石墨換熱器處理含鹽廢水的實(shí)驗(yàn)研究

李改軍 顧濤 新疆圣雄氯堿有限公司

高鹽度廢水屬于極難處理的廢水之一。生物處理技術(shù)因經(jīng)濟(jì)、高效而被廣泛地應(yīng)用于污水處理中，但是當(dāng)污水鹽度過高時(shí)，會對微生物的細(xì)胞膜和菌體內(nèi)的酶造成破壞，對微生物的生長也會產(chǎn)生抑制作用，從而使廢水處理無法達(dá)到理想的效果。一些企業(yè)采用稀釋的方法，使廢水鹽度降低到微生物能夠承受的范圍，再進(jìn)行生物處理，這種方法雖然簡單，且易于操作和管理，但會增加處理規(guī)模、基建投資以及運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)又會造成大量水資源的浪費(fèi)。目前，對于高鹽度廢水的大量處理所采用是蒸發(fā)濃縮法，并已經(jīng)實(shí)踐證明是一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法。

一、實(shí)驗(yàn)裝置及過程

（一）實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本裝置為一套強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)裝置，主要由石墨換熱器、蒸發(fā)罐、循環(huán)泵、真空泵、冷凝器及其他附屬設(shè)備組成。含鹽廢水流經(jīng)石墨換熱器時(shí)被加熱，然后在分離器的壓力降低時(shí)部分蒸發(fā)，從而將液體冷卻至對應(yīng)該壓力下的沸點(diǎn)溫度。由于循環(huán)泵的原因，蒸發(fā)器的操作與溫差基本無關(guān)。物料的再循環(huán)速度可以精確調(diào)節(jié)。蒸發(fā)速率設(shè)定在一定的范圍內(nèi)。在結(jié)晶應(yīng)用中，晶體可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)流動(dòng)速度和采用特殊的分離器設(shè)計(jì)從循環(huán)晶體泥漿中分離出來。設(shè)備采用泵強(qiáng)制循環(huán)，蒸發(fā)速率高，濃縮比大，特別適用于濃度較高容易結(jié)垢的物料的蒸發(fā)。調(diào)整好進(jìn)料和出料濃度平衡，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和出料。

裝置由循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和冷凝系統(tǒng)組成。加熱蒸汽由蒸汽發(fā)生器提供，在塊孔式石墨換熱器的一側(cè)孔道內(nèi)冷凝放出熱量，冷凝液經(jīng)過疏水閥由集液器收集料液流經(jīng)塊孔式石墨換熱器的另一側(cè)孔道時(shí)吸收熱量，并在分離室中汽液分離二次蒸汽由真空泵抽出并在波面板的內(nèi)部冷凝，冷卻水經(jīng)過液體分布器在波面板外表面實(shí)現(xiàn)降膜流動(dòng)，不斷地從二次蒸汽中吸收熱量使其冷凝。冷凝液經(jīng)過緩沖罐由計(jì)量罐收集并且計(jì)量。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）打開自來水源，經(jīng)過樹脂罐軟水器去離子后，給蒸汽發(fā)生器的內(nèi)置水箱供水。當(dāng)水箱的液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，水箱內(nèi)的浮球閥自動(dòng)關(guān)閉停止進(jìn)水。

（2）關(guān)閉蒸汽發(fā)生器的排污閥，打開電源。蒸汽發(fā)生器的內(nèi)置水泵自動(dòng)從水箱內(nèi)抽水輸送至爐膽內(nèi)，同時(shí)水箱內(nèi)的浮球閥開啟，自來水源繼續(xù)給水箱補(bǔ)水。當(dāng)爐膽內(nèi)的液位達(dá)到低水位時(shí)，電熱管開始加熱，水泵繼續(xù)補(bǔ)水至高水位，停止補(bǔ)水。

（3）開啟進(jìn)料泵，由料液罐向系統(tǒng)輸送料液，分離罐內(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料泵。

（4）開啟料液循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵和真空泵，料液低溫蒸發(fā)，二次蒸汽在波面板冷凝器中冷凝，冷凝液由緩沖罐收集，真空度由真空泵上的真空表讀取。

（5）不斷地從分離罐取樣口取樣，用MB45 水分測定儀測定出水濃度。當(dāng)濃度要求時(shí)，開啟進(jìn)料泵，打開出料口，開始連續(xù)操作。用流量計(jì)控制進(jìn)料量和出料量，使系統(tǒng)達(dá)到平衡。

（6）接通電磁流量計(jì)電源，通過分離罐進(jìn)口處的截至閥控制循環(huán)流量，當(dāng)流量值穩(wěn)定后，測量石墨換熱器進(jìn)出口的溫度和壓力，并測量一段時(shí)間內(nèi)的加熱蒸汽和二次蒸汽冷凝量。

（7）改變加熱蒸汽溫度、料液循環(huán)流量、溫度和濃度，做不同操作條件下的傳熱實(shí)驗(yàn)。

（8）實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器電源，待蒸汽發(fā)生器的壓力表讀數(shù)降至0.5MPa 后，關(guān)閉料液循環(huán)泵、進(jìn)料泵、冷卻水循環(huán)泵及真空泵。

（9）關(guān)閉自來水源，打開蒸汽發(fā)生器的排污閥，進(jìn)行排污。排污結(jié)束后，保持排污閥為打開狀態(tài)，直至下次運(yùn)行，以防止鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）不同操作條件下總傳熱系數(shù)值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，總傳熱系數(shù)隨流量的增大而增大，隨溫度的升高而增大，隨濃度的升高而減小。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，總傳熱系數(shù)的變化范圍是770～1100W/（m2·K）。在工業(yè)中，石墨換熱器加熱或冷卻酸堿等腐蝕性介質(zhì)的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的范圍是17.45～2907.5W/（m2·K）。通過比較可知，用石墨換熱器作為加熱器來處理含鹽廢水，傳熱性能較好。一方面，石墨材料與大多數(shù)介質(zhì)之間的“親和力”極小，晶體不易附著在表面另一方面，在強(qiáng)制循環(huán)的作用下，晶體在孔道表面附著的可能性進(jìn)一步減小，因此結(jié)晶對換熱器傳熱性能的影響程度較小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還可以看出，影響傳熱系數(shù)的主要因素是流量，溫度和濃度對傳熱系數(shù)的影響程度較小。

流量越大，換熱器孔道中流體的湍流程度越好，熱阻越小，同時(shí)可以防止由于局部過熱而析出的晶體附著在孔道表面，因此傳熱效果越好。溫度主要是同過影響流體的粘度來影響傳熱，溫度升高，流體粘度減小，熱阻減小，有利于傳熱。濃度升高一方面使流體的粘度增大，不利于傳熱，同時(shí)更容易析出晶體，使孔道表面的污垢熱阻增加，影響傳熱效果。

（二）不同操作條件下的熱流量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱流量隨溫度的升高而減小，隨流量的增大而增大，隨濃度的升高而減小。由于加熱蒸汽溫度恒定，料液的溫度越高，兩側(cè)的傳熱溫差越小，傳熱推動(dòng)力減小必然導(dǎo)致熱流量的減小流體量越大，傳熱效果越好，在相同的溫差條件下，熱流量也越大流體濃度越大，傳熱效果越差，在相同的溫差條件下，熱流量越小。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的對比分析

在相同的濃度和流速條件下，將鹽水側(cè)傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比表明，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的偏差最大為15.4%，最小偏差為9.6%。模擬值整體比實(shí)驗(yàn)值偏大，并且實(shí)驗(yàn)值隨溫度的變化不如模擬值明顯。其可能的原因是：介質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)值是通過測得的總傳熱系數(shù)值計(jì)算得到的，與真值存在一定誤差；模擬過程中做了一些簡化假設(shè)，造成一定誤差；實(shí)驗(yàn)過程中，鹽水可能由于局部過熱而產(chǎn)生結(jié)晶，使熱阻增大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值偏小。

雖然模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在一定偏差，但是偏差不大，說明模型較好地反映了塊孔式石墨換熱器處理鹽水的傳熱特性，為塊孔式石墨換熱器處理含鹽廢水的放大和工業(yè)應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

（四）與圓塊孔式石墨換熱器的性能比較

模擬結(jié)果可知，首先，鹽水的粘度遠(yuǎn)大于水，粘度增加，會減小流動(dòng)的湍流度，使熱邊界層的厚度增加，不利于傳熱其次，鹽水在濃縮的過程中會析出晶體，雖然石墨材料不易結(jié)垢，且在強(qiáng)制對流的作用下，晶體附著程度進(jìn)一步減小，但是晶體的存在還是會對傳熱產(chǎn)生一定影響。因此以水為工質(zhì)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，如果用來預(yù)測鹽水的傳熱，結(jié)果必定會偏大。

通過比較可知，流體在圓形直管內(nèi)湍流時(shí)的傳熱關(guān)聯(lián)式能比較好地描述了矩形塊孔式石墨換熱器鹽水側(cè)的傳熱特性。經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值高7.5%～23%。塊孔式石墨換熱器中，由于流體出于進(jìn)口段，因此傳熱效果好，應(yīng)該比圓形直管內(nèi)的傳熱系數(shù)大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。可能的原因有兩種由于塊孔式石墨換熱器特殊的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的傳熱機(jī)理可能與圓形直管內(nèi)的情況有所不同，因此導(dǎo)致傳熱系數(shù)的差別鹽水在濃縮的過程中析出的晶體，對傳熱造成了一定影響，使鹽水側(cè)的傳熱系數(shù)偏低。

三、結(jié)語

在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，總傳熱系數(shù)的變化范圍是770～1100W/（m2·K）。石墨換熱器處理酸堿等腐蝕性介質(zhì)的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的范圍是17.45～2907.5W/（m2·K）。通過比較可知，由于石墨材料不易結(jié)垢的特點(diǎn)及流體強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)的作用，晶體在孔道表面附著程度很小，以石墨換熱器作為加熱器處理含鹽廢水，傳熱性能良好。