李 钊，支嘉健

（毕节市环境监测中心站，贵州毕节551700）

氯化钠废水多效蒸发装置工程化研究

李 钊，支嘉健

（毕节市环境监测中心站，贵州毕节551700）

在蒸水量一定的条件下，蒸发面积和汽耗比是蒸发操作、设计及投资的主要依据。建立了多效蒸发的简易数学模型。以处理氯化钠废水（处理量为8 t/h、氯化钠质量分数为12%）为例，采用试差法计算手段，在蒸水量一定的前提下，分析了蒸发效数、生蒸汽温度、末效蒸汽温度对蒸发面积、系统汽耗比的影响，为氯化钠多效蒸发浓缩装置在工业生产中的实际应用提供了参考依据。

蒸发；顺流；效数；汽耗比

工业中的氯化钠废水，如果处理不当，会导致环境污染和资源的浪费，而利用蒸发浓缩或结晶的方式处理氯化钠废水，是最稳定、有效且经济的方法。

蒸发操作常用于化工、食品、制药、环保等领域，研究其设计参数的计算问题具有重要意义。为减少生蒸汽消耗量，达到节能目的，可采用多效蒸发操作。考虑到氯化钠的溶解度，常采用顺流工艺流程。其优点:后效蒸发室的压强比前效低，溶液在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必另外用泵；后效溶液的沸点较前效低，故前效溶液进入后效时，会因过热而自动蒸发，因而可以多产生一部分二次蒸汽。由于各效（末效除外）二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。在多效蒸发中，随着效数增加，蒸汽耗量减少，使操作费用降低；另一方面，效数越多，装置投资费用也越大。这就需要在实际生产中对操作费用、设备费用进行平衡，而汽耗比和蒸发面积则是反应这两个方面的设计参数。笔者建立了计算模型，从以上两个设计参数的角度对多效蒸发进行分析。

1 蒸发计算模型

在已知的蒸发计算数学模型中［1］，常因模型求解算法太复杂，导致实际生产应用中的精确性低、操作性差。在计算过程中，只遵循了系统和各效间制约的关系而无任何追求的目标。为简化设计，笔者提出了在计算中取各效蒸发面积相等作为传热温差分配的前提条件，使系统设计只有唯一解。且该模型思路简单、系统性强，在实际应用中可靠。

1）物料衡算。以料液中的溶质作为物料衡算的基准:

式中:F为原料液流量，kg/h；x0、xn为原料液及各效完成液中溶质的质量分数，%；W、Wi为总蒸水量及各效蒸水量，kg/h。

2）热量衡算。为简便计算，加热蒸汽以饱和状态为基准:

式中:Di=Wi-1，γi=γi-1′；D1、Di为第1效生蒸汽消耗量及各效加热蒸汽消耗量，kg/h；Cp、Cpw为料液比热容及冷凝水比热容，kJ/（kg·℃）；γi为各效二次蒸汽汽化热，kJ/kg；t0为进料温度，℃；ti为各效蒸发器内料液温度，℃。

3）总有效温差及各效料液沸点。蒸发操作一定时，即总蒸发量、加热蒸汽压强和冷凝器压强不变的情况下，有效温差在各效中的分配，系统根据操作情况会自动调节。但考虑到蒸发器的制造、安装和操作方便，实际中通常使各效传热面积相等，故多效蒸发的计算面积也遵循此原则。

式中:Δi′为因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失；Δi″为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失；Δi‴为因管路流体阻力而引起的温度差损失。

为使蒸发器制造、安装和操作方便，工业中常使各效蒸发（传热）面积相等，且传热系数取常值:

式中:Si为各效蒸发（传热）面积，m2；Qi为各效蒸发器的热负荷，即各效蒸发器的传热速率，kW；Ki为各效蒸发器的传热系数，kW/（m2·℃）；Δti为各效有效传热温差，℃。

2 结果分析与优化

氯化钠废水处理量为8 000 t/h，氯化钠质量分数为12%，氯化钠废水温度为30℃，以蒸发结晶为目的（即蒸水量为7 040 kg/h），计算结果如下。

图1a为不同生蒸汽温度、末效二次蒸汽温度为60℃条件下，采用不同蒸发效数时各效蒸发器的换热面积。由图1a看出，随着蒸发效数增加，各效蒸发器换热面积逐渐增大。这是由于，随着效数增加，会增加温度差损失，继而导致各效蒸发器壳程与管程有效传热温差减小，即各效传热推动力降低，造成蒸发面积增大。由图1a看出，随着生蒸汽温度降低，蒸发器各效换热面积增大，并且随着效数增加，换热面积增大的幅度逐渐增大。这是由于，随着生蒸汽温度降低，有效温差减小，因而换热面积增大；由于多效蒸发中温度差损失基本不变，会造成效数越多其总体有效温度差减小的越多，因此计算的面积会随着效数的增多其相应增大面积的幅度也会逐渐增大。

图1b为生蒸汽温度为150℃、不同末效二次蒸汽温度条件下，采用不同蒸发效数时各效蒸发器的换热面积。由图1b可知，随着蒸发效数增加，各效蒸发器换热面积增大。这是因为，前一效二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，各效都存在温度差损失，即总体温度差损失会增大，会导致各效蒸发器壳程与管程的有效传热温差减小，即传热推动力降低，造成各效蒸发器换热面积增大。由图1b看出，随着末效蒸汽温度升高，蒸发器各效换热面积增大。这是由于，随着末效温度升高，总体有效温差减小，造成换热面积增大。

图1 各效蒸发面积随蒸发效数、生蒸汽温度、末效二次蒸汽温度的变化

图2a为不同生蒸汽温度、末效二次蒸汽温度为60℃条件下，采用不同蒸发效数时蒸发系统的汽耗比（R）。由图2a看出，随着蒸发效数增加，汽耗比呈现逐渐减小趋势。在工业生产中，蒸发大量的水分必需消耗大量的加热蒸汽。单效蒸发器中每蒸发1 kg的水要消耗比1 kg多的加热蒸汽（即生蒸汽）。对于多效蒸发，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，因此可以引入前一效的二次蒸汽作为后一效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，故随着蒸发效数的增加，提高了生蒸汽的利用率，降低了汽耗比。由图2a看出，随着蒸发效数的增加，从单效到双效的汽耗比呈现明显的急剧减小的现象，从双效开始随效数的增加汽耗比减小的幅度下降。这是因为，对于3效以上的蒸发装置，从第2效开始蒸发器壳程的冷凝水进入下一效蒸发器壳程进行闪蒸传热，使其低温排放，充分利用冷凝水的显热，在保持蒸水量不变的情况下，提高了整个系统加热蒸汽的利用率，进而降低了汽耗比。图3是不同生蒸汽温度下的汽耗比，由图3可知系统汽耗比的大小与生蒸汽温度无关，只与蒸发系统的效数有关。

冷凝水预热器的设置，是为了提高生蒸汽的利用率。图2b为冷凝水预热器升温程度随蒸发效数、生蒸汽温度的变化。由图2b可知，随着蒸发效数的增加，原料液被预热到的温度逐渐降低。这是因为，随着效数的增加，消耗生蒸汽的量逐渐减少，产生的生蒸汽冷凝水与料液的换热量随之减少。

图2 汽耗比和冷凝水预热器升温程度随蒸发效数、生蒸汽温度的变化

图3为生蒸汽温度为150℃、不同末效二次蒸汽温度条件下，采用不同的蒸发效数时蒸发汽耗比的计算结果。由图3可知，随着蒸发效数增加，汽耗比逐渐减小；系统汽耗比大小与末效蒸发温度无关，只与系统效数有关。但是，为了追求低汽耗比而一味增加蒸发效数也是不可取的。首先在设备投资上会有所增加，其次由于蒸发时存在温度差损失，随着效数增多各效温度差损失之和逐渐增加，因此总的有效温差不断减小，会导致系统传热能力低［2-3］。当有效总温差很小时，蒸发操作将难以继续进行。这就说明，从操作角度考虑，多效蒸发的效数也是有一定限制的。

图3 汽耗比随蒸发效数、末效二次蒸汽温度的变化

3 结论

1）在生蒸汽、蒸发水量不变情况下，增加效数会使各效传热面积随之增大。2）在蒸发量不变前提下，降低生蒸汽温度，或者提高末效蒸发温度，都会使蒸发器的蒸发面积增大。3）效数增加，汽耗比会明显减小。但是，随着效数的增加，汽耗比减小的幅度会逐渐降低。若为追求低的汽耗比而一味地增加蒸发效数也是不可取的，无论从设备投资还是操作状况上考虑，都会受到限制。4）蒸发系统的汽耗比只与蒸发效数有关，与生蒸汽温度、末效蒸汽温度都无关。

［1］ 王世昌.海水淡化工程［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［2］ 刘天柱，张华，赵东风，等.多效蒸发技术浓缩石化企业含盐废水的操作方案优化分析［J］.现代化工，2014，34（11）:140-143.

［3］ 邢小康，魏峰，史晓平，等.三效顺流蒸汽喷射式热泵蒸发系统的计算［J］.现代化工，2013，33（8）:117-119.

联系方式：lzgz985@sina.com

Engineering research on multi-effect evaporation device of sodium chloride wastewater

Li Zhao，Zhi Jiajian
（Environmental Monitoring Center Station of Bijie City，Bijie 551700，China）

Under certain conditions of evaporation，evaporation area and steam consumption ratio are the main basis of evaporation operation，design，and investment.A simple mathematical model of multi-effect evaporation was established.With sodium chloride wastewater（8 t/h capacity，mass fraction of 12%）for example，by using trial and error method，on the basis of the evaporation of water stays the same，the influence of the number of evaporation effects，live steam temperature，and effect evaporation temperature at the end of the system on evaporation area and steam consumption ratio were analyzed.The analysis of sodium chloride multi-effect evaporation will provide referential basis for the practical application in industrial production.

evaporation；forward flow；number of effects；steam consumption ratio

TQ028.61

A

1006-4990（2016）09-0054-03

2016-06-02

李钊（1985— ），男，助理工程师，主要研究方向为环境监测。

支嘉健，高级工程师。