基于机械蒸汽再压缩（MVR）的结晶系统优化研究

蒸发结晶作为工业生产中最基本的工艺流程，可广泛应用于化工生产、食品制药、海水淡化、工业废水或废液处理等领域。主要技术有单效蒸发、多效蒸发、热泵蒸发等几大类，单效蒸发和多效蒸发均属于传统蒸发方式，基于传统蒸发方式的结晶系统中，产生的二次蒸汽直接被排放或通过冷却水处理后排放，造成大量热量能源和冷却水资源的浪费。
在热泵蒸发技术中，机械蒸汽再压缩（MVR）技术采用机械压缩的方法，将蒸发过程产生二次蒸汽的压力和温度提高后再次作为热源蒸汽，该过程在蒸气压缩机中进行，同时免去了后续的冷却处理。通过消耗少量的电力能源，可回收大量热能和蒸汽，具有显著的节能和节水优势。该技术在对物料进行处理后的产物为冷凝水、浓缩液或晶体，过程无污染，属于环境友好型技术。对高效且节能的蒸发结晶处理技术进行分析研究，能够带来明显的经济效益和社会效益。
本项目开发的是一种 MVR 并联双效蒸发结晶系统，主要部件有降膜蒸发器、强制循环蒸发器、离心式蒸汽压缩机等。本系统考虑到不同类型蒸发器的物料适用性及节能性，将降膜蒸发器与强制循环蒸发器联用，建立系统及部件的数学模型，与传统蒸发结晶系统进行性能对比，并对系统的操作参数组合进行了多目标优化。

本项目为一种 MVR 并联双效蒸发结晶系统，其流程如图 1 所示。本系统中原料液先通过降膜蒸发器进行蒸发浓缩处理，产生的浓溶液再经过强制循环蒸发器进行结晶，既克服了降膜蒸发器不适用于结晶物料的限制，也减少了强制循环蒸发器运行需要的驱动功率。项目组建立了系统和各部件的数学模型，计算确定系统中各管段不同介质的热力学参数。通过能量和㶲分析，本系统与传统多效蒸发结晶系统相比，在相同蒸发量下耗能更少、COP 值和㶲效率更高，节能性和热力学完善程度都较好。
通过分析各参数对系统总功耗及满足生产要求所需的总换热面积的影响规律，主要操作参数为压缩温升和蒸发温度，分析得到两者的取值范围。在取值范围内，以系统总功耗最小和总换热面积最小为优化目标，利用遗传算法进行多目标优化计算，确定一组最优的压缩温升和蒸发温度组合。在相同蒸发量下，优化后的参数组合可使系统总功耗及总换热面积均相对较小，且能使系统具有更高的COP 值和㶲效率，节能性和热力学完善程度都有所提高。以蒸发量 15000kg/h 为计算实例，结合实际工程对温度的控制精度，在模糊集合选优的基础上确定最优解，优化前后的操作参数及系统性能评价参数对比情况如表 1 所示。

本项目的技术主要应用于大型工业的废水处理和回收、海水淡化，以及化工、制药、食品加工等过程的蒸发结晶中。

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