摘要:通过对元明粉蒸发设备现状的分析,指出使用中的循环管式蒸发器的缺陷，提出了有效的整改方案。另外，从理论上阐述了影响蒸发强度提高的因素（管内溶液沸腾的对流传热系数，污垢热阻），以及在生产中的对策与实施。

在许多化工生产中,都离不开蒸发这一过程,完成蒸发所需要的关键设备就是蒸发器。蒸发器的结构型式各不相同,按溶液在蒸发器中停留的情况,可分为循环型和单程型两大类。在目前的元明粉生产中,一般采用四效蒸发,其蒸发器结构型式有循环管式蒸发器和外热室蒸发器两种(都属于强制循环蒸发器) 。循环管式蒸发器结构示意图见图1 。

图1 　循环管式蒸发器 S-加热蒸汽;F-料液;V -二次蒸汽;A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸发完成液

1 、问题分析及整改方案

1.1 问题分析：由于循环管式蒸发器结构上的限制,如换A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸发完成液热管长度仅3m 左右、推进式叶轮的结构等因素,使得物料循环速度不大。这样管内易结垢,需经常洗罐,使蒸发器生产强度降低,最终影响产品的产量和质量。另外,设备的清洗和维修也不方便。所以这种蒸发器难以满足生产的要求。
1.2 整改方案：由于循环管式蒸发器存在以上缺陷,所以元明粉生产厂对其结构进行了部分改造。改造后的蒸发器结构示意图见图2 。这次改造主要是将循环管内的推进式叶轮改为外循环的卧式轴流泵, 增加了两部分循环管,去掉蒸发室上的传动部分。改后加大了电机功率,物料循环速度提高近1 倍。

图2 　改造后的Ⅰ效蒸发器 A-不凝汽;D -冷凝液;T-蒸发完成液

1.3 效果：由于加快了物料循环速度,延缓了污垢生成,增大了传热效果,减少了清洗次数,延长了操作周期, 使蒸发器生产强度有所提高。另外,改造前基本上是班班洗罐,现在,物料循环速度加快后,两个月不用洗罐。这样,一方面减轻了工人劳动强度,另一方面提高了蒸发器生产强度,降低了消耗。因此,目前许多元明粉生产中都将循环管式蒸发器改为外循环蒸发器。

2 　提高蒸发器生产强度的措施

在同样的设备、同样的消耗情况下,如果能提高蒸发器的生产强度,那么每t 产品消耗可相对降低, 企业效益可随之提高。

2.1 理论依据

蒸发器的生产强度U 是指单位传热面积上单位时间内所蒸发的水分量,即U = W/A 　kg/ (m2·h)
式中: W 为单位时间内所蒸发的水分量,kg/ h; A 为蒸发器的传热面积,㎡ 。

根据蒸发的物料衡算及焓衡算过程,有W=Q/ r ,而传热量Q= KAΔt ,故U= W/ A = Q/A ·r= KΔt/ r
式中: Q 为蒸发器的传热量,kJ/ h; r 为当温度为t时,二次蒸汽的蒸发热,kJ/ kg ; K 为蒸发器的总传热系数,kJ/ (m2 ·h·℃); Δt 为蒸发时的有效温度差, ℃。

由上式可以看出,对于一个选定的蒸发器,为提高其生产强度,应设法增大蒸发时的有效温度差Δt 和传热系数K 。

2.2 　因素分析

有效温度差Δt 除了和温度差损失有关外,主要还是取决于加热蒸汽的压力和冷凝器压力之差。但加热蒸汽压力的增加,常受工厂具体用汽条件的限制;冷凝器中真空度的提高,可使溶液的沸点降低,以加大温度差。但这样不仅增加了真空泵的功率消耗,且随着真空度的提高,溶液的沸点降低,粘度增大,也会对溶液的沸腾传热产生不利影响(导致沸腾对流传热系数下降) 。因此在元明粉蒸发中,有效温度差的增大是有限制的。

一般来说,增大总传热系数K 是提高蒸发器生产强度的主要途径。增大总传热系数K 的主要途径是减小各部分的热阻。
K = 1/ (1/ a1 + 1/ a2 + R W + R S)
式中: a1 为管间蒸汽冷凝的对流传热系数; a2 为管内溶液沸腾的对流传热系数; R W 为管壁热阻; R S 为污垢热阻。

一般情况下,管壁热阻R W很小,可忽略不计, 且蒸汽冷凝时的对流传热系数a1 比管内溶液沸腾时的对流传热系数a2 大很多,即a1>a2 , 有1/a1<1/a2 , 蒸汽冷凝热阻在总热阻中占比例很小,但要考虑加热室中不凝气的及时排除。比如,设计制造中尽量将适当数量的不凝气排放管靠近加热室筒体最上部,以随时排放不凝气。否则,冷凝传热系数急剧下降,其热阻将大大增加,使总传热系数下降。

2. 3 　实际措施

根据生产实际情况,想法提高管内溶液沸腾的对流传热系数a2 和减小污垢的形成,才是提高总传热系数K 的主要途径。
主要措施有以下几点:
(1) 加热室选取合适的换热管,使物料循环速度保持在215 m/s 以上,既可增大a2 , 又可延缓污垢的形成。
(2) 除去水硝中的Ca2 + 、Mg2+ ,从根本上除去污垢
的生成条件。
(3) 根据生产经验,采取中液位操作,
严禁低液位操作,防止污垢形成。
(4) 要保证真空度
达到工艺要求,并使真空压稳定,以维持各效蒸汽压力。各效温度及料液温度等稳定,以保证液位稳定。
(5) 若有污垢及时洗罐,使污垢热阻R S 为最小。