石墨换热器处理含盐废水的实验研究

李改军 顾涛 新疆圣雄氯碱有限公司

高盐度废水属于极难处理的废水之一。生物处理技术因经济、高效而被广泛地应用于污水处理中，但是当污水盐度过高时，会对微生物的细胞膜和菌体内的酶造成破坏，对微生物的生长也会产生抑制作用，从而使废水处理无法达到理想的效果。一些企业采用稀释的方法，使废水盐度降低到微生物能够承受的范围，再进行生物处理，这种方法虽然简单，且易于操作和管理，但会增加处理规模、基建投资以及运行费用，同时又会造成大量水资源的浪费。目前，对于高盐度废水的大量处理所采用是蒸发浓缩法，并已经实践证明是一种有效且经济的方法。

一、实验装置及过程

（一）实验装置设计

本装置为一套强制循环蒸发装置，主要由石墨换热器、蒸发罐、循环泵、真空泵、冷凝器及其他附属设备组成。含盐废水流经石墨换热器时被加热，然后在分离器的压力降低时部分蒸发，从而将液体冷却至对应该压力下的沸点温度。由于循环泵的原因，蒸发器的操作与温差基本无关。物料的再循环速度可以精确调节。蒸发速率设定在一定的范围内。在结晶应用中，晶体可以通过调节循环流动速度和采用特殊的分离器设计从循环晶体泥浆中分离出来。设备采用泵强制循环，蒸发速率高，浓缩比大，特别适用于浓度较高容易结垢的物料的蒸发。调整好进料和出料浓度平衡，可实现连续进料和出料。

装置由循环系统、加热系统和冷凝系统组成。加热蒸汽由蒸汽发生器提供，在块孔式石墨换热器的一侧孔道内冷凝放出热量，冷凝液经过疏水阀由集液器收集料液流经块孔式石墨换热器的另一侧孔道时吸收热量，并在分离室中汽液分离二次蒸汽由真空泵抽出并在波面板的内部冷凝，冷却水经过液体分布器在波面板外表面实现降膜流动，不断地从二次蒸汽中吸收热量使其冷凝。冷凝液经过缓冲罐由计量罐收集并且计量。

（二）实验步骤

具体实验步骤如下：

（1）打开自来水源，经过树脂罐软水器去离子后，给蒸汽发生器的内置水箱供水。当水箱的液位达到设定值时，水箱内的浮球阀自动关闭停止进水。

（2）关闭蒸汽发生器的排污阀，打开电源。蒸汽发生器的内置水泵自动从水箱内抽水输送至炉胆内，同时水箱内的浮球阀开启，自来水源继续给水箱补水。当炉胆内的液位达到低水位时，电热管开始加热，水泵继续补水至高水位，停止补水。

（3）开启进料泵，由料液罐向系统输送料液，分离罐内的液位达到设定值时，关闭进料泵。

（4）开启料液循环泵、冷却水循环泵和真空泵，料液低温蒸发，二次蒸汽在波面板冷凝器中冷凝，冷凝液由缓冲罐收集，真空度由真空泵上的真空表读取。

（5）不断地从分离罐取样口取样，用MB45 水分测定仪测定出水浓度。当浓度要求时，开启进料泵，打开出料口，开始连续操作。用流量计控制进料量和出料量，使系统达到平衡。

（6）接通电磁流量计电源，通过分离罐进口处的截至阀控制循环流量，当流量值稳定后，测量石墨换热器进出口的温度和压力，并测量一段时间内的加热蒸汽和二次蒸汽冷凝量。

（7）改变加热蒸汽温度、料液循环流量、温度和浓度，做不同操作条件下的传热实验。

（8）实验完成后，关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器的压力表读数降至0.5MPa 后，关闭料液循环泵、进料泵、冷却水循环泵及真空泵。

（9）关闭自来水源，打开蒸汽发生器的排污阀，进行排污。排污结束后，保持排污阀为打开状态，直至下次运行，以防止锅炉内部产生负压。

二、实验结果及分析

（一）不同操作条件下总传热系数值

实验结果表明，总传热系数随流量的增大而增大，随温度的升高而增大，随浓度的升高而减小。在本文的实验条件下，总传热系数的变化范围是770～1100W/（m2·K）。在工业中，石墨换热器加热或冷却酸碱等腐蚀性介质的传热系数经验值的范围是17.45～2907.5W/（m2·K）。通过比较可知，用石墨换热器作为加热器来处理含盐废水，传热性能较好。一方面，石墨材料与大多数介质之间的“亲和力”极小，晶体不易附着在表面另一方面，在强制循环的作用下，晶体在孔道表面附着的可能性进一步减小，因此结晶对换热器传热性能的影响程度较小。从实验结果中还可以看出，影响传热系数的主要因素是流量，温度和浓度对传热系数的影响程度较小。

流量越大，换热器孔道中流体的湍流程度越好，热阻越小，同时可以防止由于局部过热而析出的晶体附着在孔道表面，因此传热效果越好。温度主要是同过影响流体的粘度来影响传热，温度升高，流体粘度减小，热阻减小，有利于传热。浓度升高一方面使流体的粘度增大，不利于传热，同时更容易析出晶体，使孔道表面的污垢热阻增加，影响传热效果。

（二）不同操作条件下的热流量

实验结果表明，热流量随温度的升高而减小，随流量的增大而增大，随浓度的升高而减小。由于加热蒸汽温度恒定，料液的温度越高，两侧的传热温差越小，传热推动力减小必然导致热流量的减小流体量越大，传热效果越好，在相同的温差条件下，热流量也越大流体浓度越大，传热效果越差，在相同的温差条件下，热流量越小。

（三）实验结果与数值模拟的对比分析

在相同的浓度和流速条件下，将盐水侧传热系数的实验值和模拟值进行对比，实验结果与模拟结果的对比表明，实验值与模拟值的偏差最大为15.4%，最小偏差为9.6%。模拟值整体比实验值偏大，并且实验值随温度的变化不如模拟值明显。其可能的原因是：介质侧传热系数值是通过测得的总传热系数值计算得到的，与真值存在一定误差；模拟过程中做了一些简化假设，造成一定误差；实验过程中，盐水可能由于局部过热而产生结晶，使热阻增大，导致实验值偏小。

虽然模拟值与实验值存在一定偏差，但是偏差不大，说明模型较好地反映了块孔式石墨换热器处理盐水的传热特性，为块孔式石墨换热器处理含盐废水的放大和工业应用提供了参考依据。

（四）与圆块孔式石墨换热器的性能比较

模拟结果可知，首先，盐水的粘度远大于水，粘度增加，会减小流动的湍流度，使热边界层的厚度增加，不利于传热其次，盐水在浓缩的过程中会析出晶体，虽然石墨材料不易结垢，且在强制对流的作用下，晶体附着程度进一步减小，但是晶体的存在还是会对传热产生一定影响。因此以水为工质得到的经验公式，如果用来预测盐水的传热，结果必定会偏大。

通过比较可知，流体在圆形直管内湍流时的传热关联式能比较好地描述了矩形块孔式石墨换热器盐水侧的传热特性。经验公式的计算值比实验值高7.5%～23%。块孔式石墨换热器中，由于流体出于进口段，因此传热效果好，应该比圆形直管内的传热系数大，这与实验结果不符。可能的原因有两种由于块孔式石墨换热器特殊的结构，其内部的传热机理可能与圆形直管内的情况有所不同，因此导致传热系数的差别盐水在浓缩的过程中析出的晶体，对传热造成了一定影响，使盐水侧的传热系数偏低。

三、结语

在本文的实验条件下，总传热系数的变化范围是770～1100W/（m2·K）。石墨换热器处理酸碱等腐蚀性介质的传热系数经验值的范围是17.45～2907.5W/（m2·K）。通过比较可知，由于石墨材料不易结垢的特点及流体强制循环流动的作用，晶体在孔道表面附着程度很小，以石墨换热器作为加热器处理含盐废水，传热性能良好。