多效管式降膜蒸发器工艺设计

张有福 刘建生

摘要：随着工业生产规模的扩大，蒸发器由原来的单效蒸发器逐渐发展为多效蒸发器。蒸发器不仅在效数上有所改进，结构形式上也有所变化。伴随着蒸发器的改进，其传热速率得到了大幅度提高，单位产能的设备投资得到了降低。文章对多效管式降膜蒸发器工艺设计的过程及要点进行了论述，针对目前管式降膜蒸发机组工艺设计中存在的一些共性和个性问题进行了分析，并提出了解决方法。

关键词：多效管式降膜蒸发器；工艺设计；效数；物料处理

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0014-03

蒸发器是化工、湿法冶金、食品、轻工、制药等行业广泛应用的设备之一。其主要作用是浓缩溶液，分离、提纯溶质或溶剂，回收有用成分。20世纪以前，由于工业生产规模相对较小，所以物料处理量也较低，蒸发器还是以分批处理、间歇蒸发的单效蒸发器为主。连续多效蒸发器的使用始于20世纪初，从最初的二效循环蒸发器，逐渐发展到三效、四效，到如今海水淡化用的三十效蒸发器。不仅仅是效数的增加降低了汽耗，蒸发器的结构形式也由最初的中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式发展到了薄膜式蒸发器。伴随着蒸发器结构形式的改进，传热速率得到大幅度提高，单位产能的设备投资进一步降低。自从降膜蒸发器问世以来，短短几年的时间内，取代了几乎所有其他类型的蒸发器，仅有处理高粘度、需结晶物料的场合还使用强制循环蒸发器。降膜蒸发器按加热元件形式分为管式降膜蒸发器和板式降膜蒸发器。在一些行业也使用管式及板式结合的降膜蒸发器。尽管管式降膜蒸发器和板式降膜蒸发器因加热元件的不同导致部分特性有所区别，各有优缺点，但是其原理还是相似的，工艺设计过程也基本相同。鉴于此，下文讨论多效管式降膜蒸发器的工艺设计，权当抛砖引玉。

1 工艺设计过程

1.1 数据准备工作

除了业主方要求的性能和提供的基础数据以外，需要准备的数据还有工艺物料的成分、浓度、密度、原液温度、溶解度、比热容、饱和蒸汽压力、沸点、导热系数、表面张力、动力粘度、污垢热阻、腐蚀性，拟选用材质的导热系数，物料需要浓缩到的浓度，新蒸汽的

温度、压力等。通常的工艺设计计算中，对各效蒸发器的传热系数直接取文献值，准确性有限，所以，需要准备较全的数据以便于计算或验算蒸发器加热室的总传热系数。

1.2 工艺流程的确定

工艺流程按加料方式分为顺流、逆流、平流、错流等四种。顺流流程在物料热能回收方面通常优于逆流流程，且由于物料靠自压进入下一效，电能消耗较逆流流程低，然而，其缺点也是显而易见的：随着工艺物料浓度的降低，粘度上升，单效总传热系数下降较快，导致蒸发器总传热面积较大；低温效物料易结垢，传热表面垢层增长快，进一步影响蒸发器运行产能。结合顺流流程和逆流流程的优缺点，产生了混流流程。

1.3 效数的确定

效数的确定受设备投资和传热温差的影响。通常，一旦新蒸汽温度确定，总传热温差即确定，因为多效蒸發器的真空度是基本确定的。效数增加，虽能减少蒸汽消耗，一定的传热温差却要分配到更多的效，总传热面积就会增加，单位传热面积蒸发强度随之降低，设备投资增加。当节能收益减去运行成本支出小于等于设备投资支出时，则不应再增加效数。此外，如果效数过多，单效传热温差如果低于5℃，一旦传热面出现结垢，传热受阻，整个蒸发器机组产能会大幅度下降。

1.4 工艺物料与热量衡算

主流的计算方法有等面积法、等压差法、最小传热面积法三种。等面积和等压差法都是早期的计算方法，而较好的计算方法应该是最小传热面积法，先进的设备供应商在计算过程中还考虑了最低能耗的因素。

1.5 设备结构的工艺计算

管式降膜蒸发器主要由加热室、分离室、布膜器、雾沫分离器以及配套管道组成。蒸发器运行的稳定性和可靠性离不开这些部件的正确设计和协调性。

1.5.1 加热室工艺计算即换热器的工艺计算，主要有确定和计算加热管直径、壁厚、长度、材质导热系数、布管形式、布管间距、壳层直径、管板厚度、折流板形式、折流板切割率、折流板厚度、折流板间距等，结合工艺物料性质计算单位管口长度液体流量即布膜量，然后结合加热蒸汽流量、物性参数、换热管材质导热系数及污垢热阻数据，最终计算出加热室的总传热系数，与假设值或者经验值进行对比。

1.5.2 分离室的工艺计算主要是确定二次蒸汽夹带的液滴直径上限，从而计算出最大允许二次蒸汽速度，最终计算分离器的直径和有效分离高度。

1.5.3 性能、布膜量计算出布膜头/孔的数量、直径及布膜盘的直径、高度等。

1.5.4 雾沫分离器的工艺计算主要是确定雾沫分离器的形式、分离夹带液滴直径下限，根据其分离性能和压降要求，计算出其最大许可蒸汽速度，最终计算出雾沫分离器的数量和面积。

1.6 辅助设备的物料和热量衡算

通常还需要给配套辅助设备的供应商提供采购选型所需的主要参数，如真空泵的抽气温度、压力、流量，离心泵输送的液体流量、成分、温度、压力，相关仪表的工艺要求等。

2 对工艺设计过程的分析

2.1 工艺流程选择方面

顺流流程在物料热能回收和电能消耗上通常优于其他三种流程，然而，无论使用任何一种流程，都需注意出料与冷凝水的热量回收。增加必要的换热器将出料与冷凝水的热量用于预热蒸发器的原液以降低新蒸汽的消耗或者增加闪蒸器回收热量后用于加热物料。然而，长久以来，某些行业蒸发器设计中还在坚持使用直接接触式预热器，这是不可取的。虽然直接接触预热器传热速率远高于间接预热器，且设备投资远低于间接预热器，但是，不可忽略直接接触预热器在预热过程中对工艺物料的冲淡，用能方式缺乏合理性。如国内某氧化铝厂多效蒸发器一效直接接触预热器，对物料预热提温18℃的同时，将物料浓度冲淡6g/L。此外，直接接触预热器在运行过程中易出现的剧烈振动可能引发设备焊缝开裂等负面影响。所以，使用间接预热器替代直接接触预热器是必要的。

对于目前较常见的在流程中增加机械蒸汽再压缩（MVR）的工艺流程，在选用的时候要考虑工艺物料的性质，对于沸点升高较高的工艺物料，由于单级压缩机升温能力有限，而多级串联时稳定性还较差，一般不推荐使用。

2.2 物料与热量衡算方面

2.2.1 任何蒸发器的热量与物料衡算，均基于某一假定的稳态过程。然而，实际的蒸发器运行过程是一个持续变化的过程。这就要求蒸发器具有一定的适应负荷变化的能力，降膜蒸发器无疑在这方面优于其他类型的蒸发器，因为它可以在单效传热温差低至2℃～3℃时工作，也就是说它在负荷降低至设计负荷的40%时仍然能正常运行。这一特性不仅避免了在生产运行过程中由于负荷降低而停车，而且在低负荷运行时，一、二效由于低负荷运行，物料温度会相应降低，会减缓某些因温度升高而溶解度降低的物料成分的析出及结垢，延长了清洗周期；同时，物料温度降低一定程度上会减缓高浓度物料對设备的腐蚀，如氧化铝行业及造纸行业的多效蒸发器。

2.2.2 工艺物料的物性参数文献值多在实验室条件下测定，并得出计算关联式，而实际的生产过程中由于各种微量杂质的存在，往往对工艺物料的物性参数造成不可忽略的影响，在工艺设计的过程中要尽可能结合实际情况，对这些物性参数进行适当的校正，以便于减少计算的误差。以国内一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的多效蒸发器为例，其一效溶液沸点升高值按文献关联式计算为12.5℃，而实际的溶液沸点升高值由于有机物的存在，会上升至13.5℃～14℃左右。如果以文献值沸点升高计算温差损失，会导致有效传热温差较实际值增加1.0℃～1.5℃，最终导致传热面积的计算偏小。杂质的存在对工艺物料的物性参数的影响还体现在导热系数、表面张力、粘度等方面。

2.3 新蒸汽的选择

为了减少新蒸汽输送过程中的损失，往往工业生产中会让新蒸汽在过热状态下输送。然而过热蒸汽对多效蒸发器加热室的总传热系数的影响是显而易见的，由于加热室的部分换热面积消耗于过热蒸汽降温到饱和蒸汽的阶段，以绝对压力0.6MPa过热蒸汽，溶液加热到140℃的降膜蒸发器加热室为例，计算不同过热温度消耗的换热面积比例，结果见表1。由表1中数据可见，过热蒸汽的危害很大，必须在新蒸汽进入蒸发器加热室前，增加防过热喷淋装置，并实现蒸汽温度与喷淋水流量的连锁，达到蒸汽饱和温度的自动控制。

表1 不同过热温度消耗的换热面积比例

2.4 设备结构的工艺设计上的误差

重点在于加热室工艺计算中总传热系数的计算，其关联因素较多，文献给定的范围值往往较大，对实际设计工作的指导意义极为有限。文献中广泛引用的各类蒸发器的总传热系数值见表2：

表2 各类蒸发器总传热系数文献值

2.4.2 部分设计者在计算过程中，为了快捷地得到总传热系数，对其计算过程进行了大量简化，常见的有忽略传热元件热阻、蒸汽加热侧污垢热阻，忽略加热室结构参数对总传热系数的影响，忽略降膜蒸发器液膜厚度以及二次蒸汽与液膜同向或逆向流动对总传热系数的影响等。忽略的单个因素对总传热系数的影响只有2%～10%，但是同时忽略几个因素的情况下，影响会达到15%～20%，是不可取的。

2.4.3 一些设计者在设计中使用的是实验室测定的数据，这些数据往往由于实验条件的限制，或者使用纯净溶液进行实验得出，或者在换热面洁净的情形下得出，与实际的工业化生产差别较大。如某铝酸钠溶液管式降膜蒸发实验装置测得其一效总传热系数为

对于降膜蒸发器，布膜量的选定也是至关重要的。布膜量的计算首先考虑的是最小润湿流量，其计算公式可在文献资料中查阅，不再赘述。此外，由于降膜蒸发过程中，二次蒸汽在加热管内大量产生，无论二次蒸汽与液膜是同向还是逆向流动，均会对液膜的流动产生扰动，同时液膜在向下流动过程中会因为持续的蒸发而使其流量不断减少，容易使加热管表面出现液膜破裂，即“干斑”现象，极大降低液膜侧的传热膜系数和缩短换热元件的使用寿命。所以在计算完成最小润湿流量后，必须要根据经验数据乘以一个修正系数才能得到适宜的布膜量。然而布膜量过大会使液膜侧热阻增加，不利于传热，同时增加循环泵的电能消耗。对于降膜蒸发，总传热系数随布膜量的增加呈现先增大后减小的趋势，即存在最优的布膜量。

2.5 辅助设备设计方面

多效蒸发器的效数增加，不仅会降低蒸汽消耗，同时，对于末效二次蒸汽需要循环水予以吸收的情况下，由于效数的增加，末效二次蒸汽会相应减少，则循环水的消耗也降低了，从而整个循环水输送、处理、冷却系统的设备投资和运行成本都会相应减少，这一点在效数确定的经济衡算过程中应充分考虑。

3 多效蒸发器工艺设计展望

总之，多效管式降膜蒸发器是一系列的换热、蒸发、分离的系统集成，具有相当程度的耦合性，从而增加了其复杂性，所以还需注意以下问题：

（1）由于多效管式降膜蒸发器的工艺设计涉及的学科比较广，包括热力学、流体力学、物理化学、传递过程、反应工程、系统工程、机械工程、化工技术经济学、计算机应用等，所以要求工艺设计工程师应具有较强的综合不同工程学科之间相互关系的能力，便于在详细的工艺设计中保证设备的稳定性、安全性、经济性和协调性。

（2）降膜蒸发器工艺设计工程师在完成其工艺设计的过程中，应能充分了解到工艺物料在蒸发器内的流动、传递过程，以便于在随后的安装、调试、性能测试、故障处理、维修过程中进行正确的指导。

（3）各类计算机辅助设计软件已经被广泛应用于蒸发器的工艺设计中，但是在溶液蒸发器的物料衡算过程中，目前的计算机辅助设计软件还不能很好地解决由于沸点升高的存在而导致的计算结果的偏差，沸点升高越大，偏差越大，所以仍然需要通过人工进行计算和

修正。

参考文献

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作者简介：张有福（1981-），男，张家港化工机械股份有限公司蒸发器事业部助理工程师。