分级低温蒸发浓缩碱液的热泵循环构建与理论分析

摘要

印染、造纸厂的废液中含少量的NaOH，通常的做法是将其直接排掉，这不仅污染环境，还造成了碱原料的浪费，将热泵技术与碱液浓缩结合起来，可以很好地回收利用这些废液，具有节能环保双重功效。国内外学者对一些基于热泵的浓缩碱液系统进行了分析和研究，但并未充分考虑碱液泡点随浓度的关系。针对碱液泡点符合杜林法则的特点，本文对两种基于热泵的分级蒸发浓缩碱液系统进行了理论计算分析和研究，即分级蒸发浓缩碱液的水蒸气机械再压缩热泵（Mechanical Vapor Recompression）系统和分级低温蒸发浓缩碱液的使用R22工质的热泵循环系统。
　　水蒸气机械再压缩热泵(MVR)系统针对水蒸气压缩的特点，采用了罗茨鼓风机作为压缩机，并且解决了罗茨式鼓风机只能在小压比条件下工作的制约和碱液泡点随浓度升高可能带来的问题，采用分级压缩，且碱液在第一级系统中常压蒸发，第二级系统中低压蒸发。对该系统进行了物料质量、热量平衡计算，提出了可操作的系统方案，并用一次能源利用系数表示系统的节能效果。但是此种系统碱液蒸发温度过高，可能会导致钢制设备出现应力腐蚀，即“碱脆”，影响系统的安全运行，为了避免此种危害的发生，本文进一步提出了分级低温蒸发浓缩碱液的使用R22工质的热泵循环系统。NaOH溶液浓缩（水蒸发过程）过程在相同浓度条件下压力与温度成正比关系，因此可通过降低碱液侧压力以使用热泵循环实现低温蒸发浓缩碱液，热泵循环中制冷剂冷凝器管内的蒸汽冷凝温度约为40℃，通过调节热泵循环蒸发温度，使得NaOH溶液浓缩过程的压力降低，从而使其泡点低于40℃，实现碱液低温蒸发浓缩。但随着蒸发过程的进行，碱液浓度升高，碱液与制冷剂蒸汽的温差逐渐减小，这会减缓蒸发浓缩碱液的进度，严重情况下还会导致蒸发停止。为了解决以上问题，本系统将碱液蒸发浓缩分为两个阶段，分别在低、高浓度碱液蒸发器中进行，其中高浓度碱液蒸发器中碱液侧压力低于低浓度碱液蒸发器中碱液侧压力，从而可以保证两种碱液出口浓度的泡点相同，且均低于制冷剂蒸汽在冷凝管中的温度。此举综合考虑了制冷剂冷凝放热温度与碱液蒸发泡点的关系，保证了碱液蒸发有效、可靠的运行。
　　碱液蒸发器是系统中最重要的部件之一，如何稳定、快速的将碱液蒸发到指定浓度是评价热泵蒸发浓缩系统性能的关键，因此本文利用Aspen Plus中的换热器(HeatX)和闪蒸(Flash2)的组合模块对碱液蒸发进行了模拟分析。采用ELECNRTL物性计算方法对NaOH电解质水溶液蒸发水蒸气的过程进行了模拟，在蒸发浓缩过程模拟的基础上运用Aspen Plus对系统流程进行了模拟分析，计算出了压缩机的耗功，进而得出了热泵系统的COP，并将模拟结果与热力学编程计算的结果作了比较。对Aspen Plus根据自带的电解质物性方法得出的NaOH溶液溶液参数与实际NaOH溶液焓浓图中的参数进行对比，分析了模拟误差产生的来源，并提出了可行的修正措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 热泵系统的优化与创新

1．2．2 换热器降膜蒸发的研究

1．3 研究目的和主要内容

第二章 分级蒸发浓缩碱液的水蒸气机械再压缩热泵系统

2．1 构建思路

2．2 系统介绍

2．2．1 系统流程图

2．2．2 系统流程

2．2．3 具体实施方法

2．3 系统热力学计算

2．3．1 物料平衡

2．3．2 热量平衡

2．3．3 二次蒸汽压缩过程的热力计算

2．3．4 能源利用情况分析

2．4 推广到多级

2．5 本章小结

第三章 分级低温蒸发浓缩碱液的使用R22工质的热泵循环系统

3．1 构建思路

3．2 系统介绍

3．2．1 系统流程图

3．2．2 系统流程

3．2．3 具体实施方法

3．3 运行及控制策略

3．4 热泵的热力学计算分析

3．4．1 制冷剂的性质

3．4．2 制冷剂循环的热力计算

3．5 推广到多级

3．6 本章小结

第四章 ASPEN PLUS软件模拟碱液蒸发器

4．1 模拟软件

4．2 物性方法和模型

4．2．1 NaOH及其水溶液的物理化学性质

4．2．2 物性计算方法

4．2．3 真实组分与名义组分

4．3 碱液蒸发器模拟

4．3．1 碱液降膜蒸发的物理模型

4．3．2 降膜蒸发的假定条件

4．3．3 传热面积

4．3．4 碱液蒸发器模拟结果

4．4 本章小结

第五章 系统模拟及分析

5．1 流程模拟基础

5．1．1 通用流程模拟

5．1．2 稳态模拟与动态模拟

5．1．3 过程仿真方法

5．2 系统流程模型

5．2．1 Aspen Plus系统流程模型

5．2．2 热力学仿真程序

5．2．3 局部循环流程分析

5．3 模拟结果与分析

5．3．1 模拟结果

5．3．2 模拟误差分析

5．3．3 模拟的修正与改进

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 下一步工作展望

参考文献

攻读学位期间学术成果

致谢