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降膜蒸发器和强制循环蒸发器在工业废水零排放中的应用
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2021-04-08 12:55:19 浏览次数:
作者:万 华,朱利民,李 冰,黄小红( 中国轻工业长沙工程有限公司,湖南 长沙 410114)

摘 要: 在工业废水零排放的蒸发浓缩工艺设备中,常用的主要有降膜蒸发器和强制循环蒸发器。文章分析了两种蒸发器的基本原理和技术特征,对两者进行了技术经济、优缺点比较,并提供了两者的适用工况,为相关设计单位和企业提供选型参考。

关键词: 废水; 零排放; 降膜蒸发; 强制循环; 蒸发; 单元

1 前言

随着工业的迅猛发展,工业废水的种类和数量迅猛增加,对水体的污染也日趋广泛和严重,威胁人类的健康和安全[1]。如何将工业废水达标或减少排放,并尽最大可能地实现水资源循环利用,成为困扰工业企业的一大难题。因此,在我国大力提倡水资源节约利用和环境保护的大环境下,工业废水零排放应运而生。随着国家和企业对工业废水零排放的日益重视,以及国内外对废水零排放的研究不断深入,实现工业废水零排放的工艺也越来越多,但所有的热浓缩技术中,蒸发单元缺一不可。在蒸发单元操作设备选择上,主要有降膜蒸发器、升膜蒸发器、强制循环蒸发器、刮板式蒸发器、甩盘式薄膜蒸发器、列文蒸发器等[2]。工业废水行业中最常用的两种类型蒸发器一是降膜蒸发器,二是强制循环蒸发器。该两种蒸发器在化工、轻工、冶金、制药、环保废水、食品饮料等行业得到了广泛的应用[3]。降膜蒸发器自发明以来因其诸多优势受到各个行业的青睐[4]。强制循环蒸发器是 20 世纪以来因其适应能力强被广为推崇,特别是国内强制循环泵的加工和制作实力的大力提升,进一步被设计单位和各大企业所采纳。文章针对这两种蒸发器,从各自的基本原理和技术特征、优缺点分析、技术经济比较等做了简述。


2 降膜蒸发器和强制循环蒸发器的基本原理和技术特点[2,5]

2. 1 降膜蒸发器

2. 1. 1 基本原理

降膜蒸发器的基本原理: 降膜蒸发器是需蒸发的物料通过进料泵从降膜蒸发器顶部加热室上管箱进入,经液体布膜器在各换热管中得以均匀分布,以膜状形式沿着管壁往下流动。物料因在管壁形成的薄膜特性很容易被管壁另外一侧的加热介质( 蒸汽) 加热而汽化。汽化后的二次蒸汽和未汽化的液相一起进入蒸发器的分离空间实现分离效果。该系统实现蒸发过程的热源为蒸汽,送入降膜加热室壳程通过热传导的作业把本身潜热传递给管壁另外一侧的物料,实现热量传递的目的。

2. 1. 2 技术特点

降膜蒸发器的主要技术特点有:( 1) 针对热敏性介质有很好的适用性。因料液在换热管内壁直接蒸发的特点,物料在蒸发器内处理时间迅速,降低了物料变质的可能性。( 2) 传热系数较高。料液通过布膜器均匀分布后,在换热管内的膜层厚度较薄( 1 mm ~ 3 mm) ,传热表面积大,增强了传热效果。( 3) 可以适用于浓度较高( 未饱和) 和粘度较大的物料。在该工况下,处理不饱和的料液,降膜式蒸发器依靠料液沿管壁逐渐下降过程中的蒸发浓缩作用,阻力较小,不易结垢。( 4) 具有适用于易起泡的物料的特点。降膜蒸发器的物料从顶部往下流动,换热过程中的二次蒸汽和料液一起朝下进入蒸发器分离室。液体进入分离室底部,二次蒸汽通过折流后从分离室液汽分离出来。整个过程没有大的扰动和冲击,减少和降低了物料起泡的可能性。( 5) 可以适用于低温蒸发工况。鉴于降膜蒸发器的工作原理是通过重力作用实现,且要求内外传热温差较低,针对低温蒸发介质较为适用。

2. 2 强制循环蒸发器

2. 2. 1 基本原理

强制循环蒸发器的基本原理: 强制循环蒸发器,顾名思义就是有一个强制循环的动力———循环泵( 一般为轴流泵) 。通过循环泵将料液在整个蒸发室、循环管、加热室内进行循环流动。料液的加热和蒸发过程分开,在加热过程中,加热室上部足够的液柱高度,抑制了在加热管内蒸发,从而抑制了管内结晶。然后,加热后的物料吸收热量温度升高,并在蒸发器循环泵的作用下,被强制循环至蒸发器内分离室内闪发蒸发、浓缩提高浓度,在蒸发室液面由于压力降低导致二次蒸汽从液面闪发出来,浓缩达到饱和后结晶也是在分离室中产生,通过一定的停留时间无机盐结晶长大至一定的粒径后落入盐腿排出。大部分料液再通过下循环管进入下一个循环,如此往复,达到蒸发的目的。该装置的热源是蒸汽( 该蒸汽可以是外部的生蒸汽、上一效的高温二次蒸汽或通过蒸汽压缩机热压缩的循环二次蒸汽) ,即把一定压力的饱和蒸汽输入至蒸发器的加热室与加热管内自下而上的物料进行热交换,蒸汽释放潜热冷凝成水。

2. 2. 2 技术特点

强制循环蒸发器的技术特点有:( 1) 具有过热度较低特点。通过选用循环流量大,循环流速高的循环泵确保了料液在换热管内较低的过热度。( 2) 具有满管运行的特点。物料通过轴流泵的推动力,物料在加热室内由下往上流动保证料液满管运行。( 3) 具有减轻热短路损失的特点。通过罐型结构设计,特别是上循环管的喇叭口位置和下循环管的吸入口位置的高度计算以及实际运行操作过程中的液面控制,可以有效地减轻物料在热短路损失。( 4) 具有传热系数大、抗盐析、抗结垢、适应性强、易于清洗的特点。( 5) 具有运行周期长,操作简单稳定的特点。强制循环蒸发器的内部构件少,针对饱和溶液的蒸发和产生结晶的物料特别适用。

3 降膜蒸发器和强制循环蒸发器的应用比选

3. 1 两种蒸发器的技术经济比选

针对同时适用于降膜蒸发器和强制循环蒸发器的废水工况,如何选择的问题。现就浙江某个硫酸铵工业废水项目的蒸发浓缩段蒸发器的选用进行案例分析。( 1) 原始数据。介质为硫酸铵废水; 初始原料浓度 10% ; 浓缩 后 母 液 浓 度 30. 5% ; 进 料 流 量125 t / h。( 2) 初步计算。浓缩母液量为:125 t / h × 10% /30. 5% = 41 t / h; 蒸 发 水 量 为:125 t / h - 41 t / h = 84 t / h; 采用两效串联的 MVR 工艺,单个蒸发罐的蒸发水量为: 84t/h/2 =42t/h。( 3) 计算参数比较。经过计算,得出两种蒸发器的参数见表 1。( 4) 技术经济比较。经过计算,得出两种蒸发器的技术经济比较见表 2。

从表 2 数据,可以看出:( 1) 一次性投资方面,降膜蒸发器在一次投资方面具有一定优势,比强制循环蒸发器能节省投资170 万元。( 2) 直接运行成本方面,年消耗费用、设备运行和维护方面综合考虑,强制循环蒸发器具有优势,强制循环蒸发器一年相比节省 88. 3 万元。综上所述,项目考虑到: 强制循环直接运行成本两年节省的费用就可以抵消一次性投资增加的费用,而且直接运行成本是长期的成本消耗; 前工段主产品的附加值高,如果因为废水处理工段的经常停车引起前端主产品生产线的停车,将损失更大。所以该项目最终选择了运行周期长、操作简单、维护方便的强制循环蒸发器。

3. 2 两种蒸发器的优缺点和应用工况比较

根据两种蒸发器的特点,分析各自的优缺点如表3。

考虑到各蒸发器的特点,秉承装置稳定可靠的原则,并结合装置开车( 启停装置) 、运行和维护费用等因素,在工业废水蒸发浓缩工况下,推荐两种蒸发器的应用工况如表 4。

4 结论

随着国家对工业废水零排放要求的普及,降膜蒸发器和强制循环蒸发器的应用也日益广泛。各设计单位和生产企业需要兼顾一次性投资和运行成本的控制要求,根据两种蒸发器的优缺点和应用工况的不同,在方案阶段进行综合比选后确定蒸发器的最佳类型。