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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(lái)實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)操作的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。
 
1、蒸發(fā)過(guò)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(chǎng)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(guò)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)程的工藝流程
       按效數(shù)（蒸汽利用次數(shù)）可將蒸發(fā)過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(cè)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(wú)論蒸發(fā)何種溶液，蒸發(fā)器長(zhǎng)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(jiǎn)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(chǎng)合，在過(guò)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(kāi)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(zhǎng)，而且循環(huán)管又沒(méi)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(guò)高的流速將耗費(fèi)過(guò)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(zhǎng)。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(zhǎng)。
        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(zhǎng)，這對(duì)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(guò)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(kāi)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(méi)燃燒蒸發(fā)器
        浸沒(méi)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(méi)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(méi)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(méi)有固定的傳熱面，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(shuō)來(lái)，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(guò)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(wú)關(guān)的傳熱過(guò)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。