MVR分質提鹽蒸發結晶系統設計及性能分析

姜華，張子惠，宮武旗，常越勇

（1 西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2 西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049）

我國工業廢水產生量很大，且廢水成分復雜多變，處理難度大，尤其多組分的含鹽廢水處理極為困難。隨著科技進步及對環保的重視，廢水處理技術亟需發展。目前，針對多組分含鹽廢水處理，多效蒸發系統占據重要地位，對其性能分析及優化方面已有一定數量的研究，但多效蒸發系統設備體積龐大，生蒸汽消耗量大，末效二次蒸汽中的大量潛熱也難以利用，造成能源浪費。

機械蒸汽再壓縮（MVR）技術通過重新利用二次蒸汽的潛熱來減少對外界能源的需求，在針對單一工質水處理方面已進行了一些相關研究，是國際上先進的蒸發濃縮技術之一。目前，單級MVR 系統在海水淡化領域得到較為廣泛的應用，在空調防凍液和高濃度鹽溶液處理等方面也進行了部分研究，結果表明單級MVR 系統相比于傳統的單效或多效蒸發系統，節能效果大幅提高。在含鹽廢水結晶鹽回收方面，有學者分別針對硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液的蒸發結晶過程，采用單級MVR 系統進行綜合研究，結果表明，其比常規系統具有更高的COP 值，且能夠同時回收具有市場價值的結晶鹽成分。在MVR 系統結構優化方面，有學者研究了影響MVR 系統性能和結構設計的關鍵因素。為進一步提升MVR系統的節能效果，已有研究表明，兩級MVR 系統在處理單一工質高含鹽廢水領域的節能優勢更高。

綜上可知國內外學者依據物料種類及應用行業，研究分析了不同形式的MVR 系統，但是目前絕大部分基于MVR 技術的蒸發結晶系統僅針對含單一工質的物料。而實際工業中廢水成分復雜，如煤化工高鹽廢水主要成分為氯化鈉和硫酸鈉兩種工質，雖有學者從原理和應用特點等方面定性分析了基于MVR 技術的蒸發分鹽結晶工藝可行性，但對具體的工藝流程設計以及系統性能的研究分析在文獻中鮮有報道。此外，MVR 系統運行過程中會產生大量冷凝水，直接外排會造成水資源的浪費，若重新收集另作他用，則可充分利用冷凝水的這部分能量，能夠進一步提高MVR 系統的節能效果。

基于此，本文作者課題組在對單一工質單級MVR研究基礎上提出并設計了以降膜蒸發器為預蒸發器，與兩效強制循環蒸發器聯用，同時回收冷凝水的MVR 分質提鹽蒸發結晶系統。在深度處理廢水的同時，實現廢水中硫酸鈉與氯化鈉的分離，并使其結晶加以回收利用，同時綜合能量分析與?分析方法對該系統和傳統系統進行對比研究。

1 系統工藝流程

分質提鹽蒸發結晶工藝主要利用了硫酸鈉和氯化鈉的溶解度對溫度依賴性的差異，在50～120℃，硫酸鈉溶解度隨溫度升高而減小，氯化鈉溶解度隨溫度升高而增大。依據Na//Cl、SO-HO 體系不同溫度下三相共飽和時的溶解度，結晶溫度設計上首先要保證硫酸鈉和氯化鈉溶解度有一定的差異，而且溫度不能過低，避免壓縮機進口氣體體積較大，故本設計中硫酸鈉蒸發時選取100℃，氯化鈉蒸發時選取60℃。實際工業生產中，硫酸鈉與氯化鈉溶液蒸發量較大，結晶終點一般要求低于飽和濃度。MVR分質提鹽蒸發結晶系統流程如圖1所示（圖中數字1～31 為管段編號），其具體工作流程如下。

圖1 MVR分質提鹽蒸發結晶系統流程圖

對于蒸汽，一效降膜蒸發器⑤和二效強制循環蒸發器蒸發室⑦產生的二次蒸汽通入一級氣液分離器⑧，三效強制循環蒸發器蒸發室?產生的二次蒸汽通入二級氣液分離器?，去除氣體中夾雜的液滴后分別進入蒸汽壓縮機⑨和?進行壓縮，利用從預熱器?出來的冷凝水對壓縮產生的過熱蒸汽進行噴水處理至飽和狀態，作為蒸發所需的熱源蒸汽分別通入三個蒸發器中。補充蒸汽僅在系統啟動或運行中熱量損失過多時使用。

對于冷凝水，預熱器②與?內換熱形成的冷凝水分別通過凝水泵進入凝水箱儲存。其中從一級預熱器②出來的冷凝水作為二級預熱器?換熱過程中的冷流體，對濃縮液進行降溫處理；從二級預熱器?出來的冷凝水則對壓縮產生的過熱蒸汽進行飽和處理，實現了冷凝水的再利用。

2 系統設計數學模型

本文MVR 分質提鹽蒸發結晶系統數學模型，針對硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液的特性。設計過程基于以下假設：①系統處于穩定運行工況；②系統產生的冷凝水處于飽和狀態；③忽略不凝性氣體對換熱的影響；④忽略設備與管道的熱損失；⑤忽略管道壓降。以下給出各主要設備數學模型。

2.1 兩級預熱器

依據傳熱過程的三個基本方程可得預熱器的換熱量、換熱面積以及冷凝水溫度，具體如下。

一級預熱器的計算見式(1)～式(3)。

其中，冷凝水量為一效降膜蒸發器和二效強制循環蒸發器蒸汽耗量之和，即式(4)。

換熱有效傳熱溫差Δ取對數傳熱溫差，即式(5)。

一級預熱器和二級預熱器方法相同，區別僅在于換熱流體的溫度。

2.2 混合鹽溶液預蒸發——一效降膜蒸發器

MVR 分質提鹽蒸發結晶系統增設一效降膜蒸發器，用于混合鹽溶液預蒸發。由于溶液為硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液，要綜合考慮兩者的沸點升。

硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液的沸點升可通過式(6)近似計算。

式中，和分別為硫酸鈉和氯化鈉溶液的沸點升；為溶質的物質的量分數。

硫酸鈉溶液的沸點升可擬合為式(7)。

氯化鈉溶液的沸點升可擬合為式(8)。

式中，為校正系數；和分別為混合鹽溶液中硫酸鈉和氯化鈉的濃度。校正系數由式(9)計算。

式中，與分別為指定工況下飽和蒸汽溫度與水的汽化潛熱。

一效降膜蒸發器建模如式(10)～式(13)所示。

一效降膜蒸發器蒸發量根據進出口溶質的質量平衡關系計算，溶液濃縮比依據在蒸發溫度下硫酸鈉的溶解度對應的飽和濃度確定。式中，為原料液質量流量；和分別為蒸發器進出口硫酸鈉的質量濃度；蒸發量與蒸汽耗量理論上基本相同，設計時取富裕系數為1.1。換熱量通過蒸汽耗量和蒸汽潛熱得出。蒸發過程中料液與飽和蒸汽間為恒溫傳熱，有效傳熱溫差Δ取為飽和蒸汽溫度與出口溶液溫度之差。料液濃度會隨著水分蒸發不斷升高，導致對應沸點也隨之變化，蒸發器出口溶液溫度為蒸發溫度與混合鹽溶液沸點升之和，由此得出一效降膜蒸發器換熱面積。

根據一效降膜蒸發器進出口物料情況建立能量平衡式可得二次蒸汽量，如式(14)。其中按式(15)計算。

式中，和分別為相應工況下熱源蒸汽與二次蒸汽焓值；溶液的比熱容需綜合硫酸鈉的比熱容、氯化鈉的比熱容和水的比熱容，及下文所涉及的、與計算方法相同，區別僅在于濃度。

2.3 混合鹽溶液蒸發分鹽——二效和三效強制循環蒸發器

為實現系統分質提鹽，系統設計采用兩效強制循環蒸發器，分別為二效和三效強制循環蒸發器。強制循環蒸發器主要結構包括加熱室和蒸發室兩部分。圖2為二效強制循環蒸發器結構示意圖。

圖2 二效強制循環蒸發器結構示意圖

二效強制循環蒸發器蒸發量可根據進出口溶質的質量平衡關系得出，溶液濃縮比依據二效強制循環蒸發器出口氯化鈉的飽和濃度確定。75～100℃析鹽順序為硫酸鈉＞氯化鈉，在設定100℃的蒸發溫度下可保證操作點位于Na//Cl、SO-HO

體系相圖的硫酸鈉結晶相區中。強制循環蒸發器內溶液停留時間短，忽略沸點變化，則二效強制循環蒸發器出口溶液溫度與一效降膜蒸發器出口溶液溫度相同，二效強制循環蒸發器內有效傳熱溫差Δ為飽和蒸汽溫度與出口溶液溫度之差，即Δ=Δ。二效強制循環蒸發器建模如式(16)～式(18)所示。

強制循環蒸發器單位加熱面積的功耗經驗值為0.4～0.8kW，本設計中選取0.6kW 計算二效強制循環蒸發器功耗[式(19)]。二次蒸汽量通過建立能量平衡式計算，表示為式(20)。

三效與二效強制循環蒸發器計算方法相同，區別在于三效強制循環蒸發器內的有效傳熱溫差。

2.4 兩級蒸汽壓縮機

依據設定的壓縮飽和溫升首先確定出蒸汽壓縮機出口飽和狀態的出氣壓力，而后根據蒸汽壓縮機進口參數確定出口過熱蒸汽的溫度等狀態參數，過熱蒸汽進行飽和處理所需的噴水量由能量守恒關系得出。一級蒸汽壓縮機建模如式(21)～式(24)所示。

式中，為多變指數；為絕熱系數；蒸汽壓縮機多變效率取值范圍為0.70～0.84；吸氣量取決于二次蒸汽量與蒸汽密度；二次蒸汽量為一效降膜蒸發器和二效強制循環蒸發器二次蒸汽產生量之和；和分別為一級蒸汽壓縮機的進氣壓力與出氣壓力，一級蒸汽壓縮機功耗計算如式(24)所示。

一級蒸汽壓縮機出口過熱蒸汽飽和處理的能量平衡關系表示為式(25)。

式中，為從二級預熱器中出來的冷凝水的焓值；為壓縮出口過熱蒸汽焓值，計算可得噴水量。二級與一級蒸汽壓縮機建模方法相同，區別在于壓縮機進出口狀態參數與壓縮的蒸汽量。

2.5 氣液分離器和結晶分離器

氣液分離器對蒸發器產生的二次蒸汽進行氣液分離，防止壓縮機液擊。系統選用離心式氣液分離器。一級與二級氣液分離器分離室體積為式(26)。

式中，為二次蒸汽的流量；為分離體積強度。

結晶分離器將晶體從晶漿中分離，系統選用螺旋篩網離心式分離器。一級與二級結晶分離器晶體流量計算如式(27)～式(29)所示。

式中，為晶漿流量；為硫酸鈉晶體流量；為氯化鈉晶體流量；為循環液流量。

2.6 模型驗證

通過基于兩級MVR 蒸發系統形式的處理硫酸鈉廢水的實驗數據驗證系統設計模型的準確性，表1為設計模型計算結果與實驗數據對比情況。可以看出在相同工況條件下，設計模型計算和實驗誤差較小，壓縮機總功耗誤差略大，原因在于實際工作中壓縮機熱損失較多，工作效率比理論設計值低。結果表明本文的設計計算模型準確性良好，結果可靠，可用于系統設計計算。

表1 設計模型計算結果與實驗數據

3 系統?分析方法

MVR 分質提鹽蒸發結晶系統中物流類型主要包括混合鹽溶液物流、含晶體顆粒的晶漿物流和氣體物流，?分析模型針對的是硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液的特性。確定流動工質的?，首先求得其比?，比?與工質流量的乘積即為?值。以下給出系統?分析方法模型。

3.1 物流比計算方法

本文將廢水視為實際溶液，溶液?計算需綜合考慮硫酸鈉、氯化鈉和水的性質。對實際硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液?的計算則需分別確定兩者的物理比?和化學比?。

單一工質溶液的物理比?、化學比?分別為式(30)、式(31)。混合溶液的物流比?為式(32)。

晶漿流比?表示為晶體比?與溶液比?之和，晶體比?按照相平衡計算[式(33)]。

活度計算如式(34)所示。

式中，為質量摩爾濃度；是平均活度系數。硫酸鈉和氯化鈉混合鹽溶液屬于雙組分電解質溶液，區別于單組分電解質溶液，雙組分電解質溶液中存在的電解質的種類和濃度會對溶液活度系數產生影響，所涉及NaCl-NaSO-HO體系的活度系數通過文獻[34]查閱。

蒸汽看作理想氣體，氣體流比?為式(35)。

式中，為蒸汽焓值；′為環境基準態蒸汽焓值；′為環境基準態溫度；為蒸汽熵值；′為環境基準態熵值。

3.2 平衡與效率

系統?平衡關系見圖3。

圖3 MVR分質提鹽蒸發結晶系統?平衡關系圖

系統的輸入?由兩部分組成：一部分是可直接利用的，包括一級蒸汽壓縮機（）、二級蒸汽壓縮機（）、二效強制循環蒸發器（）、三效強制循環蒸發器（）、泵（）、結晶分離器（）和氣液分離器（）的耗電量，一效降膜蒸發器主要利用的是加熱蒸汽的熱量進行蒸發，僅在泵中消耗少量電能，耗電量與蒸汽耗量相比很小，在此忽略不計；另一部分為原料液的物流?（），輸出?為冷凝水（）與晶漿（）所具有的?，其中是不可逆過程的?損失。

系統的?平衡方程表示為式(36)。?效率為收益?與支付?之比，即式(37)。

4 實例計算

4.1 設計工況下熱力計算

系統設計工況參數見表2。借助Matlab 軟件編寫系統設計計算程序，得出系統設計運行工況時的熱力狀態參數，并對系統主要設備進行?分析計算。表3是系統各管段的熱力計算和?分析計算結果，據此得到的設備性能參數見表4。

表2 系統設計工況參數

表3 MVR分質提鹽蒸發結晶系統各管段熱力狀態

表4 系統主要設備性能參數

4.2 與傳統五效蒸發分鹽系統的對比分析

目前已有的傳統多效蒸發分鹽工藝綜合能耗較高，在第一效需不斷通入新鮮蒸汽，生蒸汽耗量大。在相同設計任務參數條件下，將上述計算實例與傳統五效蒸發分鹽系統進行性能對比，傳統五效蒸發分鹽系統以文獻[6]所述為原型，工藝流程見圖4。

圖4 五效蒸發分鹽循環工藝流程

引入效能系數COP 和單位能耗來直觀有效地對系統性能進行評價，COP定義見式(38)。

單位能耗定義見式(39)。

五效蒸發分鹽工藝加熱蒸汽采用112℃、0.153MPa 的飽和水蒸氣，蒸發量在各效間的配比取1.0∶0.8∶0.6∶0.5∶0.7，同樣取富裕系數1.1，在理想狀況下新鮮蒸汽耗量為4125kg/h，可利用的潛熱量為2590kW。依據蒸發量在各效間的配比可得末效二次蒸汽量為2625kg/h，設立冷卻水初溫為20℃、出口溫度50℃的冷卻系統對末效60℃的二次蒸汽進行冷凝，根據能量平衡關系可得冷凝所需換熱量為1648kW，冷卻水流量為47t/h。

依據本文所建系統?分析方法模型計算五效蒸發分鹽系統的?效率和?損失。MVR 分質提鹽蒸發結晶系統與參比系統性能對比情況見表5。

表5 MVR分質提鹽蒸發結晶系統與參比系統性能對比

在能量分析方面，五效蒸發分鹽方案需大量的高溫高壓蒸汽作為熱源，并且隨著蒸發器效數的增加，傳熱的溫差損失也會隨之增大，使蒸發器的蒸發能力下降，同時末效蒸發器產生的二次蒸汽也得不到利用。而MVR 分質提鹽方案能夠充分回收利用二次蒸汽的潛熱，COP值遠超五效蒸發分鹽方案93.5%。MVR分質提鹽蒸發結晶系統中降膜蒸發器起到預蒸發的作用，預先蒸發出大部分水分，減小了強制循環蒸發器的工作量，避免了所有水分在高濃度與高沸點升下蒸發；而五效蒸發分鹽方案中隨著效數的增加，物料濃度和沸點升都逐漸升高，蒸發量也很大，蒸汽耗能也隨之增大。因此MVR 分質提鹽方案的單位能耗要比五效蒸發分鹽方案低，在本實例中單位能耗僅為五效蒸發分鹽方案的22.4%。由此可見MVR分質提鹽方案節能效果顯著提高。

在?分析方面，?反映的是能量的質，支付?與收益?是系統?效率和?損失的主要影響因素。MVR 分質提鹽方案的支付?來自電能，理論上可全部用來對外做功，?值等于其本身數值，而五效蒸發分鹽方案的支付?主要來自蒸汽熱能，熱能在不影響外界的條件下只能部分轉換為功，因此蒸汽的?值遠遠小于其自身能量值。本實例中兩系統在蒸發量和產量相同的情況下收益?相當，MVR 分質提鹽方案的?效率高于五效蒸發分鹽方案70.4%，?損失則低于五效蒸發分鹽方案33.6%。結果表明，MVR 分質提鹽方案的系統熱力學完善度和能量利用率更高。

在結晶鹽品質方面，通過一級結晶分離器得到部分純度較高的硫酸鈉產品后，母液進入三效強制循環蒸發器進行蒸發，經二級結晶分離器結晶分離氯化鈉晶體的同時可能造成底部沉積，影響系統的穩定運行和產品質量，可考慮對結晶分離器底部結構進行改造，增加用于淘洗結晶鹽的洗鹽器來減少氯化鈉結晶鹽中的雜質，提高氯化鈉產品質量。此外，在實際生產中還可以采取外排一部分雜鹽的方式來減少系統循環量，提高氯化鈉產品的純度。

5 結論

設計以降膜蒸發器作為預蒸發器，與兩效強制循環蒸發器聯用，同時回收冷凝水的MVR 分質提鹽蒸發結晶系統，針對硫酸鈉與氯化鈉混合鹽溶液特性進行綜合能量分析和?分析。以常壓工況下硫酸鈉質量分數為5%、氯化鈉質量分數為8%的混合鹽溶液的蒸發結晶過程為例，計算系統熱力狀態以及各主要設備的性能參數，并將其與傳統五效蒸發分鹽方案進行對比分析，結論如下。

（1）物料首先經過降膜蒸發器的預蒸發處理后再進入強制循環蒸發器進一步分鹽結晶，避免了所有水分在高濃度與高沸點升下蒸發，在實現分鹽的同時減少了系統的耗電量。

（2）能量分析方面，相同工況下MVR 分質提鹽蒸發結晶系統COP值為18.5，高于傳統五效蒸發分鹽系統93.5%，而單位能耗僅為傳統五效蒸發分鹽系統的22.4%，可見系統節能效果明顯。

（3）?分析方面，相同工況下MVR 分質提鹽蒸發結晶系統與五效蒸發分鹽系統?效率之比為1∶0.59，而其?損失之比為1∶1.5，表明MVR 分質提鹽蒸發結晶系統熱力學完善度更高。

（4）回收利用了系統產生的冷凝水，一部分用于預熱器換熱，一部分用于壓縮機出口處的噴水飽和處理過程，在提高系統能量利用率的同時節約了水資源。

符號說明

—— 溶液比熱容，kJ/(kg·℃)

—— 水的比熱容，kJ/(kg·℃)

—— 蒸汽質量流量，kg/h

—— 質量流量，kg/h

—— 蒸汽焓值，kJ/kg

—— 傳熱系數，W/(m·℃)

—— 耗電量，kW

—— 蒸汽壓力，MPa

—— 換熱量，kW

—— 凝水質量流量，kg/h

—— 汽化潛熱，kJ/kg

—— 換熱面積，m

—— 蒸汽溫度，℃

—— 環境基準態溫度，℃

—— 料液溫度，℃

—— 分離體積強度，m/(m·s)

—— 二次蒸汽體積流量，m/h

—— 蒸發量，kg/h

—— 料液質量分數，%

—— 物質的量分數，%

—— 飽和溶液活度

—— 環境基準態活度

—— 密度，kg/m

—— 總離子個數

下角標

a—— 硫酸鈉

b—— 氯化鈉

cr—— 晶體

g—— 氣體

j—— 溶劑

l—— 液體

m—— 摩爾量

ov—— 過熱蒸汽

p—— 噴水

x—— 循環液

z—— 溶質