氯化鈉廢水多效蒸發(fā)裝置工程化研究

李 釗，支嘉健

（畢節(jié)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，貴州畢節(jié)551700）

氯化鈉廢水多效蒸發(fā)裝置工程化研究

李 釗，支嘉健

（畢節(jié)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，貴州畢節(jié)551700）

在蒸水量一定的條件下，蒸發(fā)面積和汽耗比是蒸發(fā)操作、設(shè)計(jì)及投資的主要依據(jù)。建立了多效蒸發(fā)的簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型。以處理氯化鈉廢水（處理量為8 t/h、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）為例，采用試差法計(jì)算手段，在蒸水量一定的前提下，分析了蒸發(fā)效數(shù)、生蒸汽溫度、末效蒸汽溫度對(duì)蒸發(fā)面積、系統(tǒng)汽耗比的影響，為氯化鈉多效蒸發(fā)濃縮裝置在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

蒸發(fā)；順流；效數(shù)；汽耗比

工業(yè)中的氯化鈉廢水，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)，而利用蒸發(fā)濃縮或結(jié)晶的方式處理氯化鈉廢水，是最穩(wěn)定、有效且經(jīng)濟(jì)的方法。

蒸發(fā)操作常用于化工、食品、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域，研究其設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題具有重要意義。為減少生蒸汽消耗量，達(dá)到節(jié)能目的，可采用多效蒸發(fā)操作。考慮到氯化鈉的溶解度，常采用順流工藝流程。其優(yōu)點(diǎn):后效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)比前效低，溶液在效間的輸送可以利用效間的壓強(qiáng)差，而不必另外用泵；后效溶液的沸點(diǎn)較前效低，故前效溶液進(jìn)入后效時(shí)，會(huì)因過(guò)熱而自動(dòng)蒸發(fā)，因而可以多產(chǎn)生一部分二次蒸汽。由于各效（末效除外）二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。在多效蒸發(fā)中，隨著效數(shù)增加，蒸汽耗量減少，使操作費(fèi)用降低；另一方面，效數(shù)越多，裝置投資費(fèi)用也越大。這就需要在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)操作費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用進(jìn)行平衡，而汽耗比和蒸發(fā)面積則是反應(yīng)這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)參數(shù)。筆者建立了計(jì)算模型，從以上兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的角度對(duì)多效蒸發(fā)進(jìn)行分析。

1 蒸發(fā)計(jì)算模型

在已知的蒸發(fā)計(jì)算數(shù)學(xué)模型中［1］，常因模型求解算法太復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的精確性低、操作性差。在計(jì)算過(guò)程中，只遵循了系統(tǒng)和各效間制約的關(guān)系而無(wú)任何追求的目標(biāo)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，筆者提出了在計(jì)算中取各效蒸發(fā)面積相等作為傳熱溫差分配的前提條件，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)只有唯一解。且該模型思路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中可靠。

1）物料衡算。以料液中的溶質(zhì)作為物料衡算的基準(zhǔn):

式中:F為原料液流量，kg/h；x0、xn為原料液及各效完成液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W、Wi為總蒸水量及各效蒸水量，kg/h。

2）熱量衡算。為簡(jiǎn)便計(jì)算，加熱蒸汽以飽和狀態(tài)為基準(zhǔn):

式中:Di=Wi-1，γi=γi-1′；D1、Di為第1效生蒸汽消耗量及各效加熱蒸汽消耗量，kg/h；Cp、Cpw為料液比熱容及冷凝水比熱容，kJ/（kg·℃）；γi為各效二次蒸汽汽化熱，kJ/kg；t0為進(jìn)料溫度，℃；ti為各效蒸發(fā)器內(nèi)料液溫度，℃。

3）總有效溫差及各效料液沸點(diǎn)。蒸發(fā)操作一定時(shí)，即總蒸發(fā)量、加熱蒸汽壓強(qiáng)和冷凝器壓強(qiáng)不變的情況下，有效溫差在各效中的分配，系統(tǒng)根據(jù)操作情況會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。但考慮到蒸發(fā)器的制造、安裝和操作方便，實(shí)際中通常使各效傳熱面積相等，故多效蒸發(fā)的計(jì)算面積也遵循此原則。

式中:Δi′為因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失；Δi″為因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失；Δi?為因管路流體阻力而引起的溫度差損失。

為使蒸發(fā)器制造、安裝和操作方便，工業(yè)中常使各效蒸發(fā)（傳熱）面積相等，且傳熱系數(shù)取常值:

式中:Si為各效蒸發(fā)（傳熱）面積，m2；Qi為各效蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即各效蒸發(fā)器的傳熱速率，kW；Ki為各效蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；Δti為各效有效傳熱溫差，℃。

2 結(jié)果分析與優(yōu)化

氯化鈉廢水處理量為8 000 t/h，氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，氯化鈉廢水溫度為30℃，以蒸發(fā)結(jié)晶為目的（即蒸水量為7 040 kg/h），計(jì)算結(jié)果如下。

圖1a為不同生蒸汽溫度、末效二次蒸汽溫度為60℃條件下，采用不同蒸發(fā)效數(shù)時(shí)各效蒸發(fā)器的換熱面積。由圖1a看出，隨著蒸發(fā)效數(shù)增加，各效蒸發(fā)器換熱面積逐漸增大。這是由于，隨著效數(shù)增加，會(huì)增加溫度差損失，繼而導(dǎo)致各效蒸發(fā)器殼程與管程有效傳熱溫差減小，即各效傳熱推動(dòng)力降低，造成蒸發(fā)面積增大。由圖1a看出，隨著生蒸汽溫度降低，蒸發(fā)器各效換熱面積增大，并且隨著效數(shù)增加，換熱面積增大的幅度逐漸增大。這是由于，隨著生蒸汽溫度降低，有效溫差減小，因而換熱面積增大；由于多效蒸發(fā)中溫度差損失基本不變，會(huì)造成效數(shù)越多其總體有效溫度差減小的越多，因此計(jì)算的面積會(huì)隨著效數(shù)的增多其相應(yīng)增大面積的幅度也會(huì)逐漸增大。

圖1b為生蒸汽溫度為150℃、不同末效二次蒸汽溫度條件下，采用不同蒸發(fā)效數(shù)時(shí)各效蒸發(fā)器的換熱面積。由圖1b可知，隨著蒸發(fā)效數(shù)增加，各效蒸發(fā)器換熱面積增大。這是因?yàn)椋耙恍Ф握羝鳛橄乱恍Ъ訜嵴羝?，各效都存在溫度差損失，即總體溫度差損失會(huì)增大，會(huì)導(dǎo)致各效蒸發(fā)器殼程與管程的有效傳熱溫差減小，即傳熱推動(dòng)力降低，造成各效蒸發(fā)器換熱面積增大。由圖1b看出，隨著末效蒸汽溫度升高，蒸發(fā)器各效換熱面積增大。這是由于，隨著末效溫度升高，總體有效溫差減小，造成換熱面積增大。

圖1 各效蒸發(fā)面積隨蒸發(fā)效數(shù)、生蒸汽溫度、末效二次蒸汽溫度的變化

圖2a為不同生蒸汽溫度、末效二次蒸汽溫度為60℃條件下，采用不同蒸發(fā)效數(shù)時(shí)蒸發(fā)系統(tǒng)的汽耗比（R）。由圖2a看出，隨著蒸發(fā)效數(shù)增加，汽耗比呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸發(fā)大量的水分必需消耗大量的加熱蒸汽。單效蒸發(fā)器中每蒸發(fā)1 kg的水要消耗比1 kg多的加熱蒸汽（即生蒸汽）。對(duì)于多效蒸發(fā)，要求后效的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前效低，因此可以引入前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽，故隨著蒸發(fā)效數(shù)的增加，提高了生蒸汽的利用率，降低了汽耗比。由圖2a看出，隨著蒸發(fā)效數(shù)的增加，從單效到雙效的汽耗比呈現(xiàn)明顯的急劇減小的現(xiàn)象，從雙效開(kāi)始隨效數(shù)的增加汽耗比減小的幅度下降。這是因?yàn)?，?duì)于3效以上的蒸發(fā)裝置，從第2效開(kāi)始蒸發(fā)器殼程的冷凝水進(jìn)入下一效蒸發(fā)器殼程進(jìn)行閃蒸傳熱，使其低溫排放，充分利用冷凝水的顯熱，在保持蒸水量不變的情況下，提高了整個(gè)系統(tǒng)加熱蒸汽的利用率，進(jìn)而降低了汽耗比。圖3是不同生蒸汽溫度下的汽耗比，由圖3可知系統(tǒng)汽耗比的大小與生蒸汽溫度無(wú)關(guān)，只與蒸發(fā)系統(tǒng)的效數(shù)有關(guān)。

冷凝水預(yù)熱器的設(shè)置，是為了提高生蒸汽的利用率。圖2b為冷凝水預(yù)熱器升溫程度隨蒸發(fā)效數(shù)、生蒸汽溫度的變化。由圖2b可知，隨著蒸發(fā)效數(shù)的增加，原料液被預(yù)熱到的溫度逐漸降低。這是因?yàn)?，隨著效數(shù)的增加，消耗生蒸汽的量逐漸減少，產(chǎn)生的生蒸汽冷凝水與料液的換熱量隨之減少。

圖2 汽耗比和冷凝水預(yù)熱器升溫程度隨蒸發(fā)效數(shù)、生蒸汽溫度的變化

圖3為生蒸汽溫度為150℃、不同末效二次蒸汽溫度條件下，采用不同的蒸發(fā)效數(shù)時(shí)蒸發(fā)汽耗比的計(jì)算結(jié)果。由圖3可知，隨著蒸發(fā)效數(shù)增加，汽耗比逐漸減??；系統(tǒng)汽耗比大小與末效蒸發(fā)溫度無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)效數(shù)有關(guān)。但是，為了追求低汽耗比而一味增加蒸發(fā)效數(shù)也是不可取的。首先在設(shè)備投資上會(huì)有所增加，其次由于蒸發(fā)時(shí)存在溫度差損失，隨著效數(shù)增多各效溫度差損失之和逐漸增加，因此總的有效溫差不斷減小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳熱能力低［2-3］。當(dāng)有效總溫差很小時(shí)，蒸發(fā)操作將難以繼續(xù)進(jìn)行。這就說(shuō)明，從操作角度考慮，多效蒸發(fā)的效數(shù)也是有一定限制的。

圖3 汽耗比隨蒸發(fā)效數(shù)、末效二次蒸汽溫度的變化

3 結(jié)論

1）在生蒸汽、蒸發(fā)水量不變情況下，增加效數(shù)會(huì)使各效傳熱面積隨之增大。2）在蒸發(fā)量不變前提下，降低生蒸汽溫度，或者提高末效蒸發(fā)溫度，都會(huì)使蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積增大。3）效數(shù)增加，汽耗比會(huì)明顯減小。但是，隨著效數(shù)的增加，汽耗比減小的幅度會(huì)逐漸降低。若為追求低的汽耗比而一味地增加蒸發(fā)效數(shù)也是不可取的，無(wú)論從設(shè)備投資還是操作狀況上考慮，都會(huì)受到限制。4）蒸發(fā)系統(tǒng)的汽耗比只與蒸發(fā)效數(shù)有關(guān)，與生蒸汽溫度、末效蒸汽溫度都無(wú)關(guān)。

［1］ 王世昌.海水淡化工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］ 劉天柱，張華，趙東風(fēng)，等.多效蒸發(fā)技術(shù)濃縮石化企業(yè)含鹽廢水的操作方案優(yōu)化分析［J］.現(xiàn)代化工，2014，34（11）:140-143.

［3］ 邢小康，魏峰，史曉平，等.三效順流蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的計(jì)算［J］.現(xiàn)代化工，2013，33（8）:117-119.

聯(lián)系方式：lzgz985@sina.com

Engineering research on multi-effect evaporation device of sodium chloride wastewater

Li Zhao，Zhi Jiajian
（Environmental Monitoring Center Station of Bijie City，Bijie 551700，China）

Under certain conditions of evaporation，evaporation area and steam consumption ratio are the main basis of evaporation operation，design，and investment.A simple mathematical model of multi-effect evaporation was established.With sodium chloride wastewater（8 t/h capacity，mass fraction of 12%）for example，by using trial and error method，on the basis of the evaporation of water stays the same，the influence of the number of evaporation effects，live steam temperature，and effect evaporation temperature at the end of the system on evaporation area and steam consumption ratio were analyzed.The analysis of sodium chloride multi-effect evaporation will provide referential basis for the practical application in industrial production.

evaporation；forward flow；number of effects；steam consumption ratio

TQ028.61

A

1006-4990（2016）09-0054-03

2016-06-02

李釗（1985— ），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。

支嘉健，高級(jí)工程師。