高效熱泵蒸發(fā)堿回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

高效熱泵蒸發(fā)堿回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

目前，有許多處理化工廢水的技術(shù)，其中幾種方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和合適的場(chǎng)地?；瘜W(xué)方法在處理廢液中的有毒物質(zhì)后,又引入了新的更不易除去的離子,稱之為再污染;生物處理法耗時(shí)又長(zhǎng);大部分的物理處理法又過(guò)于簡(jiǎn)單。因此,引入了一種新的物理方法——熱泵蒸發(fā)處理技術(shù)。當(dāng)前,占據(jù)脫鹽工業(yè)市場(chǎng)90%份額的主要是多級(jí)閃蒸淡化和反滲透技術(shù),余下的是多效蒸發(fā)(熱力或機(jī)械壓縮式)以及機(jī)械壓縮式的單效蒸發(fā)系統(tǒng),熱泵蒸發(fā)技術(shù)在將來(lái)具有廣闊的空間,而且機(jī)械壓縮式系統(tǒng)將在處理小流量保持巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)技術(shù),通過(guò)補(bǔ)充一定的壓縮功(耗電)代替了消耗大量的加熱蒸汽(耗煤),而產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽以提供蒸發(fā)器中溶液的蒸發(fā)所需要的能量;通過(guò)蒸發(fā)-冷凝可以有效去除大多數(shù)無(wú)機(jī)物,高于沸點(diǎn)的有機(jī)物、熱原質(zhì)、細(xì)菌等;同時(shí),系統(tǒng)以電能驅(qū)動(dòng),對(duì)環(huán)境影響很小,不會(huì)產(chǎn)生二次污染,而濃縮后的溶液也可以作為副產(chǎn)品利用,這對(duì)解決廢液污染、合理利用廢液資源以及資源利用最大化是一個(gè)重要的方法。1有效冷熱蒸發(fā)堿性回收系統(tǒng)1.1壓氣機(jī)蒸發(fā)蒸蒸罐5個(gè)工藝劑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括二次蒸汽以及堿液循環(huán)。二次蒸汽循環(huán)由壓氣機(jī)MD1、一效蒸發(fā)器、一效汽液分離、二效蒸發(fā)器、二效汽液分離、閃蒸罐1、閃蒸罐2、閃蒸罐3等組成回路;二次蒸汽在蒸發(fā)器中冷凝后,同時(shí)從堿液中蒸發(fā)出水蒸氣,重新進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮。堿液循環(huán)是1個(gè)開式循環(huán),由預(yù)熱器1、預(yù)熱器2、二效蒸發(fā)器、二效汽液分離、MD2、MD1、預(yù)熱器3、一效蒸發(fā)器、一效汽液分離等組成回路。預(yù)熱器及蒸發(fā)器皆為板式換熱器。1.2理論分析1.2.1熱泵熱泵熱泵是一種將熱量從低品位傳到高品位的熱力循環(huán)。熱泵從實(shí)質(zhì)上講是一種熱機(jī),只是在2個(gè)溫度之間以相反的方式運(yùn)行(如圖2)。熱機(jī)通過(guò)從高溫T2得到熱量Q2產(chǎn)生做功W,并且將Q1的熱量放入低溫T1中,然而熱泵是通過(guò)輸入功W從低溫T1中吸取熱量Q1,而后將熱量Q2傳遞到高溫T2。冷凍設(shè)備與熱泵的運(yùn)行方式是一樣的,所不同的是冷凍設(shè)備需要的不是在高溫T2下釋放熱量Q2,而是從低溫T1中吸取熱量Q1;而機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)則是利用吸取的熱量加熱堿溶液,使溶劑蒸發(fā),從而達(dá)到濃縮溶液的目的。1.2.2對(duì)流傳熱的傳熱或稱傳熱傳播如圖3所示,堿液加熱時(shí)(堿液以接近蒸發(fā)溫度進(jìn)入通道),在不同區(qū)域[(1)、(2)、(3)]呈現(xiàn)出不同流體形式(即傳熱形式)。區(qū)域(1),單相液體的對(duì)流傳熱。其傳熱形式為單相液體的對(duì)流傳熱。區(qū)域(2),核沸騰。制冷劑被加熱形成氣泡,增加紊流和增大傳熱系數(shù)。區(qū)域(3),通過(guò)液膜的強(qiáng)制對(duì)流給熱。隨著氣泡的產(chǎn)生,流道中心全部被蒸汽占據(jù),由于蒸汽流速很高,此時(shí)的剪切力足以形成穩(wěn)定的液膜(薄膜蒸發(fā)形成),流動(dòng)形式為環(huán)狀流,傳熱系數(shù)相當(dāng)高,可達(dá)液-液傳熱時(shí)的兩三倍。1.3蒸發(fā)溫度對(duì)產(chǎn)品的影響由于蒸發(fā)系統(tǒng)采用板式換熱器,不同于傳統(tǒng)蒸發(fā)器,其管長(zhǎng)比較長(zhǎng),溶液靜壓力較大,造成比較大的溫差損失。因此,對(duì)于蒸發(fā)系統(tǒng)溫差損失比較大的原因是:隨著溶液中溶劑的蒸發(fā),溶液濃度增大,溶液的沸點(diǎn)也隨著升高。隨著沸點(diǎn)的升高,這就有可能造成加熱蒸汽溫度不夠大,蒸發(fā)過(guò)程就會(huì)停止。由于存在溫差損失,一方面,在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)就必須保持加熱蒸汽溫度一直高于溶液沸點(diǎn),以免蒸發(fā)過(guò)程的中斷;另一方面,沸點(diǎn)的升高,也使得系統(tǒng)的能耗增大,損失加大,系統(tǒng)的COP降低,不利于節(jié)能。但是NaOH溶液的沸點(diǎn)隨濃度以杜林法則的線性關(guān)系變化,沸點(diǎn)升高不大,適合用于以板式換熱器作為蒸發(fā)器的環(huán)境,且能效比高。1.4初始條件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為處理某紡織印染有限公司含NaOH的廢水而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的初始條件為:NaOH稀堿液,流量為0.5786kg/s,NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%,處理后的目標(biāo)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。圖4是圖1的蒸發(fā)-冷凝器部分。圖4系統(tǒng)采用的是雙效逆流升膜方式,有2個(gè)基本的流程:蒸汽的循環(huán)與溶液的循環(huán)。(實(shí)線為蒸汽循環(huán))初始蒸汽進(jìn)入一效與過(guò)渡溶液熱交換產(chǎn)生一次蒸汽,一次蒸汽進(jìn)入二效與初始溶液熱交換產(chǎn)生低溫低壓的二次蒸汽,最后進(jìn)入壓縮機(jī)(1-2-3);(虛線-溶液循環(huán))初始稀溶液進(jìn)入二效加熱,產(chǎn)生過(guò)渡溶液,過(guò)渡溶液進(jìn)入一效,繼續(xù)吸熱,形成產(chǎn)物。其中m7、m4是冷凝水,可用于預(yù)熱。根據(jù)質(zhì)量衡算與熱量衡算列出以下關(guān)聯(lián)式:二效蒸發(fā)m1=m2+m3(1)m5=m4(2)m1x1=m3x3(3)m5h5+m1h1=m4h4+m2h2+m3h3(4)m1=m2+m3(1)m5=m4(2)m1x1=m3x3(3)m5h5+m1h1=m4h4+m2h2+m3h3(4)一效蒸發(fā)m6=m5+m8(5)m9=m7(6)m6x6=m8x8(7)m9h9+m6h6=m7h7+m8h8+m5h5(8)m6=m3(9)x6=x3(10)m6=m5+m8(5)m9=m7(6)m6x6=m8x8(7)m9h9+m6h6=m7h7+m8h8+m5h5(8)m6=m3(9)x6=x3(10)將初始值代入,分別做2步假定:假定m5=m2=m9,取壓縮機(jī)出口或鍋爐蒸汽壓力p9為0.211MPa;假定一效蒸發(fā)器的壓力為0.12MPa,則p5=0.12MPa。最后可得:?383.7×2×2083+783.7×83.32/x8+783.7×2083=83.32/x8×2×h8(11)-383.7×2×2083+783.7×83.32/x8+783.7×2083=83.32/x8×2×h8(11)式中x8取目標(biāo)濃度值0.3,則此時(shí)h8=452.98kJ/kg,根據(jù)NaOH溶液焓濃圖查得h8′=450kJ/kg相比,h8略大(滿足h8≥h8′)。假設(shè)條件滿足設(shè)計(jì)要求,則將計(jì)算結(jié)果列于表1。2堿液的排放系統(tǒng)是為了避免某紡織印染有限公司將NaOH溶液作為廢液排放而設(shè)計(jì)的(系統(tǒng)的初投資為100萬(wàn)元)。堿液的排放,不僅造成巨大的浪費(fèi),而且對(duì)環(huán)境也造成很大的破壞。高效熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)既回收了水以及NaOH溶液,同時(shí)又節(jié)能,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2.1回收水的水量水是生命之源,面對(duì)日益嚴(yán)重的水資源污染,水資源的保護(hù)越來(lái)越受到重視。根據(jù)表1,可知每一效分離出的水量為mi=902.64kg/h,則1天回收的水量M1:M1=2×mi×n=2×902.64×24=43.33t/d(12)Μ1=2×mi×n=2×902.64×24=43.33t/d(12)1年回收的水的費(fèi)用C1:C1=M1×N×Cw1(13)C1=Μ1×Ν×Cw1(13)式(13)中,N為1年365天;Cw1為上海工業(yè)生活用水價(jià)(以2元/t計(jì))。則C1=31630.9元/a。2.2u3000naoh溶液的量紡織印染行業(yè)一般需要使用一定濃度的NaOH溶液作為原料,但是NaOH溶液在使用之后,只是作為廢液排放,既浪費(fèi)也不環(huán)保。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),每天所能回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的NaOH溶液的量M2:M2=M堿液×n(14)Μ2=Μ堿液×n(14)式(14)中,M堿液指每小時(shí)產(chǎn)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的堿液,根據(jù)目標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,M堿液=277.72kg/h。所以M2=277.72×24=6.665t/d。1年回收的堿液的費(fèi)用:C2=M2×N×Cw2(15)C2=Μ2×Ν×Cw2(15)式(15)中,N為1年365天;Cw2為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%NaOH溶液的單價(jià),以900元/t計(jì)。則:C2=2189430元/a。2.3初始條件根據(jù)上海市水務(wù)局排水費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)監(jiān)測(cè)戶為2.6元/t,則1年的堿液排污費(fèi)C3:初始條件為NaOH稀堿液,流量為0.5786kg/s。C3=M0×n×N×Cw3(16)C3=Μ0×n×Ν×Cw3(16)式(16)中,M0為NaOH稀堿液(0.5786kg/s);Cw3為排污費(fèi)單價(jià)(2.6元/t)。則C3=47374.08元/a。2.4工業(yè)用電兩網(wǎng)cw4式根據(jù)表1,壓縮機(jī)的耗功W=44.9kW,運(yùn)行一年所耗的電能費(fèi)用:C4=W×n×N×Cw4(17)C4=W×n×Ν×Cw4(17)式(17)中,Cw4指工業(yè)用電單價(jià),以1.002元/kWh計(jì)。則C4=394110.6元/a。根據(jù)2.1～2.4小節(jié),具體各種費(fèi)用見表2。根據(jù)表2中每年效益分析,再對(duì)比初投資的100萬(wàn)元,可知只需1年即可回收成本,而且可以盈利874324.38元,此蒸發(fā)系統(tǒng)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益,而且節(jié)約能源,適合當(dāng)前環(huán)保的要求,對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展是非常有利的。3