CN114307204A - 一种塔式顺流进料mvc蒸发系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于蒸发浓缩和蒸发结晶领域，公开了一种塔式顺流进料MVC蒸发系统及其设计方法。该蒸发系统包括多个水平管降膜蒸发器构成的多效蒸发器、进料液入口管线、淡水排放管线、浓缩液排放管线等。一个单效蒸发器由管板、进料液喷淋板、淡水室、蒸汽入口管、液封板、淡水水封排放孔、蒸发室、二次蒸汽排放孔、水平换热管束、料液喷洒孔组成。本发明用以将水平管多效蒸发器应用于MVC蒸发系统的同时，将多效水平管降膜蒸发器进行塔式一体化布置，实现首效蒸发器单泵进料，其余各效蒸发器依靠重力喷淋布液，以达到既提高装置的传热效率、减少设备的占地面积、节能、提高浓缩比和节约空间的目的。

Description

一种塔式顺流进料MVC蒸发系统及其设计方法

技术领域

本发明属于蒸发浓缩和蒸发结晶技术领域，涉及一种塔式顺流进料MVC蒸发系统及其设计方法。

背景技术

MVC蒸发技术以其高效、环保、节能的优势近年来广泛应用于海水淡化、污水处理、化工炼化、工业制盐、制药、食品工程等领域。MVC蒸发系统大多采用竖管降膜、强制对流+闪蒸等类型的方式，设备占地面积较小，水平管降膜蒸发器由于缺少完整而系统的设计方法在MVC蒸发系统中采用较少。然而水平管降膜蒸发的传热系数为竖管降膜蒸发的2倍左右，布液简单，运行稳定，更适应小温差传热，能源利用效率高，这些优势非常适用于MVC蒸发系统，是其它形式蒸发器所无法比拟的。目前采用水平管降膜蒸发器的多效蒸发装置都采用了各效蒸发器水平布置，以方便各效蒸发器之间进料、蒸汽、凝结液、浓缩液的流通控制及压力、温度等参数的保持，但其占地面积大成为一个主要弊端。由于其换热管排布特点，各效蒸发器需要维持不同的工作压力且因各效蒸发器之间的连接方式的限制，将多效水平管降膜蒸发器布置成塔式蒸发器以减小设备占地面积较为困难。

发明内容

针对上述技术中存在的不足，本发明提供一种塔式顺流进料MVC蒸发系统及其设计方法。该方法将水平管多效降膜蒸发器应用于MVC系统中的同时，将多效水平管降膜蒸发器进行塔式布置，以达到既提高装置传热效率又减少设备的占地面积、合理分布设备空间的目的，同时充分利用进料液的重力代替泵功维持流动，降低了能耗。

本发明采用的技术方案如下：

一种塔式顺流进料MVC蒸发系统，包括多个水平管降膜蒸发器构成的n效蒸发器(n≥2)，各效蒸发器采用水平管降膜流动与蒸发方式；一个单效蒸发器由管板、进料液喷淋板、淡水室、蒸汽入口管、液封板、淡水水封排放孔、蒸发室、二次蒸汽排放孔、水平换热管束、料液喷洒孔组成；第一效蒸发器(1)与第二效蒸发器(2)之间的淡水室(1-2A)与淡水室(2-2A)、淡水室(1-2B)与淡水室(2-2B)分别采用液封板(1-5A)、液封板(1-6A)与液封板(1-5B)、液封板(1-6B)或液封管使生成的淡水在相邻两效淡水室之间形成液封连通，蒸发室(1-7)与蒸发室(2-7)采用液封板(1-10)和液封板(1-11)或液封管使产生的浓缩液在相邻两效蒸发室之间形成液封连通。所述的第二效蒸发器(2)及之后各效蒸发器，与后面的相邻蒸发器之间都采用相同的液封连通方式。

其设计方法包括如下步骤：

步骤一：确定蒸发器内蒸发进料流体介质及流量m；

步骤二：根据进料流体介质的物性确定MVC系统的工作温度区间_△T_all、蒸发器效数n和单效蒸发器的换热量Q；进而根据工艺要求确定单效蒸发器的传热温差_△T、传热面积A，分别为：

式中，_△T_all为MVC系统的工作温度区间，℃；n为蒸发器效数；Q为效蒸发器的换热量，W；_△T为单效蒸发器的传热温差，℃；K为单效蒸发器的传热系数，W/m²·℃，K的计算与流体种类、流动方式、传热温差_△T、传热面结构等因素有关。根据现场具体空间和传热特征，确定单效蒸发器内水平换热管束的管长L和直径D；

步骤三：根据单效蒸发器的换热面积A、换热管束的管长L和直径D确定单效蒸发器的总换热管数N为：

式中：A为单效蒸发器的换热面积，m²；D为换热管束的直径，m；L为换热管束的管长，m。

根据蒸发器的进料量确定水平换热管束水平方向单排的管数N₁为：

式中，m为MVC蒸发器内的进料流体介质的质量流量，kg/s；L蒸发器内水平换热管束的管长，m；Γ为蒸发器内进料流体介质的喷淋密度，kg/(s·m)。则单效蒸发器水平换热管束竖直方向单排的管数N₂为:

步骤四：单效蒸发器内水平换热管束的相关参数确定后，可确定水平换热管束最下沿至料液喷洒孔的垂直距离h。根据设计的MVC系统的进料液质量流量换算进料液的入口流量V_b，m³/h，并根据水蒸气的物性参数和系统换热量计算出蒸发系统淡水的体积流量V_d，m³/h。最终根据上述参数，计算出各单效蒸发器中料液喷洒孔的个数k；分布间距λ，m；直径d₁，m；以及淡水水封排放孔的直径d₂，m。

本发明提供了一种塔式顺流进料MVC蒸发系统的设计方法。通过该方法，使MVC系统中的水平管多效蒸发器呈塔式布置，充分利用水平管蒸发高效的传热效果的同时，减小装置的占地面积，达到优化设备分布空间的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的第一效蒸发器的结构图；

图3是本发明的第二效蒸发器的结构图；

图4是本发明的第n效蒸发器的结构图；

图中：1第一效蒸发器；1-1A管板；1-1B管板；1-2A淡水室；1-2B淡水室；1-3蒸汽入口管；1-4A液封板；1-4B液封板；1-5A液封板；1-5B液封板；1-6A淡水水封排放孔；1-6B淡水水封排放孔；1-7蒸发室；1-8二次蒸汽排放孔；1-9水平换热管束；1-10液封板；1-11液封板；1-12料液喷洒孔；1-13进料液喷淋板；1-14进料液入口管线；2第二效蒸发器；2-1A管板；2-1B管板；2-2A淡水室；2-2B淡水室；2-3蒸汽入口管；2-4A液封板；2-4B液封板；2-5A液封板；2-5B液封板；2-6A淡水水封排放孔；2-6B淡水水封排放孔；2-7蒸发室；2-8二次蒸汽排放孔；2-9水平换热管束；2-10液封板；2-11液封板；2-12料液喷洒孔；3第n效蒸发器；3-1A管板；3-1B管板；3-2A淡水室；3-2B淡水室；3-3蒸汽入口管；3-4A淡水水封排放孔；3-4B淡水水封排放孔；3-5蒸发室；3-6二次蒸汽排放孔；3-7水平换热管束；3-8料液喷洒孔；3-9淡水排放管线；3-10浓缩液排放管线；4A蒸汽管线；4B蒸汽管线；4C蒸汽管线；4D蒸汽管线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

如图1所示，塔式顺流进料MVC蒸发系统由第一效蒸发器1、第二效蒸发器2、第n效蒸发器3、进料液喷淋板1-13、进料液入口管线1-14、淡水排放管线3-13、浓缩液排放管线3-14、蒸汽管线4A、蒸汽管线4B、蒸汽管线4C、蒸汽管线4D组成。

如图2～4所示，第一效蒸发器1由管板1-1A、管板1-1B、淡水室1-2A、淡水室1-2B、蒸汽入口管1-3、液封板1-4A、液封板1-4B、液封板1-5A、液封板1-5B、淡水水封排放孔1-6A、淡水水封排放孔1-6B、蒸发室1-7、二次蒸汽排放孔1-8、水平换热管束1-9、液封板1-10、液封板1-11、料液喷洒孔1-12、进料液喷淋板1-13、进料液入口管线1-14组成；第二蒸发器2由管板2-1A、管板2-1B、淡水室2-2A、淡水室2-2B、蒸汽入口管2-3、液封板2-4A、液封板2-4B、液封板2-5A、液封板2-5B、淡水水封排放孔2-6A、淡水水封排放孔2-6B、蒸发室2-7、二次蒸汽排放孔2-8、水平换热管束2-9、液封板2-10、液封板2-11、料液喷洒孔2-12组成；第n蒸发器3由管板3-1A、管板3-1B、淡水室3-2A、淡水室3-2B、蒸汽入口管3-3、淡水水封排放孔3-4A、淡水水封排放孔3-4B、蒸发室3-5、二次蒸汽排放孔3-6、水平换热管束3-7、料液喷洒孔3-8、淡水排放管线3-9、浓缩液排放管线3-10组成。

如图2所示，第一效蒸发器1为左右对称结构，h为第一效蒸发器1中水平换热管束1-9最下沿至料液喷洒孔1-12的垂直距离，h₁为液封板1-10下沿与液封板1-11上沿的垂直距离，h₂为液封板1-4A下沿与液封板1-5A上沿的垂直距离，d₁为料液喷洒孔1-12的直径，d₂为淡水水封排放孔1-6A及淡水水封排放孔1-6B的直径。

则第一效蒸发器1在结构上应满足：

式中，Δp₁为蒸发室1-7与蒸发室2-7的压力差，Pa；ρ为浓缩液的密度，kg/m³，g为重力加速度，m/s²。

式中，Δp2为淡水室1-2A与淡水室2-2A的压力差，Pa；ρ_水为淡水的密度，kg/m³。

则第一效蒸发器1浓缩液的流出速度为：

式中，u₁为第一效蒸发器1浓缩液的流出速度，m/s；η为料液喷洒孔1-12的阻力系数，η＝0.95～0.98；φ₁为浓缩液流动的收缩系数，φ₁＝0.80～0.82；h为第一效蒸发器1中水平换热管束1-9最下沿至料液喷洒孔1-12的垂直距离，m。

则第一效蒸发器1淡水的流出速度为：

式中，u₂为第一效蒸发器1淡水的流出速度，m/s；φ₂为淡水流动的收缩系数，φ₂＝0.80～0.82。

料液喷洒孔1-12的分布间距为：

式中，λ为料液喷洒孔1-12的中心距，m；σ为浓缩液的表面张力，N/m。

料液喷洒孔1-12的个数为：

式中，k为料液喷洒孔1-12的个数；L为水平换热管束1-9的管长，m；λ为式(10)中料液喷洒孔1-12的中心距，m；N₁水平换热管束1-9水平方向单排的管数。

料液喷洒孔1-12的直径为：

式中，d₁为料液喷洒孔1-12的直径，m；V_b为进入进料液入口管线1-14的进料液的体积流量，m³/h；V_d为通过淡水排放管线3-13排出系统的淡水的体积流量，m³/h；n为MVC系统蒸发器的效数。

淡水水封排放孔1-6A和淡水水封排放孔1-6B的直径为：

式中，d₂为淡水水封排放孔1-6A和淡水水封排放孔1-6B的直径，m；V_d为通过淡水排放管线3-13排出系统的淡水的体积流量，m³/h；n为MVC系统蒸发器的效数；u₂为式(9)中第一效蒸发器1淡水的流出速度，m/s。

为方便工程上应用，如图2～4所示第一效蒸发器1、第二效蒸发器2直至第n效蒸发器3的整体尺寸相同，料液喷洒孔2-12直至后第(n-1)效蒸发器的料液喷洒孔数量与直径均与料液喷洒孔1-12的参数相同，即式(11)和式(12)所示；淡水水封排放孔2-6A、淡水水封排放孔2-6B直至后第(n-1)效蒸发器的淡水水封排放孔的直径均与淡水水封排放孔1-6A和淡水水封排放孔1-6B的直径相同，即式(13)所示。

当使用本发明进行蒸发浓缩时：进料液通过进料液入口管线1-14和进料液喷淋板1-13进入第一效蒸发器1的蒸发室1-7中，并以喷淋的状态落在水平换热管束1-9外侧。水平换热管束1-9通过管板1-1A、管板1-1B固定。经压缩机压缩提高焓值的饱和水蒸气通过蒸汽入口管1-3进入水平换热管束1-9内，对滴落在水平换热管束1-9外侧的进料液进行加热。水平换热管束1-9外侧的进料液受管内蒸汽的加热后蒸发浓缩并产生二次蒸汽，同时水平换热管束1-9内的饱和水蒸气放热后凝结成淡水。经蒸发后产生的浓缩液在重力的作用下滴落到蒸发室1-7的底部，并在液封板1-10和液封板1-11的作用下形成液封使第一效蒸发器1的蒸发室1-7与第二效蒸发器2的蒸发室2-7彼此的工作压力不受影响。生成的二次蒸汽通过二次蒸汽排放孔1-8排出第一效蒸发器1。水平换热管束1-9内凝结生成的淡水在重力的作用下流入两侧由管板1-1A、管板1-1B与第一效蒸发器1壳体组成的淡水室1-2A和淡水室1-2B中，并在液封板1-4A、液封板1-4B、液封板1-5A、液封板1-5B的作用下形成液封使淡水室1-2A与淡水室2-2A、淡水室1-2B与淡水室2-2B彼此的工作压力不受影响。第一效蒸发器1产生的淡水最终通过淡水水封排放孔1-6A、淡水水封排放孔1-6B排出并进入第二效蒸发器2的淡水室2-2A和淡水室2-2B中。

第一效蒸发器1蒸发后产生的浓缩液通过料液喷洒孔1-12排出并作为第二效蒸发器2的进料液进入第二效蒸发器2的蒸发室2-7中，并以喷淋的状态落在水平换热管束2-9外侧。水平换热管束2-9通过管板2-1A、管板2-1B固定。第一效蒸发器1排出的二次蒸汽经蒸汽管线6A和蒸汽入口管2-3进入水平换热管束2-9内，并作为第二效蒸发器2的热源对滴落在水平换热管束2-9外侧的进料液进行加热。水平换热管束2-9外侧的进料液受管内蒸汽的加热后蒸发浓缩并产生二次蒸汽，同时水平换热管束2-9内的饱和水蒸气放热后凝结成淡水。经蒸发后产生的浓缩液在重力的作用下滴落到蒸发室2-7的底部，并在液封板2-10和液封板2-11的作用下形成液封使第二效蒸发器2的蒸发室2-7与下一效蒸发器的蒸发室彼此的工作压力不受影响。生成的二次蒸汽通过二次蒸汽排放孔2-8排出第二效蒸发器2。水平换热管束2-9内凝结生成的淡水在重力的作用下流入两侧由管板2-1A、管板2-1B与第二效蒸发器2壳体组成的淡水室2-2A和淡水室2-2B中，并在液封板2-4A、液封板2-4B、液封板2-5A、液封板2-5B的作用下形成液封使淡水室2-2A和淡水室2-2B与下一效蒸发器的淡水室彼此的工作压力不受影响。第二效蒸发器2产生的淡水最终通过淡水水封排放孔2-6A、淡水水封排放孔2-6B排出并进入下一效蒸发器两侧的淡水室中。

系统后续各效蒸发器的工作过程均与上述蒸发器的工作流程相同，直至第(n-1)效蒸发器蒸发后产生的浓缩液通过料液喷洒孔排出并作为第n效蒸发器3的进料液进入第n效蒸发器3的蒸发室3-5中，并以喷淋的状态落在水平换热管束3-7外侧。水平换热管束3-7通过管板3-1A、管板3-1B固定。第(n-1)效蒸发器排出的二次蒸汽经蒸汽管线4C和蒸汽入口管3-3进入水平换热管束3-7内，并作为第n效蒸发器3的热源对滴落在水平换热管束3-7外侧的进料液进行加热。水平换热管束3-7外侧的进料液受管内蒸汽的加热后蒸发浓缩并产生二次蒸汽，同时水平换热管束3-7内的饱和水蒸气放热后凝结成淡水。经蒸发后产生的浓缩液在重力的作用下滴落到蒸发室3-5的底部，并从料液喷洒孔3-8经浓缩液排放管线3-10排出系统之外。生成的二次蒸汽通过二次蒸汽排放孔3-6排出第n效蒸发器3后，返回压缩机提高焓值后通过蒸汽入口管1-3进入第一效蒸发器1作为第一效蒸发器1的热源，形成一个完整的工作循环。第n效蒸发器3产生的淡水在重力的作用下流入两侧由管板3-1A、管板3-1B与第n效蒸发器3壳体组成的淡水室3-2A和淡水室3-2B中，并最终通过淡水水封排放孔3-6A、淡水水封排放孔3-6B后经淡水排放管线3-9排出系统之外。

Claims (3)

1.一种塔式顺流进料MVC蒸发系统，其特征在于，包括多个水平管降膜蒸发器构成的n效蒸发器，n≥2；各效蒸发器采用水平管降膜流动与蒸发方式；一个单效蒸发器由管板、进料液喷淋板、淡水室、蒸汽入口管、液封板、淡水水封排放孔、蒸发室、二次蒸汽排放孔、水平换热管束、料液喷洒孔组成；

第一效蒸发器(1)与第二效蒸发器(2)之间的淡水室(1-2A)与淡水室(2-2A)、淡水室(1-2B)与淡水室(2-2B)分别采用液封板(1-5A)、液封板(1-6A)与液封板(1-5B)、液封板(1-6B)或液封管使生成的淡水在相邻两效淡水室之间形成液封连通，蒸发室(1-7)与蒸发室(2-7)采用液封板(1-10)和液封板(1-11)或液封管使产生的浓缩液在相邻两效蒸发室之间形成液封连通；所述的第二效蒸发器(2)及之后各效蒸发器，与后面的相邻蒸发器之间都采用相同的液封连通方式。

2.用于权利要求1所述一种塔式顺流进料MVC蒸发系统的设计方法，其特征在于，

步骤一：确定蒸发器内蒸发进料流体介质及流量m；

步骤二：根据进料流体介质的物性确定MVC系统的工作温度区间△T_all、蒸发器效数n和单效蒸发器的换热量Q；根据工艺要求确定单效蒸发器的传热温差△T、传热面积A，分别为：

式中，△T_all为MVC系统的工作温度区间，℃；n为蒸发器效数；Q为效蒸发器的换热量，W；△T为单效蒸发器的传热温差，℃；K为单效蒸发器的传热系数，W/m²·℃，K的计算与流体种类、流动方式、传热温差△T、传热面结构等因素有关；根据现场具体空间和传热特征，确定单效蒸发器内水平换热管束的管长L和直径D；

步骤三：根据单效蒸发器的换热面积A、换热管束的管长L和直径D确定单效蒸发器的总换热管数N为：

式中：A为单效蒸发器的换热面积，m²；D为换热管束的直径，m；L为换热管束的管长，m；

根据蒸发器的进料量确定水平换热管束水平方向单排的管数N₁为：

式中，m为MVC蒸发器内的进料流体介质的质量流量，kg/s；L蒸发器内水平换热管束的管长，m；Γ为蒸发器内进料流体介质的喷淋密度，kg/(s·m)；则单效蒸发器水平换热管束竖直方向单排的管数N₂为:

步骤四：单效蒸发器内水平换热管束的相关参数确定后，可确定水平换热管束最下沿至料液喷洒孔的垂直距离h；根据设计的MVC系统的进料液质量流量换算进料液的入口流量V_b，m³/h，并根据水蒸气的物性参数和系统换热量计算出蒸发系统淡水的体积流量V_d，m³/h；最终根据上述参数，计算出各单效蒸发器中料液喷洒孔的个数k；分布间距λ，m；直径d₁，m；以及淡水水封排放孔的直径d₂，m。

3.用于权利要求1所述一种塔式顺流进料MVC蒸发系统的设计方法，其特征在于，

A、液封板(1-10)下沿与液封板(1-11)上沿的垂直距离h₁应满足：

式中，Δp₁为蒸发室(1-7)与蒸发室(2-7)的压力差，Pa；ρ为浓缩液的密度，kg/m³，g为重力加速度；

B、液封板(1-4A)下沿与液封板(1-5A)上沿的垂直距离h₂应满足：

式中，Δp₂为淡水室(1-2A)与淡水室(2-2A)的压力差，Pa；ρ_水为淡水的密度，kg/m³；

C、根据设计的MVC系统的进料液质量流量换算进料液的入口流量V_b，m³/h，并根据水蒸气的物性参数和系统换热量计算出排出系统的淡水的体积流量V_d，m³/h；

D、确定料液喷洒孔(1-12)的分布间距，公式如下：

其中，σ为浓缩液的表面张力，N/m；

E、确定料液喷洒孔(1-12)的个数，公式如下：

其中，L为水平换热管束(1-9)的管长，m；λ为料液喷洒孔(1-12)的中心距，m；N₁为水平换热管束(1-9)水平方向单排的管数；

F、确定料液喷洒孔的直径，公式如下：

其中，V_b为进入进料液入口管线(1-14)的进料液的体积流量，m³/h；V_d为通过淡水排放管线(3-13)排出系统的淡水的体积流量，m³/h；n为MVC系统蒸发器的效数；k为料液喷洒孔(1-12)的个数；u₁为第一效蒸发器(1)浓缩液的流出速度，m/s；

G、确定淡水水封排放孔(1-6A)即淡水水封排放孔(1-6B)的直径，公式如下：

其中，V_d为通过淡水排放管线(3-13)排出系统的淡水的体积流量，m³/h；n为MVC系统蒸发器的效数；u₂为第一效蒸发器(1)淡水的流出速度，m/s。

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