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工業(yè)廢水處理方法——蒸發(fā)濃縮

文章出處:未知發(fā)表時(shí)間:2021-07-12 15:39:02

 
      蒸發(fā)是將溶液加熱至沸騰,使其中的部分溶劑汽化并被移除,從而達(dá)到濃縮廢水中溶質(zhì)的目的。用來實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)操作的設(shè)備稱為蒸發(fā)器
 
1、蒸發(fā)過程的優(yōu)缺點(diǎn)及其工藝流程
      工業(yè)上的蒸發(fā)操作是將溶液加熱至沸點(diǎn),使之在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用蒸發(fā)操作具有以下幾種場合。
      ① 濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸谔幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶)制取固體產(chǎn)品,如電解燒堿的濃縮、食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等。
      ② 同時(shí)濃縮溶液和回收溶劑,如有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯、中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等。
      ③ 為了獲得純凈的溶劑,如海水淡化等。
 
     (1)蒸發(fā)過程的優(yōu)缺點(diǎn)
       蒸發(fā)操作主要采用飽和水蒸氣加熱。當(dāng)溶液的沸點(diǎn)較高時(shí),可以采用其他高溫載熱體、融鹽加熱或電加熱等。當(dāng)溶液的黏度較高時(shí),也可以采用煙道氣直接加熱。蒸發(fā)操作中溶液汽化所生產(chǎn)的蒸汽稱為二次蒸汽。二次蒸汽必須不斷地用冷凝等方法加以移除,否則蒸汽和溶液漸趨平衡,致使蒸發(fā)操作無法進(jìn)行。
       按操作壓力,蒸發(fā)可分為常壓、加壓和減壓蒸發(fā)操作。減壓下的蒸發(fā)稱為真空蒸發(fā)。真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)有:
         ① 在減壓下溶液的沸點(diǎn)降低,使蒸發(fā)器的傳熱推動(dòng)力增大,因而對一定的傳熱量,可以節(jié)省蒸發(fā)器的傳熱面積;
         ② 蒸發(fā)操作的熱源可以采用低壓蒸汽或廢熱蒸汽;
         ③ 適用于處理熱敏型溶液,即在高溫下易分解、聚合或變質(zhì)的溶液;
         ④ 蒸發(fā)器的熱損失可減少。
    真空蒸發(fā)的缺點(diǎn):
       ① 因溶液的沸點(diǎn)降低,黏度增大,導(dǎo)致總傳熱系數(shù)下降;
        ② 需要有造成減壓的裝置,并消耗一定的能量。
        很顯然,對于熱敏性物料,如抗生素溶液、果汁等應(yīng)在減壓小進(jìn)行,而高黏度物料應(yīng)采用加壓高溫?zé)嵩醇訜幔ㄈ鐚?dǎo)熱油、熔鹽等)進(jìn)行蒸發(fā)。
 
     (2)蒸發(fā)過程的工藝流程
       按效數(shù)(蒸汽利用次數(shù))可將蒸發(fā)過程分為單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)。若蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝不在利用,稱為單效蒸發(fā)。若將二次蒸汽作為下一效蒸發(fā)的加熱用蒸汽,并將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián),此蒸發(fā)過程即為多效蒸發(fā)。


       圖1所示為單效真空蒸發(fā)流程示意圖。圖中1為蒸發(fā)器的加熱室。加熱蒸汽在加熱室的管間冷凝,放出的熱量通過管壁傳給管內(nèi)的溶液。被蒸發(fā)濃縮后的完成液有蒸發(fā)器的底部排出。蒸發(fā)式產(chǎn)生的二次蒸汽至冷凝器3與冷卻水相混合而被冷凝,冷凝液有冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性氣體經(jīng)分離器4和緩沖罐5,而后由真空泵抽出排入大氣。 
        蒸發(fā)器由加熱室和分離室(蒸發(fā)室)所組成,即蒸發(fā)器必須有一定大小的分離室,以便將二次蒸汽所帶出的液沫加以分離。這是一個(gè)很重要的問題,因?yàn)槿粽羝袏A帶大量的液體,不僅損失物料,而且可能腐蝕下一效的加熱室,影響蒸發(fā)操作。至于加熱室則和一般的間壁式換熱器相似,僅在結(jié)構(gòu)上有些差異。
        蒸發(fā)的溶液中含有不揮發(fā)的溶質(zhì),因此在相同的溫度下,溶液的蒸汽壓較純?nèi)軇┑牡?,即在相同壓?qiáng)下,溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn),故當(dāng)加熱蒸汽溫度一定時(shí),蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫度差比蒸發(fā)純?nèi)軇r(shí)的為低,溶液的濃度越高,這種差別也越大。
        蒸發(fā)的溶液常具有某些特性且隨蒸發(fā)過程而變化,如某些溶液在蒸發(fā)式易結(jié)垢或析出結(jié)晶;某些熱敏性溶液易在高溫下分解和變質(zhì);某些溶液具有高的黏度和強(qiáng)腐蝕性等。應(yīng)根據(jù)溶液的性質(zhì)和工藝條件,選擇適宜的蒸發(fā)方法和設(shè)備。
        工業(yè)蒸發(fā)操作中往往要求蒸發(fā)大量的水分,因此需消耗大量的加熱蒸汽。如何節(jié)約熱能,即提高加熱蒸汽的利用率,也是應(yīng)予以考慮的問題。
 
2、蒸發(fā)設(shè)備的型式
       常用的蒸發(fā)設(shè)備種類繁多,結(jié)構(gòu)也各不相同,如自然循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器和膜式蒸發(fā)器等,但一組蒸發(fā)器均由一個(gè)加熱室(器)和一個(gè)分離室(器)兩部分組成。多效蒸發(fā)器由兩個(gè)或兩個(gè)以上蒸發(fā)器、熱泵、各效進(jìn)出料泵、真空裝置、檢測儀表、管道和閥門組成。加熱室有多種多樣的型式,以適用各種生產(chǎn)工藝的不同要求,但主要由殼體、加熱管束、布料裝置及附件組成。分離器則主要由殼體、捕沫器及附件組成。蒸發(fā)設(shè)備的工作壓力由工藝確定,一般是根據(jù)物料的性質(zhì)、所能提供的生蒸汽壓力和節(jié)能要求等,。
       (1)蒸發(fā)設(shè)備的選型
      不同類型的蒸發(fā)器,各有其特點(diǎn),它們對不同物料的適應(yīng)性也不相同。要根據(jù)蒸發(fā)溶液的性質(zhì),選用合適的蒸發(fā)器。蒸發(fā)設(shè)備的選型必須根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)考慮以下因素。
         ① 溶液的黏度  蒸發(fā)過程中溶液黏度變化的范圍是選型首要考慮的因素。
         ② 溶液的熱穩(wěn)定性  長時(shí)間受熱易分解、易聚合以及易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)時(shí),應(yīng)采用滯料量少、停留時(shí)間短的蒸發(fā)結(jié)晶器。
         ③ 有晶體析出的溶液   蒸發(fā)時(shí)有晶體析出的溶液應(yīng)采用外熱式蒸發(fā)器或強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。
         ④ 易發(fā)泡的溶液  如中藥提取液、化妝品保濕液、含表面活性劑的溶液等,宜采用外熱式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器或升膜蒸發(fā)器。若將中央循環(huán)管蒸發(fā)器和懸筐蒸發(fā)器的分離器(分離室)設(shè)計(jì)大一些,也可用于這種溶液的蒸發(fā)。常用的消泡方法是加消泡劑(對物料可能有污染)、機(jī)械攪拌破沫等。
          ⑤ 溶液的腐蝕性  蒸發(fā)有腐蝕性的溶液時(shí),加熱管應(yīng)采用特殊材質(zhì)制成,或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。
          ⑥ 溶液的易結(jié)垢性   無論蒸發(fā)何種溶液,蒸發(fā)器長久使用后,傳熱面上總會(huì)有污垢生產(chǎn)。垢層的熱導(dǎo)率小,應(yīng)考慮選擇便于清洗和溶液循環(huán)速度大的蒸發(fā)器。
          ⑦ 溶液的處理量  傳熱量大于10m2時(shí),不宜采用刮板薄膜蒸發(fā)器,傳熱面在20m2以上時(shí),宜采用多效蒸發(fā)操作。
 
        (2)自然循環(huán)型蒸發(fā)器
        這種類型蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng),因此可以提高傳熱效率。由于引起溶液循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同,有分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。前者是由溶液受熱程度的不同產(chǎn)生密度差而引起的;后者是由于外加機(jī)械(泵)迫使溶液沿一定方向流動(dòng)。
       自然循環(huán)型蒸發(fā)器的主要類型有:中央循環(huán)管式(標(biāo)準(zhǔn)式)蒸發(fā)器、懸筐式蒸發(fā)器、外熱式蒸發(fā)器、列文蒸發(fā)器。
          ① 中央循環(huán)管蒸發(fā)器的主要優(yōu)點(diǎn)是:構(gòu)造簡單、緊湊,制造方便,操作可靠,傳熱效果較好,投資費(fèi)用較少。其缺點(diǎn)是:清洗和檢修較麻煩,溶液的循環(huán)速度較低,一般在0.5m/s以下,且因溶液的循環(huán)使蒸發(fā)器中溶液濃度總是接近于完成液的濃度,黏度較大,溶液的沸點(diǎn)高,傳熱溫度差減小,影響傳熱效果。中央循環(huán)管蒸發(fā)器適用于粒度適中、結(jié)垢不嚴(yán)重、有少量的結(jié)晶析出及腐蝕性不大的場合,在過程工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。
           ②懸筐式蒸發(fā)器的特點(diǎn)是熱損失較少,便于檢修和更換。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單位傳熱面積的金屬耗量較多。它適用于蒸發(fā)易結(jié)垢或有結(jié)晶析出的溶液。
           ③  外熱式蒸發(fā)器的特點(diǎn)是把加熱器與分離室分開安裝,加熱室安裝在分離室的外面,因此不僅便于清洗和更換,而且還有利于降低蒸發(fā)器的總高度。這種蒸發(fā)器的加熱管較長,而且循環(huán)管又沒有受到蒸汽的加熱,因此溶液的循環(huán)速度較大,既有利于提高傳熱系數(shù),也利于減輕結(jié)垢。
           ④ 列文式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是可以避免在加熱管中析出晶體且能減輕加熱管表面上污垢的形成,傳熱效果也較好,尤其適用于處理有結(jié)晶析出的溶液。這種蒸發(fā)的缺點(diǎn)是設(shè)備龐大,消耗的金屬材料較多,需要高大的廠房。此外,由于液柱靜壓強(qiáng)引起的溫度差損失較大,因此要求加熱蒸汽的壓強(qiáng)較高,以保持一定的傳熱穩(wěn)定差。主要適用于有結(jié)晶析出的溶液。
 
        (3)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器
        上述幾種蒸發(fā)器都屬于自然循環(huán)蒸發(fā)器,即靠加熱管與循環(huán)管內(nèi)溶液的密度差作為推動(dòng)力,導(dǎo)致溶液的循環(huán)流動(dòng),因此循環(huán)速度一般都較低,尤其是在蒸發(fā)高粘度、易結(jié)垢及有大量結(jié)晶析出的溶液時(shí)更低。為提高循環(huán)速度,可采用由循環(huán)泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)的強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器中溶液的循環(huán)是借外力的作用,如用泵迫使溶液沿一定的方向循環(huán)流動(dòng),循環(huán)速度為1.5~5m/s(當(dāng)懸浮液中晶粒多、所用管材硬度低、液體黏度較大時(shí),選用低值),過高的流速將耗費(fèi)過多的能量,且增加系統(tǒng)的磨損。
        強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)大、抗鹽析、抗結(jié)垢,使用性能好,易于清洗;缺點(diǎn)是造價(jià)高,溶液的停留時(shí)間長。為了抑制加熱區(qū)內(nèi)的汽化,傳入的全部熱量是以顯然形式從加熱區(qū)攜出,循環(huán)液的平均溫度較高,從而降低總的有效傳熱溫差。但該蒸發(fā)器的動(dòng)力消耗較大,每平方米的傳熱面積耗費(fèi)率約為0.4~0.8kW。
        強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器用于處理黏性、有結(jié)晶析出、容易結(jié)垢或濃縮程度較高的溶液,它在真空條件下操作的適應(yīng)性很強(qiáng)。但是采用強(qiáng)制循環(huán)方式總是有結(jié)垢產(chǎn)生,所以仍需要洗罐,只是清洗的周期比較長。
        循環(huán)型蒸發(fā)器有一個(gè)共同的缺點(diǎn),即蒸發(fā)器內(nèi)溶液的滯留量大,物料在高溫下停留時(shí)間長,這對處理熱敏性物料時(shí)非常不利的。
 
       (4)單程型蒸發(fā)器(液膜式蒸發(fā)器)
        這一類蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液沿加熱管呈膜狀流動(dòng)而進(jìn)行傳熱和蒸發(fā),一次通過加熱室即達(dá)到所需的濃度,可不進(jìn)行循環(huán),溶液停留時(shí)間短,停留時(shí)間僅數(shù)秒或十幾秒。另外,離開加熱器的物料又得到及時(shí)冷卻,因此特別適用于處理熱敏性溶液的蒸發(fā);溫度差損失較小,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。但在設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)不易成膜,熱流量將明顯下降,不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。
       由于這類蒸發(fā)器的加熱管上的物料成膜狀流動(dòng),因此又稱膜式蒸發(fā)器。根據(jù)物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)方向和成膜原因不同,它可分為:升膜時(shí)蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、升-降膜式蒸發(fā)器、刮板式攪拌薄膜蒸發(fā)器。
 
      (5)、浸沒燃燒蒸發(fā)器
        浸沒燃燒蒸發(fā)器,又稱為直接接觸傳熱蒸發(fā)器,一般將燃料(煤氣或油)與空氣混合燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯訃娙氡徽舭l(fā)的溶液中,以蒸發(fā)溶液中的水分。由于氣、液兩相間溫度差很大,而且噴氣時(shí)產(chǎn)生劇烈的攪動(dòng),因此溶液迅速沸騰汽化。蒸發(fā)出的水分和廢煙氣一起由蒸發(fā)器的頂部排出。燃燒室在溶液中的浸沒深度為200~600mm。燃燒溫度可高達(dá)1200~1800℃。噴嘴因在高溫下使用,較易損壞,應(yīng)選擇適宜的材料,結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮便于更換。
        浸沒燃燒蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是由于直接接觸傳熱,熱利用率高;沒有固定的傳熱面,故結(jié)構(gòu)簡單。該蒸發(fā)器特別適用于處理易結(jié)晶、結(jié)垢或有腐蝕性的溶液,但不適用于處理熱敏性或不能被煙氣污染的物料。
 
3、多效蒸發(fā)器的操作流程
        按加料方式不同,常見的多效操作流程(以三效為例)有以下幾種。
 
      (1)并流(順流)加料法的蒸發(fā)流程
        由三個(gè)蒸發(fā)器組成的三效并流加料的蒸發(fā)裝置流程如圖2所示。溶液和蒸汽的流向相同,即均由第一效順序至末效,故稱為并流加料法。生蒸汽通入第一效加熱室,蒸發(fā)出的二次蒸汽進(jìn)入第二效的加熱室作為加熱蒸汽,第二效的二次蒸汽有進(jìn)入第三效的加熱室作為加熱蒸汽,第三效(末效)的二次蒸汽則送至冷凝器被全部冷凝。原料液進(jìn)入第一效,濃縮后由底部排出,依次流入第二效和第三效被連續(xù)地濃縮,完成液由末效的底部排出。
圖2  并流加料三效蒸發(fā)裝置流程示意圖

       并流加料法的優(yōu)點(diǎn)是:
          ① 由于后一效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)比前一效的低,故溶液在效間輸送可以利用各效間的壓強(qiáng)差,而不必另外用泵。
          ② 由于后一效溶液的沸點(diǎn)比前一效的低,故前一效的溶液進(jìn)入后一效時(shí),會(huì)因過熱而自行蒸發(fā),常稱為自然蒸發(fā)或閃蒸,因而可產(chǎn)生較多的二次蒸汽。
       并流加料法的缺點(diǎn)是:由于后一效溶液的濃度較前一效的高,且溫度由較低,所以沿溶液流動(dòng)方向其濃度逐效增高,致使傳熱系數(shù)逐漸下降,此種情況在后二效尤為嚴(yán)重。
      并流加料法時(shí)最常見的蒸發(fā)流程。
 
      (2)、逆流加料法的蒸發(fā)流程
        圖3為三效逆流加料蒸發(fā)流程。原料液由末效進(jìn)入,用泵依次輸送至前一效,完成液由第一效底部排出,而加熱蒸汽的流向仍是由第一效順序至末效。因蒸汽和溶液的流動(dòng)方向相反,故稱為逆流加料法。
圖3 逆流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意

         逆流加料法蒸發(fā)流程的主要優(yōu)點(diǎn)是隨著逐效溶液濃度的不斷提高,溫度也相應(yīng)升高,因此各效溶液的黏度較為接近,使各效的傳熱系數(shù)也大致相同。其缺點(diǎn)是效間溶液需用泵輸送,能量消耗較大,且因各效的進(jìn)料溫度均低于沸點(diǎn),與并流加料法相比較,產(chǎn)生的二次蒸汽量也較少。
       一般說來,逆流加料法宜用于處理黏度隨溫度和濃度變化較大的溶液,而不宜于處理熱敏性的溶液。
 
        (3)平流加料法
        平流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程如圖4所示。原料液分別加入各效中,完成液也分別自各效中排出。蒸汽的流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。例如,某些鹽溶液的濃縮,因?yàn)橛薪Y(jié)晶析出,不便于在效間輸送,則宜采用平流加料法。
圖4  平流加料法三效蒸發(fā)裝置流程示意

       多效蒸發(fā)裝置除以上幾種流程外,生產(chǎn)中還可以根據(jù)具體情況采用上述基本流程的變型,例如,NaOH水溶液的蒸發(fā),亦有采用并流和逆流相結(jié)合的流程。
        此外,在多效蒸發(fā)中,有時(shí)并不將每一效所產(chǎn)生的二次蒸汽全部引入次一效作為加熱蒸汽用,而是將其中一部分引出用于預(yù)熱原料液或用于其他和蒸發(fā)操作無關(guān)的傳熱過程。引出的蒸汽稱為額外蒸汽。但末效的二次蒸汽因其壓強(qiáng)較低,一般不再引出作為他用,而是全部送入冷凝器。