排的主流，因此在此基础上提出了 MVR 技 术。MVR 技术是一种通过外界输入机械功再利用 蒸发环节产生的二次蒸汽，从而减少蒸发浓缩过程 对外界生蒸汽需求的一种节能技术[2]。其基本原理 是将通过压缩机的机械压缩，提升二次蒸汽的温度 和压力，然后将二次蒸汽送入蒸发器中进行蒸发， 如此循环往复，如图 2 所示。

系统刚开始运行时，工业废水经过预热后送入 蒸发器中，与外界送入的生蒸汽进行换热，废水受 热剧烈沸腾产生二次蒸汽，经过气液分离器后二次 蒸汽携带的液滴被富集后另做他用，二次蒸汽则经 过压缩机的机械压缩提升热值后部分或全部取代 外界生蒸汽进入蒸发器加热废水产生新的二次蒸 汽，换热后的二次蒸汽凝结成冷凝水，可送入蒸 发器前的预热器中预热废水以充分利用其余热。 当系统运行稳定后，就可以减少甚至不用补充外 界生蒸汽，此时系统的主要能耗来自压缩机消耗 的电能。从表 1 可知,与传统的多效蒸发技术相比， 该系统能够显著地减少生蒸汽使用量，降低运行 成本[3-4]。

多效蒸发系统 MVR 系统 蒸发所需能源 大量蒸汽 仅需在启动阶段消耗 少量生蒸汽，运行稳 定后仅消耗电能 是否需要锅炉 额外安装锅炉以 产生蒸汽 少量蒸汽可直接购买， 无需锅炉 废气排放 锅炉运行产生 CO2、 SOX 等有害气体 无废气排放 消耗能源 以三效蒸发为例，蒸发 1 t 水消耗蒸汽约 0.42 t 蒸发 1 t 水仅消耗 约 20~80 度电能， 取最大值 80 计算[5] 运行成本估算 蒸汽价格取 220 元/t， 蒸发 1 t 水消耗蒸汽 价值约为 92.4 元 工业用电取 0.655 元/度， 蒸发 1 t 水消耗 电能价值约 52.4 元 由运行成本估算可知，即便 MVR 技术蒸发 1t 水的耗电量取最大值，其运行能耗成本大约也只占 三效蒸发系统运行成本的 57%，而且该系统没有废 气排放，对环境无污染，在一定的场合适合替代多 效蒸发系统用于含盐废水的蒸发过程。

2 试验系统热交换设备设计计算 完整的 MVR 系统一般由热交换器（预热器、 蒸发器）、压缩机、闪蒸器和给水泵等设备组成。 其中热交换器、压缩机和闪蒸器的设计计算占了整 个系统设计计算的绝大部分，因此，以下尝试对处 理化工废水的 MVR 试验系统的主要设备进行设计 计算。

2.1 预热器的设计计算 热交换器是以传热为主要过程的设备，为满足本系统处理高盐度化工废水的需要，其应满足的基 本要求有[6]： （1）符合处理高盐度化工废水工艺的要求， 结构耐腐蚀性高，热交换强度高，换热量大，热损 失少。 （2） 制造简单，安装维修方便，运行稳定可靠。 （3）流动阻力较低，减少动力消耗。 2.1.1 预热器的热力计算 预热器的作用是充分利用蒸发器中流出的冷凝 水对刚进入系统的浓度为20%的NaCl废水溶液进行 预热，设定预热器形式为管壳式换热器，换热效率为 0.985。此时该废水的质量流量为200 kg/h，温度为 20 ℃，经过预热后废水的温度为40 ℃，进入预热器 的蒸发器冷凝水温度为80 ℃，离开预热器的冷凝水 温度为25 ℃。查阅相关文献可知，定性温度下20%的 NaCl溶液的比热容为4030 J/（kg/K）[7]。换热器计算 的基本公式为传热方程式和热平衡方程式：


因此可知冷凝水的流量为 70.85 kg/h，预热器设计 传热量为 4.55 kW。

2.1.2 预热器的结构计算 由（1）式知，为估算预热器的传热面积，必 须知道其对数平均温差 m t ，在设置预热器内冷热 流体流动方向相反即逆流布置的情况下： 对数平均温差 m t 为 16.83 ℃，预热期中管程 为 20%的 NaCl 废水，壳程为蒸发器流出的冷凝水， 初步选定预热器的传热系数为 800 W/（m 2 ·℃）。 为满足换热条件，选取碳钢无缝钢管为换热 管，其基本规格如表 2 所示。

2.2 蒸发器的设计计算 蒸发器是 MVR 系统中通过蒸发浓缩结晶处理 废水的关键设备，从预热器出来的经过预热升温的 废水在蒸发器中被经过压缩机压缩的二次过热蒸 汽加热，经过闪蒸器的蒸发，形成的二次蒸汽通过 压缩机压缩并送入蒸发器循环利用，蒸发后形成的 高浓度浓缩废水则经过收集装置汇集起来另做处 理[9]。最终通过输入少量的机械功，在蒸发器中将 大量低品位热能转化为循环可利用的高品位热能， 从而极大地提高了能源效率[10]，因此，蒸发器性能 的优劣直接关系到系统运行效率的高低。

2.2.1 蒸发器的热力计算 蒸发器待处理废水来自于预热器出口被预热的 化工废水，加热蒸汽来自于被压缩机压缩升焓的二次蒸 汽，其在蒸发器中完成换热过程后进入预热器，故冷热 流体流经蒸发器的进出口的各项参数可以从蒸发器的 上下游设备中流体各项参数得知，具体参数见表 4。 与预热器不同的是，待处理废水和二次蒸汽在 蒸发器中是一个有相变的换热过程。经过压缩机压 缩升焓后的二次蒸汽处于过热状态，120 ℃过热蒸 汽在蒸发器中与废水进行热交换释放过热蒸汽的 显热，然后变为 95 ℃饱和蒸汽，饱和蒸汽凝结成 同温度冷凝水释放其潜热，冷凝水继续与废水换热 直到成为 80 ℃冷凝水离开蒸发器并进入预热器对 初废水进行预热以充分利用其热能。所以对其换热 过程各阶段的对数平均温差和温差修正系数应分 别计算，最后得到过热蒸汽到冷凝水各阶段的有效 平均温差，其计算结果如表 5 所示。

2.2.2 蒸发器的结构计算 根据过热蒸汽到冷凝水各阶段换热机理的不 同，初选各阶段传热系数 K：过热蒸汽段传热系数 为 700 W/（m 2 ·℃），饱和蒸汽凝结段传热系数为 2000 W/（m 2 ·℃），冷凝水段传热系数为

800 W/（m 2 ·℃）， 由此解出各阶段换热面积，从而得出总换热面积 约为 0.84 m2 。蒸发器内部换热管设计排布大致与 预热器相似，此处不再赘述，仅列出管程各项参 数于表 6。

2.3 闪蒸器的结构设计 闪蒸器一般安装于蒸发器上部或与蒸发器 一体化，其作用是利用水的沸点随气压降低而降 低的原理，在有限空间内形成负压状态，从而使 进入闪蒸器的水分在低温下蒸发,达到气液分离 的目的[11]。

3 结论 通过精确的热力计算和合理的结构优化，MVR 系统用于处理特定成分的化工废水相比于多效蒸 发系统能够显著地降低系统维护和运行成本。MVR 系统在运行稳定后废水从进入到最后被浓缩形成 一个稳定循环，因此在进行换热设备设计计算时必 须联系上下游设备中流体物性参数，不能将某一设 备单独割裂开来进行设计。热交换设备作为蒸发浓 缩的最重要载体，其换热能力的优劣直接关系到系 统处理效率的高低，在后续的运用过程中，有必要 继续着眼于蒸发环节的研究。