设备管理_味精厂硫酸铵废液三效蒸发设备的设计论文

天津大学 硕士学位论文 味精厂硫酸铵废液三效蒸发设备的设计 姓名：张跃东 申请学位级别：硕士 专业：化学工程 指导教师：李凭力;王强 20090601 摘要 目前，味精几乎是人们生活中的必须品，我国已经成为味精的生产和消费 大国。味精生产过程中产生的大量废水具有“五高一低”的特点，即C O D 高、B O D 高、菌体含量高、硫酸根含量高、氨氮含量高以及p H 值低，是一种治理难度很 大的工业废水，这不仅严重污染了自然环境，而且制约了味精行业的发展。因此， 根据味精废水的特点，必须采取切实有效的措施，对其进行综合治理。在减少废 水对环境造成污染的同时，回收废水中的硫酸铵、菌体、蛋白等，取得一定的经 环境效益和经济效益。 高浓度的有机废水可间接或者直接产生生物毒性，所以高浓度的有机废水很 难直接进行生物降解。一般可采用以下处理工艺流程：使用物理法对高浓度废水 进行浓缩转化利用，处理后的废水与中低浓度生产废水进行混合，再进行化学混 凝处理，降低有机物浓度，提高生化降解性，最后进入生化降解阶段，利用生化 反应进行彻底的氧化处理，以减少二次污染，同时要结合清洁生产，降低废水排 放量。 在辽宁某味精厂生产过程中产生的废水经过絮凝、沉淀、吸附等处理后，还 含有大量氨氮、硫酸根等物质。为了使废水达标排放并且回收有用的硫酸铵，本 课题从蒸发的角度，对味精厂硫酸铵废液的蒸发工艺进行了设计，确定了蒸发操 作的条件、蒸发器的型式及蒸发操作流程；进行了工艺计算；确定了蒸发器的传 热面积、结构尺寸以及辅助设备的选型。并且对主要计算数据进行了实验验证， 结果吻合度较好。 本设计能够使生产废水中的硫酸铵结晶析出，从而解决困扰企业已久的废水 排放问题，可为当地的环保做出了较大贡献。本设计的蒸汽利用率较高，能够较 好的节约和利用能源，为企业的全面、协调、可持续发展奠定基础。 关键词：味精厂硫酸铵废液三效蒸发设计 A B S T R A C T A tp r e s e n t ，t h eM o n o s o d i u mg l u t a m a t e ( M S G ) i sa l m o s te s s e n t i a lf o rl i f e ，o u r c o u n t r yh a sb e c o m ep o w e r f u l i nt h eM S Gp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n M S G p r o d u c t i o np r o c e s s e sal a r g e v o l u m eo fw a s t e w a t e r , w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f ”f i v e h i g ha n do n el o w ”，n a m e l y ，h i g hC O D ，h i g hB O D 5 ，h i g hb a c t e r i a lc o n t e n Lh i g h s u l f a t e ，h i g ha m m o n i aa n dl o wp Hv a l u ew h i c hi sai n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t e dv e r y d i f f i c u l t l y ，n o to n l yt h es e r i o u sp o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n tb u t r e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n to fM S Gi n d u s t r y T h u s ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o n o s o d i u m g l u t a m a t ew a s t e w a t e r ，e f f e c t i v e m e a s u r e ss h o u l db et a k e na n dc o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y I nr e d u c i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db yw a s t e w a t e r , t h e r e c o v e r yo fa m m o n i u ms u l f a t ew a s t ew a t e r , c e l l ，p r o t e i n ，e t c ，a r ee s s e n c i a la n d b e n e f i t ee c o n o m i c sa n de n v i r o n m e n t H i g hc o n c e n t r a t i o n so fo r g a n i cw a s t e w a t e rC a n i n d i r e c t l yo rd i r e c t l yc a u s eb i o l o g i c a lt o x i c i t y ，S Oi ti sh a r d l yb i o d e g r a d a b l e I ng e n e r a l ， t h eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fo r g a n i cw a s t e w a t e rc a nb ed e a l tw i t ht h ef o l l o w i n g p r o c e s s e s ：f i r s t ，t h eu s eo fp h y s i c a lp r o c e s s ，t h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fw a s t e w a t e rc a n b eu t i l i z e db yc o n c e n t r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n ；t h e nt r e a t e dw a s t e w a t e rm i x e dw i t h l o wc o n c e n t r a t i o no fw a s t e w a t e re n t e r st h es t a g eo fc h e m i c a lc o a g u l a t i o nt or e d u c e t h eo r g a n i cc o n c e n t r a t i o n ，i m p r o v et h eb i o l o g i c a ld e g r a d a b i l i t yo ft h ef i n a ls t a g eo f t h ec h e m i c a la n db i o l o g i c a ld e g r a d a t i o n T h ec h e m i c a la n db i o l o g i c a lo x i d a t i o n r e a c t i o np r o c e s s e sat h o r o u g ht r e a t m e n t , S Oa st or e d u c es e c o n d a r yp o l l u t i o n A tt h e s a m et i m e ，i tc o m b i n e dw i t hc l e a n i n gp r o d u c t i o nr e d u c e st h ew a s t e w a t e re m i s s i o n s Am o n o s o d i u mg l u t a m a t ef a c t o r yi nL i a o n i n gp r o v i n c ep r o d u c e dal a r g ea m o u n t o fw a s t ew a t e rc o n t a i n i n ga m m o n i u ms u l f a t ed u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s s I no r d e r t or e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dr e c o v e rt h eu s e f u la m m o n i u ms u l f a t e 。a n d p r e p a r ef o rt h ef o l l o w - u po fc h e m i c a la n db i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，ap r e l i m i n a r yi d e aw a s c o n c e i v e dt h a tt h r o u g he v a p o r a t i o nm e t h o da m m o n i u ms u l f a t ew e r ec o n c e n t r a t e dt h e n c o n c e n t r a t e dl i q u i dc r y s t a l e dt oo b t a i nt h ea m m o n i u ms u l f a t ep r o d u c t ，w h i c hf a c i l i t a t e f o l l o w u pt r e a t m e n t T h ea m m o n i u ms u l f a t ec a nb ec r y s t a l l i z e df r o mw a s t ew a t e ra c c o r d i n gt o p r o p o s e dd e s i g n ，w h i c hc a n s o l v et h ew a s t e w a t e rp r o b l e m sl o n g - t r o u b l i n ge n t e r p r i s e s T h ed e s i g ni so fh i g h e ru t i l i z a t i o no fs t e a m ，c o n s e r v ea n dU S ee n e r g yb e t t e ra n d i m p o r t a n tf o rc o m p r e h e n s i v e ，c o o r d i n a t e da n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t K E YW O R D S ：M S GF a c t o r y ：A m m o n i u ms u l f a t e ；W a s t e ；T h r e e e f f e c t e v a p o r a t i o n ：D e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓茛矽、亭、签字日期：办t 了年f 月雩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓茛矽、亭、 签字日期：2 。口7 年 厂月弓日 导师虢袁易 签字日期：如7 年f 月乡日 第一章文献综述 第一章文献综述 随着经济的飞速发展和技术的不断进步，我国已经成为味精的生产和消费大 国。据报道，1 9 9 6 年我国的味精生产量就已经达到5 0 多万吨，约占世界产量的一 半【1 1 。味精生产分为水解和发酵两种方法，现在主要采用发酵法。此法以淀粉 质粮食为原料，经酸水解成葡萄糖，或直接采用制糖的蜜糖为原料，利用谷氨酸 细菌的发酵作用，而生成谷氨酸，再中和结晶生产味精。味精生产过程中需要大 量的浓硫酸、浓氨水等。味精废水主要来源于发酵液中提取谷氨酸的提取工段。 目前提取工艺有离子交换法、一步冷冻等电法、以及锌盐法。据统计：某味精厂 每生产1 吨味精约需要0 8 吨浓硫酸和0 4 吨浓氨水，排放高浓度废水2 0 吨左 右。以硫酸作为原料生产味精的厂家，其废水中N H 3 _ N 浓度达1 0 0 0 0 m g L ，S 0 4 2 一 浓度达2 8 0 0 0 m g L ，并且p H 值低，一般为3 左右。味精发酵液经等电提取谷氨 酸后排放的母液具有_ 五高一低”的特点，是一种治理难度很大的工业废水。由 于不能有效地治理味精废水，不少味精厂被列入全国重点污染源3 0 0 0 家单位之 列，位于重要水系上游及一些名胜风景区的味精厂更是当地政府限期整改的重点 单位。味精废水的治理已经成为制约味精生产企业发展的重大难题 2 】。 1 1 味精废水治理的现状及进展 1 1 1 昧精废水的污染及治理现状 味精生产过程中产生的废水量很大，处理比较困难。据报道，每生产1 吨味 精，大约要排出1 0 1 5 吨提取谷氨酸后的母液 3 】，全国每年要排放1 0 0 0 多万吨这 种高浓度有机废水。不仅严重污染了自然环境，而且制约了味精行业的发展。虽 然味精生产企业、科研机构及有关的大专院校进行此方面的研究，但是目前国内 外都还没有成熟的成套技术应用于生产实践。主要的问题是一次性投资过大，或 者日常运行费用过高，大多数味精厂无法承受，不得不长期维持超标排放的现状 3 8 】。 1 1 2 昧精废水的特点 味精生产过程中排放的低浓度及中等浓度的废水( C O D = 8 0 0 3 0 0 0 m g L ) ，如 第一章文献综述 淘米水、洗布水、离交冲柱水及精制冲洗水等，治理起来相对容易，对环境的污染 也较小。通常所说的味精废水是指味精发酵液提取谷氨酸后排放的母液。由于谷 氨酸的提取工艺不同，排放的废水水质也有所差别。但大多都具有C O D 高、B O D 高、菌体含量高、硫酸根( 改用硫酸调p H 前为氯离子) 含量高、氨氮含量高及p H 值( 1 5 3 2 ) 低“五高一低”的特点。各种味精废水的主要特性见表1 1 4 】。味精 废水中含有许多宝贵的资源。据报道，废水中残留的谷氨酸约为1 2 一1 5 ，甚 至可以高达2 ，占发酵醪液中谷氨酸含量的2 0 一2 5 ，废水中含有的大量菌体 是优质蛋白源，粗蛋白含量约占7 0 0 0 - - 8 0 。这些有用物质白白排放，每年造成约 1 0 多亿元人民币的损失。因此，根据味精废水的特点，必须采取切实有效的措施， 对其进行综合治理。在减小废水对环境造成污染的同时，回收废水中的菌体蛋白， 取得一定的经济效益和环境效益。各种味精废水的主要性质如表1 - 1 所示。 表1 1 各种味精废水的主要性质 T a b l el 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o n o s o d i u mg l u t a m a t ew a s t e w a t e r 1 1 3 昧精废水排放标准 G B 8 9 7 8 9 6 1 2 5 对味精行业规定的污水综合排放二级标准为： p H = 6 9 ；色度垫O 倍；S S _ 2 0 0 m g L ； B O D 1 5 0 m g L ；C O D 3 0 0 m g L ：N H 3 - N S 2 5 m g L 。 1 1 4 昧精废水治理技术现状 近年来，围绕着味精废水的治理，国内许多味精厂和有关科研单位通力合作， 提出了一些有价值的治理技术和方法。尽管还存在不同程度的问题，但毕竟取得 了一定的进展。目前，处理味精废水的常见方法有以下几种： 1 清洁生产法 在味精生产过程中，对每道工序严格把关，改进工艺，以尽量减少废水水量 第一章文献综述 并降低污染物的浓度，是味精废水治理的最根本出路。国内有些单位作了有益的 尝试。天津味精厂采用双酶法制糖工艺代替传统的水解法，降低了酸、碱及冷却 水的消耗，每年可少排废水1 8 0 0 余吨。无锡轻工大学与青岛味精厂合作开发成 功谷氨酸提取闭路循环工艺，使谷氨酸进入闭路循环系统，不仅提高了谷氨酸提 取率，而且排放的废水可供生产回用。但该法与现行生产工艺相比，增加了提取 的工序和投资【5 】。华南环境科学研究所开发的谷氨酸提取后母液的综合利用技 术，将高浓度味精废水经过加热、絮凝沉淀、过滤、干燥后，制成菌体蛋白饲料； 清液经精密过滤、蒸发浓缩、二次提取谷氨酸后再浓缩干燥制成肥料，实现了废 水的零排放【l 】。此外，轻工部食品发酵研究所研究的味精废水生产饲料酵母后， 废水全浓缩等方法也属于清洁工艺思路 5 】。 2 物理处理法 物理处理法在味精废水处理中主要作为预处理，为后续处理创造条件。有时 也可作为处理的主体工艺，例如蒸发浓缩法、膜分离工艺等。 ( 1 ) 离心分离和蒸发浓缩法 机械分离技术是利用废水中有机物质与水的比重差，通过离心达到固液分 离。目前通常采用进口蝶片离心机进行高速离心分离菌体。该法多与蒸发浓缩法 一起使用，以回收味精废水中的蛋白饲料。该技术在西方一些发达国家已有成套 设备，即通过离心分离把废液分离成滤液和滤渣，再通过多效负压蒸发器把滤液 浓缩到含水率为4 5 左右，蒸发器的二次蒸气通过压缩后再作为蒸发器的热源。 冷凝水用于进料的预热并回用于生产，将滤渣和滤液浓缩后的固体经造粒、烘干、 筛选，最终做成成品肥料。例如上海天厨味精厂从1 9 9 5 年采用该工艺投入运行 以来，取得了良好的环境效益和经济效益。其中，废水中各种污染物去除率分别 为：C O D7 9 2 4 ，B O D9 1 2 ，S S7 1 5 8 ，油6 6 4 ，N H 3 - N8 5 5 1 5 】。福州 味精厂采用该工艺，可得到粗蛋白约7 5 以上、含粗脂肪3 灿、灰分 5 0 的菌体蛋白。但目前尚不能连续生产，能量消耗很大 3 。 4 生物处理法 味精废水有机物浓度高，B O D C O D 高，可生化性好。同时，生物处理法到目 前为止已发展得比较完善，且形式多样、适应性强。因此，国内外大多采用该法 作为主体工艺。一般分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法两大类。 ( 1 ) 好氧生物处理 目前国内研究较多的味精废水的好氧生物处理技术有：活性污泥法、生物转 盘法和生物接触氧化法。近年来科研人员研制出一些新的高效的好氧生物处理工 艺来处理高浓度味精废水，如深井曝气法等。现在，欧美已将此工艺用于处理高 浓度味精有机废水 1 5 】。由于味精废水有机物浓度高，故采用好氧生物处理时， 往往要将进水稀释1 0 倍至上百倍，很不经济；如不将进水稀释，由于有机物浓度 高，反应器的停留时间长，反应器的体积与占地面积大，一次性投资较大；其次， 采用好氧生物处理后的污泥，具有含水率高、污泥量大、不易脱水等缺点。由于 好氧生物处理一般更适合于处理低浓度有机废水，所以该法往往作为味精废水的 终处理，以保证处理水达标。 ( 2 ) 厌氧生物处理 厌氧法生物处理适用于处理高浓度有机废水，具有容积负荷高、处理效果稳 定、耐冲击负荷、所需营养物少、产泥量少、投资省、能耗小等优点，且可以回 收能量，具有一定的经济效益。目前，厌氧处理设备一般有厌氧滤池、升流式厌 氧污泥床、厌氧流化床等。 厌氧滤池( A F ) 厌氧滤池是由美国斯坦福大学Y o u n g 和M c C a r t y 首先研制的，该装置中填 满了砂砾、卵石、塑料或纤维等填料，厌氧微生物附着在填料巨大的表面上，可 维持较高的生物量和较高的S R T ，一般为升流式【1 5 】。加拿大国家科学院的V a n d e nB e r g 和L e n a 研制了一种下流式厌氧滤池，称为下行式固定膜反应器( D S F F ) 。 在加拿大、法国等国家，D S F F 反应器已商业应用，反应器的容积为4 0 - - - 1 3 0 0 0 m 3 ， 第一章文献综述 并已成功处理奶酪废水、糖厂废水和味精废水【15 】。 升流式厌氧污泥床( U A S B ) U A S B 反应器是荷兰W a g e n i n g e n 农业大学的L e t t i n g a 教授等在厌氧滤池的基 础上发展起来的。1 9 7 3 1 9 7 7 年，在W a g e n i n g e n 农业大学和D e l f t 大学的帮助 下，荷兰C S M 甜菜糖业公司先后进行了6 m 3 、3 0 m 3 和2 0 0 m 3 容积的半生产性和 生产性装置的试验研究【1 5 ，1 7 】。其后，荷兰、西德、比利时和美国的研究者用 U A S B 装置处理味精废水，取得了满意的效果。目前，我国也有许多味精生产企 业将该技术引进到味精废水处理中。如河南周口莲花味精厂已建成1 7 0 0 m 3 U A S B 反应系统，1 9 9 4 年投入运行，在进水平均浓度为C O D 8 0 0 0 m g L 时，C O D 去除 率达到8 0 以上【1 8 】。太原理工大学研究改进U A S B 处理味精一卡那霉素混合废 水，C O D 去除率达到7 0 - - 8 0 1 9 】。 两相厌氧消化( T P A D ) 两相厌氧消化是根据厌氧发酵分为水解与发酵阶段、产氢产酸阶段和产甲烷 阶段等三阶段过程而开发的。它具有提高容积负荷率、减少反应器体积j 降低造 价、提高厌氧消化效率、运行稳定、抗冲击能力强的优点。国外七八十年代对其 有了初步研究，并对味精废水的处理有一些应用。1 9 8 2 年初，中国科学院广州 能源研究所采用该法处理糖蜜酒精废液获得成功【2 0 】，同年4 月，用该法处理味 精废水也获得了成功【1 5 】。采用厌氧法处理高浓度有机废水，虽然具有处理能耗 和投资运行费用低、去除率高的优点，但出水不能完全达标，因此，在处理味精 废水时常常采用厌氧一好氧组合法。例如河南周口莲花味精厂废水即采用了 “U A S B 一接触氧化法”处理工艺，1 9 9 4 年设施正常运行以来，效果良好，出 水达标排放【1 8 】。 ( 3 ) 其他生物处理法 鉴于味精废水的水质特点，到目前为止，用于味精废水处理的微生物不再局 限于好氧处理中起主要作用的一般细菌、霉菌 2 1 2 3 等，以及厌氧处理中起主要 作用的酸性腐化菌和甲烷菌等，并且治理思想也不再局限于废水的单纯处理，而 是还考虑到有用物质的回收和再利用。目前已有通过培养单细胞蛋白质来处理味 精废水和藻一菌共生法处理味精废水的实例。 饲料酵母法 味精工业排出的高浓度废水的主要成分是糖类、蛋白质和脂肪，利用现代生 物技术可以对其进行综合利用。如生产饲料酵母等单细胞蛋白( S c P ) ，这种单细 胞蛋白中氨基酸组分齐全，富含多种维生素，具有很高的营养价值，若用作饲料 喂养家畜、家禽，可以明显提高产奶、产蛋量，并且通过提取生物饲料酵母后， 废液中的S S 可降低9 0 以上，C O D 和B O D 均能降低5 0 哆扛_ 6 0 。自2 0 世纪8 0 第一章文献综述 年代以来，我国有些味精厂以废液生产单细胞蛋白，陆续在江苏、河南、福建等 省市建立了数个饲料酵母厂【3 ，1 5 1 。以饲料酵母法处理高浓度有机废水，同时生 产S C P 是废水资源化处理的重要途径之一，但由于相应的设备投资、运行费用和 生产成本居高不下，影响了该项技术的推广。 藻一菌共生法 味精废水经过厌氧处理后，可以采用藻一菌共生法进一步处理。废水中的有 机物质在细菌的作用下分解为简单的无机物如C 0 2 、I - 1 2 0 、N 0 3 、S 0 4 玉、N H 3 、 P 0 4 3 。等并释放出能量。水中的藻类通过新陈代谢吸收C 0 2 、H ：O 、N 0 3 。、P 0 4 3 。 等物质并放出0 2 ，从而达到去除废水中有机物，增加水体溶解氧的目的【3 ， 2 1 - 2 3 】。 5 其他方法 天津味精厂与天津市环卫研究所共同研究课题“生活垃圾与谷氨酸废液制取 堆肥”；与天津造纸厂合作，将苇毛通过高浓度母液发酵制成奶牛饲料，取得初 步成果：与酱油厂合作，将等电后母液经过加工精制，添加在酱油中 5 】。这些都 为味精废水的处理提供了新思路。 1 1 5 本课题的意义 高浓度的有机废水可间接或者直接的造成生物毒性作用，所以很难直接进行 生物降解。由于味精废水浓度极高，普通调节池和混凝处理不能满足进一步生化 处理的要求，比如利用水稀释废水，可较好地降低了废水浓度，但是这样增加了 废水排放量，使本来处理成本极高的系统又增加了处理成本，因此稀释不是合理 的方法。所以建议根据不同的水质指标要求，组合各种工艺，优先采用生物化学 氧化法进行处理，降低C O D 、B O D 、S S 、氨氮、硫酸根含量 3 l 】。一般可采用 以下处理工艺流程：先使用物理法对高浓度废水进行浓缩转化利用，处理后的废 水与中低浓度生产废水进行混合，进入化学混凝处理阶段，降低有机浓度，提高 生化降解性，最后进入生化降解阶段，利用生化反应进行彻底的氧化处理，以减 少二次污染，同时要结合清洁生产，降低废水排放量。 辽宁某味精厂生产过程中，产生大量废水。该厂生产的废水，先经过絮凝沉 降、吸附、雾化处理等工艺，蛋白去除率达到8 0 以上，为了能过使污水达标排 放，还需要降低其中的氨氮、硫酸根含量。由于蒸发法相对于膜分离法具有处理 量大等优点，所以本文从蒸发的角度，对味精厂硫酸铵废液的蒸发工艺进行设计， 确定蒸发操作的条件、蒸发器的型式及蒸发操作流程：进行工艺计算；确定蒸发 器的传热面积、结构尺寸以及辅助设备的选型。并且对主要计算数据进行实验验 证。 第一章文献综述 硫酸铵 3 9 】含氮约2 0 ，简称硫铵，俗称n e r o 粉，是我国使用和生产最早的 一个氮肥品种，目前约占我国氮肥总产量的0 7 。硫铵除含氮外，还含有2 5 的硫，也是一种重要的硫肥。目前市场上硫酸铵的售价为1 0 0 0 元吨。因此，本 课题还将对蒸发法处理味精厂废液产生的经济效益和社会效益进行评价。 1 2 蒸发器设计概述 1 2 1 蒸发的基本原理 将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分气化，从而将 溶液浓缩的过程称为蒸发【2 4 】。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、冶金、制药、 食品等工业部门中。 蒸发的基本原理系溶液中部分物质的汽化。从分子运动学说来看，当溶液受 热，靠近加热面的液体分子，获得高速度，胜过分子间的吸引力，逸向液面以上 的空间，变为自由分子，是为气化，而生成的蒸气逸向四周，此种蒸气，若不除 去，则蒸气与液体互相平衡，气化难于继续，故进行蒸发的基本条件为热能的不 断供给和所生的蒸气不断除去。蒸气的除去可用惰气带走或使之冷凝，但一般的 操作，多采用冷凝法。 液体气化的方式有两种：即温度低于沸点或等于沸点时的气化。因前者的速 度较后者为低，故在工业上，蒸发的操作一般是在沸腾的情况下进行。液体气化 时需要吸收潜热，气化量的多少决定于热量的供给，因此蒸发属于传热过程，蒸 发器也是换热器的一种。工程上所选择的热源，通常为饱和水蒸气，在蒸发过程 中，一方面有饱和水蒸气冷凝放出潜热，另一方面，被蒸发的溶液不断吸收热量 而沸腾，放出蒸气。因为两方面都足水蒸气，为了区别起见，称前者为加热蒸气 或一次蒸气，后者为二次蒸气。 蒸发所消耗的热能，可以利用一次或多次，在第一种情况下称为单效蒸发， 所用的设备为单效蒸发器，二次蒸气直接去冷凝器不再利用。若产生的二次蒸气， 用于其他蒸发器之加热，称为多效蒸发。这种蒸发设备，称为多效蒸发器。蒸发 器的操作可在加压、常压或减压下进行，在减压下进行者，称为真空蒸发器。 蒸发装置设计的任务是：确定蒸发操作的条件、蒸发器的型式及蒸发操作流程； 进行工艺计算，确定蒸发器的传热面积及结构尺寸；辅助设备的选型或设计等。 1 2 2 蒸发器的类型 随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种 第一章文献综述 类繁多、结构各异。目前，工业上常用的为间接加热蒸发器，根据溶液在蒸发器 中流动的情况，大致可将其分为循环型与单程型两类。循环型蒸发器包括中央循 环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等：单程蒸发器包括升膜式、降 膜式、升一降膜式及刮板式等。这些蒸发器【3 4 】结构不同，性能各异，均有自己 的特点和适应场合。 1 循环型蒸发器 ( 1 ) 中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器的加热室由一垂直的加热管 束( 沸腾管束) 构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截 面积一般为加热管束总截面积的4 0 1 0 0 。这类蒸发器由于受总高度限制，加 热管长度较短，一般为1 2 m ，直径为2 5 7 5 m m 长径比为2 0 - 4 0 。 中央循环管蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上 的应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循 环速度较低( 一般在0 5 m s 以下) ，而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成 始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清 洗和检修也不够方便。 ( 2 ) 悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。其加热室 像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介 质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通 道，其作用类似于中央循环管。 悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。它的缺点是结构复 杂，单位传热面积需要的设备材料量较大。 ( 3 ) 外热式蒸发器外热式蒸发器的结构特点是加热室与分离室分开，这 样不仅便于清洗与更换，而且可以降低蒸发器的总高度。因其加热管较长( 管长 与管径之比为5 0 1 0 0 ) ，同时由于循环管内的溶液不被加热，故溶液的循环速度 大，可达1 5 m s 。 ( 4 ) 列文蒸发器列文蒸发器【3 6 】的结构特点是在加热室的上部增设一沸腾 室，加热室内的溶液由于受到这一段附加液柱的作用，只有上升到沸腾室时才能 气化。循环管的高度一般为7 - 8 m ，其截面积约为加热管总截面积的2 0 0 3 5 0 。因而循环管内的流动阻力较小，循环速度可高达2 - 3 m s 。 列文蒸发器的优点是循环速度大，传热效果好，由于溶液在加热管中不沸腾， 可以避免在加热管中析出晶体，故适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。其缺 点是设备庞大，需要的厂房高。此外，由于液层静压力大，故要求加热蒸汽的压 力较高。 ( 5 ) 强制循环蒸发器上述各种蒸发器均为自然循环型蒸发器，不宜处理 第一章文献综述 粘度大、易结垢及有大量结晶析出的溶液。对于这类溶液的蒸发，可采用强制循 环型蒸发器。这种蒸发器是利用外加动力( 循环泵) 使溶液沿一定方向作高速循环 流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2 5 m s 以 上。 这种蒸发器的优点是传热系数大，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适 应性较好，但其动力消耗较大。 另外，也可在标淮式蒸发器的中央循环管内加一螺旋桨来强化料液循环、可 使循环速度提高到1 - 1 5 m s 。 2 单程型蒸发器 ( 1 ) 升膜蒸发器升膜式蒸发器加热室由一根或数根垂直长管组成，通常 加热管直径为2 5 5 0 m m ，管长与管径之比为1 0 0 1 5 0 。原料液经预热后由蒸发器 的底部进入，加热蒸汽在管外冷凝。当溶液受热沸腾后迅速气化，所生成的二次 蒸气在管内高速上升，带动液体沿管内壁成膜状向上流动，上升的液膜冈受热而 继续蒸发，故溶液自蒸发器底部上升至顶部的过程中逐渐被浓缩，浓溶液进入分 离室与二次蒸气分离后由分离器底部排出。常压下加热管出口处的二次蒸气速度 不应小于1 0m s ，一船为2 0 5 0m s ，减压操作时，有时可达1 0 0 1 6 0 m s 或更高。 升膜蒸发器适用于蒸发量较大( 即稀溶液) 、热敏性及易起泡沫的溶液，但不 适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。 ( 2 ) 降膜蒸发器降膜式蒸发器与升膜蒸发器的区别在于原料液由加热管 的顶部加入。溶液在自身重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动，并被蒸发浓缩。 气液混合物由加热管底部进入分离室，经气液分离后，完成液由分离器的底部排 出。为使溶液能在壁上均匀成膜，在每根加热管的顶部均需设置液体布膜器。 降膜蒸发器可以蒸发组成较高的溶液对于粘度较大的物料也能适用。但对 于易结晶或易结垢的溶液不适用。此外，由于液膜在管内分布不易均匀，与升膜 蒸发器相比，其传热系数较小。 ( 3 ) 升降膜蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在一个外壳中，即构成升降膜 蒸发器。原料液经预热后先由升膜加热室上升，然后由降膜加热器下降，再在分 离室中和二次蒸气分离后即得完成液。 这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液的粘度变化很大，水分蒸发量不大和厂房 高度有一定限制的场合。 ( 4 ) 刮板薄膜蒸发器这种蒸发器是利用旋转刮片的刮带作用，使液体分 布在加热管壁上。它的突出优点是对物料的适应性很强，例如对于高粘度、热敏 性和易结晶、结垢的物料都能适用。刮板薄膜蒸发器的壳体外部装有加热蒸汽夹 套，其内部装有可旋转的搅拌刮片，旋转刮片有固定和活动两种。前者与壳体内 第。一章文献综述 壁的缝隙为0 7 5 1 5 m m ，后者与器壁的间隙随搅拌轴的转数而交。料液由蒸发 器上部沿切线方向加入后，在重力和旋转刮片带动下，溶液在壳体内壁上形成下 旋的薄膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。在某些情况下， 可将溶液蒸干而由底部直接获得固体产物。 这类蒸发器的缺点是结构复杂，动力消耗大，传热面积小，一般为3 - 4 m 2 ， 最大不超过2 0 m 2 ，故其处理量较小。 3 蒸发器选型 蒸发器的结构型式很多，选用时应主要考虑以下原则： 要有较高的传热系数，能满足生产工艺的要求。 生产能力大。 结构简单，操作维修方便。 能适应所处理物料的工艺特性。 蒸发物料的物理、化学特性常常使一些传热系数高的蒸发器在使用上受到限 制。因此，在选型时，能否适应所蒸发物料的工艺特性，是首要考虑的因素。 蒸发物料的工艺特性包括粘度、热敏性、结垢、有无结晶析出、发泡性及腐 蚀性。 对于粘度大的物料不宣选择自然循环型蒸发器，选用强制循环型或降膜式 蒸发器为宜。通常，自然循环型蒸发器适用的粘度范围为0 0 1 0 1 P a s 。 对热敏性物料应选用停留时间短的各种膜式蒸发器，且常采用真空操作以 降低料液的沸点和受热程度。 对于易结垢的物料，应选用管内流速大的强制循环型蒸发器。 对有结晶析出的物料，一般应采用管外沸腾型蒸发器，加强制循环式、外 热式等。刮板式、悬筐式蒸发器也适合于有结晶析出的情形。 对易发泡的物料，可采用升膜式蒸发器，高速流动的二次蒸气具有破泡作 用，强制循环式及外热式蒸发器具有较大的料液流速，能抑制气泡的生长，也可 采用。此外，中央循环管式、悬筐式蒸发器具有较大的气液分离空间，也可采用。 对发泡严重的物料，也可加入适量的消泡剂，来防止大量泡沫的产生。 对于腐蚀性较大的物料，应选用耐腐蚀的材料，如不透性石墨、特种合金 等。 1 2 3 多效蒸发的效数及流程 1 效数的确定 实际工业生产中，大多数采用多效蒸发，其目的是为了降低蒸气的消耗量， 从而提高蒸发装置的经济性。随着效数的增加，蒸汽消耗量减少，但不是效数越 第一章文献综述 多越好，这主要受经济和技术因素的限制。 经济上的限制是指当效数增加到一定值时经济上是不合理的。在多效蒸发 中，随效数的增加，总蒸发量相同时所消耗的蒸汽量在减少，使操作费用下降。 但效数越多，设备的固定投资越大，设备的折旧费越多，而且随效数的增加，所 节约的蒸汽量越来越少，如从单效改为双效时，蒸气节约9 3 ；但从4 效改为5 效，仅节约蒸气1 0 。最适宜的效数应使设备费和操作费的总和为最小。 在技术上，蒸发器装置的效数过多，蒸发操作将不能顺利进行。在实际的工 业生产中，蒸气的压力和冷凝器的真空度都有一定的限制。因此，在一定的操作 条件下，蒸发器的理论总温差为一定值。当效数增加时，由于各效温差损失总和 的增加，使总有效温差减少，分配到各效的有效温差将有可能小至无法保证各效 料液的正常沸腾，蒸发操作将难以正常进行。 在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于 5 7 ，通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，如N a C I 、N a O H 、N H 4 N 0 3 、N a E C 0 3 、 N a 2 S 0 4 等可采用2 3 效；对于沸点升高特大的电解质溶液，如M g C l 2 、C a C l 2 、 K C I 、H 3 P 0 4 等，常采用单效蒸发；对于非电解质溶液，如有机溶剂等，其沸点 升高较小，可取4 - 6 效：在海水淡化中，温差损失很小，可采用2 0 3 0 效。 2 多效蒸发流程的选择 根据加热蒸汽与料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可分为并流、逆流、 平流、错流等流程。 ( 1 ) 并流流程也称顺流加料流程，料液与蒸汽在效间流动同向。因各效间有 较大的压力差，料液能自动从前效流向后效，不需输料泵：前效的温度高于后效， 料液从前效进入后效时呈过热状态，过料时有闪蒸。并流流程结构紧凑，操作简 便，应用较广。对于并流流程，后效温度低、组成高，逐效料液的粘度增加，传 热系数下降，并导致有效温差在各效间的分配不均。因此，并流流程只适用于处 理粘度不大的料液。 ( 2 ) 逆流加料逆流加料流程的料液与加热蒸汽在各效间呈逆流流动。各效间 需过料泵，动力消耗大，操作也较复杂；自前效到后效，料液组成渐增，温度同 时升高，粘度及传热系数变化不大，温差分配均匀，适合于处理粘度较大的料液， 不适合于处理热敏性料液。 ( 3 ) 平流加料平流加料流程每一效都有进料和出料，适合于有大量结晶析出 的蒸发过程。 ( 4 ) 错流流程错流流程也称为混流流程，它是并、逆流的结合，其特点是 兼有并、逆流的优点，但操作复杂，控制困难。我国目前仅用于造纸工业及有色 冶金的碱回收系统中。 第二章实验 2 1 实验材料 第二章实验 味精厂提供的经过絮凝等处理后的废液主要成份：硫酸铵6 1 、水9 3 4 、 有机物0 5 ，均为质量分数。 2 2 实验方案 在常压下蒸发废液，从而得到浓度为1 2 、2 4 、4 6 的浓缩液，在此基础 上进行不同压力下浓缩液的沸点测定、不同温度下浓缩液的密度测定。 2 2 1 沸点的测定 电加 位计 图2 1 沸点测定装置 F i g 2 1B o i l i n gp o i n tm e a s u r i n gd e v i c e 1 实验装置见图2 1 所示。 2 实验步骤 ( 1 ) 安装仪器 ( 2 ) 通过进料口加入溶液，密封装置后，压力阀与真空泵相连，抽真空，然后 开始加热。 ( 3 ) 调整压力控制阀，使压力恒定在待测条件下，从热电偶读取相应的温度值。 ( 4 ) 实验结束后，打开压力控制阀，使压力降到常压，然后冷却。 第二章实验 2 2 2 密度的测定 1 实验装置见图2 2 所示。 2 实验步骤 ( 1 ) 安装仪器 ( 2 ) 通过进料口加入溶液，密封装置后，开始加热。 ( 3 ) 将温度控制在固定值，读密度计示数，然后在升温、读数。 ( 4 ) 实验结束后，打开压力控制阀，使压力降到常压，然后冷却。 调压阀 2 3 实验数据 图2 - 2 密度测定装置 F i g 2 - 1D e n s i t ym e a s u r i n gd e v i c e 2 3 1 沸点测定数据 不同浓度硫酸铵废液沸点随压力的变化曲线如图2 - 3 所示。 第二章实验 05 01 0 01 2 2 湘3 5 0 P r e s s u r e k P a 图2 - 3 不同浓度硫酸铵废液沸点随压力的变化曲线 F i g 2 - 3P r e s s u r e b o i l i n gp o 血c u r v ef o rA m m o n i u ms u l f a t es o l u t i o no fd i f f e r e mc o n c e n t r a t i o n s 2 3 2 密度测定数据 不同浓度硫酸铵废液的温度一密度曲线如图2 - 4 所示。 6 01 T e m p m t u 1 2 01 4 0 图2 4 不同浓度硫酸铵废液的温度一密度曲线 F i g 2 4t e m p r e t u r e d e n s i t yc u r v ef o rA m m o n i u ms u l f a t es o l u t i o no fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s - 1 5 御粥懈御仍伽m m惜御龉巧弛 p宅Iod2I!o 狮 锄 言 伽 懈 伽 伽 伽 咖 嘟 啪 j j j 1 1 第三章设计计算 3 1 已知条件和设计要求 3 1 1 已知条件 第三章设计计算 根据工厂的生产实际和实验结果，本设计已知条件见表3 1 。 表3 1 已知条件 T a b l e3 1K n o w nc o n d i t i o n s ( N H