CN106902532A - 一种低温液体蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体蒸发浓缩领域，尤其涉及一种低温液体蒸发器。包括以管道连接的储水单元、换热单元和蒸发单元，换热单元对液体至少加热3摄氏度，蒸发单元包括蒸发器和抽风机，蒸发器具有进风口，抽风机能使蒸发器内部形成微负压环境；液体自储水单元流经换热单元加热后，到达蒸发单元的微负压环境中进行蒸发，成为浓缩液体流回储水单元，如此循环反复浓缩直至晶体析出。本发明的低温液体蒸发装置，利用水蒸汽分压力与饱和水蒸汽分压力之间的差值作为蒸发驱动力，使蒸发过程在微负压条件下仅需加热3摄氏度即满足蒸发要求，实现液体在低温下蒸发，极大地降低了蒸发的条件和成本，实现高硫废水、电镀废水等高盐废水的零排放处理，保护生态环境。

Description

一种低温液体蒸发器

技术领域

本发明涉及液体蒸发浓缩领域，尤其涉及一种低温液体蒸发器。

背景技术

高盐废水是指含盐量至少1％的废水，其主要来自于钢铁行业、化工行业、电力行业及石油天然气的采集加工等，如火电厂脱硫废水、钢铁厂防指纹废液以及电镀厂电镀废水，这种废水含有多种物质，包括盐、油、有机重金属和放射性物质，如果任其排放入江河湖海，会严重影响水质土壤，对水中动植物生长产生毒害和抑制作用。

含盐废水的产生途径广泛，水量也逐年增加。去除含盐污水中的有机污染物对环境造成的影响至关重要。面对高盐废水，目前主要处理手段有以下几种方法：①浓缩蒸发处理法、②膜渗透除盐法、③电解除盐法、④耐盐菌生化处理法。其中浓缩蒸发处理法具有处理量大，对处理水质要求不高等优势，是目前主流处理手段；但是由于传统蒸发方法需要将液体加热到至少80度以上才开始蒸发过程，需要大量热能，而且蒸发器使用烧炉存在烧炉内温度无法精确控制、热能传递流失等众多缺陷，运行成本非常昂贵；不仅如此，高温蒸发会引起有毒有害有机物质挥发到空气当中，造成气体污染。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供的低温液体蒸发装置，其原理是利用水蒸汽分压力与饱和水蒸汽分压力之间的差值作为蒸发驱动力，使蒸发过程在微负压条件下仅需加热3摄氏度即满足蒸发要求，实现液体在低温下蒸发，极大地降低了蒸发的条件和成本。

本发明的技术方案为：

一种低温液体蒸发器，其特征在于，包括以管道连接的储水单元、换热单元和蒸发单元，所述换热单元对液体至少加热3摄氏度，所述蒸发单元包括蒸发器和抽风机，所述蒸发器具有进风口，所述抽风机能使蒸发器内部形成微负压环境；所述液体自储水单元流经换热单元加热后，到达蒸发单元的微负压环境中进行蒸发，成为浓缩液体流回储水单元，如此循环反复浓缩直至晶体析出。

所述蒸发器内部设有水平布置的布水管和竖直布置的蒸发板，所述布水管设置于蒸发板上部并与蒸发器外部进水管道相连，布水管底部设有出水孔；所述抽风机位于蒸发器侧上方，进风口位于蒸发器的另一侧下方，所述蒸发板上分布有凸点和微孔，所述微孔位于凸点的侧下方，所述微孔相对于凸点的位置与所述进风口相对于抽风机的位置相同。

所述蒸发器底部设有水平布置的集水管，集水管与蒸发器外部出水管道相连，集水管上部设有进水孔。

所述储水单元包括储液罐和循环泵。

所述储液罐下部为结晶区，所述结晶区具有晶体外排口。

所述换热单元包括热交换器和流量监控器。

所述热交换器为螺旋式热交换器。

所述低温液体蒸发器内部采用纳米膜材料。

所述低温液体蒸发器的运行温度为20-40摄氏度，利用设备冷却水、循环冷却水、烟气等可利用的余热或废热作为蒸发的热源。

所述低温液体蒸发器应用于高硫废水、电镀废水等高盐废水的零排放处理。

本发明的技术方案优势为：

1)换热单元使废水温度与蒸发前的温度之间有较低差值，在此条件下通过加速液体和气体循环，并结合负压条件，促进水分子向气相扩散，加大蒸发速率，实现废水在低温条件下的蒸发。蒸发过程可以在20-40摄氏度温度范围内，操作条件温和，对废水水质要求不高，无安全风险。

2)可因地制宜，充分使用设备冷却水、循环冷却水、烟气等厂区可利用的余热或者废热作为蒸发的热源，最大限度降低蒸发能耗。

3)微弱的温差可以减少有毒有害有机物向空气中挥发，减少气体污染的风险，实现高盐废水处理零排放。

4)反应器内部采用纳米膜材料，固体颗粒物、结晶盐难以在蒸发器表面附着，结垢腐蚀风险小，使用寿命长。

5)设备占地面积小、体积小、效率高。

6)整个工艺流程简单，易于控制，系统集成化程度和自动化程度较高，操作和运行都非常方便。

附图说明

图1为本发明低温液体蒸发器的结构图；

图2为本发明低温液体蒸发器处理工艺路线示意图；

图3为本发明应用于电镀喷涂车间废水处理工艺路线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

作为本发明的原理说明如下：

在一定的温度下，湿空气中水蒸气部分所产生的压力称为水蒸气分压力，湿空气的总压力是干空气压力和水蒸气分压力之和。在温度和压力一定的条件下，一定容积的干空气所能容纳的水蒸气量是有限度的，湿空气中水蒸气含量未达到这一限度时叫未饱和湿空气，达到限度时叫饱和湿空气，对应的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力，标准大气压下，饱和水蒸气分压力只与温度有关，且随温度升高而增大。

当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时，进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目，随着蒸发的继续进行，空间蒸汽分子的密度不断增大，因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，这时虽然蒸发和凝结仍在进行，但空间中蒸汽分子的密度不再增大，此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽。

饱和水蒸气压力数值与饱和温度相关，当温度上升时，对应的饱和水蒸气压力随之上升。

下表是温度与饱和水蒸汽压力对照表：

从上表可看出，随着温度升高，有更多的水分子由液态转为气态，即由未饱和状态向饱和状态转化，饱和水蒸汽的压力也随之上升，温度和压力成正比。意即，在正常的大气压下，只有提高液体的温度，才能促使水分子由气态向液态转化；如果希望在较低的温度条件下，促使水分子气化的手段，只能降低气压，即将周围环境变为负压，以达到在较低的温度状态下实现液体的蒸发。

参照图1，本发明的低温液体蒸发器，包括以管道连接的储水单元、换热单元和蒸发单元，所述换热单元对液体至少加热3摄氏度，所述蒸发单元包括蒸发器31和抽风机32，所述蒸发器31具有进风口311，所述抽风机32能使蒸发器31内部形成微负压环境；所述液体自储水单元流经换热单元加热后，到达蒸发单元的微负压环境中进行蒸发，成为浓缩液体流回储水单元，如此循环反复浓缩直至晶体析出。

所述蒸发器31内部设有水平布置的布水管312和竖直布置的蒸发板313，所述布水管312设置于蒸发器31上端，布水管312与蒸发器31外部进水管道相连，底部设有出水孔；所述抽风机32位于蒸发器31侧上方，进风口311位于蒸发器31的另一侧下方，所述蒸发板313上分布有凸点和微孔，所述微孔位于凸点的侧下方，所述微孔相对于凸点的位置与所述进风口311相对于抽风机32的位置相同。

所述蒸发器31内部设有水平布置的集水管314，所述集水管314设置于蒸发器31底部，集水管314与蒸发器31外部出水管道相连，上部设有进水孔。

使用时，液体从储水单元经过连接管道到达换热单元进行加热，加热温度至少为3摄氏度，加热温度越高则气化过程(浓缩过程)越快。液体进入蒸发器31后，经水平布置的布水管312底部的出水孔均匀分布到竖直放置的蒸发板313上，自上而下经过蒸发板313，在蒸发板313表面形成液态薄膜，增大液体表面与空气的接触面积。同时，在斜下方抽风机32作用下，气体从底部一侧的进风口311进入蒸发器31，通过微孔穿过蒸发板，在微孔斜上方附近凸点处形成负压，促进液态向气态扩散，同时部分气体自下而上与液体形成逆流，带动水分子蒸发。水蒸气随着抽风机32抽出蒸发器31，剩下的浓缩液经蒸发器31底部集水管314收集后回流至储液罐水单元，重新重复以上程序直至液体浓缩至晶体析出。

储水单元包括储液罐11和循环泵12。循环泵可促使液体在储水单元、换热单元、蒸发单元之间流动，加快液体的蒸发结晶速度。换热单元包括螺旋式热交换器21和流量监控器22，流量监控器22用于监控液体流入到热交换器21的速度，当速度过快或过慢时可以适当调节循环泵12以获得满意的流速。

储液罐11下部为结晶区111，所述结晶区具有晶体外排口112。随着浓缩液逐渐回流到储水罐，液体被逐步浓缩至结晶析出，聚焦在储液罐下部的结晶区111，再从晶体外排口112排出，实现固体悬浮物浓缩分离、杂盐分离、提纯。

另外，低温液体蒸发器内部采用纳米膜材料，固体颗粒物、结晶盐难以在蒸发器表面附着，结垢腐蚀风险小，使用寿命长。

本发明的低温液体蒸发器的运行温度为20-40摄氏度，可充分利用设备冷却水、循环冷却水、烟气等可利用的余热或废热作为蒸发的热源。可应用于高硫废水、电镀废水等高盐废水的零排放处理。

本发明的低温液体蒸发器具有以下特点：

1)蒸发能耗小

可采用工业余热或废热(如工艺冷却水、循环冷却水、烟气余热等)作为蒸发热源，最大限度的降低系统能耗。依据热源品质不同，吨水蒸发电耗约为15～50kW·h(需依据热源参数和其他运行条件进行详细计算)。另一方面，独特的热交换加热模式，避免了换热管表面结垢污堵对于换热效率的严重影响，提高热源利用效率。

2)预处理要求低，简化工艺流程

独特的新型高分子涂层，固体颗粒物、结晶盐等难以在蒸发器表面附着，使得蒸发器结垢、生物粘泥附着风险极低。不仅降低了对进水水质的要求，原水甚至可不经任何处理直接进入蒸发器蒸发，而且无需软化、过滤，可以免去常规蒸发工艺流程链上的多套药剂软化和过滤处理设备，比如沉淀池、多介质过滤器、砂滤和炭滤等，降低了药剂消耗成本、设备投资成本和运行维护工作量。

3)占地面积小

通过蒸发器内部结构的特别设计，优化气液两相流流态分布设计，创造出有利于废水水分子向气相扩散的条件，加大蒸发速率，极大提高了蒸发器在低温条件下的蒸发能力，有效减小蒸发器体积和占地面积。

4)系统运行稳定可靠

蒸发温度低，温升一般控制在3～10℃范围内，温差小，因此蒸发系统结垢、腐蚀风险也相对较小，实现长期稳定运行。此外，无需繁复的加药调节、化学清洗等操作，运行维护简单，可实现全自动运行。

5)可实现固体废弃物的减量化处理

通过蒸发系统的合理组合，可以实现固体悬浮物浓缩分离、杂盐分离、提纯。

下表是本发明低温液体蒸发工艺(HYE)与其他蒸发工艺对比表：

参照图2，以低温液体蒸发技术为核心，针对高盐废水，设计了如下工艺路线：实现高盐废水零排放处理。一般情况下，如无特殊要求，可不进行预处理，直接进入调节池，均质均量水质后进入蒸发器进行处理，这一环节需要根据不同水质情况和要求(含盐量、盐分种类及对分盐处理的要求等)设计不同层级的蒸发处理单元。产生的固体废物外运处理。蒸发过程中产生的水汽可以根据需要考虑是否冷凝回用。

实现分盐并处理减少固废产生也是该技术的亮点之一。高盐废水所含盐分大多不止一种，低温液体蒸发技术可以实现分盐处理，比如将硫酸钠与硫酸铵分别结晶，这样可以极大程度提高产生的盐分的纯度，有利于提高回收的经济效益；另外，采用分级蒸发的方式，减少杂盐的产生，进而降低了因固废处理而增加的处理成本。对于MVR技术来说，分盐处理成本较高，并且对盐分种类有较高要求。

目前，本发明的低温液体蒸发技术已经在电镀废水、电厂脱硫废水以及炼油厂脱硫废水等废水的治理中进行了小试、中试试验以及实际应用。

1)脱硫脱硝工艺废水零排放小试

由于炼油厂脱硫废水含有高浓度硫酸盐和铵盐，因此，现以某油田炼油厂脱硫废水作为高盐废水的代表，介绍其小试试验情况。

脱硫废水主要特点为：含盐量高，硫酸根浓度高达25000mg/L，亚硫酸

根浓度高达25000mg/L，氨氮浓度高达4000mg/L。

下表为脱硫废水水质：

序号	污染物名称	进水水质
			1	pH	6-9
2		25000
			3		25000
4		4000
			5		18814
6	TDS(mg/L)	73174

本次实验共计投加水样146L，共计蒸发了120L。根据水质分析，硫酸钠浓度约为2.88％，经计算需浓缩5.65倍就已经达到饱和状态。

实际蒸发情况如下表所示：

通过实验数据可以看出随着实验的进行，蒸发量逐渐减小，浓缩倍率逐渐增大。实验发现，当浓缩倍率达到5.74时晶体析出，这与硫酸钠在实验温度条件下的溶解度是一致的。

处理过程中，废水中的水分经由蒸发作用排入大气，废水中的盐分及少量有机物质逐渐浓缩，待达到盐分的饱和浓度后，开始析出晶体。按水质条件推测，主要成分为硫酸钠和硫酸铵。根据本次实验的浓缩倍率推断，结晶盐为硫酸钠。对晶体的检测结果表明，硫酸钠含量＞99.9％。

2)电镀喷涂车间废水零排放处理

电镀行业普遍使用大量强酸、强碱、重金属(铬、锌、铜和镍等)以及氰化物等有毒有害化学品，具有极高的毒性，如不加处理直接排放，将会对受纳水体造成严重污染。目前，对于含氰废水和含重金属废水分别采取酸碱调节、高级氧化和化学絮凝等方法进行处理，需要使用大量的化学药剂，易产生二次污染。同时，由于很多中小型企业的废水排放量较小，不适合采用连续处理工艺。

本工程所处理的电镀喷涂车间废水，主要污染物为氰化物和重金属铬等，水量为2m3/d。

参考图3的处理工艺路线图，喷涂车间废水经业主的集水井、事故水箱后进入调节水箱进行收集，均质均量调节后提升送至一级蒸发器进行初步浓缩、热源采用空气能热泵，水温控制在55℃。一级蒸发器部分浓缩液进入二级蒸发器进行进一步浓缩，浓缩液送至二级固液分离箱完成固液分离，蒸发产生的固废外运处理。

整个处理工艺过程实现自动化控制，节约人工，且易于管理和维护。此外，为实现能量的充分利用，将热交换过程中产生的低温空气接入喷涂车间，降低车间温度，可减少车间空调的使用，从而降低生产过程的能耗。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温液体蒸发器，其特征在于，包括以管道连接的储水单元、换热单元和蒸发单元，所述换热单元对液体至少加热3摄氏度，所述蒸发单元包括蒸发器(31)和抽风机(32)，所述蒸发器(31)具有进风口(311)，所述抽风机(32)能使蒸发器(31)内部形成微负压环境；所述液体自储水单元流经换热单元加热后，到达蒸发单元的微负压环境中进行蒸发，成为浓缩液体流回储水单元，如此循环反复浓缩直至晶体析出。

2.根据权利要求1所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述蒸发器(31)内部设有水平布置的布水管(312)和竖直布置的蒸发板(313)，所述布水管(312)设置于蒸发板(31)上部并与蒸发器(31)外部进水管道相连，布水管(312)底部设有出水孔；所述抽风机(32)位于蒸发器(31)侧上方，进风口(311)位于蒸发器(31)的另一侧下方，所述蒸发板(313)上分布有凸点和微孔，所述微孔位于凸点的侧下方，所述微孔相对于凸点的位置与所述进风口(311)相对于抽风机(32)的位置相同。

3.根据权利要求2所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述蒸发器(31)底部设有水平布置的集水管(314)，集水管(314)与蒸发器(31)外部出水管道相连，集水管(314)上部设有进水孔。

4.根据权利要求3所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述储水单元包括储液罐(11)和循环泵(12)。

5.根据权利要求4所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述储液罐(11)下部为结晶区(111)，所述结晶区具有晶体外排口(112)。

6.根据权利要求3所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述换热单元包括热交换器(21)和流量监控器(22)。

7.根据权利要求6所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述热交换器(21)为螺旋式热交换器。

8.根据权利要求3-7中所一项所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述低温液体蒸发器内部采用纳米膜材料。

9.根据权利要求3-7中任一项所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述低温液体蒸发器的运行温度为20-40摄氏度，利用设备冷却水、循环冷却水、烟气等可利用的余热或废热作为蒸发的热源。

10.根据权利要求3-7中任一项所述的低温液体蒸发器，其特征在于，所述低温液体蒸发器应用于高硫废水、电镀废水等高盐废水的零排放处理。