185 WB=W1S1+G1B1=W1S1+(W。—W1)B1 W1二次蒸气 (10-11) 原废水 B 凝结水 由此得浓缩液的溶质浓度为 w3B,-w,S, 一次蒸气D B 1 W- (10-12) 对于含非挥发溶质的废水,S1很小,可 忽略,故有 Bi W。-W;=·B(10-13) 次 蒸气凝结水 式中a为原废水量与浓缩液量之比,称为浓 母液 缩倍数。由上式知,浓缩倍数愈大,浓缩液 的浓度愈高。欲获得浓度为B1的浓缩液,需 图10-10蒸发过程物料衡算图 蒸发的水量为 B1-B0 B,-B w。=Wl1 (10-14) 根据热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量的热量衡算原理,得 to)+w (10-15 式中 次加热蒸汽的冷凝热,kJ/k P一废水的比热容,kJ/kg·K; t—废水的沸点,K; 次蒸汽凝结水的汽化热,kJkg 废水在进入蒸发器前,如将其加热到沸点,即t=t,则 DM=W或B (10-16) 式中D/W为蒸发1kg水所需的一次蒸汽量,其值与r和r有关。当一次蒸汽的压力为 0.3MPa(绝),r=21657kJ/kg;若二次蒸汽的绝对压力维持005MPa和0.103MPa,则其 汽化热分别为23015和22568kJ/kg由此得两种情况下的D2/W值分别为1.063和1.023 为了减少一次蒸汽耗量,降低操作 SnW1,.TI Sa, W2,.T2 s 费用,常采用多效蒸发工艺。即将几个 蒸发器串联起来,第一级蒸发产生的二 次蒸汽作为第二级蒸发器的热源,第二 Do, P 级的二次蒸汽作为第三级的热源,依次 类推。通常把每一蒸发器称为一效 以图101所示的顺流串联式多效 B,nb2ln, LWu BaB w….蒸发工艺为例,进行物料与热量衡算 在蒸发过程中,如果无额外蒸汽引 图10-11顺流法操作示意图 出,则总蒸发量为各效蒸发量之和;如 果溶质在燕发过程中无积累或损失,则 废水中的溶质量应与浓缩液中的溶质量相等,即 W=W1+W2+…+W (10-17)
l86 W。B=G1B1 =G2B2=(W。-W1-W2)B2 GnB=(W。-W1-W -wB (W。W)Bn (1018) 由此,求得总蒸发水量W为 W=W,(I-Bo/ B) (10-19) 而任一效中浓缩液浓度为 B。=w。WW,+=W (102c) 如果在生产操作中已测得各效的浓B1,B2……B3,则可由式(10-20)求得各效的蒸发 水量。考虑到在顺流法操作中,由于各效溶液的沸点依次下降,从前一效加入次一效的溶液 会产生自蒸发,使各效蒸发水量的比例逐次增加。而且各效蒸发不可避免地存在热损失,所 以各效的实际蒸发水量须结合蒸发过程的热量衡算确定。 仍以图10-11为例。对第一效作热量衡算,并且忽略因溶液浓度变化而产生的热效应 则有 。I+W 1i1+(Wcr-W1)t1+D61+ (10-21) 式中、i1一分别为加热蒸汽和一效二次蒸汽的焓值,kJ/kg; 废水的比热容,其值随浓度变化,kJ/kgK; 次蒸汽的凝结温度,K 效浓缩液的沸点,K; q—第一效的热损失,kJ/h 将式(10-21)移项整理得, D(I-61)=W1(i1-t1)+Wocp(t1-t)+ 对于第二效蒸发器,仿照式(10-22)可写出: W1(i-2)=W2(t-t2)+(Wcp-W1)(t2-1)+q 同理,第n效蒸发器的热量衡箅式为 Wn-ia-1-0n)=w(in-t)+(WoCp-W-w2 n-1)·(tn-t)+q(10-24) 将上式等号两端同除以(i-tn),移项得, W +(Wocp-W-w (10-25) 式中(in-1-6)为任一效加热蒸汽所放出的热量,(n-tn)为任一效二次蒸汽的蒸发潜热, (in-1-6)/(a-tn)为每kg加热蒸汽冷凝时所放出的潜热可以蒸发的水量,称为蒸发系数,可 近似地取为1.(u-1t)为相邻两效溶液的沸点之差,当用顺流法操作时tn1>t,每kg溶 液从n-1效进入n效时,放出显热为cP(a-1-t),此项热量所产生的二次蒸汽量为 这种现象称为溶液的自蒸发,式(026)中的R称为自蒸发系数、其值很小,般为6) 0.1。 如将式(1025)中的热损失项并入等式右端的另两项中,用一热利用系数n反映,则式 (10-25)可写为
Wn=[Wn+(Wcp-W1-W2-…-Wn-1)B。Jn (10-27) 上式为多效蒸发操作任一效蒸发水量的计算式,它将加热蒸汽量、自蒸发量和热损失对 蒸发水量的关系联乐起来了 二、蒸发设备 二次蒸汽 1.列管式蒸发器 列管式蒸发器由加热室和蒸发室构成。根据废水循环 流动时作用水头的不同,分自然循环式和强制循环式两种。 中央循环管 图10-12为自然循环竖管式蒸发器。加热室内有·组 料液入口 貞立加热管(D25-75,长0.6~2m),管内为废水,管外蒸汽进口 为加热蒸汽。加热室中央有一根很粗的循环管,其截面积 为加热管束截面积的40%~100%。经加热沸腾的水汽混 合液上升到蒸发室后便进行水汽分离。蒸汽经捕沫器截 冷凝水出口 留液滴后,从蒸发室的顶部引出。废水则沿中央循环管 下降,再流入加热管,不断沸腾蒸发。待达到要求的浓 浓缩液出日 度后,从底部排出。其总传热系数范围为(2.10~10.5) 图10-12自然循环竖管 10kJ/m2·h·C。 式蒸发器 自然循环竖管式蒸发器的优点是构造简单,传热面积 较大,清洗修理较简便。缺点是循环速度小,生产率低。适于处理粘度较大及易结垢的 废水。 为了加大循环速度,提高传热系数,可将蒸发室的 液体抽出再用泵送入加热室,构成强制循环蒸发器。因 二次蒸汽 管内强制流速较大,对水垢有一定冲刷作用,故该蒸发 器适于蒸发结垢性废水,但能耗较大。 分离器 2薄膜式蒸发器 薄膜式蒸发器有长管式旋流式和旋片式三种类型 其特点是废水仅通过加热管一次,不作循环,废水在加 浓缩液 热管壁上形成一层很薄的水膜。蒸发速度快,传热效率 浓缩液 高。薄膜蒸发器适于热敏性物料蒸发,处理粘度较大,容 蒸发室 易产生泡沫废水的效果也较好。 长管式薄膜蒸发器按水流方向又可分为升膜(图 加热蒸汽H 10-13)、降膜和升-降膜式三种。加热室内有一组5~8m 长的加热管,废水从管端进入,沿管程汽化,然后进入 分离室,分离二次蒸汽和浓缩液 旋流式薄膜蒸发器构造与旋风分离器类似。废水从 冷凝水 原料液 顶部的四个进口沿切线方向流进,由于速度很高,离心 力很大,因而形成均匀的螺旋形薄膜,紧贴器壁流下。在 内壁外层蒸汽夹套的加热下,液膜迅速沸腾汽化。蒸发 图10-13升膜式蒸发器 残液由锥底排出,二次蒸汽由顶部的中心管排出。其特 点是结构简单,传热效率高,蒸发速度快,适于蒸发结
晶,但因传热面较小,设备能力不大 如果用高速旋转叶片带动废水旋转,产生离心力,将废水甩向器壁形成水膜,再经蒸汽 夹套加热器壁蒸发废水,则成旋片式薄膜蒸发器 3.浸没燃烧蒸发器 次蒸汽与燃烧气 燃料 浸没燃烧蒸发器是热气与废水直接 接触式蒸发器,热源为高温烟气。图10 燃烧器 14为其构造示意图。燃料(煤气或油)和 空气在混合室1混合后,进入燃烧室2 中点火燃烧。产生的高温烟气(约 1200C),从浸没于废水中的喷嘴喷出 液面 加热和搅拌废水,二次蒸汽和燃烧尾气 由器顶出口排出,浓缩液由器底用空气 原液 喷射泵抽出。 法缩液 浸没式燃烧蒸发器具有传热效率 高,废水沸点较低,构造简单等优点,适 图10-14浸没燃烧燕发器示意图 于蒸发强腐蚀性和易结垢的废液,但不 适于热敏性物料和不能被烟气污染的物 料蒸发。 三、蒸发法应用举例 1.浓缩处理放射性废水 废水中绝大多数放射性污染物是不挥发的,可用蒸发法浓缩,然后将浓缩液密闭封圊,让 其自然衰变。一般经二效蒸发,废水体积可减小为原来的1/200~1/500这样大大减少了昂贵 的贮罐容积,从而降低处理费用。 2.浓缩高浓度有机废水 造纸黑液、酒精废液等高浓度有机废水可用蒸发法浓缩。例如,采用酸法制浆的纸浆广 将亚硫酸盐纤维素废液蒸发浓缩后,用作道路粘结剂,砂模减水剂、鞣剂和生产杀虫剂,也 可将浓缩液进一步焚化或于燥。 碱法造纸黑液中含有大量有机物和钠盐,将这种碱液蒸发浓缩,然后在高温炉中焚烧,有 机钠盐即氧化分解为Na2O,再与CO2反应生成NaCO3。产物存在于焚烧后的灰烬中,用水 浸渍灰烬,并经石灰处理可回收NaOH。蒸发工艺还可采用喷雾千燥技术,即在喷雾塔顶将废 水喷成雾滴,与热气直接接触,蒸发水分。从塔底可回收有用物质 在酿酒工业中,蒸馏后的残液中含有浓度很高的有机物,这种废水经过蒸发浓缩,并用 烟道气于化后,固体物质可作饲料或肥料。 3.浓缩废碱、废酸 纺织、遺纸、化工等工业部门都排出大量含碱废水,其中高浓度废碱液经蒸发浓缩后,可 回用于生产工序。例如,上海某印染厂采用顺流串联三效蒸发工艺浓缩丝光机废碱液(含碱 40~60g/L)。第一效加压(113mmHg0)燕发,沸点115℃,第二效减压(负压500mmHg) 蒸发,沸点80℃,第效减压(负压700mmHg)蒸发,沸点60℃。蒸发器有倾斜外加热器, 01mmfg=133.3224Pa
采用自然循环方式运行。共有加热面积168m2,蒸发强度为89.3kg/m2·h,蒸发总量 13.Im3/h,浓缩液中的含碱量300g/1-,其他杂质很少,直接回用于生产 酸洗废液可用浸没燃烧法进行浓缩和回收。例如,某钢厂的废酸液中含H2SO4100 11g/L,FeSO4220~250g/L,经浸没燃烧蒸发浓缩后,母液含H2SO4增至600g/L,而FeSO 量减至60g/L。采用煤气作燃料,煤气与空气之比为1:1.2~1.5。热利用率达90%~95 该工艺的优点是蒸发效率高,占地小,投资省。但高温蒸发,设备腐蚀问题较难解决,且尾 气对大气有污染。 第四节结晶法 结晶法用以分离废水中具有结晶性能的固体溶质。其实质是通过蒸发浓缩或降温冷却,使 溶液达到饱和,让多余的溶质结晶析出,加以回收利用。 、结晶的操作原理 结晶和溶解是两个相反的过程。任何固体物质与它的溶液接触时,如溶液未饱和,固体 就会溶解,如溶液过饱和,则溶质就会结晶析出。所以,要使溶液中的固体溶质结晶析出,必 须设法使溶液呈过饱和状态 固体与其溶液间的相平衡关系,通常以固体在溶剂中的溶解度表示。物质的溶解度与它 的化学性质、溶剂性质与温度有关。一定物质在一定溶剂中的溶解度主要随温度而变化,压 力及该物质的颗粒大小对其影响很小。各种物质的溶解度数据,都是用实验方法求出的,通 常将其绘成与温度相关的曲线,如图10-15所示。 由图可见,大多数物质的溶解度随温度的升高 而显著增大,如NaNO3、KNO3等;有些物质的溶 解度曲线有折点,这表明物质的组成有所改变,如 Na2SO4·10H2O转变为Na2SO4;有些物质如 Na2SO4和钙盐等的溶解度随温度升高反而减小;有 些物质的溶解度受温度影响很小,如NaCl 根据溶解度曲线,通过改变溶液温度或移除一 部分溶剂来破坏相平衡,而使溶液呈过饱和状态,析都 出晶体。通常在结晶过程终了时,母液浓度即相当 co, 10H, O 于在最终温度下该物质的溶解度,若已知溶液的初 始浓度和最终温度,即可计算结晶量。 asO2·10H 结晶过程包括形成晶核和晶体成长两个连续阶 段。过饱和溶液中的溶质首先形成极细微的单元晶 体,或称晶核,然后这些晶核再成长为一定形状的 温度(℃) 晶体。结晶条件不同,析出的晶粒大小不同。对于 图10-15几种物质的溶解度曲线 由同一溶液中析出相等的结晶量,若结晶过程中晶 核的形成速率远大于品体的成长速率,则产品中品粒小而多。反之,晶粒大而少。晶粒大小 将影响产品的纯度和加工。粒度大的晶体易干燥、沉淀、过滤、洗涤,处理后含水量较小,产 品得率较高,但粒径较大的晶体往往容易堆垒成集合体(叫晶簇),使在单颗晶体之间包含母 液,洗涤困难,影响产品纯度。当晶体颗粒多而粒度小时,洗涤后产品纯度高,但洗涤损失 较大,得率较低。所以,在生产上,必须控制晶体的粒度