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        江苏铭盛环境

        工业废水处理方法——蒸发浓缩

        文章出处:未知发表时间:2021-07-12 15:39:02

         
              蒸发是将溶液加热至沸腾,使其中的部分溶剂汽化并被移除,从而达到浓缩废水中溶质的目的。用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器
         
        1、蒸发过程的优缺点及其工艺流程
              工业上的蒸发操作是将溶液加热至沸点,使之在沸腾状态下蒸发。工业生产中应用蒸发操作具有以下几种场合。
              ① 浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液在处理(如冷却结晶)制取固体产品,如电解烧碱的浓缩、食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等。
              ② 同时浓缩溶液和回收溶剂,如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯、中药生产中酒精浸出液的蒸发等。
              ③ 为了获得纯净的溶剂,如海水淡化等。
         
             (1)蒸发过程的优缺点
               蒸发操作主要采用饱和水蒸气加热。当溶液的沸点较高时,可以采用其他高温载热体、融盐加热或电加热等。当溶液的黏度较高时,也可以采用烟道气直接加热。蒸发操作中溶液汽化所生产的蒸汽称为二次蒸汽。二次蒸汽必须不断地用冷凝等方法加以移除,否则蒸汽和溶液渐趋平衡,致使蒸发操作无法进行。
               按操作压力,蒸发可分为常压、加压和减压蒸发操作。减压下的蒸发称为真空蒸发。真空蒸发的优点有:
                 ① 在减压下溶液的沸点降低,使蒸发器的传热推动力增大,因而对一定的传热量,可以节省蒸发器的传热面积;
                 ② 蒸发操作的热源可以采用低压蒸汽或废热蒸汽;
                 ③ 适用于处理热敏型溶液,即在高温下易分解、聚合或变质的溶液;
                 ④ 蒸发器的热损失可减少。
            真空蒸发的缺点:
               ① 因溶液的沸点降低,黏度增大,导致总传热系数下降;
                ② 需要有造成减压的装置,并消耗一定的能量。
                很显然,对于热敏性物料,如抗生素溶液、果汁等应在减压小进行,而高黏度物料应采用加压高温热源加热(如导热油、熔盐等)进行蒸发。
         
             (2)蒸发过程的工艺流程
               按效数(蒸汽利用次数)可将蒸发过程分为单效蒸发与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不在利用,称为单效蒸发。若将二次蒸汽作为下一效蒸发的加热用蒸汽,并将多个蒸发器串联,此蒸发过程即为多效蒸发。


               图1所示为单效真空蒸发流程示意图。图中1为蒸发器的加热室。加热蒸汽在加热室的管间冷凝,放出的热量通过管壁传给管内的溶液。被蒸发浓缩后的完成液有蒸发器的底部排出。蒸发式产生的二次蒸汽至冷凝器3与冷却水相混合而被冷凝,冷凝液有冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体经分离器4和缓冲罐5,而后由真空泵抽出排入大气。 
                蒸发器由加热室和分离室(蒸发室)所组成,即蒸发器必须有一定大小的分离室,以便将二次蒸汽所带出的液沫加以分离。这是一个很重要的问题,因为若蒸汽中夹带大量的液体,不仅损失物料,而且可能腐蚀下一效的加热室,影响蒸发操作。至于加热室则和一般的间壁式换热器相似,仅在结构上有些差异。
                蒸发的溶液中含有不挥发的溶质,因此在相同的温度下,溶液的蒸汽压较纯溶剂的低,即在相同压强下,溶液的沸点高于纯溶剂的沸点,故当加热蒸汽温度一定时,蒸发溶液时的传热温度差比蒸发纯溶剂时的为低,溶液的浓度越高,这种差别也越大。
                蒸发的溶液常具有某些特性且随蒸发过程而变化,如某些溶液在蒸发式易结垢或析出结晶;某些热敏性溶液易在高温下分解和变质;某些溶液具有高的黏度和强腐蚀性等。应根据溶液的性质和工艺条件,选择适宜的蒸发方法和设备。
                工业蒸发操作中往往要求蒸发大量的水分,因此需消耗大量的加热蒸汽。如何节约热能,即提高加热蒸汽的利用率,也是应予以考虑的问题。
         
        2、蒸发设备的型式
               常用的蒸发设备种类繁多,结构也各不相同,如自然循环蒸发器、强制循环蒸发器和膜式蒸发器等,但一组蒸发器均由一个加热室(器)和一个分离室(器)两部分组成。多效蒸发器由两个或两个以上蒸发器、热泵、各效进出料泵、真空装置、检测仪表、管道和阀门组成。加热室有多种多样的型式,以适用各种生产工艺的不同要求,但主要由壳体、加热管束、布料装置及附件组成。分离器则主要由壳体、捕沫器及附件组成。蒸发设备的工作压力由工艺确定,一般是根据物料的性质、所能提供的生蒸汽压力和节能要求等,。
               (1)蒸发设备的选型
              不同类型的蒸发器,各有其特点,它们对不同物料的适应性也不相同。要根据蒸发溶液的性质,选用合适的蒸发器。蒸发设备的选型必须根据生产任务考虑以下因素。
                 ① 溶液的黏度  蒸发过程中溶液黏度变化的范围是选型首要考虑的因素。
                 ② 溶液的热稳定性  长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时,应采用滞料量少、停留时间短的蒸发结晶器。
                 ③ 有晶体析出的溶液   蒸发时有晶体析出的溶液应采用外热式蒸发器或强制循环蒸发器。
                 ④ 易发泡的溶液  如中药提取液、化妆品保湿液、含表面活性剂的溶液等,宜采用外热式蒸发器、强制循环蒸发器或升膜蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬筐蒸发器的分离器(分离室)设计大一些,也可用于这种溶液的蒸发。常用的消泡方法是加消泡剂(对物料可能有污染)、机械搅拌破沫等。
                  ⑤ 溶液的腐蚀性  蒸发有腐蚀性的溶液时,加热管应采用特殊材质制成,或内壁衬以耐腐蚀材料。
                  ⑥ 溶液的易结垢性   无论蒸发何种溶液,蒸发器长久使用后,传热面上总会有污垢生产。垢层的热导率小,应考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。
                  ⑦ 溶液的处理量  传热量大于10m2时,不宜采用刮板薄膜蒸发器,传热面在20m2以上时,宜采用多效蒸发操作。
         
                (2)自然循环型蒸发器
                这种类型蒸发器的特点是溶液在蒸发器中循环流动,因此可以提高传热效率。由于引起溶液循环运动的原因不同,有分为自然循环型和强制循环型两类。前者是由溶液受热程度的不同产生密度差而引起的;后者是由于外加机械(泵)迫使溶液沿一定方向流动。
               自然循环型蒸发器的主要类型有:中央循环管式(标准式)蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、列文蒸发器。
                  ① 中央循环管蒸发器的主要优点是:构造简单、紧凑,制造方便,操作可靠,传热效果较好,投资费用较少。其缺点是:清洗和检修较麻烦,溶液的循环速度较低,一般在0.5m/s以下,且因溶液的循环使蒸发器中溶液浓度总是接近于完成液的浓度,黏度较大,溶液的沸点高,传热温度差减小,影响传热效果。中央循环管蒸发器适用于粒度适中、结垢不严重、有少量的结晶析出及腐蚀性不大的场合,在过程工业中应用十分广泛。
                   ②悬筐式蒸发器的特点是热损失较少,便于检修和更换。缺点是结构复杂,单位传热面积的金属耗量较多。它适用于蒸发易结垢或有结晶析出的溶液。
                   ③  外热式蒸发器的特点是把加热器与分离室分开安装,加热室安装在分离室的外面,因此不仅便于清洗和更换,而且还有利于降低蒸发器的总高度。这种蒸发器的加热管较长,而且循环管又没有受到蒸汽的加热,因此溶液的循环速度较大,既有利于提高传热系数,也利于减轻结垢。
                   ④ 列文式蒸发器的优点是可以避免在加热管中析出晶体且能减轻加热管表面上污垢的形成,传热效果也较好,尤其适用于处理有结晶析出的溶液。这种蒸发的缺点是设备庞大,消耗的金属材料较多,需要高大的厂房。此外,由于液柱静压强引起的温度差损失较大,因此要求加热蒸汽的压强较高,以保持一定的传热稳定差。主要适用于有结晶析出的溶液。
         
                (3)强制循环蒸发器
                上述几种蒸发器都属于自然循环蒸发器,即靠加热管与循环管内溶液的密度差作为推动力,导致溶液的循环流动,因此循环速度一般都较低,尤其是在蒸发高粘度、易结垢及有大量结晶析出的溶液时更低。为提高循环速度,可采用由循环泵进行强制循环的强制循环蒸发器。这种蒸发器中溶液的循环是借外力的作用,如用泵迫使溶液沿一定的方向循环流动,循环速度为1.5~5m/s(当悬浮液中晶粒多、所用管材硬度低、液体黏度较大时,选用低值),过高的流速将耗费过多的能量,且增加系统的磨损。
                强制循环蒸发器的优点是传热系数大、抗盐析、抗结垢,使用性能好,易于清洗;缺点是造价高,溶液的停留时间长。为了抑制加热区内的汽化,传入的全部热量是以显然形式从加热区携出,循环液的平均温度较高,从而降低总的有效传热温差。但该蒸发器的动力消耗较大,每平方米的传热面积耗费率约为0.4~0.8kW。
                强制循环蒸发器用于处理黏性、有结晶析出、容易结垢或浓缩程度较高的溶液,它在真空条件下操作的适应性很强。但是采用强制循环方式总是有结垢产生,所以仍需要洗罐,只是清洗的周期比较长。
                循环型蒸发器有一个共同的缺点,即蒸发器内溶液的滞留量大,物料在高温下停留时间长,这对处理热敏性物料时非常不利的。
         
               (4)单程型蒸发器(液膜式蒸发器)
                这一类蒸发器的特点是溶液沿加热管呈膜状流动而进行传热和蒸发,一次通过加热室即达到所需的浓度,可不进行循环,溶液停留时间短,停留时间仅数秒或十几秒。另外,离开加热器的物料又得到及时冷却,因此特别适用于处理热敏性溶液的蒸发;温度差损失较小,表面传热系数较大。但在设计或操作不当时不易成膜,热流量将明显下降,不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
               由于这类蒸发器的加热管上的物料成膜状流动,因此又称膜式蒸发器。根据物料在蒸发器内的流动方向和成膜原因不同,它可分为:升膜时蒸发器、降膜式蒸发器、升-降膜式蒸发器、刮板式搅拌薄膜蒸发器。
         
              (5)、浸没燃烧蒸发器
                浸没燃烧蒸发器,又称为直接接触传热蒸发器,一般将燃料(煤气或油)与空气混合燃烧所产生的高温烟气直接喷入被蒸发的溶液中,以蒸发溶液中的水分。由于气、液两相间温度差很大,而且喷气时产生剧烈的搅动,因此溶液迅速沸腾汽化。蒸发出的水分和废烟气一起由蒸发器的顶部排出。燃烧室在溶液中的浸没深度为200~600mm。燃烧温度可高达1200~1800℃。喷嘴因在高温下使用,较易损坏,应选择适宜的材料,结构上应考虑便于更换。
                浸没燃烧蒸发器的优点是由于直接接触传热,热利用率高;没有固定的传热面,故结构简单。该蒸发器特别适用于处理易结晶、结垢或有腐蚀性的溶液,但不适用于处理热敏性或不能被烟气污染的物料。
         
        3、多效蒸发器的操作流程
                按加料方式不同,常见的多效操作流程(以三效为例)有以下几种。
         
              (1)并流(顺流)加料法的蒸发流程
                由三个蒸发器组成的三效并流加料的蒸发装置流程如图2所示。溶液和蒸汽的流向相同,即均由第一效顺序至末效,故称为并流加料法。生蒸汽通入第一效加热室,蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽,第二效的二次蒸汽有进入第三效的加热室作为加热蒸汽,第三效(末效)的二次蒸汽则送至冷凝器被全部冷凝。原料液进入第一效,浓缩后由底部排出,依次流入第二效和第三效被连续地浓缩,完成液由末效的底部排出。
        图2  并流加料三效蒸发装置流程示意图

               并流加料法的优点是:
                  ① 由于后一效蒸发室的压强比前一效的低,故溶液在效间输送可以利用各效间的压强差,而不必另外用泵。
                  ② 由于后一效溶液的沸点比前一效的低,故前一效的溶液进入后一效时,会因过热而自行蒸发,常称为自然蒸发或闪蒸,因而可产生较多的二次蒸汽。
               并流加料法的缺点是:由于后一效溶液的浓度较前一效的高,且温度由较低,所以沿溶液流动方向其浓度逐效增高,致使传热系数逐渐下降,此种情况在后二效尤为严重。
              并流加料法时最常见的蒸发流程。
         
              (2)、逆流加料法的蒸发流程
                图3为三效逆流加料蒸发流程。原料液由末效进入,用泵依次输送至前一效,完成液由第一效底部排出,而加热蒸汽的流向仍是由第一效顺序至末效。因蒸汽和溶液的流动方向相反,故称为逆流加料法。
        图3 逆流加料法的三效蒸发装置流程示意

                 逆流加料法蒸发流程的主要优点是随着逐效溶液浓度的不断提高,温度也相应升高,因此各效溶液的黏度较为接近,使各效的传热系数也大致相同。其缺点是效间溶液需用泵输送,能量消耗较大,且因各效的进料温度均低于沸点,与并流加料法相比较,产生的二次蒸汽量也较少。
               一般说来,逆流加料法宜用于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液,而不宜于处理热敏性的溶液。
         
                (3)平流加料法
                平流加料法的三效蒸发装置流程如图4所示。原料液分别加入各效中,完成液也分别自各效中排出。蒸汽的流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。例如,某些盐溶液的浓缩,因为有结晶析出,不便于在效间输送,则宜采用平流加料法。
        图4  平流加料法三效蒸发装置流程示意

               多效蒸发装置除以上几种流程外,生产中还可以根据具体情况采用上述基本流程的变型,例如,NaOH水溶液的蒸发,亦有采用并流和逆流相结合的流程。
                此外,在多效蒸发中,有时并不将每一效所产生的二次蒸汽全部引入次一效作为加热蒸汽用,而是将其中一部分引出用于预热原料液或用于其他和蒸发操作无关的传热过程。引出的蒸汽称为额外蒸汽。但末效的二次蒸汽因其压强较低,一般不再引出作为他用,而是全部送入冷凝器。
         

         
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