1、廢水蒸發(fā)基礎(chǔ)知識(shí),環(huán)境分廠 靳樹彬,主要內(nèi)容,1.蒸發(fā)概述,蒸發(fā)是指用加熱的方法使溶液中一部分溶劑汽化，從而提高溶液的濃度，或使溶液濃縮到飽和而析出溶質(zhì)的單元操作。,1.2 蒸發(fā)操作的目的 （1）獲得濃縮的溶液 （2）獲得固體溶質(zhì) （3）除去雜質(zhì),1.1 什么是蒸發(fā),溶劑S 溶質(zhì)A（不揮發(fā)）,溶劑S,加熱,1.3 多效蒸發(fā)幾個(gè)基本概念,1.效：對(duì)蒸汽（不是二次蒸汽）的利用次數(shù)。 2.真空蒸發(fā)：蒸發(fā)過(guò)程在低于大氣壓的條件下進(jìn)行，即是使蒸發(fā)器內(nèi)形成一定的真空度，降低溶液沸點(diǎn)的蒸發(fā)。 3.蒸發(fā)比：又叫蒸發(fā)經(jīng)濟(jì)。是指加入蒸發(fā)系統(tǒng)生蒸汽量（一效或用生蒸汽預(yù)熱廢水）與蒸發(fā)系統(tǒng)從廢水中蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽總量

2、之比。 4.濃縮倍數(shù)：在蒸發(fā)廢水過(guò)程中，原廢水量與濃縮液量之比。濃縮倍數(shù)愈大，濃縮液的濃度愈高。,1.3 多效蒸發(fā)幾個(gè)基本概念,5.真空度：是表示絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓的值，單位為“帕斯卡”、“米水柱”、“毫米汞柱”等。 6.結(jié)晶：物質(zhì)自溶液中形成晶體析出的過(guò)程。 7.傳熱過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱之為熱量傳遞過(guò)程傳熱過(guò)程。 8.總溫差：在多效蒸發(fā)過(guò)程中，首效加熱室飽和蒸汽溫度與冷凝器內(nèi)二次蒸汽壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度之差。 9.有效溫差：是指實(shí)際能用于傳熱推動(dòng)力的溫差。 10.無(wú)功溫差：又叫溫度損失，是指?jìng)鳠岷驼舭l(fā)過(guò)程中，因各種因素影響，有一部分溫度差不能參與傳熱推動(dòng)過(guò)程，

3、實(shí)際上不起作用的溫差。,1.4 分類,（1）按操作室壓力分：常壓、加壓、減壓（真空）蒸發(fā),（2）按二次蒸氣的利用情況分：?jiǎn)涡Ш投嘈д舭l(fā),單效蒸發(fā)：將二次蒸氣不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。 多效蒸發(fā)：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。,加熱蒸氣和二次蒸類氣,蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸氣。為了易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸氣或生蒸氣，后者稱為二次蒸氣。,1.4 蒸發(fā)操作的特點(diǎn),（1）傳熱性質(zhì)：屬于壁面兩側(cè)流體均有相變化的恒溫 傳熱

4、過(guò)程,（2）溶液性質(zhì)：熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶性、結(jié)垢性、泡沫、粘稠性等,（3）沸點(diǎn)升高：當(dāng)加熱蒸氣一定時(shí)，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)純水的溫度差,（4）泡沫挾帶：二次蒸氣中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設(shè)備污染,（5）能源利用：二次蒸氣的利用是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一,連續(xù)式、間歇式 常壓式、減壓式、加壓式,間壁式蒸發(fā)器： 直接接觸式蒸發(fā)器：浸沒燃燒蒸發(fā)器,溶液在蒸發(fā)器中作 循環(huán)流動(dòng),溶液在蒸發(fā)器中只通過(guò) 加熱室一次，不作循環(huán) 流動(dòng)。 溶液通過(guò)加熱室時(shí)，在 管壁上呈膜狀流動(dòng)，故 習(xí)慣上又稱為液膜式蒸 發(fā)器。,中央循環(huán)管式 懸框式 列管式（外循環(huán)） 外熱式,升膜式蒸發(fā)器 降膜式蒸發(fā)器

5、 刮板式蒸發(fā)器 升-降膜式蒸發(fā)器,2.蒸發(fā)設(shè)備,二次蒸汽,不凝性氣體,（生蒸汽）,間壁式蒸發(fā)器：,主要組成： 蒸發(fā)器(加熱室,蒸發(fā)室) 除沫器 冷凝器 真空裝置,生蒸汽與二次蒸汽何者溫度高？,蒸發(fā)設(shè)備中包括蒸發(fā)器和輔助設(shè)備 1 蒸發(fā)器 主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式，以適應(yīng)各種生產(chǎn)工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運(yùn)動(dòng)的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。 1.1 循環(huán)型蒸發(fā)器 特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng)，因而可以提高傳熱效果。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同。又分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。 自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。 強(qiáng)制循環(huán)：用泵迫使溶

6、液沿一定方向流動(dòng)。,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等，應(yīng)用十分廣泛。 缺點(diǎn)： （1）循環(huán)速度較低，管內(nèi)流速0.5m/s； （2）溶液在加熱室中不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液粘度大、沸點(diǎn)高，有效溫度差小。 （3）設(shè)備的清洗和維修也不夠方便。,（1）中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（自然循環(huán)型）,其截面積一般為其它加熱管總截面積的40100%,料液,生蒸汽,應(yīng)用廣泛，適用于處理量大、結(jié)垢不嚴(yán)重的物系。,（2）懸框式蒸發(fā)器（自然循環(huán)型）,溶液沿加熱管中央上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動(dòng)而構(gòu)成循環(huán)。溶液循環(huán)速度比標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器大，可達(dá)1.5m/s。 優(yōu)點(diǎn)：這種

7、蒸發(fā)器的加熱室可由頂部取出進(jìn)行清洗、檢修或更換，而且熱損失也較小。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面積的金屬消耗較多。,加熱室,（3）列管式蒸發(fā)器（外循環(huán)式）,加熱室中的溶液不沸騰，在沸騰室內(nèi)才開始沸騰，因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室，從而避免了加熱管內(nèi)結(jié)晶或污垢的形成。 溶液循環(huán)速度可達(dá)2.5至3 m/s以上，故總傳熱系數(shù)亦較大。,缺點(diǎn)： 液柱靜壓頭效應(yīng)引起的溫度差損失 較大，要求加熱蒸汽有較高的壓力。 設(shè)備龐大，消耗的材料多，需要高大 的廠房。,加熱室,沸騰室,蒸發(fā)室,循環(huán)管,除沫器,其截面積約為加熱管的總截面積的23倍。,擋板,（4）外熱式蒸發(fā)器,蒸發(fā)室,循環(huán)管,加熱室,加

8、熱室單獨(dú)放置，好處之一是可以降低整個(gè)蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換；好處之二是可將加熱管做得長(zhǎng)些，循環(huán)管不受熱，從而加速液體循環(huán)。循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s。,對(duì)循環(huán)型蒸發(fā)器，除了上述自然循環(huán)外，還可以采用強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)速度的大小可通過(guò)泵的流量調(diào)節(jié)來(lái)控制，一般在2.5m/s以上。,強(qiáng)制循環(huán)型,4.4廢水多效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)工藝方框圖,料液在加熱管內(nèi)受熱汽化，生成的蒸汽在加熱管內(nèi)高速上升（常壓下汽速為2050m/s，減壓下汽速可達(dá)100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所帶動(dòng)，沿管壁成膜狀上升并繼續(xù)蒸發(fā)，汽、液混合物在分離器內(nèi)分離。,1.2 非循環(huán)型蒸發(fā)器,（1）升膜式蒸發(fā)器,加熱管直徑約為25

9、50mm，管長(zhǎng)和管徑之比約為100150,分離器,升膜式蒸發(fā)器優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 溶液在蒸發(fā)器中不循環(huán)，停留時(shí)間很短，因而特 別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)； 整個(gè)溶液的濃度，不象循環(huán)型那樣總是接近于完 成液的濃度，因而這種蒸發(fā)器的有效溫差較大。 由于溶液呈膜狀流動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較大。 缺點(diǎn)： 對(duì)進(jìn)料負(fù)荷的波動(dòng)相當(dāng)敏感，當(dāng)設(shè)計(jì)或操作不適當(dāng)時(shí)不易成膜，此時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)將明顯下降。,適用場(chǎng)合： 適用于黏度較小的（小于0.05Pas）、蒸發(fā)量較大、易受熱分解的熱敏性溶液者；不適用于粘度很大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料的蒸發(fā)。,(2) 降膜式蒸發(fā)器,料液是從蒸發(fā)器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此

10、過(guò)程中蒸發(fā)增濃，在其底部得到濃縮液。 降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高、粘度較大（0.050.45 Pas）、蒸發(fā)量較小、熱敏性的物料。但因液膜在管內(nèi)分布不易均勻，傳熱系數(shù)比升膜式蒸發(fā)器的較小，仍不適用易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料。,(3) 刮板式蒸發(fā)器,適用于黏度較大（大于110Pas及以上者）。,簡(jiǎn)稱薄膜蒸發(fā)器，是一種利用外加動(dòng)力成膜的單程型蒸發(fā)器。 優(yōu)點(diǎn)：熱阻影響小，傳熱系數(shù)大，停留時(shí)間短，一般為數(shù)秒或幾十秒，故可適應(yīng)于高粘度（如栲膠、蜂蜜等）和易結(jié)晶、結(jié)垢、含固體、熱敏性的物料。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力消耗大，處理量很小且制造安裝要求高。,刮板,預(yù)熱室,升膜加熱室,降膜加熱室,升降膜式蒸發(fā)器將升膜和

11、降膜蒸發(fā)器裝在了一起，料液先經(jīng)升膜蒸發(fā)器上升，然后由降膜蒸發(fā)器下降。 適用于：蒸發(fā)過(guò)程中溶液黏度變化很大、蒸發(fā)量不大場(chǎng)合。,(4) 升降膜式蒸發(fā)器,常用蒸發(fā)器傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值,2.1 降膜分布器：,功能：將料液分配和均布。,1 加熱管 2 導(dǎo)流管 3 液面 4 齒縫 a 螺旋槽導(dǎo)流 b 凹端面錐體導(dǎo)流 c 齒縫分配,2.蒸發(fā)輔助設(shè)備,（a) 噴射式 (b) 填料式 (c) 孔板式 1 冷水 2 二次蒸汽 3 冷凝水4 不凝氣體 5 噴嘴 6 填料 7 孔板,2.2 冷凝器：,功能：避免及減少霧沫被二次蒸汽帶出 夾帶影響濃縮效率和蒸發(fā)能力，污染二次蒸汽 類型：慣性型，離心型，表面型,2.3 捕

12、沫器（氣液分離器）：,2.4 其他設(shè)備：,預(yù)熱器、脫氣器、水環(huán)式真空泵、蒸噴、閃發(fā)器、羅茨泵,3.單效蒸發(fā),溶液的沸點(diǎn)升高：一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)較純水高，兩者之差，稱為溶液的沸點(diǎn)升高。,稀溶液或有機(jī)溶液沸點(diǎn)升高值較小，無(wú)機(jī)鹽溶液較大。 對(duì)于同一種溶液，沸點(diǎn)升高值隨溶液濃度及蒸發(fā)器內(nèi)液柱高度而異，濃度越大，液柱越高，沸點(diǎn)升高值越大。,3.1 溶液的沸點(diǎn)升高和溫度差損失,溶液沸點(diǎn)升高的計(jì)算公式：,式中: 溶液的沸點(diǎn)升高， t 溶液的沸點(diǎn)， T與溶液壓強(qiáng)相等時(shí)水的沸點(diǎn)，即二次蒸氣的 飽和溫度，,傳熱溫度差損失：在一定操作壓強(qiáng)條件下溶液的沸點(diǎn)升高。,式中: t傳熱的有效溫度差， tT 理論上的傳熱溫

13、度差， t 溶液的沸點(diǎn)， T純水在操作條件下的沸點(diǎn)， Ts加熱蒸氣的溫度， ,計(jì)算公式為：,t=Ts-t tT =Ts-T,傳熱溫度差損失,例：用476kN/m2（絕壓）的水蒸氣作為加熱蒸汽（Ts=150 ），蒸發(fā)室內(nèi)壓力為1atm，蒸發(fā)30%的NaOH溶液，沸點(diǎn)為t=115 ，其最大傳熱溫度差，用tT來(lái)表示： tT=Ts-T=150-100=50,有效溫度差為： t=Ts-t=150-115=35,則溫度差損失為： = tT- t=（ Ts-T）-（ Ts-t）=t-T=15 ,即傳熱溫度差損失等于溶液的沸點(diǎn)與同壓下水的沸點(diǎn)之差。只有求得，才可求得溶液的沸點(diǎn)t（=T+ ）和有效傳熱溫度差t

14、（=tT- ）。,例,（1）因溶液的沸點(diǎn)升高（蒸汽壓下降）而引起的溫度差損失,（3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失,（2）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失（靜壓、閃發(fā)）,蒸發(fā)過(guò)程中引起溫度差損失的原因有：,（4）過(guò)熱溫度損失；,特點(diǎn)：熱阻在管內(nèi)垢層及管內(nèi)沸騰傳熱一方,提高傳熱系數(shù)的措施： 1、定期清理垢層； 2、加快流體的循環(huán)速度：自然循環(huán)強(qiáng)制循環(huán) 3、加熱微量阻垢劑以延緩形成垢層； 在處理有結(jié)晶物析出的物料時(shí)，可加入少量晶種（結(jié)晶 顆粒），使結(jié)晶盡可能在溶液主體中進(jìn)行，而不是在加 熱面進(jìn)行。 4、添加表面活性劑：表面活性劑降低了相界面之間的張力 ，從而產(chǎn)生了潤(rùn)濕、抗再黏附作用。既增大

15、了沸騰傳熱系數(shù)、又可使沸騰側(cè)的加熱面不生成垢層。,提高傳熱系數(shù)的方法,4.1 原理及特點(diǎn) 原理： 利用二次蒸汽的潛熱 利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液) 特點(diǎn)： 提高了生蒸汽的熱能經(jīng)濟(jì)性，增加了設(shè)備及操作費(fèi)用。 4.2 多效蒸發(fā)的操作流程,4.多效蒸發(fā),多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有： 并流： 溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。 逆流： 溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。 錯(cuò)流： 溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。 平流： 每一效都加入原料液的方法。 下面以三效為例加以說(shuō)明： 4.2.1 并流流程 蒸汽流動(dòng)方向： 123 溶液流動(dòng)方向： 123,特點(diǎn)： 由于前效的壓強(qiáng)較后

16、效高,料液可借此壓強(qiáng)差自動(dòng)地流向后一效而無(wú)須泵送； 溶液由前一效流入后一效處于過(guò)熱狀態(tài)會(huì)放出溶液的過(guò)熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。,4.2.2逆流流程 蒸汽流動(dòng)方向： 321 溶液流動(dòng)方向： 123,特點(diǎn)： 由于前效壓強(qiáng)較后效高， 料液從后效往前一 效要用泵輸送。 各效進(jìn)料（末效除外）都較沸點(diǎn)低，自蒸發(fā)不會(huì)發(fā)生，所需要熱量大。,逆流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖,4.2.3 錯(cuò)流流程 溶液流向： 312或231 蒸汽流向： 123 特點(diǎn)： 兼有逆流與并流的優(yōu)點(diǎn) 操作較復(fù)雜 4.2.4 平流流程 各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對(duì)易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)?/p>

17、結(jié)晶體不便在效與效之間輸送）,平流加料法的三效蒸發(fā)裝置流程示意圖,4.3 多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）,第一效： ，1kg生蒸汽在第一效中可產(chǎn)生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸（ ）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水，即,第二效： ，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量 ， 所以 依次類推： 三效 ， 效,所以理論利用率等于效數(shù),但實(shí)際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達(dá)到如此經(jīng)濟(jì)的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)， 最大的 的值大致如下：,4.4 多效蒸發(fā)的效數(shù)限制,（1）實(shí)際蒸汽耗量大于理論值 汽化潛熱隨溫度降低而升高，并且效間還有熱損失所以蒸發(fā)1kg水實(shí) 際消耗加熱蒸汽的量大于理論值。 （2

18、） 設(shè)備費(fèi)用的增加 設(shè)備的費(fèi)用增加值等于節(jié)約的能耗費(fèi)用即達(dá)效數(shù)極限。 （3）有效傳熱溫差的極限及溫差損失的增加。 如果生蒸汽的溫度和濃縮液排除溫度一定，則隨著效數(shù)的增加分配到每一 效的溫差是有限的，每一效都有前面討論的三種溫差損失，如果分配到的溫 差小于溫差損失，蒸發(fā)無(wú)法進(jìn)行。 （4）料液蒸發(fā)溫度的安全極限。 第一效不能使用溫度太高的加熱蒸汽，總溫差的減小對(duì)效數(shù)產(chǎn)生限制。,4.1 廢水蒸發(fā)在污水處理工藝中位置,4.克旗廢水蒸發(fā)簡(jiǎn)介,4.4廢水多效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)工藝方框圖,4.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)水量,水量： 一期工程設(shè)計(jì)處理水量為100t/h， 來(lái)源： 來(lái)水為濁循環(huán)排污水和反滲透濃水經(jīng)膜濃縮處理后的高鹽高COD廢水 水質(zhì)： TDS 18000mg/l、COD 804mg/l、氯離子3000mg/l,4.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)水量,4.2.1濃鹽水成分：,