作者：宋玉臣1 ，宋继田2 ( 1 上海中腾环保科技有限公司，上海 201600; 2 天津科技大学，天津 300000)

摘 要: 超声式蒸发装置是一种把超声波技术与蒸发技术优化结合设计出的一种新型蒸发设备，充分利用超声波技术在防 除垢方面的技术优势，可以有效的抑制含盐废水蒸发装置的结垢。通过超声式蒸发装置除垢性能试验分析，对超声式蒸发装置在 处理含盐废水方面提出可行的技术方案，改进含盐废水蒸发结晶的工艺，指导其工业化生产; 同时对提出的超声式蒸发处理含盐 废水技术路线的应用前景进行展望，以期在其他化工过程行业上的推广应用。

关键词: 超声式蒸发装置; 防除垢; 含盐废水

超声式蒸发装置是一种新型的强化传热蒸发浓缩设备，本 设备在试验室课题组的试验研究中，已经对超声式蒸发装置的 强化传热、防除垢性能以及物料物性分析等方面已进行大量试 验数据分析。而作为超声波技术的应用，尤其是在处理污水以 和超声波除垢等方面，已经取得了一定的进展。学者目前的研 究中就超声波的空化效应、自由基氧化效应、超临界水氧化等 作用机理进行了深入的分析，同时在黑液蒸发器中使用超声波 除垢的机理进行了试验探究，超声波在抑制垢层生长，提高蒸 发强度方面有一定有益效果，强化传热效率提高 10% ～ 15%左 右［1－3］。 本文是基于试验室超声式蒸发装置设备的基础上，分析超 声式蒸发装置在处理含盐废水的技术可行性，提出超声式蒸发 装置处理含盐废水的工艺方案。

1 作用机理

1. 1 空化辅助换热效应 超声空化是一个极其复杂的物理现象，也是超声波技术应 用中的十分重要的基础研究课题。近些年来的研究成果主要集 中在超声医学、声化学和非线性声学等方面，而对于超声波辅 助蒸发换热的研究还是较少的［4－5］。 蒸发浓缩过程中的超声空化是在热状态下进行的，而其产 生并不受热环境的影响。当超声波频率 16 kHz 以上冲击液态物 料时，液流中的微小气泡在交替负压作用下溃败，溃败的瞬时 产生空化气泡，空化气泡及其周围极小的空间范围内出现热 点，产生瞬态高温高压，并伴随着冲击波和射流。蒸发过程中 加热室的超声空化产生伴随着加热室内的剧烈湍动，破坏了加 热室管壁面的换热液膜，使换热维持在核态沸腾状态持续进行 下去［6］。

1. 2 自由基氧化效应 超声空化发生过程的时间在 1 ns ～ 1 μs 内，在此过程中瞬 时高温达 2000～ 5000 K 左右，高压达 50 ～ 100 MPa，这足以使 得 H2O 分子中的 O－H 键分解为 H·和 HO·自由基，自由基的 特性相当于游离状态的氢离子和氢氧根离子，非常活泼，可以 与可溶性溶质反应，发生一系列的氧化还原反应［7］。

1. 3 超声防除垢机理 超声波产生空化效应时，伴随产生的冲击波和射流对蒸发器管壁内产生的瞬时的高温高压的清洗，使得壁面附着力较小 的垢层得以疏松甚至脱落; 持续的超声冲击延迟了壁面的垢层 的产生。超声空化中产生的氧氢自由基效应，可与壁面垢层产 生化学反应，瓦解壁面垢层，起到除垢的效果。当然，防垢和 除垢的过程都要结合超声波在空化时产生的热效应、机械效应 和自由基效应等过程，才能有效的达到防除垢的目的［8－10］。

2 技术方案分析

2. 1 技术背景 含盐废水按其来源不同，其中含有在杂质也不尽相同，本 文主要针对含盐废水中的含有高 NaCl 和高 Na2 SO4 两种盐成分 的废水进行工艺方案的设计。而目前处理的含盐废水中，通过 蒸发结晶工艺处理时，蒸发结垢是在所难免的难题。现在蒸发 器垢层中主要有: ( 1) 水溶性垢层，也就是可溶于水的无机盐 附着于蒸发器内壁表面上，氯化钠、硫酸钠就属于此类垢层; ( 2) 硬性垢层，也就是改、镁离子形成的不溶于水的盐垢层; ( 3) 生物垢层和其他垢层，生物质在壁面堆积繁殖形成的生物 垢。

2. 2 技术方案 超声式蒸发装置处理含盐废水的工艺路线如图 1 所示，其 中首先要经过含盐废水的预处理，其中包括废水中大颗粒物质 和有机质的去除，接着进入到超声蒸发装置的工艺流程进行蒸 发结晶操作。 预处理过得含盐废水进入预热罐 3 中预热，通过进料泵 2 或进料泵旁路进料。物料进入超声式蒸发装置 4 中进行蒸发换 热，此超声式蒸发装置是课题组最新设计的自然对流外循环型 超声式蒸发装置。蒸发换热后完成液进入结晶器 5 中通过降温 析出晶体，并储存在储罐 13 中，换热产生的二次蒸汽进入冷 凝器 6 中，相变产生的冷凝水进入冷凝水储罐 11 或 12 中。 此流程中的加热蒸汽是由常压热水锅炉 7 提供，并通过补 给泵 9 及时补充锅炉内的水，维持过程中锅炉内水位的稳定。 试验中为了避免锅炉补给水而引起的水温的波动，可由循环泵 1 补给储罐 16 中的蒸汽冷凝水。负压状态通过真空泵 10 来维 持，调节储罐放空阀的开度来控制整个系统的真空度［11－12］。

根据上述工艺流程开始试验研究。试验分为两个阶段: 第 一阶段是蒸发器内垢层生成试验，试验室条件下不加载超声波 前提下连续运行，直至通过视镜发现蒸发器内壁有明显的垢层 产生为止。第二阶段是超声蒸发除垢试验，通过调节超声波功 率密度、进料量、蒸发温度等操作参数，分析出合适的超声蒸 发除垢的工艺参数。

2. 3 技术分析 2. 3. 1 生垢试验过程分析 含盐废水在蒸发器中加热蒸发的过程中，蒸发系统处于负 压工作状态，废水中的盐如 NaCl 和 Na2 SO4 等就会在加热室管 壁内表面形成结晶体垢层，尤其是在开机和关机的时间段中由 于压力和温度的变化会产生一定的结垢层，这种垢层是上述的 水溶性垢层。

而工业生产过程中的含盐废水成分是非常复杂的。表 1 列 举了几种工业中产生的废水成分。除了上述印染、造纸这四种 之外，像电厂、化肥、医药等工业行业中同样会产生大量的含 盐废水。这些废水经过预处理之后，其中含有的溶解盐成分依 旧残留在废水溶液中，通过蒸发浓缩的方法可以使其分离出 来，但是浓缩过程中产生的设备结垢的问题是非常严重的。因 此，在生垢试验过程中，可以采集工业废水或进行配置同类比 的试验用废水。 2. 3. 2 除垢试验过程分析 蒸发设备的生垢试验结束之后，就可以进行除垢试验。在 此为了验证超声式蒸发装置的除垢效果，通过配置操作参数进 行超声除垢试验。由于超声式蒸发装置内部换热管表面无法直 观观察加载超声后的除垢效果，在此我们通过传热系数的变化 来说明除垢性能。

试验中十组试验的操作参数均为进料量 40 L/h，进料温度 70 ℃，加热蒸汽温度 110 ℃，加载超声功率密度为 0. 8 A 时对 应的传热系数值。较图中数值可以得出: 加载超声波后，蒸发 装置中传热系数提高 12. 5%左右，同时通过对比进料液( 试验 废水是自配的含盐清液) 和完成液可以发现，如图 3 所示，完 成液有明显的浑浊，同时颜色变深，加载超声后可以把累积在 换热管内避免的薄膜垢层清除，大大降低传热过程的热阻。这说明加载超声后的蒸发装置中换热器内部经过超声波的抑垢和 阻垢效应，使得换热器传热系数提高，传热强大明显增大。 水溶性垢层在加载超声的过程中，会借助超声波的机械效 应，通过循环不断的激振达到除垢的效果。而含盐废水中会含 有相当生成硬性垢层的成分，一旦这种垢层形成，通过表 1 中 所述的除垢方法将会大大增加运行成本的投入; 因此，通过超 声波在线除垢，既可以满足设备连续运行，又可以达到防垢和 除垢的效果。

2. 4 技术局限性 含盐废水的超声式蒸发装置的处理已经进行了试验研究， 并取得了一定试验验证结果。超声式蒸发装置除了较传统蒸发 器提高传热系数达到强化传热效果和在线防除垢的效果之外， 还可以作为一种新型的蒸发浓缩设备，探索其在食品、医药等 行业上的应用。但是超声式蒸发装置存在一定的不足: 工作过 程中产生较大的噪声，需要配置降噪除噪组件，同时超声换能 器的结构还需要满足蒸发器内部结构进行相应的改进，因此， 这方面还需要进行大量的工作。

3 结 论 ( 1) 蒸发设备的结垢问题一直以来在过程工业中就是一大 难题，超声式蒸发装置的在线防除垢方法不但能提高连续运行 的生产效率，还大大节约停机停产的时间，增加运行利润。目 前笔者正在积极探索超声波技术在其他类蒸发设备上的应用， 尤其是升降膜蒸发器、薄膜蒸发器上的应用。 ( 2) 含盐废水的处理问题日前已经广受关注，尤其是提取 废水中的有益成分获得额外的产品，增加含盐废水的价值。而 处理这些含盐废水的蒸发器都有结垢的问题，通过超声式蒸发 设备这种新型的蒸发装置进行含盐废水的处理，不仅能达到含 盐废水的浓缩结晶提取含盐成分的目的，而且使得蒸发器内部 管壁在运行中防除垢。 ( 3) 超声式蒸发装置在处理含盐废水上的应用还需在过程 行业中进行积极的探索，通过校企之间的合作研发，优化组合 工艺路线，开发出一套工业化生产的工艺流程，尽早的应用到 化工过程工业中去。