硝酸钠废水分段式组合蒸发系统的构建与仿真比选

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0937

摘要/Abstract

摘要：

硝酸钠废水是一种高沸点升溶液，采用经验图表-吉辛科公式、仿真模拟和杜林直线法则3种方法对比计算硝酸钠废水的沸点升；结合蒸汽压缩机提升二次蒸汽温度的能力，提出分段式组合蒸发工艺，即“MVR+单效”和“MVR+双效”。利用Aspen Plus软件对“MVR+双效”系统进行流程模拟，定量分析了进料温度对MVR系统补充蒸汽量的影响，考察了MVR出料浓度与压缩比对蒸发器有效传热温差、换热面积和压缩机能耗的影响；对传统三效蒸发、“MVR+单效”和“MVR+双效”进行经济性分析。结果表明：MVR蒸发器加热蒸汽量和补充蒸汽量随进料温度升高线性下降，当进料温度大于81.5 ℃时压缩机的喷淋水量可提供MVR系统所需补充蒸汽量；MVR蒸发部分的最优工况为压缩机压缩比1.9，MVR出口硝酸钠质量分数45%；“MVR+双效”系统年运行成本和年总成本最低。

关键词: 分段式组合蒸发, “MVR+双效”, 硝酸钠废水, 高沸点升, Aspen Plus

Abstract:

Sodium nitrate wastewater is a high boiling point rise solution. This study compared and calculated the boiling point rise of sodium nitrate wastewater using three methods, including empirical chart-Gisinko formula, simulation, and Durin’s straight line rule. Combined with the ability of steam compressors to enhance the temperature of secondary steam, the sectional combined evaporation processes, namely “MVR+single-effect” and “MVR+double-effect”, were proposed. Using Aspen Plus software to simulate the process of “MVR+double-effect” system, the effect of feed temperature on the amount of steam replenished in the MVR system was quantitatively analyzed. The effects of MVR discharge concentration and compression ratio on the effective heat transfer temperature difference, heat transfer area, and compressor energy consumption of the evaporator were investigated. Economic analysis was conducted on traditional three effect evaporation, “MVR+single-effect” and “MVR+double-effect”. The results showed that the heating steam volume and supplementary steam volume of the MVR evaporator decreased linearly with the increase of feed temperature. When the feed temperature was greater than 81.5 ℃, the spray water volume of the compressor could provide the required supplementary steam volume for the MVR system. The optimal working condition for the MVR evaporation section was a compressor compression ratio of 1.9 and MVR discharge concentration of 45%. The “MVR+double-ffect” system had the lowest annual operating cost and annual total cost.

Key words: sectional combined evaporation, “MVR+double-effect”, sodium nitrate wastewater, high boiling point rise, Aspen Plus

中图分类号:

TQ028.6

李鹃, 刘敏, 陈滢, 田军超. 硝酸钠废水分段式组合蒸发系统的构建与仿真比选[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 169-175.

Juan LI, Min LIU, Ying CHEN, Junchao TIAN. Construction and simulation comparison of sectional combined evaporation system for sodium nitrate wastewater[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(9): 169-175.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I9/169

图/表 9

图1 不同压力下硝酸钠溶液沸点（a）和沸点升（b）模拟值

Fig.1 Simulated boiling point（a） and boiling point rise（b） of sodium nitrate solution under different pressures

图2 硝酸钠溶解度和饱和浓度

Fig.2 Solubility and saturation concentration of sodium nitrate

图3 “MVR+双效”系统工艺流程 SEP1—MVR分离器；SEP2—一效分离器；SEP3—二效分离器；SEP4—凝液罐1；EVAP1—MVR加热器；EVAP2—一效加热器；EVAP3—二效加热器；COOLER—表冷器；HEATER1—一级预热器；HEATER2—二级预热器；COMP—压缩机；V1—进料罐；V2—凝液罐2；P1——进料泵；P2~P4—循环泵；P5—凝液泵1；P6—凝液泵2；P7—二效出料泵。

Fig.3 “MVR+double-effect” system process flow

图4 “MVR+双效”系统模拟流程 F1~F8—物料流股；S1~S8—蒸汽流股；C1~C9—冷凝水流股；SEP1—MVR分离器；SEP2—一效分离器；SEP3—二效分离器；SEP4—凝液罐1；EVAP1—MVR加热器；EVAP2—一效加热器；EVAP3—二效加热器；COOLER—表冷器；V2—凝液罐2；FSPLIT—物料分流器；MIXER1—物料混合器；HEATER1—一级预热器；HEATER2—二级预热器；COMP—压缩机。

Fig.4 “MVR+double-effect” system simulation process

图5 进料温度对加热蒸汽量和二次蒸汽量（a）及补充蒸汽量（b）的影响

Fig.5 Effects of feed temperature on heating steam，secondary steam flow（a） and supplementary steam flowrate（b）

图6 MVR出料浓度和压缩比对蒸发器有效传热温差、压缩机能耗的影响

Fig.6 Effect of MVR discharge concentration and compression ratio on effective heat transfer temperature difference and compressor power

图7 MVR出料浓度和压缩比对蒸发器有效传热温差、换热面积的影响

Fig.7 Effect of MVR discharge concentration and compression ratio on effective heat transfer temperature difference and heat exchange area

表1 蒸发系统主要参数

Table 1 Main parameters of evaporation system

项目	MVR+单效	MVR+双效	三效
进料量/（kg·h^-1）	4 000	4 000	4 000
进料温度/℃	30	30	30
进料质量分数/%	15	15	15
预热后温度/℃	83.16	84.29	61.23
MVR蒸发压力/kPa	80	80
MVR二次蒸汽量/（kg·h^-1）	2 667	2 667
MVR沸点升/℃	7.8	7.8
压缩机温升/℃	18.3	18.3
MVR出料质量分数/%	45	45
MVR出料量/（kg·h^-1）	1 333	1 333
三效蒸发压力/kPa			20
三效二次蒸汽量/（kg·h^-1）			1 027
三效沸点升/℃			2
三效出料质量分数/%			20.20
三效出料量/（kg·h^-1）			2 973
二效蒸发压力/kPa		35	46
二效二次蒸汽量/（kg·h^-1）		210	1 005
二效沸点升/℃		9.3	3.9
二效出料质量分数/%		53.4	30.50
二效出料量/（kg·h^-1）		1 123	1 968
一效蒸发压力/kPa	35	101	101
一效二次蒸汽量/（kg·h^-1）	387	185	1 031
一效沸点升/℃	12.1	16.2	16.2
一效出料质量分数/%	64	64	64
一效出料量/（kg·h^-1）	938	938	938

表2 蒸发系统经济性分析

Table 2 Operating cost of evaporation system

项目	MVR+单效	MVR+双效	三效
新鲜蒸汽量/（kg·h^-1）	387	227	1146
循环水量/（t·h^-1）	24.6	13.1	72.6
电耗/kW	163	162	42
新鲜蒸汽成本/（元·h^-1）	77.4	45.4	229.2
循环水成本/（元·h^-1）	3.69	1.965	10.89
电耗成本/（元·h^-1）	114.1	113.4	29.4
合计运行成本/（元·h^-1）	195.19	160.77	269.49
合计年（8 000 h计）运行成本/万元	156.15	128.62	215.59
设备成本/万元	147	155	98
设备年折算成本（折旧以10 a计）/万元	14.7	15.5	9.8
年总成本/万元	170.85	144.12	225.39
吨水总成本/元	53.4	45.0	70.4

参考文献 16

1	刘敬彩. 增进产业链协同高质量发展可期—首届BDO产业链及下游衍生物发展论坛专家观点荟萃［N］. 中国化工报，2023-04-06.
2	DAHMARDEH H， AKHLAGHI AMIRI H A， NOWEE S M. Evaluation of mechanical vapor recompression crystallization process for treatment of high salinity wastewater［J］. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2019，145：107682. doi:10.1016/j.cep.2019.107682
3	杨智盼. 利用多效蒸发装置处理三废排放废水的工艺优化研究［D］. 郑州：郑州大学，2018.
	YANG Zhipan. The process parameters optimization of multi-effect evaporating equipment for “three wastes” emissions wastewater treatment［D］. Zhengzhou：Zhengzhou University，2018.
4	JIANG Yinghua， KANG Lixia， LIU Yongzhong. Simultaneous synthesis of a multiple-effect evaporation system with background process［J］. Chemical Engineering Research and Design，2018，133：79-89. doi:10.1016/j.cherd.2018.02.037
5	刘燕，裴程林，王智，等. 两效机械蒸汽再压缩蒸发系统性能分析［J］. 现代化工，2016，36（5）：130-132.
	LIU Yan， PEI Chenglin， WANG Zhi，et al. Performance analysis of two-stage mechanical vapor recompression evaporation system［J］. Modern Chemical Industry，2016，36（5）：130-132.
6	史航，施云海，陈迎，等. MVR与多效蒸发联用的有效能分析［J］. 节能技术，2018，36（3）：270-275.
	SHI Hang， SHI Yunhai， CHEN Ying，et al. Evaluation of MVR combined with multiple-effect evaporation by exergy analysis method［J］. Energy Conservation Technology，2018，36（3）：270-275.
7	JIANG Hua， ZHANG Ziyao， GONG Wuqi. Design and evaluation of a parallel-connected double-effect mechanical vapor recompression evaporation crystallization system［J］. Applied Thermal Engineering，2020，179：115646. doi:10.1016/j.applthermaleng.2020.115646
8	裴程林. 高沸点升溶液蒸发系统优化设计与性能分析［D］. 天津：河北工业大学，2017.
	PEI Chenglin. The optimized design and performance analysis of an evaporation system of solutions with high boiling point elevation［D］. Tianjin：Hebei University of Technology，2017.
9	王进. 机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统的模拟与性能分析［D］. 包头：内蒙古科技大学，2019.
	WANG Jin. Simulation and performance analysis of mechanical vapor recompression evaporation and crystallization system［D］. Baotou：Inner Mongolia University of Science & Technology，2019.
10	任占胜，周婷婷. 机械式蒸汽再压缩蒸发和三效蒸发的计算机模拟［J］. 化工生产与技术，2021，27（2）：40-42. doi:10.3969/j.issn.1006-6829.2021.02.011
	REN Zhansheng， ZHOU Tingting. Computer simulation of MVR recompression evaporation and three-effect evaporation［J］. Chemical Production and Technology，2021，27（2）：40-42. doi:10.3969/j.issn.1006-6829.2021.02.011
11	袁一. 化学工程师手册［M］. 北京：机械工业出版社，1999：693-694.
12	王子宗. 石油化工设计手册-第四卷-工艺和系统设计［M］. 2版. 北京：化学工业出版社，2015：1116-1117.
13	黄成，董晓铭. 三种常用机械压缩式热泵（MVR）的特点［J］. 盐科学与化工，2021，50（1）：48-50.
	HUANG Cheng， DONG Xiaoming. Characteristics of three kinds of mechanical compression heat pumps（MVR）［J］. Journal of Salt Science and Chemical Industry，2021，50（1）：48-50.
14	王瑜，许越，曹艳美，等. 高含盐废水热力法处理技术的综述与优选［J］. 科学技术与工程，2023，23（1）：26-39.
	WANG Yu， XU Yue， CAO Yanmei，et al. Review and optimization of thermodynamic treatment technology for high-salinity wastewater［J］. Science Technology and Engineering，2023，23（1）：26-39.
15	侯超，杨鲁伟，蔺雪军，等. 高盐废水蒸发结晶过程采用机械蒸汽再压缩（MVR）技术特性研究［J］. 现代化工，2022，42（6）：211-215.
	HOU Chao， YANG Luwei， LIN Xuejun，et al. Characteristics research on application of mechanical vapor recompression（MVR） technology in evaporation and crystallization of high salinity wastewater［J］. Modern Chemical Industry，2022，42（6）：211-215.
16	孙兰义. 化工过程模拟实训：Aspen Plus教程［M］. 2版. 北京：化学工业出版社，2017：2-3.

[1]	沈九兵, 谭牛高, 肖艳萍, 李志超. 多效MVR蒸发浓缩水处理系统研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(7): 147-153.
[2]	周一卉, 姜凤银, 毕明树, 王宇楠. 油田污水MED-TVC联合处理系统的Aspen Plus模拟与分析[J]. 工业水处理, 2015, 35(2): 86-89.

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