立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器工程設(shè)計(jì)

寧 靜

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

降膜式蒸發(fā)器為流體在重力作用下、沿傳熱面呈液膜狀流動并進(jìn)行蒸發(fā)的蒸發(fā)器,按管內(nèi)和管外蒸發(fā)分為立式降膜式蒸發(fā)器和臥式降膜式蒸發(fā)器兩類。本文結(jié)合工作體會主要論述立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器工程設(shè)計(jì)方法。

立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器靜壓降很小，對流體沸點(diǎn)升高的影響一般可忽略，可用作低溫差高真空蒸發(fā)器。高真空操作條件下，普通的熱虹吸式蒸發(fā)器底部靜壓頭上升較大，流體沸點(diǎn)升高較多，底部顯熱段較長，傳熱管上端的沸騰段相對較短，沸騰側(cè)平均膜傳熱系數(shù)較低；立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器在整個傳熱管上形成液膜流動，沸騰側(cè)的傳熱效率高。這種蒸發(fā)器適用于化工、制藥和食品工業(yè)中易熱分解、變質(zhì)、變色等的熱敏性物料和起泡物料的蒸發(fā)濃縮操作，能最小化壓力降并減少流體停留時間，在低溫差下達(dá)到最大傳熱效果,但不適用于處理易結(jié)晶和粘度特大的液體。

在乙二醇、乙苯、苯乙烯和雙酚A等許多化工裝置中, 垂直管內(nèi)向下流動的立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的應(yīng)用越來越多。在采用千代田雙酚-A(CT-BISA)的固體陽離子交換樹脂作催化劑的工藝技術(shù)中,為了避免流體沸點(diǎn)的上升導(dǎo)致雙酚-A等級下降以及停留物料的分解和水洗酚的污染, 脫水塔、苯酚塔和苯酚蒸發(fā)器也都采用立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器。此外，作為乙二醇裝置中MEG脫水塔、MEG精制塔、DEG精制塔和TEG精制塔的塔釜再沸器，立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器也都適用。

隨著降膜式蒸發(fā)器在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們對其的研究也愈加重視，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。由于降膜式蒸發(fā)器通過均勻的薄液膜進(jìn)行流動沸騰,所以其液體分布裝置的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。目前,有些工程公司和制造廠可以進(jìn)行立式降膜蒸發(fā)器液體分布裝置的設(shè)計(jì)。但是,由于技術(shù)保密的限制，國內(nèi)外關(guān)于降膜式蒸發(fā)器液體分布裝置公開發(fā)表的文獻(xiàn)非常少,關(guān)于其設(shè)計(jì)的資料則更為稀少。

1 整體結(jié)構(gòu)

立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器如圖1所示。蒸發(fā)物料通過泵從換熱器頂部進(jìn)入，換熱器上部管箱內(nèi)設(shè)置特殊的分布裝置，保證液體在重力作用下完全潤濕換熱管內(nèi)壁，呈膜狀向下流動、蒸發(fā)。

圖1 立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器

2 液體分布裝置

換熱器的生產(chǎn)能力和操作性能在很大程度上取決于液體的分布狀態(tài)。因此，液體分布裝置是降膜式換熱器的重要組件，其作用是不但要使液體均勻地分配到每根傳熱管上，還要使液體在整根管壁內(nèi)的圓周方向和長度方向形成穩(wěn)定均勻的液膜。

液體分布裝置包括液體分配器和液體分布頭兩部分，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)分布不均勻，勢必造成換熱管內(nèi)液膜有薄有厚，薄液膜處可能會出現(xiàn)干涸，甚至燒壞；厚液膜處，熱阻較大，可能導(dǎo)致?lián)Q熱不良，因此，液膜過厚或過薄都會引起蒸發(fā)器傳熱性能下降。所以對液體分布裝置的基本要求是布膜均勻、操作彈性大、結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝方便和操作穩(wěn)定可靠【1】。

2.1 液體分配器

液體分配器的作用是消除進(jìn)入換熱器內(nèi)液體的初始動能對液面的擾動，形成穩(wěn)定的靜液柱，使液體能均勻地分配到每根降膜管內(nèi)。

液體分配器的結(jié)構(gòu)形式很多。通常采用的分配器為在換熱管上方安裝數(shù)塊分布板。分布板上開有一定數(shù)量的小孔，四周設(shè)有一定高度的圍堰，液體從設(shè)備頂部或側(cè)部通過噴頭或溢流板進(jìn)入，流經(jīng)數(shù)塊分布板后，將液體均勻分布到換熱管內(nèi)，保證其進(jìn)入換熱管內(nèi)成膜。分布板上孔的大小和孔的布置是液體分配器設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。

液體分配器的類型取決于蒸發(fā)出來的氣體是從換熱器的頂部分離還是底部分離。氣體從底部分離時，液體分配器的設(shè)計(jì)相對簡單；在頂部分離時，要考慮防止液泛和夾帶。

對于大直徑管束，可以采用噴淋的方法使液體均勻分配到降膜管內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 帶噴淋的液體分配器

液體分配器的性能除了與分配器的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與分配器的加工質(zhì)量(板孔圓角不得有尖角、毛刺等影響物料流動和易產(chǎn)生掛垢的缺陷)、安裝要求(管子的垂直度和上管板、分布板的水平度)、物料性質(zhì)、操作工況等密切相關(guān)。

2.2 液體分布頭

液體分布頭的作用是保證液體沿每根熱管內(nèi)壁形成均勻的液膜， 杜絕斷膜和干壁現(xiàn)象， 其設(shè)計(jì)、 加工以至安裝質(zhì)量等均對傳熱有很大的影響。

液體分布頭有溢流型和插頭型兩種。

溢流型常用的形式有鋸齒型溢流堰、切線方向的鉆孔型和開槽型等。如圖3所示，換熱管管口伸出管板一定高度，并維持一定液面防止液體進(jìn)入換熱管內(nèi)的沖擊和飛濺。圖4所示為開槽型分布頭現(xiàn)場安裝情況。

圖3 溢流型分布頭示意

圖4 開槽型分布頭現(xiàn)場安裝

如圖5所示，插頭型液體分布頭是利用管子頂部的插頭與換熱管內(nèi)壁間形成間隙使液體成膜。環(huán)形插頭型液體分布頭應(yīng)與換熱管內(nèi)壁保留1～1.5 mm的均勻環(huán)隙。若環(huán)隙過大，流體呈股狀下降，則不能均勻潤濕管壁；而環(huán)隙過小，則可能會出現(xiàn)干壁【1】。插頭型分布頭可實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗，清垢清洗方便，且安裝操作方便。

圖5 插頭型分布頭示意

3 立式管內(nèi)降膜式換熱器設(shè)計(jì)考慮因素

3.1 基本尺寸

一般立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器管徑范圍為φ19～φ75 mm。常壓以上操作時采用小管徑；真空操作時采用大管徑，真空度越高，選用的管徑越大。立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器底部管口口徑較大。

3.2 壓力降

低壓力降是立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)之一。在高真空條件下，任何壓力降都不能被忽略。因此，最大允許壓力降通常是立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)需要考慮的一個約束條件。

3.3 最小流量

當(dāng)管內(nèi)液體流量較小時，管壁上的液膜容易發(fā)生溝流， 產(chǎn)生局部干壁現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱惡化，并容易結(jié)垢。設(shè)計(jì)時要把操作流量控制在最小流量以上。對于熱敏性物料， 為了限制停留時間， 工程設(shè)計(jì)在滿足最小流量的前提下， 單根管的潤濕率可以小一些； 對于非熱敏性物料，可以選用高的流量以抑制結(jié)垢【2】。因此工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)加熱物料的特性， 選取合適的循環(huán)量和單根管流量， 使降膜式蒸發(fā)器最經(jīng)濟(jì)是設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要考慮因素之一。

3.4 降膜側(cè)傳熱系數(shù)

立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)是在薄液膜內(nèi)的沸騰過程，汽泡在緊靠壁面的液體中產(chǎn)生，小氣泡的成長非常緩慢。在汽液界面處，汽泡的脫離是復(fù)雜的過程，受流動狀況、壁面狀況和熱通量等因素的影響。立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器在小溫差下主要為熱傳導(dǎo)和對流傳熱，液膜厚度僅1 mm左右，一般不考慮核沸騰的影響；在膜狀蒸發(fā)過程中,傳質(zhì)和傳熱過程發(fā)生在氣液界面上【1】。

對于降膜式蒸發(fā)器液膜側(cè)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究,很多研究者(Chun和Seban、Fujita和Ueda、趙起、鄧鴻等等【3】)做過這方面的工作,并得到了不同的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。比較有影響的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是Chun-Seban得出的關(guān)聯(lián)式，但是有文獻(xiàn)報(bào)道該關(guān)聯(lián)式對于普朗特?cái)?shù)大于15的物料預(yù)測過高，特別是寬沸程混合物傳質(zhì)效果對傳熱有明顯影響時,預(yù)測結(jié)果偏高 27%左右。

3.5 氣化率

為防止傳熱管內(nèi)液膜的破裂，氣化率一般不高于20%。

3.6 熱流率

立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的熱流率應(yīng)控制在20 000 W/m2以內(nèi)。大的熱流率不會增加降膜蒸發(fā)器的傳熱性能，建議降低熱流體溫度，以減少傳熱溫差。從文獻(xiàn)【4】可以看出，小溫差傳熱使降膜蒸發(fā)器具有無可比擬的優(yōu)越性。

3.7 液體分布

為了讓立式降膜式蒸發(fā)器正常工作，管側(cè)入口液體必須均勻分布在所有傳熱管內(nèi)。如果布膜不好則易產(chǎn)生干壁。單根管內(nèi)流量太大，則液膜太厚，傳熱效率下降；流量太小，則容易產(chǎn)生干壁和干燒。因此液體分布設(shè)計(jì)合理與否直接影響降膜蒸發(fā)器的成膜效果和傳熱效率，關(guān)系到整套設(shè)備的生產(chǎn)使用性能。

3.8 液膜破裂

在立式降膜式蒸發(fā)器中，超過一定的熱流率和低于一定的液體潤濕率等許多因素都會導(dǎo)致液膜破裂，在管表面形成干點(diǎn)，使得平均傳熱系數(shù)降低,進(jìn)而出現(xiàn)高壁溫、工藝介質(zhì)降解等問題。

少量的核沸騰能明顯地提高膜傳熱系數(shù)，劇烈的核沸騰卻能破壞液膜，引起干點(diǎn)和降低傳熱系數(shù)。例如，在乙二醇-水的混合液中，當(dāng)管壁溫度超過液體飽和溫度約20 ℃時，核沸騰就可能會產(chǎn)生破壞作用。

目前認(rèn)為導(dǎo)致液膜破裂的機(jī)理有3種：非充分潤濕、Marangoni效應(yīng)和核沸騰破壞膜作用。

非充分潤濕現(xiàn)象是由于液體流率太小、不能充分潤濕管壁產(chǎn)生的，受液體表面張力的影響。Marangoni效應(yīng)為在蒸發(fā)過程中液體濃縮產(chǎn)生表面張力梯度，從而引起液膜破裂的現(xiàn)象。核沸騰破壞液膜現(xiàn)象是由于劇烈的核沸騰而使液膜破壞的現(xiàn)象。

混合物液體表面張力變化與氣體質(zhì)量分率函數(shù)關(guān)系表示為Λb：

(1)

式中：Λb——膜破裂參數(shù)，kg/m；

σ——液體表面張力，kg/m；

y——?dú)怏w質(zhì)量分率，%。

如果Λb為正值，意味著Marangoni效應(yīng)能形成穩(wěn)定液膜，液膜破裂只能是由于非充分潤濕和核沸騰破壞膜作用的影響；如果Λb為負(fù)值，在低溫差傳熱過程中Marangoni效應(yīng)則可能會撕破液膜，使其成為小溪流，這是液膜破裂的主要因素。例如乙二醇水溶液中，水比其他組分更容易揮發(fā)，更可能受Marangoni效應(yīng)影響引起流動過程中液膜破裂。有研究者建議保持潤濕量大于相應(yīng)臨界量可避免干壁，后來發(fā)現(xiàn)較大潤濕量仍會發(fā)生干壁，公式(1)從理論上指出了影響因素。

4 液膜傳熱機(jī)理分析

在可查閱的文獻(xiàn)資料中，對立式降膜式蒸發(fā)器的池沸騰機(jī)理，有3種不同的說法：

1) 加熱表面的泡核沸騰；

2) 汽液界面的汽化蒸發(fā)；

3) 膜狀沸騰。

從工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法來看，以對流沸騰為主，泡核沸騰為輔，對于寬組分物料，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)要考慮質(zhì)量傳遞熱阻的影響，需要采用矯正系數(shù)修正其影響。

4.1 液膜厚度

液膜厚度δ計(jì)算公式如下【5】：

Re≤1 600時，

(2)

式中：Re——降膜雷諾數(shù)；

δ——液膜厚度，m；

μ——液體粘度，kg/(m·s)；

g——重力加速度，取9.81 m/s2；

ρ——液體密度，kg/m3。

Re>1 600時，

(3)

其中

(4)

式中：?！獑挝粷櫇裰苓呴L度上的液體流率，

kg/(m·s)。

(5)

式中：W——單位時間內(nèi)的液體流量，kg/s；

n——換熱管根數(shù)；

d——降膜側(cè)管徑，m。

液體流率Γ必須大于最小流率Γmin，否則會發(fā)生局部的干壁現(xiàn)象。最小流率的計(jì)算采用哈特利公式【5】為：

Γmin=0.075 6(μρσ3/g3)1/5

(6)

式中：Γmin——最小的液體流率，kg/(m·s)。

降膜的臨界雷諾數(shù)Rec【5】按下式計(jì)算：

(7)

式中：c——比熱容，J/(kg·℃)；

λ——液體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

4.2 液膜傳熱系數(shù)

在重力作用下，液體均勻地在垂直管頂部周邊呈膜狀沿管內(nèi)壁向下流動。降膜傳熱能在較小的流量下得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

當(dāng)再沸總傳熱溫差低時，可充分顯現(xiàn)降膜式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用分析，立式降膜式蒸發(fā)器主要以對流沸騰為主，氣體剪切和核沸騰暫可忽略。

降膜給熱系數(shù)可按威爾克公式【5】計(jì)算：

(8)

式中：hf——降膜給熱系數(shù)，kcal/(m2·h·℃)；

hf1——進(jìn)口段的給熱系數(shù)，

kcal/(m2·h·℃)；

hf2——流動發(fā)展區(qū)的給熱系數(shù)，

kcal/(m2·h·℃)；

L——傳熱管全長，m；

L1——進(jìn)口過渡區(qū)長度，m。

L1為Γ的函數(shù)，可通過圖6查得，其中Γ由式(5)求得。

圖6 過渡區(qū)的長度

其中

(9)

式中：μl——液體粘度，kg/(m·s)；

ρl——液體密度，kg/m3；

cl——液體比熱，kcal/(kg·℃)。

流動發(fā)展區(qū)的給熱系數(shù)hf2按式(10)～式(13)計(jì)算。

完全層流Re≤Rec時，

(10)

Rec

(11)

式中：Pr——普朗特?cái)?shù)。

1 600

(12)

Re>3 200時，

(13)

4.3 壓降計(jì)算

在立式降膜式蒸發(fā)器中，氣液比隨著傳熱管內(nèi)流體向下流動、蒸發(fā)而變化，必須分段計(jì)算壓降，最后相加得到總壓降。

(14)

式中：ΔP——換熱管長度L上總壓力降，Pa；

f——摩擦系數(shù)，查圖7，通過計(jì)算柏格林系數(shù)Bx求出；

Gv,單根——每根換熱管內(nèi)蒸發(fā)蒸汽量，kg/h;

gc——重力加速度，1.27×108m/h2;

ρv——?dú)庀嗝芏?，kg/m3；

Di——管內(nèi)徑，m。

壓降計(jì)算過程做如下假定【5】：

1) 蒸汽流量沿傳熱管內(nèi)的變化，可用式(14)表示：

(15)

式中：WV——蒸汽流量，kg/h；

WV,x——蒸汽在x位置的流量，kg/h;

x——距離換熱管入口的距離，m；

V——下標(biāo)，表示氣相。

2) 液體流量的變化如下：

當(dāng)Bx<30時，液體流量的變化約在40%之內(nèi)；

當(dāng)Bx>30時，液體流量的變化約在20%之內(nèi)。

(16)

式中：Wl,x——液體在x位置的流量，kg/h；

ρl,x——液體在x位置的密度，kg/m3；

σw——水的表面張力，kg/m；

σl,x——液體在x位置的表面張力，kg/m；

l——下標(biāo)，表示液相。

圖7中的參數(shù)Bx可用下式求得：

圖7 兩相流在立式降膜向下流動的摩擦系數(shù)

當(dāng)Bb<30時，

Bx=Bb

(17)

式中：b——下標(biāo)，代表換熱管出口端;

Bb——傳熱管下端(出口端)參數(shù)。

當(dāng)Bb>30時，

(18)

式中：a——下標(biāo)，代表換熱管入口端；

Ba——傳熱管上端(入口端)參數(shù)。

(19)

(20)

5 立式降膜式蒸發(fā)器在乙二醇裝置中的應(yīng)用

某4萬t/a乙二醇裝置處理能力增加到6萬t/a，涉及5個位號立式降膜式蒸發(fā)器的改造。

在原生產(chǎn)能力下運(yùn)行的5臺立式降膜式蒸發(fā)器參數(shù)匯總見表1。

擴(kuò)能后，對原始設(shè)備結(jié)構(gòu)不能滿足工藝要求的進(jìn)行了新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體見表2。

表1 原裝置4萬t/a乙二醇裝置中立式降膜式蒸發(fā)器數(shù)據(jù)匯總

表2 改造后6萬t/a乙二醇裝置中立式降膜式蒸發(fā)器數(shù)據(jù)匯總

(續(xù)表2)

立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器管內(nèi)蒸發(fā)物料為烴類，加熱介質(zhì)蒸汽走殼側(cè)，管殼側(cè)流體都比較清潔，傳熱溫差不大，無需機(jī)械清洗。原裝置5個位號立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器均采用1臺立式固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)，換熱管規(guī)格為φ45 mm×2.5 mm。管側(cè)流體入口分布裝置需要根據(jù)物料流量進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

處理能力增加到6萬t/a的擴(kuò)能方案為： E-1A 與E-1B并聯(lián)操作；利舊原E-2，與新增設(shè)備E-2A并聯(lián)操作； E-3和E-4為新設(shè)計(jì)； E-5為利舊。

從表1和表2可以看出：降膜蒸發(fā)器的操作壓力真空度較高， 管內(nèi)壓降為控制因素， 允許壓降小于1 kPa， 物流的氣體質(zhì)量分率在5%～27%之間， 沸騰側(cè)膜傳熱系數(shù)在1 100～2 100 W/(m2·℃)之間， 總傳熱溫差控制在小于30 ℃。表2中單根管最小潤濕率采用公式(6)計(jì)算， 單根管潤濕率采用公式(5)計(jì)算， 設(shè)計(jì)保證單根管潤濕率大于最小潤濕率值， 布膜頭上控制液位高度100 mm左右。目前該改造裝置中降膜蒸發(fā)器已安全、 可靠地運(yùn)行了10 a， 證明該設(shè)計(jì)方法可行。

6 結(jié)語

立式降膜蒸發(fā)器性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛，在節(jié)能降耗和特殊熱敏性介質(zhì)上有很好的發(fā)展前景，但是對于其內(nèi)部流動和傳熱的復(fù)雜性，現(xiàn)有的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要更加深入地針對具體的熱敏性介質(zhì)在實(shí)際操作條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)總結(jié)。立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器工程設(shè)計(jì)中要特別考慮液體換熱管直徑、長度、最大熱流率、傳熱溫差、潤濕流量、最大氣速的選取，防止干壁、斷膜和液泛的發(fā)生。為了保證立式管內(nèi)降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中要特別關(guān)注分布裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱機(jī)理的分析和選用合適的傳熱計(jì)算方法。