申請日2015.07.22
公開(公告)日2015.10.28
IPC分類號C02F1/04
摘要
一種濃縮低濃度有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統及其應用方法，涉及節能減排技術領域。本發明在現有MVR蒸發器換熱管外部增加了二級蒸發單元，利用外加熱源對蒸發器進行再次換熱，使MVR濃縮后的濃縮液的醇濃度進一步提高，提高能源利用效率，降低了再濃縮過程的廢水量及能耗。本發明加入的精餾塔和冷凝裝置不僅充分利用了外加熱源的利用效率，而且可以降低蒸汽中的醇濃度，為廢水滿足排放要求提供了便利。本發明所用流程簡單，操作方便，可省去冷卻水系統。
權利要求書
1.一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統，包括蒸發器(4)、氣液分離器(7)、精餾塔(8)、蒸汽壓縮機(10)、廢水入口(1)、提升泵A(2)、提升泵B(11)、出料通過泵(12)、換熱器(3)，其特征在于，所述蒸發器(4)由兩個獨立的一級蒸發單元(5)和二級蒸發單元(6)組成，所述一級蒸發單元與蒸汽壓縮機的出口通過管道相鄰，二級蒸發單元連接外接熱源;所述氣液分離器頂部與精餾塔(8)相連，精餾塔(8)頂部設置有冷凝裝置(9)，冷凝裝置分別與精餾塔頂部及蒸汽壓縮機相連;所述氣液分離器底部分別與提升泵B(11)和出料通過泵相連，出料通過泵另一端連接濃縮液儲罐(13)，提升泵B(11)另一端連接一級蒸發單元入口;廢水入口(1)通過提升泵A(2)與換熱器一端相連，換熱器另一端連接一級蒸發單元入口;所述二級蒸發單元與氣液分離器相連，一級蒸發單元與換熱器相連。
2.如權利要求1所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統，其特征在于：換熱器可以為管殼式換熱器、板式換熱器、盤管式換熱器，優選為管殼式換熱器。
3.如權利要求1所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統，其特征在于：二級蒸發單元的管程是連通的，殼程是獨立的。
4.如權利要求1所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：
S1、將初始有機廢水在換熱器(3)中與經過蒸發器一級蒸發單元(5)換熱后產生的高溫冷凝水進行換熱，提高初始有機廢水進入蒸發器前的廢水溫度，高溫冷凝水進行換熱后變成一次冷凝水;
S2、步驟S1高溫冷凝水換熱后的有機廢水與來自氣液分離器的部分含有高濃度有機物的濃縮液從蒸發器(4)頂部進入到包含兩個蒸發單元的蒸發器內，先在一級蒸發單元(5)中與蒸汽壓縮機(10)產生的二次蒸汽換熱，再在二級蒸發單元(6)中與外接熱源進行換熱，換熱后的氣液混合物進入氣液分離器(7)中進行氣液分離，分離出含有部分有機物的一次蒸汽和含有高濃度有機物的濃縮液，部分含有高濃度有機物的濃縮液回流到蒸發器頂部與待處理液混合后進入蒸發器，余下的含有高濃度有機物的濃縮液進入到濃縮液儲罐(13)中;
S3、氣液分離器分離出的一次蒸汽經精餾塔(8)后在精餾塔頂被冷凝裝置(9)部分冷凝回流，一次蒸汽中的部分有機物變為液體返回到氣液分離器中，余下的一次蒸汽進入蒸汽壓縮機(10)，經機械蒸汽壓縮機做功升溫后成為二次蒸汽，二次蒸汽返回到蒸發器的一級蒸發單元對進入蒸發器的初始有機廢水進行換熱后變成高溫冷凝水，高溫冷凝水與初始有機廢水進行換熱后變成一次冷凝水。
5.如權利要求4所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：S1中初始有機廢水通過提升泵A(2)進入換熱器;S3中部分含有高濃度有機物的濃縮液通過提升泵B(11)回流到蒸發器頂部。
6.如權利要求4所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述外接熱源的介質與被蒸汽壓縮機壓縮后的蒸汽不會在蒸發器中混合;所述一次蒸汽中的有機物在精餾塔中被分離后，蒸汽唄精餾塔定的冷凝裝置部分冷凝回流，一次蒸汽中的有機物濃度降低后，進入蒸汽壓縮機。
7.如權利要求6所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：冷凝裝置包含冷凝器，或通過冷卻水、待處理有機廢水或其他低溫液體，帶走一次蒸汽中熱量，讓部分一次蒸汽變為液體，返回到精餾塔中。
8.如權利要求6所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：冷凝裝置通過向精餾塔頂部的一次蒸汽中灑布待處理有機廢水的方式來冷凝一次蒸汽。
9. 如權利要求4所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：二級蒸發單元的管程是連通的，殼程是獨立的，有機廢水進入管程進行蒸發，二次蒸汽和外接熱源分別進入殼程作為廢水蒸發時的熱源。
10.如權利要求9所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述的外加熱源在二級蒸發單元中提供的加熱介質產生的溫度，比進入二級蒸發單元的廢水溫度高1℃以上。
11.如權利要求10所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述的加熱介質產生的溫度比進入二級蒸發單元的廢水溫度優選高2~12℃，更優選高5~10℃。
12.如權利要求4-11之一所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述的初始有機廢水中所含有的水溶性有機物可導致其水溶液沸點升高。
13.如權利要求12所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述的初始有機廢水中所含有的水溶性有機物包含但不限于乙二醇、丙二醇、乙二醇類可溶于水的醇類物質、甲酰胺類、醇胺類物質。
14.如權利要求4-11之一所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述的初始有機廢水中有機物的濃度為1~20%，優選為5~15%。
15.如權利要求4之一所述的一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，其特征在于：所述含有高濃度有機物的濃縮液中有機物的濃度為45%~85%，優選為55~75%。
說明書
一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統及方法
技術領域
本發明屬化工領域，具體涉及一種機械蒸汽再壓縮濃縮低濃度有機廢水的系統及方法。
背景技術
有機廢水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白、纖維素等有機物，如果直接排放，會造成水中溶解氧減少，影響魚類和其他水生生物的生長。水溶性有機物，例如低分子量有機醇，特別是二元醇，作為很好的冰點抑制劑常用于交通工具和設備的除冰、防冰、防凍，可能在短時間內會產生大量的低濃度有機含醇廢水，這類廢水的平均COD超過20000 mg/L。含有低濃度有機物的有機廢水，如果直接排放會嚴重危害生態環境。
為了保護現有生態環境，國內外就如何處理此類低濃度有機廢水特進行了大量的研究，現今主要有生化法和濃縮法。由于廢水COD波動大，對好氧細菌的活性影響較大，從而制約了生化法的應用。而以往的物理或化學手段提高難生化有機廢水的可生化性，往往需要大量試劑添加，或需要大量能量的輸入，反應時間較長，效果不顯著，造成COD削減困難，水環境日益惡化的現狀。通過對低濃度有機廢水進行蒸發濃縮，將大部分水蒸發并能實現有用物質回收的濃縮法，是一種有效的有機廢水處理方法。
傳統多效精餾的蒸發濃縮方法能夠實現有機物的回收，但是由于存在蒸汽使用效率低及運行費用高等不足，處理低濃度有機廢水時會消耗大量的能耗，且工藝流程復雜。
機械蒸汽再壓縮是利用機械驅動的壓縮機對蒸發器產生的低溫蒸汽進行壓縮做功，使蒸汽的溫度提高成為高溫蒸汽，再返回到原蒸發器，充分利用高溫蒸汽的潛熱，取代外部蒸汽作為熱源，從而達到節能目的，目前廣泛用于含鹽廢水的處理、海水淡化等行業。
為了節約蒸發過程中的能耗，可以采用機械蒸汽再壓縮(MVR)系統對低濃度有機廢水進行蒸發濃縮，以提高廢水中的有機物濃度。但由于含水溶性有機物的廢水，含有的水溶性有機物可以導致廢水溶液沸點升高，濃縮后沸點相差很大，從能耗和投資成本進行綜合考慮，例如對于含醇類有機廢水而言，采用機械蒸汽再壓縮(MVR)系統對低濃度含醇廢水進行蒸發濃縮，以提高廢水中的醇濃度。但由于含醇廢水濃縮后沸點相差很大，從能耗和投資成本進行綜合考慮，單獨的MVR系統只能得到醇濃度約為60%的醇水溶液，而且由于二元醇在蒸發過程中可能被水蒸氣一起帶出，使得系統產生的冷凝水中含有較高濃度的醇，無法達到排放要求。
CN 203483884U涉及一種機械蒸汽再壓縮與多效蒸發相組合的已內酰胺水溶液的濃縮裝置，由MVR蒸發和多效蒸發組成。該裝置采取MVR技術去除溶液中的大量水，將已內酰胺進行濃縮至一定濃度后再進入二效或三效蒸發工藝實現已內酰胺的再濃縮，利用多效蒸發過程中上一效產生的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，提高了熱利用效率，節約了能耗，降低了蒸汽用量與冷卻水的消耗。盡管該裝置能夠提高已內酰胺的濃度，但在MVR系統中，已內酰胺的濃度只能達到50%~55%，后續多效蒸發仍然需要較高能耗。
CN 103224260A涉及一種采用MVR濃縮加精餾法治理與回收低濃度DMAc、DMF廢水的方法。先將廢水進入濃縮塔通過機械蒸汽壓縮機對濃縮塔頂的二次蒸汽加壓后再利用濃縮塔的蒸發器對濃縮塔的塔釜進行加熱，從而在濃縮塔中實現廢水的DMAc、DMF濃縮。該方法盡管解決了低濃度DMAc、DMF廢水降解難、溶劑流失，回收能耗大等難題，實現了廢水的零排放及生產原料的回收，但MVR處理后只能將廢水中的DMAc、DMF濃縮至30~50%，后續精餾操作還需要蒸發50%~70%的水，精餾操作所需能耗較高。
CN 203577339U提供了一種機械蒸汽再壓縮型蒸發濃縮裝置，包括用于閃蒸的蒸發罐、蒸汽壓縮機和換熱器，蒸發罐的蒸汽出口與壓縮機的蒸汽入口通過管道連接，蒸汽壓縮機的蒸汽出口和第一換熱器的蒸汽入口通過管道連接。該裝置中，由于第一換熱器處于蒸發罐的低位，第一換熱器內處理液的壓力大于蒸發罐內處理液的壓力，處理液從第一換熱器輸送到蒸發罐后壓力變小，蒸發溫度降低，從而實現閃蒸。盡管該裝置采用電源實現了廢水的濃縮，不需使用氟利昂等傳熱介質，降低了成本，但主要用于處理含鹽有機廢水，對于處理有機物易隨蒸汽帶出的有機廢水效果不佳。
盡管機械蒸汽再壓縮系統具有降低能耗、減少鮮蒸汽用量的優點，但其運行成本和能耗與物料的沸點密切相關，尤其在濃縮低濃度含醇廢水時，由于含醇廢水沸點上升較高，溫差損失大，會導致MVR系統的蒸發濃縮比減少，不利于提高系統濃縮液中的醇濃度。同時，由于在蒸發含醇化工廢水過程中，廢水中的二元醇易被水蒸氣帶出，使蒸發后的冷凝水中含有較多的二元醇，因此無法滿足排放要求。本發明在保留現有MVR系統的原有優勢的基礎上，進一步提高了濃縮液中的有機物濃度，大幅降低冷凝水中有機物的濃度，同時還可利用其他熱源為系統補充熱量，有利于降低能耗。
發明內容
本發明目的在于提供一種采用機械蒸汽再壓縮技術濃縮有機廢水的系統及方法，該系統既可以有效提高處理后廢水中的有機物濃度，降低后續精餾操作的能耗，又可以降低系統產生的冷凝水中的有機物濃度。本發明在廢水蒸發過程中，利用MVR蒸發過程產生的二次蒸汽和外加熱源對有機廢水進行加熱蒸發，提高蒸發量及濃縮液中的有機物濃度，降低再濃縮過程的能耗，提高了廢水處理效率。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統，包括蒸發器4、氣液分離器7、精餾塔8、蒸汽壓縮機 10 、廢水入口 1 、提升泵A 2 、提升泵B 11 、出料通過泵 12 、換熱器 3 ，所述蒸發器 4 由兩個獨立的一級蒸發單元 5 和二級蒸發單元 6 組成，所述一級蒸發單元與蒸汽壓縮機的出口通過管道相鄰，二級蒸發單元連接外接熱源;所述氣液分離器頂部與精餾塔 8 相連，精餾塔 8 頂部設置有冷凝裝置 9 ，冷凝裝置分別與精餾塔頂部及蒸汽壓縮機相連;所述氣液分離器底部分別與提升泵B 11 和出料通過泵相連，出料通過泵另一端連接濃縮液儲罐 13 ，提升泵B 11 另一端連接一級蒸發單元入口;廢水入口 1 通過提升泵A 2 與換熱器一端相連，換熱器另一端連接一級蒸發單元入口;所述二級蒸發單元與氣液分離器相連，一級蒸發單元與換熱器相連。
進一步的，所述一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統中換熱器可以為管殼式換熱器、板式換熱器、盤管式換熱器，優選為管殼式換熱器。
進一步的，所述一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統中二級蒸發單元的管程是連通的，殼程是獨立的。
本發明還提供了一種濃縮有機廢水的機械蒸汽再壓縮系統的應用方法，包括如下步驟：
S1、將初始有機廢水在換熱器 3 中與經過蒸發器一級蒸發單元 5 換熱后產生的高溫冷凝水進行換熱，提高初始有機廢水進入蒸發器前的廢水溫度，高溫冷凝水進行換熱后變成一次冷凝水;
S2、步驟S1高溫冷凝水換熱后的有機廢水與來自氣液分離器的部分含有高濃度有機物的濃縮液從蒸發器 4 頂部進入到包含兩個蒸發單元的蒸發器內，先在一級蒸發單元 5 中與蒸汽壓縮機 10 產生的二次蒸汽換熱，再在二級蒸發單元 6 中與外接熱源進行換熱，換熱后的氣液混合物進入氣液分離器 7 中進行氣液分離，分離出含有部分有機物的一次蒸汽和含有高濃度有機物的濃縮液，部分含有高濃度有機物的濃縮液回流到蒸發器頂部與待處理液混合后進入蒸發器，余下的含有高濃度有機物的濃縮液進入到濃縮液儲罐 13 中;
S3、氣液分離器分離出的一次蒸汽經精餾塔 8 后在精餾塔頂被冷凝裝置 9 部分冷凝回流，一次蒸汽中的部分有機物變為液體返回到氣液分離器中，余下的一次蒸汽進入蒸汽壓縮機 10 ，經機械蒸汽壓縮機做功升溫后成為二次蒸汽，二次蒸汽返回到蒸發器的一級蒸發單元對進入蒸發器的初始有機廢水進行換熱后變成高溫冷凝水，高溫冷凝水與初始有機廢水進行換熱后變成一次冷凝水。
進一步的，S1中初始有機廢水通過提升泵A 2 進去換熱器;S3中部分含有高濃度有機物的濃縮液通過提升泵B 11 回流到蒸發器頂部。
進一步的，所述外接熱源的介質與被蒸汽壓縮機壓縮后的蒸汽不會在蒸發器中混合;所述一次蒸汽中的有機物在精餾塔中被分離后，蒸汽唄精餾塔定的冷凝裝置部分冷凝回流，一次蒸汽中的有機物濃度降低后，進入蒸汽壓縮機。
進一步的，冷凝裝置包含冷凝器，或通過冷卻水、待處理有機廢水或其他低溫液體，帶走一次蒸汽中熱量，讓部分一次蒸汽變為液體，返回到精餾塔中。
進一步的，冷凝裝置通過向精餾塔頂部的一次蒸汽中灑布待處理有機廢水的方式來冷凝一次蒸汽。
進一步的，二級蒸發單元的管程是連通的，殼程是獨立的，有機廢水進入管程進行蒸發，二次蒸汽和外接熱源分別進入殼程作為廢水蒸發時的熱源。
進一步的，所述的外加熱源在二級蒸發單元中提供的加熱介質的溫度，比進入二級蒸發單元的廢水溫度高1℃以上。
進一步的，所述的加熱介質產生的溫度比進入二級蒸發單元的廢水溫度優選高2~12℃，更優選高5~10℃。
進一步的，所述的有機廢水中所含有的水溶性有機物可導致其水溶液沸點升高。
進一步的，所述的初始有機廢水中所含有的水溶性有機物包含但不限于乙二醇、丙二醇、二甘醇類可溶于水的醇類物質、甲酰胺類、醇胺類物質。
進一步的，所述的初始有機廢水中有機物的濃度為1~20%，優選為5~15%。
進一步的，所述含有高濃度有機物的濃縮液中有機物的濃度為45%~85%，優選為55~75%。
本發明具有如下所述的優越性：
1、本發明設備緊湊，占地面積小，流程簡單，操作方便。
2、本發明在蒸發器中設置了二級蒸發單元，除了在一級蒸發單元中利用MVR產生的二次蒸汽潛熱以外，外接熱源還在二級蒸發單元中繼續對低濃度有機廢水進行加熱，使廢水蒸發后產生的濃縮液中的有機物濃度從40~50%提高到60~75%，降低了后續再濃縮過程的廢水量及能耗;通過在MVR蒸發器中設置二級蒸發單元，可以利用其他渠道的余熱為體系補充熱量，有利于節約能耗。
3、本發明在現有MVR氣液分離器上增加了精餾段和冷凝裝置，降低了MVR系統產生的冷凝水中的有機物濃度。
4、本發明還可通過在精餾段頂部加入初始有機廢水對一次蒸汽進行冷凝，不僅降低了一次蒸汽中的醇濃度，提高了廢水處理效率，而且無需消耗冷卻水，有利于降低能耗。
