引言

近年来，随着我国工业化进程的日益推进，机械加工、化工、纺织、造纸等行业产生大量的工业废液，并且生产量逐年增加，工业废液的排放将会对大气及工厂周围环境造成直接污染。然而工业废液的处置利用能力不足，国家亦对企业每年废液的处理做出一定的限制，处理费用也相当昂贵，很多企业难以承担高昂的处理费用，从而造成了大量废液的堆积，占用土地资源的同时，亦对生态环境和人民群众的健康存在潜在的严重影响。

目前，工业废液普遍采用的处理方法是蒸发浓缩法。蒸发浓缩法是借助外部热源使溶液的部分溶剂汽化，再经冷凝后成为溶质含量极低的冷凝液而得以净化，不挥发溶质保留在浓缩液中，得到浓缩。

由于蒸发法具有净化系数高，浓缩倍数大，理论与技术相对成熟的优点，在废液处理中也得到了广泛的研究和应用。陈志强等利用低压蒸发法处理高浓度薯蓣皂素生产废水，废水色度去除率达100%，COD化学需氧量去除率达97%以上，出水可回用于生产工艺的冲洗用水; 俞晟等采用减压蒸发浓缩法，有效的处理了高盐高浓度化工有机废水; 付伟、邵晓周利用外循环减压蒸发工艺回收清洗不锈钢所产生的废酸，回收的酸经重新配比后再次用于酸洗，实现了酸的循环利用Ahmadun等通过研究指出可以利用蒸发法处理油田废水，并对蒸馏水进行回收; 李清方等提出采用MVC( 机械蒸汽压缩蒸发) 技术对油田污水进行脱盐处理的技术方案; 张依等提出利用SAGD( 蒸汽辅助重力泄油技术) 技术的余热蒸发废水回收蒸馏水。

低温蒸发是在常压的范畴内相对于高温蒸发、沸腾蒸发的一种蒸发方法。该方法适用于高沸点溶质的浓缩和低沸点溶质的精馏。采用低温蒸发法处理含水率较高的高沸点危险废弃物，不仅可以避免浓缩处理过程中污染物组分蒸发产生夹带或者发生化学反应等问题，还可以避免高温蒸发浓缩对高品位热源的要求，实现低品位热源的回收利用。

因此，为避免高沸点工业废液浓缩处理过程中污染物组分蒸发，二次污染环境空气，设计了一套热泵驱动低温蒸发浓缩废液处理装置，采用低温表面蒸发技术，利用高沸点废液表面水蒸气分压力与空气中水蒸气分压力不同，实现高沸点工业废液的浓缩处理，最大限度的降低处理成本。

1 系统介绍

根据处理量30kg    /h的设计要求，以热泵为驱动设计低温蒸发废液处理装置，同时利用热泵的热量和冷量，具体设计参数如表1所示。系统流程图如图1所示。循环空气处理过程焓湿图如图2所示。

本装置由空气循环处理流程、废液浓缩处理流程和热泵循环流程3个部分组成。空气循环处理流程包括循环风机、热质交换器、蒸发器和除沫器，整个空气回路采用封闭式设计，回路内空气在风机的驱动下进入热质交换器，与加热后的废液在热质交换器进行传热传质( 过程A－B) ，在传质驱动势的作用下，水分从废液表面向循环空气进行迁移得到浓缩，循环空气含湿量增大，高湿空气在出热质交换器后进入蒸发器进行降温，当温度降到露点温度以下时( 过程B－C －A) ，循环空气中的水分凝结析出，从而使循环空气的含湿量降低，空气重新通过风机引入热质交换器中，达到空气回收循环利用的目的，也能避免空气中夹带的废气排放入环境中造成污染，蒸发器下方设置凝结水盘，回收利用冷凝水。

表1热泵驱动低温蒸发废液处理装置设计参数

图1热泵驱动低温蒸发废液处理装置流程图

废液浓缩处理流程由存储箱、循环泵、排液泵、进液泵、板式换热器以及热质交换器组成。在循环泵的驱动下，废液进入板式换热器进行加热，提高废液表面的水蒸气分压力，然后进入热质交换器进行浓缩，一次浓缩处理完成后再次进入储存箱内。通过多次循环处理，达到不同的浓缩处理要求，最后通过排液泵将浓缩后的废液排出收集。热泵循环流程主要由压缩机，热力膨胀阀，板式换热器，蒸发器、辅助冷凝器( 散热器) 等部件组成。板式换热器提供热量用来加热废液，蒸发器提供冷量用来冷凝循环空气中水分。为保证系统能量平衡，在冷凝器后串联一个辅助冷凝器排出系统多余的热量。为了保证装置在冬季正常启动，在溶液箱中设置辅助电加热，在启动热泵之前对溶液箱中的废液进行预热。同时装置中设置两组除沫器，第一组位于热质交换器之后蒸发器之前，用于除去循环空气中废液溶质的夹带，避免夹带残留在蒸发器表面随冷凝水排出，影响冷凝水水质; 第二组位于蒸发器之后风机之前，防止冷凝水落入风机蜗壳中影响风机使用寿命。

图2 循环空气处理过程焓湿图

2 热质交换器的工作机理

热质交换器是低温蒸发废液处理装置的核心部件，其热质交换性能直接影响装置的处理性能。本装置采用叉流形式的热质交换器，如图1所示，选用塑料丝网波纹规整填料，该填料由聚丙烯网制成，化学稳定性良好，具有比表面积大，压损小，持液量低，易形成稳定液膜等优点。热质交换器内热质交换的局部示意图，如图3所示，液膜从上向下流动，循环空气左右流动。废液经过布液器均匀分布在填料上，在重力和表面张力的作用下沿着填料的两侧表面形成薄薄一层液膜，大大的增加了传热传质的表面积。

图3 热质交换局部示意图

废液与循环空气之间发生对流传热传质，两者温度的差异t_sol－t_air是传热过程的驱动势，在传热驱动势的作用下废液向循环空气进行显热换热; 废液的表面蒸汽压与循环空气的水蒸气分压力P_v之差P_s－p_v是传质过程的驱动势，在传质驱动势的作用下废液中的水分向循环空气中转移，达到浓缩的目的。便于对传质过程进行分析，用含湿量差d_sol－d_air表示传质驱动势。此处，d_sol表示废液的等效含湿量，其值等于与溶液状态相平衡的湿空气的含湿量d_e，即:

(1)

式中B和P_s分别为大气压和废液的表面蒸汽压。随着传热传质过程的进行，废液在热质交换器中被浓缩，浓度不断增加，使废液的等效含湿量d_sol降低，表面蒸汽压减小，传质势降低。并且由于水蒸气汽化潜热的吸收和温差导致的显热换热使得废液温度降低、循环空气温度升高。而废液温度降低减小废液的等效含湿量，又影响了废液与循环空气之间的传质势。同时又由于循环空气温度的升高，两者的传热势降低。因此提高废液和循环空气之间的传热势来提高传质势是保证装置高效运行的重要保证。

3 装置运行性能分析

对热泵驱动低温蒸发废液处理装置性能进行实验研究，主要研究以下内容: 

(1) 循环空气和废液的运行参数对处理量的影响;

 (2) 装置运行的热力能效比EEＲ。

3.1 循环空气和废液的运行参数对冷凝水量的影响

装置稳定运行时，热质交换器中的传热传质和蒸发器中的冷凝除湿连续运行，通过调节废液和循环空气的温度和流量等参数，使热质交换器中蒸发的水分和蒸发器中冷凝的水分保持相等，此时冷凝水量保持不变且达到设计要求，废液的喷淋温度和循环空气各点的参数均保持稳定的状态。

废液的喷淋温度、喷淋流量、循环空气的流量以及废液的浓度是影响装置处理量的重要因素，因此实验分析了上述因素对装置处理量的影响，从而确定装置最佳的运行参数。上述实验各参数的变化范围: 废液喷淋温度t_sol－in:35 ～50℃; 废液喷淋流量M_sol:0.4167～0.6944 kg/s; 循环空气流量Mair－in:0.3411～0.5472kg/s; 废 液 初 始浓 度5%( 含水95%)。由图4可得，在喷淋流量保持不变时，装置的处理量在不同的喷淋温度下，均随着循环空气流量的增加逐渐增加，但增幅在较大流量时逐渐减小。这是因为增加循环空气流量，低温低湿的循环空气可以带走更多的水分，但是随着循环空气流量继续增加，当增加到0.5472kg/s时，加剧了废液的温降，降低了其等效含湿量，并且较大的风速使得循环空气和喷淋溶液之间的接触时间变少，传质效率降低，使得装置的处理量增幅减小。并且较大的循环空气流量还会增加风机的能耗，降低装置的效率。因此在保证装置高效运行的前提下，减小装置的能耗，不选择风机满负荷运转的流量0.5472kg/s，而是选择了风机部分负荷流量0.4658kg/s。

图4 处理量随循环空气流量的变化规律

由图5可得，在循环空气流量保持不变时，装置的处理量随着喷淋流量的增加迅速增加，当喷淋流量增加到0.6 kg /s以上时，装置的处理量基本保持不变。这是因为喷淋流量的增加使得由于水蒸发吸热导致的废液温降减小，废液表面的水蒸气分压力增加，使得传质效率保持在较高水平。当喷淋流量继续增加，废液温度几乎不变，处理量也保持稳定。但是同样当溶液流量较大时，会造成空气侧压降增加，导致风机能耗增加。因此本装置选择喷淋流量为0.6kg/s。

图5处理量随喷淋流量的变化规律

由图4、图5可以得出喷淋温度对装置处理量的影响。当喷淋温度为35℃时，处理量相对较小，而且随着喷淋流量和循环空气流量的增加变化也不明显。但随着喷淋温度的提高，装置处理量明显提高，并且随着喷淋流量和循环空气流量的增加，增幅也不断增加，这说明提高喷淋温度有利于热质交换器中的传热传质。其原因在于喷淋温度较低时，废液和循环空气的传质势较小，当喷淋温度提高时，废液的等效含湿量明显加大，和循环空气之间的传质势也随之加大，使得装置的处理量也不断增加。因此喷淋温度对装置处理量的影响最为显著。但是由于驱动热源温度的限制，喷淋温度最高可达到50℃左右。因此本装置选择50℃做为喷淋温度。

因此综合考虑装置的运行效率和运行成本，根据实验数据得出的结论，本装置选择循环空气的流量为0.4658kg/s，废液的喷淋流量为0.6kg/s，喷淋温度为50℃。由图6可得，装置的处理量随着处理时间的增加先增加，增加到最大值后保持稳定，继而逐渐降低，在当溶液浓度大于16%后，处理量快速降低，效率急剧下降。这是因为浓缩之初喷淋温度较低，循环空气的温度也较低，处理量较少，随着浓缩的进行，喷淋温度逐渐升高并保持稳定，装置保持高效运行，浓缩一定时间后，喷淋废液的浓度逐渐增大，废液表面水蒸气分压力减小，废液表面等效含湿量降低，传质驱动力降低，处理量逐渐减少。

图6 处理量和废液浓度随处理时间的变化规律

装置的运行热力能效比EEＲ是利用的能量与消耗的能量之比，本装置中热泵的冷量和热量均得到了利用，与一般的热泵相比效率更高。因此定义本装置的热力能效比EEＲ为:

(2)

式中:Q₀和Q_k—热泵的制冷量和制热量;P—压缩机输入功率和风机、水泵功率之和。

图7 装置热力能效比EEＲ

图7为本装置热泵的热力能效比和热泵在空调工况时制热的热力能效比对比图，从图中可以得出本装置热泵的热力能效比约为热泵空调工况制热时的1． 7倍，最高可以达到7.4。

4 结论

(1) 装置处理量随着喷淋温度、循环空气流量和喷淋流量的增加而增加，喷淋温度的影响最为显著，而喷淋流量和循环空气流量过大都会增加风机的能耗，降低装置的效率，因此综合考虑装置的运行效率和运行能耗，选择喷淋温度50 ℃、循环空气流量0.4658kg /s、喷淋流量0.6 kg /s做为装置的运行参数。

(2) 装置的处理量随着处理时间的增加先增加，增加到最大值后保持稳定，继而逐渐降低，在当溶液浓度大于16%后，处理量快速降低，效率急剧下降。

(3) 本装置热泵的热力能效比约为热泵空调工况制热时的1.7倍，最高可以达到7.4。