作者：过灵飞，何正忠＊ ，肖德涛＊ ，黎世铖，林姝婧 南华大学 核科学技术学院 氡湖南省重点实验室，湖南 衡阳 ４２１００１

摘要：膜蒸馏能对放射性废水进行深度净化，但传统直接接触式膜蒸馏技术存在膜通量小、能耗高等不足，工 业应用有限。为了克服直接接触式膜蒸馏技术的缺点，发展非接触式膜蒸馏技术，必须建立废水的低温蒸 发 技术。基于自制的废水低温蒸发装置，采用实验测量和理论模拟的方法，研究了装置蒸发特性与能 力。在 相 同条件下，自制低温蒸发装置性能的实验测量结果与理论计算结果一致；理论计算了该装置在操作范围内蒸 发量的最大值为８０．６ｋｇ／ｈ，以及将低温蒸发装置尺寸放大为塔径１ｍ、填料高度３ｍ 时，其最大蒸发量可达 到１１４３ｋｇ／ｈ；该装置出气冷凝水电导率反映的离子去除效率达到８９．５％。低温蒸发装置能为后续膜蒸馏装 置提供稳定且充足的待处理湿空气，为非接触式膜蒸馏技术的发展奠定基础。

关键词：放射性废水；膜蒸馏；低温蒸发

乏燃料的后处理、核电厂的运行、核应急等过 程都会产生大量的放射性废水，若不及时处理将 会增加管理成本并带来放射性泄露风险。传统的 放射性废水处理技术是基于絮凝沉淀、蒸发浓缩、 反渗透、离子交换等处理方法的组合来实现的，存 在建设成本高、操作流程复杂、净化能力有限、能 耗过高、设备易腐蚀以及会产生不易处理的二次 废物等缺点［１］。 膜蒸馏是以 水 蒸 气 分 压 差 为 传 质 推 动 力 的 传质过程，具 有 预 处 理 要 求 低、操 作 条 件 温 和、 能利用低品味热 源、工 艺 装 置 简 单、去 污 因 子 高 等优点。Ｊｉａ等［２－３］、Ｗｅｎ等［４］和 张 玮 钰 等［５］分 别 采用不同 的 膜 蒸 馏 方 式 处 理 放 射 性 废 水，发 现 膜蒸馏对放射性废水中Ｃｏ２＋ 、Ｓｒ２＋ 以及硼酸的 截 留率均达 到 了９９．６％以 上，膜 蒸 馏 在 处 理 放 射 性废水 方 面 具 有 广 阔 的 应 用 前 景［６］。但 是，现 存的膜蒸 馏 技 术 存 在 能 量 利 用 效 率 低、膜 通 量 小、疏水膜易污染破损需定期检查更换等不足， 制约着它的 工 业 化 应 用。秦 英 杰 等［７］和 于 福 荣 等［８］为了提高膜蒸馏的能量利 用效率，发 展 了 多效膜蒸馏和热泵耦合膜蒸馏的方法，通过回收 水的汽化潜热来减少 能 耗。高 薇 等［９］和 任建勋 等［１０］为了提高膜通量，发展了气液两相流强化传 质和增大料液与膜的接触面积的方法。这些改进 的膜蒸馏方法虽有一定积极效果，但其改进方式 未脱离热料液和微孔膜直接接触的限制，不能杜 绝热料液以微孔膜为介质的热传导损失，膜通量 虽有提升但远不能达到工业化应用的程度。 为了发展一种具有低能耗、高膜通量、高安全 性等优点的非接触式放射性废水处理膜蒸馏技 术，首先必须实现废水的低温高效蒸发。本工作 拟基于自制的低温蒸发实验装置，通过理论模拟 与实验测量探讨进水、进气温度和流量对装置蒸 发效果的影响，并通过一定的放大计算探究其工 业处理能力。

１ 低温蒸发装置的设计 由于填料塔是目前工业上应用最为广泛的气 液传质设备之一，具有结构简单、处理弹性大、传质 效率高等一系列优点［１１］，本工作设计了填料塔式 低温蒸发装置。该装置主要由上下封头、布液器、 填料层、填料支撑和填料压圈组成。其填料层高度 为０．７ｍ、塔内径为０．３ｍ、全塔总高１．８ｍ，气液接 触时间和蒸发量能在一定范围调节。 温蒸发装置的结构示意图示于图１。对于０．７ｍ 的填料层高度而言，为了保证传质传热的质量需要 有足够的气液接触时间，初步选定的空塔流速在 ０．０１５～０．３ｍ／ｓ，圆整后全塔进气流量调节范围为 １５～３００ｍ３／ｈ。为了提高塔的浓缩比，蒸发装置选 用的液体喷淋密度范围为０．１～７．０ｍ３／（ｍ２·ｈ），圆整后全塔进水流量调节范围为３０～２０００ｋｇ／ｈ。

２ 低温蒸发实验与模拟计算

２．１ 实验方法 低温蒸发实验流程图示于图２。考虑到节能 和实 验 需 要，实验设计的布液器额定流量为 ４０ｋｇ／ｈ，风机功率为７５０ Ｗ。自来水在恒温箱中 加热到指定温度，经泵打入填料塔的布液器内，经 布液器平均分布到填料层表面流下，从塔底流出； 空气从填料层下方进入，从塔顶出气后，测出其温 度、湿度，并计算出气含湿量和装置蒸发量。将部 分出气引入冷凝管得到冷凝水，测出冷凝水电导 率。实验研究进水、进气的温度和流量对蒸发装 置蒸发性能的影响。

２．２ 实验设备及仪器 低温蒸发装 置，自 制；ＤＤＳ－３０７型 电 导 率 仪， 上海雷磁公司；ＲＳ４８５数显管道式温湿度变送器、 ＷＩＦＩ型 四 探 头 温 湿 度 变 送 器，山东仁科测控技 术有限公司；ＬＺＢ－４０气 体 玻 璃 转 子 流 量 计，常 州 双环热工仪表有限公司；ＨＧ－７５０高压漩涡风机， 浙江亚士霸电机有限公司；ＤＦ－１０１Ｔ 集热式恒温 加热磁力搅拌器（简称为恒温水浴锅），河南予华 仪器有限公司。 ２．３ 低温蒸发装置的模拟计算 由于实验装置和实验条件限制，设计 实 验 未 能进行改变进水流量和改变进气温度实验，且进 水温度和进气流量调节范围有限，不能充分探究 装置的蒸发能力。为了解进料条件对该低温蒸发 装置出料的影响和装置蒸发能力，使 用 ＡＳＰＥＮ ＰＬＵＳ软件对装置的实际工况进行模拟，输入不同 进气、进水条件，计算其出气参数并分析影响规律。

２．３．１ ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ软 件 简 介 ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ 是世界上广泛使用的化工流程模拟和计算软件， 使用 ＡＳＰＥＮ ＰＬＵＳ 非 平 衡 级 计 算 模 型 （Ｒａｔｅ－ Ｂａｓｅｄ）对填料塔进行模拟计算。

２．３．２ 模拟流程的搭建 模拟流程按蒸发装置实 验流程图设定（图２）：选用模块换热器（ｈｅａｔｅｒ）对应 恒温箱，精馏塔（ＲＡＤＦＲＡＣ）对应填料塔设备，闪蒸 器（ＦＬＡＳＨ１）对应装置的上方空间。填料塔的输入 参数列入表１。对于空气及自来水进料，其组成复 杂，低温蒸发主要是水的相变过程，若进料完全按照 真实组分模拟，会增加很多不必要的工作量，故将对 空气组分做一定简化。进水使用纯水，模拟分析使 用的空气初始进料为２３．３ ℃、７０％湿度的空气，其 进料组成简化为２．２０％（体积分数，下同）的 Ｈ２Ｏ、 ７６．２８％的 Ｎ２、２０．５４％的 Ｏ２ 和０．９８％的ＣＯ２。

３ 结果与讨论

３．１ 进气流量对装置蒸发性能影响的实验和模 拟研究 在进水流量４０ｋｇ／ｈ、进水温度６０ ℃、进气温 度２３．３℃、进气湿度７０％的条件下，基于低温蒸发装置进行实验和模拟研究，进气流量对装置蒸发量 和出气含湿量的影响示于图３。由图３可知：模拟 结果与实验结果吻合较好。实验测得在所有进气 流量下，出气湿度均达到９９．９％以上。随着进气 流量的增加，出气温度降低，故出气含湿量减少，这 是由于低温的空气进料，在相同流量和温度的进水 加热下，随着气体流量基数变大和装置内气体停留 时间减少，单位体积空气接受的热量和水蒸气减少 导致。装置蒸发量随进气流量的提高而增加，蒸发 量的增速随进气流量增大而减小，故在增大进气流 量以提高装置蒸发量时，需要考虑高进气流量下蒸 发量增速变慢，提高进气流量、出气含湿量减少的 问题，以满足使用需求和经济性为佳。 ３．２ 进水温度对装置蒸发性能影响的实验和模 拟研究 在进水流量４０ｋｇ／ｈ、进气流量４０ｍ３／ｈ、进气 温度２３．３℃、进气湿度７０％的条件下，基于低温蒸 发装置进行实验和模拟研究，进水温度对装置蒸发 量和出气含湿量的影响示于图４。由图４可知：实 验测得在所有进水温度下，出气湿度均达到９９．９％ 以上，随着进水温度增加，水的饱和蒸气压和出气温 度也增加，故出气含湿量随着水饱和蒸汽压的增大 而增大，其增量为０．０２７ｋｇ／ｍ３。装置蒸发量实验值 随进水温度增大而增大，其增量为１．３ｋｇ／ｈ。其中 进水温度较低时，实验值较模拟值偏高，这是由于进 水温度过低，在蒸发过程中热量转变为相变潜热，装 置温度低于环境温度，环境向装置传热造成。而进 水温度较高时，装置的热量损失导致了出气含湿量 和装置蒸发量实验值均小于模拟值。 ３．３ 进气温度对装置蒸发性能影响的模拟研究 在进 水 流 量 ４０ｋｇ／ｈ、进 气 流 量 为 ３０ ｍ３／ｈ （进气湿 度 为 ７０％），使用软件进行流程模拟研 究，不 同 进 水 温 度 下，进料空气被加热到 ３０～９０ ℃时对出气含湿量和装置蒸发量的影响 示于图５。由 图 ５ 可 知：进 气 温 度 在 ３０～９０ ℃ 时，出气含湿量和装置蒸发量基本随进气温度增 加而线 性 增 加，其 出 气 含 湿 量 增 量 在 ０．０１１～ ０．０１８ｋｇ／ｍ３，装置蒸发量增量在０．１５～０．１６ｋｇ／ｈ， 但其效果小于提高进水温度的效果，这与空气的 比热容小于水的比热容有关。 ３．４ 进水流量对装置蒸发性能影响的模拟研究 由前文 可 知，在 进 气 温 度 不 大 于 ９０ ℃，进水 温 度 不 大 于８０ ℃的 范 围 内，进水和进气温度 对装置出气含湿量和装置蒸发量的影响是正向 的。为了 研 究 进 水、进气流量对装置出气参数 的影响，探究装置 的 最 大 蒸 发 能 力，对 进 水 温 度 ８０ ℃，进气温 度９０ ℃（进 气 湿 度 为７０％），不 同 进气、进水流量的 工 况 进 行 了 模 拟 计 算，结 果 示 于图６。由 图６可 知：进 气 流 量 越 大，出 气 含 湿 量随进水 流 量 的 增 大 先 迅 速 增 大 后 趋 于 平 缓， 进气流量越低，出气温度越容易接近进水温度， 出气含湿 量 越 容 易 趋 向 于 定 值；提 高 进 水 流 量 能有效提 高 装 置 蒸 发 量，由 于 随 着 进 水 流 量 增 大，出气温度的增 量 减 少，故 装 置 蒸 发 量 曲 线 的 斜率持 续 下 降。在 进 气 流 量 较 低 的 情 况 下，大 流量的进 水 会 使 出 气 温 度 趋 近 于 进 水 温 度，此 时装置蒸发量趋 向 于 一 个 定 值。当 进 气 流 量 为 ３００ｍ３／ｈ、进 水 流 量 为２０００ｋｇ／ｈ 时，蒸 发 装 置 的蒸发量最大，其值为８０．６ｋｇ／ｈ，此时装置处理 废水的减容比为４％。

３．５ 蒸发装置的放大计算 对于废水持续产生且量较大的设施，可 以 建 立常规大小的填料塔式低温蒸发装置。装置内径 可设计为１ｍ，填料层高度为３ｍ（不同于吸收塔 的传质单元法计算，会根据实际工况进行调整）， 金属环矩 鞍 填 料 直 径 为７６ｍｍ。此 时 填 料 层 为 正常高度，故液体喷淋密度按一般填料塔计算。 对于散堆填料塔，保证填料上液体成 膜 流 下 的最小喷淋密度可按式（１）计算。 Ｕｍｉｎ ＝ ＬＷｍｉｎ·ａ （１）

式中：Ｕｍｉｎ，最 小 喷 淋 密 度，ｍ３／（ｍ２ ·ｈ）；ＬＷｍｉｎ， 最小 润 湿 速 率，ｍ３／（ｍ·ｈ）；ａ，填 料 比 表 面 积， ｍ２／ｍ３。最小 润 湿 速 率 取０．０８ ｍ３／（ｍ·ｈ）［１２］， 填料比表面积为５７．６ｍ２／ｍ３，计算得到装置最小 喷淋密度为４．６ｍ３／（ｍ２·ｈ），乘以塔的横截面积， 得到的最小成膜进水流量为１４．５ｍ３／ｈ。为提高装 置的减容比，进水和进气流量可取最小成膜进水流 量，即１４５００ｋｇ／ｈ。取气液接触时间为３ｓ，则空塔 气速为１ｍ／ｓ，计算得到进气流量为１１３０４ｍ３／ｈ。 按照上述填料塔参数建立 ＡＳＰＥＮＰＬＵＳ模 拟流 程，输 入 参 数：进 水 温 度 ８０ ℃、进 水 流 量 １４５００ｋｇ／ｈ，进气温度９０℃、进气流量１１３０４ｍ３／ｈ。 模拟计算得到该蒸发装置蒸发量可达１１４３ｋｇ／ｈ，单 次蒸发 的 减 容 比 达 到７．９％，此时的气相出料为 ５５．９℃的饱和湿空气。

３．６ 蒸发装置的净化效果 在实际工况中，废水中的离子可能随着蒸发或 液沫夹带等方式进入气相出料，通过在进 水 流 量 ４０ｋｇ／ｈ、进气温度２３．５ ℃下，将不同进水温度和 进气流量实验过程的塔顶出气通入冷凝管冷凝得 到冷凝水，测量其电导率，探究低温蒸发装置对自 来水的净化效果，结果列入表２。由表２可知：测得 的自来水原水电导率为２３３μｓ／ｃｍ，冷凝水的电导 率随进气流量和进水温度变化不明显。电导率平 均值为２４．４μｓ／ｃｍ，电导率反映的离子去除效率达 到８９．５％。金畅等［１３］ 使用气隙式膜蒸馏处理自来 水的离子去除效率可达９９．２％，这表明该低温蒸 发装置对自来水中的离子有一定的净化效果，但未 达到膜蒸馏的净化程度，在低温蒸发装置后增加膜 蒸馏装置以提高其去污能力是有必要的，而低温蒸 发装置的初步净化能力也有利于膜蒸馏装置的净 化能力与抗污染能力的提高。 ４ 结 论 设计的低温蒸发装置具有结构简单、蒸发效果 优越、出气参数可调等特点，能适应工业应用需要。 通过改变进水流量并调节其他进料参数，可适用于 较大范围内不同处理量的废水处理。装置能有效 为后续膜蒸馏装置提供稳定且充足的待处理湿空 气，为非接触式膜蒸馏技术的发展奠定了基础。