蒸发器在工业废水零排放上的应用

蒸发器在工业废水零排放上的应用王莉莉，田旭峰，赵利鑫（合众高科（北京）环保技术股份有限公司）摘要：我国水资源污染和短缺问题日益凸显，而工业用水在整个水资源消耗中所占比例重大。

工业废水零排放是实现水资源循环利用和保障我们经济社会可持续发展的重要举措，因而对工业废水零排放技术进行研究和发展具有重要意义，本文对蒸发器在工业废水零排放上的应用进行论述，介绍了蒸发器的种类和工作原理，着重对工业废水零排放上应用最为广泛的械蒸汽压缩再循环降膜蒸发器（MVR）和低温多效蒸发器（MED）进行了阐述和对比，最后对工业废水零排放的蒸发器发展现状和趋势进行了展望。

关键词：蒸发器；工业废水；零排放；械蒸汽压缩再循环降膜蒸发器（MVR）；低温多效蒸发器（MED）一、概述近年来，我们水资源短缺和环境污染问题日益严重。

随着工业的迅速发展，废水的种类和数量迅猛增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全[1]。

工业废水排放的危害，一是重金属等难以降解的有毒有害物质随着污水进入土壤不断富集，造成农田的重金属超标（据罗锡文院士称：我国已有3亿亩耕地受到重金属污染），将会危及我们的食品安全；二是污水处理厂的污泥受工业污水影响有害物质超标，不能被用作肥料回归土地，影响氮、磷等物质的循环；三是大量工业用水造成了水资源的消耗和浪费[2]。

如何将工业废水达标或减少排放，并尽最大可能地实现水资源循环利用，成为困扰着工业企业一大难题。

因此，在我国大力提倡水资源节约利用和环境保护的大环境下，工业废水零排放应运而生。

工业废水零排放是指工业水经过重复使用后，将这部分含盐量和污染物高浓缩成废水全部（99%以上）回收再利用，无任何废液排出工厂，水中的盐类和污染物经过浓缩结晶以固体形式排出厂送垃圾处理厂填埋或将其回收作为有用的化工原料[3]。

也就是说，从废水中完全回收水资源，变液态废弃物为固态资源再利用，实现对水等不可再生资源的可持续利用。

工业废水零排放是保护地球环境和可持续发展的大势所趋。

随着国家和企业对工业废水零排放的日益重视，以及国内国外对废水零排放的研究的不断深入，实现工业废水零排放的工艺也很多，但大体的工艺路线都是一致的，即预处理、浓缩和蒸发结晶。

以下对蒸发器的种类、形式及其在工业废水零排放上的应用做介绍。

二、蒸发器的工作原理蒸发是将溶液加热至沸腾，使其中部分溶剂汽化并被移除，以提高溶液中溶质浓度的操作。

蒸发的目的是为了获得高浓度的溶液或制取溶荆，通常以前者为主。

用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器[4]。

蒸发操作可在加压、常压、减压下进行。

为了保持生产过程的系统压力，有时蒸发需在加压下进行。

对于热敏性物料，为了保证产品质量，要求在较低温度下蒸发。

真空下能降低沸点，满足此要求。

此外，真空下加热介质与被浓缩液体的温差也比常压下大，所以可加速蒸发的传热过程。

但沸点降低，溶液粘度亦增大，不利于被蒸发物料循环，影响传热效果[5]。

三、蒸发器的种类1）标准蒸发器标准蒸发器属于自然循环蒸发器，其结构如图3-1所示。

它由加热室和蒸发室组成。

加热室内布有直径DN25到65的加热管，加热管长0.6~2 m。

在管束中间有一直径较大的中央降液管。

此管截面积为加热管总截面的40~100 %。

由于中央降液管和加热管内料液有重度差，使料液在加热管和降液管间不断循环，从而提高了蒸发的传热效果。

这种蒸发器总传热系数范围为580~3000（W/ m2·K)。

这种设备适于结垢不严重，有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。

设备传热面可达数百平方米。

图3-1 标准蒸发器结构示意图2）标准式强制循环蒸发器结构示意见图3-2。

它是在标准型的中央循环管内加一螺旋桨，以增强料液循环，使循环速度从0.5 m/s提高到1~1.5m/s，显著改善了传热。

总传热系数可达1160~5800（W/ m2·K)[6]。

图3-2 标准式强制循环蒸发器结构示意图3）悬筐蒸发器结构示意见图3-3。

其加热管束可取出后清理，用备用管束替换，以节约清洗时间。

加热蒸汽从位于中央的一根多孔管进入，均匀吹入各加热管间。

加热管束和罐内壁形成的环形通道是循环料液的下流通道。

其传热面积一般在100m2以下，总传热系数为600~3500（W/ m2·K)。

图3-3 悬筐蒸发器结构示意图4）自然循环外加热式蒸发器结构示意见图3-4。

它由列管加热器、蒸发室、循环管三个部分组成。

若蒸发时产生结晶，应在循环管下口加液固分离器。

料液在蒸发器内循环速度小于1 m/s,循环的动力是循环管和加热管内液体的重度差。

这种蒸发器传热面积常为数百平方米甚至上千平方米。

一个蒸发室可配有1~4个加热室。

加热管较长，其长径比L/d =60~110,总传热系数为1900~3500（W/ m2·K)。

这种设备的缺点是设备较高，由于料液在管内液柱较高，提高了下部液体的沸点，故要求加热温差大，因而限制了多效使用。

图3-4自然循环外加热式蒸发器结构示意图5）列文蒸发器结构示意见图3-5，它属于加热管式外沸腾的自然循环蒸发器。

其特点是在加热室的上部，加一段2.7-5m高的支撑段和稳流段，使加热室中溶液承受较大的液柱静压，加热室中的溶液不致沸腾，只有在当静压较低的稳流段中才开始沸腾汽化。

在加热管中没有沸腾汽化，就可以减轻或避免溶质在加热管内结晶析出，减轻加热管的结垢和堵塞。

溶液循环全靠支撑段和稳流段内料液与循环管内料液的重度差。

为了减少循环系统阻力，要求循环管的截面积F:大于加热管的截面积。

这种蒸发器循环速度可达1.5~2m/s，总传热系数为1300~2300（W/ m2·K)。

加热管的长径比L/d = 100~120[7]。

列文蒸发器应保持在较大温差下操作，否则由于温差小，循环速度显著减小，热交换效率也相应减小。

图3-5列文蒸发器结构示意图6）强制循环型长管蒸发器结构示意见图3-6。

其特点是料液靠泵强制循环，循环速度达2~5m/s 。

料液通过加热管热至沸点，在蒸发室内闪蒸。

由于此型设备属管外浓缩，同时料液在管内流速大，因此适于蒸发有结晶析出或易结垢的物料。

其传热效果好，总传热系数为930~5800（W/m2·K)。

此型设备动力消耗大，每平方米加热面积动力消耗为0.4~0.8kW，因而这种蒸发器加热面积不宜设计太大。

图3-6强制循环型长管蒸发器结构示意图7）升膜蒸发器结构示意见图3-7。

这种蒸发器亦称竖式长管蒸发器（LTV）、热红吸蒸发器。

其结构和列管换热器一样，不同之处是它的加热管长径比要求为L/d = 100~300，这是因为这种蒸发器属于单程蒸发，料液通过管后，一次即应达到要求，所以要求管长较大。

二次蒸气在管内流速很大，常压下为20~30m/s，减压下为80~200m/s。

二次蒸汽在管内高速螺旋上升，将料液贴管内壁拉曳成薄膜状，薄膜料液上升必须克服重力及与壁的摩擦力，因此不适于粘度大的液体，一般料液粘度小于50kPa·s。

这种类型的蒸发器适子热敏性物料，不适于有结晶析出或易结垢的物料[8]。

升膜蒸发器一般为单流型(即一次通过即可完成浓缩)。

对非热敏性物料，浓缩比要求大时，亦可设计成循环型。

升膜式蒸发器总传热系数为600~6000（W/ m2·K)。

图3-7升膜蒸发器结构示意图8）降膜蒸发器这种蒸发器结构与升膜式蒸发器结构大致相同，见图3-8。

蒸发器料液自顶部加入，因顶部有液体分布装置，故每根管都可以均匀地得到液体。

二次蒸汽与浓缩液一般并流而下，因二次蒸汽作用，料液沿管壁呈膜状流动，液膜下流不需克服重力反而可利用重力，因而可以使粘度大的溶液蒸发。

加热管长径比L/d=100~250，总传热系数为1200~3400（W/ m2·K)。

这种蒸发器料液从上至下即可浓缩完了，若一次达不到浓缩指标，也可用泵将料液循环进行蒸发[9]。

图3-8降膜蒸发器结构示意图9）固定刮板式蒸发器固定刮板式蒸发器分立式和卧式两种。

立式又有升膜和降膜之分，其结构见图3-9，图3-10。

这种蒸发器外壳有夹套，内通蒸汽加热。

壳体内有马达带动的立式或卧式旋转轴，轴上刮板。

刮板外缘与筒内壁间隙约为0.8~2.5mm。

料掖进口与器璧呈切线方向。

料液进入后经转轴上的料液分配盘均布于内壁四周。

由于重力和刮板离心力的作用，料液在内壁形成螺旋下降或上升的薄膜(立式)，或螺旋向前的薄膜(卧式)。

蒸发器的二次蒸汽自顶端排出。

这种蒸发器适用于高粘度热敏性物料的蒸发，同时也适用于易结晶、结垢和含悬浮物的料液蒸发。

料液在蒸发器内停留时间为数秒至数十秒，刮板转速为100~600 r/min。

1m2传热面积动力消耗定额为1.5~8 W/ m2·K，刮板与器壁间隙越大，料液粘度越小则动力消耗愈小。

由于这种蒸发器单位体积内传热面积小，因而限制了传热面过大，每台传热面积一般在10m2以下。

由于这种蒸发器的内壁与刮板的间隙不能过大，因此在加工上对筒体椭圆度和旋转轴的同心度都有严格要求。

图3-9刮板式降膜蒸发器结构示意图图3-10刮板式升膜蒸发器结构示意图10）活动刮板式蒸发器结构示意见图3-11。

其操作原理与固定刮板式相似，不同的是刮板为多段式，刮板活动地安装在轴上，由枢轴带动而旋转。

由于离心力，刮板紧压在传热面上，所以薄膜厚度极薄，可小到0.03mm，有利于高粘度物料的蒸发。

活动板式蒸发器液膜厚度根据料液粘度不同、转轴转速不同相应变化。

如果刮板边缘镶上耐磨材料，如聚四氛乙烯板等，刮板可直接接触内壁，蒸发器成为刮壁型。

这样不但防止给垢、晶析，还可降低筒体椭圆度和轴安装的同心度的要求。

这种刮壁型蒸发器，刮板周边速度一般取3~5 m/s。

图3-11活动刮板式蒸发器结构示意图11）甩盘式薄膜蒸发器这种蒸发器可分为同径和异径两种，其结构示意见图3-12。

其中(a)是一种改良的降膜蒸发器。

通常的降膜式蒸发器中，传热管上部液膜分布均匀，到长管中部以后，料液因浓缩而减少，粘加大，容易产生偏流、絮流，因而管璧上有可能产生干壁、局部过热。

而甩盘式蒸发器系利用旋转轴上几个圆形甩盘，使料液在蒸发过程中多次重新分配成膜。

另外，考虑到料液在蒸发过程中，不断被浓缩减少，蒸发器下半部因料液不足不能润湿全部壁面，产生干壁现象，因此制成异径甩盘式，如周3-12(b)。

甩盘式蒸发器不适用于高枯度或有晶析、易结垢料液的浓缩，同时由于单位体积传热面积小，这种蒸发器的处理量受到限制。

图3-12甩盘式薄膜蒸发器结构示意图12）多级闪蒸和多室蒸发多级闪蒸简称MSF，多用于碱回收和海水淡化。

这种设备的主要优点是传热些上无沸腾和汽化现象。

汽化是在空的闪蒸室内进行，因而避免在加热表面形成污垢。

此外，由于采用多级原理、可节省加热蒸汽。