工业水处理"零排放"蒸发技术全观

烟台金正环保 2018-06-11 16:54:37

金正环保致力于高盐、高COD、含油、含酸碱等高难度污废水处理,核心工艺为碟管式膜法,拥有规模化国际品质DTRO膜生产基地。主要应用领域为:电厂脱硫废水处理、电镀、印染等工业高难度废水零排放、垃圾渗滤液高效处理。致力于提供产品、技术、投资、运营、管理的一体化水系统解决方案!咨询电话:0535-6264177  微信:15563833902

        目前环保形势日益严峻,越来越多企业被要求“零排放”,企业要实现零排放或者近零排放目标,蒸发是关键技术,本文总结二十二种蒸发工艺,供行内交流学习。

        蒸发是零排放的主要技术,但因其运行成本高而存在局限性,使用碟管式反渗透DTRO技术可以实现污水高标准再生回用,并将浓水高倍浓缩,降低蒸发耗资,为“零排放”减负。

一、中央循环管式蒸发器

        中央循环管式蒸发器的结构其加热室由一垂直的加热管束(沸腾管束)构成,在管束中央有一根直径较大的管子,称为中央循环管,其截面积一般为加热管束总截面积的40~100%。当加热介质通入管间加热时,由于加热管内单位体积液体的受热面积大于中央循环管内液体的受热面积,因此加热管内液体的相对密度小,从而造成加热管与中央循环管内液体之间的密度差,这种密度差使得溶液自中央循环管下降,再由加热管上升的自然循环流动。溶液的循环速度取决于溶液产生的密度差以及管的长度,其密度差越大,管子越长,溶液的循环速度越大。但这类蒸发器由于受总高度限制,加热管长度较短,一般为1~2m,直径为25~75mm,长径比为20~40。

性能特点:

        中央循环管蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点,故在工业上的应用十分广泛,有所谓“标准蒸发器”之称。但实际上,由于结构上的限制,其循环速度较低(一般在0.5m/s以下);而且由于溶液在加热管内不断循环,使其浓度始终接近完成液的浓度,因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外,设备的清洗和检修也不够方便。

二、外热式蒸发器

        外热式蒸发器的结构特点是加热室与分离室分开,这样不仅便于清洗与更换,而且可以降低蒸发器的总高度。因其加热管较长(管长与管径之比为50~100),同时由于循环管内的溶液不被加热,故溶液的循环速度大,可达1.5m/s。

三、升膜蒸发器

        升膜式蒸发器的加热室由一根或数根垂直长管组成,通常加热管直径为25~50mm,管长与管径之比为100~150。原料液经预热后由蒸发器的底部进入,加热蒸汽在管外冷凝。当溶液受热沸腾后迅速汽化,所生成的二次蒸汽在管内高速上升,带动液体沿管内壁成膜状向上流动,上升的液膜因受热而继续蒸发。故溶液自蒸发器底部上升至顶部的过程中逐渐被蒸浓,浓溶液进入分离室与二次蒸汽分离后由分离器底部排出。常压下加热管出口处的二次蒸汽速度不应小于10m/s,一般为20~50m/s,减压操作时,有时可达100~160m/s或更高。

性能特点:

        升膜蒸发器适用于蒸发量较大(即稀溶液)、热敏性及易起泡沫的溶液,但不适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。

四、卧式蒸发器


        其与卧式壳管式冷凝器的结构基本相似。按供液方式可分为壳管式蒸发器和干式蒸发器两种。卧式壳管式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统。

        性能特点:结构紧凑,液体与传热表面接触好,传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂,液柱对蒸发温度将会有一定的影响。且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时,盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂,则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。

五、立管式冷水箱型蒸发器


六、螺旋管式蒸发器


        立管式和螺旋管式蒸发器的共同点是制冷剂在管内蒸发,整个蒸发器管组沉浸在盛满载冷剂的箱体内(或池、槽内),为了保证载冷剂在箱内以一定速度循环,箱内焊有纵向隔板和装有螺旋搅拌器。载冷剂流速一般为0.3~0.7m/s,以增强传热。

性能特点:

        立管式和螺旋管式蒸发器只能用于开式循环系统,故载冷剂必须是非挥发性物质,常用的是盐水和水等。如用盐水,蒸发器管子易被氧化,且盐水易吸潮而使浓度降低。这两种蒸发器可以直接观察载冷剂的流动情况,广泛用于以氨为制冷剂的盐水制冷系统。

七、冷却排管


        冷却排管是用来冷却空气的一种蒸发器。广泛应用于低温冷藏库中,制冷剂在冷却排管内流动并蒸发,管外作为传热介质的被冷却空气作自然对流。

性能特点:

        冷却排管最大的优点是结构简单,便于制作,对库房内贮存的非包装食品造成的干耗较少。但排管的传热系数较低,且融霜时操作困难,不利于实现自动化。对于氨直接冷却系统用无缝钢管焊制,采用光管或绕制翅片管;对于氟利昂系统,大都采用绕片或套片式铜管翅片管组。

八、蛇管式排管


        蛇管式顶管重力供液或氨泵供液均可;单排和双排蛇管式墙排管可用于下进上出式的氨泵供液系统及重力供液系统,对单根蛇管式排管还可用于氨泵上进下出供液系统和热力膨胀阀供液系统。

性能特点:

        蛇管式排管的优点是结构简单,易于制作,存液量较小,适用性强。其主要缺点为排管下段产生的蒸气不能及时引出,必须经过排管的全长后才能排出,故传热系数小,汽液二相流动阻力大。

九、冷风机(空气冷却器)

        冷风机多是由轴流式风机与冷却排管等组成的一台成套设备。它依靠风机强制库房内的空气流经箱体内的冷却排管进行热交换,使空气冷却,从而达到降低库温的目的。

        冷风机按冷却空气所采用的方式可分为干式、湿式和干湿混合式三种。其中,制冷剂或载冷剂在排管内流动,通过管壁冷却管外空气的称为干式冷风机;以喷淋的载冷剂液体直接和空气进行热交换的,称为湿式冷风机;混合式冷风机除冷却排管外,还有载冷剂的喷淋装置。

        冷库常用的干式冷风机按其安装的位置又可分为吊顶式和落地式两种类型。它们都由空气冷却排管,通风机及除霜装置组成,且冷风机内的冷却排管都是套片式的。大型干式冷风机常为落地式。

十、外循环型蒸发设备


        这种蒸发器的特征在于加长的加热管,并使加热室安装在蒸发器的外面,这样可以减低蒸发器的总长度,同时循环管没有受到蒸汽加热,使溶液的自然循环速度较快。

十一、悬筐式蒸发器

        它是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐,悬挂在蒸发器壳体的下部,可由顶部取出,便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室,而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道,其作用类似于中央循环管。操作时,溶液沿环隙下降而沿加热管上升,形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的100~150%,因而溶液循环速度较高(约为1~1.5m/s)。由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体,故其热损失较小。

性能特点:

        悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。它的缺点是结构复杂,单位传热面需要的设备材料量较大。

十二、列文蒸发器


        列文蒸发器的结构特点是在加热室的上部增设一沸腾室。这样,加热室内的溶液由于受到这一段附加液柱的作用,只有上升到沸腾室时才能汽化。在沸腾室上方装有纵向隔板,其作用是防止气泡长大。此外,因循环管不被加热,使溶液循环的推动力较大。循环管的高度一般为7~8m,其截面积约为加热管总截面积的200~350%。因而循环管内的流动阻力较小,循环速度可高达2~3m/s。

性能特点:

        列文蒸发器的优点是循环速度大,传热效果好,由于溶液在加热管中不沸腾,可以避免在加热管中析出晶体,故适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。其缺点是设备庞大,需要的厂房高。此外,由于液层静压力大,故要求加热蒸汽的压力较高。

十三、强制循环蒸发器


        上述各种蒸发器均为自然循环型蒸发器,即靠加热管与循环管内溶液的密度差引起溶液的循环,这种循环速度一般都比较低,不宜处理粘度大、易结垢及有大量析出结晶的溶液。对于这类溶液的蒸发,可采用强制循环型蒸发器。这种蒸发器是利用外加动力(循环泵)使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2.5m/s以上。

性能特点:

        这种蒸发器的优点是传热系数大,对于粘度较大或易结晶、结垢的物料,适应性较好,但其动力消耗较大。

十四、降膜蒸发器


        降膜式蒸发器与升膜蒸发器的区别在于原料液由加热管的顶部加入。溶液在自身重力作用下沿管内壁呈膜状下流,并被蒸发浓缩,汽液混合物由加热管底部进入分离室,经气液分离后,完成液由分离器的底部排出。为使溶液能在壁上均匀成膜,在每根加热管的顶部均需设置液体布膜器。布膜器的型式有多种,较常用的三种,采用一螺旋型沟槽的圆柱体作为导流管,液体沿沟槽旋转下流分布在整个管内壁上;导流管下部为圆锥体,锥体底面向下内凹,以免沿锥体斜面流下的液体再向中央聚集;液体是通过齿缝沿加热管内壁成膜状下降。

性能特点:

        降膜蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液,对于粘度较大的物料也能适用。但对于易结晶或易结垢的溶液不适用。此外,由于液膜在管内分布不易均匀,与升膜蒸发器相比,其传热系数较小。

十五、刮板薄膜蒸发器


        刮板薄膜蒸发器是利用旋转刮片的刮带作用,使液体分布在加热管壁上。它的突出优点是对物料的适应性很强,例如对于高粘度、热敏性和易结晶、结垢的物料都能适用。刮板薄膜蒸发器的壳体外部装有加热蒸汽夹套,其内部装有可旋转的搅拌刮片,旋转刮片有固定的和活动的两种。前者与壳体内壁的缝隙为0.75~1.5mm,后者与器壁的间隙随搅拌轴的转数而变。料液由蒸发器上部沿切线方向加入后,在重力和旋转刮片带动下,溶液在壳体内壁上形成下旋的薄膜,并在下降过程中不断被蒸发浓缩,在底部得到完成液。在某些情况下,可将溶液蒸干而由底部直接获得固体产物。

性能特点:

        这类蒸发器的缺点是结构复杂,动力消耗大,传热面积小,一般为3~4m2,最大不超过20m2,故其处理量较小。

十六、MVR降膜蒸发器


        物料原液从换热器上管箱加入,经过布液器把物料分配到每根换热管内,并且沿着换热管内壁形成均匀的液体膜,管内液体膜在向下流的过程中被壳程的加热蒸汽加热,边向下流动边沸腾并进行蒸发。到换热管底端物料变成浓缩液和二次蒸汽。

        浓缩液落入下管箱,二次蒸汽进入气液分离器。在气液分离器中二次蒸汽夹带的液体飞沫被去除,纯净的二次蒸发从分离器中输送到压缩机。压缩机把二次蒸汽压缩后作为加热蒸汽输送到换热器壳程用于蒸发器热源。实现连续蒸发过程。

性能特点:

        1、换热效率高

        2、占地面积小

        3、物料停留的时间短,不易引起物料变质。

        4、适用于较高粘度的物料。

应用范围:

        降膜蒸发器适用于MVR蒸发结晶过程预浓缩工序,可以蒸发粘度较大的物料,尤其适用于热敏性物料,但不适用处理有结晶的物料。

十七、MVR强制循环蒸发器


        强制循环蒸发器由蒸发分离器、换热器和强制循环泵组成。物料在换热器的换热管内被换热管外的蒸汽加热温度升高。在循环泵作用下物料上升到蒸发分离器中,在蒸发分离器内由于物料静压下降使物料发生蒸发。

        蒸发产生二次蒸汽从物料中溢出,物料被浓缩产生过饱和而使结晶生长,解除过饱和的物料进入强制循环泵,在循环泵作用下进入换热器,物料如此循环不断蒸发浓缩或浓缩结晶。

        晶浆从循环管路中用出料泵输出。蒸发分离器内的二次蒸汽经过蒸发分离器上部的分离和除沫装置净化后输送到压缩机,压缩机把二次蒸汽压缩后输送到换热器壳程用作蒸发器加热蒸汽,实现热能循环连续蒸发。

性能特点:

        1. 传热系数较低;

        2. 换热表面不易形成结垢或结晶。

应用范围:

        适用于易结垢、产生结晶、高粘度物料蒸发浓缩或蒸发结晶过程。

十八、MVR蒸发OSLO结晶器


        OSLO蒸发结晶器由OSLO蒸发器、换热器和强制循环泵组成。物料在换热器的换热管内被换热管外的蒸汽加热温度升高。在循环泵作用下物料上升到OSLO蒸发结晶器中,在OSLO蒸发结晶器内由于物料静压下降使物料发生蒸发。

        蒸发产生二次蒸汽从物料中溢出,物料被浓缩产生过饱,过饱和溶液在OSLO蒸发结晶器的中心管内下降与溶液中的小结晶充分接触而使结晶进一步生长,成长较大的结晶经过淘析柱淘析把大结晶沉淀到淘析柱下面用晶浆泵输送到稠厚器。较小的结晶在OSLO结晶器中继续成长。

        经过澄清的液体被强制循环泵输送到换热器继续加热,物料如此循环不断蒸发浓缩或浓缩结晶。OSLO蒸发结晶器内的二次蒸汽经过分离器上部的分离和除沫装置净化后输送到压缩机,压缩机把二次蒸汽压缩后输送到换热器壳程用作蒸发器加热蒸汽。实现热能循环连续蒸发。

主要特点:

        1、结晶粒度大,粒度均匀

        2、设备体积大,成本高适用范围:适用于要求结晶粒度较大的物料生产。

十九、MVR蒸发DTB结晶器


        DTB型结晶器是一种典型的晶浆内循环结晶器。由于在结晶器设置内导流筒,形成了循环通道,使晶浆具有良好的混合条件,在蒸发结晶中能迅速消除过饱和度,能使溶液的过饱和度处于比较低的水平。特别适用于溶解度曲线比较陡的产品。DTB型结晶器性能良好,生产强度高,能生产颗粒较大的晶粒,且结晶器内不易结疤。它已经成为连续结晶器的主要形式之一。性能特点:生产强度高,结晶颗粒较大,性能稳定。适用范围:适用于结晶粒度较大、生产强度较高的物料生产。

二十、立式结晶箱


        对于产量较小,结晶周期较短的,多采用立式结晶箱

二十一、卧式结晶箱


        产量较大,周期比较长的,多采用卧式结晶箱

        (1)体积大,晶体悬浮搅拌所消耗的动力较小;

        (2)对于结晶速度较快的物料可串联操作,进行连续结晶。连续操作的最佳控制是使溶液在进口处即开始生成晶核,进入设备后很快就生成足够的晶核,这些晶核悬浮在溶液中,随着溶液在槽中的慢慢移动长大成晶体。最后从结晶槽的另一端排出。

二十二、真空煮晶锅


       适于结晶速度比较快,容易自然起晶,且要求结晶晶体较大的产品;可控制溶液的蒸发速度和进料速度,结构较简单

二十三、低温蒸发

       该技术利用低热,由难以处理的水中分离出淡水和固体。其组成包括①蒸发模块:加热的水蒸发为温暖潮湿的水汽,并浓缩盐水;②热回收模块:水蒸气在热回收热器上冷凝,产生淡水并将凝结潜热转入下一效;③风扇模块:为潮湿水汽提供动力;④控制模块:每一效都有自己的能量系统和控制系统,并回接到设备控制总系统中。

       以上二十三种蒸发器用途各有不同,工业水处理中,蒸发是投资成本最高的一环,建议使用烟台金正环保科技碟管式反渗透DTRO膜系统进行蒸发前浓缩,可实现成本的大幅降低,促进零排放可行性推广。