化工进展 ›› 2022, Vol. 41 ›› Issue (7): 3947-3956.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1619
收稿日期:
2021-08-02
修回日期:
2021-09-17
出版日期:
2022-07-25
发布日期:
2022-07-23
通讯作者:
姜华
作者简介:
姜华(1973—),女,博士,副教授,研究方向为流体机械系统及设备。E-mail:基金资助:
JIANG Hua1(), ZHANG Zihui1, GONG Wuqi2, CHANG Yueyong1
Received:
2021-08-02
Revised:
2021-09-17
Online:
2022-07-25
Published:
2022-07-23
Contact:
JIANG Hua
摘要:
利用分质提盐蒸发结晶方法处理多组分高含盐废水,可实现废水的资源化利用。本文根据废水中硫酸钠和氯化钠的溶解度随温度的变化关系,提出了机械蒸汽再压缩(MVR)分质提盐蒸发结晶系统,以降膜蒸发器作为系统的预蒸发器,与两效强制循环蒸发器联用,同时对冷凝水加以回收,使废水中硫酸钠和氯化钠分别结晶。首先设计了系统的具体工艺流程,依据质量和能量平衡关系建立系统及其设备的数学模型并进行模型验证。随后对常压下硫酸钠质量分数为5%、氯化钠质量分数为8%的混合溶液蒸发结晶过程进行实例计算,并将其与传统五效蒸发分盐系统进行性能对比。综合能量分析与?分析结果表明,MVR分质提盐蒸发结晶系统的节能程度更高,同一工况下相较于传统五效蒸发分盐系统,效能系数(COP)提高了93.5%,单位能耗则降低了77.6%;?效率提高了70.4%,?损失则降低了33.6%,表明MVR分质提盐蒸发结晶系统在实现废水中硫酸钠和氯化钠结晶回收利用的同时系统热力学完善度和节能性更大。
中图分类号:
姜华, 张子惠, 宫武旗, 常越勇. MVR分质提盐蒸发结晶系统设计及性能分析[J]. 化工进展, 2022, 41(7): 3947-3956.
JIANG Hua, ZHANG Zihui, GONG Wuqi, CHANG Yueyong. Design and performance analysis of mechanical vapor recompression salt fractionation evaporation crystallization system[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(7): 3947-3956.
图1 MVR分质提盐蒸发结晶系统流程图① 原料液泵;② 一级预热器;③ 凝水泵;④ 凝水箱;⑤ 一效降膜蒸发器;⑥ 二效强制循环蒸发器加热室;⑦ 二效强制循环蒸发器蒸发室;⑧ 一级气液分离器;⑨ 一级蒸汽压缩机;⑩ 一级结晶分离器;? 硫酸钠晶体储存罐;? 二级预热器;? 凝水泵;? 凝水箱;? 三效强制循环蒸发器加热室;? 三效强制循环蒸发器蒸发室;? 二级气液分离器;? 二级蒸汽压缩机;? 循环泵;? 二级结晶分离器;21 氯化钠晶体储存罐
参数 | 文献[ | 计算数据 | 误差/% |
---|---|---|---|
原料液温度/℃ | 40 | 40 | — |
进料流量/kg·h-1 | 11500 | 11500 | — |
进料质量分数/% | 16 | — | |
出料质量分数/% | 20 | — | |
蒸发温度/℃ | 84.1 | 84.1 | — |
蒸发量/kg·h-1 | 7718 | 7718 | — |
蒸发器传热温差/℃ | 5 | — | |
压缩温升/℃ | 10.1 | 10.1 | — |
蒸发器总换热面积/m2 | 483.2 | 495.8 | -2.6 |
蒸发器总换热量/kW | 5224.5 | 5363.3 | -2.7 |
压缩机总功率/kW | 208.4 | 178.0 | 14.6 |
压缩机压比 | 1.5 | 1.47 | 2.0 |
表1 设计模型计算结果与实验数据
参数 | 文献[ | 计算数据 | 误差/% |
---|---|---|---|
原料液温度/℃ | 40 | 40 | — |
进料流量/kg·h-1 | 11500 | 11500 | — |
进料质量分数/% | 16 | — | |
出料质量分数/% | 20 | — | |
蒸发温度/℃ | 84.1 | 84.1 | — |
蒸发量/kg·h-1 | 7718 | 7718 | — |
蒸发器传热温差/℃ | 5 | — | |
压缩温升/℃ | 10.1 | 10.1 | — |
蒸发器总换热面积/m2 | 483.2 | 495.8 | -2.6 |
蒸发器总换热量/kW | 5224.5 | 5363.3 | -2.7 |
压缩机总功率/kW | 208.4 | 178.0 | 14.6 |
压缩机压比 | 1.5 | 1.47 | 2.0 |
设计工况 | 数值 |
---|---|
硫酸钠进料质量分数wa0/% | 5 |
氯化钠进料质量分数wb0/% | 8 |
原料液量F0/kg·h-1 | 15900 |
蒸发量W/kg·h-1 | 13500 |
一效降膜蒸发器蒸发温度(预蒸发)/℃ | 100 |
二效强制循环蒸发器蒸发温度(析出硫酸钠)/℃ | 100 |
三效强制循环蒸发器蒸发温度(析出氯化钠)/℃ | 60 |
压缩温升/℃ | 12 |
表2 系统设计工况参数
设计工况 | 数值 |
---|---|
硫酸钠进料质量分数wa0/% | 5 |
氯化钠进料质量分数wb0/% | 8 |
原料液量F0/kg·h-1 | 15900 |
蒸发量W/kg·h-1 | 13500 |
一效降膜蒸发器蒸发温度(预蒸发)/℃ | 100 |
二效强制循环蒸发器蒸发温度(析出硫酸钠)/℃ | 100 |
三效强制循环蒸发器蒸发温度(析出氯化钠)/℃ | 60 |
压缩温升/℃ | 12 |
系统管段编号 | 温度/℃ | 质量分数/% | 流量/kg·h-1 | 焓值/kJ·kg-1 | ?值/kW | 比?/kJ·kg-1 | 介质类型 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
硫酸钠 | 氯化钠 | |||||||
1 | 25 | 5 | 8 | 15900 | — | 450.9 | 102.1 | 溶液 |
2 | 100 | 5 | 8 | 15900 | — | 496.0 | 112.3 | |
3 | 101.1 | 12 | 19.2 | 6625 | — | 133.1 | 72.3 | |
4 | 101.1 | 18 | 28.8 | 4416.7 | — | 84.4 | 68.8 | |
5 | — | — | — | 795 | — | 3.1 | 13.9 | 晶体 |
6 | 101.1 | — | 35.1 | 3621.7 | — | 66.7 | 66.3 | 溶液 |
7 | 63.1 | — | 35.1 | 3621.7 | — | 46.8 | 46.5 | |
8 | 63.1 | — | 35.1 | 4134.9 | — | 54.2 | 47.2 | |
9 | 63.1 | — | 35.1 | 513.3 | — | 2.8 | 19.8 | |
10 | 63.1 | — | — | 1605 | — | 21.8 | 48.8 | 晶浆 |
11 | — | — | — | 1091.7 | — | 19.0 | 62.7 | 晶体 |
12 | 112 | — | — | 12631.2 | 2697 | 1920.6 | 547.4 | 蒸汽 |
13 | 112 | — | — | 10202 | 2697 | 1551.3 | 547.4 | |
14 | 112 | — | — | 2429.2 | 2697 | 369.4 | 547.4 | |
15 | 101.1 | — | — | 10269 | 2679.6 | 1407.1 | 493.3 | |
16 | 101.1 | — | — | 2445 | 2679.6 | 335.0 | 493.3 | |
17 | 101.1 | — | — | 12631.2 | 2679.6 | 1730.8 | 493.3 | |
18 | 139.4 | — | — | 12631.2 | 2750.6 | 1963.8 | 559.7 | |
19 | 72 | — | — | 2218.3 | 2628.6 | 204.0 | 331.1 | |
20 | 63.1 | — | — | 2218.3 | 2611.6 | 169.9 | 275.7 | |
21 | 108.4 | — | — | 2218.3 | 2700.2 | 326.5 | 529.9 | |
22 | 112 | — | — | 10202 | 469.8 | 127.5 | 45.0 | 凝水 |
23 | 112 | — | — | 2429.2 | 469.8 | 30.4 | 45.0 | |
24 | 112 | — | — | 12631.2 | 469.8 | 157.9 | 45.0 | |
25 | 21.8 | — | — | 12631.2 | 91.5 | 1.1 | 0.3 | |
26 | 32.5 | — | — | 12631.2 | 136.2 | 3.9 | 1.1 | |
27 | 72 | — | — | 2218.3 | 301.4 | 8.6 | 14.0 | |
28 | 38.4 | — | — | 14849.5 | 160.9 | 29.7 | 7.2 | |
29 | 38.4 | — | — | 331.4 | 160.9 | 0.7 | 7.2 | |
30 | 38.4 | — | — | 267 | 160.9 | 0.5 | 7.2 | |
31 | 38.4 | — | — | 64.4 | 160.9 | 0.1 | 7.2 |
表3 MVR分质提盐蒸发结晶系统各管段热力状态
系统管段编号 | 温度/℃ | 质量分数/% | 流量/kg·h-1 | 焓值/kJ·kg-1 | ?值/kW | 比?/kJ·kg-1 | 介质类型 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
硫酸钠 | 氯化钠 | |||||||
1 | 25 | 5 | 8 | 15900 | — | 450.9 | 102.1 | 溶液 |
2 | 100 | 5 | 8 | 15900 | — | 496.0 | 112.3 | |
3 | 101.1 | 12 | 19.2 | 6625 | — | 133.1 | 72.3 | |
4 | 101.1 | 18 | 28.8 | 4416.7 | — | 84.4 | 68.8 | |
5 | — | — | — | 795 | — | 3.1 | 13.9 | 晶体 |
6 | 101.1 | — | 35.1 | 3621.7 | — | 66.7 | 66.3 | 溶液 |
7 | 63.1 | — | 35.1 | 3621.7 | — | 46.8 | 46.5 | |
8 | 63.1 | — | 35.1 | 4134.9 | — | 54.2 | 47.2 | |
9 | 63.1 | — | 35.1 | 513.3 | — | 2.8 | 19.8 | |
10 | 63.1 | — | — | 1605 | — | 21.8 | 48.8 | 晶浆 |
11 | — | — | — | 1091.7 | — | 19.0 | 62.7 | 晶体 |
12 | 112 | — | — | 12631.2 | 2697 | 1920.6 | 547.4 | 蒸汽 |
13 | 112 | — | — | 10202 | 2697 | 1551.3 | 547.4 | |
14 | 112 | — | — | 2429.2 | 2697 | 369.4 | 547.4 | |
15 | 101.1 | — | — | 10269 | 2679.6 | 1407.1 | 493.3 | |
16 | 101.1 | — | — | 2445 | 2679.6 | 335.0 | 493.3 | |
17 | 101.1 | — | — | 12631.2 | 2679.6 | 1730.8 | 493.3 | |
18 | 139.4 | — | — | 12631.2 | 2750.6 | 1963.8 | 559.7 | |
19 | 72 | — | — | 2218.3 | 2628.6 | 204.0 | 331.1 | |
20 | 63.1 | — | — | 2218.3 | 2611.6 | 169.9 | 275.7 | |
21 | 108.4 | — | — | 2218.3 | 2700.2 | 326.5 | 529.9 | |
22 | 112 | — | — | 10202 | 469.8 | 127.5 | 45.0 | 凝水 |
23 | 112 | — | — | 2429.2 | 469.8 | 30.4 | 45.0 | |
24 | 112 | — | — | 12631.2 | 469.8 | 157.9 | 45.0 | |
25 | 21.8 | — | — | 12631.2 | 91.5 | 1.1 | 0.3 | |
26 | 32.5 | — | — | 12631.2 | 136.2 | 3.9 | 1.1 | |
27 | 72 | — | — | 2218.3 | 301.4 | 8.6 | 14.0 | |
28 | 38.4 | — | — | 14849.5 | 160.9 | 29.7 | 7.2 | |
29 | 38.4 | — | — | 331.4 | 160.9 | 0.7 | 7.2 | |
30 | 38.4 | — | — | 267 | 160.9 | 0.5 | 7.2 | |
31 | 38.4 | — | — | 64.4 | 160.9 | 0.1 | 7.2 |
设备名称 | 规格 | ?损失/kW | ?效率/% | 其他性能参数 |
---|---|---|---|---|
一级预热器 | 82.6m2 | 111.7 | 81.7 | 换热量:1329.4kW |
二级预热器 | 1.0m2 | 17.1 | 74.8 | 换热量:158.3kW |
一效降膜蒸发器(预蒸发) | 482m2 | 379.6 | 81.5 | 换热量:6314kW 蒸发量:9275kg·h-1 |
二效强制循环蒸发器 | 114.7m2 | 52.7 | 89.5 | 换热量:1503.4kW 蒸发量:2208.3kg·h-1 输入功率:68.8kW |
三效强制循环蒸发器 | 133.6m2 | 57.9 | 77.6 | 换热量:1434.2kW 蒸发量:2016.7kg·h-1 输入功率:80.2kW |
一级蒸汽压缩机 | Δt=12℃ | 124.4 | 73.7 | 输入功率:357.4kW 压缩比:1.5 |
二级蒸汽压缩机 | Δt=12℃ | 82.8 | 74.6 | 输入功率:73.8kW 压缩比:1.7 |
一级气液分离器 | 4.0m3 | — | — | 输入功率:2.0kW |
二级气液分离器 | 0.8m3 | — | — | 输入功率:0.8kW |
一级结晶分离器 | 795kg·h-1 | — | — | 输入功率:2.8kW |
二级结晶分离器 | 1272kg·h-1 | — | — | 输入功率:3.3kW |
表4 系统主要设备性能参数
设备名称 | 规格 | ?损失/kW | ?效率/% | 其他性能参数 |
---|---|---|---|---|
一级预热器 | 82.6m2 | 111.7 | 81.7 | 换热量:1329.4kW |
二级预热器 | 1.0m2 | 17.1 | 74.8 | 换热量:158.3kW |
一效降膜蒸发器(预蒸发) | 482m2 | 379.6 | 81.5 | 换热量:6314kW 蒸发量:9275kg·h-1 |
二效强制循环蒸发器 | 114.7m2 | 52.7 | 89.5 | 换热量:1503.4kW 蒸发量:2208.3kg·h-1 输入功率:68.8kW |
三效强制循环蒸发器 | 133.6m2 | 57.9 | 77.6 | 换热量:1434.2kW 蒸发量:2016.7kg·h-1 输入功率:80.2kW |
一级蒸汽压缩机 | Δt=12℃ | 124.4 | 73.7 | 输入功率:357.4kW 压缩比:1.5 |
二级蒸汽压缩机 | Δt=12℃ | 82.8 | 74.6 | 输入功率:73.8kW 压缩比:1.7 |
一级气液分离器 | 4.0m3 | — | — | 输入功率:2.0kW |
二级气液分离器 | 0.8m3 | — | — | 输入功率:0.8kW |
一级结晶分离器 | 795kg·h-1 | — | — | 输入功率:2.8kW |
二级结晶分离器 | 1272kg·h-1 | — | — | 输入功率:3.3kW |
性能指标 | MVR分质提盐方案 | 五效蒸发分盐方案 |
---|---|---|
蒸发量/kg·h-1 | 13500 | 13500 |
新鲜蒸汽耗量/kg·h-1 | — | 4125 |
蒸汽耗能/kW | — | 2590 |
冷却水量/t·h-1 | — | 47 |
系统用电量/kW | 580.1 | — |
效能系数COP | 18.5 | 1.2 |
单位能耗/kJ·kg-1 | 154.7 | 690.7 |
?效率/% | 25.9 | 15.2 |
?损失/kW | 881.0 | 1326.5 |
表5 MVR分质提盐蒸发结晶系统与参比系统性能对比
性能指标 | MVR分质提盐方案 | 五效蒸发分盐方案 |
---|---|---|
蒸发量/kg·h-1 | 13500 | 13500 |
新鲜蒸汽耗量/kg·h-1 | — | 4125 |
蒸汽耗能/kW | — | 2590 |
冷却水量/t·h-1 | — | 47 |
系统用电量/kW | 580.1 | — |
效能系数COP | 18.5 | 1.2 |
单位能耗/kJ·kg-1 | 154.7 | 690.7 |
?效率/% | 25.9 | 15.2 |
?损失/kW | 881.0 | 1326.5 |
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