1分析模型建立
AspenPlus软件具有较完备的单元操作模型，物性参数较为完善，能很好地校核系统操作过程中物料的质量平衡和能量平衡[25]。本文主要研究不同的工况条件下，进料温度、蒸发室内压强、蒸汽压缩比等对补充水分、循环蒸汽产生量以及能效比的影响。模拟计算时，由于水的物性参数全面方便计算而且工业上蒸发浓缩时多数是水溶液，具有一定的代表性，因此在模拟计算时物料均以水代替。分析模型（图2）作如下几点假设：①不考虑系统的散热和蒸汽泄漏等因素的影响；②由于采用的是水体系模型，所以不用考虑溶液浓度变化对溶液沸点的影响；③AspenPlus软件不适合动态分析，故忽略作业开始时通入的蒸汽，以蒸发室产生的二次蒸汽作为初始条件，同时限制VAP1和VAP3的质量流量、压强和温度，以实现物理意义上的循环；对于蒸发室内换热，采用两个换热器（HEATER和COOLER）和热流（heatersteamer）的连接来完成，同时选择闪蒸（Flash）模块实现气液分离[26]。
2理论分析与计算
假设进料量为q0，温度为Ts，压强为Ps，由焓熵表软件可查得此条件下的焓值h1。若产生的二次蒸汽量为qs，则其压强为Ps，温度为Ts，查表可得其焓值为hs。将气体在离心压缩机内的升温加压过程看成多变压缩过程[27]，假设多变效率为pol，由式（1）可得多变指数m。其中k为绝熵指数，在进气参数已知时，可查表求得。
3模拟结果与讨论
蒸发室内的压力分别选择Ps为30kPa、50kPa、70kPa，蒸汽压缩比为=1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6，取物料进量为5000kg/h，最初产生的二次蒸汽量为1000kg/h。分别研究循环蒸汽产生的量、补充水的量与进料温度、冷凝温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化规律。如图3所示，当进气压强不变时，随着进料温度的升高，产生的二次蒸汽量近似呈线性增大。而当进料温度（未饱和）不变时，随着进料压强的增大，产生的二次蒸汽的量依次减少。当蒸汽提供热量一定时，进料的温度越高，所携带的热量就越多，物料至沸腾前所需的热量就越少。因此用于物料汽化的热量就越多，产生的二次蒸汽量也就越多。由图3可知，当进料温度过低时，产生的二次蒸汽量远远少于循环所需的蒸汽量，会导致系统工作很不图3循环蒸汽量与进料温度的关系稳定。当进料温度不变时，压强越低，料液的沸点越低，物料至沸腾前的热量越少，且压强的变化对汽化潜热影响较小，以至于用于物料汽化的热量就越多。因此，蒸汽产生量随进料压强的减少而增大。所以，当进料温度过低时，产生的循环蒸汽量也大大降低，热平衡的建立也较为困难，需要补充的额外蒸汽也就越多。因此，在原料蒸发前需要一套完备预热系统，保证料液达到蒸发压强下的沸点温度。为了充分利用能源，可以将冷凝液的余热以及母液的余热与原料进行换热。如图4所示，当进气压强不变时，随着冷凝液的温度升高，二次蒸汽的产生量略有降低。当冷凝液的温度不变时，进气压强越大，产生的蒸汽量越多。冷凝液的温度越低，其具有的热焓值越小，在冷凝过程中蒸汽放出的热量就越多。但由于蒸汽在冷凝放热时，绝大部分的热量都来自于冷凝潜热，冷凝液温度的变化对整个热交换过程中影响较小，因此二次蒸汽的产生量变化不大。当冷凝液温度不变时，则蒸汽的换热量一定，蒸发压强越大，物料的汽化潜热也就越小，产生的二次蒸汽量也就越多。而且蒸发压强越大，压缩后的过热度就越大，需要补充的水分也就越多，继而产生的蒸汽量也就越多。因此，冷凝液的温度越低，所产生的循环蒸汽量也就越多。为了保证有效的传热温差，冷凝液的温度需要高于蒸发温度5～8℃，而且此时循环蒸汽的增加量不到5%，当考虑热损失和蒸汽泄漏时，可认为能够建立起完整的热平衡。由图5可知，在进气压强不变时，补充水随着压缩比的增大而增大。当压缩比不变时，补充水的量基本上不随蒸发压强的变化而变化。蒸发室压强一定时，压缩比越大，则压缩蒸汽的过热度越大，消除过热所需的补充水也就越多。而在一定的压缩比下，蒸发室压强增大时，压缩后蒸汽的过热温度略有增加，故消除过热所需的补充水的量也略有增加，但差别不太。因此，在有限的压缩比内，补充水的量是少量的，而且补充水的作用主要通过汽化吸热来消除蒸汽的过热，补充水的温度高低对系统影响不大。故可以使用冷凝水作为补充水的水源。由图6中可知，进气压强不变时，随着压缩比的增大，蒸汽换热量近似线性增大，当压缩比不变时，吸气压强越小，蒸汽换热量越大。压缩比越大，压缩后的饱和温度也越大，饱和蒸汽焓也相应增大，同时由于压缩比较大，使得蒸汽过热度也较大，为了消除过热，需要补充的水分也增大，所以总的蒸汽热量是增大的。
压缩比不变时，进气压强越小，压缩后的饱和温度越小，则汽化潜热越大。又由图5可知，压缩比不变时，补充水的量基本上不随进气压强的变化而变化，所以总的换热量是增大的。由图7中可知，进气压强不变时，循环蒸汽的量随着压缩比的增大而增大，压缩比不变时，进气压力越小时，循环蒸汽的量越大。在配有降膜式蒸发器的MVR中，蒸汽冷凝放出的热量越多，则相应产生的二次蒸汽也越多。又因为压缩比越大，换热量越大，所以产生的二次蒸汽量也就越多。压缩比不变时，进气压强越低，换热量就越大，所以产生循环蒸汽的量越多。由图8可知，当进气压强不变时，能效比先是随着压缩比的增大而快速减小，随后减小的速度变慢并逐渐趋于水平极限值。能效比与蒸发压强的关系不大。压缩比增大时，电动机消耗的功率是呈现线性增加的，而换热量增大的速度是逐渐减少的，因此能效比的总体变化趋势是减小的，并最终趋于极限值。由图6可知，换热能力是随着压缩比的增大而增大的，但换热量增加的范围是很小的，考虑到压缩的安全性和可操作性，应该将压缩比尽量降低；图7中数据表明，当压缩比过小时，产生的循环蒸汽量偏小，在实际的运行中会因蒸汽泄漏和热量散失等原因造成系统的工作很不稳定；由图8可以看出，当压缩比增大时能效比逐渐降低，当压缩比大于2时，能效比下降的速度逐渐变缓，但此时能效比仍处于较高的值，综合考虑，压缩比选择为2时较好，但由于工程应用的复杂多变性，可将压缩比控制的范围左右各扩大20%，因此，压缩比控制在1.8～2.2之间较合适。
4结论
通过AspenPlus软件对MVR蒸发系统的流程模拟分析，可以得出以下结论。（1）为了保证MVR蒸发体系运行的稳定性，原料应该预热至饱和液体后再送到蒸发室内。从节约能源的角度来说，冷凝水和浓缩液都可通过板式换热对原料预热。（2）蒸发室壳程中的冷凝水应保持与蒸发温度的有效温差在5～8℃。（3）当以离心压缩机驱动MVR时，蒸汽压缩比控制在1.8～2.2比较合理。（4）蒸发压强的大小对能效比和补充水量影响不显著，但蒸发压强小时，原料所需的预热温度较小，有利于减少换热强度。工业生产时，蒸发压强的高低还应该考虑具体产品的热敏性，当工艺允许时，蒸发室应该控制较大的真空度。
作者：顾承真 闵兆升 洪厚胜 单位：南京工业大学生物与制药工程学院 南京汇科生物工程设备有限公司
