影響降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的因素分析

王晶晶，趙利民，吳長安，廖昌建，馬和旭

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

影響降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的因素分析

王晶晶，趙利民，吳長安，廖昌建，馬和旭

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

降膜蒸發(fā)器是一種高效并被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備。介紹了蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算邏輯及數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了系統(tǒng)壓力、單管液體流量、強(qiáng)制循環(huán)量以及管徑管長對蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響，并對分析結(jié)果進(jìn)行分析和比較，得出系統(tǒng)壓力是影響蒸發(fā)器規(guī)模的主要因素。提高系統(tǒng)壓力可大幅度降低蒸發(fā)器規(guī)模，降低投資成本。在保證蒸發(fā)器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強(qiáng)制循環(huán)比可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

降膜；蒸發(fā)器；傳熱；蒸發(fā)面積

立式降膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)高、壓降小、傳熱溫差損失小、對熱敏性物料不會引起降解，不易結(jié)垢、內(nèi)滯液量少等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、化纖、食品加工、醫(yī)藥、海水淡化、污水處理、冶金等行業(yè)[1-4]。近年來，國家環(huán)保法律法規(guī)日趨嚴(yán)格，廢水“零排放”成為越來越多企業(yè)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。MVR蒸發(fā)作為一種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于蒸發(fā)過程是國外廣泛應(yīng)用的，近年來在國內(nèi)也越來越多地應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域[5-7】。降膜蒸發(fā)器作為MVR系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接決定著蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)效率以及設(shè)備的投資成本。

本文以某石化企業(yè)廢水為處理對象，對降膜蒸發(fā)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)（蒸發(fā)面積和壓降）產(chǎn)生影響的相關(guān)因素進(jìn)行了分析討論。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)簡介

某煤化工廢水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)立式降膜蒸發(fā)器-強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝流程如圖1所示。

首先未濃縮廢水與濃縮循環(huán)廢水一起進(jìn)入降膜蒸發(fā)器，經(jīng)蒸發(fā)器分布系統(tǒng)均勻分配至每根蒸發(fā)管內(nèi)部，同時經(jīng)水蒸汽壓縮機(jī)壓縮提質(zhì)的水蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)管的殼側(cè)，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后的氣液混合物進(jìn)入氣液分離器，二次蒸汽進(jìn)入水蒸氣壓縮機(jī)壓縮提質(zhì)作為蒸發(fā)熱源，部分濃縮液與未濃縮廢水混合重新進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)。

圖1 強(qiáng)制循環(huán)降膜蒸發(fā)器工藝流程圖Fig.1 The flow of forced circulation falling film evaporator

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中，不可避免地存在著一些非穩(wěn)定因素的影響，為了便于計(jì)算做了一些假設(shè)：（1）假設(shè)系統(tǒng)是在穩(wěn)定平衡的狀態(tài)下運(yùn)動，不考慮參數(shù)波動的影響；（2）忽略了系統(tǒng)運(yùn)行中的熱量損失及泄漏；（3）忽略不凝氣體對換熱性能的影響；（4）假設(shè)液體在蒸發(fā)管內(nèi)的分布是均勻的，并且液膜不因蒸汽發(fā)生擾動；

因液體沿蒸發(fā)管向下流動蒸發(fā)濃縮過程中，液體物性值會發(fā)生變化，液膜的狀態(tài)也會發(fā)生變化，計(jì)算傳熱系數(shù)時，將蒸發(fā)管分成若干段分別計(jì)算求和，會大大提高計(jì)算精度[8]。本文中當(dāng)系統(tǒng)蒸發(fā)量為Ws時，將蒸發(fā)管自上而下分為n段，每蒸發(fā)掉Ws/n為一段，于是蒸發(fā)面積和總傳熱系數(shù)計(jì)算如下：

2 各參數(shù)對降膜蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響

降膜蒸發(fā)器壓降一般都比較小，本文忽略物料沿蒸發(fā)管濃縮過程中沸點(diǎn)溫度的變化，假設(shè)物料在沿蒸發(fā)管的蒸發(fā)過程中蒸發(fā)溫度保持不變，即傳熱溫差自上至下保持不變。計(jì)算時，令系統(tǒng)蒸發(fā)量為1 t/h，蒸汽壓縮機(jī)壓比為1.4，物料沸點(diǎn)溫升為5 ℃。

2.1 系統(tǒng)壓力

MVR系統(tǒng)壓力決定了被蒸發(fā)濃縮物料的沸點(diǎn)，即蒸發(fā)溫度。正壓系統(tǒng)或常壓系統(tǒng)指的是蒸發(fā)溫度不小于常壓沸點(diǎn)的MVR系統(tǒng)。相對于負(fù)壓系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行溫度，傳熱系數(shù)和傳熱溫差，所需要的蒸發(fā)器的傳熱面積小[9,10]。但缺點(diǎn)是相對更容易使蒸發(fā)器發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，也不適用于熱敏性高的物料。如圖2所示為系統(tǒng)壓力atm絕壓0.4～1.2條件下蒸發(fā)器蒸發(fā)面積的關(guān)系曲線。

圖2 不同系統(tǒng)壓力條件下的蒸發(fā)面積Fig.2 The evaporation area under the condition of the different system pressure

從圖2中可以看出，系統(tǒng)壓力越高，所需要的蒸發(fā)面積越小，這是由于在MVR系統(tǒng)中當(dāng)壓縮比一定時，隨著系統(tǒng)壓力的升高，壓縮機(jī)入口的蒸汽壓力隨之升高，從而獲得了更高的溫升。對比分析計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力每升高 0.1 atm，蒸發(fā)面積將減小3%～12%，系統(tǒng)壓力從0.4增壓至1.2，蒸發(fā)面積降低了37.6%，其中隨著系統(tǒng)壓力升高，蒸發(fā)面積增長率越來越小，由此可以推測，當(dāng)系統(tǒng)壓力足夠大時，蒸發(fā)面積的增加值將可以忽略不計(jì)。

2.2 單管液體流量

在立式降膜蒸發(fā)器中，為使沿傳熱管形成液膜，就需要大于某一臨界的流量。當(dāng)流量小于這個臨界流量時，不形成液膜，液體呈線狀下流。傳熱面的一部分未被濕潤，不僅傳熱系數(shù)降低，而且增加污垢。

Hartley發(fā)表了求形成液膜所必要的最小允許液體流量公式[11]：

計(jì)算得本文所需最小液體流量

在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)常壓運(yùn)行，換熱溫差4.7℃，蒸發(fā)溫度100℃，選取循環(huán)比X=10，得到如圖3所示的蒸發(fā)器蒸發(fā)面積隨單管液體流量的變化曲線，此時單管液體流量為310~600 kg/(m·h)。

圖3 單管液體流量對蒸發(fā)面積的影響Fig.3The influence of single pipe liquid flow on the evaporation area

可以看到，隨著流量的增加，會使蒸發(fā)器所需的蒸發(fā)面積有所增加，這是因?yàn)楫?dāng)單管液體流量增大時，管內(nèi)液膜厚度增加，蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)降低導(dǎo)致的。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，單管液體流量每增加100 kg/(m·h)，蒸發(fā)器蒸發(fā)面積增大比例不超過4%。單管液體流量由310增大到600 kg/(m·h)時，蒸發(fā)面積增大約10%；并且流量越大，增大比例越小。同時由圖4可知，隨著單管液體流量的增加，壓降也在增大，這會對蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。所以從蒸發(fā)面積和壓降方面考慮，單管液體流量越小越好。但是增大單管液體流量可以對蒸發(fā)管內(nèi)壁結(jié)垢具有一定的抑制作用，因?yàn)樵龃髥喂芤后w流量可以降低管內(nèi)汽化比，同時降低管內(nèi)蒸發(fā)濃縮倍數(shù)。所以實(shí)際系統(tǒng)中，往往需要犧牲一些蒸發(fā)面積來降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 單管液體流量變化對壓降的影響Fig.4 The influence of single pipe liquid flow on the pressure drop

2.3 循環(huán)比

強(qiáng)制循環(huán)降膜蒸發(fā)器對加熱蒸汽壓力要求較低，操作穩(wěn)定。物料由氣液分離器經(jīng)循環(huán)泵打入蒸發(fā)器分布室，物料經(jīng)分布頭分布后沿加熱管內(nèi)壁呈膜狀在重力作用下向下加速流動，在此過程中被不斷加熱濃縮[12]。蒸發(fā)器的循環(huán)量為：WL=n｜v1其中：n為蒸發(fā)管蒸發(fā)管的數(shù)量，v1為單管液體流量。強(qiáng)制循環(huán)比X=WL/Ws。

在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，保持換熱溫差4.7 ℃，蒸發(fā)溫度100 ℃，選取單管液體流量400kg/(m·h)。強(qiáng)制循環(huán)比對降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)面積的影響見圖 5。由圖5可見當(dāng)單管液體流量一定時，增大強(qiáng)制循環(huán)比可減小蒸發(fā)面積。相對其他設(shè)計(jì)參數(shù)強(qiáng)制循環(huán)比對蒸發(fā)面積的影響比較小，當(dāng)X=10時，蒸發(fā)面積約降低7%，當(dāng)X=30，蒸發(fā)面積約降低10%。由圖形可以推測隨著強(qiáng)制循環(huán)比的增加，蒸發(fā)面積將趨于保持不變。與強(qiáng)制循環(huán)泵的功耗綜合考慮，可以得出最佳強(qiáng)制循環(huán)比。

圖5 系統(tǒng)循環(huán)比變化對蒸發(fā)面積的影響Fig.5The influence of system forced circulation ratio on the evaporation area

2.4 管徑與管壁厚度

管徑的大小也會對蒸發(fā)器的性能產(chǎn)生一定的影響。在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，保持換熱溫差4.7℃，蒸發(fā)溫度100℃，選取強(qiáng)制循環(huán)比X=8.5，單管液體流量600kg/(m·h)。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，當(dāng)蒸發(fā)管厚度保持不變，蒸發(fā)面積隨蒸發(fā)管徑的增大先減小后增大；而管壁厚度的變化對蒸發(fā)面積的影響明顯大于蒸發(fā)管管徑對蒸發(fā)面積的影響，這是因?yàn)楣鼙诤穸仍黾涌芍苯咏档蛽Q熱系數(shù)，從而導(dǎo)致蒸發(fā)面積的增加。

圖6 管徑變化對蒸發(fā)面積的影響Fig.6 The influence of pipe diameter change on the evaporation area

3 結(jié) 論

1）系統(tǒng)操作壓力（即傳熱溫差）是蒸發(fā)器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，提高系統(tǒng)壓力，可有效降低蒸發(fā)器規(guī)模。系統(tǒng)壓力從1.2降至0.4，蒸發(fā)面積降低了37.6%；

2）單管液體流量的增加會導(dǎo)致蒸發(fā)器蒸發(fā)面積及壓降的增大；

3）增加降膜蒸發(fā)器的強(qiáng)制循環(huán)比可降低蒸發(fā)面積，有利于蒸發(fā)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，當(dāng)X＞30時，性能參數(shù)變化幅度非常小。將性能優(yōu)化與強(qiáng)制循環(huán)泵的功耗綜合計(jì)算，可以得出最佳強(qiáng)制循環(huán)比；

4）對于蒸發(fā)器蒸發(fā)面積來說，管壁厚度的影響大于管徑的影響。增大管徑和減小壁厚均可減小蒸發(fā)面積。

結(jié)果表明，系統(tǒng)壓力是影響蒸發(fā)器規(guī)模的主要因素。提高系統(tǒng)壓力可大幅度降低蒸發(fā)器規(guī)模，降低投資成本。在保證蒸發(fā)器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強(qiáng)制循環(huán)比可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。在保證蒸發(fā)管強(qiáng)度的前提下，盡可能選擇薄壁大管徑。

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Analysis on the Influence Factors of Key Design Parameters of Falling-film Evaporator

WANG Jing-jing，ZHAO Li-min，WU Chang-an，LIAO Change-jian，MA He-xu

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun113001, China）

Falling film evaporator is an effective and widely used key equipment. In this paper, design calculation logic and mathematical mode of the evaporator were introduced. The influence of the system pressure, single tube liquid flow, forced circulation quantity, pipe diameter and length on evaporator design was calculated, and the results were analyzed and compared. The results show that the system pressure is the main factors influencing the size of evaporator. To improve the system pressure can significantly reduce the evaporator size and reduce the investment cost. Under the premise of low liquid flow in evaporator, to choose low single pipe liquid flow rate and larger forced circulation ratio can improve the stability of the system performance.

falling film; evaporator; heat transfer; evaporation area

TQ 53.6

A

1671-0460（2016）12-2834-03

中國石油化工集團(tuán)公司資助項(xiàng)目，項(xiàng)目號106002000729。

2016-11-28

王晶晶（1981-），女，遼寧省撫順市人，工程師，碩士，從事化工機(jī)械的設(shè)計(jì)與研發(fā)。E-mail：Wangjingjing.fshy@sinopec.com，電話：024-56389732。