提高蒸發(fā)系統(tǒng)有效溫差的意義及方法

王勇

摘 要：影響蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備能力的因素有蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)備形式、加熱器換熱面積及有效傳熱溫差，中試廠蒸發(fā)器的類型 ，加熱器的面積和材質(zhì)，都是已經(jīng)安裝好定了型的，所以提高傳熱效率的最有效手段，在于增加有效溫差，本文闡述了有效溫差的概念及意義，分析了我廠蒸發(fā)結(jié)晶工序有哪些溫差損失，并從這些溫差損失入手，采取有效手段減少溫差損失，增加有效溫差，提高蒸發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)結(jié)晶;傳熱溫差;有效溫差;溫差損失;蒸發(fā)效率

1 提高有效溫差的意義

氧化鋁中試廠自主研發(fā)了“一步酸溶法”工藝技術(shù)，從粉煤灰中提取氧化鋁、鎵等產(chǎn)品，開創(chuàng)了工業(yè)化粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁的世界先河，其中蒸發(fā)結(jié)晶工序是“一步酸溶法”工藝技術(shù)中非常重要的生產(chǎn)工序，隨著我廠中試實(shí)驗(yàn)的不斷深入、生產(chǎn)工藝的不斷成熟，氧化鋁產(chǎn)量的提升也就成了重中之重，這就要求我廠在現(xiàn)有的蒸發(fā)裝置上不斷改進(jìn)，提高蒸發(fā)效率，提高氯化鋁晶體的生產(chǎn)能力。

根據(jù)蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱速率公式：Q=K·A·Δt

傳熱速率Q越大，設(shè)備的使用效果越好，生產(chǎn)強(qiáng)度越高，我們的產(chǎn)量也越高。生產(chǎn)中我們要力求用有限的熱量投入換取較高的傳熱速率。從上式可知，Q值大小與蒸發(fā)設(shè)備傳熱面積A、傳熱系數(shù)K以及傳熱的有效溫度差Δt成正比。對(duì)于我廠來說，由于蒸發(fā)設(shè)備已成定局，則換熱設(shè)備的換熱面積A已成定值。從我們來說，提高傳熱速率的途徑主要是從提高傳熱系數(shù)K值與增加換熱的有效溫度差Δt上下功夫。在假設(shè)進(jìn)罐料液濃度不變，首效加熱蒸汽壓力穩(wěn)定，循環(huán)泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，并在操作上做到不凝氣、冷凝水及時(shí)徹底排除，罐內(nèi)固液比控制適當(dāng)，出料均勻穩(wěn)定，則傳熱系數(shù)K可基本保持穩(wěn)定值。則影響傳熱速率的關(guān)鍵因素是有效溫度差Δt，所以我們要想在現(xiàn)有條件上提高蒸發(fā)效率，提高產(chǎn)量就必須想辦法提高有效溫差Δt。

2 有效溫差的概念

我廠采用三效順流蒸發(fā)系統(tǒng)，靠蒸汽加熱的方式對(duì)氯化鋁稀溶液進(jìn)行蒸發(fā)、結(jié)晶，最后得到六水氯化鋁晶體，蒸發(fā)過程中，真空蒸發(fā)系統(tǒng)能夠順利進(jìn)行傳熱的前提條件是系統(tǒng)應(yīng)具備傳熱溫差，可以看做是系統(tǒng)傳熱推動(dòng)力。我們可以用傳熱速率公式來定性的表述傳熱推動(dòng)力，根據(jù)傳熱速率公式：

Q=K·A·Δt? ? ?（1）

式（1）中，Q值（傳熱速率）的大小即代表了我蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)能力，它與加熱室的總傳熱系數(shù)（K）、加熱室換熱面積（A）及操作中的有效溫差（Δt）均成正比。因?yàn)槲覐S蒸發(fā)器的類型，加熱器的面積和材質(zhì)，都是已經(jīng)定型了的，所以總傳熱系數(shù)（K）和加熱室換熱面積（A）都基本為定值，在發(fā)掘的意義不大，那么有效溫差Δt就成了影響蒸發(fā)效率和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，那么什么是有效溫差呢？

有效溫差Δt指實(shí)際能用于傳熱推動(dòng)的溫度差，它的大小等于系統(tǒng)的傳熱總溫差△T減去溫差損失∑△得到的值。

即Δt=ΔT-Δ∑? ? ?（2）

式（2）中ΔT為傳熱總溫差，蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱總溫差△T等于第一效加熱蒸汽的飽和溫度T1與末效冷凝器的蒸汽飽和溫度T3之差。

即ΔT=T1-T3? ? ?（3）

式（2）中Δ∑位溫差損失，溫差損失是指在傳熱和蒸發(fā)過程中，有一部分溫度差不參與傳熱推動(dòng)過程，實(shí)際上不起作用，這部分無功溫差稱為溫差損失，記作：∑△，真空蒸發(fā)系統(tǒng)最大傳熱溫差確定以后，由于采用多效蒸發(fā)，所以存在著各種溫差損失。

根據(jù)公式（2）我們可以看出，蒸發(fā)系統(tǒng)有效溫差Δt的大小取決于系統(tǒng)總溫差ΔT和系統(tǒng)各種溫度損失Δ∑的大小，系統(tǒng)總溫差ΔT的值等于首效加熱蒸汽的飽和溫度T1與末效冷凝器的蒸汽飽和溫度T3之差，而系統(tǒng)各種溫差損失Δ∑則可以看作是系統(tǒng)各部分能量損失之和，我們只要想辦法在提高系統(tǒng)總溫差的同時(shí)，消除或者降低能量損失就可以增加有效溫差，提高蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)效率。

3 分析溫差損失

我車間的三效順流蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱總溫差為一效進(jìn)氣溫度與末效冷凝器內(nèi)的蒸汽溫度之差。這個(gè)傳熱總溫差我們可以看作是我們蒸發(fā)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，傳熱總溫差這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)所做的功沒有全部轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)的推動(dòng)力，有一部分功變?yōu)闇夭顡p失損失掉了，經(jīng)過分析，我廠的蒸發(fā)系統(tǒng)溫差損失大體可分為：物料的沸點(diǎn)升高引起的溫差損失△1、管道阻力溫差損失△2、閃發(fā)溫差損失△3和過熱溫差損失△4，而我們的溫差損失∑△就為四者之和，即：∑Δ=Δ1+Δ2+Δ3+Δ4

接下來分別來分析這四個(gè)溫差損失。

3.1 物料的沸點(diǎn)升高引起的溫差損失△1

我們知道，由于溶液的蒸氣壓比相同溫度條件下的純水的蒸氣壓要低，因此在一定的壓力下，溶液的沸點(diǎn)要比純水的沸點(diǎn)高，其差值成為該溶液的沸點(diǎn)升高，溶液的濃度越高，蒸氣壓越低，沸點(diǎn)也就越高，沸點(diǎn)升高值越大，由此可以看出，在一定條件下，沸點(diǎn)升高值越大，將溶液加熱至沸騰需要的能量就越多。在生產(chǎn)中，經(jīng)常由于一些因素會(huì)產(chǎn)生一些不必要的沸點(diǎn)升高，這些沸點(diǎn)升高會(huì)消耗系統(tǒng)的能量，產(chǎn)生溫差損失。

我廠氯化鋁溶液在蒸發(fā)沸騰過程中，沸點(diǎn)升高值不斷變大的原因主要有兩點(diǎn)，一是系統(tǒng)中物料濃度沒有控制好，隨著氯化鋁溶液的濃度越來越高，溶液沸點(diǎn)也在一直升高，沸點(diǎn)升高值變大，二是分離式的壓力沒有控制好，氯化鋁在沸騰蒸發(fā)過程中，分離室的壓力超出正常值，壓力的升高也會(huì)引起溶液沸點(diǎn)升高，此外氯化鋁溶液中鈣、鎂離子雜質(zhì)的存在，也會(huì)使沸點(diǎn)上升更高，當(dāng)這些現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)候，在同樣的條件下，只有加熱到更高的溫度，供給跟多的能量時(shí)，溶液才能沸騰，這就是沸點(diǎn)升高引起的溫差損失。

3.2 管道阻力溫差損失△2

管道溫差損失大體分為兩部分，一是當(dāng)加熱管內(nèi)液體流速較大時(shí)，管內(nèi)摩擦損失進(jìn)一步增大液體的平均壓力，壓力升高沸點(diǎn)升高，因而使溫差損失隨之增大，這部分損失很難定量計(jì)算;二是上效分離室閃發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)管道進(jìn)入下一效加熱室時(shí)，其溫度降低，引起溫差損失。溫度降低大小與二次蒸汽管的長短、管徑大小、保溫情況及蒸汽受阻的程度有關(guān)，適當(dāng)加大二次蒸汽管徑，并盡可能縮短管長，減小蒸汽所受阻力，可減小管道阻力溫度損失。

3.3 閃發(fā)溫差損失△3

一效、二效和三效的物料在各效加熱室內(nèi)被加熱至過熱狀態(tài)，這部分過熱溶液在離開加熱室循環(huán)上升的過程中，由于靜壓力不斷減小而逐步發(fā)生閃蒸，溫度也隨之下降，最后溶液都要循環(huán)進(jìn)入分離室進(jìn)行閃蒸，進(jìn)入分離室后溶液要一直到達(dá)分離室液面處才能降到與分離室壓力相當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)，溶液才能充分閃蒸，可是分離室內(nèi)蒸發(fā)強(qiáng)度大，物料在不斷循環(huán)，故停留時(shí)間短，如果加熱室內(nèi)加熱后的物料到達(dá)分離室液面的距離過長，則一部分物料還未到達(dá)液面處充分閃蒸，就已經(jīng)被新的高溫物料所排擠，參加了下一次循環(huán)，這部分物料不但沒有被充分的閃蒸，在被循環(huán)進(jìn)入加熱室后，還會(huì)使加熱室內(nèi)的氯化鋁溶液溫度升高，減少了物料與加熱蒸汽溫度差，這種損失稱為閃發(fā)溫度損失。特別是在二、三效這樣的真空效，閃發(fā)溫差損失尤為嚴(yán)重。物料閃發(fā)溫度損失與蒸發(fā)罐直徑、空間、物料粘度、罐內(nèi)溫度和壓力有關(guān)。適度加大分離室直徑，降低液位 將有助于降低閃發(fā)溫度損失。

3.4 過熱溫差損失△4

氯化鋁溶液在加熱室中受熱而升溫，加熱器出口料溫要大于進(jìn)口料溫，因?yàn)槿芤涸诩訜峁苤袕南碌缴狭鲃?dòng)，流動(dòng)過程中，溶液和蒸汽間接換熱并逐步被加熱，溶液溫度自下而上逐步升高，蒸汽與氯化鋁溶液的傳熱有效溫差將逐漸降低，因而在工藝計(jì)算中必須取其平均值作為氯化鋁溶液的溫度。溫升越大，平均溫度越高，有效溫差將減少。這種由于通過加熱室物料溫升而減小的有效溫度差，稱為過熱溫度損失。

4 提高有效溫差

蒸發(fā)系統(tǒng)的有效溫差Δt的大小等于系統(tǒng)的傳熱總溫差△T減去溫差損失∑△得到的值。即Δt=ΔT一∑Δ

從上式不難看出，要增加有效溫差，可采取兩種措施，即：提高傳熱總溫差ΔT和減少溫差損失∑△。

4.1 提高傳熱總溫差△t

傳熱總溫差為：△T=T1一T3，由此可見提高傳熱總溫差有兩種途徑：一是提高首效蒸汽壓力，二是提高末效真空度。

首先是提高首效蒸汽壓力，蒸汽壓力的提高對(duì)蒸發(fā)效果的影響是很明顯的，在一定蒸汽壓力范圍內(nèi)，蒸發(fā)量會(huì)隨著蒸汽壓力的提升而明顯升高，而我廠蒸汽壓力由于各種原因，供應(yīng)很不穩(wěn)定，蒸發(fā)壓力經(jīng)常波動(dòng)，蒸汽壓力下降直接導(dǎo)致了傳熱總溫差的下降，降低了有效溫差。所以為了保證蒸發(fā)系統(tǒng)高產(chǎn)量平穩(wěn)運(yùn)行，建議給蒸發(fā)車間通入專用蒸汽管道，首效蒸汽壓力保證在0.5MPa-0.7MPa。

蒸汽壓力也不是越高越好，隨著蒸汽壓力的提高，蒸發(fā)量隨之提高的幅度越來越小，這時(shí)候如果一味提高蒸汽壓力不但蒸發(fā)量不能增長，還會(huì)使傳熱溫差過大，引起蒸發(fā)結(jié)晶操作的不穩(wěn)定，傳熱不容易控制，物料粘壁，影響熱量傳遞，甚至造成加熱器堵塞，導(dǎo)致蒸發(fā)頻繁停車處理，不能連續(xù)穩(wěn)定長周期運(yùn)行，同時(shí)冷凝器負(fù)荷加大，熱損失增大，影響蒸發(fā)生產(chǎn)能力的同時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備，增加作業(yè)危險(xiǎn)。因此增大系統(tǒng)總溫差一般采用另一種方法：提高蒸發(fā)裝置冷凝器的真空度。

末效真空度的建立由兩方面組成，一是真空泵直接抽真空，二是通過間接冷凝器冷凝末效二次汽建立真空，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，末效真空度的高低取決于循環(huán)水水溫、循環(huán)水水量、系統(tǒng)的不凝氣量以及抽吸不凝氣的抽速。在這些因素中，循環(huán)水溫是關(guān)鍵的，冷凝器循環(huán)水溫升高，會(huì)減少水汽的換熱溫差，破壞原有系統(tǒng)平衡，使蒸汽不能及時(shí)冷凝或不能完全冷凝，造成真空度下降。所以在生產(chǎn)中，要嚴(yán)格控制循環(huán)水溫度，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水溫度異常變化要馬上聯(lián)系調(diào)整。

適當(dāng)增加循環(huán)水量也是保障末效真空的一個(gè)辦法，水量大、流速快帶走的熱量多，冷凝效果變好，真空度增加。

在生產(chǎn)當(dāng)中要重視對(duì)冷凝器的保養(yǎng)和清洗，冷凝器作用是利用循環(huán)水與三效出來的蒸汽進(jìn)行熱交換，使蒸汽中可以冷凝的氣體凝結(jié)成液體，而不可以冷凝的氣體由真空泵抽走排空，從而保持蒸發(fā)器的真空度。如果冷凝器結(jié)垢，他的熱交換效果差，就會(huì)導(dǎo)致不可凝的氣體增多，導(dǎo)致真空泵壓力大，真空度不高。所以我們要保證循環(huán)水的水質(zhì)，減少鈣、鎂等雜志，并定期用1%的稀酸液對(duì)冷凝器的管道進(jìn)行化學(xué)清洗，可以達(dá)到除水垢的目的。

性能良好的真空泵對(duì)維持真空度也至關(guān)重要，真空泵在制造真空的同時(shí)可以快速抽走不凝氣，不凝氣是冷凝器壓力、溫度工況下不能被凝結(jié)的氣體，如不及時(shí)抽出，會(huì)導(dǎo)致汽水換熱效果越來越差，引起末效壓力升高而降低了真空度，而我廠的真空泵冷卻水還在使用生活水，水質(zhì)硬度較高，并且水中含有的成分會(huì)在二次蒸汽中形成水垢，粘附在真空泵的內(nèi)壁上，就會(huì)直接影響到真空泵的工作效率，長期下去，如果真空泵內(nèi)壁的水垢過厚，就會(huì)卡死轉(zhuǎn)子，并且對(duì)真空泵有腐蝕的影響，降低真空泵的工作效能。因此建議采用軟水作為真空泵冷卻用水，可以減少真空泵的故障率。

4.2 減少溫差損失∑△

4.2.1 減少沸點(diǎn)升高溫差損失△1

首先要控制過料量和出料濃度，我們?cè)谏a(chǎn)過程中要控制好過料量，維持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)料液（下轉(zhuǎn)第218頁）（上接第216頁）達(dá)到工藝指標(biāo)時(shí)，不及時(shí)過料或出料，會(huì)導(dǎo)致料液濃度升高，沸點(diǎn)也隨之升高，使有效溫差降低，汽耗也相應(yīng)地增加，同時(shí)也會(huì)是三效磨損、結(jié)垢。其次要控制好各效分離室壓力，分離室壓力過高會(huì)使物料沸點(diǎn)升高，尤其是一效，最后要嚴(yán)格控制氯化鋁溶液的各項(xiàng)指標(biāo)，盡量減少雜質(zhì)，物料的沸點(diǎn)與雜質(zhì)的存在有關(guān)， 物料中含有一定量鈣、鎂離子，會(huì)使溶液沸點(diǎn)升高。

4.2.2 減少管道阻力溫差損失△2

可以適當(dāng)加大二次蒸汽管管徑，盡量縮短管程，減少彎頭，并對(duì)二次蒸汽管做好保溫保溫，同時(shí)在二次蒸汽管上盡量避免設(shè)置泛氣預(yù)熱器和除沫器等設(shè)備，其管道阻力溫度損失可大大降低。

4.2.3 減少閃發(fā)溫差損失△3

減少閃發(fā)溫差損失首先可以改變循環(huán)管的進(jìn)口位置，將進(jìn)口位置盡可能的靠近分離室液面附近，將大大減少系統(tǒng)靜壓溫度損失和閃發(fā)溫度損失，同時(shí)要控制分離室的液位，適當(dāng)降低分離室的液位，縮短過熱物料到分離室液面的距離，使過熱物料盡可能的到達(dá)分離室表面。但是液位也不能過低，如果使進(jìn)料管的彎頭露出液面，則彎頭上部可能會(huì)嚴(yán)重結(jié)垢，影響物料循環(huán)，甚至可能出現(xiàn)結(jié)垢脫落而堵塞管線的危險(xiǎn)。

其次可以改進(jìn)分離室的進(jìn)料方式，讓進(jìn)料管線以一定角度與分離室相連，從而使加熱后的溶液以一定的仰角從切線方向進(jìn)入分離室，再配合特殊的導(dǎo)流板，使料液呈螺旋狀全部旋轉(zhuǎn)升至液面，同時(shí)分離室中料液的旋轉(zhuǎn)能使過熱物料在分離室表面上均勻分布，有助于蒸汽泡從液面逸出，減少了液面表面張力，物料充分閃發(fā)，大大減少物料“短路”循環(huán)，降低溫度損失，增大了系統(tǒng)的有效溫差。

4.2.4 減少閃發(fā)溫差損失△4

從前邊分析我們可以知道，降低氯化鋁溶液進(jìn)、出加熱室的溫差，將減小過熱溫度損失。因此其方法是加熱室的加熱管盡量采用短管或盡可能提高氯化鋁溶液在加熱器中的循環(huán)速度。

5 結(jié)語

通過以上討論，我們知道了蒸發(fā)系統(tǒng)的有效傳熱溫差的大小直接影響著蒸發(fā)的效率，同時(shí)有效傳熱溫差又與飽和蒸汽壓力、末效真空度和溫差損失有著密切的關(guān)系。維持蒸汽壓力的合理、穩(wěn)定是保證蒸發(fā)系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行的前提，末效真空度越高，系統(tǒng)的傳熱有效溫度差越大，真空度的波動(dòng)會(huì)引起的生產(chǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生變化較大，而真空度的高低主要取決于冷凝器、循環(huán)水和真空泵。此外，系統(tǒng)的不凝氣、真空泵的抽汽量等因素亦會(huì)影響真空度大小。因此我們生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制蒸汽壓力，保證蒸汽壓力穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，堅(jiān)決杜絕超壓和過山車式的操作手法，維持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。文章還分析了我廠蒸發(fā)系統(tǒng)溫差損失的種類和產(chǎn)生的原因，并介相應(yīng)的紹了減少溫差損失何提高有效溫差的方法。

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