机械蒸汽再压缩技术在高氨氮废水处理中的应用_申涛

。
MVＲ 蒸发技术相对于四效、 研究结果表明， 五效 12． 9% 的标煤； 其 蒸发器分别可以节省 21． 6% 、 操作成本相当于四效蒸发器
［7 ， 8 ］
。
对于高氨氮废水处理来说， 目前比较成熟且 广泛采用的技术是通过蒸汽汽提脱氨的方法 ， 将 再经过精馏段精馏 高氨氮废水通过蒸汽汽提后， 后生产一定浓度的氨水。由于汽提过程中消耗大 量的蒸汽， 而蒸汽通过精馏段塔顶冷凝器冷凝生 因此蒸汽消耗比较高， 目前国内有通过双 产氨水， 效汽提脱氨工艺降低能耗的研究
D= 4Vs πu
L— — —进塔废水摩尔流量， kmol / h； V— — —汽提蒸汽的摩尔流量， kmol / h； X a— — —出塔液相中氨氮的摩尔分数； X b— — —进塔液相中氨氮的摩尔分数；
槡
（ 4）
818 式中
化
工
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械
2013 年
Vs — — —操作条件下的混合气体体积流量， m / s。
3
双效汽提脱氨技术及 MVＲ 汽提脱氨技 馏技术、 术对废水处理进行计算， 计算结果见表 1 。 表1 单塔汽提、 双效汽提和 MVＲ 汽提效果对比
项目 废水处理量 / m3 ·h － 1 蒸汽消耗量 / kg·h
－1
然后根据填料塔的相关计算公式， 计算出传 质单元高度和传质单元数， 从而计算出填料塔的 根据填料高度可采用 Eckert 通用关联 填料高度， 图计算出填料塔的操作压力降。 2． 4 MVＲ 压缩机功率的计算 影响压缩机压缩功率的 对蒸汽压缩机来说， MVＲ 汽提脱 主要因素为蒸汽经过压缩后的温升， 氨工艺的主要影响因素是溶液浓缩后沸点的升高 和系统的压力降。由于汽提脱氨系统蒸发量比较 小， 因此对汽提脱氨来说， 因为溶液蒸发浓缩而导 致废水蒸发的沸点升高来说非常小， 可以忽略不 计。另外， 对于汽提脱氨塔来说， 通常汽提脱氨塔 1． 5 ～ 2． 0kPa 的操作压力降约为 左右， 整个 MVＲ 系统阻力大约在 3kPa 左右， 因此对于 MVＲ 汽提 脱氨工艺来说， 为了保证再沸器中的蒸发顺利进 压缩机压缩比选择在 1． 4 ～ 1． 6 即可， 因此采 行， 用一级压缩机即能够满足要求。 笔者采用离心式压缩机进行理论功率 N 的 计算方法如下：
压缩机功耗 / kW·h 机泵的功耗 / kW·h 操作成本 / 元·h
－1
废水处理成本 / 元·t
39． 93
由表 1 可以看出， 采用 MVＲ 汽提脱氨技术操 作成本约为汽提精馏技术的 33% ， 为双效汽提技 MVＲ 汽提脱氨技术的使用， 术的 58% ； 另外， 由 ， 于精馏量的减少 降低了对循环冷却水的需求量。 4 结束语 将汽提脱氨技术和机械循环再压缩技术结 合， 创新性的提出了 MVＲ 汽提脱氨技术， 研究表 通过将 MVＲ 技术引入到汽提脱氨系统， 汽提 明， 作 脱氨的蒸汽直接通过压缩机送入到再沸器中 ， 为再沸器的汽提热源循环使用， 减少了氨精馏过 程中由于塔顶冷凝器冷凝造成的热能损失 。通过 与单塔汽提精馏技术及双效汽提精馏技术的对 比， 采用 MVＲ 汽提脱氨技术操作成本降低， 是创 新性的氨氮废水处理节能技术。 另外， 本技术完 全可以推广应用于其他具有类似物性的精馏处理 工艺中。 参 考 文 献
m— — —相平衡常数。
（ 2 ） 可以计算出氨氮汽提所需要的 由式（ 1 ） 、 最小蒸汽量， 设计过程中根据实际情况选择汽提 蒸汽量 V = 1． 3 ～ 1． 5 V min 。 2． 3 汽提脱氨塔阻力降的计算 为了减少汽提脱氨塔的阻力降， 本系统选用 填料塔作为汽提脱氨塔， 在计算汽提脱氨塔阻力 降之前首先对汽提脱氨塔塔径及传质单元数进行 计算。填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔 气速来计算的， 空塔气速计算公式为：
N sh = 1． 1 N ηm ηc （ 6）
［ 1］ 蒙宗信， 何荣炽． 蒸汽再压缩热泵的黑液降膜蒸发 J］ ． 制冷， 1995 ， 14 （ 1 ） ： 5 ～ 9． 传热研究［ ［ 2］ 韩东， 彭涛，梁林， 等． 基于蒸汽机械再压缩的硫酸 J］ ． 化工进展， 2009 ， 28 （ z） ： 187 氨蒸发结晶实验［ ～ 189． ［ 3］ 梁林， ．化 韩东． 蒸汽机械再压缩蒸发器的实验［J］ 2009 ， 28 （ z） ： 358 ～ 360． 工进展， ［ 4］ 黄成． 机械压缩式热泵制盐工艺简述［ J］ ． 盐业与化 2010 ， 39 （ 4 ） ： 42 ～ 44． 工， ［ 5］ 高丽丽， 张琳， 杜明照． MVＲ 蒸发与多效蒸发技术 J］ ． 现代化工， 2012 ， 32 （ 10 ） ： 的能效对比分析研究［ 84 ～ 86．
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第 40 卷
第6 期 表2
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直读防冻堵定压套气阀安装前、 后数据对比
安装前 回压 MPa 产液量 m3 · d － 1 18． 86 23． 53 29． 61 26． 19 66． 51 39． 27 37． 77 22． 92 17． 09 14． 77 30． 71 7． 99 8． 53 24． 46 功图 气体影响 气体影响 正常 正常 气体影响 正常 气体影响 正常 正常 气体影响 正常 正常 气体影响 气体影响 回压 MPa 0． 3 0． 3 0． 4 0． 5 0． 5 0． 7 0． 7 0． 8 1． 0 1． 0 1． 1 1． 2 1． 4 1． 4 安装后 产液量 m3 · d － 1 19． 28 24． 66 31． 08 26． 93 69． 87 41． 15 39． 64 23． 06 18． 11 16． 73 32． 14 8． 22 9． 63 25． 68 功图 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常
式中 3
— —传动功率， ηc — 通常取 0． 93 ～ 0． 98 ； — —机械效率， ηm — 通常取 0． 94 ～ 0． 96 。
结果与讨论
3 笔者以中石化某催化剂厂 40m / h 高氨氮废 水处理为例， 由于废水中氨氮含量通常在 6g / L 左
右， 处理后的废水达到国家一级排放标准 ， 经过处 理得到的氨水浓度为 25% ， 分别应用单塔汽提精
u = 0． 5 ～ 0． 8 uf （ 3）
u— — —空塔气速， m / s； uf — — —泛点气速， m / s。
(V L )
式中
min
Xb － Xa = * Yb － Ya
（ 1）
泛点气速与汽液流量、 物性系数、 填料的类型 及尺寸等因素有关， 其计算方法很多， 目前工程上 常采用 Eckert 通用关联图计算 u f ， 计算过程笔者 就不再赘述。 汽提塔的塔径计算公式为：
［1 ～ 6 ］
品不纯， 无法工业回用。 笔者将 MVＲ 技术引入 不但能够显著地降低蒸汽消 到汽提脱氨工艺中， 耗量， 而且装置的整个能耗也大幅度地降低。 对 是一种高效节能的氨氮废水处 于汽提脱氨来说， 理技术。 1 工艺流程描述 MVＲ 汽提脱氨技术主要由进出口换 热 器 、 汽提脱氨 塔 、 压 缩 机、 再 沸 器、 精 馏 塔、 塔顶冷 其工艺流程如图 1 所 凝器 及 输 送 泵 等 组 成 ， 示 。 将经 过 预 处 理 后 的 高 氨 氮 废 水 与 脱 氨 后 进入到汽提脱氨塔内进行汽提 的废水预热后 ， 脱氨 ， 脱氨后的废 水 和 预 处 理 来 的 含 氨 污 水 换 热后排 出 。 汽 提 塔 塔 顶 出 来 的 含 氨 蒸 汽 经 过 压缩机增 压 后 送 入 到 汽 提 脱 氨 塔 塔 底 再 沸 器 冷凝后的稀氨 壳程作为汽提蒸 汽 的 热 源 使 用 ， 水进入到稀氨水 罐 内 ， 稀氨水罐内的稀氨水通 过精馏进 料 泵 经 过 和 精 馏 塔 塔 釜 来 的 净 化 水 送 入 到 精 馏 塔 内 进 行 精 馏， 精馏塔塔 换热后 ， 可 釜直接通入一定 压 力 的 新 鲜 蒸 汽 进 行 精 馏 ， 以根据精 馏 塔 的 操 作 压 力 及 精 馏 回 流 比 的 调 节生产不同浓度 的 氨 水 ， 用以满足生产回用的 需求 。
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2013 年
机械蒸汽再压缩技术在高氨氮 废水处理中的应用
申 涛* 赵 旭
（ 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）
摘
要
将 MVＲ 技术和汽提脱氨技术有机结合， 创 新 性 地 提 出了 节 能的 MVＲ 汽 提 脱 氨 技术。 通过 和
单塔汽提及双效汽提脱氨的能耗及操作成本的对比， 显示采用 MVＲ 汽提脱氨技术操作成本约为 汽 提 精 馏技术的 33% ， 为双效汽提技术的 58% 。 关键词 MVＲ 脱氨 废水处理
［9 ］
， 通过双效汽
然 提脱氨工艺能够使蒸汽消耗降低 40% ～ 45% ， 而对高氨氮废水处理来说， 能耗依然比较高。 另 外， 通常 由 于 废 水 水 质 比 较 复 杂， 因此仅仅用 MVＲ 进行蒸发结晶不但蒸发量大而且得到的产
*
申
1977 年 11 月生， 730060 。 涛， 男， 工程师。甘肃省兰州市，
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图1
MVＲ 汽提脱氨工艺简图 Ya — — —进塔气相中氨氮的摩尔分数； Y* — —出塔气相中氨氮与液相组成 X b 平 b — 衡的摩尔分数。 由亨利定律可知：
Y * = mX （ 2）
为了尽量多地回收系统热量， 将精馏塔塔釜 出来的高温水先通过精馏预热器用于加热稀氨水 后， 再经过二级预热器加热高氨氮污水然后外排 。 对于 MVＲ 汽提脱氨系统来说， 汽提脱氨在 待汽提 启动前需要一定量的启动蒸汽进行预热， 塔操作温度达到要求时， 无需外加新鲜蒸汽。 由 于仅精馏塔消耗少量的蒸汽， 使装置整体蒸汽消 耗量大幅度降低。 2 2． 1 工艺参数选择 汽提脱氨塔操作参数的选择 由于气液平衡中氨的平衡浓度受温度的影响 非常大， 废水的温度达到 100℃ 以上时， 液相水中 降低汽提脱氨的 氨氮平衡浓度接近于零。 另外， 操作压力可以使液相中氨的平衡浓度进一步降 低， 因此对于汽提脱氨来说， 结合 MVＲ 特点， 将 汽提脱氨塔的操作温度确定为 98 ～ 100℃ ， 操作 压力为 0． 10 ～ 0． 95MPa。 2． 2 汽提蒸汽量的计算 汽提脱氨最小汽液比计算公式为 ： 式中 式中
1 ． 634 p s V N=
m －1 m （ ε m － 1） m －1 ηp
பைடு நூலகம்
单塔 汽提精馏 40． 0 7 846． 0 0 35 1 597． 2
－1
双效 汽提精馏 40． 0 4 315． 0 0 68 917． 4 22． 94
MVＲ 汽提精馏 40． 0 1 496． 0 236 52 529． 6 13． 24
井组
测试气量 m3 · d － 1 259 413 354 401 387 266 361 422 509 692 733 463 197 264
18 杏 6028 杏 4728 杏 6833 杏 1333 杏 72ZJ78 31 杏 16ZP2 30 杏 7033 杏 5428 杏 4817 杏 6035 杏 1524 杏 60-
+
汽提 B 6094 （ 2013 ） 06081604 文章编号 0254-
中图分类号
TQ028． 6 1
文献标识码
机 械 式 蒸 汽 再 压 缩 （ Mechanical Vapor Ｒecompression， 简称 MVＲ ） 技 术， 在蒸发操作单元 中， 由于其 100% 循环二次蒸汽的潜热， 系统本身 新鲜蒸汽仅用于系统开始启 基本能达到热平衡， 从而大幅度减少蒸发器对外来新鲜蒸 动的预热， MVＲ 是一种新 汽的消耗。相对于多效蒸发来说， 现已广泛应用于工业废水、 造纸 型高效节能装置， 黑液的浓缩减量处理， 乳品、 制糖及淀粉等蒸馏浓 缩处理、 海水淡化以及制盐等很多生产领域
（ 5）
m=
k η k －1 p k η －1 k －1 p
式中
k— — —气体平均绝热指数； m— — —多变指数； p s— — —压缩机进气压力； V— — —进气容积， m3 / min； — —压缩比， （ P d 为压缩机出 ε— ε = Pd / Ps ， 气压力） ； — —多变效率。 η p— 压缩机的轴功率计算公式如下：