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技术分享 | 高盐废水蒸发结晶工艺

发布时间：

2022-02-11

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高盐废水通常指总溶解性固体物(TDS)质量分数大于3.5%的废水。这类废水除普遍含有大量Cl-、SO42-、Na+等离子形态的无机盐类外,还含有Ca2+、Mg2+、NH4+、HCO3-等易化学变化成垢的离子及化学需氧物(COD)、悬浮物(SS)等杂质。2015年我国高盐废水产生量占总废水量的5%,排放量约为9.975亿t。高盐废水若直接进入水体,会使水体富营养化、藻类迅速繁殖,从而导致水质恶化,鱼类等生物大量死亡。

蒸发（或蒸馏法）虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍是浓缩或制淡水的主要方法。蒸馏过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。

根据所用能源、设备、流程不同主要可分多效蒸发、多级闪急蒸发、蒸汽压缩蒸发（MVR）等。

多效蒸发技术

多效蒸发是最古老的淡化方法之一，在多级闪蒸诞生以前一直是蒸发、浓缩的主导。

1.原理

多效蒸发是由单效蒸发组成的系统。将前一蒸发器产生的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，并在下一效蒸发器中冷凝成蒸馏水，如此依次进行。

原料水进入系统方式：有逆流、平流（分别进入各效）、并流（从第1效进入）和逆流预热并流进料等。

2.特点

与多级闪蒸比较而言的优点：

①多效蒸发的换热过程是沸腾和冷凝传热，是相变传热，因此传热系数是很高。总的来说多效蒸发所用的传热面积比多级闪蒸少。

②多效蒸发通常是一次通过式的蒸发，不像多级闪蒸那样大量的液体在设备内循环，因此动力消耗较少；

③多效蒸发的浓缩比高；

④多效蒸发的弹性大。

3.工艺流程分类

多效蒸发的工艺流程主要有三种，顺流、逆流和平流。

顺流：是指料液和加热蒸汽都是按第一效到第二效的次序前进。

特点：

多效的真空度依次增大，即绝对压力依次降低；故料液在各效之间的输送不必用泵，而是靠压差自然流动到后面各效；

温度也是依次降低，故料液从前一效通往后一效时就有过热现象，也就是发生闪蒸，产生一些蒸汽，即淡水；

对浓度大，黏度也大的物料而言，后几效的传热系数就比较低；而且由于浓度大，沸点就高，各效不容易维持较大的温度差，不利于传热。

平流：平流是指各效都单独平行加料，不过加热蒸汽除第一效外，其余各效皆用的是二次蒸汽。

适用于：容易结晶的物料，如制盐，一经加热蒸发，很快达到过饱和状态，结晶析出。

在水处理过程中主要是要获取淡水，不需用逆流和平流，而且逆流和平流没有顺流的热效率高。

逆流：逆流是指进料流动的路线和加热蒸汽的流向相反。原料从真空度最高的末一效进入系统，逐步向前面各效流动，浓度越来越高，所以料液往前面一效送入时，不仅没有闪蒸，而且要经过一段预热过程，才能达到沸腾。

可见和顺流的优缺点恰好相反。对于浓度高时黏度大的物料用逆流比较合适，因为最后的一次蒸发是在温度最高的第一效。所以虽然浓度大，黏度还是可以降低一些，可以维持比较高的传热系数。这在化工生产上采用较多。

4.工艺及设备简介

根据单效蒸发器的分析，蒸发量D/加热蒸汽量D0=0.91或者D0/D=1.1，即1kg蒸汽可以蒸出0.91kg的淡水。

如果将蒸出的二次蒸汽通往第二个蒸发器的加热室去作为加热用，那么同样1kg的二次蒸汽又可以蒸出0.91kg的淡水。

以此类推，效数越多，利用1kg加热蒸汽可以蒸发出的淡水也越多，这从热量的利用上来讲是有利的。

实际上，由于溶液有沸点升高现象，管线有流动阻力损失，使温差有损失，再加上效数多了，即使保温很好，散热面积大了，热损失也增多，所以当效数增多时，热量利用的效率也随之有所降低。考虑到效数增加则设备的投资增大，故实际采用效数应该有一最佳点。

5.多效蒸发设备的分类

多效蒸发设备的种类繁多，不同的物料，不同的浓度，可选用不同的蒸发器。

按蒸发管的排列方向：可以分为垂直管蒸发器（VTE）和水平管蒸发器（HTE）

按蒸发物料流动的类型：可以分为强制对流蒸发器和膜式蒸发器

在膜式蒸发器中按流动方向：又可分为升膜式和降膜式蒸发器

在降膜式蒸发器中分为：垂直管降膜和水平管降膜蒸发器

按各效组合的方向可以分为：水平组合的蒸发器和塔式蒸发器

组成多效蒸发系统的蒸发器有多种型式，常用的有以下主要三种

浸没管式（ST）：该种蒸发器是加热管被料液浸没的一大类蒸发设备

广义的浸没管蒸发器又有多种样式，有直管、蛇管、U形管以及竖管、横管等结构。

料液在蒸发器中的流动方式有：自然对流循环和强制循环两类。这种蒸发器出现较早、操作方便，但结垢严重、盐水静液柱高、温差损失大，故效数不宜太多，一般在6效以下。

竖管蒸发（VTE）：这里是指管内降膜式蒸发器。

两个基本优点，一是因管内为膜状汽化，传热壁两侧都有相变，故传热系数高。且消除了料液的静液柱所造成的温差损失。系统的浓缩率比较高，低浓度溶液如海水淡化，目前一般设计的效数为11～13效，造水比可达9～10。

结垢问题，特别是当液体分配不均或者水量不足时，在管的内壁可能形成干区，结垢的危险性增大。因此在防垢和清垢方面有较高的要求。一般说来，在这类蒸发系统中晶种法不宜采用，主要靠化学法防垢加上温度、浓度的合理设计。

横管薄膜式（HTE）：该种蒸发器是循环料液通过喷淋装臵在横管束的管外形成液膜，加热蒸汽（或前效二次蒸汽）在管内凝结。

它具有与竖管降膜式相同的优缺点，但设备高度远比竖管降膜式为小，装臵紧凑，所有各效的管束、喷淋管和汽水分离器都装在一个筒体中，因而热损失小，能耗低。

由于温度低，结垢和腐蚀都大大减轻，保证了较高的传热系数；此外汽相阻力小，又消除了静液头损失，传热温差可以很小，尤其适于使用低位热能。

以海水淡化为例

多级闪蒸技术

闪蒸是指一定温度的水在环境压力低于该温度所对应的饱和蒸汽压时发生的骤然蒸发现象。闪蒸后的水温度降低以使其饱和蒸汽压与环境压力平衡。

ＭＳＦ也是利用了这个原理，使加热至一定温度的料液，依次在一系列压力逐渐降低的容器中闪蒸汽化，原料得到浓缩，蒸汽冷凝后得到淡水。

该方法是在多效蒸馏的基础上发展而来的。相比多效蒸馏法多级闪蒸减少了垢的形成，多在低浓度料液浓缩中使用。

1.特点

多级闪蒸与其他技术相比，具有如下的优点:

由于此方法加热与蒸发过程分离，并未使原水真正沸腾(仅是表面沸腾)，从而大大改善了一般蒸馏的结垢问题；

技术成熟可靠，运行安全性高，特别适合于大型的低浓度物料浓缩应用；

设备机构简单，投资成本较低。

主要缺点:

大量原水的循环和流体的输送，导致操作成本升高；

与多效蒸馏法相比，需要较大的热传面积；

ＭＶＲ技术

1.MVR的工作原理

MVR（Mechanical Vapor Re-compression）-机械蒸汽再压缩，是指将蒸发(蒸馏等)过程的二次蒸汽(温度低、压力低而无法利用)用压缩机进行压缩，提高其温度、压力，重新作为热源加热需要被蒸发的物料，从而达到循环利用蒸汽的目的，使蒸发过程不需要外加蒸汽；即用少量的电能获得较多的热能，从而减少系统对外界能源的需求的一项高效节能技术。

MVR的作用：提高蒸汽的品位，而不创造能量

2.在蒸发结晶中的应用

蒸发浓缩过程而言，介质发生“相变”：液相→汽相

水的比热为1 kcal/kg〃℃。1 kg的水，温度每上升1 ℃需要1 kcal的热量。对1 kg的水加热从0 ℃上升到100 ℃沸腾，仅需要100 kcal的热量。将1kg 100 ℃的水汽化，成为同温度的蒸汽，则需要539 kcal热量。能耗是相当于使同样重量的水温度每升高1 ℃所需热量的539倍。

单效蒸发（1kgH2O为例)

新鲜蒸汽大量热量→二次蒸汽→冷却水→大气

冷却塔消耗大量循环水以及电能（泵）运行，造成三重浪费

3.能耗与效数关系(蒸发量为1 t H2O为例)

4.MVR技术发展状况

MVR并非新技术。

国外早在1834年就已有人提出MVR热泵的构想，而最终应用该项技术的产品是由瑞士的一家企业1917年制造。1925年，奥地利设计安装了一套设备，由此出现了实际运行中使用的MVR 装置。

上世纪70年代石油问题造成了能源危机，在节能降耗的大势所趋下，MVR 热泵得到了迅速发展。

20世纪80年代，张家坝制盐化工厂在国内首次引进机械热压缩工艺进行制盐生产，2010年，中盐金坛引进的生产能力120万吨/年精制盐MVR 装置，成功运行至今。目前MVR技术已被众多的行业和企业所认可。

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