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废水蒸发基础知识 环境分厂靳树彬 主要内容 1 蒸发概述 蒸发是指用加热的方法使溶液中一部分溶剂汽化 从而提高溶液的浓度 或使溶液浓缩到饱和而析出溶质的单元操作 1 2蒸发操作的目的 1 获得浓缩的溶液 2 获得固体溶质 3 除去杂质 1 1什么是蒸发 溶剂S溶质A 不挥发 溶剂S 加热 1 3多效蒸发几个基本概念 1 效 对蒸汽 不是二次蒸汽 的利用次数 2 真空蒸发 蒸发过程在低于大气压的条件下进行 即是使蒸发器内形成一定的真空度 降低溶液沸点的蒸发 3 蒸发比 又叫蒸发经济 是指加入蒸发系统生蒸汽量 一效或用生蒸汽预热废水 与蒸发系统从废水中蒸发出来的二次蒸汽总量之比 4 浓缩倍数 在蒸发废水过程中 原废水量与浓缩液量之比 浓缩倍数愈大 浓缩液的浓度愈高 1 3多效蒸发几个基本概念 5 真空度 是表示绝对压强低于大气压的值 单位为 帕斯卡 米水柱 毫米汞柱 等 6 结晶 物质自溶液中形成晶体析出的过程 7 传热过程 系统内温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程传热过程 8 总温差 在多效蒸发过程中 首效加热室饱和蒸汽温度与冷凝器内二次蒸汽压力所对应的饱和温度之差 9 有效温差 是指实际能用于传热推动力的温差 10 无功温差 又叫温度损失 是指传热和蒸发过程中 因各种因素影响 有一部分温度差不能参与传热推动过程 实际上不起作用的温差 1 4分类 1 按操作室压力分 常压 加压 减压 真空 蒸发 2 按二次蒸气的利用情况分 单效和多效蒸发 单效蒸发 将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作 多效蒸发 若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气 则可提高加热蒸气 生蒸气 的利用率 这种串联蒸发操作称为多效蒸发 加热蒸气和二次蒸类气 蒸发需要不断的供给热能 工业上采用的热源通常为水蒸气 而蒸发的物料大多是水溶液 蒸发时产生的蒸气也是水蒸气 为了易于区别 前者称为加热蒸气或生蒸气 后者称为二次蒸气 1 4蒸发操作的特点 1 传热性质 属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程 2 溶液性质 热敏性 腐蚀性 结晶性 结垢性 泡沫 粘稠性等 3 沸点升高 当加热蒸气一定时 蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差 4 泡沫挟带 二次蒸气中带有大量泡沫 易造成物料损失和冷凝设备污染 5 能源利用 二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一 连续式 间歇式常压式 减压式 加压式 间壁式蒸发器 直接接触式蒸发器 浸没燃烧蒸发器 溶液在蒸发器中作循环流动 溶液在蒸发器中只通过加热室一次 不作循环流动 溶液通过加热室时 在管壁上呈膜状流动 故习惯上又称为液膜式蒸发器 中央循环管式悬框式列管式 外循环 外热式 升膜式蒸发器降膜式蒸发器刮板式蒸发器升 降膜式蒸发器 2 蒸发设备 二次蒸汽 不凝性气体 生蒸汽 间壁式蒸发器 主要组成 蒸发器 加热室 蒸发室 除沫器冷凝器真空装置 生蒸汽与二次蒸汽何者温度高 蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备1蒸发器主要由加热室和分离室组成 加热室有多种多样的形式 以适应各种生产工艺的不同要求 按照溶液在加热室中的运动的情况 可将蒸发器分为循环型和单程型 不循环 两类 1 1循环型蒸发器特点 溶液在蒸发器中循环流动 因而可以提高传热效果 由于引起循环运动的原因不同 又分为自然循环型和强制循环型两类 自然循环 由于溶液受热程度不同产生密度差引起 强制循环 用泵迫使溶液沿一定方向流动 优点 结构紧凑 制造方便 传热较好及操作可靠等 应用十分广泛 缺点 1 循环速度较低 管内流速 0 5m s 2 溶液在加热室中不断循环 使其浓度始终接近完成液的浓度 因而溶液粘度大 沸点高 有效温度差小 3 设备的清洗和维修也不够方便 1 中央循环管式蒸发器 自然循环型 其截面积一般为其它加热管总截面积的40 100 料液 生蒸汽 应用广泛 适用于处理量大 结垢不严重的物系 2 悬框式蒸发器 自然循环型 溶液沿加热管中央上升 而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环 溶液循环速度比标准式蒸发器大 可达1 5m s 优点 这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行清洗 检修或更换 而且热损失也较小 缺点 结构复杂 单位传热面积的金属消耗较多 加热室 3 列管式蒸发器 外循环式 加热室中的溶液不沸腾 在沸腾室内才开始沸腾 因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室 从而避免了加热管内结晶或污垢的形成 溶液循环速度可达2 5至3m s以上 故总传热系数亦较大 缺点 液柱静压头效应引起的温度差损失较大 要求加热蒸汽有较高的压力 设备庞大 消耗的材料多 需要高大的厂房 加热室 沸腾室 蒸发室 循环管 除沫器 其截面积约为加热管的总截面积的2 3倍 挡板 4 外热式蒸发器 蒸发室 循环管 加热室 加热室单独放置 好处之一是可以降低整个蒸发器的高度 便于清洗和更换 好处之二是可将加热管做得长些 循环管不受热 从而加速液体循环 循环速度可达1 5m s 对循环型蒸发器 除了上述自然循环外 还可以采用强制循环 循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制 一般在2 5m s以上 强制循环型 4 4废水多效蒸发 结晶系统工艺方框图 料液在加热管内受热汽化 生成的蒸汽在加热管内高速上升 常压下汽速为20 50m s 减压下汽速可达100至160m s或更大些 溶液被上升的蒸汽所带动 沿管壁成膜状上升并继续蒸发 汽 液混合物在分离器内分离 1 2非循环型蒸发器 1 升膜式蒸发器 加热管直径约为25 50mm 管长和管径之比约为100 150 分离器 升膜式蒸发器优缺点 优点 溶液在蒸发器中不循环 停留时间很短 因而特别适用于热敏性物料的蒸发 整个溶液的浓度 不象循环型那样总是接近于完成液的浓度 因而这种蒸发器的有效温差较大 由于溶液呈膜状流动 因而对流传热系数较大 缺点 对进料负荷的波动相当敏感 当设计或操作不适当时不易成膜 此时 对流传热系数将明显下降 适用场合 适用于黏度较小的 小于0 05Pa s 蒸发量较大 易受热分解的热敏性溶液者 不适用于粘度很大 易结晶或易结垢的物料的蒸发 2 降膜式蒸发器 料液是从蒸发器的顶部加入 在重力作用下沿管壁成膜状下降 并在此过程中蒸发增浓 在其底部得到浓缩液 降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高 粘度较大 0 05 0 45Pa s 蒸发量较小 热敏性的物料 但因液膜在管内分布不易均匀 传热系数比升膜式蒸发器的较小 仍不适用易结晶或易结垢的物料 3 刮板式蒸发器 适用于黏度较大 大于1 10Pa s及以上者 简称薄膜蒸发器 是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器 优点 热阻影响小 传热系数大 停留时间短 一般为数秒或几十秒 故可适应于高粘度 如栲胶 蜂蜜等 和易结晶 结垢 含固体 热敏性的物料 缺点 结构复杂 动力消耗大 处理量很小且制造安装要求高 刮板 预热室 升膜加热室 降膜加热室 升降膜式蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在了一起 料液先经升膜蒸发器上升 然后由降膜蒸发器下降 适用于 蒸发过程中溶液黏度变化很大 蒸发量不大场合 4 升降膜式蒸发器 常用蒸发器传热系数K的经验值 2 1降膜分布器 功能 将料液分配和均布 1加热管2导流管3液面4齿缝a螺旋槽导流b凹端面锥体导流c齿缝分配 2 蒸发辅助设备 a 喷射式 b 填料式 c 孔板式1冷水2二次蒸汽3冷凝水4不凝气体5喷嘴6填料7孔板 2 2冷凝器 功能 避免及减少雾沫被二次蒸汽带出夹带影响浓缩效率和蒸发能力 污染二次蒸汽类型 惯性型 离心型 表面型 2 3捕沫器 气液分离器 2 4其他设备 预热器 脱气器 水环式真空泵 蒸喷 闪发器 罗茨泵 3 单效蒸发 溶液的沸点升高 一定压强下 溶液的沸点较纯水高 两者之差 称为溶液的沸点升高 稀溶液或有机溶液沸点升高值较小 无机盐溶液较大 对于同一种溶液 沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异 浓度越大 液柱越高 沸点升高值越大 3 1溶液的沸点升高和温度差损失 溶液沸点升高的计算公式 式中 溶液的沸点升高 t 溶液的沸点 T 与溶液压强相等时水的沸点 即二次蒸气的饱和温度 传热温度差损失 在一定操作压强条件下溶液的沸点升高 式中 t 传热的有效温度差 tT 理论上的传热温度差 t 溶液的沸点 T 纯水在操作条件下的沸点 Ts 加热蒸气的温度 计算公式为 t Ts t tT Ts T 传热温度差损失 例 用476kN m2 绝压 的水蒸气作为加热蒸汽 Ts 150 蒸发室内压力为1atm 蒸发30 的NaOH溶液 沸点为t 115 其最大传热温度差 用 tT来表示 tT Ts T 150 100 50 有效温度差为 t Ts t 150 115 35 则温度差损失为 tT t Ts T Ts t t T 15 即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差 只有求得 才可求得溶液的沸点t T 和有效传热温度差 t tT 例 1 因溶液的沸点升高 蒸汽压下降 而引起的温度差损失 3 因管路流体阻力而引起的温度差损失 2 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 静压 闪发 蒸发过程中引起温度差损失的原因有 4 过热温度损失 特点 热阻在管内垢层及管内沸腾传热一方 提高传热系数的措施 1 定期清理垢层 2 加快流体的循环速度 自然循环 强制循环3 加热微量阻垢剂以延缓形成垢层 在处理有结晶物析出的物料时 可加入少量晶种 结晶颗粒 使结晶尽可能在溶液主体中进行 而不是在加热面进行 4 添加表面活性剂 表面活性剂降低了相界面之间的张力 从而产生了润湿 抗再黏附作用 既增大了沸腾传热系数 又可使沸腾侧的加热面不生成垢层 提高传热系数的方法 4 1原理及特点原理 利用二次蒸汽的潜热利用冷凝水的显热 如预热原料液 特点 提高了生蒸汽的热能经济性 增加了设备及操作费用 4 2多效蒸发的操作流程 4 多效蒸发 多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合 常见的有 并流 溶液与蒸汽的流向相同 称并流 逆流 溶液与蒸汽的流向相反 称逆流 错流 溶液与蒸汽在有些效间成并流 而在有些效间成逆流 平流 每一效都加入原料液的方法 下面以三效为例加以说明 4 2 1并流流程蒸汽流动方向 1 2 3溶液流动方向 1 2 3 特点 由于前效的压强较后效高 料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送 溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发 可产生更多的二次蒸汽 因此第三效的蒸发量最大 4 2 2逆流流程蒸汽流动方向 3 2 1溶液流动方向 1 2 3 特点 由于前效压强较后效高 料液从后效往前一效要用泵输送 各效进料 末效除外 都较沸点低 自蒸发不会发生 所需要热量大 逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图 4 2 3错流流程溶液流向 3 1 2或2 3 1蒸汽流向 1 2 3特点 兼有逆流与并流的优点 操作较复杂4 2 4平流流程各效分别进料并分别出料 二次蒸汽多次利用 对易结晶的物料较合适 因为结晶体不便在效与效之间输送 平流加料法的三效蒸发装置流程示意图 4 3多效蒸发蒸汽的经济性 利用率 第一效 1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽 将此1kg二次蒸 引入第二效又可蒸发1kg水 即 第二效 1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量 所以依次类推 三效 效 所以理论利用率等于效数 但实际上 由于热损失 温度差损失等原因 单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度 根据生产经验 最大的的值大致如下 4 4多效蒸发的效数限制 1 实际蒸汽耗量大于理论值汽化潜热随温度降低而升高 并且效间还有热损失所以蒸发1kg水实际消耗加热蒸汽的量大于理论值 2 设备费用的增加设备的费用增加值等于节约的能耗费用即达效数极限 3 有效传热温差的极限及温差损失的增加 如果生蒸汽的温度和浓缩液排除温度一定 则随着效数的增加分配到每一效的温差是有限的 每一效都有前面讨论的三种温差损失 如果分配到的温差小于温差损失 蒸发无法进行 4 料液蒸发温度的安全极限 第一效不能使用温度太高的加热蒸汽 总温差的减小对效数产生限制 4 1废水蒸发在污水处理工艺中位置 4 克旗废水蒸发简介 4 4废水多效蒸发 结晶系统工艺方框图 4 2设计水质水量 水量 一期工程设计处理水量为100t h 来源 来水为浊循环排污水和反渗透浓水经膜浓缩处理后的高盐高COD废水水质 TDS18000mg l COD804mg l 氯离子3000mg l 4 2设计水质水量 4 2 1浓盐水成分 4 2设计水质水量 4 2 2产品冷凝水成分 4 2设计水质水量 4 2 3性能指标 4 3主要工艺流程 A 浓盐水贮存及预处理经生化处理后的浓盐水进入调节池T27210贮存 由提升泵P27219提升至混料桶T27201 在此与分离工序的母液混合 由加酸泵P27220加入10 稀硫酸 控制浓盐水的PH值在4 5 由混料泵P27206送至预热器 经 效冷凝水预热器E27204 效冷凝水预热器E27205两级预热至57 后进入除氧器V27205 真空汽提脱除溶液中碳酸氢根离子 4 3主要工艺流程 B 真空蒸发 详见工艺流程图 C 离心分离由排料泵P27208排出的浆料送至旋流器S27204 经S27204