1.概述

机械蒸汽再压缩是一种蒸发工艺，是用机械方法将蒸发器产生的二次蒸汽再压缩，使其压力、温度上升，提高内能之后，再返回原蒸发器，取代主蒸汽作为热源使用，其中二次蒸汽中的潜热得到充分利用，可以达到节能目的。该蒸发系统被简称为MVR（mechanical vapor recompression）。不同于传统的蒸发系统，该系统只需要在启动时通入生蒸汽作为热源，而当二次蒸汽产生，系统稳定运行后，将不需要外部的热源，系统的能耗即为压缩机和各类泵的能耗，所以节能效果相当显著。MVR系统工作原理如图3-12所示。

MVR技术于1917年由瑞士Sulzer-EscherWyss Ltd.发明。在20世纪60年代，德国和法国已经成功地将该技术应用于化工、制药、造纸、污水处理、海水淡化等行业。20世纪80年代机械蒸汽再压缩技术已成为一项成熟的技术。随着压缩机技术的进步，现在机械蒸汽再压缩技术更在许多行业成为一项通用的节能技术。

许多生产过程中采用蒸发操作，如污水处理过程、海水淡化过程、饮料浓缩过程等。而且蒸发操作是耗能较大的过程，所以提高蒸发过程中的能量利用率对节约能源具有重要的意义。在工业生产中，常采用多效蒸发（multiple-effect evaporation，MEE）来提高蒸发过程的能量利用率，图3-13为传统的单效蒸发的示意图。单效蒸发时需要大量冷却水来冷却二次蒸汽（使之冷凝），然后冷却水再通过冷却塔冷却并将热量释放到大气中。不但消耗新鲜蒸汽，而且冷却塔还要消耗大量循环水以及电能（泵运行），造成三重浪费。表3-9为蒸发量为10 t/h、不同效数时的蒸汽消耗和能量消耗。显然随着蒸发效数增加，蒸汽消耗量和能量消耗减少。但设备投资基本按比例增加，占地面积增加。蒸发效数不能无限增加。

图3-12　MVR系统工作原理

图3-13　单效蒸发示意图

表3-9　蒸发量为10 t/h时的多效蒸发

与多效蒸发相比，MVR系统稳定运行后不需外部蒸汽，而是消耗电能，通过输入少量绝热压缩的外功，提升了低压水蒸气的热品位，有效利用了低压水蒸气的大量热能，节能效果非常显著。采用机械蒸汽再压缩技术，蒸发1 kg水能耗为37.4～54.7 kJ，而利用多效蒸发技术，每蒸发1 kg水能耗为465.3～581.7 kJ。如一蒸发量为5 t/h的系统，每天工作24 h，每年工作300天，采用机械蒸汽再压缩技术和采用多效蒸发技术的能耗进行比较，其中采取机械蒸汽再压缩蒸发耗能46 kJ/kg，多效蒸发耗能523 kJ/kg，由此可以看出，该系统采用机械蒸汽再压缩技术比多效蒸发技术每年可节省46.87万元的能耗费用，节能效果显著，其生蒸汽的经济性相当于多效蒸发的30效。

当前煤价高，电价相对低，今后随着风电、核电的发展，其差价会更大，所以机械蒸汽再压缩系统有很好的发展前景。

2.机械蒸汽再压缩技术的特点

MVR技术的特点如下：①能耗低、运行费用低；②占地面积小；③公用工程配套少，工程投资少；④运行平稳，自动化程度高；⑤由于常用单效，产品停留时间短；⑥工艺简单，实用性强，部分负荷运转特性优异；⑦可以在40℃以下蒸发而不需冷冻设备；⑧在低温下工作，可避免被蒸发物料的高温变性，特别适合于热敏性物料。

3.机械蒸汽再压缩的主要设备

1）蒸发器

蒸发器是系统的核心，MVR系统常采用竖直管降膜蒸发器或水平管降膜蒸发器。水平管降膜蒸发器与竖直管降膜蒸发器相比，不仅电耗低，设备高度小，而且因为液膜薄，传热系数高，汽相阻力小，所以传热温差比较小。对于光滑管而言，水平管的传热系数三倍于闪蒸，两倍于竖直管蒸发装置，由于水平管降膜蒸发器传热系数高，相同的热负荷下其所需传热面积可大为减小。同时，因为水平管降膜蒸发器可实现在较小温差下进行传热，表面过热度下降，管表面的结垢情况也可以得到改善。所以水平管降膜蒸发器得到了广泛的应用。

2）压缩机(www.daowen.com)

蒸汽压缩机也是MVR系统的核心部件，它通过对二次蒸汽进行压缩，提高系统内二次蒸汽的热焓，为系统连续提供蒸汽。目前MVR系统中常用的蒸汽压缩机有离心式压缩机、螺杆压缩机和罗茨压缩机，根据原液的流量和沸点升高值等特性来选择压缩机。对于蒸发速率不高的工况，采用罗茨压缩机较合适，而较大蒸发量时，就要采用离心压缩机，而且对驱动电机还需要进行变频调速控制，这样既可保护电源系统，又可确保压缩机在最佳稳定区工作，提高运行效率。

对于沸点升高值较大的原液，压缩机可以多级串联使用。现有单级离心压缩机稳定工作压缩比不超过2.5，饱和蒸汽压力与温度是对应的，提高压缩比，就能提升蒸汽温度，此时就会使用多级串联压缩，目的是获得高压缩比的蒸汽，得到更高温度的蒸汽，蒸发强度更大。但蒸发速度过快，会存在系统结垢严重的情况。多级离心压缩机要按蒸发工艺要求选用。据有关厂商资料介绍，单台蒸汽压缩机可达到8～10℃温差；如2台高性能蒸汽压缩机连在一起，温差可达到16～20℃；若3台串联在一起，温差可达到24～26℃。

影响MVR能耗的主要因素如下：①压缩机效率（取决于压缩机型式、叶轮结构形式等）；②系统处理量（处理量越大，单位蒸汽耗电量越小）；③物料的物性（特别是沸点升高）；④系统设计与优化（热量充分利用、降低管道阻力等）；⑤系统稳定性。蒸发1t水耗电量与沸点升高的关系见表3-10。图3-14所示为MVR系统中各种压缩机的效率比较。

表3-10　蒸发1 t水耗电量与沸点升高的关系

压缩机选型需要考虑的因素如下：①温升范围与过汽量；②效率；③运行的稳定性；④噪声；⑤后期维护费用；⑥设备价格。

随着压缩机技术的进步，MVR技术中单级高速离心压缩应用越来越广。这是由于三元流理论、全三维数字仿真技术使压缩机效率极大优化，压缩效率高；半开式叶轮结构、系列化设计，使加工周期短，成本相对较低；压缩机部分全不锈钢腔体、全加工表面，杜绝污染和损失；叶轮采用钛合金制造，最大限度提高压比；五轴联动加工三坐标精密检测，能完美达到设计要求；带有支持数据远程监控模块和远程技术支持系统模块；整体箱装体结构，美观、噪声低。

图3-14　MVR系统中各种压缩机的效率比较

这种单级高速离心压缩机的特点如下：①流量大，可以达到1～100 m3/s；②效率高、能耗低，压缩机级效率达到85％以上；③对蒸汽100％无污染，不需其他后处理；④使用寿命长，成本低；⑤震动小，噪声低；⑥结构紧凑，维护方便；⑦压力、温度可调范围广，耗水少。

3）预热器和其他部件

预热器是为了回收利用高温冷凝水和浓缩液的显热，用来预热原液。预热后的原液，通过进料泵进入蒸汽换热器系统，此时与蒸汽压缩机供给的高温蒸汽进行换热，使其迅速汽化。根据原液的特性（黏度、是否有结晶和结垢等）选择换热器的形式。一般采用板式换热器，因为它换热效率高、热损失小，而且结构紧凑轻巧，占地面积小，安装清洗方便。可通过调节原液的质量流量分配，使两个预热器出口的原液温度一致。

汽液分离器是蒸汽和浓缩液体进行分离的装置。对于有结晶的原液，可以将分离器和结晶器设计成一体，再加装强制循环泵，完成汽液分离、浓缩和结晶的功能。

对于MVR系统，需要考虑设备用材问题。由于大部分工业废液都有腐蚀性，在蒸发温度环境下，腐蚀更为严重。目前超低碳316L不锈钢板材及以316L为覆层的复合板材在真空制盐行业应用成熟，主体换热器则选用钛材较多，因工作温度的不同，可选择工业纯钛或钛合金来制造。合理选材对蒸发系统的可靠运行和建设造价至关重要。

为提高运行的经济性，MVR系统多采用DCS控制中心，即采用工控机和PLC构成MVR系列的实时监控中心。通过软件编程，实时采集各种传感器的状态信号，从而自动控制电动机的转速，进行阀门关闭和调节，以及液体的流速和流量、温度和压力的控制和调节等，使系统工作达到动态平衡的状态。同时该设备还具有自动报警、自动记录参数和提供报表的功能。此控制系统可减少人工操作，提高生产控制能力，确保生产有序可控运行。