多效蒸发浓缩石化企业含盐废水关键参数的优化分析-刘天柱

多效蒸发浓缩石化企业含盐废水关键参数的优化分析＊刘天柱1赵东风1李石1薛建良2刘伟1张华1(1．中国石油大学(华东)化学工程学院山东青岛266580;2．山东科技大学化学与环境工程学院山东青岛266580)摘要为提高多效蒸发技术(MED)浓缩石化企业含盐废水的热性能，建立了顺流MED浓缩含盐废水的热力计算模型，并分析了操作过程中关键参数(蒸发器效数、浓缩比、末效蒸发器蒸发温度和进料预热器)对MED性能的影响。结果表明，蒸发器效数对MED性能影响显著;浓缩比(CＲ)对造水比(GOＲ)和蒸发器总换热面积影响较小;虽然末效蒸发器蒸发温度对GOＲ影响较小，但在效数较大时，对蒸发器总换热面积影响较大;此外，有进料预热器的MED的制水能力和经济性能显著提高。关键词多效蒸发技术石化企业含盐废水关键参数优化分析OptimizationandAnalysisonKeyParametersofMulti－effectDistillationConcentratingSalineWastewaterofPetrochemicalEnterprisesLIUTianzhu1ZHAODongfeng1LIShi1XUEJianliang2LIUWei1ZHANGHua1(1．CollegeofChemistryandChemicalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)Qingdao，Shandong266580)AbstractInordertoimprovethermalpropertiesofmulti－effectdistillation(MED)concentratingsalinewastewaterofpetrochemicalenterprises，themathematicalmodelforMEDisestablishedandthekeyparametersintheoperationprocessaffectingtheperformanceofMEDareanalyzed，includingeffectnumber，concentrationratio(CＲ)，evapora-tiontemperatureinlasteffectandfeedpreheater．TheresultsshowthatperformanceofMEDisinfluencedsignificant-lybyeffectnumber，andCＲhasslightinfluencesongainedoutputratio(GOＲ)andtotalheattransferareas;al-thoughevaporationtemperatureinlasteffectslightlyinfluencesGOＲ，itremarkablyinfluencesthetotalheattransferareaswheneffectnumberisbigger;inaddition，watercapacityandeconomicperformanceofMEDwiththefeedpre-heatercanbestrikinglyenhanced．KeyWordsmulti－effectdistillation(MED)petrochemicalenterprisessalinewastewaterkeyparametersOptimizationandAnalysis0引言石化企业生产废水中的含盐废水，对污水处理场造成较大冲击，降低污水处理效率，一直影响石化企业废水处理［1］。多效蒸发技术(MED)具有结垢风险性低、动力消耗小、热效率高以及可利用热电厂低品位热源等优点，在化工、制药、海水淡化等行业中得到了广泛应用［2］。MED浓缩含盐废水过程中，影响因素很多，主要有效数、蒸汽消耗量、末效蒸发器蒸发温度和浓缩比(CＲ)等。近年来，许多学者对影响MED性能的因素进行了理论分析，姜莹等［3］采用一种Guass－Seidel迭代法对多效并流蒸发过程进行模拟和优化研究;阮奇等［4］对并流多效蒸发、逆流多效蒸发过程的模型及算法进行了研究;赵东风等［5］以石化企业含盐废水为研究对象，建立了热力学模型，考察MED运行参数对系统的影响;其他还有诸如以火用损失或经济效益最小为目标函数的模型和以系统年费用最小为目标的优化模型等［6］。尽管研究较多，仍存在缺少对MED关键参数的优化数据和工艺设计与优化过程缺失等问题。因此，本文针对MED浓缩含盐废水操作过程的特点研究优化其关键参数，如效数、末效蒸发器蒸发温度、进料预热器和CＲ等，建立系统热力计算模型，并分析关键参数对MED系统的影响。1系统数学模型依据MED浓缩含盐废水过程中物料和热量平衡［7］，计算方程式如下。*基金项目:国家自然科学基金(51178463)。·64·工业安全与环保IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection2015年第41卷第8期August20151．1系统物料平衡系统盐分质量平衡和水平衡方程:FD=XbXb－XfDi=Dfi+DbiDi=Di－1(2－y)－Di－2，i＞2y=CΔT/L式中，y为第一效盐水闪蒸出的蒸汽量与第一效盐水的比值。1．2系统热量平衡第一效蒸发器热负荷方程:Q1=SL=FC(T1－Tf)+DL1=UeA1ΔT1=UeA1(Ts－Tv1－BPE)ΔT=Ts－T1=T1－T2=Tn－Tn－1末效冷凝器热负荷方程:Qc=DnL=UcAc(Tf－Tc)ln［(Tvn－Tc)/(Tvn－Tf)］k=Tf－TcTvn－Tc式中，海水沸点温度(BPE)升高假设为1．5℃;冷凝系数(k)假定为0．5。1．3系统换热面积衡算根据传热速率方程可得各效蒸发器传热面积:A1=FC(T1－Tf)+D1LUe(Ts－Tv1－BPE)A2=D1LUe(ΔT－BPE)A3=D2LUe(ΔT－BPE)An=Dn－1LUe(ΔT－BPE)依据上式可求得蒸发器总换热面积方程:A总=A1+A2+…+An1．4模拟计算的参数石化企业含盐废水通常含有一定比例的有机污染物和悬浮物，处理含盐废水首先要进行预处理。在确定相同的淡水产量下，计算分析不同因素对MED系统热力性能的影响。参数如表1所示:表1模拟计算参数进料盐度/(g·L－1)出料盐度/(g·L－1)第一效蒸发温度/℃循环冷却水温度/℃总蒸发量/(m3·s－1)蒸发器总传热效率/(kW·m－2·℃－1)冷凝器总传热效率/(kW·m－2·℃－1)冷凝系数海水沸点温度升高/℃溶液比热容/(kJ·kg－1·℃－1)蒸汽比焓/(kJ·kg－1)6．038．092．539．05．52．52．00．51．54．04．02计算结果与讨论2．1效数对MED热力性能的影响效数对MED热力性能的影响见图1，相同效数的MED系统中，各效蒸发量与效数呈正相关。在淡水产量一定的情况下，效数越高的MED系统，各效蒸发量越小。随着效数的增加，各效蒸发器换热面积随之缓慢增加，见图2。这是由于在淡水产量一定的情况下，随着效数的增加，各效蒸发产生的蒸汽量减少，各效温差降低，导致各效换热面积增加。图1不同效数MED的各效蒸发量表2为蒸汽耗量、GOＲ和蒸发器总换热面积随效数的变化趋势。从表2可以看出在蒸发量一定时，蒸汽耗量随效数的增加而降低，GOＲ随之升高。这是由于随效数的增加，系统内能够产生多次二次蒸汽并重复利用，热利用率提高，因此蒸汽耗量减少，GOＲ增加。此外，随着效数的增加，虽然各效蒸发器换热面积增量较小，但蒸发器总换热面积增加比较明显。此外，GOＲ的增长速率(ΔGOＲ)随着效数的增大逐渐降低。因此，较高的效数必然带来较高的总投资和淡化水成本，为达到较高的淡化水产量且成本较低，设计合理的MED效数是至关重要的。图2不同效数MED的各效蒸发器总换热面积·74·表2不同效数蒸汽耗量、GOＲ和蒸发器总换热面积的比较效数蒸汽耗量/(kg·s－1)GOＲ蒸发器总换热面积/m232．272．42292．6941．813．04399．7151．543．58514．5161．354．07634．5971．224．51759．2981．124．92897．032．2CＲ对MED热力性能的影响CＲ不仅通过改变系统蒸汽耗量和出料盐度影响设备结垢和腐蚀，还会影响设备的投资成本(蒸发器的总换热面积)。如图3、图4和图5所示为CＲ对MED热力性能的影响。图3蒸汽耗量随CＲ的变化趋势图4GOＲ随CＲ的变化趋势图5蒸发器总换热面积随CＲ的变化趋势如图3、图4和图5所示，随着CＲ的增加，蒸汽耗量逐渐降低，GOＲ随之缓慢升高，而蒸发器总换热面积基本不变。这主要是由于淡水产量一定，增大CＲ，相应的加热蒸汽量减少，使得GOＲ升高。在一定范围内，增加CＲ可以提高GOＲ，进而提高MED的性能，但当盐度较高时，装置的腐蚀率和结垢率会显著提高。因此，MED处理含盐废水时不能过度追求高CＲ。2．3末效蒸发温度对MED热力性能的影响传热温差是MED系统中关键的热力学指标，传热温差越大，即系统的传热推动力越大，进而影响MED系统的热力性能。在进料一定的情况下改变蒸发器末效蒸发温度，即改变系统的传热温差［8］。图6、图7和图8分别为加热蒸汽耗量、GOＲ和蒸发器换热总面积随末效蒸发面积的变化趋势。如图6、图7所示，在相同效数的MED中，随着末效蒸发器蒸发温度的升高，蒸汽耗量降低，GOＲ增加。由此可知，末效蒸发温度越大，传热温差和传热推动力越大，在一定的淡水产量下，使用的加热蒸汽越少。而在相同末效蒸发温度下，效数越大具有的GOＲ越高。并且末效蒸发温度升高会导致传热温差增大，导致前后两效间的蒸发量差距变小，使前效蒸汽产生量增大。且前效含盐溶液进入后效时温度也随之升高，在后效更易产生二次蒸汽。因此，GOＲ与末效蒸发器蒸发温度呈正相关。图6蒸汽耗量随末效蒸发温度的变化趋势图7GOＲ随末效蒸发温度的变化趋势图8蒸发器总换热面积随末效蒸发温度的变化趋势由图8可知，蒸发器总换热面积随末效蒸发温度的升高而升高。此外，在相同的末效蒸发温度下，蒸发器总换热面积与效数呈正相关。同时，效数越大末效蒸发温度对蒸发器总换热面积影响越大，在效数较大时，蒸发器总换热面积的增加速度随末效蒸发温度的升高而加快。综上可知，末效蒸发温度·84·升高后，GOＲ的少量提高，需付出蒸发器总换热面积更大增量的代价。2．4进料预热器对MED热力性能的影响在7效顺流MED中，末效蒸发器中产生的0．9367kg/s的二次蒸汽被冷凝，占总蒸汽量的14．39%，造成热量的极大浪费，GOＲ仅为4．51。若在蒸发器进料前加入进料预热器，GOＲ提高至5．46，增量为21．06%，系统热性能显著提高。因此考察MED热性能随进料预热器的变化趋势。如图9、图10分别为进料预热器对MED的GOＲ和蒸发器总换热面积的影响。图9进料预热器对GOＲ的影响图10进料预热器对蒸发器总换热面积的影响如图9所示，在有预热器的情况下，MED系统的GOＲ得到显著提高。这主要是由于进料盐水在进入蒸发器前经二次蒸汽加热后温度升高，减少加热蒸汽将其加热至沸点所需的热量，同时，回收利用末效二次蒸汽加热进料盐水，避免了这部分热量的浪费，从而使蒸汽用量减少，而淡水产量不变，故GOＲ升高。由图10可以看出，有预热器的MED系统蒸发器总换热面积明显降低，有利于降低MED的投资成本。因此，增加进料预热器是提高MED的制水能力和经济性能的有效手段。3结语以顺流MED浓缩石化企业含盐废水的操作过程为研究对象，采用热力学建模，分析关键参数对MED性能的影响。结果表明，在淡水产量一定的情况下，提高效数尽管可以减少蒸汽用量，提高GOＲ，但同时增大了蒸发器的总换热面积，从而增大了总投资和淡化水成本;提高CＲ可以在减少蒸汽耗量的同时提高GOＲ，但换热面积基本不变，因此提高CＲ有利于提高MED性能，但同时要考虑CＲ提高引起的设备腐蚀和结垢问题;增大末效蒸发温度可少量提高GO