影響降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的因素分析

王晶晶;趙利民;吳長(zhǎng)安;廖昌建;馬和旭【摘要】降膜蒸發(fā)器是一種高效并被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備。介紹了蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算邏輯及數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了系統(tǒng)壓力、單管液體流量、強(qiáng)制循環(huán)量以及管徑管長(zhǎng)對(duì)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析和比較，得出系統(tǒng)壓力是影響蒸發(fā)器規(guī)模的主要因素。提高系統(tǒng)壓力可大幅度降低蒸發(fā)器規(guī)模，降低投資成本。在保證蒸發(fā)器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強(qiáng)制循環(huán)比可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。%Fallingfilmevaporatorisaneffectiveandwidelyusedkeyequipment.Inthispaper,designcalculationlogicandmathematicalmodeoftheevaporatorwereintroduced.Theinfluenceofthesystempressure,singletubeliquidflow,forcedcirculationquantity,pipediameterandlengthonevaporatordesignwascalculated,andtheresultswereanalyzedandcompared.Theresultsshowthatthesystempressureisthemainfactorsinfluencingthesizeofevaporator.Toimprovethesystempressurecansignificantlyreducetheevaporatorsizeandreducetheinvestmentcost.Underthepremiseoflowliquidflowinevaporator,tochooselowsinglepipeliquidflowrateandlargerforcedcirculationratiocanimprovethestabilityofthesystemperformance.【期刊名稱】《當(dāng)代化工》【年(卷)，期】2016(045)012【總頁數(shù)】3頁(P2834-2836)【關(guān)鍵詞】降膜;蒸發(fā)器;傳熱;蒸發(fā)面積【作者】王晶晶;趙利民;吳長(zhǎng)安;廖昌建;馬和旭【作者單位】中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001;中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001;中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001;中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001;中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001【正文語種】中文【中圖分類】TQ53.6立式降膜蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)高、壓降小、傳熱溫差損失小、對(duì)熱敏性物料不會(huì)引起降解，不易結(jié)垢、內(nèi)滯液量少等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、化纖、食品加工、醫(yī)藥、海水淡化、污水處理、冶金等行業(yè)［1-4］。近年來，國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)日趨嚴(yán)格，廢水〃零排放”成為越來越多企業(yè)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。MVR蒸發(fā)作為一種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于蒸發(fā)過程是國(guó)外廣泛應(yīng)用的，近年來在國(guó)內(nèi)也越來越多地應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域［5-7】。降膜蒸發(fā)器作為MVR系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接決定著蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)效率以及設(shè)備的投資成本。本文以某石化企業(yè)廢水為處理對(duì)象，對(duì)降膜蒸發(fā)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)（蒸發(fā)面積和壓降）產(chǎn)生影響的相關(guān)因素進(jìn)行了分析討論。1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介某煤化工廢水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)立式降膜蒸發(fā)器-強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)濃縮工藝流程如圖1所示。首先未濃縮廢水與濃縮循環(huán)廢水一起進(jìn)入降膜蒸發(fā)器，經(jīng)蒸發(fā)器分布系統(tǒng)均勻分配至每根蒸發(fā)管內(nèi)部，同時(shí)經(jīng)水蒸汽壓縮機(jī)壓縮提質(zhì)的水蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)管的殼側(cè)，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后的氣液混合物進(jìn)入氣液分離器，二次蒸汽進(jìn)入水蒸氣壓縮機(jī)壓縮提質(zhì)作為蒸發(fā)熱源，部分濃縮液與未濃縮廢水混合重新進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)。1.2數(shù)學(xué)模型的建立系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中，不可避免地存在著一些非穩(wěn)定因素的影響，為了便于計(jì)算做了一些假設(shè)：（1）假設(shè)系統(tǒng)是在穩(wěn)定平衡的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，不考慮參數(shù)波動(dòng)的影響；（2）忽略了系統(tǒng)運(yùn)行中的熱量損失及泄漏；（3）忽略不凝氣體對(duì)換熱性能的影響；（4）假設(shè)液體在蒸發(fā)管內(nèi)的分布是均勻的，并且液膜不因蒸汽發(fā)生擾動(dòng)；因液體沿蒸發(fā)管向下流動(dòng)蒸發(fā)濃縮過程中，液體物性值會(huì)發(fā)生變化，液膜的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，將蒸發(fā)管分成若干段分別計(jì)算求和，會(huì)大大提高計(jì)算精度［8］。本文中當(dāng)系統(tǒng)蒸發(fā)量為Ws時(shí)，將蒸發(fā)管自上而下分為n段，每蒸發(fā)掉Ws/n為一段，于是蒸發(fā)面積和總傳熱系數(shù)計(jì)算如下：降膜蒸發(fā)器壓降一般都比較小，本文忽略物料沿蒸發(fā)管濃縮過程中沸點(diǎn)溫度的變化，假設(shè)物料在沿蒸發(fā)管的蒸發(fā)過程中蒸發(fā)溫度保持不變，即傳熱溫差自上至下保持不變。計(jì)算時(shí)，令系統(tǒng)蒸發(fā)量為1t/h，蒸汽壓縮機(jī)壓比為1.4，物料沸點(diǎn)溫升為5C2.1系統(tǒng)壓力MVR系統(tǒng)壓力決定了被蒸發(fā)濃縮物料的沸點(diǎn)，即蒸發(fā)溫度。正壓系統(tǒng)或常壓系統(tǒng)指的是蒸發(fā)溫度不小于常壓沸點(diǎn)的MVR系統(tǒng)。相對(duì)于負(fù)壓系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行溫度，傳熱系數(shù)和傳熱溫差，所需要的蒸發(fā)器的傳熱面積?。?,10］。但缺點(diǎn)是相對(duì)更容易使蒸發(fā)器發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，也不適用于熱敏性高的物料。如圖2所示為系統(tǒng)壓力atm絕壓0.4~1.2條件下蒸發(fā)器蒸發(fā)面積的關(guān)系曲線。從圖2中可以看出，系統(tǒng)壓力越高，所需要的蒸發(fā)面積越小，這是由于在MVR系統(tǒng)中當(dāng)壓縮比一定時(shí)，隨著系統(tǒng)壓力的升高，壓縮機(jī)入口的蒸汽壓力隨之升高，從而獲得了更高的溫升。對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力每升高0.1atm，蒸發(fā)面積將減小3%~12%，系統(tǒng)壓力從0.4增壓至1.2，蒸發(fā)面積降低了37.6%,其中隨著系統(tǒng)壓力升高，蒸發(fā)面積增長(zhǎng)率越來越小，由此可以推測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)壓力足夠大時(shí)，蒸發(fā)面積的增加值將可以忽略不計(jì)。2.2單管液體流量在立式降膜蒸發(fā)器中，為使沿傳熱管形成液膜，就需要大于某一臨界的流量。當(dāng)流量小于這個(gè)臨界流量時(shí)，不形成液膜，液體呈線狀下流。傳熱面的一部分未被濕潤(rùn)，不僅傳熱系數(shù)降低，而且增加污垢。Hartley發(fā)表了求形成液膜所必要的最小允許液體流量公式[11]:計(jì)算得本文所需最小液體流量在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)常壓運(yùn)行，換熱溫差4.7°C，蒸發(fā)溫度100°C，選取循環(huán)比X=10，得到如圖3所示的蒸發(fā)器蒸發(fā)面積隨單管液體流量的變化曲線，此時(shí)單管液體流量為310~600kg/(m-h)o可以看到，隨著流量的增加，會(huì)使蒸發(fā)器所需的蒸發(fā)面積有所增加，這是因?yàn)楫?dāng)單管液體流量增大時(shí)，管內(nèi)液膜厚度增加，蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)降低導(dǎo)致的。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，單管液體流量每增加100kg/(m?h)，蒸發(fā)器蒸發(fā)面積增大比例不超過4%。單管液體流量由310增大到600kg/(m?h)時(shí)，蒸發(fā)面積增大約10%；并且流量越大，增大比例越小。同時(shí)由圖4可知，隨著單管液體流量的增加，壓降也在增大，這會(huì)對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。所以從蒸發(fā)面積和壓降方面考慮，單管液體流量越小越好。但是增大單管液體流量可以對(duì)蒸發(fā)管內(nèi)壁結(jié)垢具有一定的抑制作用，因?yàn)樵龃髥喂芤后w流量可以降低管內(nèi)汽化比，同時(shí)降低管內(nèi)蒸發(fā)濃縮倍數(shù)。所以實(shí)際系統(tǒng)中，往往需要犧牲一些蒸發(fā)面積來降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。2.3循環(huán)比強(qiáng)制循環(huán)降膜蒸發(fā)器對(duì)加熱蒸汽壓力要求較低，操作穩(wěn)定。物料由氣液分離器經(jīng)循環(huán)泵打入蒸發(fā)器分布室，物料經(jīng)分布頭分布后沿加熱管內(nèi)壁呈膜狀在重力作用下向下加速流動(dòng)，在此過程中被不斷加熱濃縮［12］。蒸發(fā)器的循環(huán)量為：WL=n|v1其中：n為蒸發(fā)管蒸發(fā)管的數(shù)量，v1為單管液體流量。強(qiáng)制循環(huán)比X=WL/Ws。在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，保持換熱溫差4.7°C,蒸發(fā)溫度100°C,選取單管液體流量400kg/（m?h）。強(qiáng)制循環(huán)比對(duì)降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)面積的影響見圖5。由圖5可見當(dāng)單管液體流量一定時(shí)，增大強(qiáng)制循環(huán)比可減小蒸發(fā)面積。相對(duì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)強(qiáng)制循環(huán)比對(duì)蒸發(fā)面積的影響比較小，當(dāng)X=10時(shí)，蒸發(fā)面積約降低7%，當(dāng)X=30,蒸發(fā)面積約降低10%。由圖形可以推測(cè)隨著強(qiáng)制循環(huán)比的增加，蒸發(fā)面積將趨于保持不變。與強(qiáng)制循環(huán)泵的功耗綜合考慮，可以得出最佳強(qiáng)制循環(huán)比。2.4管徑與管壁厚度管徑的大小也會(huì)對(duì)蒸發(fā)器的性能產(chǎn)生一定的影響。在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上，保持換熱溫差4.7C，蒸發(fā)溫度100C，選取強(qiáng)制循環(huán)比X=8.5，單管液體流量600kg/（m?h）。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，當(dāng)蒸發(fā)管厚度保持不變，蒸發(fā)面積隨蒸發(fā)管徑的增大先減小后增大；而管壁厚度的變化對(duì)蒸發(fā)面積的影響明顯大于蒸發(fā)管管徑對(duì)蒸發(fā)面積的影響，這是因?yàn)楣鼙诤穸仍黾涌芍苯咏档蛽Q熱系數(shù)，從而導(dǎo)致蒸發(fā)面積的增加。1）系統(tǒng)操作壓力（即傳熱溫差）是蒸發(fā)器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，提高系統(tǒng)壓力，可有效降低蒸發(fā)器規(guī)模。系統(tǒng)壓力從1.2降至0.4，蒸發(fā)面積降低了37.6%;2）單管液體流量的增加會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器蒸發(fā)面積及壓降的增大；3）增加降膜蒸發(fā)器的強(qiáng)制循環(huán)比可降低蒸發(fā)面積，有利于蒸發(fā)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，當(dāng)X>30時(shí)，性能參數(shù)變化幅度非常小。將性能優(yōu)化與強(qiáng)制循環(huán)泵的功耗綜合計(jì)算,可以得出最佳強(qiáng)制循環(huán)比；4）對(duì)于蒸發(fā)器蒸發(fā)面積來說，管壁厚度的影響大于管徑的影響。增大管徑和減小壁厚均可減小蒸發(fā)面積。結(jié)果表明，系統(tǒng)壓力是影響蒸發(fā)器規(guī)模的主要因素。提高系統(tǒng)壓力可大幅度降低蒸發(fā)器規(guī)模，降低投資成本。在保證蒸發(fā)器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強(qiáng)制循環(huán)比可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。在保證蒸發(fā)管強(qiáng)度的前提下，盡可能選擇薄壁大管徑?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]杜亮坡，孫會(huì)朋，張繼軍.水平管外降膜蒸發(fā)的傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械,2006,33(6):329-331.[2]朱玉峰，彭寶成.豎管降膜蒸發(fā)器內(nèi)液體分布器的研究進(jìn)展[J].河北工業(yè)科技,2003.20(2):52-54.[3]路慧霞，馬曉建.水平管外降膜蒸發(fā)的傳熱實(shí)驗(yàn)[J].化工進(jìn)展,2009,28(2):203-205.[4]李清芳，劉中良,龐會(huì)中，等.基于機(jī)械蒸汽壓縮蒸發(fā)的油田污水脫鹽系統(tǒng)及分析[J].化工學(xué)報(bào)，2011,62(7):1963-1969.廖昌建，余良永,趙利民，等.機(jī)械蒸汽壓縮技術(shù)在石化廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].當(dāng)代化工,2015144(10):2443-2446.黃成.機(jī)械壓縮式熱泵制鹽工藝簡(jiǎn)述[J].鹽業(yè)與化工,2010(4):42-44.[7]李清方，等.基于熱力蒸汽壓縮蒸發(fā)的油田污水淡化系統(tǒng)及分析[J].化工學(xué)報(bào),2012,06:1859-1864.[8]陳金增，李光華，等.船舶機(jī)械蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011,12:6