智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术及装备应用.pdf

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1、第23卷第7期黑龙江工业学院学报(综合版)Vol.23No.72023年7月JOURNALOFHEILONGJIANGUNIVERSITYOFTECHNOlGY(COMPREHENSIVEEDITION)Jul.2023文章编号:2096-3874(2023)07-0111-10智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术及装备应用彭德连1，张承虎2，项敬来1，姜沈阳1(1.温兄控股集团股份有限公司，浙江温州325000;2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150000)摘要:为了响应国家的双碳目标和计划，针对常规天然产物与中药提取浓缩工艺存在能耗与碳排放双高的难题，进行了常规系统和热能循环系统的能流对比

2、分析，分析了在低温浓缩前提下水蒸气直接压缩存在的本质缺陷，提出基于热能循环利用的纯电驱动低温浓缩技术与系统，构建了纯电驱动低温蒸发浓缩系统的数学物理模型，给出了新系统的评价指标与方法。通过实际工程运行数据的深入分析，给出了智能纯电驱动蒸发浓缩技术与装备的运行特性和技术经济性，结果表明新系统可将物料的蒸发浓缩温度控制在40-45C，每吨水蒸发量的电耗为65kWh，每吨醇蒸发量的电耗低于50kWh，可实现羊位蒸发水量的碳减排能力O.It(CO2)1t(H20)。本项技术将助力我国工业电气化的早日实现，为天然产物与中药提取液的低温浓缩提供全新的技术路线。关键词:低温;蒸发浓缩;纯电驱动;运行;评价中

3、图分类号:TM924.1:TQ051文献标识码:A随着我国2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的双碳目标的提出，未来我国的能源结构转型的路线越来越清晰，清洁电力将成为未来的主要能源。随之而来的是能源消费端各行各业的电气化转型，工业电气化所面临的技术难度尤为显著，同时大量的工业热能消超使电-热直接转换利用受到限制。在提取中药与天然产物的相关工艺中，较为典型的单元操作当属蒸发浓缩技术。蒸发浓缩系统运行效率的提升有利于降低系统能艳。传统多效蒸发(MultipleEffect Evaporator,MEE)和机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Re-compression,MVR)

4、都属于蒸发浓缩领域的典型工艺技术，前者是将原料液通过锅炉产生的蒸汽进行加热并浓缩，再将末效蒸发罐内生产的二次蒸汽由冷却塔等装置进行冷却，与此同时造成了大量的能源浪费。后者因其节能、高效、环保等特点，被广泛应用于欧美等西方国家的蒸发技术领域。但是由于绝大多数天然产物与中药提取液都属于热敏性物质，蒸发浓缩不能在较高温度下进行。在低温浓缩前提的限制下，双效蒸发、MVR和TVR(蒸汽热力再压缩技术)都无法实现。基于此，本文深入分析低温浓缩的技术要求和特点，提出了一种新型智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术，并对该装备工程应用的技术经济性进行评价。1蒸发浓缩系统能流对比分析常规双效蒸发浓缩系统的原理如图1所示，

5、为保证系统正常运行，需要连续不断为其提供高温生蒸气，并且通过冷却塔等设备来冷却二次蒸汽，进而造成能源的浪费。根据双效蒸发浓缩工艺参数，一效蒸发罐的蒸发温度与高温生蒸汽、一效二次蒸汽与二效蒸发罐的蒸发温度应维持将近1OC的温差才能保证系统间正常的传热。同时借鉴热泵系统的工作原理，通过高位电能的驱动将能量由低温热源向高温热源传递，可以将二效蒸发罐内产生的二次蒸汽的冷凝热进行回收。综上所作者简介:彭德连，高级工程师，温兄控股集团股份有限公司。研究方向:制药装备设计与制造。通讯作者:张承虎，副教授，博士生导师，哈尔滨工业大学。研究方向:工业泛热节能技术与装备。111第7期黑龙江工业学院学报(综合版)2

6、023年述，本文结合双效蒸发系统与真空相变热泵系统如图2所示。的特点，提出了纯电驱动低温蒸发浓缩系统，原理生蒸气进液管路一效蒸发罐-._、_._.-二效蒸发罐-,;干_-I排液管路冷却塔级部i热器图1常规双效蒸发浓缩系统原理图出料泵图2纯电驱动低温蒸发浓缩系统原理图纯电驱动低温蒸发浓缩系统由双效蒸发子系动低温蒸发浓缩技术的能超水平和技术优势，本统、真空相变热泵子系统、载热子系统、预热子系文对常规双效系统和纯电驱动系统进行了能流对统和真空保障子系统构成。为了深入分析纯电驱比分析，它们的能流图如图3和图4所示。散热损失(17kW)图3常规双效蒸发系统设备能流图112第7期智能纯电驱动低温蒸发浓缩技

7、术及装备应用2023年电能(l77kW)散热损失(21kW)回国-呻冷i疑液的;恰(l13kW)101520253035404550压缩后饱和副度提升幅度J OC图5水蒸气直接压缩的实际电功率1000900800注700560o500Loof式30020010005图4纯电驱动低温蒸发浓缩系统能流图统、有机榕剂浓缩的情况下都不适用。低温下水蒸气的密度和绝热指数决定了水蒸气直接压缩的单位电艳、排气温度、压缩体积等都不再具有技术可行性。下面以5t/h蒸发能力的水蒸气直接压缩机在不同蒸发温度和升温需求下的性能进行分析。2.1水蒸气直接压缩的功超水蒸气的吸气饱和温度分别是50(;、70(;、90(;、

8、110(;时，压缩之后饱和温度提升幅度分别从10-45(;条件下，水蒸气直接压缩的电功率如图5和表1所示。对比分析结果表明:(1)就常规双效蒸发系统而言，存在两方面的缺点导致其能源利用率较低。一是需要额外提供生蒸汽来加热原料液使其蒸发浓缩，二是在系统运行中未对生蒸汽、一效二次蒸汽及二效二次蒸汽所产生的冷凝液进行回收利用。与之不同的是，纯电驱动低温蒸发浓缩系统无需额外提供生蒸汽，而是利用热泵所产生的中介水蒸汽对原料液加热;同时回收利用了一效二次蒸汽冷凝液中的显热以及二效二次蒸汽冷凝热。(2)通过对比分析可知，纯电驱动低温蒸发浓缩系统的内部设备由于散热损失程度较小，基本不影响系统的正常工艺流程，可

9、通过蒸发折损率来表征设备散热损失。(3)回收二效蒸汽的凝结热主要由真空相变热泵的输入功实现，通过外置预热器来对进口物料进行预热，在一效罐的投入与产出热量平衡的基础上实现了余热的利用。2水蒸气直接压缩存在的问题基于水蒸气直接压缩的MVR技术，不适用于低温(R124R245faR141b。(4)一效蒸发温度较高时，R134a等工质不再适合间接压缩。3纯电驱动系统数理模型与评价方法3.1系统的数学模型从传热特性、热力特性和评价指标三个方面对纯电驱动低温蒸发浓缩系统进行数学模型构建，其中前两个数学模型包括双效蒸发子系统和热泵循环子系统。其数学模型计算求解流程如图7所示。开始+|机放蒸发子系统|热泵循环

11、O-WPP TO(2)单位蒸发量的标煤超量假设热泵压缩机的电超全部来源于燃煤发电116机组，燃煤发电机组的平均供电能超为0.31，计算公式如式(2)所示。阳1=乌生(2)(3)温室气体减排量以二氧化碳作为温室气体代表，减排量计算公式如式(3)所示。Mcoz=2.47Mbm(3)(4)有毒有害气体减排量以二氧化硫作为有毒有害气体代表，减排量计算公式如式(4)所示。AlS02=0.02Al(4)(5)粉尘减排量如式(5)所示。AlFC=O.OIAlbm(5)3.3经济性评价指标(1)系统年总费用系统年总费用包括运行及维护费用，具体计算公式如式(6)所示。J=J1+J2+J5(6)热泵压缩机的功率、

12、当地电价和年运行时间这三类因素影响热泵的年运行费用。具体计算公式如式(7)所示。J1=PyfJY(7)热泵循环子系统的年维护费用由机组维修、保养等组成，且受当地气候因素影响、系统运行工况及时长等影响，具体费用当另外计算。以初投资的一定比例进行估算。参考式(8)和式(9)对热泵投资建设费用进行估算。I=QlnX1000(8)J2=8l(9)参考式(10)对双效蒸发子系统的年维护费用进行估算。J3=FcL.(B+3780)x(0.667+0.0287AJh;(10)抽真空系统的费用年值主要用来不凝性气体的排除以及维持蒸发罐的真空度。因此，若维持系统良好的气密性以及抽真空系统不持续工作，第7期智能纯

13、电驱动低温蒸发浓缩技术及装备应用2023年则会大大降低其费用年值。根据泵的轴功率按照式(11)对排水泵的运行费用进行估算。N=FHg(11)3600 x1000n(2)静态回收年限模型相较于常规双效蒸发系统，纯电驱动低温蒸发浓缩系统冷却塔的投资力度减少，但高温热泵的投资力度增大。在系统改造中常常用静态投资回收年限作为重要经济性评价指标，具体公式如式(12)所示。M=丁王一(12)l-J用式(13)表示常规双效蒸发系统的年总费用。l=11+12+13+14+14(13)对于两种系统的年总费用来说，差距最大的是J1+和11+儿，而系统年压缩机电费J1和年生蒸气费用11相较于热泵系统维护费用和系统冷

14、却塔维护费用13占比较大，因此仅考虑J1和11对其造成的差别。计算公式参考式(7)和式(14)。l1=nez/woo(14)4运行特性与技术经济性本文针对某中药企业应用的智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术与装备的实测数据进行总结介绍，该项目的机组如图8所示。图8实际工程现场的智能纯电驱动低温蒸发浓缩机组计算模型，传热系数通过换热器的传热量(公式计算)、传热面积(设计参数)和温度(仪表测量)求得。4.1传热性能测试结果由于换热器的传热效果直接受其传热系数的影响，因此需通过分析传热系数变化的影响规律得出提高换热器性能的实验方法。根据系统传热60一热泵冷凝器一效蒸发罐一必_._.-工效蒸发罐-?-热泵蒸发

15、器020304050时间Imin图10系统稳定运行时传热系数的变化220020001800QJ600右1400、-主1200点1000隔800平600、400200006024一热泵冷凝器22H-效蒸发罐20晶一效蒸发;罐18-号热来蒸发器16却14署121平10字86420o1020304050时间Imin图9系统稳定运行时传热温差的变化图9和图10分别表示系统稳定运行过程中的传热温差和传热系数变化规律。图9表示，在换热结构和传热面积相同的情况下，一效蒸发罐的传热温差比二效蒸发罐的传热温差大，分别为.117.第7期黑龙江工业学院学报(综合版)2023年16.09(;和12.7(;，这是由于一

16、效蒸发罐内中介水蒸气汽的传热温差受系统不凝性气体的影响而有所增大。由于蒸发器中的积液原因所导致的传热系数和面积减小，使得热泵蒸发器的平均传热温差为8.97(;，冷凝器的平均传热温差为7(;。图10表示，一效蒸发罐的平均传热系数最小，为860W/(m2K)，而热泵冷凝器的平均传热系数最大，为1302W/(m2K)，验证了不凝性气体的存在会降低系统的传热性能。4.2热泵的COP变化规律热泵COP和冷凝器与蒸发器的温差(简称CE温差)随时间的变化规律，如图11所示。CE温差直接影响热泵系统的COP，COP作为评价热泵效率的关键指标。热泵的COP和CE温差随时间呈相反变化规律，符合系统热力工作原理。1

17、8020022024026028074869811012213467.579.591.5103.5115.5127.56173859710912154.566.578.590.5102.5114.5486072849610841.553.565.577.589.5101.53547597183956505El14l热热i犁泵CCiOK温Pl差IIIIII:48I211176E。LJ5.O卢l一/J每费、-、-幅幅销。自实时遇副2109mw54(制撑KZ刻廿队叫lL叭4.5、，二-_44、j抖地附:1800l3mEFr五、将.r4叶、24.0。否170042畏112:3.5j.-160041-.

18、-11015003.0I.FI,It,II,IIII40L-牛-一一-.L-一-一-.J9白U51o152o25、53句、o3付毛5斗40体45、】、so飞】r气w口正o)、SO60呵/内8090守100110 12守，白13句、o时间/min热泵压缩机的负荷/%图11系统热泵COP的变化图12单位蒸发能耗的变化4.3压缩机负荷对性能的影响这是由于负荷与运行不匹配时，负荷的增加甚至螺杆压缩机的型号选择影响整个系统的运行对系统运行效果起到负面影响，因此选择与系统效果，而保证压缩机功率与系统的匹配程度至关相匹配的功率至关重要。重要。实验通过同时调节压缩机负荷滑阀和输入4.4系统的技术经济性评价电流

19、与负荷相匹配的方式来控制压缩机功率。本通过系统实际运行数据的统计分析，计算得到文针对系统总蒸发量和单位超电蒸发量(WPP)与纯电驱动低温蒸发浓缩系统的单位蒸发量的花电为热泵压缩机负荷之间的影响作出以下分析。臼kWh/t，折合单位蒸发量生蒸气超量阳F如图12所示，随着压缩机负荷的增加，系统总=0.135kg/kg(常规双效系统为0.55-0.kg/kg);蒸发量提高且WPP降低，因此可提高压缩机负荷单位蒸发量的标准煤超量却.15kg/t(常规双效系统来提高总蒸发量，同时减小压缩机负荷可使系统为55.15kg/t);碳诫排量为O.lt1t。以2t1h蒸发量能超有一定程度减少。当压缩机在超负荷条件下

20、的纯电驱动低温蒸发浓缩机组为例，在不同蒸汽价运行时，总蒸发量的提高不再受负荷增加的影响，格和电价下的节能经济性如表6至表8所示。表6不同能源价格下蒸发1盹水费用节省情即(:wt)飞飞飞飞飞蒸汽价电价/(jVkWh)飞飞飞飞飞0.60.70.80.91.0 118 第7期智能纯电驱动低温蒸发浓缩技术及装备应用2023年表7不同能源价格下蒸发一盹水的费用节省比例1%司前T巳180200220240260280电价/(j毛IkW的0.665.4968.8071.5373.8375.7877.460.759.7363.6066.7969.4671.7473.700.853.9858.4062.0465

21、.1067.7069.940.948.2353.2057.3060.7463.6666.181.042.4848.0052.5556.3859.6362.431.136.7342.8047.8152.0155.5958.671.230.9737.6043.0747.6551.5554.91表8规格为2t1h纯电驱动浓缩机组的增量回收期/小时司前?巳180200220240260280电价/(j毛IkW的0.6121621046591848182737767160.7133331132198368696779270590.81475412329105889278825774380.9165141

22、3534114659945878078601.018750150001250010714937583331.1216871682213740116131005688671.225714191491525412676108439474可以看出，当电价为o.7元IkWh，蒸汽价为240万t时，每蒸发一吨水可节省运行费用103.5万t，节省比例接近70%，设备的增量投资回收期为8700小时。随着未来能源结构的调整，电价趋低，蒸汽价格趋高，纯电驱动低温蒸发浓缩机组的节能环保性和运行经济性将会更加显著。5结论为了满足未来工业电气化对天然产物与中药提取液浓缩分离工艺的节能低碳要求，本文提出了纯电驱动低温

23、蒸发浓缩工艺和装备，通过间接压缩原理实现热能的循环利用，通过理论分析和实际工程项目测试分析，得出如下结论。(1)纯电驱动低温蒸发浓缩系统中真空相变热泵侧输入的功量主要用于回收蒸发器内二效蒸汽的凝结热。电力输入的目的不是电热转换，而是驱动系统热能的循环利用，这是本项技术实现节能的根本原因。(2)从直接压缩水蒸气的实际压缩功艳、排气过热度、压缩体积等技术角度考虑，水蒸气不适合低吸气温度、大温升幅度工况的压缩，因此MVR不适合热敏性物料的低温浓缩，无法实现双效节能。(3)采用制冷剂作为载热循环工质，可以完美地避免低温水蒸气热物理性质对压缩性能的本质限制难题，实现纯电驱动低温蒸发浓缩工艺技术。(4)建

24、立了双效系统与真空相变子系统的搞合数理模型，并从节能环保性和经济性两个方面给出了纯电驱动低温蒸发浓缩技术的评价指标。(5)通过纯电驱动低温蒸发浓缩工程项目的运行实际测试，结果表明单位蒸发量的花电为65kWhlt，单位蒸发量的标准煤超量20.15kglt(常规双效系统为55.15kglt);碳减排量为O.lt1t。在合理的电价和蒸汽价格下，每蒸发一吨水可节省运行费用约100万t，节省比例接近60%-70%,设备的增量投资回收期为7000-10000小时。参考文献1J李齐.中国能源安全现状与矛盾转变JJ.国际石油经济，2018，26(04):18-26.2J顾承真，闵兆升，洪厚胜.机械蒸气再压缩蒸

25、发系统的性能分析JJ.化工进展，2014，33(1):30-35.3J程坦.机械式蒸汽再压缩系统换热过程的数值模拟及结构优化设计DJ.武汉:武汉工程大学，2015:1-4.4J阁尔平，罗正芳，王建坤，等.中药及精细化工多效119第7期黑龙江工业学院学报(综合版)2023年蒸发系统热泵节能技术的研究CJ/广州:中国石油和化工勘察设计协会热工专委会.2012:172-175.5J杨荣欣，陈东，谢继红，等.热泵蒸发装直的技术方案分析JJ.化工装备技术，2017，38(01):5-8.6J周亚夫.多效蒸发过程模拟JJ.化学工程，1985，(05):46-52.7J梁虎，王黎，未平.多效蒸发系统优化设

26、计研究JJ.化学工程，1997，25(06):48-55.8J阮奇，黄诗煌，陈文波，等.多效蒸发系统优化设计目标函数的建立与求解JJ.计算机与应用化学，21，18(01):69-75.9J马利敏，王怀信，王继霄.HFC245也用于高温热泵系统的循环性能评价JJ.太阳能学报，2010，31(6):749-753.lOJ赵兆端，吴华根，刑子文，等.也45也高温蒸气热泵理论与实验研究JJ.制冷学报，2018，39(01):28-33.IntelligentPur eElectricDrivenLow-TemperatureEvaporationandConcentrationTechnology

27、andEquipmentApplicationPengDelian1,ZhangChenghu2,XiangJinglai1,JiangShenyang1(1.Wen Brother Holding Group Co.,Ltd.,Wenzhou,Zhejia吨325000，China;2.Harbin Institute ofTechnology,Harbin,Heilo吨Jla吨150000，China)Abstract:In response to the countrysdualcarbon goals and plans,aiming at the problems of high e

28、ner-gy consumption and carbon emission in the extraction and concentration process of conventional natural productsand traditional Chinese medicine,this paper conducted a comparative analysis of energy flow between conven-tional system and thermal energy circulation system,analyzed the essential def

29、ects of direct compression of watervapor under the premise of low temperature concentration,proposed a pure electric driven low temperature con-centration technology and system based on thermal energy recycling,built a mathematical and physical model ofpure electric driven low temperature evaporatio

30、n and concentration system,and gave the evaluation indexes andmethods of the newsystem.broughthe in-depth analysis of the actual engineering operation data,the operationcharacteristics and technical economy of the intelligent pure electric drive evaporation and concentration technol-ogy and equipmen

31、t are given.The results show that the new system can control the evaporation and concentrationtemperature of materials at 40-45C,the power consumptionperton of water evaporation is 65kWh,the powerconsumptionperton of alcohol evaporation is less than 50kWh,and the carbon emission reduction capacitype

32、runit of evaporated water isO.1t(CO2)/t(H2).This technology will help the early realization of Chinas indus-trial electrification and provide a new technical route for the low-temperature concentration of natural productsand the extraction of traditional Chinese medicine.Keywords:low temperature;evaporation and concentration;pure electric driven;operation;evaluateClass No.:TM924.1:TQ051120DocumentMark:A(责任编辑:宋春莲)

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