過(guò)靈飛，何正忠，肖德濤，黎世鋮，林姝婧

南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 氡湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001

乏燃料的后處理、核電廠的運(yùn)行、核應(yīng)急等過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的放射性廢水，若不及時(shí)處理將會(huì)增加管理成本并帶來(lái)放射性泄露風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的放射性廢水處理技術(shù)是基于絮凝沉淀、蒸發(fā)濃縮、反滲透、離子交換等處理方法的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在建設(shè)成本高、操作流程復(fù)雜、凈化能力有限、能耗過(guò)高、設(shè)備易腐蝕以及會(huì)產(chǎn)生不易處理的二次廢物等缺點(diǎn)[1]。

膜蒸餾是以水蒸氣分壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力的傳質(zhì)過(guò)程，具有預(yù)處理要求低、操作條件溫和、能利用低品味熱源、工藝裝置簡(jiǎn)單、去污因子高等優(yōu)點(diǎn)。Jia等[2-3]、Wen等[4]和張瑋鈺等[5]分別采用不同的膜蒸餾方式處理放射性廢水，發(fā)現(xiàn)膜蒸餾對(duì)放射性廢水中Co2+、Sr2+以及硼酸的截留率均達(dá)到了99.6%以上，膜蒸餾在處理放射性廢水方面具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。但是，現(xiàn)存的膜蒸餾技術(shù)存在能量利用效率低、膜通量小、疏水膜易污染破損需定期檢查更換等不足，制約著它的工業(yè)化應(yīng)用。秦英杰等[7]和于福榮等[8]為了提高膜蒸餾的能量利用效率，發(fā)展了多效膜蒸餾和熱泵耦合膜蒸餾的方法，通過(guò)回收水的汽化潛熱來(lái)減少能耗。高薇等[9]和任建勛等[10]為了提高膜通量，發(fā)展了氣液兩相流強(qiáng)化傳質(zhì)和增大料液與膜的接觸面積的方法。這些改進(jìn)的膜蒸餾方法雖有一定積極效果，但其改進(jìn)方式未脫離熱料液和微孔膜直接接觸的限制，不能杜絕熱料液以微孔膜為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)損失，膜通量雖有提升但遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的程度。

為了發(fā)展一種具有低能耗、高膜通量、高安全性等優(yōu)點(diǎn)的非接觸式放射性廢水處理膜蒸餾技術(shù)，首先必須實(shí)現(xiàn)廢水的低溫高效蒸發(fā)。本工作擬基于自制的低溫蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)理論模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量探討進(jìn)水、進(jìn)氣溫度和流量對(duì)裝置蒸發(fā)效果的影響，并通過(guò)一定的放大計(jì)算探究其工業(yè)處理能力。

1 低溫蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)

由于填料塔是目前工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理彈性大、傳質(zhì)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)[11]，本工作設(shè)計(jì)了填料塔式低溫蒸發(fā)裝置。該裝置主要由上下封頭、布液器、填料層、填料支撐和填料壓圈組成。其填料層高度為0.7 m、塔內(nèi)徑為0.3 m、全塔總高1.8 m，氣液接觸時(shí)間和蒸發(fā)量能在一定范圍調(diào)節(jié)。填料塔式低溫蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。對(duì)于0.7 m的填料層高度而言，為了保證傳質(zhì)傳熱的質(zhì)量需要有足夠的氣液接觸時(shí)間，初步選定的空塔流速在0.015～0.3 m/s，圓整后全塔進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)范圍為15～300 m3/h。為了提高塔的濃縮比，蒸發(fā)裝置選用的液體噴淋密度范圍為0.1～7.0 m3/(m2·h)，圓整后全塔進(jìn)水流量調(diào)節(jié)范圍為30～2 000 kg/h。

1——出氣口，2——溫濕度測(cè)量口，3——進(jìn)水口，4——布液器，5——填料壓圈，6——填料段，7——填料支撐，8——進(jìn)氣口，9——出液口

2 低溫蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

低溫蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)流程圖示于圖2。考慮到節(jié)能和實(shí)驗(yàn)需要，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的布液器額定流量為40 kg/h，風(fēng)機(jī)功率為750 W。自來(lái)水在恒溫箱中加熱到指定溫度，經(jīng)泵打入填料塔的布液器內(nèi)，經(jīng)布液器平均分布到填料層表面流下，從塔底流出；空氣從填料層下方進(jìn)入，從塔頂出氣后，測(cè)出其溫度、濕度，并計(jì)算出氣含濕量和裝置蒸發(fā)量。將部分出氣引入冷凝管得到冷凝水，測(cè)出冷凝水電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)水、進(jìn)氣的溫度和流量對(duì)蒸發(fā)裝置蒸發(fā)性能的影響。

FIC——流量顯示和控制，F(xiàn)I——流量顯示，TI——溫度顯示，WI——濕度顯示

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

低溫蒸發(fā)裝置，自制；DDS-307型電導(dǎo)率儀，上海雷磁公司；RS485數(shù)顯管道式溫濕度變送器、WIFI型四探頭溫濕度變送器，山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司；LZB-40氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，常州雙環(huán)熱工儀表有限公司；HG-750高壓漩渦風(fēng)機(jī)，浙江亞士霸電機(jī)有限公司；DF-101T集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(簡(jiǎn)稱(chēng)為恒溫水浴鍋)，河南予華儀器有限公司。

2.3 低溫蒸發(fā)裝置的模擬計(jì)算

由于實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件限制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)未能進(jìn)行改變進(jìn)水流量和改變進(jìn)氣溫度實(shí)驗(yàn)，且進(jìn)水溫度和進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)范圍有限，不能充分探究裝置的蒸發(fā)能力。為了解進(jìn)料條件對(duì)該低溫蒸發(fā)裝置出料的影響和裝置蒸發(fā)能力，使用ASPEN PLUS軟件對(duì)裝置的實(shí)際工況進(jìn)行模擬，輸入不同進(jìn)氣、進(jìn)水條件，計(jì)算其出氣參數(shù)并分析影響規(guī)律。

2.3.1ASPEN PLUS軟件簡(jiǎn)介 ASPEN PLUS是世界上廣泛使用的化工流程模擬和計(jì)算軟件，使用ASPEN PLUS非平衡級(jí)計(jì)算模型(Rate-Based)對(duì)填料塔進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.3.2模擬流程的搭建 模擬流程按蒸發(fā)裝置實(shí)驗(yàn)流程圖設(shè)定(圖2)：選用模塊換熱器(heater)對(duì)應(yīng)恒溫箱，精餾塔(RADFRAC)對(duì)應(yīng)填料塔設(shè)備，閃蒸器(FLASH 1)對(duì)應(yīng)裝置的上方空間。填料塔的輸入?yún)?shù)列入表1。對(duì)于空氣及自來(lái)水進(jìn)料，其組成復(fù)雜，低溫蒸發(fā)主要是水的相變過(guò)程，若進(jìn)料完全按照真實(shí)組分模擬，會(huì)增加很多不必要的工作量，故將對(duì)空氣組分做一定簡(jiǎn)化。進(jìn)水使用純水，模擬分析使用的空氣初始進(jìn)料為23.3 ℃、70%濕度的空氣，其進(jìn)料組成簡(jiǎn)化為2.20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的H2O、76.28%的N2、20.54%的O2和0.98%的CO2。

表1 填料塔的輸入?yún)?shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 進(jìn)氣流量對(duì)裝置蒸發(fā)性能影響的實(shí)驗(yàn)和模擬研究

在進(jìn)水流量40 kg/h、進(jìn)水溫度60 ℃、進(jìn)氣溫度23.3 ℃、進(jìn)氣濕度70%的條件下，基于低溫蒸發(fā)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，進(jìn)氣流量對(duì)裝置蒸發(fā)量和出氣含濕量的影響示于圖3。由圖3可知：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在所有進(jìn)氣流量下，出氣濕度均達(dá)到99.9%以上。隨著進(jìn)氣流量的增加，出氣溫度降低，故出氣含濕量減少，這是由于低溫的空氣進(jìn)料，在相同流量和溫度的進(jìn)水加熱下，隨著氣體流量基數(shù)變大和裝置內(nèi)氣體停留時(shí)間減少，單位體積空氣接受的熱量和水蒸氣減少導(dǎo)致。裝置蒸發(fā)量隨進(jìn)氣流量的提高而增加，蒸發(fā)量的增速隨進(jìn)氣流量增大而減小，故在增大進(jìn)氣流量以提高裝置蒸發(fā)量時(shí)，需要考慮高進(jìn)氣流量下蒸發(fā)量增速變慢，提高進(jìn)氣流量、出氣含濕量減少的問(wèn)題，以滿(mǎn)足使用需求和經(jīng)濟(jì)性為佳。

進(jìn)水流量40 kg/h，進(jìn)水溫度60 ℃，進(jìn)氣溫度23.3 ℃，進(jìn)氣濕度70%

3.2 進(jìn)水溫度對(duì)裝置蒸發(fā)性能影響的實(shí)驗(yàn)和模擬研究

在進(jìn)水流量40 kg/h、進(jìn)氣流量40 m3/h、進(jìn)氣溫度23.3 ℃、進(jìn)氣濕度70%的條件下，基于低溫蒸發(fā)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，進(jìn)水溫度對(duì)裝置蒸發(fā)量和出氣含濕量的影響示于圖4。由圖4可知：實(shí)驗(yàn)測(cè)得在所有進(jìn)水溫度下，出氣濕度均達(dá)到99.9%以上，隨著進(jìn)水溫度增加，水的飽和蒸氣壓和出氣溫度也增加，故出氣含濕量隨著水飽和蒸汽壓的增大而增大，其增量為0.027 kg/m3。裝置蒸發(fā)量實(shí)驗(yàn)值隨進(jìn)水溫度增大而增大，其增量為1.3 kg/h。其中進(jìn)水溫度較低時(shí)，實(shí)驗(yàn)值較模擬值偏高，這是由于進(jìn)水溫度過(guò)低，在蒸發(fā)過(guò)程中熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧儩摕?，裝置溫度低于環(huán)境溫度，環(huán)境向裝置傳熱造成。而進(jìn)水溫度較高時(shí)，裝置的熱量損失導(dǎo)致了出氣含濕量和裝置蒸發(fā)量實(shí)驗(yàn)值均小于模擬值。

進(jìn)水流量40 kg/h，進(jìn)氣流量40 m3/h，進(jìn)氣溫度23.3 ℃，進(jìn)氣濕度70%

3.3 進(jìn)氣溫度對(duì)裝置蒸發(fā)性能影響的模擬研究

在進(jìn)水流量40 kg/h、進(jìn)氣流量為30 m3/h(進(jìn)氣濕度為70%)，使用軟件進(jìn)行流程模擬研究，不同進(jìn)水溫度下，進(jìn)料空氣被加熱到30～90 ℃時(shí)對(duì)出氣含濕量和裝置蒸發(fā)量的影響示于圖5。由圖5可知：進(jìn)氣溫度在30～90 ℃時(shí)，出氣含濕量和裝置蒸發(fā)量基本隨進(jìn)氣溫度增加而線(xiàn)性增加，其出氣含濕量增量在0.011～0.018 kg/m3，裝置蒸發(fā)量增量在0.15～0.16 kg/h，但其效果小于提高進(jìn)水溫度的效果，這與空氣的比熱容小于水的比熱容有關(guān)。

進(jìn)水流量40 kg/h，進(jìn)氣流量30 m3/h，進(jìn)氣濕度70%進(jìn)水溫度，℃：?——80，◆——70，▼——60，▲——50，●——40，■——30

3.4 進(jìn)水流量對(duì)裝置蒸發(fā)性能影響的模擬研究

由前文可知，在進(jìn)氣溫度不大于90 ℃，進(jìn)水溫度不大于80 ℃的范圍內(nèi)，進(jìn)水和進(jìn)氣溫度對(duì)裝置出氣含濕量和裝置蒸發(fā)量的影響是正向的。為了研究進(jìn)水、進(jìn)氣流量對(duì)裝置出氣參數(shù)的影響，探究裝置的最大蒸發(fā)能力，對(duì)進(jìn)水溫度80 ℃，進(jìn)氣溫度90 ℃(進(jìn)氣濕度為70%)，不同進(jìn)氣、進(jìn)水流量的工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果示于圖6。由圖6可知：進(jìn)氣流量越大，出氣含濕量隨進(jìn)水流量的增大先迅速增大后趨于平緩，進(jìn)氣流量越低，出氣溫度越容易接近進(jìn)水溫度，出氣含濕量越容易趨向于定值；提高進(jìn)水流量能有效提高裝置蒸發(fā)量，由于隨著進(jìn)水流量增大，出氣溫度的增量減少，故裝置蒸發(fā)量曲線(xiàn)的斜率持續(xù)下降。在進(jìn)氣流量較低的情況下，大流量的進(jìn)水會(huì)使出氣溫度趨近于進(jìn)水溫度，此時(shí)裝置蒸發(fā)量趨向于一個(gè)定值。當(dāng)進(jìn)氣流量為300 m3/h、進(jìn)水流量為2 000 kg/h時(shí)，蒸發(fā)裝置的蒸發(fā)量最大，其值為80.6 kg/h，此時(shí)裝置處理廢水的減容比為4%。

進(jìn)水溫度80 ℃，進(jìn)氣溫度90 ℃，進(jìn)氣濕度70%進(jìn)氣流量，m3/h：◆——300，▼——250，○——200，■——150，▲——100，●——50

3.5 蒸發(fā)裝置的放大計(jì)算

對(duì)于廢水持續(xù)產(chǎn)生且量較大的設(shè)施，可以建立常規(guī)大小的填料塔式低溫蒸發(fā)裝置。裝置內(nèi)徑可設(shè)計(jì)為1 m，填料層高度為3 m(不同于吸收塔的傳質(zhì)單元法計(jì)算，會(huì)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整)，金屬環(huán)矩鞍填料直徑為76 mm。此時(shí)填料層為正常高度，故液體噴淋密度按一般填料塔計(jì)算。

對(duì)于散堆填料塔，保證填料上液體成膜流下的最小噴淋密度可按式(1)計(jì)算。

Umin=LWmin·a

(1)

式中：Umin，最小噴淋密度，m3/(m2·h)；LWmin，最小潤(rùn)濕速率，m3/(m·h)；a，填料比表面積，m2/m3。最小潤(rùn)濕速率取0.08 m3/(m·h)[12]，填料比表面積為57.6 m2/m3，計(jì)算得到裝置最小噴淋密度為4.6 m3/(m2·h)，乘以塔的橫截面積，得到的最小成膜進(jìn)水流量為14.5 m3/h。為提高裝置的減容比，進(jìn)水和進(jìn)氣流量可取最小成膜進(jìn)水流量，即14 500 kg/h。取氣液接觸時(shí)間為3 s，則空塔氣速為1 m/s，計(jì)算得到進(jìn)氣流量為11 304 m3/h。

按照上述填料塔參數(shù)建立ASPEN PLUS模擬流程，輸入?yún)?shù)：進(jìn)水溫度80 ℃、進(jìn)水流量14 500 kg/h，進(jìn)氣溫度90 ℃、進(jìn)氣流量11 304 m3/h。模擬計(jì)算得到該蒸發(fā)裝置蒸發(fā)量可達(dá)1 143 kg/h，單次蒸發(fā)的減容比達(dá)到7.9%，此時(shí)的氣相出料為55.9 ℃的飽和濕空氣。

3.6 蒸發(fā)裝置的凈化效果

在實(shí)際工況中，廢水中的離子可能隨著蒸發(fā)或液沫夾帶等方式進(jìn)入氣相出料，通過(guò)在進(jìn)水流量40 kg/h、進(jìn)氣溫度23.5 ℃下，將不同進(jìn)水溫度和進(jìn)氣流量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的塔頂出氣通入冷凝管冷凝得到冷凝水，測(cè)量其電導(dǎo)率，探究低溫蒸發(fā)裝置對(duì)自來(lái)水的凈化效果，結(jié)果列入表2。由表2可知：測(cè)得的自來(lái)水原水電導(dǎo)率為233 μs/cm，冷凝水的電導(dǎo)率隨進(jìn)氣流量和進(jìn)水溫度變化不明顯。電導(dǎo)率平均值為24.4 μs/cm，電導(dǎo)率反映的離子去除效率達(dá)到89.5%。金暢等[13]使用氣隙式膜蒸餾處理自來(lái)水的離子去除效率可達(dá)99.2%，這表明該低溫蒸發(fā)裝置對(duì)自來(lái)水中的離子有一定的凈化效果，但未達(dá)到膜蒸餾的凈化程度，在低溫蒸發(fā)裝置后增加膜蒸餾裝置以提高其去污能力是有必要的，而低溫蒸發(fā)裝置的初步凈化能力也有利于膜蒸餾裝置的凈化能力與抗污染能力的提高。

表2 不同進(jìn)氣流量下的出氣冷凝水電導(dǎo)率

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的低溫蒸發(fā)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、蒸發(fā)效果優(yōu)越、出氣參數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)，能適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需要。通過(guò)改變進(jìn)水流量并調(diào)節(jié)其他進(jìn)料參數(shù)，可適用于較大范圍內(nèi)不同處理量的廢水處理。裝置能有效為后續(xù)膜蒸餾裝置提供穩(wěn)定且充足的待處理濕空氣，為非接觸式膜蒸餾技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。