三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于含鹽廢水的建模與仿真

宋二偉，王二強(qiáng)

(1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041;2.中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100049)

隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，節(jié)能降耗已成為當(dāng)今時(shí)代主題。蒸發(fā)作為主要的能耗單元，關(guān)于其節(jié)能降耗的研究一直深受研發(fā)人員及工程師的關(guān)注[1-7]。化工含鹽廢水的處理主要采用蒸發(fā)分離技術(shù)，目前主要采用三效蒸發(fā)處理技術(shù)進(jìn)行濃縮處理。

本文借助流程模擬軟件對(duì)含鹽廢水傳統(tǒng)三效蒸發(fā)工藝進(jìn)行建模仿真，對(duì)蒸發(fā)工藝的部分因素進(jìn)行分析，為最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)的選擇提供指導(dǎo)和建議。同時(shí)，基于流程模擬軟件，對(duì)傳統(tǒng)三效蒸發(fā)工藝進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到最大節(jié)能效果。

1 三效蒸發(fā)工藝流程

如圖1所示，為含鹽廢水處理三效蒸發(fā)分離工藝模型。前一蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽用作下一蒸發(fā)器的供熱，含鹽廢水達(dá)到濃縮要求需要的蒸汽負(fù)荷可以大大減少。但是，加熱蒸汽的能量只能利用一次，會(huì)造成部分能耗(汽耗)的浪費(fèi)。

圖1 三效蒸發(fā)流程
Fig.1 Process of three-effect evaporation

為了達(dá)到進(jìn)一步節(jié)約能耗的目的，在原工藝流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。工藝流程由原先的并流改為逆流，且添加了兩個(gè)閃蒸罐改為三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)。相比原先工藝，雖然該工藝增加了前期設(shè)備投資，但可以充分利用加熱蒸汽的余熱，即在原有基礎(chǔ)上可以使汽耗進(jìn)一步降低，在滿足生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖2 改進(jìn)的三效蒸發(fā)流程
Fig.2 A novel process of three-effective evaporation

2 案例分析

擬采用進(jìn)料廢水為1000kg h-1,含氯化鈉3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和水96.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，進(jìn)料溫度25℃，常壓。要求為使?jié)饪s液中氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)20%。采用如圖1所示三效蒸發(fā)工藝，三臺(tái)蒸發(fā)器閃蒸壓力分別為1bar，0.75bar，0.5bar。且加熱蒸汽為200℃飽和蒸汽，三臺(tái)換熱器壓降均為0，冷凝液氣相分率均為0，熱力學(xué)方法為ELECNRTL。

借助Aspen流程模擬軟件進(jìn)行建模分析，得到滿足生產(chǎn)要求的蒸汽消耗為457.48kg h-1。為了進(jìn)一步研究汽耗的影響因素，對(duì)進(jìn)料廢液溫度及蒸發(fā)器的操作壓力進(jìn)行分析研究。借助Aspen的靈敏度分析工具和設(shè)計(jì)規(guī)定模塊，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，分別分析進(jìn)料溫度、首個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)蒸汽消耗的影響，并同時(shí)分析兩者對(duì)蒸汽消耗的影響，結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 進(jìn)料溫度和首個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)汽耗的影響(A,B分別表示進(jìn)料溫度和閃蒸壓力)
Fig.3 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption (A and B present feed temperature and pressure in evaporation,respectively)

由圖3知，其它條件不變時(shí)，隨著進(jìn)料廢水溫度升高，達(dá)到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之降低；隨著首個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力升高，達(dá)到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之增加。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減少蒸汽消耗，要做好原料輸送管道和中間儲(chǔ)罐的保溫、減少熱量損失；同時(shí)，出現(xiàn)冷凝器結(jié)垢或真空泵性能降低情況時(shí)，要及時(shí)維修處理。

為了更加詳細(xì)了解進(jìn)料溫度與首個(gè)蒸發(fā)器閃蒸溫度對(duì)汽耗的耦合影響效果，同時(shí)分析兩者對(duì)汽耗的影響，固定第二、第三個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力不變，進(jìn)料溫度在20～40℃范圍內(nèi)變化，同時(shí)第一個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力P在0.8～1.5bar之間變動(dòng)，借助Aspen靈敏度分析工具和設(shè)計(jì)規(guī)定模塊，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，分析它們對(duì)蒸汽消耗的影響。結(jié)果如圖4所示。

由圖4知，二者的影響相互耦合，且進(jìn)料溫度T=40℃和閃蒸壓力P=0.8bar時(shí)，消耗蒸汽最少，大約為457kg h-1。

為了進(jìn)一步節(jié)能降耗，對(duì)原三效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行改造(如圖2所示)，即采用三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)。Aspen中的Heater模塊與Flash2等效降膜蒸發(fā)器[8]，搭建流程如圖2所示。蒸汽加熱方向與物料流向相反，且前一效蒸汽換熱后經(jīng)過閃蒸分離的汽相與二次蒸汽混合作為下一效蒸發(fā)器的熱源。在滿足生產(chǎn)要求下，利用Aspen設(shè)計(jì)規(guī)定模塊得到蒸汽消耗量為315.52kg h-1，與原三效蒸發(fā)系統(tǒng)相比，節(jié)省汽耗(節(jié)能)約31%。接著對(duì)該蒸發(fā)系統(tǒng)的部分影響汽耗的因素進(jìn)行分析，主要分析進(jìn)料含鹽廢液溫度和第一效蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)汽耗的影響。借助Aspen靈敏度分析工具和設(shè)計(jì)規(guī)定模塊分別對(duì)進(jìn)料溫度、一效蒸發(fā)器閃蒸壓力及二者耦合效果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 進(jìn)料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)蒸汽消耗的影響
Fig.4 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

圖5 進(jìn)料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)汽耗的影響(A,B分別表示進(jìn)料溫度和閃蒸壓力)Fig.5 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption (A and B present feed temperature and pressure in evaporation,respectively)

由圖5知，其它條件不變時(shí)，隨著進(jìn)料廢水溫度升高，達(dá)到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之降低；隨著首個(gè)蒸發(fā)器閃蒸壓力升高，達(dá)到生產(chǎn)要求需要的蒸汽量隨之增加。

圖6 進(jìn)料溫度和蒸發(fā)器閃蒸壓力對(duì)蒸汽消耗的影響
Fig.6 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

由圖6知，二者的影響相互耦合，且進(jìn)料溫度T=40℃和閃蒸壓力P=0.8bar時(shí)，消耗蒸汽最少，大約為304kg h-1。

3 結(jié)論

借助Aspen 流程模擬軟件對(duì)含鹽廢水濃縮三效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料溫度越高、蒸發(fā)器閃蒸壓力越低蒸汽消耗量越少，即在實(shí)際生產(chǎn)中，要做好原料輸送管道和中間儲(chǔ)罐的保溫、減少熱量損失；同時(shí)，出現(xiàn)冷凝器結(jié)垢或真空泵性能降低情況時(shí)，要及時(shí)維修處理。另外，利用三效雙閃逆流降膜蒸發(fā)系統(tǒng)代替原有三效蒸發(fā)系統(tǒng)可以節(jié)省汽耗約31%。