MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

水處理網(wǎng)訊:摘要：利用蒸發(fā)法處理工業(yè)廢水，能夠?qū)崿F(xiàn)廢水的資源化利用。本文針對(duì)不同類(lèi)型蒸發(fā)器適用范圍受限問(wèn)題，將降膜式蒸發(fā)器與強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器聯(lián)用，提出了機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的工藝循環(huán)流程并建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)該系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量和能量衡算，并對(duì)模型的可行性進(jìn)行核算。隨后建立系統(tǒng)性能的㶲分析模型，對(duì)常壓下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鈉溶液蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并將其與傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)行比較。通過(guò)綜合能量分析與㶲分析，MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的節(jié)能程度更大，其效能系數(shù)（COP）值為21.4，相同工況下高于傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)82.2%，而單位能耗僅為傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的17.6%；其㶲效率高于傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)51.5%，㶲損失則低于傳統(tǒng)三效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)24.7%，這表明MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)熱力學(xué)完善程度更高，在節(jié)能方面有較大的推廣應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：廢水;機(jī)械蒸汽再壓縮;雙效蒸發(fā);結(jié)晶;平衡;性能分析;㶲

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2017年全球工業(yè)廢水處理行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為3680億元，龐大的工業(yè)廢水處理市場(chǎng)促使眾多處理技術(shù)得到發(fā)展，其中蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行深度處理的同時(shí)能夠回收得到工業(yè)生產(chǎn)用的原材料，實(shí)現(xiàn)了廢水資源化利用。對(duì)高效且節(jié)能的廢水蒸發(fā)結(jié)晶處理技術(shù)進(jìn)行分析研究，能夠帶來(lái)明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2,3,4]。

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)通過(guò)消耗少量電能，最大程度回收利用二次蒸汽的熱量，高效且節(jié)能，是目前最先進(jìn)的蒸發(fā)濃縮技術(shù)之一[5,6,7]。單效MVR系統(tǒng)是基于MVR技術(shù)的系統(tǒng)中形式最簡(jiǎn)單的，其在海水淡化領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用[8,9,10,11]，部分研究也針對(duì)其他含鹽溶液，如石成君等[12]以硫酸鈉溶液為工質(zhì)對(duì)提出的單效MVR降膜蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，在此基礎(chǔ)上加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[13]，與常規(guī)單效蒸發(fā)系統(tǒng)相比節(jié)能節(jié)水效果明顯；王漢治等[14]針對(duì)高濃度氯化鈉溶液提出噴氣增焓型單級(jí)MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)運(yùn)行性能，有較高的效能系數(shù)（COP）值；Ai 等[15]針對(duì)空調(diào)行業(yè)防凍液（氯化鈉溶液）再生處理，經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)分析證明MVR系統(tǒng)與傳統(tǒng)單效和三效蒸發(fā)系統(tǒng)相比的節(jié)能率大幅提高。為進(jìn)一步提高節(jié)能效果，將MVR技術(shù)與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)工藝相結(jié)合的處理系統(tǒng)被提出，Nafey等[16]將MVR技術(shù)與多效蒸發(fā)結(jié)合進(jìn)行海水淡化處理，通過(guò)計(jì)算㶲和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型分析系統(tǒng)性能，對(duì)比得到兩效時(shí)系統(tǒng)性能最優(yōu)；Jamil等[17]在此基礎(chǔ)上對(duì)降膜蒸發(fā)器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)并將泵的功耗考慮在內(nèi)建立同一系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了效數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；高磊等[18]提出多效蒸發(fā)與MVR技術(shù)結(jié)合的廢堿液回收系統(tǒng)，計(jì)算了不同效數(shù)下系統(tǒng)的熱力性能并與蒸汽動(dòng)力壓縮式（TVR）系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，MVR系統(tǒng)的理論COP值均高于20；劉軍等[19]設(shè)計(jì)了夾套式MVR蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明兩臺(tái)蒸發(fā)器在少量補(bǔ)熱的情況下同時(shí)使用，節(jié)能效果十分顯著。對(duì)以MVR技術(shù)為支撐的蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的研究，但將濃縮后的結(jié)晶過(guò)程與蒸發(fā)過(guò)程作為整體的研究較少，在結(jié)合傳統(tǒng)閃蒸結(jié)晶方面，梁林等[20,21]針對(duì)硫酸氨溶液將MVR技術(shù)與多效閃蒸結(jié)合設(shè)計(jì)了兩效MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)模擬及工廠實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證證明其性能比單級(jí)MVR系統(tǒng)及三效蒸發(fā)系統(tǒng)更好。在結(jié)合多效蒸發(fā)方面，大多研究系統(tǒng)中只涉及一種類(lèi)型蒸發(fā)器，以降膜蒸發(fā)器居多，其傳熱溫差較大、蒸汽耗量低，可用于蒸發(fā)高濃度溶液，但不適用于易結(jié)晶的物料，而強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器可以彌補(bǔ)降膜蒸發(fā)器的短板，在借助外力提供動(dòng)力的條件下適用于鹽等其他結(jié)晶物質(zhì)[22,23,24]。除蒸發(fā)器類(lèi)型外，蒸發(fā)器的連接方式多為串聯(lián)且目標(biāo)系統(tǒng)規(guī)模較小，并聯(lián)方式和大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)鮮少研究；對(duì)于采用MVR技術(shù)處理工業(yè)廢水，系統(tǒng)復(fù)雜且生產(chǎn)處理規(guī)模較大，不同的系統(tǒng)組成和流程也是系統(tǒng)本身的特點(diǎn)。能量分析是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的基本方法，而在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的㶲分析法，能夠量化系統(tǒng)或設(shè)備不可逆損失的大小，是評(píng)價(jià)系統(tǒng)節(jié)能、熱力學(xué)完善程度的有力工具?，F(xiàn)有對(duì)MVR技術(shù)進(jìn)行㶲分析的研究，多集中在可以看作理想溶液的海水[25,26,27]等低濃度物料上，對(duì)溶質(zhì)含量較高的實(shí)際廢水溶液的研究相對(duì)較少。

基于此，提出將降膜蒸發(fā)器與強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器聯(lián)用的MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，對(duì)含鹽工業(yè)廢水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶回收利用，同時(shí)采用能量分析與㶲分析結(jié)合的方法對(duì)該系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 系統(tǒng)工藝流程及熱力學(xué)原理

MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)流程如圖1所示，具體工藝流程為：原料液經(jīng)預(yù)熱器②與從兩個(gè)蒸發(fā)器中出來(lái)的高溫蒸汽冷凝水進(jìn)行換熱，達(dá)到設(shè)定蒸發(fā)溫度后進(jìn)入降膜蒸發(fā)器③，在熱源蒸汽作用下沸騰換熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的飽和濃溶液進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器④、⑤進(jìn)行過(guò)飽和蒸發(fā)，產(chǎn)生的晶漿通入結(jié)晶分離器⑧，分離后晶體通入儲(chǔ)存罐⑨，飽和溶液則通過(guò)循環(huán)泵⑫回到強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)一步蒸發(fā)至達(dá)到結(jié)晶出料量，剩余飽和溶液可以通過(guò)卸液閥排出；兩個(gè)蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽先通入氣液分離器⑥，將氣體中夾雜的液滴去除后進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)⑦，壓縮后產(chǎn)生高溫高壓過(guò)熱蒸汽，通過(guò)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行噴水處理至飽和狀態(tài)作為蒸發(fā)料液所需的熱源蒸汽，分別通入兩個(gè)蒸發(fā)器；蒸汽換熱形成的冷凝水通過(guò)冷凝水泵⑪進(jìn)入凝水罐①。系統(tǒng)中新鮮蒸氣僅在系統(tǒng)啟動(dòng)階段或運(yùn)行中熱量損失過(guò)多時(shí)使用。

圖1MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)流程

①凝水箱；②預(yù)熱器；③降膜蒸發(fā)器；④強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)加熱室；⑤強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室；⑥氣液分離器；⑦蒸汽壓縮機(jī)；⑧結(jié)晶分離器；⑨晶體儲(chǔ)存罐；⑩原料液泵；⑪凝水泵；⑫循環(huán)泵

系統(tǒng)中涉及能量變化的主要MVR技術(shù)部分的熱力學(xué)原理如圖2所示，狀態(tài)變化過(guò)程與壓縮式制冷循環(huán)近似。1-2為蒸發(fā)器中溶劑水的變化過(guò)程，原料液沸騰換熱蒸發(fā)，水由飽和液態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和氣態(tài)；4-5為蒸發(fā)器中熱源蒸汽的變化過(guò)程，飽和蒸汽換熱凝結(jié)，水蒸氣由飽和氣態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和液態(tài)。3'點(diǎn)是理想狀態(tài)下壓縮機(jī)等熵壓縮的出口蒸汽狀態(tài)點(diǎn)，而實(shí)際為不可逆過(guò)程，出口蒸汽將有更高的過(guò)熱度為3點(diǎn)；4點(diǎn)是經(jīng)噴水消除過(guò)熱度后的飽和蒸汽狀態(tài)點(diǎn)。0-1和5-6分別表示原料液和冷凝水在預(yù)熱器中的換熱過(guò)程。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

MVR并聯(lián)雙效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的主要設(shè)備為降膜蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器、預(yù)熱器和蒸氣壓縮機(jī)。系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中有以下幾點(diǎn)假設(shè)：①系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，蒸發(fā)溫度、進(jìn)料濃度和溫度保持不變，產(chǎn)生的蒸汽中不含物料；②忽略可能產(chǎn)生的不凝氣體對(duì)換熱的影響；③設(shè)備的熱損失、管道的熱泄漏和壓降可以忽略；④系統(tǒng)中的冷凝水為飽和狀態(tài)。

2.1 降膜蒸發(fā)器

由溶質(zhì)的質(zhì)量平衡關(guān)系式可得降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)量W1[式(1)]，蒸發(fā)利用的熱量為潛熱，而蒸汽潛熱隨壓強(qiáng)的變化不大，則蒸汽耗量D1與蒸發(fā)量基本相同，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取一定的富余系數(shù)，在此取汽水比為1.1[式(2)]；降膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為1200～3500W/(m2·℃)[24]，設(shè)計(jì)過(guò)程中K1取為1200W/(m2·℃)[式(3)]。蒸發(fā)器中兩流體均有相變，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱為恒溫傳熱，而隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，溶液濃度不斷升高，溶液的沸點(diǎn)也隨之升高，有效傳熱溫差Δt1取飽和壓縮蒸汽溫度與蒸發(fā)器出口溶液沸點(diǎn)之差[式(4)]，溶液沸點(diǎn)升計(jì)算如下。

任一壓力下溶液的沸點(diǎn)升Δ可用式(5)近似計(jì)算。

式中，Δ0為常壓下的溶液的沸點(diǎn)升；f為校正系數(shù)。

由工程手冊(cè)查得常壓下硫酸鈉溶液的沸點(diǎn)，擬合結(jié)果為式(6)。

其中，w為指定溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。校正系數(shù)f由式(7)可得。

式中，T為指定工況下飽和水蒸氣的溫度；r為指定工況下水的汽化潛熱。蒸發(fā)器出口溶液沸點(diǎn)即為蒸發(fā)溫度與沸點(diǎn)升之和，由此可得蒸發(fā)器換熱面積S1。

將以上計(jì)算結(jié)果與查得的蒸汽焓值代入能量平衡關(guān)系式(8)可計(jì)算二次蒸汽產(chǎn)量D2。

二次蒸汽溫度理論上與溶液出口溫度相同，冷凝水溫度即為飽和熱源蒸汽溫度。溶液的比熱容需要綜合硫酸鈉固體和水的比熱容，c2與c1算法相同，不同之處僅在于濃度[式(9)]。

2.2 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器

強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的進(jìn)料量F2[式(10)]除了降膜蒸發(fā)器流出部分F1外，還包含從晶體分離器中分離出來(lái)的飽和溶液Fx，其中涉及的晶漿流量Fm和晶體流量Fcr在分離器的計(jì)算部分詳細(xì)給出。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為1200～7000W/(m2·℃)[24]，設(shè)計(jì)過(guò)程中K2取為1200W/(m2·℃)[式(11)、式(12)]。溶液在強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器中停留時(shí)間短，沸點(diǎn)變化可以忽略，其換熱過(guò)程即為降膜蒸發(fā)器出口溶液溫度下的恒溫?fù)Q熱，因此Δt2=Δt1。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器單位加熱面積的功率消耗經(jīng)驗(yàn)值為0.4～0.8kW[24]，設(shè)計(jì)過(guò)程中選取0.6kW進(jìn)行計(jì)算。類(lèi)似于降膜蒸發(fā)器，建立能量平衡式計(jì)算二次蒸汽的產(chǎn)生量D4[式(13)、式(14)]。

溶質(zhì)結(jié)晶過(guò)程放出的結(jié)晶熱，在結(jié)晶完成后將通過(guò)擴(kuò)散作用傳遞給溶液，最終被溶液吸收，而溶液蒸發(fā)需要吸收大量蒸汽熱，與蒸汽熱相比，結(jié)晶熱僅占3.4%，所以計(jì)算中不作考慮。

2.3 預(yù)熱器

根據(jù)傳熱過(guò)程的3個(gè)基本方程[式(15)～式(17)]可對(duì)預(yù)熱器進(jìn)行計(jì)算。

式中部分參數(shù)可用式(18)、式(19)計(jì)算。

理論上不計(jì)熱損失產(chǎn)生的蒸汽冷凝水量可以達(dá)到蒸汽消耗量，全部用于預(yù)熱原料液。板式換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍為3000～5000W/(m2·℃)[24]，設(shè)計(jì)過(guò)程中取值3000W/(m2·℃)，由于采用逆流式換熱，所以有效傳熱溫差取對(duì)數(shù)傳熱溫差。計(jì)算可得到預(yù)熱器的換熱量Q0、換熱面積S0及低溫冷凝水溫度tp，也即壓縮機(jī)出口噴水溫度。

2.4 蒸氣壓縮機(jī)

將二次蒸汽的實(shí)際壓縮過(guò)程看作是多變過(guò)程，其中多變效率ηn是設(shè)備本身的一個(gè)性能指標(biāo)，一般范圍為0.70～0.84[30]，設(shè)計(jì)過(guò)程中取值0.7。當(dāng)蒸氣壓縮機(jī)飽和溫升確定時(shí)，先根據(jù)飽和狀態(tài)確定出口壓力pout，再根據(jù)蒸汽進(jìn)口參數(shù)計(jì)算確定出口過(guò)熱蒸汽的溫度等其他狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)能量守恒可得進(jìn)行飽和處理所需的噴水量qp。見(jiàn)式(20)～式(24)。

2.5 分離器

氣液分離器是防止物料液滴損壞壓縮機(jī)的重要設(shè)備，本系統(tǒng)選用離心式氣液分離器，依據(jù)氣液密度不同實(shí)現(xiàn)分離。分離體積強(qiáng)度U即分離器內(nèi)每立方米體積每秒可分離出的二次蒸汽量，設(shè)計(jì)過(guò)程中取值1.1m3/(m3·s)。見(jiàn)式(25)～式(27)。

結(jié)晶分離器選用生產(chǎn)能力大、能耗低的螺旋篩網(wǎng)離心機(jī)。理想狀態(tài)下除去少量循環(huán)飽和溶液中的溶質(zhì)，剩余均以晶體的形式析出。

為驗(yàn)證模型的可行性和準(zhǔn)確性，通過(guò)文獻(xiàn)[29]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證，模型計(jì)算結(jié)果和對(duì)比情況見(jiàn)表1。從表中可以看出，在相同給定參數(shù)的條件下，換熱面積和換熱量誤差均在較小的范圍內(nèi)，而壓縮機(jī)耗功誤差較大，原因在于實(shí)驗(yàn)室搭建系統(tǒng)本身為小型系統(tǒng)，散熱損失較多，實(shí)際工作中壓縮機(jī)工作效率低，只有理論設(shè)計(jì)的30%左右[29]。由此可見(jiàn)，建立的計(jì)算模型能夠在一定的誤差范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)中主要的蒸發(fā)濃縮部分進(jìn)行模擬。

3 系統(tǒng)㶲方程建立

開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流工質(zhì)的總能量包括焓、動(dòng)能和位能，其中動(dòng)能和位能屬于機(jī)械能，本身便是㶲，為確定流動(dòng)工質(zhì)的焓㶲，不考慮工質(zhì)動(dòng)能、位能及其變化。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)某一物流來(lái)說(shuō)，其㶲值一般由物理㶲和化學(xué)㶲組成，計(jì)算時(shí)先求得比㶲e，比㶲與流量之積即為㶲值E。

3.1 物流㶲分析模型

對(duì)于氣體流，計(jì)算時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)的氣體均看作理想氣體，計(jì)算模型見(jiàn)式(28)。

其焓值與熵值通過(guò)查表易得。

對(duì)于溶液流，區(qū)別于大多數(shù)研究將物料簡(jiǎn)化為理想溶液，將硫酸鈉廢水視為實(shí)際溶液，所以㶲值計(jì)算需要綜合考慮硫酸鈉固體和水的性質(zhì)[16,21]。其中溶液的物理㶲計(jì)算見(jiàn)式(29)[14]。

溶液的化學(xué)㶲計(jì)算見(jiàn)式(30)[14]。

則溶液物流㶲為兩者之和［式(31)］。

對(duì)于晶漿流，因?yàn)?em>㶲具有可加性，所以其㶲值可表示為溶液㶲與晶體㶲之和，晶體㶲的計(jì)算按照相平衡為式(32)。

式中，ν為總離子個(gè)數(shù)；α為飽和溶液活度；α'為環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)活度；T'為環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)溫度?；疃扔?jì)算式表示為式(33)。

式中，γ是平均活度系數(shù)，可通過(guò)Pitzer普遍方程進(jìn)行求解，見(jiàn)式(34)。

式中，Zm、Zx分別表示陽(yáng)離子和陰離子所帶的電荷數(shù)；νm、νx分別表示電解質(zhì)在溶液中電離出的陽(yáng)離子和陰離子的個(gè)數(shù)，兩者之和為總離子個(gè)數(shù)。部分參數(shù)見(jiàn)式(35)～式(37)，其中涉及的Pitzer參數(shù)查閱[31]得。

3.2 㶲平衡與㶲效率

系統(tǒng)㶲平衡關(guān)系如圖3所示。

對(duì)系統(tǒng)整體來(lái)說(shuō)，輸入㶲分兩部分，其中一部分是可直接利用的，即蒸氣壓縮機(jī)、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器、泵和分離器的耗電量，另一部分是原料液的溶液物流㶲；輸出㶲為冷凝水和晶漿所具有的㶲；其中L為由于不可逆過(guò)程造成的㶲損失。系統(tǒng)㶲平衡方程可表示為式(38)。

系統(tǒng)的㶲效率為收益㶲與支付㶲之比，見(jiàn)式(39)。