降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器在工業(yè)廢水零排放中的應(yīng)用

萬 華，朱利民，李 冰，黃小紅

(中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114)

1 前言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)廢水的種類和數(shù)量迅猛增加，對水體的污染也日趨廣泛和嚴重，威脅人類的健康和安全[1]。如何將工業(yè)廢水達標或減少排放，并盡最大可能地實現(xiàn)水資源循環(huán)利用，成為困擾工業(yè)企業(yè)的一大難題。因此，在我國大力提倡水資源節(jié)約利用和環(huán)境保護的大環(huán)境下，工業(yè)廢水零排放應(yīng)運而生。

隨著國家和企業(yè)對工業(yè)廢水零排放的日益重視，以及國內(nèi)外對廢水零排放的研究不斷深入，實現(xiàn)工業(yè)廢水零排放的工藝也越來越多，但所有的熱濃縮技術(shù)中，蒸發(fā)單元缺一不可。在蒸發(fā)單元操作設(shè)備選擇上，主要有降膜蒸發(fā)器、升膜蒸發(fā)器、強制循環(huán)蒸發(fā)器、刮板式蒸發(fā)器、甩盤式薄膜蒸發(fā)器、列文蒸發(fā)器等[2]。工業(yè)廢水行業(yè)中最常用的兩種類型蒸發(fā)器一是降膜蒸發(fā)器，二是強制循環(huán)蒸發(fā)器。該兩種蒸發(fā)器在化工、輕工、冶金、制藥、環(huán)保廢水、食品飲料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。降膜蒸發(fā)器自發(fā)明以來因其諸多優(yōu)勢受到各個行業(yè)的青睞[4]。強制循環(huán)蒸發(fā)器是20世紀以來因其適應(yīng)能力強被廣為推崇，特別是國內(nèi)強制循環(huán)泵的加工和制作實力的大力提升，進一步被設(shè)計單位和各大企業(yè)所采納。文章針對這兩種蒸發(fā)器，從各自的基本原理和技術(shù)特征、優(yōu)缺點分析、技術(shù)經(jīng)濟比較等做了簡述。

2 降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器的基本原理和技術(shù)特點[2，5]

2.1 降膜蒸發(fā)器

2.1.1 基本原理

降膜蒸發(fā)器的基本原理：降膜蒸發(fā)器是需蒸發(fā)的物料通過進料泵從降膜蒸發(fā)器頂部加熱室上管箱進入，經(jīng)液體布膜器在各換熱管中得以均勻分布，以膜狀形式沿著管壁往下流動。物料因在管壁形成的薄膜特性很容易被管壁另外一側(cè)的加熱介質(zhì)(蒸汽)加熱而汽化。汽化后的二次蒸汽和未汽化的液相一起進入蒸發(fā)器的分離空間實現(xiàn)分離效果。該系統(tǒng)實現(xiàn)蒸發(fā)過程的熱源為蒸汽，送入降膜加熱室殼程通過熱傳導(dǎo)的作業(yè)把本身潛熱傳遞給管壁另外一側(cè)的物料，實現(xiàn)熱量傳遞的目的。

2.1.2 技術(shù)特點

降膜蒸發(fā)器的主要技術(shù)特點有：

(1)針對熱敏性介質(zhì)有很好的適用性。因料液在換熱管內(nèi)壁直接蒸發(fā)的特點，物料在蒸發(fā)器內(nèi)處理時間迅速，降低了物料變質(zhì)的可能性。

(2)傳熱系數(shù)較高。料液通過布膜器均勻分布后，在換熱管內(nèi)的膜層厚度較薄(1 mm～3 mm)，傳熱表面積大，增強了傳熱效果。

(3)可以適用于濃度較高(未飽和)和粘度較大的物料。在該工況下，處理不飽和的料液，降膜式蒸發(fā)器依靠料液沿管壁逐漸下降過程中的蒸發(fā)濃縮作用，阻力較小，不易結(jié)垢。

(4)具有適用于易起泡的物料的特點。降膜蒸發(fā)器的物料從頂部往下流動，換熱過程中的二次蒸汽和料液一起朝下進入蒸發(fā)器分離室。液體進入分離室底部，二次蒸汽通過折流后從分離室液汽分離出來。整個過程沒有大的擾動和沖擊，減少和降低了物料起泡的可能性。

(5)可以適用于低溫蒸發(fā)工況。鑒于降膜蒸發(fā)器的工作原理是通過重力作用實現(xiàn)，且要求內(nèi)外傳熱溫差較低，針對低溫蒸發(fā)介質(zhì)較為適用。

2.2 強制循環(huán)蒸發(fā)器

2.2.1 基本原理

強制循環(huán)蒸發(fā)器的基本原理：強制循環(huán)蒸發(fā)器，顧名思義就是有一個強制循環(huán)的動力——循環(huán)泵(一般為軸流泵)。通過循環(huán)泵將料液在整個蒸發(fā)室、循環(huán)管、加熱室內(nèi)進行循環(huán)流動。料液的加熱和蒸發(fā)過程分開，在加熱過程中，加熱室上部足夠的液柱高度，抑制了在加熱管內(nèi)蒸發(fā)，從而抑制了管內(nèi)結(jié)晶。然后，加熱后的物料吸收熱量溫度升高，并在蒸發(fā)器循環(huán)泵的作用下，被強制循環(huán)至蒸發(fā)器內(nèi)分離室內(nèi)閃發(fā)蒸發(fā)、濃縮提高濃度，在蒸發(fā)室液面由于壓力降低導(dǎo)致二次蒸汽從液面閃發(fā)出來，濃縮達到飽和后結(jié)晶也是在分離室中產(chǎn)生，通過一定的停留時間無機鹽結(jié)晶長大至一定的粒徑后落入鹽腿排出。大部分料液再通過下循環(huán)管進入下一個循環(huán)，如此往復(fù)，達到蒸發(fā)的目的。該裝置的熱源是蒸汽(該蒸汽可以是外部的生蒸汽、上一效的高溫二次蒸汽或通過蒸汽壓縮機熱壓縮的循環(huán)二次蒸汽)，即把一定壓力的飽和蒸汽輸入至蒸發(fā)器的加熱室與加熱管內(nèi)自下而上的物料進行熱交換，蒸汽釋放潛熱冷凝成水。

2.2.2 技術(shù)特點

強制循環(huán)蒸發(fā)器的技術(shù)特點有：

(1)具有過熱度較低特點。通過選用循環(huán)流量大，循環(huán)流速高的循環(huán)泵確保了料液在換熱管內(nèi)較低的過熱度。

(2)具有滿管運行的特點。物料通過軸流泵的推動力，物料在加熱室內(nèi)由下往上流動保證料液滿管運行。

(3)具有減輕熱短路損失的特點。通過罐型結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是上循環(huán)管的喇叭口位置和下循環(huán)管的吸入口位置的高度計算以及實際運行操作過程中的液面控制，可以有效地減輕物料在熱短路損失。

(4)具有傳熱系數(shù)大、抗鹽析、抗結(jié)垢、適應(yīng)性強、易于清洗的特點。

(5)具有運行周期長，操作簡單穩(wěn)定的特點。強制循環(huán)蒸發(fā)器的內(nèi)部構(gòu)件少，針對飽和溶液的蒸發(fā)和產(chǎn)生結(jié)晶的物料特別適用。

3 降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器的應(yīng)用比選

3.1 兩種蒸發(fā)器的技術(shù)經(jīng)濟比選

針對同時適用于降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器的廢水工況，如何選擇的問題。現(xiàn)就浙江某個硫酸銨工業(yè)廢水項目的蒸發(fā)濃縮段蒸發(fā)器的選用進行案例分析。

(1)原始數(shù)據(jù)。介質(zhì)為硫酸銨廢水；初始原料濃度10%；濃縮后母液濃度30.5%；進料流量125 t/h。

(2)初步計算。濃縮母液量為：

125 t/h×10%/30.5%=41 t/h；蒸發(fā)水量為：125 t/h-41 t/h=84 t/h；采用兩效串聯(lián)的MVR工藝，單個蒸發(fā)罐的蒸發(fā)水量為：84t/h/2=42t/h。

(3)計算參數(shù)比較。經(jīng)過計算，得出兩種蒸發(fā)器的參數(shù)見表1。

(4)技術(shù)經(jīng)濟比較。經(jīng)過計算，得出兩種蒸發(fā)器的技術(shù)經(jīng)濟比較見表2。

表1 降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器參數(shù)比較Tab.1 Parameter comparison between falling film evaporator and forced circulation evaporator

表2 降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器技術(shù)經(jīng)濟比較Tab.2 Technical and economic comparison between falling film evaporator and forced circulation evaporator

從表2數(shù)據(jù)，可以看出：

(1)一次性投資方面，降膜蒸發(fā)器在一次投資方面具有一定優(yōu)勢，比強制循環(huán)蒸發(fā)器能節(jié)省投資170萬元。

(2)直接運行成本方面，年消耗費用、設(shè)備運行和維護方面綜合考慮，強制循環(huán)蒸發(fā)器具有優(yōu)勢，強制循環(huán)蒸發(fā)器一年相比節(jié)省88.3萬元。

綜上所述，項目考慮到：強制循環(huán)直接運行成本兩年節(jié)省的費用就可以抵消一次性投資增加的費用，而且直接運行成本是長期的成本消耗；前工段主產(chǎn)品的附加值高，如果因為廢水處理工段的經(jīng)常停車引起前端主產(chǎn)品生產(chǎn)線的停車，將損失更大。所以該項目最終選擇了運行周期長、操作簡單、維護方便的強制循環(huán)蒸發(fā)器。

3.2 兩種蒸發(fā)器的優(yōu)缺點和應(yīng)用工況比較

根據(jù)兩種蒸發(fā)器的特點，分析各自的優(yōu)缺點如表3。

表3 降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器的優(yōu)缺點分析[2,6]Tab.3 Analysis of advantages and disadvantages of falling film evaporator and forced circulation evaporator

考慮到各蒸發(fā)器的特點，秉承裝置穩(wěn)定可靠的原則，并結(jié)合裝置開車(啟停裝置)、運行和維護費用等因素，在工業(yè)廢水蒸發(fā)濃縮工況下，推薦兩種蒸發(fā)器的應(yīng)用工況如表4。

表4 兩種蒸發(fā)器的應(yīng)用工況選擇Tab.4 Selection of application conditions of two kinds of evaporator

4 結(jié)論

隨著國家對工業(yè)廢水零排放要求的普及，降膜蒸發(fā)器和強制循環(huán)蒸發(fā)器的應(yīng)用也日益廣泛。各設(shè)計單位和生產(chǎn)企業(yè)需要兼顧一次性投資和運行成本的控制要求，根據(jù)兩種蒸發(fā)器的優(yōu)缺點和應(yīng)用工況的不同，在方案階段進行綜合比選后確定蒸發(fā)器的最佳類型。