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              工業廢水處理方法——蒸發濃縮

              文章出處:未知發表時間:2021-07-12 15:39:02

               
                    蒸發是將溶液加熱至沸騰,使其中的部分溶劑汽化并被移除,從而達到濃縮廢水中溶質的目的。用來實現蒸發操作的設備稱為蒸發器。
               
              1、蒸發過程的優缺點及其工藝流程
                    工業上的蒸發操作是將溶液加熱至沸點,使之在沸騰狀態下蒸發。工業生產中應用蒸發操作具有以下幾種場合。
                    ① 濃縮稀溶液直接制取產品或將濃溶液在處理(如冷卻結晶)制取固體產品,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 同時濃縮溶液和回收溶劑,如有機磷農藥苯溶液的濃縮脫苯、中藥生產中酒精浸出液的蒸發等。
                    ③ 為了獲得純凈的溶劑,如海水淡化等。
               
                   (1)蒸發過程的優缺點
                     蒸發操作主要采用飽和水蒸氣加熱。當溶液的沸點較高時,可以采用其他高溫載熱體、融鹽加熱或電加熱等。當溶液的黏度較高時,也可以采用煙道氣直接加熱。蒸發操作中溶液汽化所生產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,致使蒸發操作無法進行。
                     按操作壓力,蒸發可分為常壓、加壓和減壓蒸發操作。減壓下的蒸發稱為真空蒸發。真空蒸發的優點有:
                       ① 在減壓下溶液的沸點降低,使蒸發器的傳熱推動力增大,因而對一定的傳熱量,可以節省蒸發器的傳熱面積;
                       ② 蒸發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、聚合或變質的溶液;
                       ④ 蒸發器的熱損失可減少。
                  真空蒸發的缺點:
                     ① 因溶液的沸點降低,黏度增大,導致總傳熱系數下降;
                      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、果汁等應在減壓小進行,而高黏度物料應采用加壓高溫熱源加熱(如導熱油、熔鹽等)進行蒸發。
               
                   (2)蒸發過程的工藝流程
                     按效數(蒸汽利用次數)可將蒸發過程分為單效蒸發與多效蒸發。若蒸發產生的二次蒸汽直接冷凝不在利用,稱為單效蒸發。若將二次蒸汽作為下一效蒸發的加熱用蒸汽,并將多個蒸發器串聯,此蒸發過程即為多效蒸發。


                     圖1所示為單效真空蒸發流程示意圖。圖中1為蒸發器的加熱室。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的溶液。被蒸發濃縮后的完成液有蒸發器的底部排出。蒸發式產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分離器4和緩沖罐5,而后由真空泵抽出排入大氣。 
                      蒸發器由加熱室和分離室(蒸發室)所組成,即蒸發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。這是一個很重要的問題,因為若蒸汽中夾帶大量的液體,不僅損失物料,而且可能腐蝕下一效的加熱室,影響蒸發操作。至于加熱室則和一般的間壁式換熱器相似,僅在結構上有些差異。
                      蒸發的溶液中含有不揮發的溶質,因此在相同的溫度下,溶液的蒸汽壓較純溶劑的低,即在相同壓強下,溶液的沸點高于純溶劑的沸點,故當加熱蒸汽溫度一定時,蒸發溶液時的傳熱溫度差比蒸發純溶劑時的為低,溶液的濃度越高,這種差別也越大。
                      蒸發的溶液常具有某些特性且隨蒸發過程而變化,如某些溶液在蒸發式易結垢或析出結晶;某些熱敏性溶液易在高溫下分解和變質;某些溶液具有高的黏度和強腐蝕性等。應根據溶液的性質和工藝條件,選擇適宜的蒸發方法和設備。
                      工業蒸發操作中往往要求蒸發大量的水分,因此需消耗大量的加熱蒸汽。如何節約熱能,即提高加熱蒸汽的利用率,也是應予以考慮的問題。
               
              2、蒸發設備的型式
                     常用的蒸發設備種類繁多,結構也各不相同,如自然循環蒸發器、強制循環蒸發器和膜式蒸發器等,但一組蒸發器均由一個加熱室(器)和一個分離室(器)兩部分組成。多效蒸發器由兩個或兩個以上蒸發器、熱泵、各效進出料泵、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。蒸發設備的工作壓力由工藝確定,一般是根據物料的性質、所能提供的生蒸汽壓力和節能要求等,。
                     (1)蒸發設備的選型
                    不同類型的蒸發器,各有其特點,它們對不同物料的適應性也不相同。要根據蒸發溶液的性質,選用合適的蒸發器。蒸發設備的選型必須根據生產任務考慮以下因素。
                       ① 溶液的黏度  蒸發過程中溶液黏度變化的范圍是選型首要考慮的因素。
                       ② 溶液的熱穩定性  長時間受熱易分解、易聚合以及易結垢的溶液蒸發時,應采用滯料量少、停留時間短的蒸發結晶器。
                       ③ 有晶體析出的溶液   蒸發時有晶體析出的溶液應采用外熱式蒸發器或強制循環蒸發器。
                       ④ 易發泡的溶液  如中藥提取液、化妝品保濕液、含表面活性劑的溶液等,宜采用外熱式蒸發器、強制循環蒸發器或升膜蒸發器。若將中央循環管蒸發器和懸筐蒸發器的分離器(分離室)設計大一些,也可用于這種溶液的蒸發。常用的消泡方法是加消泡劑(對物料可能有污染)、機械攪拌破沫等。
                        ⑤ 溶液的腐蝕性  蒸發有腐蝕性的溶液時,加熱管應采用特殊材質制成,或內壁襯以耐腐蝕材料。
                        ⑥ 溶液的易結垢性   無論蒸發何種溶液,蒸發器長久使用后,傳熱面上總會有污垢生產。垢層的熱導率小,應考慮選擇便于清洗和溶液循環速度大的蒸發器。
                        ⑦ 溶液的處理量  傳熱量大于10m2時,不宜采用刮板薄膜蒸發器,傳熱面在20m2以上時,宜采用多效蒸發操作。
               
                      (2)自然循環型蒸發器
                      這種類型蒸發器的特點是溶液在蒸發器中循環流動,因此可以提高傳熱效率。由于引起溶液循環運動的原因不同,有分為自然循環型和強制循環型兩類。前者是由溶液受熱程度的不同產生密度差而引起的;后者是由于外加機械(泵)迫使溶液沿一定方向流動。
                     自然循環型蒸發器的主要類型有:中央循環管式(標準式)蒸發器、懸筐式蒸發器、外熱式蒸發器、列文蒸發器。
                        ① 中央循環管蒸發器的主要優點是:構造簡單、緊湊,制造方便,操作可靠,傳熱效果較好,投資費用較少。其缺點是:清洗和檢修較麻煩,溶液的循環速度較低,一般在0.5m/s以下,且因溶液的循環使蒸發器中溶液濃度總是接近于完成液的濃度,黏度較大,溶液的沸點高,傳熱溫度差減小,影響傳熱效果。中央循環管蒸發器適用于粒度適中、結垢不嚴重、有少量的結晶析出及腐蝕性不大的場合,在過程工業中應用十分廣泛。
                         ②懸筐式蒸發器的特點是熱損失較少,便于檢修和更換。缺點是結構復雜,單位傳熱面積的金屬耗量較多。它適用于蒸發易結垢或有結晶析出的溶液。
                         ③  外熱式蒸發器的特點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器的總高度。這種蒸發器的加熱管較長,而且循環管又沒有受到蒸汽的加熱,因此溶液的循環速度較大,既有利于提高傳熱系數,也利于減輕結垢。
                         ④ 列文式蒸發器的優點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晶析出的溶液。這種蒸發的缺點是設備龐大,消耗的金屬材料較多,需要高大的廠房。此外,由于液柱靜壓強引起的溫度差損失較大,因此要求加熱蒸汽的壓強較高,以保持一定的傳熱穩定差。主要適用于有結晶析出的溶液。
               
                      (3)強制循環蒸發器
                      上述幾種蒸發器都屬于自然循環蒸發器,即靠加熱管與循環管內溶液的密度差作為推動力,導致溶液的循環流動,因此循環速度一般都較低,尤其是在蒸發高粘度、易結垢及有大量結晶析出的溶液時更低。為提高循環速度,可采用由循環泵進行強制循環的強制循環蒸發器。這種蒸發器中溶液的循環是借外力的作用,如用泵迫使溶液沿一定的方向循環流動,循環速度為1.5~5m/s(當懸浮液中晶粒多、所用管材硬度低、液體黏度較大時,選用低值),過高的流速將耗費過多的能量,且增加系統的磨損。
                      強制循環蒸發器的優點是傳熱系數大、抗鹽析、抗結垢,使用性能好,易于清洗;缺點是造價高,溶液的停留時間長。為了抑制加熱區內的汽化,傳入的全部熱量是以顯然形式從加熱區攜出,循環液的平均溫度較高,從而降低總的有效傳熱溫差。但該蒸發器的動力消耗較大,每平方米的傳熱面積耗費率約為0.4~0.8kW。
                      強制循環蒸發器用于處理黏性、有結晶析出、容易結垢或濃縮程度較高的溶液,它在真空條件下操作的適應性很強。但是采用強制循環方式總是有結垢產生,所以仍需要洗罐,只是清洗的周期比較長。
                      循環型蒸發器有一個共同的缺點,即蒸發器內溶液的滯留量大,物料在高溫下停留時間長,這對處理熱敏性物料時非常不利的。
               
                     (4)單程型蒸發器(液膜式蒸發器)
                      這一類蒸發器的特點是溶液沿加熱管呈膜狀流動而進行傳熱和蒸發,一次通過加熱室即達到所需的濃度,可不進行循環,溶液停留時間短,停留時間僅數秒或十幾秒。另外,離開加熱器的物料又得到及時冷卻,因此特別適用于處理熱敏性溶液的蒸發;溫度差損失較小,表面傳熱系數較大。但在設計或操作不當時不易成膜,熱流量將明顯下降,不適用于易結晶、結垢物料的蒸發。
                     由于這類蒸發器的加熱管上的物料成膜狀流動,因此又稱膜式蒸發器。根據物料在蒸發器內的流動方向和成膜原因不同,它可分為:升膜時蒸發器、降膜式蒸發器、升-降膜式蒸發器、刮板式攪拌薄膜蒸發器。
               
                    (5)、浸沒燃燒蒸發器
                      浸沒燃燒蒸發器,又稱為直接接觸傳熱蒸發器,一般將燃料(煤氣或油)與空氣混合燃燒所產生的高溫煙氣直接噴入被蒸發的溶液中,以蒸發溶液中的水分。由于氣、液兩相間溫度差很大,而且噴氣時產生劇烈的攪動,因此溶液迅速沸騰汽化。蒸發出的水分和廢煙氣一起由蒸發器的頂部排出。燃燒室在溶液中的浸沒深度為200~600mm。燃燒溫度可高達1200~1800℃。噴嘴因在高溫下使用,較易損壞,應選擇適宜的材料,結構上應考慮便于更換。
                      浸沒燃燒蒸發器的優點是由于直接接觸傳熱,熱利用率高;沒有固定的傳熱面,故結構簡單。該蒸發器特別適用于處理易結晶、結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)加料法的蒸發流程
                      由三個蒸發器組成的三效并流加料的蒸發裝置流程如圖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,蒸發出的二次蒸汽進入第二效的加熱室作為加熱蒸汽,第二效的二次蒸汽有進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地濃縮,完成液由末效的底部排出。
              圖2  并流加料三效蒸發裝置流程示意圖

                     并流加料法的優點是:
                        ① 由于后一效蒸發室的壓強比前一效的低,故溶液在效間輸送可以利用各效間的壓強差,而不必另外用泵。
                        ② 由于后一效溶液的沸點比前一效的低,故前一效的溶液進入后一效時,會因過熱而自行蒸發,常稱為自然蒸發或閃蒸,因而可產生較多的二次蒸汽。
                     并流加料法的缺點是:由于后一效溶液的濃度較前一效的高,且溫度由較低,所以沿溶液流動方向其濃度逐效增高,致使傳熱系數逐漸下降,此種情況在后二效尤為嚴重。
                    并流加料法時最常見的蒸發流程。
               
                    (2)、逆流加料法的蒸發流程
                      圖3為三效逆流加料蒸發流程。原料液由末效進入,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方向相反,故稱為逆流加料法。
              圖3 逆流加料法的三效蒸發裝置流程示意

                       逆流加料法蒸發流程的主要優點是隨著逐效溶液濃度的不斷提高,溫度也相應升高,因此各效溶液的黏度較為接近,使各效的傳熱系數也大致相同。其缺點是效間溶液需用泵輸送,能量消耗較大,且因各效的進料溫度均低于沸點,與并流加料法相比較,產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過程中伴有結晶析出的溶液。例如,某些鹽溶液的濃縮,因為有結晶析出,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裝置流程示意

                     多效蒸發裝置除以上幾種流程外,生產中還可以根據具體情況采用上述基本流程的變型,例如,NaOH水溶液的蒸發,亦有采用并流和逆流相結合的流程。
                      此外,在多效蒸發中,有時并不將每一效所產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熱原料液或用于其他和蒸發操作無關的傳熱過程。引出的蒸汽稱為額外蒸汽。但末效的二次蒸汽因其壓強較低,一般不再引出作為他用,而是全部送入冷凝器。
               

               
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