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摘 要

在现代化工产业中，NaOH是一种重要的化工原料，并且在各种化工过程当中，会产生大量含低浓度NaOH的废液，这些废液的处理排放成本很高。在本设计中，通过构建热力学模型以及设备选型计算设计了一个用于NaOH溶液蒸发浓缩的装置。组件包括一个蒸汽压缩式热泵机组（制冷剂为R134a），一个冷却水换热器、一个双效蒸发器、两台溶液泵、一台凝结水泵、一台真空泵以及其他阀件管道。设计中为系统选配了合适的压缩机、热力膨胀阀，并通过设计参数对系统中涉及的换热器进行了设计计算。热泵驱动的蒸馏系统相比于电热/蒸汽加热的系统没有了冷却水的消耗，同时也通过蒸发器回收冷凝热提高了系统的热效率。本系统通过设置双效蒸发流程解决了传统单效蒸发流程冷凝温度蒸发温度差值过小导致的压缩机压比过低的问题。利用这样的工作流程使得系统可以适配市场上现有的空调/热泵压缩机，而不用专门定制小压比压缩机，节约了系统初投资成本。

关键词 热泵 双效蒸发 蒸发浓缩

ABSTRACT

In modern chemical industry, NaOH is an important chemical raw material. However, a huge number of low concentration waste NaOH solution is produced in various process. The treatment and discharge of that cost a lot. In this essay, a device for evaporation and concentration of NaOH solution was designed by thermodynamic model construction and equipment selection calculation. The model consisted of a steam compression heat pump unit (refrigerant R134a), a cooling water heat exchanger, a double-effect evaporator, two solution pumps, a condensate pump, a vacuum pump and other valve pipes. In the design, suitable compressors and thermal expansion valves were selected for the system, and the heat exchangers of system were designed and calculated through the chosen design parameters. The heat pump driven distillation system consumed no cooling water comparing to the electrothermal/steam heating system, and also it improved the thermal efficiency of the system by recovering condensation heat from the evaporator. This system solved the problem of low compressor pressure ratio caused by small difference of condensation temperature and evaporation temperature in traditional single-effect evaporation process by setting up double-effect evaporation process. By using this process, the system can adapt to the existing air conditioning/heat pump compressors in the market, instead of customizing the compressors with small pressure ratio, which saves the initial investment cost of the system.

Keywords:Heat pump;Double-effedct evaporation; Evaporation concentration

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义： 1

1.2国内外研究进展 1

1.2.1引言 1

1.2.2国内外研究现状 2

1.2.3总结 2

第二章 双效蒸发浓缩碱液循环系统原理 3

2.1热泵 3

2.1.1机械压缩式热泵 3

2.1.2热驱动热泵 3

2.2制冷剂 4

2.3焦耳-汤姆森效应 5

2.4 Raoult定律 5

第三章 系统模型 7

3.1简介 7

3.2工艺说明 7

3.3热力学模型 8

3.3.1蒸汽压缩式热泵 9

3.3.2双效蒸发器 10

3.3.3参数计算 11

第四章 设计计算及选型 13

4.1热泵系统设计计算 13

4.2冷却水换热器 14

4.3双效蒸发器 17

4.3.1热泵蒸发器 17

4.3.2热泵冷凝器 18

4.3.3冷凝蒸发器 18

4.4溶液泵及真空泵 18

4.5设计结果 19

第五章 总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 22

第一章 绪 论

1.1选题背景及意义：

当前化工产业中有多种废液处理技术，每种方法都有其相应的优缺点以及适用场合。化学方法处理废液主要是通过向废液当中加入一些废液处理剂，但这样往往又会引入新的离子，形成再污染；生物处理法耗时又较长；而大部分的物理处理法仅是对废液进行简单地处理，并没有从根本上改变废液污染的性质。因此，引入了一种新的物理方法———热泵蒸发处理技术。通过热泵加热蒸发浓缩稀碱废液之后循环利用。当前，占据脱盐工业市场90%份额的主要是多级闪蒸淡化和反渗透技术，余下的是多效蒸发(热力或机械压缩式)以及机械压缩式的单效蒸发系统，相比于其他形式的蒸发处理技术热泵蒸发系统结构紧凑，占地面积小，在处理小流量的情况下有巨大的竞争力。

机械压缩式热泵蒸发技术，通过补充一定的压缩功(电耗)代替了大量消耗的加热蒸汽(煤耗)，而产生高温、高压的蒸汽以提供蒸发器中溶液的蒸发所需要的能量；通过蒸发-冷凝可以有效去除大多数无机物，沸点高于溶液沸点的有机物、热原质、细菌等；同时，相比于蒸汽加热或直燃加热，电能清洁度更高，不会因此带来二次污染，而浓缩后的溶液也可以作为副产品利用，这对解决废液污染、合理利用废液资源以及资源利用最大化是一个重要的方法^[1]。同时，在电加热和蒸汽加热的蒸煮浓缩系统当中，溶液蒸发产生的二次蒸汽的能量需要通过冷却水带走，一方面这部分能量没有得到充分地利用，另一方面也增加了冷却水消耗的成本。热泵系统二次蒸汽当中的能量在利用蒸发器进行了回收，提高了系统热效率的同时也减少了冷却水的消耗。

传统的单效蒸发浓缩技术，存在着一些问题，首先是碱液的蒸发浓缩遵循杜林法则，在浓缩过程中沸点随着浓度的升高而上升，在单效蒸发装置中就需要设置较高的蒸发温度，制冷剂侧对应更高的冷凝温度，从而影响了整个系统的循环效率。另外，以本设计的目标工况为例，碱液浓度变化范围仅为5%-25%，由拉乌尔定律可知溶液蒸发侧与蒸汽冷凝侧温差不大，对应制冷剂冷凝温度与蒸发温度差值较小，相应的冷凝压力与蒸发压力差值较小，对应压比较小，导致压缩机工作在恶劣工况下，而当前市场上常用的压缩机为空调工况压缩机，设计冷凝压力与蒸发压力的差值比较大，因此利用空调压缩机来实现热泵蒸发浓缩碱液循环将导致压缩机效率降低，甚至于不能安全稳定工作。通过设置双效蒸发系统，在控制传热温差的同时能保证热泵的蒸发端和冷凝端有足够的温差，从而保证压缩机稳定高效的运行。

1.2国内外研究进展

1.2.1引言

在现代化工产业当中，氢氧化钠溶液是一种极为重要的原料。同时，在各种化工过程当中又极易产生含低浓度的氢氧化钠的废液，废液的排放/处理成本较高，因而设计一个高效节能的碱回收系统是很有意义的。目前常用的碱液浓缩技术是反渗透技术、多级闪蒸技术以及机械驱动蒸汽压缩式热泵蒸发技术。热泵蒸发系统结构紧凑，占地面积较小，在小容量系统市场中有极大的竞争实力。而热泵蒸发系统工作过程为纯热力学过程（传热/传质），因此在系统上有很大的优化潜力。热泵技术本身是一项历史悠久的技术，早在开尔文时代就提出了“热量倍增器”热泵系统的概念，从第一台热泵机组面世至今，这项技术已经历了百余年的发展。在近年来的研究中，对于热泵系统的热力学分析引入了㶲的概念，从能量的质和量两个角度同时入手考虑，使用㶲模型来设计和评价一个系统，可以得到更优化的方案。氯碱工业也已经经历了多年的发展，本研究中涉及的氢氧化钠溶液的各种理化参数都可以在工程手册^[2]当中查到。

1.2.2国内外研究现状

国外研究现状：国外能查到的氯碱工业的文献较少，近年的研究重点更多的是海水蒸馏淡化技术，与本研究相似，可以作为参考。目前已有大量海水蒸馏系统投产，对于热泵驱动的盐水蒸馏系统建立起了相应热力学模型以及热经济学模型^[3]，并开发了与之相对应的可视化仿真设计软件^[4]，在这些研究中，对于系统的驱动能源、传热形式、多效蒸发器的效数以及系统容量的选择对于系统能效的影响等进行了详细的探讨研究，从系统的热经济性设计入手，在现有系统的基础之上提出了优化设计方案。同时这些研究也反映出一些问题，也是本研究中一个主要的问题，热泵驱动的海水蒸馏系统压缩机压比在1.5以下，市场上几乎找不到相应的压缩机，需要专门定制；市场上现有的空调/热泵压缩机大多压比较高，如果直接选用，则会使压缩机工作在恶劣工况下，运行效率低，甚至于无法安全稳定的工作，这两种情况都会极大增加系统的成本。因此在本系统的设计过程当中，合理控制各个部分的温度。

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