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年处理3万吨含NaCl废水蒸发工艺及设备设计前期报告及论文定稿 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目年处理3万吨含NaCl废水蒸发工艺及设备设计指导教师专业过程装备与控制工程学号姓名班级报告提交日期xx年4月24日 一、废水处理的研究背景和意义1.1国内外研究现状、水平及存在的问题1.1.1国内发展情况废水处理是利用物理、化学和生物的方法对废水进行处理，使废水净化，减少污染，以至达到废水回收、复用，充分利用水资源。 我国目前的废水处理主要分为物理处理法、化学处理法和生物处理法3类。 物理处理法。 通过物理作用分离、回收废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物（包括油膜和油珠）的废水处理法，可分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。 以热交换原理为基础的处理法也属于物理处理法。 化学处理法。 通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。 在化学处理法中，以投加药剂产生化学反应为基础的处理单元是混凝、中和、氧化还原等；而以传质作用为基础的处理单元则有萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换以及电渗析和反渗透等。 后两种处理单元又合称为膜分离技术。 其中运用传质作用的处理单元既具有化学作用，又有与之相关的物理作用，所以也可从化学处理法中分出来，成为另一类处理方法，称为物理化学法。 生物处理法。 通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，转化为稳定、无害的物质的废水处理法。 根据作用微生物的不同，生物处理法又可分为需氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。 废水生物处理广泛使用的是需氧生物处理法，按传统，需氧生物处理法又分为活性污泥法和生物膜法两类。 活性污泥法本身就是一种处理单元，它有多种运行方式。 属于生物膜法的处理设备有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池以及最近发展起来的生物流化床等。 生物氧化塘法又称自然生物处理法。 厌氧生物处理法，又名生物还原处理法，主要用于处理高浓度有机废水和污泥。 使用的处理设备主要为消化池。 蒸发（或称浓缩）是指将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进行蒸发浓缩的过程，主要是利用加热作用使溶液中一部分溶剂汽化而获得。 所以，将废水用蒸发工艺处理，不仅废水得到了处理，而且通过蒸发作用后原料达到一定的浓度还可以回收利用。 1.1.2国外发展情况污水处理时经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分，其在发达国家已有较成熟的经验。 如英国、德国、芬兰、荷兰等欧洲国家均已投巨资对因工业革命和经济发展带来的水污染进行治理，日本、新加坡、美国、澳大利亚等国家也对污水处理给予了较大投资，特别是新加坡并没有走先污染后治理的道路，而是采取经济与环境协调发展的政策，使该国不仅在经济上进入了发达国家的行列，而且还是一个绿树成荫、碧水蓝天、环境优美的国家。 国外污水处理厂建设的告诉发展大多数集中在20世纪70年代以后。 芬兰是世界时城市和工业废水处理最发达的国家之一，早在20世纪初九在首都赫尔辛基建造了第一座城市污水处理厂，70年代初期开始大规模兴建城市污水处理厂，到1988年，芬兰已经有大约570个城镇污水处理厂在运行，日处理量达2.3X106m3。 同样，污水处理在德国已有近百年的历史，但其较快发展是在近20年。 截止到1995年，德国有大小污水处理厂10390座，污水处理厂的规模按当量人口数计算，人均BOD5排放量为60g/人，人均排水量为150L/人。 国外污水处理厂建设和发展的主要特点为污水处理厂趋向于大型化。 国内外对城市污水是集中处理还是分散处理的问题已经形成共识，即污水的集中处理（大型化）应是城市污水处理厂建设的长期规划目标。 结合不同的城市布局、发展规划、地理水文等具体情况，对城市污水处理厂的建设进行合理规划、集中处理，不仅能保证建设资金的有效使用率、降低处理能耗，而且有利于区域或流域水污染的协调管理及水体自净容量的充分利用。 污水处理所采用的工艺技术史污水处理的核心部分。 污水处理采取的工艺与很多因素有关，如进水水质、出水要求、处理水量、投资大小等，还与气候条件有关。 目前污水处理的等级已经从二级处理向三级处理过渡，特别是随着水资源的日趋短缺，城市污水再生回用技术越来越受到各国的重视。 也就是说现代化的污水处理厂应具有双重功能，一方面是要消除城市排水的污染问题，另一方面还要担负解决城市水资源紧缺的任务。 日本队污水处理的要求比较严格，由于国土的狭小，许多污水处理厂采用地下式。 德国的污水处理工艺主要分为自然净化和人工净化两大类。 自然净化工艺是利用微生物在自然环境中的生命活动来净化污水，缺点是占地面积大，处理效率低，所需时间长，优点是能耗低，因此仅适用于小规模的污水处理。 人工净化是利用人工手段改善微生物的品种及生产环境或外加药剂，已达到对污染物高效降解和去除的目的，具有占地面积小、处理效率高、运行稳定等优点，但能耗大，运行费用高，管理复杂，一般适用于大、中型的污水处理。 国外城市污水处理厂的排放标准一般要求较高。 由于受纳水体的不同，美国城市污水处理后出水水质要求常常比我国的二级处理出水水质高。 1.1.3存在的问题由于课题是关于含有NaCl废水蒸发工艺及设备设计，存在的问题有 （1）能耗问题由于废液中含氯化钠的浓度较低，要回收氯化钠就必须先去掉大量的水分因而能耗较大，成本过高； （2）腐蚀问题氯化钠溶液对设备的腐蚀性极强，其设备采用一般金属材料是不行的，需要使用钛材等特殊材料，这又加重了氯化钠的回收成本； （3）结垢问题在蒸发回收氯化钠的过程中，蒸发室和加热管极易结垢，这将使加热管的传热系数降低，增加能源的消耗； （4）在蒸发回收氯化钠的过程中的二次汽中含3-氯丙稀、氯仿、丙烯，这三种有机物随二次汽进入冷凝水中可导致冷凝水的二次污染。 1.2选题的目的、意义1.2.1选题的目的 （1）进一步巩固及深化对废水处理技术基本概念与基本理论知识的理解；培养学生综合运用所学各门课程基本理论、基本知识和基本技能、分析解决实际工程问题能力。 （2）根据条件制定出合适的工艺流程。 （3）学习常用设计资料的一般应用方法。 （4）培养学生运用理论知识分析问题与解决问题的基本能力。 （5）学习绘制平面图、流程图的方法与技巧，为走上工作岗位之前打下良好的专业基础。 1.2.2选题的意义许多化工产品在生产过程中会产生含有氯化钠的废水，如果直接排放将会引起对环境的污染，我国政府已经对此表现了极大的关注。 目前处理含有氯化钠的废水多采用蒸发或者膜处理工艺。 但现在应用的蒸发工艺还有一定的缺陷，比如容易结垢，腐蚀严重等，因此，以我国的真空制盐生产工艺为参考，参照相关的国家标准，来合理设计含有氯化钠的废水蒸发工艺及设备，具有较强的工程价值和环保效益，对培养学生的工程设计能力有重要意义。 二、设计方案2.1实施方案及主要研究手段从操作方式可分为单效蒸发、多效蒸发和直接接触蒸发；按流体循环方式可分为不循环型蒸发、自然循环型蒸发、强制循环型蒸发、刮膜式蒸发及离心式薄膜蒸发。 设计时针对不同的物料用不同的蒸发器。 正确的应用不仅能提高产品的质量，又能节能降耗、降低生产成本、提高经济效益。 其中，降膜式蒸发器是现代蒸发技术中常见的单元操作。 在多效降膜式蒸发器中，溶液的流程可以是并流、逆流、平流和错流。 并流是溶液与蒸气成并流，不需要泵，成本低，但对粘度随浓度迅速增加的溶液不适宜；逆流是溶液与蒸气成逆流，适用于粘度随浓度变化较大的溶液，但热敏性溶液应有相应措施；平流是每效都加入原料液，适用于蒸发过程中伴有结晶析出场合；错流是溶液与蒸气在有些效成并流，而在有些效间则成逆流，操作复杂，实际很少应用。 2.2预期研究结果或结论综合考虑各种因素，本设计中对含氯化钠废水治理中的氯化钠回收部分采用三效真空蒸发工艺，采用多效真空真空蒸发兼热泵技术可较好的解决能耗高及设备腐蚀问题，溶液的流程选择并流。 2.2.1采用多效蒸发蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而产生大量二次蒸汽的过程。 从节能观点出发，多效降膜式蒸发器充分利用蒸发所产生的二次蒸汽作为其他效加热系统的热源，即要求蒸发装置能提供温度较高的二次蒸汽，这样既可减少锅炉生蒸汽的消耗量，又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽的利用率。 一般所用的饱和蒸汽不超过180，若超过180，其相对压强就很高，这样会增加热设备与操作费用。 多效降膜式蒸发器的蒸发旨在节省加热蒸汽。 这样蒸汽被多次重复利用，使蒸发系统的经济性明显提高。 2.2.2采用真空蒸发工艺大气冷凝器和真空泵使得蒸发系统为真空蒸发，这样降低了各效蒸发器内溶液的沸点，使其在100以下沸腾，因而可以减轻氯化钠溶液对设备的腐蚀。 由于真空度提高后，溶液的沸点随之下降，水分更容易由液相转变为汽相，当加热温度一定时，真空蒸发的蒸出速度就会提高。 同时真空蒸发降低了料液的饱和温度，这样在很大程度上减轻了氯化按在蒸发的过程中的挥发程度，也就是减少了随着二次蒸汽的凝结而进入冷凝水中的氨氮含量。 此外蒸发的温度降低也有利于3-氯丙稀、氯仿、丙烯物质的挥发，这样使得冷凝水中含氯化钠的量有很大程度的降低。 2.2.3溶液的流程选择并流并流加料的优点是 （1）由于后一效蒸发室的压力较前一效为低，故溶液在效间的输送勿需用泵，就能自动从前效进入后效。 （2）由于后一效溶液的沸点较前一效为低，故前一效的溶液进入后一效时，会因过热自行蒸发。 因而可产生较多的二次蒸汽。 （3）由末效引出完成液，因其沸点最低，故带走的热量最少，减少了热量损失。 三、现阶段完成的任务文献翻译已完成，设计方案已确定，计算出部分数据。 四、进度安排xx年4月26日5月16日实验研究，提交中期报告xx年5月17日5月31日数据处理并提交论文初稿xx年6月1日6月12日提交论文定稿，准备答辩 五、参考文献（1)GB1501998钢制压力容器,北京:中国标准出版社（2)李崇岳,化工工艺设计概论,天津:天津大学出版社,1994（3)化学工业部,化工工艺设计手册,北京:化学工业出版社,1986（4)姚玉英,化工原理（上、下册）天津:天津科学技术出版社,1990（5)潘国吕，郭庆丰.化工设备设计,北京:清华大学出版社,1996（6)机械工业委员会，泵类产品样本，北京:机械工业出版社,1988（7)化工设备设计技术中心站,化工设备标准手册,1987（8)郑津洋,过程设备设计,北京:化学工业出版社,xx.7第二版（9)郑平友,陈孝彦,崔朝阳等.强制循环蒸发结晶中传质规律的研究，西安交通大学学报xx，37 （11）11941197（10)冯伯华,陈自新,苏元复,等.化学工程手册:蒸发与结晶，北京:化学工业出版社,1987.5468（11)哈姆斯基E B.化学工业中的结晶，古涛,叶铁林,译.北京:化学工业出版社,1984（12)郑平友,余劲松,张淑萍等.蒸发结晶系统传热传质规律的研究，科学技术与工程xx,6 （8）10021006（13)尹华江,真空制盐蒸发罐罐型结构浅析,中国井矿盐,1994，51316（14)周全,粗粒盐的结晶环境及蒸发结晶器结构的讨论,中国井矿盐,1999，62227（15)宋志青,蒸发结晶操作中传热温差的选择,化工设计,1994,4:1922（16)安莲英,张晓阳.生产硫酸钾工艺中氯化钠的蒸发结晶研究,海湖盐与化工,xx,31 (1):1215河北工业大学毕业设计（论文）外文资料翻译学生姓名学号学院化工系专业过程装备与控制工程附件1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语签名年月日降膜蒸发器中决定和影响传热系数的因素摘要这项工作的目的是确定不同操作条件下的单效蒸发器的传热系数，为了判断它们有多种影响因素。 降膜蒸发器包括12根外径25mm、长3m的垂直不锈钢管，蒸发器的蒸发容量为240kg/h。 对每一个多效蒸发器的影响条件进行模拟，改变进料浓度和压力，设置每一种条件下的饱和温度和热传递系统，。 从而获得一个关联式，即传热系数与流体性质、几何参数和流量的关系。 xx年Elsevier公司保留所有权利。 关键词:传热、蒸发器、降膜、传热系数1.前言果汁的浓度是果汁制造业中被广泛使用的参数，它有两个主要目的 （1）降低产品的体积和重量，随后降低储存、包装及分销的成本。 （2）增加水的活动，减少其对果汁的稳定性影响，这是影响果汁品质的主要因素。 虽然冷冻浓缩和反渗透浓度等其他方法现在也经常被用到，但由于业务和经济原因蒸发仍然是最流行的。 蒸发是一个单元操作即从液体中去除水。 如果液体中含有溶解固体，解决方案是可以使其成为饱和或过饱和固体晶体沉积。 如果长时间高温蒸发，会造成果汁中许多物质被破坏,，真空蒸发似乎是合理的解决方案。 真空蒸发进行的沸点降低，所以热降解趋于最小化。 降膜蒸发器在本质上是管壳式换热器。 降膜蒸发器本质上是一个管壳式换热器。 蒸汽冷凝的壳程提供了潜热，使从管程流动溶液中的水蒸发量。 水蒸气和浓缩果汁，在热力学方面是平衡的，然后分离。 这个过程可以完成一次蒸发，因此沸腾浓缩液退出单元作进一步处理，蒸汽在一个独立的冷凝器中冷凝。 这种设备被命名为“单效蒸发器”。 然而，如果需要高浓度，最好是使用多个更小的单元，而不是用一个大的单元。 在这种条件下，解决方案是水汽离开第一个单元，加热介质为第二个过程蓄流。 对于一个合适的动力，由于第二单元存在，其沸点减小，这是通过减少在蒸发室的压力。 这样，减少了蒸发器在加热蒸汽压力方向的热能损失和压力损失。 这种被定义为“多效蒸发器”，3，4，5设备在食品工业是非常容易见到的。 在蒸发器内发生的是一个众所周知的质量和能量平衡，传热速率方程热。 参考图1，它们可以说明如下质量平衡，稳定状态冷流（进程，或果汁一方），全部 （1）冷流（进程，或果汁一方），溶解固体 （2）热力学平衡状态的关系即热流（冷凝的蒸汽） （3）能量平衡，稳定状态冷流（进程，或果汁一方） （4）热流（冷凝的蒸汽） （5）转移方程 （6）整体逆传热系数可作为所有的热阻，以双方传热流体边界层构成（对流），与管壁和污垢（导电） （7）由于阻力和墙壁污垢是相当于施加的液膜，而这些液膜传热系数的蒸汽冷凝远远高于其他的，在这个系统控制的阻力是内部液膜。 因此，一个单元的设计很大依赖于这个变量的预测值，作为与计算面积成正比的阻力，这是内部控制的传热系数。 这项工作是为了获得在不同条件下蒸发流的液膜系数的实验值，找到适合这些值的公式。 如果得到合适的关联式，然后评价现有的单元并且设计新的方案，那么可以提高其精确度。 符号说明A换热面积,m2C凝结蒸汽质量流量,kg/s F冷流质量流量,kg/s g重力加速度,m/s2h单位质量焓,J/kg h+因次传热系数,根据公式 （8）k热导率,W/(m)L液体质量流量,kg/s Pr普朗特数，无因次数Re雷诺数,无因次数Q热交换,W r蒸发管半径,m RF污垢热阻,m2/W S蒸汽质量流量,kg/s U总传热系数,W/(m2)V蒸汽质量流量,kg/s x蔗糖的质量分数,kg蔗糖/kg水T冷热流体之间温差,密度,kg/m粘性,Pa s图1蒸发器的示意图2.实验设备实验蒸发器是降膜类型，在这些单元的液体是流动的，管内表面的膜向下。 由于蒸发的缘故，沸腾后的平衡蒸气向下流动离开底部，即发生相分离。 这种蒸发器的类型对于果汁浓度是特别有用的，因为它与受热面的接触时间短，减少热损失的机会少。 而且易清洁和启动，这就保证了产品的最低损失。 蒸发器使用的是ALVAL。 它由12个外径25mm、长3m的垂直管组成，蒸发量为240kg/h。 其中包含所有辅助设备（分离器，预热器，冷凝器，水泵）和仪器仪表。 由于现有的设备是一种单效蒸发器,最初的操作条件为在一个多效蒸发器发生反应的典型条件。 经过多次试验，第二效的变化满足当时的条件，然后再次改变了第三效的条件。 这样做，使得进气浓度，流量和压力是多方面变化。 其他国家的作者是通过模拟手段确定的参数值(Ugrin&Urbicain,1999;Gonzalez,Ugrin,&Urbicain,xx)。 该流体模型研究的是蔗糖水溶液，因为从热的角度来看，它可以被视为液压行为果汁。 果汁易受细菌和真菌污染，涉及的费用低，并且考虑到其他因素，因此果汁是溶液模型的最佳选择。 操作条件列于表1。 表1三效蒸发器的实验条件表2传热计算参数值3.实验结果测量的变量有流量和饱和蒸汽（供热流压力），压力，入口温度，进口和出口蔗糖溶液浓度（过程流）。 大量的热平衡，公式 （1）- （6）影响整体热量传递系数的计算，污垢所带来的热阻是已知值，并计算了蒸汽,对液膜的过程流系数的计算，得到公式 （7）。 液膜系数乘以适当的参数，得到无量纲h+。 这是在文献中常见的做法，以显示这种形式的结果，这是方便与其他结果作比较。 无因次传热系数得到以下方程方法 （8）实验结果和一些计算值见表2。 4.实验值的相关性在无量纲传热系数的值为蒸发拟合一个公式 （9）回归是由两种不同的方法第一个是要符合相关的数据，每一个流动涵盖了不同的范围层流和过渡；第二个回归是，所有的参数都与雷诺数建立了一个关系。 比较两个相关参数R2，得出最合适的结论是实现了一个独特的关联式，雷诺数从15到3000是有效的，普朗特值从2.5到200是有效的。 由此产生的公式是 （10）实验获得的数据如图2所示。 图2实验值与拟合曲线这个方程可以进一步简化为由雷诺数和普朗特数之间的关系。 严格来说，这些值都是彼此不相关的，因为它们是独立的，传热系统的几何和物理参数的关系是量纲数。 然而，其中任何一项的任何变化引起对另一个的变化。 事实上，对于一个给定的温度，液体粘度的定义为流动时所停留的时间。 另一方面，由于浓度和温度等物理特性是固定的，因此这些条件确定一个雷诺数也只确定一个普朗特数。 结果发现，研究两者间的系统关系为 (11)把公式 （11）带入到公式 (10)得到一个简单的关系 (12)当然，将NPr,L和NRe,L带入到公式 （12）是对于研究严格的系统。 对于其他的方案或几何构型，普遍有效的应该考虑公式 （10）。 图3与其他作者结论的图形比较5.相关性比较表3用不同的计算方法表示h