宋二伟，王二强

(1.中国铝业郑州有色金属研究院有限公司，河南 郑州 450041;2.中国科学院大学化学工程学院，北京 100049)

随着环境问题日益严峻，节能降耗已成为当今时代主题。蒸发作为主要的能耗单元，关于其节能降耗的研究一直深受研发人员及工程师的关注[1-7]。化工含盐废水的处理主要采用蒸发分离技术，目前主要采用三效蒸发处理技术进行浓缩处理。

本文借助流程模拟软件对含盐废水传统三效蒸发工艺进行建模仿真，对蒸发工艺的部分因素进行分析，为最佳生产工艺参数的选择提供指导和建议。同时，基于流程模拟软件，对传统三效蒸发工艺进行改进，以期达到最大节能效果。

1 三效蒸发工艺流程

如图1所示，为含盐废水处理三效蒸发分离工艺模型。前一蒸发器产生的二次蒸汽用作下一蒸发器的供热，含盐废水达到浓缩要求需要的蒸汽负荷可以大大减少。但是，加热蒸汽的能量只能利用一次，会造成部分能耗(汽耗)的浪费。

图1 三效蒸发流程
Fig.1 Process of three-effect evaporation

为了达到进一步节约能耗的目的，在原工艺流程的基础上进行改进，如图2所示。工艺流程由原先的并流改为逆流，且添加了两个闪蒸罐改为三效双闪逆流降膜蒸发系统。相比原先工艺，虽然该工艺增加了前期设备投资，但可以充分利用加热蒸汽的余热，即在原有基础上可以使汽耗进一步降低，在满足生产条件的基础上，达到节能降耗的目的。

图2 改进的三效蒸发流程
Fig.2 A novel process of three-effective evaporation

2 案例分析

拟采用进料废水为1000kg h-1,含氯化钠3.5%(质量分数)和水96.5%(质量分数)，进料温度25℃，常压。要求为使浓缩液中氯化钠质量分数到达20%。采用如图1所示三效蒸发工艺，三台蒸发器闪蒸压力分别为1bar，0.75bar，0.5bar。且加热蒸汽为200℃饱和蒸汽，三台换热器压降均为0，冷凝液气相分率均为0，热力学方法为ELECNRTL。

借助Aspen流程模拟软件进行建模分析，得到满足生产要求的蒸汽消耗为457.48kg h-1。为了进一步研究汽耗的影响因素，对进料废液温度及蒸发器的操作压力进行分析研究。借助Aspen的灵敏度分析工具和设计规定模块，在满足生产要求的前提下，分别分析进料温度、首个蒸发器闪蒸压力对蒸汽消耗的影响，并同时分析两者对蒸汽消耗的影响，结果如图3～图4所示。

图3 进料温度和首个蒸发器闪蒸压力对汽耗的影响(A,B分别表示进料温度和闪蒸压力)
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)

由图3知，其它条件不变时，随着进料废水温度升高，达到生产要求需要的蒸汽量随之降低；随着首个蒸发器闪蒸压力升高，达到生产要求需要的蒸汽量随之增加。所以，在实际生产中，为了减少蒸汽消耗，要做好原料输送管道和中间储罐的保温、减少热量损失；同时，出现冷凝器结垢或真空泵性能降低情况时，要及时维修处理。

为了更加详细了解进料温度与首个蒸发器闪蒸温度对汽耗的耦合影响效果，同时分析两者对汽耗的影响，固定第二、第三个蒸发器闪蒸压力不变，进料温度在20～40℃范围内变化，同时第一个蒸发器闪蒸压力P在0.8～1.5bar之间变动，借助Aspen灵敏度分析工具和设计规定模块，在满足生产要求的前提下，分析它们对蒸汽消耗的影响。结果如图4所示。

由图4知，二者的影响相互耦合，且进料温度T=40℃和闪蒸压力P=0.8bar时，消耗蒸汽最少，大约为457kg h-1。

为了进一步节能降耗，对原三效蒸发系统进行改造(如图2所示)，即采用三效双闪逆流降膜蒸发系统。Aspen中的Heater模块与Flash2等效降膜蒸发器[8]，搭建流程如图2所示。蒸汽加热方向与物料流向相反，且前一效蒸汽换热后经过闪蒸分离的汽相与二次蒸汽混合作为下一效蒸发器的热源。在满足生产要求下，利用Aspen设计规定模块得到蒸汽消耗量为315.52kg h-1，与原三效蒸发系统相比，节省汽耗(节能)约31%。接着对该蒸发系统的部分影响汽耗的因素进行分析，主要分析进料含盐废液温度和第一效蒸发器闪蒸压力对汽耗的影响。借助Aspen灵敏度分析工具和设计规定模块分别对进料温度、一效蒸发器闪蒸压力及二者耦合效果进行分析，分析结果如图5和图6所示。

图4 进料温度和蒸发器闪蒸压力对蒸汽消耗的影响
Fig.4 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

图5 进料温度和蒸发器闪蒸压力对汽耗的影响(A,B分别表示进料温度和闪蒸压力)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)

由图5知，其它条件不变时，随着进料废水温度升高，达到生产要求需要的蒸汽量随之降低；随着首个蒸发器闪蒸压力升高，达到生产要求需要的蒸汽量随之增加。

图6 进料温度和蒸发器闪蒸压力对蒸汽消耗的影响
Fig.6 The effects of feed temperature and pressure in evaporation on the steam consumption

由图6知，二者的影响相互耦合，且进料温度T=40℃和闪蒸压力P=0.8bar时，消耗蒸汽最少，大约为304kg h-1。

3 结论

借助Aspen 流程模拟软件对含盐废水浓缩三效蒸发系统进行建模分析，通过分析发现，进料温度越高、蒸发器闪蒸压力越低蒸汽消耗量越少，即在实际生产中，要做好原料输送管道和中间储罐的保温、减少热量损失；同时，出现冷凝器结垢或真空泵性能降低情况时，要及时维修处理。另外，利用三效双闪逆流降膜蒸发系统代替原有三效蒸发系统可以节省汽耗约31%。