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摘要：笔者主要从机械蒸汽浓缩法及其原理，以及MVR 在板式蒸发系统中的应用方面概述了本文主题，旨在与广大学者共同探讨学习。
关键词：板式蒸发装置 MVR 蒸发
一、mvr简介
MVR是机械式蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression ）的简称，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。
1、发展状况
上世纪70年代随着对能源需求的日渐增加以及能源价格的飞速上涨，MVR 技术逐渐引起各国研究者的关注和研究，并成功的应用于蒸发的操作中。
1957 年德国 GEA公司针对蒸发分离操作过程耗能高的问题，开发出了商业化的 MVR 蒸发系统。应用实践表明，GEA 公司开发的 MVR 技术用于油罐车清洗工业废水浓缩时的耗为 16.4KWh/t；用于浓缩各类型的乳制品和乳清制品时能耗为 9.8KW•h/t；处理小麦淀粉废水时的能耗为 13.5KWh/t。1999 年美国通用电气公司开始对 MVR 在重油开采废水回收蒸发上的应用进行研发，该系统每蒸发1吨水大约消耗15~16.3KWh，其能耗要比由加热蒸汽驱动的单级蒸发系统低到25~ 50 倍。
MVR技术从2007年起开始从北美和欧洲进入中国市场，主要应用在食品深加工、奶制品行业、工业废水处理和饮料等行业。同时，国内不断有高校和科研院所对该技术进行着开拓性研究，南京航空航天大学、西安交通大学、中科院理化技术研究所、北京工业大学、北京航空航天大学等都对MVR进行了理论和实践研究。2008年以来，随着环保节能的呼声越来越高，MVR开始了平台的上升期，大量报导运用于商业实践。
二、机械蒸汽浓缩法及其原理
MVR ( Mechanical Vapor Recompression)蒸发装置二次蒸汽机械压缩法是指利用涡轮发动机的增压原理、经特殊流体设计而组成的二次蒸汽机械增压式蒸发系统的简称。在这种工艺系统中，密闭容器内经加热蒸发生成的二次水蒸汽，通过蒸汽压缩机时被再压缩增压至较高温度的高压蒸汽，此高压高温蒸汽再被用于蒸发设备的加热热源，进入蒸发器的加热腔继续蒸发，实现电能到热能的转换，这样的蒸发装置不再对外界蒸汽能源的依懒与摄取，循环传热的过程中，增压后的蒸汽作为蒸发器的加热热源后也得以迅速冷凝，成为洁净蒸馏水。压缩机以提高蒸发器产生的二次蒸汽的压力，来达到二次蒸汽更高温度的凝结。这种提高了压力的蒸汽，会提高潜在的热能，然后再重新返回蒸发器来进行加热，从而制造出更多的二次蒸汽。这样，热能被持续的重新利用，而不易损失。
经过热交换的蒸汽冷凝成纯度很高的水，被收集出来，热交换过程中产生的二次蒸汽再被压缩，作为下一循环的热源。如此循环，多级蒸发后的液体从蒸发器底部排出。因此，只需在系统冷启动时导入热源，采用电加热或少量蒸汽预热物料，即可使蒸发器开始正常循环运转。在蒸发器中，是一个封闭的系统，所有的蒸汽都被回收，再用高压风扇加压后作热源之用，不需要额外的蒸汽或冷却水，提高了能源利用效率。
图 1 多效蒸发器直接加热热流图
三、多效蒸发器与 MVR 蒸发器对比
1. 多效蒸发工艺
在多效蒸发装置中， 新鲜蒸汽为第一效的加热热源，而第一效产生的二次蒸汽不进入冷凝器，而是作为第二效的加热热源得以再次利用， 这样可以将新蒸汽消耗有效降低约 50% 。 重复利用此原理，三效、四效、五效、六效蒸发装置可进一步降低新蒸汽消耗，这样的六效蒸发装置，理论上蒸汽消耗可降低至 15% 。
第一效的最高加热温度与末效的最低沸点温度形成了总温差，分布于各个效，从而形成温差分布。 结果，每效温差随效数增加而减小。 所以为达到指定的蒸发速率必须增大加热面积。 初步估算表明，用于所有效的加热面积随效数成比例增加，这样一来蒸汽节省量逐渐减少的同时， 投资费用显著增加。 多效蒸发器直接加热热流图见图 1 。
2. TVR 板式蒸发技术
TVR (Thermal Vapor Recompression) 热力压缩， 是指用高温高压的工作蒸汽将低品质乏气再压缩重复利用的技术。 其关键设备是由蒸汽引射器来完成，蒸汽引射器是一种能量转换的装置，高温高压的新鲜工作蒸汽进入引射器， 由喷嘴高速喷出，将静压能转换为动能，由于射流和空气之间产生卷吸作用和紊动扩散作用， 把吸入室的气体带走，使该处产生局部真空状态，在外界大气压力的作用下，分离器分离出的二次蒸汽被吸入，随同高压高速流体被带入喉管，与之混合，并进行能量交换，形成中等品质的蒸汽，进入加热室作为加热蒸汽使用，是蒸发热量的来源。
蒸汽引射器具有结构简单、操作稳定、价格低廉、节能等特点。 使用蒸汽引射器，当引射比为 1 ：1 时，从一效引射，效能上相当于增加一效蒸发器 ,工艺流程图见图 2 。
图 2 TVR 热力压缩流程图
3. MVR 板式蒸发器蒸发流程
机械蒸汽再压缩时，通过机械驱动的压缩机将蒸发器的二次蒸汽压缩至较高压力和温度。因此压缩机作为热泵来工作，给蒸汽增加能量。配备有机械蒸汽再压缩型热泵的蒸发装置，在一般的操作条件下仅需要很少的能量输入，是一种开放式的系统，而 TVR 热力压缩是一种封闭的系统，喷射压缩器只能压缩一部分蒸汽，动力蒸汽的能量最后通过冷却水作为残余热量被移走。在机械蒸汽再压缩系统中，所有的蒸汽被压缩到一个较高的冷凝压力 ，热流图如图 3 所示。
图 3 机械蒸汽再压缩蒸发过程热流图
四、MVR 在板式蒸发系统中的应用
MVR 系统与板式蒸发系统的组合中，其工艺可以设计为单效蒸发，也可以实现多效蒸发，具体情况需根据 MVR 系统能提供的最大压缩温差来决定。在高速透平压缩系统中，由于其应用齿轮组技术，叶轮转速较高，可以实现较大的压缩比，故其压缩后温差较高，蒸发系统可以采用顺流工艺，即压缩系统的蒸汽吸入口与排出口间可以实现多效顺流，其工艺简图如图 4。但此压缩系统由于其主轴转速较高，故叶轮直径较小，压缩蒸汽量较小，对于较大蒸发量的蒸发装置，此系统难以满足其工艺要求。
在离心式压缩系统中，驱动装置电机直接与叶轮轴相连，叶轮转速相对较低，可能实现极大蒸汽量的压缩，但此装置缺点为温差 Δt低。如果实现多效连续蒸发，则各效间温差较低，影响系统的蒸发效率。但由于其蒸汽压缩量大，可以实现并流蒸发，工艺简图见图 5。
为了弥补由于采用离心式压缩系统而导致温差过小的缺点，可采用多级压缩，即应用
2 个或 3 个离心式压缩系统串联结构，使压缩系统蒸汽进出口压缩比增大，而蒸发系统可采用串联式结构，而各效蒸发器间可能获得相对较高的温差；以双效板式蒸发装置为例，蒸发量为 10t/h 的双效板式蒸发装置，每小时需新鲜蒸汽4．5吨，成本约 675 元，采用 MVR 机械压缩系统后，无需蒸汽加热，电费成本只需 100 元，MVR 系统蒸发器运行成本仅为普通蒸发器运行成本的六分之一。在乳品工业中可以设计小型到中型的单效 MVR 蒸发器，其热效率非常良好，可以相当于 3 效 MVR 涡输压缩机蒸发器，每 0． 75kW 可蒸发 45kg ～68kg 水分。
一般情况下，供给能量达到蒸发能量的 7% ～8%，即可满足额定蒸发的生产需求。 MVR 系统蒸发器一般采用离心式低 Δt压缩风机，因其成本较低，蒸发系统可以设计为单效大流量蒸发，其蒸发温度可以控制在55℃，实现真正意义上的低温蒸发，尤其适合于热敏性物料的蒸发。这种新型热泵蒸发装置在正常运行时，除原料预热使用极少量蒸汽(约为原料的 2%)外，不需要其它的蒸汽热源。当然，压缩机一定要靠电来驱动，会产生额外的电耗。
结语
相对于普通的蒸发设备，MVR 蒸 发 器 具有单位能量消耗低、工艺简单、实用性强 、蒸发温度低、适合热敏性物料的蒸发等优点，与板式蒸发器极强的传热 效 率 相 结合，将 使MVR 板式蒸发器具有极强的技术优势，对节能减排及促国民经济的发展有极其重要的作用。
参考文献
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[4] 李承志.蒸汽再压缩式蒸发器，氯碱工业 [J] ，2003.
论文作者:李健生
论文发表刊物:《基层建设》2017年第30期
论文发表时间:2018/1/20
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