基于MVR技术的含盐化工废水处理系统研究

The Journal of New Industrialization Vol. 9 No. 6 Jun 2019 文章编号：2095-6649(2019)06-0050-05

基于MVR技术的含盐化工废水处理系统研究

王向斌*，赵军

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

摘要: 蒸发结晶技术可用于废水的浓缩处理，但传统的多效蒸发技术运行成本高。机械蒸汽再压缩技术（Mechanical Vapor Recompression, MVR）可以有效地降低蒸发过程的能耗，对节约能源和减少废气废水排放具有重要意义。本文针对用于处理高浓度含盐化工废水的MVR系统做了介绍，并对自制试验系统采用的管壳式热交换器和闪蒸器做了热力计算和结构设计，提出了设计要点和注意事项。

关键词: MVR技术；预热器；换热器；闪蒸器

中图分类号: TQ131 文献标志码: A DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2019.06.011

本文著录格式：王向斌，赵军. 基于MVR技术的含盐化工废水处理系统研究[J]. 新型工业化，2019，9（6）：5054

Research on Salt-containing Chemical Wastewater Treatment System

Based on MVR Technology

WANG Xiang-bin*, ZHAO Jun

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093) Abstract: Evaporative crystallization technology can be used to concentrate wastewater, but traditional multi-effect evaporation technology has high cost. Mechanical Vapor Recompression technology (MVR) can effectively reduce the energy consumption of evaporation process, which is of great significance in saving energy and reducing waste gas and water discharge. This paper intro-duces the MVR system for treating high concentration saline chemical wastewater, and makes thermodynamic calculation and structural design of tube and shell heat exchanger and flash evaporator used in the self-made test system, and puts forward the de-sign key points and matters needing attention.

Key words: MVR technology; Preheater; Evaporator; Flash vessel

Citation: WANG Xiang-bin, ZHAO Jun. Research on Salt-containing Chemical Wastewater Treatment System Based on MVR Technology [J]. The Journal of New Industrialization, 2019, 9(6): 50-54

0 引言

进入新世纪以来，面对着保护环境和节约能源的双重要求，高污染、高耗能的化工产业正受到前所未有的压力，如何提高能源利用效率、减少能源消耗和有毒有害污染物质的产生，成为化工产业需要解决的紧迫现实。对于常见的含盐化工废水的处理，多效蒸发技术[1]目前的应用很广泛，但该技术存在热效率不高，消耗生蒸汽量大的不足，因此在多效蒸发技术的基础上提出了机械蒸汽再压缩技

术（Mechanical Vapor Recompression, MVR），这一技术因为很好地解决了多效蒸发技术消耗蒸汽量大成本高的问题，符合国家建设节约型社会的要求，正在得到越来越多的运用。

1 含盐化工废水蒸发处理技术现状

1.1 多效蒸发技术

对于含盐化工废水的处理，常用的是蒸发结晶技术。蒸发结晶技术是对溶液进行加热蒸发水分将

作者简介: 王向斌（1994–），男，硕士，主要研究方向：MVR系统的优化设计；赵军（1967–），男，博士，副教授，主要研究方向：叶轮机

械与流体工程。

第6期 王向斌等：基于MVR技术的含盐化工废水处理系统研究 51

化工废水浓缩，然后将浓缩后的高浓度废水冷却使溶液中的多种盐分结晶与水分离的技术。常用的蒸发系统是多效蒸发系统，其原理是将多个蒸发器串联起来，上一效蒸发器中产生的二次蒸汽直接或会同外界热源通入到下一效蒸发器中对蒸发器中的溶液加热使水分蒸发，每一效蒸发器的冷凝液汇集后排出，溶液后一效蒸发器中饱和析出结晶，然后进行固液分离，其原理如图1所示。这种多效蒸发技术虽然通过多次蒸发有效利用了二次蒸汽，提高了能源利用率，但系统蒸发过程中仍然需要从外界源源不断地补充生蒸汽，总体能耗较高。

图1 典型三效蒸发示意图

Fig. 1 The diagram of typical three effect evaporation

1.2 机械蒸汽再压缩（MVR）技术

由于多效蒸发技术耗能较高，不符合当前我国节能减排的主流，因此在此基础上提出了MVR技术。MVR技术是一种通过外界输入机械功再利用蒸发环节产生的二次蒸汽，从而减少蒸发浓缩过程对外界生蒸汽需求的一种节能技术[2]。其基本原理是将通过压缩机的机械压缩，提升二次蒸汽的温度和压力，然后将二次蒸汽送入蒸发器中进行蒸发，如此循环往复，如图2所示。

图2 MVR系统原理图

Fig. 2 The schematic diagram of MVR system

系统刚开始运行时，工业废水经过预热后送入蒸发器中，与外界送入的生蒸汽进行换热，废水受热剧烈沸腾产生二次蒸汽，经过气液分离器后二次蒸汽携带的液滴被富集后另做他用，二次蒸汽则经过压缩机的机械压缩提升热值后部分或全部取代外界生蒸汽进入蒸发器加热废水产生新的二次蒸汽，换热后的二次蒸汽凝结成冷凝水，可送入蒸发器前的预热器中预热废水以充分利用其余热。当系统运行稳定后，就可以减少甚至不用补充外界生蒸汽，此时系统的主要能耗来自压缩机消耗的电能。从表1可知,与传统的多效蒸发技术相比，该系统能够显著地减少生蒸汽使用量，降低运行成本[3-4]。

表1 多效蒸发技术与MVR技术能效对比

Table 1 Comparison of energy efficiency between Multi-effect

evaporation technology and MVR technology 项目 多效蒸发系统 MVR系统 仅需在启动阶段消耗 蒸发所需能源

大量蒸汽

少量生蒸汽，运行稳 定后仅消耗电能

是否需要锅炉

额外安装锅炉以 少量蒸汽可直接购买，产生蒸汽

无需锅炉 废气排放

锅炉运行产生CO2、 SO无废气排放

X等有害气体

以三效蒸发为例，蒸发

蒸发1 t水仅消耗

消耗能源

1 t水消耗蒸汽约0.42 t

约20~80度电能，

取最大值80计算[5]

蒸汽价格取220元/t， 工业用电取0.655元/度，

运行成本估算

蒸发1 t水消耗蒸汽

蒸发1 t水消耗 价值约为92.4元

电能价值约52.4元

由运行成本估算可知，即便MVR技术蒸发1t水的耗电量取最大值，其运行能耗成本大约也只占三效蒸发系统运行成本的57%，而且该系统没有废气排放，对环境无污染，在一定的场合适合替代多效蒸发系统用于含盐废水的蒸发过程。

2 试验系统热交换设备设计计算

完整的MVR系统一般由热交换器（预热器、蒸发器）、压缩机、闪蒸器和给水泵等设备组成。其中热交换器、压缩机和闪蒸器的设计计算占了整个系统设计计算的绝大部分，因此，以下尝试对处理化工废水的MVR试验系统的主要设备进行设计计算。

2.1 预热器的设计计算

热交换器是以传热为主要过程的设备，为满足

52 新型工业化

表2 换热管各项参数

Table 2 Parameters of Heat Exchange Tube

第9卷

本系统处理高盐度化工废水的需要，其应满足的基本要求有[6]：

（1）符合处理高盐度化工废水工艺的要求，结构耐腐蚀性高，热交换强度高，换热量大，热损失少。

（2） 制造简单，安装维修方便，运行稳定可靠。 设计换热管规换热管换热管壁换热管单管换热

单管截面积

管长格 外径厚 内径 面积

25*

0.4 m0.025 m0.0025 m 0.02 m 0.000314 m20.0314 m2

2.5 mm

换热管根数计算得：

（3）流动阻力较低，减少动力消耗。 2.1.1 预热器的热力计算

预热器的作用是充分利用蒸发器中流出的冷凝水对刚进入系统的浓度为20%的NaCl废水溶液进行预热，设定预热器形式为管壳式换热器，换热效率为0.985。此时该废水的质量流量为200 kg/h，温度为20 ℃，经过预热后废水的温度为40 ℃，进入预热器的蒸发器冷凝水温度为80 ℃，离开预热器的冷凝水温度为25 ℃。查阅相关文献可知，定性温度下20%的NaCl溶液的比热容为4030 J/（kg/K）[7]。换热器计算的基本公式为传热方程式和热平衡方程式：

kAtm

（1）q'm1c1t1t''1qct''

'

（2）m222

t

2

式中：为传热量（W）

；k为传热系数（W/（m2·℃））；Δtm为逆流布置时对数平均温差[8]

（℃）；qm1,qm2为冷凝水和废水流量（kg/h）；c1,c2为冷凝水和废水在定性温度下比热容（J/(kg/K)）；t1,t1,t2,t2为冷凝水和废水在预热器的进口和出口温度（℃）。因此可知冷凝水的流量为70.85 kg/h，预热器设计传热量为4.55 kW。 2.1.2 预热器的结构计算

由（1）式知，为估算预热器的传热面积，必须知道其对数平均温差tm，在设置预热器内冷热流体流动方向相反即逆流布置的情况下：

t

t1

t2t1t2m

（3）lntt 12t1

t2对数平均温差tm为16.83 ℃，预热期中管程为20%的NaCl废水，壳程为蒸发器流出的冷凝水，初步选定预热器的传热系数为800 W/（m2·℃）

。 为满足换热条件，选取碳钢无缝钢管为换热管，其基本规格如表2所示。

n

总传热面积/ktm单管换热面积

A9.76根

单管故取换热管根数为10根。 管程流动计算：

管程流通截面积单管截面积管数0.00314m2

管内废水流速

废水体积流量

管程流通截面积

0.04m/s

壳程流动计算：

管中心距1.25管外径d00.03125m 所以壳程管中心距取0.032 m。

管束中心排管管数Nc1.19n4

壳体内径DisNc14d00.2m

故预热器壳程各项参数如表3所示。

表3 预热器壳程各项参数

Table 3 Parameters of Shell Side of Preheater

设计管长换热管规格换热管中心距 壳体管束中

心排管数

壳体内径0.4 m

φ25*2.5 mm

0.032 m

4

0.2 m

2.2 蒸发器的设计计算

蒸发器是MVR系统中通过蒸发浓缩结晶处理废水的关键设备，从预热器出来的经过预热升温的废水在蒸发器中被经过压缩机压缩的二次过热蒸汽加热，经过闪蒸器的蒸发，形成的二次蒸汽通过压缩机压缩并送入蒸发器循环利用，蒸发后形成的高浓度浓缩废水则经过收集装置汇集起来另做处理[9]。最终通过输入少量的机械功，在蒸发器中将大量低品位热能转化为循环可利用的高品位热能，从而极大地提高了能源效率[10]，因此，蒸发器性能的优劣直接关系到系统运行效率的高低。

2.2.1 蒸发器的热力计算

蒸发器待处理废水来自于预热器出口被预热的化工废水，加热蒸汽来自于被压缩机压缩升焓的二次蒸汽，其在蒸发器中完成换热过程后进入预热器，故冷热流体流经蒸发器的进出口的各项参数可以从蒸发器的上下游设备中流体各项参数得知，具体参数见表4。

第6期 王向斌等：基于MVR技术的含盐化工废水处理系统研究

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表4 冷热流体进出蒸发器物性参数

Table 4 Physical parameters of hot and cold fluids in

and out of evaporator 废水质 蒸汽质 废水进 蒸汽进 冷凝水 量流量 量流量 口温度 口温度 出口温度0.0556 kg/s

0.0128 kg/s

40 ℃

120 ℃

80 ℃

为使冷热流体在蒸发器中充分换热，采用逆流布置，对数平均温差如（3）

式计算。无量纲参数P、R为：

Pt2

t2

t （4） 1t 2Rt1

t1

t （5）

2

t2根据计算得出的P、R值查阅相关图表得出温差修正系数Ψ，故有效平均温差tmintm。

与预热器不同的是，待处理废水和二次蒸汽在蒸发器中是一个有相变的换热过程。经过压缩机压缩升焓后的二次蒸汽处于过热状态，120 ℃过热蒸汽在蒸发器中与废水进行热交换释放过热蒸汽的显热，然后变为95 ℃饱和蒸汽，饱和蒸汽凝结成同温度冷凝水释放其潜热，冷凝水继续与废水换热直到成为80 ℃冷凝水离开蒸发器并进入预热器对初废水进行预热以充分利用其热能。所以对其换热过程各阶段的对数平均温差和温差修正系数应分别计算，最后得到过热蒸汽到冷凝水各阶段的有效平均温差，其计算结果如表5所示。

表5 过热蒸汽至冷凝水各阶段参数

Table 5 Parameters of each stage from superheated

steam to condensed water

过热段 冷凝（有相变）段 冷凝水段对数平均温差tm

8.24 ℃ 21.31 ℃

32.82 ℃参数P 0.583 0.874 参数R 0.568 0.237 温差修正系数Ψ 0.98 1 0.98 有效平均温差tmin

8.07 ℃

21.31 ℃

32.16 ℃

2.2.2 蒸发器的结构计算

根据过热蒸汽到冷凝水各阶段换热机理的不同，初选各阶段传热系数K：过热蒸汽段传热系数为700 W/（m2·℃）

，饱和蒸汽凝结段传热系数为2000 W/（m2·℃），冷凝水段传热系数为800 W/（m2·℃），由此解出各阶段换热面积，从而得出总换热面积约为0.84 m2。蒸发器内部换热管设计排布大致与预热器相似，此处不再赘述，仅列出管程各项参数于表6。

表6 蒸发器管程各项参数

Table 6 Parameters of shell side of evaporator 设计换热 换热换热 换热 单管 单管换热管长管规格 管外径管壁厚 管内径 截面积 面积

1 m

φ20*20 mm0.02 m0.002 m 0.016 m 0.000201 m20.0628 m2

2.3 闪蒸器的结构设计

闪蒸器一般安装于蒸发器上部或与蒸发器一体化，其作用是利用水的沸点随气压降低而降低的原理，在有限空间内形成负压状态，从而使进入闪蒸器的水分在低温下蒸发,达到气液分离的目的[11]。

2.3.1 闪蒸器内气速的计算

从浮动液滴的平衡条件，可以得到：

V4gd0.5

LG

t3CwG

（6）式中，Vt是浮动（沉降）流速（m/s）；d是液滴直径（m）；L、G是液体和气体密度（kg/m3）；g是重力加速度，9.8 m/s2；Cw是阻力系数。

通过假设的Re数查图[12]得到Cw，按照要求的浮动液滴直径d和'L、G计算出此时浮动速度Vt，由V't计算出Re数。

'Re

dVtG

 （7）G

式中，G是气体粘度（Pa·s）。

由计算得Re数，查图得到新的Cw，代入（6）中，重复上述步骤，直到前后两次得到的Re数值相等时停止，此时有VtVt。将闪蒸器中气、液相参数汇总至下表7。

表7 闪蒸器气、液相参数

Table 7 Gas and liquid phase parameters of flash evaporator

项目 数值 气相密度 0.3489 kg/m3 液相密度 1159.42 kg/m3 液滴直径 0.0004 m 气相体积流量 97.94 m3/h 液相体积流量 0.17 m3/h 液相蒸发温度

85 ℃ 粘度 0.00334 Pa·s 重力加速度 9.8 m/s2 浮动流速

1.32 m/s Cw

1.25

2.3.2闪蒸器结构设计

对于闪蒸器的直径D的计算，有以下公式：

54

0.5

新型工业化 第9卷

V

（8） D0.0188Gmax

统处理效率的高低，在后续的运用过程中，有必要继续着眼于蒸发环节的研究。 uG

式中，D是闪蒸器直径（m）；VGmax是气体最大体

积流量（m3

/h）；uG是容器中气体流速（m/s）。闪蒸器的高度可分为气相空间高度和液相空间高度，本处所说的高度是指容器的圆柱体部分的高度，如图3所示。

图3 闪蒸器尺寸标记示意图

Fig. 3 The Schematic Diagram of Dimension

Marking of Flash Evaporator

低液位和高液位的距离由下式计算：

HVL

Lt

4.71D2 （9）

式中，HL是液体高度（m）；t是停留时间（min）；

D是容器直径（m）；VL是液体体积流量（m3/h）。

计算得直径D为0.5 m，高度HL为0.8 m。 设计计算表明，对于处理含有特定物质的化工废水，应当根据所要达到的换热效果以及处理介质本身的特性，区别设计蒸发系统。根据待处理介质是否有腐蚀性，是否易凝絮堵塞等性质，选用适当的材质制作换热设备，能够更好的提升设备运行寿命，增强换热效率。

3 结论

通过精确的热力计算和合理的结构优化，MVR系统用于处理特定成分的化工废水相比于多效蒸发系统能够显著地降低系统维护和运行成本。MVR系统在运行稳定后废水从进入到最后被浓缩形成一个稳定循环，因此在进行换热设备设计计算时必须联系上下游设备中流体物性参数，不能将某一设备单独割裂开来进行设计。热交换设备作为蒸发浓缩的最重要载体，其换热能力的优劣直接关系到系

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