多效管式降膜蒸發(fā)器工藝設(shè)計(jì)

張有福 劉建生

摘要：隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，蒸發(fā)器由原來(lái)的單效蒸發(fā)器逐漸發(fā)展為多效蒸發(fā)器。蒸發(fā)器不僅在效數(shù)上有所改進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式上也有所變化。伴隨著蒸發(fā)器的改進(jìn)，其傳熱速率得到了大幅度提高，單位產(chǎn)能的設(shè)備投資得到了降低。文章對(duì)多效管式降膜蒸發(fā)器工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程及要點(diǎn)進(jìn)行了論述，針對(duì)目前管式降膜蒸發(fā)機(jī)組工藝設(shè)計(jì)中存在的一些共性和個(gè)性問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：多效管式降膜蒸發(fā)器；工藝設(shè)計(jì)；效數(shù)；物料處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）29-0014-03

蒸發(fā)器是化工、濕法冶金、食品、輕工、制藥等行業(yè)廣泛應(yīng)用的設(shè)備之一。其主要作用是濃縮溶液，分離、提純?nèi)苜|(zhì)或溶劑，回收有用成分。20世紀(jì)以前，由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較小，所以物料處理量也較低，蒸發(fā)器還是以分批處理、間歇蒸發(fā)的單效蒸發(fā)器為主。連續(xù)多效蒸發(fā)器的使用始于20世紀(jì)初，從最初的二效循環(huán)蒸發(fā)器，逐漸發(fā)展到三效、四效，到如今海水淡化用的三十效蒸發(fā)器。不僅僅是效數(shù)的增加降低了汽耗，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式也由最初的中央循環(huán)管式、懸筐式、外熱式、列文式和強(qiáng)制循環(huán)式發(fā)展到了薄膜式蒸發(fā)器。伴隨著蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)，傳熱速率得到大幅度提高，單位產(chǎn)能的設(shè)備投資進(jìn)一步降低。自從降膜蒸發(fā)器問(wèn)世以來(lái)，短短幾年的時(shí)間內(nèi)，取代了幾乎所有其他類(lèi)型的蒸發(fā)器，僅有處理高粘度、需結(jié)晶物料的場(chǎng)合還使用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。降膜蒸發(fā)器按加熱元件形式分為管式降膜蒸發(fā)器和板式降膜蒸發(fā)器。在一些行業(yè)也使用管式及板式結(jié)合的降膜蒸發(fā)器。盡管管式降膜蒸發(fā)器和板式降膜蒸發(fā)器因加熱元件的不同導(dǎo)致部分特性有所區(qū)別，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是其原理還是相似的，工藝設(shè)計(jì)過(guò)程也基本相同。鑒于此，下文討論多效管式降膜蒸發(fā)器的工藝設(shè)計(jì)，權(quán)當(dāng)拋磚引玉。

1 工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作

除了業(yè)主方要求的性能和提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以外，需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)還有工藝物料的成分、濃度、密度、原液溫度、溶解度、比熱容、飽和蒸汽壓力、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力、動(dòng)力粘度、污垢熱阻、腐蝕性，擬選用材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，物料需要濃縮到的濃度，新蒸汽的

溫度、壓力等。通常的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)各效蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)直接取文獻(xiàn)值，準(zhǔn)確性有限，所以，需要準(zhǔn)備較全的數(shù)據(jù)以便于計(jì)算或驗(yàn)算蒸發(fā)器加熱室的總傳熱系數(shù)。

1.2 工藝流程的確定

工藝流程按加料方式分為順流、逆流、平流、錯(cuò)流等四種。順流流程在物料熱能回收方面通常優(yōu)于逆流流程，且由于物料靠自壓進(jìn)入下一效，電能消耗較逆流流程低，然而，其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：隨著工藝物料濃度的降低，粘度上升，單效總傳熱系數(shù)下降較快，導(dǎo)致蒸發(fā)器總傳熱面積較大；低溫效物料易結(jié)垢，傳熱表面垢層增長(zhǎng)快，進(jìn)一步影響蒸發(fā)器運(yùn)行產(chǎn)能。結(jié)合順流流程和逆流流程的優(yōu)缺點(diǎn)，產(chǎn)生了混流流程。

1.3 效數(shù)的確定

效數(shù)的確定受設(shè)備投資和傳熱溫差的影響。通常，一旦新蒸汽溫度確定，總傳熱溫差即確定，因?yàn)槎嘈д舭l(fā)器的真空度是基本確定的。效數(shù)增加，雖能減少蒸汽消耗，一定的傳熱溫差卻要分配到更多的效，總傳熱面積就會(huì)增加，單位傳熱面積蒸發(fā)強(qiáng)度隨之降低，設(shè)備投資增加。當(dāng)節(jié)能收益減去運(yùn)行成本支出小于等于設(shè)備投資支出時(shí)，則不應(yīng)再增加效數(shù)。此外，如果效數(shù)過(guò)多，單效傳熱溫差如果低于5℃，一旦傳熱面出現(xiàn)結(jié)垢，傳熱受阻，整個(gè)蒸發(fā)器機(jī)組產(chǎn)能會(huì)大幅度下降。

1.4 工藝物料與熱量衡算

主流的計(jì)算方法有等面積法、等壓差法、最小傳熱面積法三種。等面積和等壓差法都是早期的計(jì)算方法，而較好的計(jì)算方法應(yīng)該是最小傳熱面積法，先進(jìn)的設(shè)備供應(yīng)商在計(jì)算過(guò)程中還考慮了最低能耗的因素。

1.5 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算

管式降膜蒸發(fā)器主要由加熱室、分離室、布膜器、霧沫分離器以及配套管道組成。蒸發(fā)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性離不開(kāi)這些部件的正確設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)性。

1.5.1 加熱室工藝計(jì)算即換熱器的工藝計(jì)算，主要有確定和計(jì)算加熱管直徑、壁厚、長(zhǎng)度、材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、布管形式、布管間距、殼層直徑、管板厚度、折流板形式、折流板切割率、折流板厚度、折流板間距等，結(jié)合工藝物料性質(zhì)計(jì)算單位管口長(zhǎng)度液體流量即布膜量，然后結(jié)合加熱蒸汽流量、物性參數(shù)、換熱管材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)及污垢熱阻數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出加熱室的總傳熱系數(shù)，與假設(shè)值或者經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。

1.5.2 分離室的工藝計(jì)算主要是確定二次蒸汽夾帶的液滴直徑上限，從而計(jì)算出最大允許二次蒸汽速度，最終計(jì)算分離器的直徑和有效分離高度。

1.5.3 性能、布膜量計(jì)算出布膜頭/孔的數(shù)量、直徑及布膜盤(pán)的直徑、高度等。

1.5.4 霧沫分離器的工藝計(jì)算主要是確定霧沫分離器的形式、分離夾帶液滴直徑下限，根據(jù)其分離性能和壓降要求，計(jì)算出其最大許可蒸汽速度，最終計(jì)算出霧沫分離器的數(shù)量和面積。

1.6 輔助設(shè)備的物料和熱量衡算

通常還需要給配套輔助設(shè)備的供應(yīng)商提供采購(gòu)選型所需的主要參數(shù)，如真空泵的抽氣溫度、壓力、流量，離心泵輸送的液體流量、成分、溫度、壓力，相關(guān)儀表的工藝要求等。

2 對(duì)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的分析

2.1 工藝流程選擇方面

順流流程在物料熱能回收和電能消耗上通常優(yōu)于其他三種流程，然而，無(wú)論使用任何一種流程，都需注意出料與冷凝水的熱量回收。增加必要的換熱器將出料與冷凝水的熱量用于預(yù)熱蒸發(fā)器的原液以降低新蒸汽的消耗或者增加閃蒸器回收熱量后用于加熱物料。然而，長(zhǎng)久以來(lái)，某些行業(yè)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中還在堅(jiān)持使用直接接觸式預(yù)熱器，這是不可取的。雖然直接接觸預(yù)熱器傳熱速率遠(yuǎn)高于間接預(yù)熱器，且設(shè)備投資遠(yuǎn)低于間接預(yù)熱器，但是，不可忽略直接接觸預(yù)熱器在預(yù)熱過(guò)程中對(duì)工藝物料的沖淡，用能方式缺乏合理性。如國(guó)內(nèi)某氧化鋁廠多效蒸發(fā)器一效直接接觸預(yù)熱器，對(duì)物料預(yù)熱提溫18℃的同時(shí)，將物料濃度沖淡6g/L。此外，直接接觸預(yù)熱器在運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)的劇烈振動(dòng)可能引發(fā)設(shè)備焊縫開(kāi)裂等負(fù)面影響。所以，使用間接預(yù)熱器替代直接接觸預(yù)熱器是必要的。

對(duì)于目前較常見(jiàn)的在流程中增加機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）的工藝流程，在選用的時(shí)候要考慮工藝物料的性質(zhì)，對(duì)于沸點(diǎn)升高較高的工藝物料，由于單級(jí)壓縮機(jī)升溫能力有限，而多級(jí)串聯(lián)時(shí)穩(wěn)定性還較差，一般不推薦使用。

2.2 物料與熱量衡算方面

2.2.1 任何蒸發(fā)器的熱量與物料衡算，均基于某一假定的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。然而，實(shí)際的蒸發(fā)器運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)持續(xù)變化的過(guò)程。這就要求蒸發(fā)器具有一定的適應(yīng)負(fù)荷變化的能力，降膜蒸發(fā)器無(wú)疑在這方面優(yōu)于其他類(lèi)型的蒸發(fā)器，因?yàn)樗梢栽趩涡鳠釡夭畹椭?℃～3℃時(shí)工作，也就是說(shuō)它在負(fù)荷降低至設(shè)計(jì)負(fù)荷的40%時(shí)仍然能正常運(yùn)行。這一特性不僅避免了在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中由于負(fù)荷降低而停車(chē)，而且在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一、二效由于低負(fù)荷運(yùn)行，物料溫度會(huì)相應(yīng)降低，會(huì)減緩某些因溫度升高而溶解度降低的物料成分的析出及結(jié)垢，延長(zhǎng)了清洗周期；同時(shí)，物料溫度降低一定程度上會(huì)減緩高濃度物料對(duì)設(shè)備的腐蝕，如氧化鋁行業(yè)及造紙行業(yè)的多效蒸發(fā)器。

2.2.2 工藝物料的物性參數(shù)文獻(xiàn)值多在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)定，并得出計(jì)算關(guān)聯(lián)式，而實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中由于各種微量雜質(zhì)的存在，往往對(duì)工藝物料的物性參數(shù)造成不可忽略的影響，在工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中要盡可能結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)這些物性參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ员阌跍p少計(jì)算的誤差。以國(guó)內(nèi)一水硬鋁石型鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的多效蒸發(fā)器為例，其一效溶液沸點(diǎn)升高值按文獻(xiàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算為12.5℃，而實(shí)際的溶液沸點(diǎn)升高值由于有機(jī)物的存在，會(huì)上升至13.5℃～14℃左右。如果以文獻(xiàn)值沸點(diǎn)升高計(jì)算溫差損失，會(huì)導(dǎo)致有效傳熱溫差較實(shí)際值增加1.0℃～1.5℃，最終導(dǎo)致傳熱面積的計(jì)算偏小。雜質(zhì)的存在對(duì)工藝物料的物性參數(shù)的影響還體現(xiàn)在導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力、粘度等方面。

2.3 新蒸汽的選擇

為了減少新蒸汽輸送過(guò)程中的損失，往往工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)讓新蒸汽在過(guò)熱狀態(tài)下輸送。然而過(guò)熱蒸汽對(duì)多效蒸發(fā)器加熱室的總傳熱系數(shù)的影響是顯而易見(jiàn)的，由于加熱室的部分換熱面積消耗于過(guò)熱蒸汽降溫到飽和蒸汽的階段，以絕對(duì)壓力0.6MPa過(guò)熱蒸汽，溶液加熱到140℃的降膜蒸發(fā)器加熱室為例，計(jì)算不同過(guò)熱溫度消耗的換熱面積比例，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，過(guò)熱蒸汽的危害很大，必須在新蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器加熱室前，增加防過(guò)熱噴淋裝置，并實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度與噴淋水流量的連鎖，達(dá)到蒸汽飽和溫度的自動(dòng)控制。

表1 不同過(guò)熱溫度消耗的換熱面積比例

2.4 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)上的誤差

重點(diǎn)在于加熱室工藝計(jì)算中總傳熱系數(shù)的計(jì)算，其關(guān)聯(lián)因素較多，文獻(xiàn)給定的范圍值往往較大，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)意義極為有限。文獻(xiàn)中廣泛引用的各類(lèi)蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)值見(jiàn)表2：

表2 各類(lèi)蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)文獻(xiàn)值

2.4.2 部分設(shè)計(jì)者在計(jì)算過(guò)程中，為了快捷地得到總傳熱系數(shù)，對(duì)其計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，常見(jiàn)的有忽略傳熱元件熱阻、蒸汽加熱側(cè)污垢熱阻，忽略加熱室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響，忽略降膜蒸發(fā)器液膜厚度以及二次蒸汽與液膜同向或逆向流動(dòng)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響等。忽略的單個(gè)因素對(duì)總傳熱系數(shù)的影響只有2%～10%，但是同時(shí)忽略幾個(gè)因素的情況下，影響會(huì)達(dá)到15%～20%，是不可取的。

2.4.3 一些設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中使用的是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，或者使用純凈溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出，或者在換熱面潔凈的情形下得出，與實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)差別較大。如某鋁酸鈉溶液管式降膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得其一效總傳熱系數(shù)為

對(duì)于降膜蒸發(fā)器，布膜量的選定也是至關(guān)重要的。布膜量的計(jì)算首先考慮的是最小潤(rùn)濕流量，其計(jì)算公式可在文獻(xiàn)資料中查閱，不再贅述。此外，由于降膜蒸發(fā)過(guò)程中，二次蒸汽在加熱管內(nèi)大量產(chǎn)生，無(wú)論二次蒸汽與液膜是同向還是逆向流動(dòng)，均會(huì)對(duì)液膜的流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，同時(shí)液膜在向下流動(dòng)過(guò)程中會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)的蒸發(fā)而使其流量不斷減少，容易使加熱管表面出現(xiàn)液膜破裂，即“干斑”現(xiàn)象，極大降低液膜側(cè)的傳熱膜系數(shù)和縮短換熱元件的使用壽命。所以在計(jì)算完成最小潤(rùn)濕流量后，必須要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)乘以一個(gè)修正系數(shù)才能得到適宜的布膜量。然而布膜量過(guò)大會(huì)使液膜側(cè)熱阻增加，不利于傳熱，同時(shí)增加循環(huán)泵的電能消耗。對(duì)于降膜蒸發(fā)，總傳熱系數(shù)隨布膜量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)的布膜量。

2.5 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)方面

多效蒸發(fā)器的效數(shù)增加，不僅會(huì)降低蒸汽消耗，同時(shí)，對(duì)于末效二次蒸汽需要循環(huán)水予以吸收的情況下，由于效數(shù)的增加，末效二次蒸汽會(huì)相應(yīng)減少，則循環(huán)水的消耗也降低了，從而整個(gè)循環(huán)水輸送、處理、冷卻系統(tǒng)的設(shè)備投資和運(yùn)行成本都會(huì)相應(yīng)減少，這一點(diǎn)在效數(shù)確定的經(jīng)濟(jì)衡算過(guò)程中應(yīng)充分考慮。

3 多效蒸發(fā)器工藝設(shè)計(jì)展望

總之，多效管式降膜蒸發(fā)器是一系列的換熱、蒸發(fā)、分離的系統(tǒng)集成，具有相當(dāng)程度的耦合性，從而增加了其復(fù)雜性，所以還需注意以下問(wèn)題：

（1）由于多效管式降膜蒸發(fā)器的工藝設(shè)計(jì)涉及的學(xué)科比較廣，包括熱力學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)、傳遞過(guò)程、反應(yīng)工程、系統(tǒng)工程、機(jī)械工程、化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等，所以要求工藝設(shè)計(jì)工程師應(yīng)具有較強(qiáng)的綜合不同工程學(xué)科之間相互關(guān)系的能力，便于在詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)中保證設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和協(xié)調(diào)性。

（2）降膜蒸發(fā)器工藝設(shè)計(jì)工程師在完成其工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)能充分了解到工藝物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)、傳遞過(guò)程，以便于在隨后的安裝、調(diào)試、性能測(cè)試、故障處理、維修過(guò)程中進(jìn)行正確的指導(dǎo)。

（3）各類(lèi)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于蒸發(fā)器的工藝設(shè)計(jì)中，但是在溶液蒸發(fā)器的物料衡算過(guò)程中，目前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件還不能很好地解決由于沸點(diǎn)升高的存在而導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果的偏差，沸點(diǎn)升高越大，偏差越大，所以仍然需要通過(guò)人工進(jìn)行計(jì)算和

修正。

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作者簡(jiǎn)介：張有福（1981-），男，張家港化工機(jī)械股份有限公司蒸發(fā)器事業(yè)部助理工程師。