摘要:通過對元明粉蒸發設備現狀的分析,指出使用中的循環管式蒸發器的缺陷，提出了有效的整改方案。另外，從理論上闡述了影響蒸發強度提高的因素（管內溶液沸騰的對流傳熱系數，污垢熱阻），以及在生產中的對策與實施。

在許多化工生產中,都離不開蒸發這一過程,完成蒸發所需要的關鍵設備就是蒸發器。蒸發器的結構型式各不相同,按溶液在蒸發器中停留的情況,可分為循環型和單程型兩大類。在目前的元明粉生產中,一般采用四效蒸發,其蒸發器結構型式有循環管式蒸發器和外熱室蒸發器兩種(都屬于強制循環蒸發器) 。循環管式蒸發器結構示意圖見圖1 。

圖1 　循環管式蒸發器 S-加熱蒸汽;F-料液;V -二次蒸汽;A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸發完成液

1 、問題分析及整改方案

1.1 問題分析：由于循環管式蒸發器結構上的限制,如換A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸發完成液熱管長度僅3m 左右、推進式葉輪的結構等因素,使得物料循環速度不大。這樣管內易結垢,需經常洗罐,使蒸發器生產強度降低,最終影響產品的產量和質量。另外,設備的清洗和維修也不方便。所以這種蒸發器難以滿足生產的要求。
1.2 整改方案：由于循環管式蒸發器存在以上缺陷,所以元明粉生產廠對其結構進行了部分改造。改造后的蒸發器結構示意圖見圖2 。這次改造主要是將循環管內的推進式葉輪改為外循環的臥式軸流泵, 增加了兩部分循環管,去掉蒸發室上的傳動部分。改后加大了電機功率,物料循環速度提高近1 倍。

圖2 　改造后的Ⅰ效蒸發器 A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸發完成液

1.3 效果：由于加快了物料循環速度,延緩了污垢生成,增大了傳熱效果,減少了清洗次數,延長了操作周期, 使蒸發器生產強度有所提高。另外,改造前基本上是班班洗罐,現在,物料循環速度加快后,兩個月不用洗罐。這樣,一方面減輕了工人勞動強度,另一方面提高了蒸發器生產強度,降低了消耗。因此,目前許多元明粉生產中都將循環管式蒸發器改為外循環蒸發器。

2 　提高蒸發器生產強度的措施

在同樣的設備、同樣的消耗情況下,如果能提高蒸發器的生產強度,那么每t 產品消耗可相對降低, 企業效益可隨之提高。

2.1 理論依據

蒸發器的生產強度U 是指單位傳熱面積上單位時間內所蒸發的水分量,即U = W/A 　kg/ (m2·h)
式中: W 為單位時間內所蒸發的水分量,kg/ h; A 為蒸發器的傳熱面積,㎡ 。

根據蒸發的物料衡算及焓衡算過程,有W=Q/ r ,而傳熱量Q= KAΔt ,故U= W/ A = Q/A ·r= KΔt/ r
式中: Q 為蒸發器的傳熱量,kJ/ h; r 為當溫度為t時,二次蒸汽的蒸發熱,kJ/ kg ; K 為蒸發器的總傳熱系數,kJ/ (m2 ·h·℃); Δt 為蒸發時的有效溫度差, ℃。

由上式可以看出,對于一個選定的蒸發器,為提高其生產強度,應設法增大蒸發時的有效溫度差Δt 和傳熱系數K 。

2.2 　因素分析

有效溫度差Δt 除了和溫度差損失有關外,主要還是取決于加熱蒸汽的壓力和冷凝器壓力之差。但加熱蒸汽壓力的增加,常受工廠具體用汽條件的限制;冷凝器中真空度的提高,可使溶液的沸點降低,以加大溫度差。但這樣不僅增加了真空泵的功率消耗,且隨著真空度的提高,溶液的沸點降低,粘度增大,也會對溶液的沸騰傳熱產生不利影響(導致沸騰對流傳熱系數下降) 。因此在元明粉蒸發中,有效溫度差的增大是有限制的。

一般來說,增大總傳熱系數K 是提高蒸發器生產強度的主要途徑。增大總傳熱系數K 的主要途徑是減小各部分的熱阻。
K = 1/ (1/ a1 + 1/ a2 + R W + R S)
式中: a1 為管間蒸汽冷凝的對流傳熱系數; a2 為管內溶液沸騰的對流傳熱系數; R W 為管壁熱阻; R S 為污垢熱阻。

一般情況下,管壁熱阻R W很小,可忽略不計, 且蒸汽冷凝時的對流傳熱系數a1 比管內溶液沸騰時的對流傳熱系數a2 大很多,即a1>a2 , 有1/a1<1/a2 , 蒸汽冷凝熱阻在總熱阻中占比例很小,但要考慮加熱室中不凝氣的及時排除。比如,設計制造中盡量將適當數量的不凝氣排放管靠近加熱室筒體最上部,以隨時排放不凝氣。否則,冷凝傳熱系數急劇下降,其熱阻將大大增加,使總傳熱系數下降。

2. 3 　實際措施

根據生產實際情況,想法提高管內溶液沸騰的對流傳熱系數a2 和減小污垢的形成,才是提高總傳熱系數K 的主要途徑。
主要措施有以下幾點:
(1) 加熱室選取合適的換熱管,使物料循環速度保持在215 m/s 以上,既可增大a2 , 又可延緩污垢的形成。
(2) 除去水硝中的Ca2 + 、Mg2+ ,從根本上除去污垢
的生成條件。
(3) 根據生產經驗,采取中液位操作,
嚴禁低液位操作,防止污垢形成。
(4) 要保證真空度
達到工藝要求,并使真空壓穩定,以維持各效蒸汽壓力。各效溫度及料液溫度等穩定,以保證液位穩定。
(5) 若有污垢及時洗罐,使污垢熱阻R S 為最小。