多效蒸发器调节的原理和方法

多效蒸发器主要用来处理高浓度、高色度、高含盐量的工业废水。同时，回收废水处理过程中产生的附产品。蒸汽耗量低、蒸发温度低、浓缩比大、更合理、更节能、更高效。本文将介绍多效蒸发器在废水处理中的应用。

工业废水分类通常有以下三种：

第一种是按工业废水中所含主要污染物的化学性质分类，含无机污染物为主的为无机废水，含有机污染物为主的为有机废水。例如电镀废水和矿物加工过程的废水，是无机废水;食品或石油加工过程的废水，是有机废水。

第二种是按工业企业的产品和加工对象分类，如冶金废水、造纸废水、炼焦煤气废水、金属酸洗废水、化学肥料废水、纺织印染废水、染料废水、制革废水、农药废水、电站废水等。

第三种是按废水中所含污染物的主要成分分类，如酸性废水、碱性废水、含氰废水、含铬废水、含镉废水、含汞废水、含酚废水、含醛废水、含油废水、含硫废水、含有机磷废水和放射性废水等。

前两种分类法不涉及废水中所含污染物的主要成分，也不能表明废水的危害性。第三种分类法，明确地指出废水中主要污染物的成分，能表明废水一定的危害性。

一、多效蒸发的技术特点

多效蒸发是使用最早的海水淡化技术，现今已经发展成为较为成熟的废水蒸发技术，解决了结垢严重的问题，逐步应用于高含盐水处理方向。

多效主要有如下几个方面的技术特点：

多效蒸发的传热过程是沸腾和冷凝换热，是双侧相变传热，因此传热系数很高。对于相同的温度范围，多效蒸发所用的传热面积要比多级闪蒸少。

多效蒸发的动力消耗少。由于多级闪蒸产生淡水依赖的是含盐水吸收的显热，而潜热远大于显热，因此生产同样多的淡水，多级闪蒸需要的循环量比多效蒸发大出很多，所以多级闪蒸需要更多的动力消耗。

多效蒸发的操作弹性很大，负荷范围从110%到40%，皆可正常操作，而且不会使造水比下降。

二、含盐废水的工艺流程

含盐水首先进入冷凝器中预热、脱气，而后被分成两股物流。一股作为冷却水排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料。

进料含盐水加入阻垢剂后被引入到蒸发器的后几效中。料液经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上，然后沿顶排管以薄膜形式向下流动，部分水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而蒸发。

二次蒸汽在下一效中冷凝成产品水，剩余料液由泵输送到蒸发器的下一个效组中，该组的操作温度比上一组略高，在新的效组中重复喷淋、蒸发、冷凝过程。

剩余的料液由泵往高温效组输送，最后在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开装置。

生蒸汽被输入到第一效的蒸发管内并在管内冷凝，管外含盐水产生与冷凝量基本等量的二次蒸汽。

由于第二效的操作压力要低于第一效，二次蒸汽在经过汽液分离器后，进入下一效传热管。蒸发、冷凝过程在各效重复，每效均产生基本等量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在冷凝器中被含盐水冷凝。

第一效的冷凝液返回蒸汽发生器，其余效的冷凝液进入产品水罐，各效产品水罐相连。由于各效压力不同使产品水闪蒸，并将热量带回蒸发器。

这样，产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却，回收的热量可提高系统的总效率。被冷却的产品水由产品水泵输送到产品水储罐。这样生产出来的产品水是平均含盐量小于5mg/1的纯水。

浓盐水从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，过热的浓盐水被闪蒸以回收其热量。经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经浓盐水泵排回大海。

不凝气在冷凝器富集，由真空泵抽出。

垂直管多效蒸发流程见下图：

三、低温多效蒸发的技术优势

从其上述原理可以看出，低温多效蒸发的技术优势体现在如下几个方面：

由于操作温度低，可避免或减缓设备的腐蚀和结垢。

由于操作温度低，可充分利用电厂和化工厂的低温废热，对低温多效蒸发技术而言，50℃-70℃的低品位蒸汽均可作为理想的热源，可大大减轻抽取背压蒸汽对电厂发电的影响。

进料含盐水的预处理更为简单。系统低温操作带来的另一大好处是大大的简化了含盐水的预处理过程。含盐水进入低温多效装置之前只需经过筛网过滤和加入少量阻垢剂就行，而不象多级闪蒸那样必须进行加酸脱气处理。

系统的操作弹性大。在高峰期，该淡化系统可以提供设计值110%的产品水;而在低谷期，该淡化系统可以稳定地提供额定值40%的产品水。

系统的动力消耗小。低温多效系统用于输送液体的动力消耗很低，只有0.9- 1.2kWh/m3左右。如此可以大大的降低淡化水的制水成本，这一点对于电价较高的地区尤为重要。

系统的热效率高。30余度的温差即可安排12以上的传热效数，从而达到10左右的造水比。

系统的操作安全可靠。在低温多效系统中，发生的是管内蒸汽冷凝而管外液膜蒸发，即使传热管发生了腐蚀穿孔而泄漏，由于汽侧压力大于液膜侧压力，浓盐水不会流到产品水中，充其量只会产生蒸汽的少量泄漏而影响造水量。

炼化企业有大量富裕的低温余热待利用，经过低温多效蒸发技术处理后的淡水可回用至多个工艺环节，如循环水补水等，实现污水的资源化利用的同时，实现了低温余热的高效利用。

因此，将低温多效蒸发技术引入炼化企业水处理行业，利用其高造水比、处理水质好等优点，可以实现低温余热利用和炼化污水深度处理的有机结合，并解决炼化污水中高含盐污水脱盐难、能耗高等问题。

如低温热利用技术对比表所示，较常规热泵技术和多级闪蒸技术，低温多效蒸发在热利用率、技术工艺耦合污水处理等方面具有明显优势，代表了相关技术领域的发展方向，是开展余热利用和污水处理耦合技术的重点方向。

四、多效蒸发的工艺模式

多效蒸发工艺有以下几种工艺模式：

1.顺流工艺流程

溶液和蒸汽的流向相同，都由第一效顺序流到末效。原料液用泵送入到第一效，依靠效间压差，自流入(浓缩过程中要是有固体产生或溶液粘度较大就需要添加过料泵)下一效进行处理，完成液自末效用泵抽出。

后一效的压力低，溶液的沸点也相对较低，故溶液从前一效进入后一效时会因过热而自行蒸发，称为闪蒸。因而后一效有可能比前效产生较多的二次蒸汽，但因为后效的浓度比前效高，而操作温度又较低，所以后一效的传热系数比前一效要低，往往第一效的传热系数比末效高很多。

并流流程适宜处理在高浓度下为热敏性的物料。

选择顺流工艺的原因：污水进水料液粘稠度低，不含有大量低沸点的物质，不需要选择逆流模式先冷凝，且不影响传热系数。

其次，污水进水盐浓度并不高，只有在极其高浓度时，选择顺流加料模式。

2.逆流工艺流程

原料液由末效加入，用泵一次送到前一效，完成液由第一效放出，料液与蒸汽逆向流动。随着溶剂的蒸发、溶液浓度逐渐提高的同时，溶液的蒸发温度也逐效上升，因此各效溶液的浓度也比较接近，使各效的传热系数也相近。

但因为溶液从后一效输送到前一效时，料液温度低于送入效的沸点，有时需要补加加热，否则产生的二次蒸汽量将逐渐减少。一般来说，逆流加料流程适宜处理粘度随温度和浓度变化较大的物料，而不适宜处理热敏性的物料。

3.平流工艺流程

各效都加入料液，又都引出完成液。此流程用于饱和溶液的蒸发(或溶液浓度较高)。各效都有晶体析出，可及时分离晶体。此法还可用于同时浓缩两种或多种水溶液。

4.错流工艺流程

亦称混流流程。它是并、逆流流程的结合。错流的特点是兼有并流与逆流的优点而避免其缺点。但操作复杂，要有完善的自控仪表才能实现其稳定操作。

MED蒸发器类型

MED蒸发器类型很多、按照蒸发压力、蒸发器类型、蒸发效数和物料流动方向分类，共四大类十五种：

按蒸汽压力分为：常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发;

按蒸发器类型分为：管式蒸发、板式蒸发和管板结合蒸发;

按效数分为：二效、三效、四效、五效和六效蒸发;

按物料流动分为：并流、逆流、混流和平流。

那么，MED蒸发器到底该如何比选?3个原则：

1、逆流和混流效果均优于并流系统

逆流多效蒸发能耗最小，并流多效蒸发能耗最大;混流多效蒸发系统的特性相对并流多效蒸发系统较好。

2、蒸发效数不是越多越好

当效数增多时，热量利用的效率也随之有所降低，考虑到效数增加则设备的投资增大，故实际采用效数应该有一个最佳点。比如对于一些些高沸点物系，只能采用二效或三效蒸发器。

3、考虑物料特性、热量衡算和不凝气截留程度等因素选择蒸发压力

有研究表明，各效的压强除了与蒸发器的物料与热量衡算有关，还与物料的特性以及各效上下不凝气的节流程度的大小有关。

MED的优缺点

MED的优点主要体现在以下5方面：

(1)预处理简单，化学药剂消耗较少，加入阻垢剂即可。

(2)受热时间短，多采用管内冷凝和管外沸腾的双侧向变传热方法，传热面积小，传热系数高。

(3)操作弹性大，系统可以提供设计值40%~110%的产品水，而多级闪蒸和反渗透都不具备这么大的操作弹性。

(4)处理效果好，处理过程中盐分析出，并且冷却后冷却液的盐分能被去除90%以上，使微生物很难再受盐分的抑制。

(5)操作可靠性高，整过程使用全自动化运行，且在运行过程中管内压力大于管外压力，即使出现腐蚀换热管现象，冷却水也不会污染产品水。

MED的缺点主要体现在以下2方面：

(1)管内易结垢，10d左右就要清理一次，需要及时除垢处理。

(2)效数增加，蒸汽利用率低。当效数增加后，每一效的传热温差损失就增加，如每蒸发1t水所消耗的蒸汽量比率为一效1.1、两效0.57、三效0.4、四效0.3、五效0.27.设备生产能力下降。

多效蒸发MED常见的三个技术问题和对策

一般来说，多效蒸发MED常出现装置中起泡、蒸发器的结垢、含盐离子末效蒸汽腐蚀设备等三大问题：

1、针对装置中起泡问题，解决方法

物理消泡主要有高温和低温消泡法、声波消泡法、液体喷散消泡法以及机械振动法等。虽然物理消泡在处理量特别大的情况下效果明显，但其装置及其运行成本较高;

化学消泡法主要是指使用消泡剂，但使用受消泡剂价格昂贵、生产成本高、生产工艺复杂影响;

机械消泡法主要利用旋转来改变作用在气泡处的压力和剪切力来达到除泡，因其成本低、消泡效果好，目前更受欢迎。

2、针对蒸发器的结垢问题，解决方法

有研究者有对蒸发器外壁垢样(*和碳酸钙)进行酸洗加中性清洗，对末效换热器内壁垢样(碳酸钙)酸洗，挂片分析发现各效挂片平均腐蚀速率都小于1g/m2·h，总腐蚀量都小于10g/m2.

值得一提的是，该方法要优于《工业设备化学清洗质量标准》(HG/T2387-2007)及《腐蚀试样的制备、清洗和评定标准》。

3、针对含盐离子末效蒸汽腐蚀设备的问题，解决方法

可以用低氯离子含量冷凝水进行低温、定时、定量的置换和补充，并在循环水中加入高效缓蚀剂。

机械式蒸汽再压缩技术MVR

机械式蒸汽再压缩技术(以下简称MVR)是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。

▲MVR蒸发原理图

在该系统中，预热阶段的热源由蒸汽发生器提供，直至物料开始蒸发产生蒸汽。

物料经过加热产生的二次蒸汽，通过压缩机压缩成为高温高压的蒸汽，在此产生的高温高压蒸汽作为加热的热源，蒸发腔内的物料经加热不断蒸发，而经过压缩机的高温高压蒸汽通过不断的换热，冷却变成冷凝水，即处理后的水。

压缩机作为整个系统的热源，实现了电能向热能的转换，避免了整个系统对外界生蒸汽的依赖与摄取。

MVR系统设备组成

从MVR蒸发工艺流程不难看出，MVR蒸发系统是由各个设备串联在一起所组成，各设备之间要在热力学和传热学方面巧妙地匹配，以使整个系统达到最佳效果。

系统中的主要设备有以下4个：

1、压缩机

MVR压缩机的选型主要有罗茨压缩机和离心压缩机两种。

罗茨鼓风机常被用来压缩小流量的蒸汽，属于是容积型压缩机，其提供风量小，温升大，适用于蒸发量小，沸点升高大的物料。

离心式压缩机为压差式风机，提供的压差小，流量大，温升小，排气均匀，气流无脉冲，适合蒸发量较大，沸点升高较小的物料。

综合来看，离心式压缩机的稳定性要优于罗茨压缩机，但离心式压缩机有时会发生喘振现象，会导致压缩机不稳定。

2、蒸发器

蒸发处理装置的型式一般分为升膜蒸发和降膜蒸发两种。其主要根据处理物的特性、能耗进行选择。目前，国内主要采用降膜蒸发方式。

3、热交换器

在MVR热泵蒸发工艺过程中，所使用的换热器多为间壁式换热器。在这类换热器内，冷热流体不直接接触，而是通过间壁进行换热。

生产中常用的间壁式换热器类型有：列管式换热器、波纹式换热器和螺旋式换热器。

4、气液分离器

气液分离器是提供物料和二次蒸汽分离的场所。其作用主要为将雾沫中的溶液聚集成液滴，把液滴与二次蒸汽分离。值得一提的是，分离器的设计要充分考虑蒸发量、蒸发温度、物料粘度、分离器液位等因素。

MVR的技术优势

1、对比传统的蒸发系统，MVR 系统只需要在启动时，通入生蒸汽作为热源，而当二次蒸汽产生，系统稳定运行，将不需要外部的热源，系统的能耗就压缩机和各类泵的能耗，所以节能效果相当显著。

2、MVR 蒸发器系统能耗主要是压缩机的电耗，运行费用大幅下降，运维成本低，由于系统不需要工业蒸汽，其安全方面的隐患较低，操作简单。

3、在同样的蒸发处理量下，MVR蒸发器所需的占地面积是远远小于传统多效的蒸发设备。

MVR处理高盐废水中常见的技术问题

尽管MVR技术在高盐废水处理中发挥了很好的效果，但是运行中仍有一些技术问题对运行效果有所影响。

1、系统结垢问题

换热器器壁结垢是系统蒸发效率降低的主要原因之一，这主要是由于加热热源是利用二次蒸汽，结垢结焦会使传热效果下降，单位时间内的蒸发量降低,这使得可利用的压缩二次蒸汽量减少，对生产能力影响会更加明显。

由于MVR蒸发器的特殊性，不能按时清洗设备比较常见，这是造成生产能力不稳定的原因之一。

2、温升问题

MVR系统中的温升问题是影响其在含盐废水处理应用中的一个重要因素。当采用MVR技术处理高浓度含盐废水时，由于其浓度高、沸点升较大，相应的蒸汽压缩机需要提高较高的温度来克服沸点升高的影响，对压缩机提出了较高的要求，且系统能耗显著增加。

研究表明，使用MVR蒸发技术，合理的温升范围为8℃～20℃。如果沸点升高超过18℃，MVR技术将失去优势。

3、物料物性对MVR的选择匹配问题

由于工业废水来源不同，需根据不同物料的物性对MVR进行选择。物料特性分析主要包括：物料所含的成分;物料在蒸发过程中是否伴有结晶析出;物料的黏度、比热、密度和沸点升等。

单一物料可通过查阅相关表格获取参数，但工业高盐废水多为混合型的料液，其相关数据只能通过模拟估算，因此，准确地对物料物性进行分析计算，是确保MVR装置正常运行的关键因素。

一般来说，对沸点温度升高较大的物料，一般采用MVR单效蒸发;高浓度物料需要使用强制循环以防止物料流速太慢而结焦;热敏性物料要求停留在蒸发器内的时间尽量短等。

综上所述，当前蒸发技术使用普遍，但同时也存在着能耗大、运行成本高、易结垢堵塞等问题，所以必须重点考虑高效节能，而多效蒸发MED和机械蒸汽再压缩蒸发MVR是推荐的高效节能技术。

其中，MVR蒸发装置的一次投资比较大，能耗较低，但随着国产蒸汽压缩机不断改进技术和生产工艺，价格也在不断地下降;多效蒸发装置的效数增多，那么多效蒸发装置投资也会增大，但能耗也能在一定程度内降低。

因此，不论是MVR蒸发装置还是多效蒸发装置，都有一定的相对优势，要根据适用性、投资、运行、消耗、人工、占地进行多方位的比选。

单一蒸发结晶工艺的弊端

在实际的蒸发设备运行过程中会发现多效/MVR蒸发结晶系统能很好地处理掉系统内的盐，但是系统母液中的有机物一直在富集，富集有机物母液回流至蒸发系统内继续蒸发会影响系统蒸发量，并且还会造成系统结焦、结垢、维护周期变短、维护成本变高等问题。

03

为了解决这个痛难点，通过企业现有的低温结晶工艺结合多效/MVR蒸发组合工艺，对精细化工/电镀/危废/煤化工等行业废水进行蒸发脱盐，发挥各工艺的优点，使蒸发装置能长周期运转，且综合能耗较低。实践表明，该组合工艺是一种理想的高盐、高COD废水处理技术。

低温结晶工艺优势

通过低温结晶系统对母液减量80%以上，大大减少企业高盐高COD废水处置成本，打通了整条工艺链。

低温蒸发的工况可大大提升蒸发的出水效果，产水的COD去除率高达95%以上，后端冷凝水进入生化系统内处理。

低温蒸发结晶系统具备自身的特殊结构，处理高COD、高盐废水时不易出现堵料、结焦及结垢现象。

设备本身是一体化、智能化、工艺原理简单化设计，不需要专门设置操作及巡检人员，大大减少了人力成本支出。

低温结晶工艺原理

在低温蒸发结晶设备中抽真空系统的作用下真空蒸发罐内真空度上升，废水借助蒸发器内的真空，经原水进阀吸入设备。废水在蒸发罐内到中液位，停止进液，真空度到达设定值后，利用外接蒸汽加热。其中的低沸点成分被蒸发。废水的高沸点成分以浓缩物的形式留在蒸发罐内。浓缩物通过设备自动排出。蒸汽沿管道进入冷却器，与外接冷凝系统交换成液态，蒸馏水沿出水管排出。

▲低温蒸发结晶设备原理图