（林產化學加工工程專業(yè)論文）草漿黑液蒸發(fā)傳熱機理的研究與高效蒸發(fā)裝置的研制.pdf

恫簧 摘要 噴淋降膜蒸發(fā)技術，具有蒸發(fā)強度大，傳熱溫差小，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點，被 廣泛應用于海水淡化、海洋溫差發(fā)電、制冷工程、化學工程等領域。由于不同蒸 發(fā)工質物理及物理化學性質差異很大，各國科技人員就進一步完善其機理和設計 特征參數(shù)等基礎理論、以及基于該技術的新型蒸發(fā)器設計制造和應用等方面，正 在進行廣泛深入地研究。 草類原料制漿黑液的主要物化性能研究表明，其具有灰分( 硅) 、多糖( 戊糖) 含量高，粘度大等特點。在蒸發(fā)濃縮過程中，傳熱效能低，且易于結垢，常規(guī)蒸 發(fā)器難以經濟合理地運行?；谝陨锨闆r，本課題組開發(fā)設計出了新型臥式噴淋 降膜蒸發(fā)裝置。并在此裝置上進行了草漿黑液的濃縮新工藝和蒸發(fā)傳熱效能、機 理等研究，并進行了生產規(guī)模的應用試驗。結果證實：本裝置能夠實現(xiàn)高效空間 蒸發(fā)，具有蒸發(fā)強度大，傳熱系數(shù)高，不易結垢、且除垢容易等優(yōu)點。工業(yè)化生 產中對高粘度草漿黑液蒸發(fā)強度平均達到1 8 2 5k g m 2h ，比目前國內報道最高 值高出5 0 8 0 ，處于國際領先水平。 本文探討了不同工質、不同噴淋量、不同熱流密度、不同濃度等參數(shù)對沸騰 傳熱特性的影響。建立了液膜繞流圓管數(shù)學模型，采用層流和紊流兩種模型對臥 式噴淋降膜蒸發(fā)器內水平管外對流傳熱進行了數(shù)值計算，對管頂部的沖擊滯止區(qū) 和管側部的自由繞流區(qū)分別采用不同的坐標變換方法進行微分，并對計算結果和 本文實驗數(shù)據進行了比較，描述了臥式噴淋降膜蒸發(fā)裝置濃縮草漿黑液的傳熱機 理。 并且文中對草漿黑液易起泡、易結垢、粘度大、蒸發(fā)濃縮困難的原因進行了 探討，研制出適宜草漿黑液的除沫劑、除垢劑。研究確定了適宜的除垢周期。 關鍵詞：草漿黑液、臥式噴淋降膜蒸發(fā)裝置，傳熱，數(shù)學模型 h e a t - - t r a n s f e rm e c h a n i s mo fn o n - - w o o db l a c k l i q u o r e v a p o r a t i o na n dd e s i g n o f h i g h e f f i c i e n t e v a p o r a t i o n d e v i c e z h a n j n nw a n g ( c h e m i c a l p r o c e s s i n go f f o r e s t p r o d u c t s ) d i r e c t e d b yp r g u i g a nf a n g a b s t r a c t s i n c et h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sf o rt h es p r a y i n g f i l me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ， s u c ha sh i g h e re v a p o r a t i o ni n t e n s i t y , l o w e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c er e q u i r e db e t w e e n h e a tr e s o u r c ea n dw o r k i n gm a s s ，h i g h e rh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h i st e c h n o l o g yh a s b e e na p p l i e di nv a r i o u sf i e l d sa sd e s a l i n i z a t i o no f s e a - w a t e r , e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nb y t e m p e r a t u r e i n t e r v a lo f o c e a n ，c o o l i n ge n g i n e e r i n ga n dc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n d s oo n t h e p h y s i c a la n dp h y s i c c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w o r k i n g m a s sv a r i e ss i g n i f i c a n t l yi n d i f f e r e n tf i e l d s s c i e n t i s t sw o r l d 一、v i d eh a v eb e e nm a k i n gg r e a te f f o r t so nh e a t - t r a n s f e r m e c h a n i s m ，f u n d a m e n t a l t h e o r i e sa n d s p e c i f i c a t i o n d a t af o r d e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r i n go f h i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g y - s a v i n ge v a p o r a t i o nf a c i l i t i e s t h es t u d i e so nc h a r a c t e r i s t i c so fb l a c kl i q u o rf r o mn o n - w o o df i b e rc h e m i c a lp u l p i n g p r o c e s ss h o w t h a ts u c ht y p eo fb l a c kl i q u o rh a sh i g hc o n t e n to f a s h ( s i l i c a t e s ) ，p e n t o s e s a n dh i g hv i s c o s i t yw h i c hw i l li n f l u e n c eo nt h en o r m a le v a p o r a t i o no p e r a t i o n ，t h eh e a t t r a n s f e rc a p a c i t yo fn o nw o o d p u l p i n gb l a c kl i q u o ri sp o o ra n de a s yt of o r ms c a l e s a t p r e s e n t ，t h e r ea r en on o r m a le v a p o r a t i o ni n s t a l l a t i o n sc a nb eo p e r a t e de c o n o m i c a l l yi n m i l ls c a l e an e w t y p eo fe v a p o r a t o rw a sd e s i g n e da n di n s t a l l e db y u sb e t hi np i l o ts c a l e a n di n d u s t r i a l s c a l e b yu s i n go ft h e s en e wd e s i g n e de q u i p m e n t s ，h i g he f f i c i e n c y e v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，h e a tt r a n s f e re f f i c i e n c i e s ，m e c h a n i s mf o rc o n c e n t r a t i o no f n o n w o o db l a c kl i q u o rw e r ei n v e s t i g a t e d a n dt h em i l ls c a l et r i a l sw e r ec a r r i e do u tt o o i tw a s p r o v e dt h a t ，d u et op r e s e n t i n go f e f f e c t i v ee v a p o r a t i n gs p a c e ，t h en e w d e s i g n e d h o r i z o n t a l s p r a y i n g f i l me v a p o r a t o ra n dt e c h n o l o g yh a se x t r e m e l yh i g he v a p o r a t i n g c a p a c i t y , h i g hh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n tt oe a s yf o a m i n ga n ds c a l i n gw o r k i n gm a s sa s n o n w o o db l a c kl i q u o r t h ef o r m a t i o no fs e a l e so nt h ee v a p o r a t i o nt u b e - b u n d i e sw a s n o te a s y ，i fs o m es c a l e sf o r m e dw h i c hw a se a s i l yt ob er e m o v e d t h em e a no f e v a p o r a t i o ni n t e n s i t yf o rb l a c kl i q u o r ( f r o mw h e a ts t r a wp u l p i n gp r o c e s s ) c o u l dr e a c h u pt o 18 2 5 k g m 2 h ，w h i c hw a s5 0 m o r et h a nt h em a x i m u mv a l u eo fr e p o r t e d e v a p o r a t o r si nc h i n a t h i st e c h n o l o g yh a sb e e n r a n k e da st h ep i o n e e ri nt h ew o r l d e f f e c t so f e v a p o r a t i o na n dh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yo f t h i st y p eo f e v a p o r a t o rw e r e c o m p a r e dw i t hd i f f e r e n to p e r a t i o ns p e c i f i c a t i o n s ( s u c ha s l i q u i ds p r a y i n gr a t e ，h e a t f l u x ，o u t l e tv a p o rv e l o c i t y a n ds o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ) t h e h e a tt r a n s f o r 1 i p e r f o r m a n c eo f h o r i z o n t a lt u b es p r a y i n g - - f i l me v a p o r a t i o nw i t hw a t e r ，s t r a wp u l p i n g b l a c kl i q u o r so fb o t hs f p - a qp r o c e s sa n ds o d ap r o c e s sr e s p e c t i v e l ya s a c t u a t i n g m e d i u m l a m i n a rf l o wm a t h m o d e lw a se s t a b l i s h e d ，f o r c e dc o n v e c t i v es e n s i b l eh e a t t r a n s f e ro fs u b c o o l e df a l l i n gl i q u o ro nt h eh o r i z o n t a lh e a t e dt u b ei ss t u d i e db u s i n g n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f f l o wc o n d i t i o n sa n d t u b ed i a m e t e nt h en u m e r i c a la n a l y s i ss h o w st h a tn u s s e l tn u m b e ri sg o v e r n e db yt h e t h r e ev a i l a b l e s ：f i l mr e y n o l d sn u m b e r , p r a n t a ln u m b e ra n da r c h i m e d e sn u m b e r t h e c a l c u l a t i o na d o p t sal a m i n a rf l o wm a t h m o d e la n dd i v i d e st h ef i l mf l o wz o n ei n t ot w o c a l c u l a t i n gz o n e s ，o n ei st h ef l o ws t a g n a t i o nz o n ei nw h i c h t h eg o e r t l e rc h a n g em e t h o d i su s e d t h eo t h e ri st h ef r e ef i l mf l o wz o n ei nw h i c ht h ef r e ef l o wb o u n d a r yc o n d i t i o n s a r ec h a n g e dt ot h em i x e db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，b yt h en u m e r i c a la n a l y t i c a lr e s u l t s a s i m p l et h e o r e t i c a le q u a t i o n i sp r o p o s e da n di ta g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a b e s i d e s ，s e l e c t i o no fd e f o a m i n g a g e n t ，d e s c a l i n g - a g e n ta n dp e r i o do fd e s c a l i n g a l e e x p l o r e di nt h ep r o c e s so fc o n c e n t r a t i n gs t r a wp u l p i n gb l a c kl i q u o r i t w o u l dh e l pt o p r e v e n t t h e e v a p o r a t e dl i q u o r f r o m s c a l i n g o nt h es u r f a c eo fh e a t t r a n s f e r r i n g t u b e - b u n d l e s t h eo p e r a t i n gt i m eo ft h es y s t e mc a l ll a s tl o n g e ra n dt h ee v a p o r a t i n g i n t e n s i t yo re m c i e n e y a sw e l la sh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n tw o u l db ee n h a n c e d ，p r o v i d i n g e x t r e m e l yh i 曲i n t e n s i v ee v a p o r a t i o n f o rf o a m i n ga n d e a s y s c a l i n gl i q u o r s w i t h s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sh i g h e rv i s c o s i t ya n dc r y s t a l l i z i n g k e y w o r d s ：s t r a wp u l p i n gb l a c kl i q u o rrh o r i z o n t a lt y p ee v a p o r a t o rw i t hs p r a y i n g a n df i l me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，h e a tt r a n s f e r , m a t h - m o d e l i i i 第一章緒論 1 1 研究背景及意義 蒸發(fā)是重要的化工單元操作之一，蒸發(fā)過程需要消耗大量的能量，隨著工業(yè) 生產規(guī)模的日益擴大，用蒸發(fā)方法所需的熱能也將不斷增加，而熱能價格卻逐漸 上漲，因此，世界各國對蒸發(fā)節(jié)能都很重視，紛紛通過改進蒸發(fā)器的結構，創(chuàng)制 新型的高效蒸發(fā)器。由此可見，研究蒸發(fā)的用能過程、探討節(jié)能的最佳方案，提 高熱能利用率，已成為當今世界上一個非常重要的研究課題。 與此同時，世界造紙工業(yè)面臨的一個重要問題就是環(huán)境污染。由于我國森林 資源較少，所以在相當長的時間內我國造紙生產的原料要以非木材纖維為主“1 。小 麥是中國的主要糧食作物之一，以麥草為造紙原料有著悠久的歷史，數(shù)以千計的 草漿廠遍布全國，這是我國造紙工業(yè)的一大特點。但是，麥草漿生產廢水的治理 顯得最為困難，突出的癥結表現(xiàn)為蒸發(fā)裝置無法向堿回收堿爐穩(wěn)定提供足夠的濃 黑液，因而蒸發(fā)工段成為堿回收的瓶頸。這是由于草漿黑液的組成和物化性能與 木漿黑液存在明顯差異。主要表現(xiàn)在s i 吼含量為木漿的1 0 多倍，粘度同樣高出1 0 多倍，固形物中木素的含量較低和發(fā)熱量低等。這些特性對工業(yè)生產帶來非常大 的困難。如由于粘度大，硅、細小纖維、雜細胞和聚糖類物質含量高，蒸發(fā)時易 結垢造成蒸發(fā)性能極差，由于含有大量的脂肪酸皂，蒸發(fā)時易形成大量泡沫從而 影響蒸發(fā)效率和蒸發(fā)操作，難以濃縮到高的含固量等。因而改善草漿黑液蒸發(fā)濃 縮的運行效果，對于保護環(huán)境和促進我國非木材纖維制漿的健康發(fā)展，都具有重 要的意義o 。 當前國內公認堿法麥草漿廠上堿回收是治污達標的首選措旌“。從廣義來說， 堿回收包括提取、蒸發(fā)濃縮、燃燒( 回收熱能) 、苛化( 回收堿液) 四個工序。 我國部分紙漿廠在蒸煮過程中將木素變?yōu)槟舅鼗撬猁}，將含有木素磺酸鹽的 黑液通過蒸發(fā)變?yōu)闈庖汉?，采用噴霧干燥工序制取具有一定經濟價值的木素磺酸 鹽干粉“7 ?！啊＿@種處理，同樣不對外排放污染物，實現(xiàn)零排放。此路線的工序包 括提取、蒸發(fā)和干燥。蒸發(fā)亦屬關鍵工序之一。 2 0 0 1 年我國紙和紙板產量為3 2 0 0 萬噸，居世界第二位，僅列美國之后。同 年我國紙張消費量達3 6 8 3 萬噸，其中進口紙漿、廢紙、紙和紙板及紙制品耗用外 匯6 0 多億美元，預測到2 0 1 0 年紙張消費將達l 億噸年，其進口紙漿耗用外匯額 驚人“?？陀^上要求我國必須發(fā)展利用耿之不盡的再生資源為原料的草漿造紙工 業(yè)。而草漿造紙工業(yè)越發(fā)展，污染越嚴重，又危及國計民生。 國家為了保護環(huán)境和自然資源、防治污染和其他公害，先后頒布了環(huán)境保 護法，水污染防治法，關于加強環(huán)境保護若干問題的決定及關于防治造 紙行業(yè)水污染的規(guī)定等法律、法規(guī)及規(guī)章。并于1 9 9 7 年年底、1 9 9 8 年年底和 1 9 9 9 年6 月分別對淮河流域、太湖地區(qū)和長江流域不達標排放的造紙廠實行了關 閉。其結果，1 9 9 6 年年底全國就關閉4 0 0 0 余家年產量5 0 0 0 噸以下的造紙廠，目 前尚存的1 1 0 0 余家萬噸以上產量的草漿企業(yè)也面臨關閉的命運。這些企業(yè)的關閉 將給個人乃至社會帶來另一范疇的問題。以江蘇省為鍘，全省年產萬噸以上孽漿 紙廠2 0 家，其中蘇北1 8 家，蘇南2 家，年產值7 億多元，有1 5 萬多職工。若 全部關閎，除地區(qū)經躋受到影響外，還涉及到6 萬人的生括，給社會安定將會帶 來嚴重的影響。若推論到全國千余家萬噸廠，產值3 0 0 億，2 5 0 萬人生活，這絕非 小事。 為此，新建草漿廠要求解決污染，已建的草漿廠也要解決污染。這就為治污 技術和裝備提供了廣闊的產業(yè)化前景。目前我國尚未達標排放廢液的草漿企業(yè)， 萬噸以上的有一千余家這就提供了極為廣闊的國內市場1 。 在國外，為了提高蒸發(fā)過程的傳熱性能和降低蒸發(fā)的能耗，美國在海水淡化“ “”1 、制冷工程“”和化學工程“6 1 等方面已經使用了水平管式噴游降膜蒸發(fā)器，其與 常用的立式列臀薄膜蒸發(fā)器相比具有如下突出的優(yōu)點：在低噴淋密度和低傳熱溫 差下具有很商的傳熱速率。1 9 6 2 1 9 8 8 年間，美國a q u a c h e m 公司開發(fā)和研制了 用于木漿廢液濃縮的“水平管式噴淋降膜蒸發(fā)器”“1 ，其性能遠優(yōu)于目前我國 造紙工業(yè)用的包括板式蒸發(fā)器在內各類蒸發(fā)器。但在草漿廢液蒸發(fā)方面未見報道。 開展臥式噴淋降膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液傳熱機理的研究，進一步提高蒸發(fā) 設備及蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液的效率，減少能量在傳遞過程中的不可逆損失，更 合理地和更有效地利用能量，使蒸發(fā)設備在較低的溫差下具有較贏的總傳熱系數(shù)， 利用較少的傳熱面積完成較大的傳熱量，并具有較好的抗污垢能力。草漿黑液的 蒸發(fā)濃縮又不同于其它溶液，由于其獨特的性質，其蒸發(fā)濃縮過程更為復雜，文 獻對草漿黑液蒸發(fā)濃縮研究報道幾乎為零“，特別在當前情況下，新建草漿廠要 解決污染，已建的草漿廠也要解決污染。而國內外對草漿黑液蒸發(fā)濃縮至今尚無 2 弟一早蚤卣化 一套成熟的技術設備。因此，研究臥式噴淋降膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液的傳熱機 理是本文的主要內容。 1 2 傳熱的研究、草漿黑液蒸發(fā)器研發(fā)及應用現(xiàn)狀 1 2 1 關于傳熱研究的新進展 七十年代的世界能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發(fā)展，為了節(jié)省能 耗，提高工業(yè)生產經濟效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設 備”。目前世界上每年發(fā)表的有關傳熱及換熱及換熱設備方面的文獻約在六千篇 以上。”，有關傳熱及換熱設備的研究與開發(fā)成為人們關注的重點課題，研究的重 點是傳熱機理、傳熱強化、兩相流、振動、結垢與除垢以及與能源利用和環(huán)境保 護有關的新型高效換熱設備。 研究傳熱的目的是為了進一步提高換熱設備的換熱效率，即提高其傳熱性能。 其主要方法歸結為下述兩個原理：使溫度邊界層減薄和調換傳熱面附近的流體。 前者采用各種間斷翅片結構，后者則采用泡核沸騰傳熱?！?。人們想盡各種辦法實 施高效傳熱，歸結起來不外乎兩條途徑，即改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳 熱流路徑內設置各種形狀的湍流增進器或插入物。3 。2 “2 ”。 改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無相變高效傳熱的有：橫槽管、螺 旋槽管( s 管) 和縮放管。新近又開發(fā)出偏置折邊翅片管( 一種間斷翅片管) 和螺 旋扁管，后者也叫麻花管( t w i s t e dt u b e ) ，這原是瑞士的al l a r e s 公司技術， 后經布朗公司改進，是一種高效換熱元件“。用于有相變強化傳熱的強化沸騰傳 熱管有：燒結多孑l 表面管、機械加工的多孔表面管( 如日本的t h e m o e x c e l e 管) 、 電腐蝕加工的多孔表面管”1 、t 型翅片管。 流路湍流增進器是在傳熱面附近設置一個小物體( 不一定與傳熱面相連) ，它 可以是各種形狀和型式，最常見的是在傳熱面上等距離設置突起物，通過攪亂流 動來達到高效傳熱的目的o “。管內插入物有( 如圖1 1 ) ：紐帶( t u r b u l a t o r s ) 、 螺旋片、螺旋線圈( s p i r e t ee l e m e n t s ) 和靜態(tài)混合器( k e n i c sm i x e r s ) 。它們 適合于強化管內單相流體傳熱，尤其對強化氣體、低雷諾數(shù)或高粘度流體傳熱更 為有效。，最近，國外又開發(fā)出一種金屬絲制翅片管子插入物( w i r e - f i nt u b e i n s e r t s ) ，能增強湍流，改善傳熱性能，它是英國c a lg a r i nl t d 公司的產品， 并取得了專利權。 諺命參 圖l l 換熱管管內插入物 f i g l 一1s c h e m a t i c o f i n s e r t si nh e a t t r a n s f e rt u b e s 以上各種強化傳熱的手段中，現(xiàn)實而又最為有效的辦法是采用各種類型的強 化傳熱表面，強化管內或管外流體的湍流，進而提高過程的總傳熱系數(shù)，即實現(xiàn) 高效蒸發(fā)。 1 2 2 制漿黑液蒸發(fā)器的研發(fā)及應用現(xiàn)狀“” 黑液蒸發(fā)器作為制漿黑液處理的關鍵設備之一，其研發(fā)和應用受到造紙界的 普遍關注。世界各國政府都對黑液蒸發(fā)器的研發(fā)和應用給予了大力的支持。例如： 我們現(xiàn)在進行的“臥式噴淋降膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液裝置”的研發(fā)就受到了中 國林業(yè)科學研究院、江蘇省科委、國家科技部等單位的高度重視，他們在小試、 試驗、產業(yè)化生產的各個階段繪予了資金的的支持。 從世界范圍來看，制漿造紙原料中木材比率為9 3 ，主要采用堿回收方法治理 黑液。過去的十年，降膜蒸發(fā)器統(tǒng)治了市場，再看前十年，升膜或u v ( 垂直式長 管) 的蒸發(fā)器型式是最普遍的。幾年前蒸發(fā)器最終產品的固體量以約6 4 ( 木漿) 左右作為設計目標，今天以7 5 或更高一些固形物含量，在回收爐中燃燒會很大程 度地減少二氧化硫和總還原硫( t q s ) 的散失，并增加熱效率。但是氮氧化物( n o 。) 和粉塵損失略大一些。 我國黑液蒸發(fā)器的研發(fā)及應用情況：自七十年代以來，在全國年產萬噸以上 規(guī)模的1 1 0 0 多家草漿企業(yè)中，上堿回收工程的已有數(shù)十家，至今僅有1 2 家維持 運轉。濃縮黑液裝置主要采用升降膜列管式蒸發(fā)器或板式和歹l j 管式混合使用蒸發(fā) 裝置。運行結果是堿回收能力差，回收效率低( 在6 0 左右) ，加上運轉不正常， 技術經濟過不了關，設備因而停止運行的較多。造成這一結果的其中一個重要原 因是由于存在極易起泡和結垢堵塞等諸多問題，致使蒸發(fā)強度過低( 一般平均為 2 5k g m 2 h ) 和蒸發(fā)操作不正常。 板式蒸發(fā)器的研發(fā)和在黑液蒸發(fā)濃縮上的應用是當今國際上的一項先進技術 ”，但它是針對木漿黑液而研制的。1 9 8 9 年我國對此項先進技術設備進行消化吸 收，現(xiàn)已經在造紙廠應用，但從運行情況來看，結果都不太理想。例如山東華泰 紙業(yè)股份有限公司，山東銀河紙業(yè)公司，板式蒸發(fā)器運行不到三年就需更換，這 是因為該裝置對草漿廢液蒸發(fā)存在三個致命弱點：一是結垢周期短。結垢后，垢 層存在高達十幾米極窄縫隙的板面上，難以清洗。日久后，結垢愈加嚴重，大大 降低傳熱效率，最終致使蒸發(fā)強度大幅下降。二是板式蒸發(fā)器具有不可修復性的 特點，一旦出現(xiàn)泄露將無法修理，只能更換。另一個弱點是造價高。平均1 4 0 0 元 m 2 ，此單價比列管式高4 0 以上。另外高達十幾米蒸發(fā)板，送液泵揚程要求更高， 泵送的電耗因而大為增加。 目前市場上黑液蒸發(fā)器的供應除了板式蒸發(fā)器外，其他廠商都用管子構成熱 傳導面積，都使用降膜技術( f f ) ，有的公司提供一種f f 和r f ( 升膜) 的混合設 計，后幾效用于低固形物濃度，有的公司供應具有強制循環(huán)( f c ) 結晶器( 增濃 器) ，而其余的蒸發(fā)器是降膜式( f f ) 的。 蒸發(fā)器的型式，在六、七十年代，最普遍的蒸發(fā)器型式是自然循環(huán)r f 或l t v ， 它能夠產生的最高固體濃度約為5 5 ，到八十年代產品固形物濃度上升到7 0 ，l t v 蒸發(fā)器或p f r 增濃器受到冷遇，它們逐漸被完整的f f 系列或f c 結晶器和f f 所代 替。 1 9 8 8 年國外某公司開發(fā)成功專用于木漿黑液濃縮的“水平管式噴淋薄膜蒸發(fā) 器”，其性能遠優(yōu)于目前我國造紙工業(yè)用的包括板式蒸發(fā)器在內各類蒸發(fā)器。九十 年代，廣州造紙廠、吉林圖們造紙廠等先后從美國引進了這種蒸發(fā)器，經過十余 年運行情況來看，其主要優(yōu)點是傳熱系數(shù)高、溫度損失低、溶液分布均勻，便于 除垢和維修，是目前世界上用于黑液蒸發(fā)濃縮的較為先進的蒸發(fā)器，但它目前也 只是用在木漿黑液的蒸發(fā)濃縮。在草漿蒸發(fā)方面未見應用報道。在國內外，對草 漿廠黑液濃縮至今尚無一套成熟的技術設備。 1 2 3 臥式噴淋薄膜蒸發(fā)器的研發(fā)現(xiàn)狀 臥式噴淋降膜蒸發(fā)器是美國a q u a c h e m 公司首先開發(fā)研制的，迄今也不過三 十多年，現(xiàn)在，它己在海水淡化、海洋溫差發(fā)電、制冷工程、化學工程、造紙黑 液濃縮等方面得到應用，目前各國仍在繼續(xù)研究中，以探討其機理并擴大其應用 范圍。這種蒸發(fā)器最重要的特點是在結垢條件下仍具有可靠的操作能力，早先開 發(fā)時就是應用于結垢嚴重的溶液蒸發(fā)的。由于這種蒸發(fā)器在很多方面優(yōu)于于 膜式 和降膜式蒸發(fā)器，因而近年來對該種型式蒸發(fā)器的研究報道日益增多，但國內真 正用于實際生產的研究成果尚未見報道。 臥式噴淋降膜蒸發(fā)器主要性能優(yōu)點是傳熱系數(shù)高、溫度損失低、溶液分布均 勻。據文獻報道m(xù) 3 ，它比傳統(tǒng)的浸沒式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)高3 5 倍，比垂直管降 膜蒸發(fā)器高1 倍左右。這些優(yōu)點可以使蒸發(fā)器在較低的溫差下操作，從而可以利 用低品位熱源，有利于多效蒸發(fā)和熱泵操作，而節(jié)省能量。 f 并附與忭 i 二i 女蘸g 面1 _ * a 睪 m 口 圖卜2 臥式噴淋薄膜蒸發(fā)器結構簡圖 f i g l - 2s c h e m a t i c o f h o r i z o n t a ls p r a y i n g - - f i l me v a p o r a t o r 臥式噴淋薄膜蒸發(fā)器主要結構特點?！埃? 具有所有降膜蒸發(fā)器的優(yōu)點；2 黑 液噴嘴孔大，不易堵塞，噴液量大，噴淋均勻，噴淋于管外表面，保證所有管表 面濕潤，較高的噴液量減緩了結垢和阻止了垢的增長，在清洗中，噴淋作用有利 于清洗去除垢層；3 結構獨特，便于維修，換熱管矩形排列，管內外清洗方便， 既可以用高壓水槍或機械清洗，也可以用化學試劑清洗；4 采用空間蒸發(fā)，減少 了霧沫夾帶和管側結垢。如圖1 2 。 由于臥式噴淋薄膜蒸發(fā)器在性能和結構上的優(yōu)勢，它己被許多國家的廠商所 認同，就連造紙設備比較先進的芬蘭也開始引進該蒸發(fā)器。我國是九十年代首次 引進該蒸發(fā)器，到目前為止已有四家造紙廠引進了該設備，從運行情況來看都非 常成功。 我所于1 9 9 6 年開始對從美國a q u a c h e m 公司引進的水平管式噴淋蒸發(fā)設備及 技術進行消化吸收工作o ”，立題研究。 1 3 本課題主要研究內容 1 3 1 基礎實驗研究及臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)的研制 基礎實驗主要是針對草漿廢液的特點，分別利用水、草漿黑液作為工質，研 究影響臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)的因素及規(guī)律，這些因素包括管子材料、直徑大小、 管束中管子的排列方式及間距、操作壓力、噴淋量和熱流密度，為臥式噴淋薄膜 蒸發(fā)系統(tǒng)的研制提供必要的參數(shù)。 1 3 2 蒸發(fā)過程中傳熱效率的研究 1 以層流流動模型為基礎，考慮到液膜流動的具體情況，建立管束換熱的組合模 型。 2 用數(shù)值計算方法對臥式噴淋薄膜蒸發(fā)器的換熱管外垂下液膜的強制對流顯熱 傳熱機理進行研究。 j 柙一羊 u 1 、? 坩t(yī) 1 奇狀黑以一糾l n k h 牛水赤他日_ 戈赴w i l 第二章臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液的基礎實驗研究 基礎實驗主要是針對草漿廢液的特點，分別利用水、草漿黑液作為工質，研 究影響臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)的因素及規(guī)律，這些因素包括管子材料、直徑大小、 管束中管子韻排列方式及間距、操作壓力、噴淋量和熱流密度，為臥式噴淋薄膜 蒸發(fā)系統(tǒng)的研制提供必要的參數(shù)。 針對草漿廢液蒸發(fā)濃縮選擇適宜的消泡劑。 2 1 問題的提出 進入九十年代，隨著我國經濟發(fā)展的不斷強大和綜合國力的不斷提高，保護 環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展之路開始被我國政府所重視，同時國家對環(huán)保的投入也在逐 年增加。而我國造紙黑液的污染又是江河等流域的主要污染源。針對造紙行業(yè)的 嚴重污染，國務院以國發(fā) 9 6 3 l 號文頒發(fā)了關于加強環(huán)境保護若干問題的決定， 明確規(guī)定至1 9 9 6 年9 月3 1 日前取締年產5 0 0 0 噸以下的小造紙廠，至2 0 0 0 年全 國所有工業(yè)企業(yè)達標排放目標。因此，國內各造紙廠，特別是大型造紙廠，開始 世界范圍尋求先進的黑液處理技術方案。而目前，國外對于木材制漿廢水處理已 有較成熟的方法，而對革漿廢水處理還沒有好的方法，1 9 8 6 年在杭州召開的“非 木材纖維制漿及造紙環(huán)境影響國際研討會”曾專題討論了這個問題，許多發(fā)展中 國家大多數(shù)是以草類制漿造紙，廢水中會有大量有機物及懸浮體，嚴重污染農田， 至今尚無有效的治理方法。1 9 9 9 年國家環(huán)?？偩痔氐鼐筒轁{黑液的治理發(fā)下2 7 3 號文，并附草漿造紙工業(yè)廢水污染防治技術說明，說明中提到五種草漿黑液治 理方案，其中有三種用到蒸發(fā)，說明中也提到了草漿黑液蒸發(fā)的困難性，最好的 平均蒸發(fā)強度為9 5 k g m 2 h 。因此，運行費用相應很高，影響了造紙廠黑液處理 的積極性。 針對以上情況，我所于1 9 9 6 年開始結合木材制漿廢水處理已有的較成熟的方 法和消化吸收從美國a q u a - c h e m 公司引進的水平管式噴淋薄膜蒸發(fā)設備及技術， 研制適合草漿黑液的臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)。 2 2 實驗系統(tǒng)及裝置 8 一、l i ”“m 、，m 十m 女f l x a 0 * w 1 九 9 小試蒸發(fā)器和實驗系統(tǒng)幾經改進最終確定為如圖2 1 所示。 m g t “ 镕 碴女 j 翥 幕 母k咀 * ! 口 一 “ -# * i - 、j 寢_ * 圈一 0 丑 ! 蟛 t 瞇j 蓋 * d m * 一早叫兒樸料朕慫m 璣似舢早救女散h _ 頭越計九 本實驗裝置具有如下功能： 1 進行水平管束池沸騰傳熱性能實驗； 2 進行臥式噴淋薄膜蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮草漿黑液實驗； 3 適用于草漿黑液的消泡劑的研究和應用 4 可定期除垢。 2 2 i 實驗系統(tǒng)說明： 實驗工質從貯槽2 經循環(huán)泵1 、流量計3 進入蒸發(fā)器5 ，物料經過分布器8 形 成較規(guī)則的物流后，在換熱管表面形成一層均勻的液膜。液膜從上至下流經各層 換熱管，吸收了熱量而逐漸汽化。未汽化的物料由循環(huán)泵1 不斷進行循環(huán)操作。 汽化產生的蒸汽在冷凝器1 0 中被冷凝，冷凝液經過計量槽1 l 收集到貯槽1 2 。全 過程均在真空狀態(tài)下操作，真空系統(tǒng)由真空泵1 3 來實現(xiàn)。 2 3 實驗材料和方法 2 3 1 工質 1 草漿廢液：2 水。 2 3 2 實驗設備( 見表2 1 ) 表2 一l ：實驗設備清單 t a b l e 2 1l i s to ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 序號設備名稱規(guī)格參數(shù)材料數(shù)量備注 1循環(huán)泵 2 5 m 3 hq 2 3 5 a1 2 貯槽 0 1 9 m 3q 2 3 5 a1 3轉子流量計4 0 l l m i f lq 2 3 5 a1 4蒸發(fā)器 0 0 7 9 9 m 2 ，3 k wq 2 3 5 a 1 電加熱 5調溫器0 3 8 0 vq 2 3 5 a4 6消泡劑罐o 0 1q 2 3 5 a1 7冷凝器0 0 3 8 m 2q 2 3 5 a3 8冷凝液計量槽0 0 5 m 3q 2 3 5 al 9冷凝液貯槽0 i m 3q 2 3 5 al l o真空泵 4 l s ，0 5 5 k wq 2 3 5 a12 x 一4 a l o m 一早葉“州、懈膚* m o c m 湘早永 似日j 頭掘砌r 九 2 4 實驗方法及數(shù)據處理 為了使實驗簡捷且能獲得較為精確的數(shù)據，實驗加熱管接有調壓器，熱流量 模仿管中通蒸汽的加熱條件，加熱總功率由供電電壓和電流直接相乘獲得： q = i v ( 2 1 ) u j 一 圖2 3 熱電偶布置圈 f i 9 2 3s c h e m a t i co f d i s p o s a la b o u tt h e r m o c o u p l e o nt h eh e a t - t r a n s f e rt u b e s 電壓v 由電壓表測量，電流i 由互感器引入電流表直接讀出。考慮到作為導 線的銅絲及實驗本身的散熱損失，故引入實驗熱效率n ，實驗有效加熱功率為： o = 叩q = 彬y ( 2 2 ) 經標定，實驗熱效率玎= 9 5 9 7 。 實驗之所以選用電加熱管是因為它能提供比蒸汽加熱更為穩(wěn)定、連貫的參數(shù)。 因為穩(wěn)定的蒸汽膜狀冷凝不可能在整個管子內表面存在，蒸汽冷凝是以任意方式 進行，即不完全成膜狀也不完全是自然的液滴，還發(fā)現(xiàn)每天蒸汽的化學成分及管 表面的細微變化都會改變蒸汽的冷凝過程?！?，因此，用蒸汽加熱不可能獲得一個 精確的熱流量，但是用電加熱可以根據精確的電能測量值獲得精確的熱流量值。 購買的換熱管表面精度達到0 4 o 8 u m 。正式實驗前，首先預熱工質，當其 溫度接近該壓力下的飽和溫度后開始實驗，每種工質其熱流密度由低逐漸升高， 分別測得三組數(shù)據( 電壓1 7 0 v 、2 0 0 v 、2 2 0 v 條件下) ，蒸發(fā)器內壓力和溫度不再 變化時開始記錄。實驗工質分別選用了水( a ) 、麥草s f p a q 法制漿廢液( b ) 和 麥草燒堿法制漿廢液( c ) 。每個穩(wěn)定工況都連續(xù)記錄六次數(shù)據。 在消泡劑種類中選擇四種進行試驗，當蒸發(fā)器蒸汽出口有泡沫出現(xiàn)時，立即 1 2 印一早 正l ? 弛r 小j 守捷娥衛(wèi)a i 二j l t 譙日1 t l 求齋 嵌剛：失粗叫t 九 加入消泡劑。記錄每種消泡劑的用量和效果。 每次蒸發(fā)一個周期后都要對換熱管仔細檢查，觀察結垢情況，換熱管表面垢層 約l m m 厚時，就立即開始除垢，記錄每次除垢間隔的時間。 關于實驗數(shù)據的處理，先將每個工況對應的六組數(shù)據進行算術平均，外壁有 熱電偶直接測得，液體飽和溫度由溫度計直接讀出，則壁面過熱度可由下式表示： a t = 巧一瓦 ( 2 3 ) 在研究測量管的局部換熱特性時，t 。為各測點的局部外壁溫( 上、下、左、右) ； 在研究整個管子的平均換熱特性時，t ，為各測點的平均值。 如果忽略由于管束中各排管子壁溫不同所造成的電阻率差異，可認為熱流密 度在整個管束中是均勻分布的，受i j 管束的平均熱流密度： q n - dol o ( 2 4 ) e 一管束的平均熱流密度( k w m 2 ) ，q 一總熱負荷( k w ) ，n 為管柬中加熱管子數(shù)目，d 0 一 加熱管子直徑，l o - 加熱管子的長度。 換熱系數(shù)h 的計算式為： ee = = a t 碭一l 2 七一換熱系數(shù)( k w m 2 k ) ，a t 傳熱溫差( k ) ，e 一管束的平均熱流密度( k w m 2 ) 操作參數(shù)如下： 真空度：0 0 3 0 0 7 m p a ( 絕壓) 熱流密度：q = 0 5 0 k w m 2 物料流量：g = o 9 6 5 k g m 2 s 2 5 實驗結果及其分析 2 5 1 工質的影響 許多文獻報道過?！啊薄啊?，不同的制漿原料和不同的制漿方法對廢液的化學組 身7 一早 ij ? 兒r 什1 奇n 托緋，x 勻 習l n k a h l p 水熹似1 1 3 ：六撾訓j ，u 成影響極大。麥草廢液中$ i 0 ：的含量為紅松黑液的1 6 6 倍，其粘度為紅松的1 7 倍。采用麥草亞硫酸鈉一甲醛一葸醌( s f p a q ) 法比采用燒堿法制漿廢液的含硅量 少，粘度也降低。s f p a q 法廢液的p h 值在7 8 ( 呈中性) ，麥草中大量的s i o ：在 中性蒸煮條件下不易溶解，大量的硅仍然留在紙漿中，廢液的含硅量只有0 1 5 9 l ， 除硅率達到9 6 。在“七五”科技攻關項目“堿法草漿黑液除硅生產試驗”中， 測定除硅后廢液中s i o ：含量從3 3 0 9 l 下降到o 3 7 9 l ，或從4 0 6 9 l 下降到 0 3 8 9 l ，基本達到或接近某些木漿黑液的含硅量1 ，硅的去除率達9 0 左右。堿 式亞鈉法制漿廢液的除硅率也達到8 0 。燒堿法制漿廢液p h 值在1 l 以上，s j o ， 在堿性條件下溶解性能較好，因而燒堿法制漿廢液中的硅含量高，造成黑液粘度 大，易結垢。 鑒于上述狀況，選用比較典型的水( a ) 、麥革s f p a q 法制漿廢液( b ) 和麥 草燒堿法制漿廢液( c ) 作工質進行試驗。試驗結果表明，在相同的噴淋量、溫度 差和操作周期的條件下，從產生結垢多到少的排列順序為：c b a ，與許多文獻 報