机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统的模拟与性能分析

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废水是人口增长、工业社会发展和化石燃料开发的结果。当今世界上最具挑战性的问题是高浓废水零排放处理,含有高盐度的无机盐废水会污染水源和让土壤难以降解它。如何将其低能耗、高效率并且达到零排放处理要求,是当前需要研究的焦点。机械蒸汽再压缩技术(MVR)是目前被认为是最高效的节能技术之一。目前已经应用在食品工业、制药工业(氨基酸浓缩)、饮料工业(牛奶浓缩)、废水处理行业(有机废水、无机废水)、化学工程等领域。其原理是把气液分离器分离出的二次蒸汽经过压缩机的绝热压缩,使得二次蒸汽温度、压力升高,焓值增大,作为热源加热蒸发器管内的溶液,自身冷凝成水。本论文针对氯化钠废水溶解度随温度变化不明显的特点,设计一种基于机械蒸汽再压缩技术的处理工艺,运用化工过程模拟软件(Advanced System for Process Engineering,简称Aspen Plus),模拟MVR系统的热力性能,为高浓盐水零排放提供一定的理论依据。首先运用化工过程模拟软件Aspen Plus,以氯化钠的处理量W=500kg/h,原料液质量分数X0=10%,完成液质量分数为X1=20%,蒸发温度为70℃,加热蒸汽温度为200℃,压缩比1.8,结晶量20.1kg/h为初始条件,比较机械蒸汽再压缩蒸发结晶技术和低温三效蒸发结晶技术的节能性和经济性,通过对比证实使用MVR蒸发结晶技术比使用低温三效蒸发结晶技术有更大的优势。最后,通过以一级排出浓度、蒸发温度和压缩比为自变量,以蒸发水量、压缩机功耗、能效比、传热温差、换热面积作为系统性能指标。通过分析得出结论:随着一级排出浓度增加,蒸发水量增加、压缩机功耗逐渐升高、一级蒸发器换热面积逐渐增加、二级蒸发器换热面积逐渐减小,但是总换热面积增加、能效比COP基本保持不变。蒸发温度升高时,蒸发水量线性增大,热温差逐渐增大、压缩机功耗稍微增大、能效比COP逐渐减小;压缩比增大时,蒸发水量不变、传热温差线性增大、压缩机的理论功耗线性增大、一级、二级蒸发器换热面积和总换热面积逐渐减小、能效比COP呈幂指数减小。低压缩比、低蒸发温度有利于系统节能,越低的一级排出浓度有利于降低成本。通过系统优化可知,当蒸发温度75℃、压缩比2.1时系统的年运行费用达到最小。考虑到工业过程的复杂性,将压缩比向左右各增加0.1,得出本系统的压缩比在2.02.2之间较为合适。最后高盐废水经过结晶器和离心机实现了固体盐和母液的分离,固体盐除盐率达到100%,废水排放量为0,达到高浓废水的零排放要求。
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