三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于含鹽廢水的建模與仿真

宋二偉，王二強

(1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041;2.中國科學院大學化學工程學院，北京 100049)

隨著環(huán)境問題日益嚴峻，節(jié)能降耗已成為當今時代主題。蒸發(fā)作為主要的能耗單元，關(guān)于其節(jié)能降耗的研究一直深受研發(fā)人員及工程師的關(guān)注[1-7]。化工含鹽廢水的處理主要采用蒸發(fā)分離技術(shù)，目前主要采用三效蒸發(fā)處理技術(shù)進行濃縮處理。

本文借助流程模擬軟件對含鹽廢水傳統(tǒng)三效蒸發(fā)工藝進行建模仿真，對蒸發(fā)工藝的部分因素進行分析，為最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)的選擇提供指導和建議。同時，基于流程模擬軟件，對傳統(tǒng)三效蒸發(fā)工藝進行改進，以期達到最大節(jié)能效果。

1 三效蒸發(fā)工藝流程

如圖1所示，為含鹽廢水處理三效蒸發(fā)分離工藝模型。前一蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽用作下一蒸發(fā)器的供熱，含鹽廢水達到濃縮要求需要的蒸汽負荷可以大大減少。但是，加熱蒸汽的能量只能利用一次，會造成部分能耗(汽耗)的浪費。

圖1 三效蒸發(fā)流程
Fig.1 Process of three-effect evaporation

為了達到進一步節(jié)約能耗的目的，在原工藝流程的基礎(chǔ)上進行改進，如圖2所示。工藝流程由原先的并流改為逆流，且添加了兩個閃蒸罐改為三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)。相比原先工藝，雖然該工藝增加了前期設(shè)備投資，但可以充分利用加熱蒸汽的余熱，即在原有基礎(chǔ)上可以使汽耗進一步降低，在滿足生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，達到節(jié)能降耗的目的。

圖2 改進的三效蒸發(fā)流程
Fig.2 A novel process of three-effective evaporation

2 案例分析

擬采用進料廢水為1000kg h-1,含氯化鈉3.5%(質(zhì)量分數(shù))和水96.5%(質(zhì)量分數(shù))，進料溫度25℃，常壓。要求為使?jié)饪s液中氯化鈉質(zhì)量分數(shù)到達20%。采用如圖1所示三效蒸發(fā)工藝，三臺蒸發(fā)器閃蒸壓力分別為1bar，0.75bar，0.5bar。且加熱蒸汽為200℃飽和蒸汽，三臺換熱器壓降均為0，冷凝液氣相分率均為0，熱力學方法為ELECNRTL。

借助Aspen流程模擬軟件進行建模分析，得到滿足生產(chǎn)要求的蒸汽消耗為457.48kg h-1。為了進一步研究汽耗的影響因素，對進料廢液溫度及蒸發(fā)器的操作壓力進行分析研究。借助Aspen的靈敏度分析工具和設(shè)計規(guī)定模塊，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，分別分析進料溫度、首個蒸發(fā)器閃蒸壓力對蒸汽消耗的影響，并同時分析兩者對蒸汽消耗的影響，結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 進料溫度和首個蒸發(fā)器閃蒸壓力對汽耗的影響(A,B分別表示進料溫度和閃蒸壓力)
Fig.3 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption (A and B present feed temperature and pressure in evaporation,respectively)

由圖3知，其它條件不變時，隨著進料廢水溫度升高，達到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之降低；隨著首個蒸發(fā)器閃蒸壓力升高，達到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之增加。所以，在實際生產(chǎn)中，為了減少蒸汽消耗，要做好原料輸送管道和中間儲罐的保溫、減少熱量損失；同時，出現(xiàn)冷凝器結(jié)垢或真空泵性能降低情況時，要及時維修處理。

為了更加詳細了解進料溫度與首個蒸發(fā)器閃蒸溫度對汽耗的耦合影響效果，同時分析兩者對汽耗的影響，固定第二、第三個蒸發(fā)器閃蒸壓力不變，進料溫度在20～40℃范圍內(nèi)變化，同時第一個蒸發(fā)器閃蒸壓力P在0.8～1.5bar之間變動，借助Aspen靈敏度分析工具和設(shè)計規(guī)定模塊，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，分析它們對蒸汽消耗的影響。結(jié)果如圖4所示。

由圖4知，二者的影響相互耦合，且進料溫度T=40℃和閃蒸壓力P=0.8bar時，消耗蒸汽最少，大約為457kg h-1。

為了進一步節(jié)能降耗，對原三效蒸發(fā)系統(tǒng)進行改造(如圖2所示)，即采用三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)。Aspen中的Heater模塊與Flash2等效降膜蒸發(fā)器[8]，搭建流程如圖2所示。蒸汽加熱方向與物料流向相反，且前一效蒸汽換熱后經(jīng)過閃蒸分離的汽相與二次蒸汽混合作為下一效蒸發(fā)器的熱源。在滿足生產(chǎn)要求下，利用Aspen設(shè)計規(guī)定模塊得到蒸汽消耗量為315.52kg h-1，與原三效蒸發(fā)系統(tǒng)相比，節(jié)省汽耗(節(jié)能)約31%。接著對該蒸發(fā)系統(tǒng)的部分影響汽耗的因素進行分析，主要分析進料含鹽廢液溫度和第一效蒸發(fā)器閃蒸壓力對汽耗的影響。借助Aspen靈敏度分析工具和設(shè)計規(guī)定模塊分別對進料溫度、一效蒸發(fā)器閃蒸壓力及二者耦合效果進行分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 進料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對蒸汽消耗的影響
Fig.4 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

圖5 進料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對汽耗的影響(A,B分別表示進料溫度和閃蒸壓力)Fig.5 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption (A and B present feed temperature and pressure in evaporation,respectively)

由圖5知，其它條件不變時，隨著進料廢水溫度升高，達到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之降低；隨著首個蒸發(fā)器閃蒸壓力升高，達到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之增加。

圖6 進料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對蒸汽消耗的影響
Fig.6 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

由圖6知，二者的影響相互耦合，且進料溫度T=40℃和閃蒸壓力P=0.8bar時，消耗蒸汽最少，大約為304kg h-1。

3 結(jié)論

借助Aspen 流程模擬軟件對含鹽廢水濃縮三效蒸發(fā)系統(tǒng)進行建模分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，進料溫度越高、蒸發(fā)器閃蒸壓力越低蒸汽消耗量越少，即在實際生產(chǎn)中，要做好原料輸送管道和中間儲罐的保溫、減少熱量損失；同時，出現(xiàn)冷凝器結(jié)垢或真空泵性能降低情況時，要及時維修處理。另外，利用三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)代替原有三效蒸發(fā)系統(tǒng)可以節(jié)省汽耗約31%。