多效蒸发技术的特点和优势

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-1并流式多效蒸发器示意图并流流程的特点是溶液和二次蒸汽同向依次通过各效。多效蒸发流程只有第一效使用了生蒸汽，有效地利用了二次蒸汽中的热量。Lyocell纤维制备中，多效蒸发仍是溶剂回收的主流工艺，通常采用并流流程。利用多效蒸发技术回收NMMO时，存在一定的局限性。实验证明，NMMO在120℃时就开始出现分解的迹象，随着温度的进一步增加，分解反应加剧。经测算用于NMMO回收的多效蒸发器，最大的效数约是五效。

蒸发是用加热的方法使溶液中部分溶剂汽化并除去，从而使溶液的浓度提高的过程。由于物质经历了由液态变为气态的相变，因此，会吸收大量的热量，是一个非常耗能的工艺过程，然而，被汽化的溶剂通常仍然具有一定能量，它们可以再次利用，多效蒸发便是充分利用被汽化后溶剂能量的一种技术。

在工业生产中，蒸发用的外来热源通常是高压蒸汽，用于初始热源的蒸汽称为一次蒸汽（也被称为生蒸汽），溶液被加热后，自身所产生并用于下一级蒸发器加热的蒸汽统称为二次蒸汽。一次蒸汽温度越高，产生的二次蒸汽温度越高，但由于部分热量已经用于蒸发溶液中的溶剂，因此，二次蒸汽的温度一定比输入的蒸汽温度低。理论上讲，只要有足够的温度差，二次蒸汽可以多次利用，即当一次蒸汽温度足够高时，二次蒸汽仍有足够高的温度用于下一级蒸发，依此类推，直至二次蒸汽不足以气化溶液中的溶剂为止，这就是多效蒸发的基本原理。在蒸发过程中，溶液的沸点随着其浓度的增加而逐渐升高，溶液的沸点又与操作压力有关，操作压力越大，沸点越高，反之亦然。因此，合理地设计一次蒸汽的温度和各级的压力，就有可能保证逐级有一定的温度差从而实现多效蒸发。依据二次蒸汽和溶液的流向，多效蒸发的流程可以分为并流、逆流和错流。并流流程的示意图如图6-1所示。

图6-1　并流式多效蒸发器示意图

并流流程的特点是溶液和二次蒸汽同向依次通过各效。以四效为例，溶液从一效进入，分别经过二效、三效和四效，浓缩液从四效排出。外来的蒸汽也是从一效进入，一效产生的二次蒸汽作为二效的加热蒸汽，二效产生的二次蒸汽用于三效的加热，依此类推，四效排出的蒸汽通过冷却器冷却成水，不凝气体通过适当的措施排放。这一流程中前效的温度和压力都高于后效，而溶液浓度则是逐级提高。因此，物料可以借助各效间的压力差流动，辅助设备少，温度损失小，操作简便，工艺稳定性好。其缺点是随效数的增加，二次蒸汽的温度不断降低，溶液的黏度不断增加，结果使传热效率不断降低，这意味着要达到一定的传热效果，必须使用更大传热面积的设备。逆流式多效蒸发器示意图如图6-2所示。

图6-2　逆流式多效蒸发器示意图

逆流流程中，溶液与二次蒸汽的走向相反，即蒸汽从一效到四效，而溶液是从四效到一效。由于一效中的溶液温度和黏度最高，四效中的料液温度和黏度最低，因此，它不具有自发流动的动力，需用采用强制的方法。仍以四效为例，物料从四效进入，通过泵被强制顺序送入三效、二效和一效，浓缩液在一效排出。蒸汽的路径与并流工艺相同，外来的蒸汽从一效进入，一效产生的二次蒸汽作为二效的加热蒸汽，二效产生的二次蒸汽用于三效的加热，依此类推，四效排出的蒸汽通过冷却器冷却成水，不凝气体通过适当的措施排放。逆流流程中，物料的温度会随着浓度的增加而逐步升高，温度升高导致物料的黏度下降，其结果是各效溶液的浓度和温度对黏度的影响大致抵消，各效传热条件基本相同，故无需因为传热系数的降低而增加传热面积。其缺点是辅助设备多，因各效都是在低于沸点下进料，必须设置预加热器，故能耗较大。

错流流程则是二次蒸汽依次通过各效，但料液则每效单独进出，这种流程适用于有晶体析出的料液。

多效蒸发流程只有第一效使用了生蒸汽，有效地利用了二次蒸汽中的热量。因此，具有明显的节能效果，采取多效蒸发时所需的生蒸汽消耗量将远小于单效。从理论上分析，若第一效为沸点进料，忽略热损失和温差损失等因素，则单效的喂入量与产出量之比D/W（feed/distillate）为1，即用一吨蒸汽蒸出一吨水，双效的D/W为1/2，三效的D/W为1/3，依此类推，N效时，D/W为1/N。当然，考虑实际情况，这一值必须加以修正，因为随着物料温度降低，物料的焓差不断升高，每增加一效所带来的效果会越来越小，最终效率可以描述为D/W=b（1/N），b为修正系数。

总温差是第一效的最大允许加热温度和最后一效的最低沸点之差，多效蒸发的总温差是各效温差之和。因此，总温差确定后，效数越多，每一效的温差就越小。从节能的角度看，效数越多，节能效果越明显。但过小的温差会导致两方面的问题，一是为了达到要求的蒸发量，温差（ΔTm）降低，就必须相应扩大各效的加热面积，这就意味着投资费用会大幅度上涨；二是随着物料黏度的增加，传热系数会不断降低，越靠近末级，传热系数下降速度越快，尤其是对于并流流程。换言之，当选用过小的温差时，效数增加带来的节能效果会被导热系数降低导致的能耗增加所抵消。因此，在总温差确定后，要合理选择蒸发装置的效数。

Lyocell纤维制备中，多效蒸发仍是溶剂回收的主流工艺，通常采用并流流程。目前，除中国纺织科学研究院应用自行开发的MVR溶剂回收技术外，国内外都采用了多效蒸发的工艺。利用多效蒸发技术回收NMMO时，存在一定的局限性。由多效蒸发的原理可见，效数越多越节能，而效数确定又受到每效温差的限制，过小的温差不仅增加设备投资，而且不会获得明显的节能效果。因此，当末效温度确定后，效数就取决于一次蒸汽的温度，一次蒸汽的温度越高，装置的效数可以设置得越多。实验证明，NMMO在120℃时就开始出现分解的迹象，随着温度的进一步增加，分解反应加剧。因此，NMMO的这一特点限制了一次蒸汽的最高温度，进而也就限制了多效蒸发的效数。经测算用于NMMO回收的多效蒸发器，最大的效数约是五效。此外，即便在这样的工况条件下，仍然会使NMMO产生一定量的分解，它不仅会造成回收率的降低，而且其分解产物会对体系的安全存在潜在的危害。

多效蒸发技术的特点和优势

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