机械蒸汽再压缩技术在石化废水处理系统中的应用研究

廖昌建, 余良永, 赵利民, 王海波, 马和旭, 王晶晶

（1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001； 2.中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

机械蒸汽再压缩技术在石化废水处理系统中的应用研究

廖昌建1, 余良永2, 赵利民1, 王海波1, 马和旭1, 王晶晶1

（1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺113001； 2.中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

针对某石化废水的水质特点，提出了采用板式蒸发强制循环机械蒸汽再压缩工艺回收废水资源。在考虑浓缩液沸点升高及强制循环对系统影响的条件下，建立了MVR系统工艺计算数学模型，分析了蒸发温度、废水温度及压缩比对MVR系统的影响。模型求解结果表明：该废水采用常压蒸发，可降低系统能耗，同时高温进料有利于降低系统的总比传热面积；随着压缩比的增加，压缩机比电耗增加，而系统总比传热面积减小，且其减少的速率减缓，压缩比是控制系统传热温差、压缩机比电耗和总比传热面积的主要因素，压缩比对MVR系统的投资和运行成本的控制起关键性作用，在废水进料温度45 ℃、浓缩液循环10 m3/h的情况下，废水常压蒸发的适宜操作压缩比为1.4～1.6。

石化废水；板式蒸发器；机械蒸汽再压缩；工艺优化；数学模型

随着国家环保法律法规的日趋严格，企业废水零外排已成为一种趋势。机械蒸汽压缩(MVR)技术是目前废水处理应用领域的一种新的工艺技术。国外提出采用MVR技术蒸发浓缩回收含盐废水。国内陈金增等对船舶用MVR技术淡化海水系统建立了数学模型，分析了MVR蒸发系统工作性能随蒸发温度的变化规律[1]；黄成等对机械压缩式热泵在制盐工艺中的应用进行了简述，对其原理、组成、技术参数及主要投资运行费用进行了介绍[2]；邹龙生等对MVR技术浓缩渗滤液热力过程进行了数值模拟，阐述了渗滤液入口温度与换热器面积的关系、蒸发倍数与蒸发器面积、压缩比的关系等[3]；庞卫科等对采用离心风机的机械蒸汽再压缩热泵系统进行了性能分析，考察了可用于处理小流量的风机型机械蒸汽再压缩热泵的运行参数[4]；石成君等对MVR技术处理高含盐废水的进料预热温度、蒸发传热温差、蒸发温度以及进出料浓度等因素进行了分析[5]；李清方等对MVR技术处理油田污水脱盐过程进行了建模分析[6]。

1 废水性质分析

1.1 水质分析

采用折光盐度仪、电导仪、台式pH计等，主要分析废水的总硬度、悬浮物浓度、氮含量、COD、pH等项目，分析结果见表1。

表1 废水水质Table 1 Properties of waste water

1.2 废水沸点测量

采用蒸发法测量废水沸点，该石化废水的初始沸点为103.4 ℃，当废水浓缩3.3倍时，蒸发釜中出现结垢、结焦现象，浓缩液沸点升高至104.1 ℃，当废水浓缩6.5倍时，出现严重结垢，此时浓缩液沸点为104.5 ℃。

2 MVR工艺流程

某石化废水蒸发浓缩采用板式升膜蒸发器、强制循环蒸发浓缩工艺，工艺流程见图1。原料废水首先在凝结水预热器和浓缩液预热器中进行预热，回收系统排放的余热，预热器选用板式换热器，预热废水与循环液一起进入板式蒸发器中，在蒸发器内被压缩蒸汽加热，实现部分废水蒸发，被加热的物料进入分离器中进行汽液分离。分离出的二次蒸汽进入压缩机增压、提温，压缩蒸汽作为蒸发热源，其在蒸发器中被凝结为饱和冷凝水。

图1 机械蒸汽压缩工艺流程Fig.1 Process of mechanical vapor compression

3 建模及模型求解条件

根据MVR系统质量平衡、能量平衡和热量传递方程，建立系统数学模型[7-9]。假设系统为稳态过程，不考虑系统参数的动态变化，不考虑废水中溶解的不凝气对蒸发系统的影响。忽略系统蒸汽泄漏、散热损失及分离器中除雾器的压降损失。考虑系统蒸发浓缩过程中液体沸点升高及液体强制循环对系统的影响。

在常压蒸发处理该废水量为1.5 m3/h的条件下，重点分析废水蒸发温度、进料温度及压缩比对MVR蒸发系统的影响。模型求解工况条件见表2。

表2 模型工况条件Table 2 Conditions of model

4 结果与讨论

4.1 蒸发温度对系统的影响

图2 蒸发温度对压缩机比电耗的影响Fig.2 Influences of evporation temperature on specific power comsuption

图3 蒸发温度对总比传热面积的影响Fig.3 Influences of evporation temperature on specific heat transfer area

模型求解所选用的蒸发温度范围为70～104.5℃，求解条件见表2的工况1，且不考虑蒸发温度的变化对传热系数的影响，压缩机压缩比为1.5时，蒸发器的传热温差为8.7 ℃，计算不同蒸发温度对MVR系统的影响。MVR蒸发系统的总比传热面积为蒸发器和预热器的总面积与回收凝结水量的比值[6]。图2、图3分别给出了蒸发温度对MVR系统压缩机比电耗和总比传热面积的影响，由图可知，蒸发温度由70 ℃升高至104.5 ℃，压缩机比电耗由35 kW·h/m3减少到18 kW·h/m3，总比传热面积由100.4 m2·(kg·s-1)-1增加至104.0 m2·(kg·s-1)-1，蒸发温度提高对总比传热面积的影响较小，但可以降低系统能耗。因此，蒸发过程可采用常压或微正压操作，既可以降低系统能耗，也可避免空气进入蒸发系统对蒸发传热的影响。

4.2 压缩比对系统的影响

模型求解所选用的压缩比为1.2～2.0，求解条件见表2的工况2。在蒸发温度不变的情况下，压缩比增加，压缩过程中蒸汽过热温度增大，将使用于消除压缩蒸汽过热度的喷淋水量增加。图4为压缩比与蒸发器传热温差的关系，传热温差随压缩比的增加而加大，但温差的增率依次减缓。压缩比由1.2增至2.0时，传热温差由1.8 ℃增加至17 ℃。

图4 压缩比对传热温差的影响Fig.4 Influences of compression ratio on heat transfer temperature difference

随着压缩比的增加，压缩机比电耗增加，而系统总比传热面积减小，且其减少的速率减缓。图5给出了压缩比对MVR系统压缩机比电耗的影响，压缩机比电耗随压缩比的增加几乎成线性增大，压缩比由1.2增大至2时，压缩机比电耗由15 kW·h/m3变至22.7 kW·h/m3。图6给出了压缩比对MVR系统总比传热面积的影响，压缩比对总比传热面积的影响较显著，在低压缩比时，蒸发器的传热温差较小，需要的总比传热面积比较大，随着压缩比增加，蒸发传热温差提高，总比传热面积逐渐减少。压缩比由1.2增加到1.4时，总比传热面积由410.8 m2·(kg·s-1)-1减少到119.4 m2·(kg·s-1)-1，而压缩比由1.4增加到2.0时，总比传热面积由119.4 m2·(kg·s-1)-1减少到53.3 m2·(kg·s-1)-1。其中，总比传热面积减少的主要是蒸发器的传热面积。总比传热面积和压缩机比电耗分别反映了MVR系统的投资成本和运行成本。压缩比增加，可减少系统的总投资，但增加了系统的能耗，从而加大了系统的运行成本。李清方等通过分析传热温差对总比传热面积和压缩机比电耗的影响，提出了在设计MVR系统时应优化考虑系统投资与运行成本之间的关系[6]。结合图5、图6可知，MVR系统中压缩机的适宜操作压缩比为1.4～1.6。

图5 压缩比对压缩机比电耗的影响Fig.5 Influences of compression ratio on specific power comsuption

图6 压缩比对总比传热面积的影响Fig.6 Influences of compression ratio on specific heat transfer area

4.3 原料废水进料温度对系统的影响

图7 废水温度对总比传热面积的影响Fig.7 Influences of waste water temperature on specific heat transfer area

模型求解所选用的废水进料温度范围为25～80℃，求解条件见表2的工况3。压缩机压缩比1.4时，蒸发器的传热温差为7 ℃。原料废水温度的变化主要对废水预热的热负荷和换热面积有影响，对压缩机的比电耗没有影响。原料废水温度升高，废水预热的热负荷和预热面积减少。图7给出了废水进料温度对总比传热面积的影响。由图可知，废水进料温度升高，总比传热面积的减小趋势与温度变化基本成线性关系，在废水进料温度由25 ℃增至80 ℃时，总比传热面积由128 m2·(kg·s-1)-1减少至103 m2·(kg·s-1)-1。

5 结 论

（1）通过水质分析和蒸发浓缩测量废水的沸点，得到某石化废水的TDS、COD浓度均为上万毫克每升，当废水浓缩6.5倍时其沸点为104.5 ℃，其为MVR系统设计提供了理论依据。

（2）结合废水的性质，提出了废水用板式升膜蒸发器、强制循环蒸发浓缩工艺回收废水资源。浓缩液进行强制循环可减缓废水在蒸发器中结垢、结焦现象的发生，但增加了系统电耗。

（3）废水蒸发浓缩过程中，在考虑浓缩液沸点升高及强制循环对系统影响的条件下，建立了系统工艺计算数学模型，分析了废水蒸发温度、进料温度和压缩比对MVR系统的影响。模型求解结果表明：蒸发器常压或微正压蒸发操作，可降低系统能耗，也可避免空气进入蒸发系统对蒸发传热的影响；高温进料有利于降低系统的总比传热面积；压缩比是控制系统传热温差、压缩机比电耗和总比传热面积的主要因素，在废水进料温度45 ℃、浓缩液循环10 m3/h的情况下，废水常压蒸发的适宜操作压缩比为1.4～1.6。

［1］陈金增，李光华，李雁飞. 船舶机械蒸汽压缩海水淡化装置性能分析[J].舰船科学技术，2011,33（12）：66-68.

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［3］邹龙生，安恩科，唐婧. 机械蒸汽压缩浓缩渗滤液热力过程数值模拟[J].化学工程，2011,39（2）：22-25.

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浙江力普纳米钙粉碎成套生产线上榜嵊州市首届十佳创新项目

第一届嵊州市创客、创新项目大赛日前圆满结束。国家高新技术企业，中国粉碎技术领航者——浙江力普粉碎设备有限公司参赛的“纳米钙粉碎成套生产线”，脱颖而出，荣获十佳创新项目。

本次大赛由嵊州市委宣传部、市人才办、市科技局、市科协和市新闻传媒中心联合举办。该大赛自2015年6月8日启动,历时4个多月，在广泛发动的基础上，筛选确定了17名创客候选人和21个候选创新项目，并在新闻媒体上进行了详细报道，最后结合读者网民投票和专家评审，确定十佳创客和十佳创新项目。来自省市的5位专家高度评价这次大赛参赛项目类型多,质量高,大赛既有行业代表性又有嵊州特色。作为嵊州拳头产品之一的浙江力普纳米钙粉碎成套生产线尤其得到了专家的举例肯定。

至此纳米钙粉碎成套生产线已获得国家发明专利、浙江省新产品和省科技创新项目, 中国无机盐工业协会碳酸钙行业分会、中国碳酸钙协会行业专家组联合颁发的碳酸钙生产节能降耗技术和设备等多项殊荣。

纳米碳酸钙是一种新型超细固体粉末材料，在磁性、催化性、熔点以及光热阻等方面表现出极大的优势，广泛应用于日用化工、密封材料、塑料、橡胶、油墨、医药、食品等领域，有着“工业味精”的美誉。近年来，我国碳酸钙产品结构性产能过剩问题突出，产品结构不太合理，其中重钙产能过剩，而纳米钙、专用钙国内比较缺乏，仍需进口。且因国外设备太贵，而国内的技术又无法满足行业的需求，从而出现纳米钙生产空白市场。浙江力普抓住这一机遇，顺势进行了纳米碳酸钙粉碎成套生产线的研发并获成功。

纳米钙粉碎成套生产线集粉碎、分级、集料、除尘于一体，高效节能，环保，是国内顶尖的粉碎设备，拥有8项国家专利。其创新之处在于自主研发了旋风粉碎机、分级机、集料装置、除尘装置、回料回风装置等设备，优化布置组成用于纳米碳酸钙粉碎的成套生产线，实现了粉料超细粉碎的连续、高效和清洁生产。该生产线能耗低、噪声小，其解聚后的纳米碳酸钙的粒径分布均匀。整条生产线处于封闭状态下完成，实现纳米钙的规模化生产。

该生产线在业界广泛使用多年，畅销山西、安徽、山东、四川、广东、江西等省市；远销俄罗斯、日本、中东等国家和地区，深受客商的青睐。特别受到国内纳米碳酸钙著名生产企业，上市公司山西兰花集团的充分肯定，评价这条线产线能耗低、产量大、细度集中、振实密度好，是进行纳米碳酸钙的活化、分散、粉碎处理的理想设备。 (丁文)

浙江力普咨询热线：13806745288、13606577969 传真：0575-83152666

力普网站：www.zjleap.com； E-mail:zjleap@163.com

Application of the Mechanical Vapor Recompression Technology in Treatment of Petrochemical Wastewater

LIAO Chang-jian1，YU Liang-yong2，ZHAO Li-min1，WANG Hai-bo1，MA He-xu1，WANG Jing-jing1
（1.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals , SINOPEC,Liaoning Fushun 113001, China；2.China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd. Ordos Coal Liquefaction Branch, Nei Monggol Ordos 017209, China)

According to properties of petrochemical wastewater, the mechanical vapor recompression (MVR) process using plate evaporator with forced circulation was proposed to recycle wastewater resources. Considering the influence of the boiling point elevation and forced circulation, the complete mathematical model of MVR process was developed for process optimization and analysis, and the influence of evporation temperature, wastewater temperature and compression ratio on the MVR system performance was analyzed. The results show that, the method of atmospheric evaporation can be used to reduce the energy consumption; higher waste water temperature can result in a slight decrease in specific heat transfer area; and when compression ratio increases, specific power consuption increases, but specific heat transfer area decreases. So the compression ratio is the controlling factor that determines the heat transfer temperature difference, specific power consumption and specific heat transfer area of the MVR system, and the compression ratio plays a key role in controlling investment and operation cost of the MVR system. When waste water temperature is 45 ℃, concentrated liquid recirculated flow rate is 10 m3/h, the economical compression ratio is 1.4 to 1.6.

Petrochemical wastewater；Plate evaporator；Mechanical vapor compression；Process optimization；Mathematical model

X 703

： A

： 1671-0460（2015）10-2443-04

中国石油化工股份有限公司项目，项目号：106002000729。

2015-09-02

廖昌建（1984-），男，四川达州人，工程师，从事环保技术开发与设计。电话：024-56389355，电邮：liaochangjian.fshy@sinopec.com。