249 料液浓缩节能分析
249 料液浓缩节能分析
●语音讲解-基础
基础参数
料液处理量为1吨/小时，料液初始质量浓度为5%，浓缩后料液质量浓度为20%。
料液浓缩装置每天24小时运行，每月运行30天，电价按1.0元/kWh计算。
基本型料液浓缩装置
基本型料液浓缩装置的构成及工作过程如下图。
图中，料液在浓缩器中被加热器加热至沸点温度，料液中的水分汽化为水蒸气排出，料液被浓缩。
料液处理量为1000kg/h，料液从5%浓缩至20%时，每小时需从料液中去除水分750kg/h（0.2083kg/s），忽略其他热损失，而取料液中水分汽化潜热为2500kJ/kg时，电加热器的耗电功率约为：
P1=0.2083*2500
=521kW
从料液中除去1ton水所需能耗约为：
EPT1=521/0.75=695kWh/ton
每月耗电量及耗电费用约为（24小时/天，30天/月）：
E1=521kW*24h/d*30d
=375120kWh
C1=E*1=375120元
●研讨
如何确定料液的浓缩温度？
如果料液要求的浓缩温度低于常压下的沸点，如何处理？
如果料液中含有氯化钠，料液的沸腾温度比纯水升高还是降低？料液的汽化潜热比纯水升高还是降低？
●语音讲解-多效型
沸腾型多效浓缩装置
以三效浓缩为例，沸腾型多效浓缩装置的构成及工作过程如下图。
图中，一效浓缩器采用外部热源加热，但二效、三效浓缩器的加热不再需要外部热源，而是采用前一效浓缩器排出的蒸汽作为下一效浓缩器的热源。
沸腾型多效浓缩装置的效数通常为二效～七效（因前一效浓缩器排出的蒸汽加热下一效浓缩器料液时需要适宜的传热温差，因此沸腾型多效浓缩装置的效数受料液浓缩温度、沸点随料液浓度升高情况等限制）。此处按五效考虑，浓缩装置的能耗约为：
P2=521/5=104kW
从料液中除去1ton水所需能耗约为：
EPT2=695/5=139kWh/ton
每月耗电量及耗电费用约为（24小时/天，30天/月）：
E2=375120/5=75024kWh
C2=E*1=75024元
●研讨
沸腾型多效浓缩装置的效数主要受哪些因素制约，如何具体确定？有哪些典型流程？
膜蒸馏型多效浓缩装置
膜蒸馏型料液浓缩装置的构成及工作过程如下图。
图中，膜蒸馏组件中的膜是疏水材料制成的微孔膜，具有允许水蒸气通过但不允许料液通过的特性（参见“冷热平台”2019-05-25“膜蒸馏及其发展分析”一文）。热料液在膜表面流动时，其中的水分以非沸腾方式汽化并以水蒸气形式通过膜孔到达气隙侧，再通过气隙到达冷板并在冷板表面凝结为冷凝水排出膜蒸馏组件；出膜蒸馏组件的料液经冷却后再进入膜蒸馏组件中的冷板通道并在流动过程中吸收冷板表面水蒸气凝结放出的热能而被加热，出膜蒸馏组件后再被外部加热器进一步升温后成为热料液返回膜蒸馏组件。
当料液按图中工况运行时，当量效数约为六～七效，近似按七效考虑时，浓缩装置的能耗约为：
P3=521/7=74.4kW
从料液中除去1ton水所需能耗约为：
EPT3=695/7=99kWh/ton
每月耗电量及耗电费用约为（24小时/天，30天/月）：
E3=375120/7=53589kWh
C3=E*1=53589元
●研讨
膜蒸馏型多效浓缩装置的当量效数主要受哪些因素影响？
与沸腾型多效浓缩装置相比，膜蒸馏型多效浓缩装置有哪些优点和缺点？
●语音讲解-MVR和冷冻浓缩
MVR料液浓缩装置
MVR（Mechanical Vapor Recompression）料液浓缩装置的构成及工作过程如下图。
图中，MVR料液浓缩装置是一种开式热泵，浓缩器中料液沸腾产生的蒸汽进入压缩机，被压缩机升温升压后送入浓缩器再用于加热料液后变为冷凝水排出（详细探讨请参见《热泵技术手册》第二版）。
装置按图中工况运行时，当量效数约为15～25效，按20效计算时，浓缩装置的能耗约为：
P4=521/20=26.1kW
从料液中除去1ton水所需能耗约为：
EPT4=695/20=35kWh/ton
每月耗电量及耗电费用约为（24小时/天，30天/月）：
E4=375120/20=18756kWh
C4=E*1=18756元
●研讨
MVR料液浓缩的当量效数主要受哪些因素影响？
MVR料液浓缩装置中的压缩机有哪些特殊要求？
冷冻浓缩装置
冷冻浓缩装置的构成及工作过程如下图。
图中，结冰器与料液接触，制冷单元为结冰器冷量，使结冰器表面温度低于料液冰点温度，使料液中水分结冰，再用适当方式将冰与料液分离即可实现料液浓缩（参见“冷热平台”2019-10-24“冷冻浓缩技术简介”）。
由于水分结冰潜热（320kJ/kg～350kJ/kg）约为汽化潜热（2000kJ/kg～2500kJ/kg）的1/7，因此，冷冻浓缩装置的当量效数可约为20～30效，以25效计算时，浓缩装置的能耗约为：
P5=521/25=20.8kW
从料液中除去1ton水所需能耗约为：
EPT5=695/25=28kWh/ton
每月耗电量及耗电费用约为（24小时/天，30天/月）：
E5=375120/25=15005kWh
C5=E*1=15005元
●研讨
冷冻浓缩的效数主要受哪些因素影响？
冷冻浓缩装置主要有哪些优势和限制？
综合对比
以基本型为基准，后四种节能型料液浓缩装置的月电耗节省额度、月费用节能额度（24小时/天，30天/月）以及从料液中去除1吨水分的能耗分别为：
沸腾型五效浓缩装置
能耗及费用节省
ES2=375120-75024=300096kWh(元)/月
吨水能耗
EPT2=139kWh/ton
膜蒸馏型多效浓缩装置
能耗及费用节省
ES3=375120-53589=321531kWh(元)/月
吨水能耗
EPT3=99kWh/ton
MVR料液浓缩装置
能耗及费用节省
ES4=375120-18756=356364kWh(元)/月
吨水能耗
EPT4=35kWh/ton
冷冻浓缩装置
能耗及费用节省
ES5=375120-15005=360115kWh(元)/月
吨水能耗
EPT5=28kWh/ton
●节能管理-研讨
料液浓缩的本质是什么？有哪些实现途径？
与浓缩有关的料液特性及参数有哪些？
对某种料液，料液浓缩的最小能耗如何估算？
如何对上述各方案进行综合评估？
调研分析其他料液浓缩技术和装置？不同浓缩方法可否组合应用？
除料液中水分汽化所需能耗外，料液实际浓缩过程中还有哪些能耗？
如何对某种料液浓缩装置进行精细优化？
如果某企业拟对牛奶进行浓缩，需了解哪些资料？如何逐步展开？