本文研究单效蒸发器在处置高盐废水时，加热器温度、系统真空度、冷凝器温度、分离器液面高度等运行工况参数对单效蒸发器效率的影响，得出较为优化的运行工况参数，为现场操作人员的实际运行工况参数控制，提供理论依据。 In this paper, the influence of operating parameters such as heater temperature, system vacuum, condenser temperature and separator liquid level height on the efficiency of single-effect evaporator when it is disposing of high-salt wastewater is studied, and more optimized operating parameters are obtained, which provide a theoretical basis for the actual operating parameter control of field operators.
本文研究单效蒸发器在处置高盐废水时，加热器温度、系统真空度、冷凝器温度、分离器液面高度等运行工况参数对单效蒸发器效率的影响，得出较为优化的运行工况参数，为现场操作人员的实际运行工况参数控制，提供理论依据。
单效蒸发器，高盐废水，蒸发效率，工况控制
Qiong Wu, Zhenyu Wang, Di Wang, Longgang Li, Zhaohui Zou
Anhui Hao Yue Environmental Technology Co. LTD., Hefei Anhui
Received: Jun. 17th, 2023; accepted: Jul. 17th, 2023; published: Jul. 25th, 2023
In this paper, the influence of operating parameters such as heater temperature, system vacuum, condenser temperature and separator liquid level height on the efficiency of single-effect evaporator when it is disposing of high-salt wastewater is studied, and more optimized operating parameters are obtained, which provide a theoretical basis for the actual operating parameter control of field operators.
Keywords:Single-Effect Evaporator, High Salinity Wastewater, Evaporation Efficiency, Operating Condition Control
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蒸发浓缩是用加热的方法，将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况，使部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶剂中溶质浓度的单元操作 [
机械压缩蒸发(MVR)是对蒸发过程中产生的热蒸汽经过机械再压缩，重新作为蒸汽热源加热废水，从而达到节能、环保的目的。MVR技术同蒸发法可以实现废水零排放，且能耗是仅为传统蒸发器的四分之一到五分之一。MVR技术更适用于废水处理量少，分离回收利用价值高的情况。若将MVR蒸发器直接用于大量高盐工业废水处理中，容易结垢导致蒸发器堵塞，后续维护成本也较高 [
本文讨论的单效外循环强制结晶蒸发器主要是凭借循环泵这一外力而促进液体产生循环，循环液体将会在流经加热器的过程中被加热，当出现分离器压力降低现象的时候产生部分蒸发，随即对液体进行冷却，直到其能够同相应的沸点温度相符合，此举能够有效降低产品出现结晶或者结构的现象出现的可能性 [
某化工企业在生产过程中会产生大量高盐废水，含有大量的氯化钠和硫酸钠，其采用的是单效外循环强制结晶蒸发器对高盐废水进行处理，处理后的废水经生化处理后回用，蒸发所得蒸馏残渣再交由具有资质的企业进行处理。单效蒸发器主要由加热、冷凝、真空、循环、分离五个系统组成，主要设备包括加热器、气液分离器、冷凝器、真空泵、强制循环泵、出料泵、冷凝水泵、除沫器等，设备采用蒸汽作为间接热源，加热器换热面积100 m2、冷凝器换热面积130 m2，分离器液面控制高度在0~2 m之间，设计日处置量为45 t。高盐废水水质情况如表1所示。
| 名称 | PH | 总盐(mg/L) | 硬度(mmol/L) | COD (mg/L) | 氨氮(mg/L) |
|---|---|---|---|---|---|
| 指标 | 9~10 | 50,000~70,000 | 0.5~2 | 30,000~80,000 | 100~200 |
表1. 高盐废水水质情况
由于单效蒸发器处置的物料适应范围更广，运行过程中物料加热通过强制循环，在管内流动速度快、受热均匀、传热系数高等优点，结合处置废水的总盐含量和COD含量较高等特点，采用单效蒸发器处置较有优势，但同时也存在跑液、内壁结盐结垢等问题，这就需要现场人员在运行过程中摸索出较为优化的运行工况参数，尽可能实现单效蒸发器效率的最大化。
单效蒸发器处置高盐废水的工艺流程是采用加热器和强制循环泵使得高盐废水能够进行均匀快速传热，受热的高盐废水在气液分离器里进行气液分离，分离出的气体因压差的原因会进入冷凝器，经冷凝器冷凝后，由冷凝水泵抽出。浓缩的废盐水经出料泵进入配套的离心机进行固液分离。工艺流程图见图1。
图1. 高盐废水蒸发处置工艺流程图
化工企业处理高盐废水的单效外循环强制结晶蒸发器运行过程中，现场操作人员调控的运行工况参数主要包括：加热器温度、分离真空度、冷凝器温度、分离器液面高度等，本文也仅从这四个方面，分析只在单因素改变的情况下，单效蒸发器效率的变化情况，从而为各企业运行蒸发器提供参考依据。
控制分离真空度为−0.08 MPa，冷凝器温度为30℃，分离器液面高度为1 m的情况下，调整蒸发器的加热器温度，记录在不同加热器温度下蒸发器蒸发效率的数据(连续记录10天该温度下设备正常运行时的蒸发器日处置量)，并计算出平均日处置量。统计蒸发器蒸发效率与加热器温度的关系，相关数据统计如表2和图2所示。
| 蒸发器加热器温度(℃) | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 蒸发器日平均处置量(t) | 38.8 | 42.2 | 44.5 | 44.3 | 42.6 | 42.1 |
表2. 蒸发器蒸发效率与加热器温度的关系
图2. 蒸发器蒸发效率与加热器温度的关系
从图2可知，蒸发器的蒸发效率与加热器温度并不完全呈现正相关关系。在60℃~80℃区间，随着加热器温度的持续升高，蒸发效率上升且变化明显，但在80℃以上，蒸发器的蒸发效率没有再随着加热器温度上升而继续增加，反而在90℃~110℃区间以上出现了一定程度的下降，这是由于高盐废水中含有大量氯化钠和硫酸钠，在蒸发浓缩过程中，随着温度的升高，浓缩速率逐渐提升，溶液中的氯化钠和硫酸钠不断以结晶析出，在80℃左右达到蒸发–结晶平衡状态。
控制保持加热器温度为80℃，冷凝器温度为30℃，分离器液面高度为1 m的情况下，调整蒸发器的分离真空度，记录在不同分离真空度下蒸发器蒸发效率的数据(连续记录10天该真空度下设备正常运行时的蒸发器日处置量)，并计算出平均日处置量。统计蒸发器蒸发效率与分离真空度的关系，相关数据统计如表3和图3所示。
| 分离真空度(MPa) | −0.05 | −0.06 | −0.07 | −0.08 | −0.09 | −0.1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 蒸发器日平均处置量(t) | 39.6 | 40.9 | 42.2 | 43.5 | 44.6 | 44.7 |
表3. 蒸发器蒸发效率与分离真空度的关系
图3. 蒸发器蒸发效率与分离真空度的关系
从图3可知，蒸发器的蒸发效率与分离真空度呈现出一定程度的负相关关系。在−0.09 MPa以上，蒸发效率随着分离真空度的持续升高，蒸发效率变化明显，但在−0.09 MPa以下，蒸发器的蒸发效率变化不再明显，无法直接判断此时是否还继续具有负相关关系。这是由于在减压蒸发过程中，系统内真空度降低，使得高盐废水的饱和蒸汽压降低，氯化钠–硫酸钠体系水溶液沸点降低。
| 冷凝器温度(℃) | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 蒸发器日平均处置量(t) | 45.1 | 44.7 | 44.7 | 43.6 | 42.3 | 40.6 |
表4. 蒸发器蒸发效率与冷凝器温度的关系
图4. 蒸发器蒸发效率与冷凝器温度的关系
控制分离真空度为−0.08 MPa，加热器温度为80℃，分离器液面高度为1 m的情况下，调整蒸发器的冷凝器温度，记录在不同冷凝器温度下蒸发器蒸发效率的数据(连续记录10天该温度下设备正常运行时的蒸发器日处置量)，并计算出平均日处置量。统计蒸发器蒸发效率与冷凝器温度的关系，相关数据如表4和图4所示。
从图4可知，蒸发器蒸发效率与冷凝器温度呈现出一定程度的负相关关系。在20℃~30℃区间以下，随着冷凝器温度的升高，蒸发器蒸发效率出现下降，但趋势不明显，而在30℃~45℃区间，蒸发器的蒸发效率随着冷凝器温度的升高而变化较大，呈现出明显的负相关关系。这是由于分离器分离出的生蒸汽无法及时在冷凝器进行冷凝，会在分离器顶端聚集，形成蒸气压，影响分离器后续的气液分离效果。
控制分离真空度为−0.08 MPa，加热器温度为80℃，冷凝器温度为30℃的情况下，调整蒸发器的分离器液面高度，记录在不同分离器液面高度下蒸发器蒸发效率的数据(连续记录10天该液面高度下设备正常运行时的蒸发器日处置量)，并计算出平均日处置量。统计蒸发器蒸发效率与分离器液面高度的关系，相关数据统计如表5和图5所示。
| 分离器液面高度(m) | 0 | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 蒸发器日平均处置量(t) | 43.7 | 44.7 | 44.6 | 44.9 | 44.7 | 44.8 |
表5. 蒸发器蒸发效率与分离器液面高度的关系
图5. 蒸发器蒸发效率与分离器液面高度的关系
从图5中无法直接观察出蒸发器蒸发效率与不同分离器液面高度之间的关系，但在实际运行中，分离器液位显示高度过高时，会加大蒸汽对液体的夹带，特别是COD含量较高、泡沫较大时，会直接加快除沫器结盐堵塞的速度。蒸发器的连续运行时间和蒸发器运行稳定性都不如分离器液面低液位运行时。
控制分离真空度为−0.08 MPa，加热器温度为80℃，冷凝器温度为30℃，分离器液面高度为1 m的条件下，记录蒸发器蒸发效率的数据(连续记录10天该优化条件下设备正常运行时的蒸发器日处置量)，并计算出平均日处置量。统计优化条件下蒸发器蒸发效率，相关数据统计如表6所示。
| 分离真空度(MPa) | −0.08 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 加热器温度(℃) | 80 | ||||
| 冷凝器温度(℃) | 30 | ||||
| 液位显示高度(m) | 1 | ||||
| 连续10日蒸发器 日处置量(t) | 44.3 | 45.2 | 44.9 | 44.9 | 45.0 |
| 45.2 | 44.8 | 44.6 | 44.6 | 45.1 | |
| 连续10日蒸发器 日平均处置量(t) | 44.86 | ||||
表6. 优化条件下蒸发器蒸发处置量情况
由表6可知，在优化条件下，蒸发器平均日处置量为44.86 t，相比于45 t的设计处置量，实际蒸发效率已达到设计值的99.7%。通过人员对现场工况的控制，实现了单效蒸发器效率的提升，也为现场处置提供了数据参考。
(1) 单效外循环强制结晶蒸发器对高盐废水进行处置时，现场人员对参数的控制，会直接影响到蒸发器的蒸发效率。现场人员可以根据实际情况，摸索出适合该废水处置的加热器温度、冷凝器温度、分离真空度和分离器液面高度。虽然测试数据表明越低的冷凝器温度和真空度，越有利于提高蒸发效率，但在实际运行中，如果一味追求低的真空度和冷凝器温度，往往会极大的增加企业成本，所以在实际生产中，企业更多的是寻求投入产出的平衡点。
(2) 在实际生产过程中，观察到单效蒸发器在加热器温度控制在80℃左右、分离真空度保持在−0.08 MPa以下、冷凝器温度控制在30℃以下时、分离器液面高度为1 m的情况下处置此类高盐废水时，既能减少蒸汽使用量、延长蒸发器连续运行时间又尽可能实现蒸发器日处置量最大化的目标。
吴 琼,王振宇,王 迪,李龙刚,邹兆辉. 浅析运行工况对单效蒸发器效率的影响Analysis on the Influence of Operating Conditions on the Efficiency of Single-Effect Evaporator[J]. 水污染及处理, 2023, 11(03): 69-75. https://doi.org/10.12677/WPT.2023.113010
http://dx.doi.org/10.13589/j.cnki.yjdl.2022.06.029
http://dx.doi.org/10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2023.06.048