水平管降膜蒸发器防除垢在线清洗系统的研究设计

王占军 张华兰 曹志庆 路 明

(1.中国林科院林产化学工业研究所,江苏南京,210042；2.无锡市斯普瑞干燥机厂,江苏无锡,214100)



·蒸发器防除垢·

水平管降膜蒸发器防除垢在线清洗系统的研究设计

王占军1张华兰1曹志庆1路 明2

(1.中国林科院林产化学工业研究所,江苏南京,210042；2.无锡市斯普瑞干燥机厂,江苏无锡,214100)

选用制浆黑液作为试验工质,对水平管降膜蒸发器防除垢在线清洗系统进行了研究设计。试验结果表明,在线清洗系统具有明显的防除垢功效,显著提高了黑液蒸发器的蒸发强度和传热系数,可节能25%以上,减少投资25%以上,并可保持出料浓度的稳定性,原因主要是通过PLC控制长管自旋涡流清洗喷嘴对换热管表面的定时清洗,始终保持换热管表面的光洁度,防止换热管表面垢层的形成和堆积,蒸发运行过程中不再需要各效之间的切换洗涤操作。

水平管降膜蒸发器；长管自旋涡流清洗喷嘴；防除垢；蒸发强度；传热系数

水平管降膜蒸发技术,具有传热温差小、传热系数高、蒸发强度大、易于清洗、便于维护等优点,被广泛应用于海水淡化、化学工程等领域。同时研究发现降膜技术用于蒸发器上,对于高固含量溶液的蒸发浓缩可大大降低换热面的积垢量[1],但形成和堆积的垢层如不及时清洗会造成蒸发能力降低,产品产量下降。

本课题以制浆黑液为工质研究设计水平管降膜蒸发器防除垢在线清洗系统。对制浆黑液主要物化性能的研究表明,其具有灰分(硅)、多糖(戊糖)含量高,黏度大等特点[2-3],在蒸发浓缩过程中易结垢,传热效能低。原因在于黑液蒸发浓缩过程中随着黑液浓度的增加,杂质浓度也升高,当杂质浓度超过其溶解度时,便会在换热面上沉积形成积垢,积垢不仅传热效能差,且极易黏附在换热器表面,如果不及时清除,会越积越厚,以致垢层变硬无法进行常规清除。为了清除积垢,必须停止蒸发,对蒸发器进行切换洗涤、清垢等操作,因此黑液蒸发系统也常常设计成五体四效或六体五效等,设计总有一效备用或处于洗涤状态,这样不仅降低了系统的运行效率,增加了设备投资,提高了工人的劳动强度,而且产品浓度的稳定性也受到影响。为解决这一问题,设计人员采用了多种方法防止或减缓积垢的生成,防垢的方法主要有加入阻垢剂法、涂料法、永磁法、电磁法及高频法；除垢的方法主要是提高蒸发器洗涤切换的自动化程度,增加蒸发器洗涤切换的频率。其中防垢方法中阻垢剂需要连续加入,每次用量难以把握,防垢效果也时好时坏,涂料法对涂料工艺要求较高且价格昂贵,若达不到工艺要求会造成涂料脱落,起不到防垢效果,后3种方法成本高或实施困难；除垢方法中备用蒸发器的设计增加了额外的投资,而且由于切换清洗过程水压不高往往垢层难以清除干净,有时还需必要的人工清洗。

本课题根据水平管降膜蒸发器换热管矩形排列的特点[4],利用研究设计出的长管自旋涡流清洗喷嘴,对制浆黑液蒸发装置的防除垢进行了在线清洗系统的研究设计。

图1 长管自旋涡流清洗喷嘴的结构示意图

图2 杆芯结构示意图

图3 长管喷头结构示意图

1 长管自旋涡流清洗喷嘴的原理和特点

长管自旋涡流清洗喷嘴的结构示意图见图1。杆芯结构示意图见图2。长管喷头结构示意图见图3。

主要特点：①长管喷头可做得很长, 最大做到3 m,可在其长度范围内根据换热管束排列长度确定合适的长度；②长管喷头上设有沿长管圆切线方向的喷孔,喷孔大小根据喷淋量确定,喷孔数量根据长管质量和自旋速度确定；③长管喷头上喷孔的布置根据所清洗管束管间距确定；④杆芯上开孔数量和大小根据长管喷头的喷孔数量和大小来确定,一般要保证杆芯上开孔均匀,开孔截面积是长管喷头上喷孔截面积的4倍；⑤杆芯下部开有4个斜向上65°的孔,4个斜向上50°的孔,与杆芯上部开孔流出液体在长管喷头和杆芯之间形成涡流；⑥轴承选用球轴承,使摩擦因数较小；⑦轴承座采用封闭形式,以免有颗粒状物体进入轴承内部。

原理：把长管自旋涡流清洗喷嘴按一定间距排列垂直放入水平换热管束中,压力水源从杆芯孔流出后瞬间形成涡流状态,在长管喷头喷孔切线射流的反作用力下推动长管喷头旋转,实现旋转清洗的目的,从而实现管束内换热管表面的清洗,提高换热器的换热效率。

2 试验装置设备及流程

2.1 试验流程

试验装置流程如图4所示,蒸发器采用水平管喷淋降膜蒸发技术,蒸发器内水平换热管采用电加热,配有调温调压器,水平换热管束中间并排竖直放置3个长管自旋涡流清洗喷嘴。

水平管降膜蒸发器防除垢在线清洗系统流程如下：清洗液为原料稀黑液,经过滤器过滤后进入清洗泵,清洗液经清洗泵加压后进入长管自旋涡流清洗喷嘴,当长管自旋涡流清洗喷嘴内有高压(0.8～0.9 MPa)清洗液进入后,长管自旋涡流清洗喷嘴就会自动快速旋转,继而清洗它周围的换热管,每个长管自旋涡流清洗喷嘴的洗涤时间及洗涤间隔根据试验工质易结垢程度来决定,长管自旋涡流清洗喷嘴启动和运行分别有F101、F102、F103自控阀和可编程逻辑控制器(PLC)来执行,清洗液的压力由清洗泵来提供,根据清洗液压力对清洗泵采用变频器调节,变频器同时根据清洗时间控制清洗泵的运行。

水平管喷淋降膜蒸发浓缩黑液试验流程：试验工质从贮槽经循环泵、流量计进入蒸发器,物料经过蒸发器喷淋装置形成较规则的物流后,在换热管表面形成一层均匀的液膜,该液膜从上至下流经各层换热管,吸收了热量而逐渐蒸发,未蒸发的物料返回贮槽由循环泵不断进行循环操作,直至达到要求的浓缩浓度而排出。蒸发产生的蒸汽在冷凝器中被冷凝,冷凝液经过计量槽收集到冷凝液贮槽。全过程均在真空状态下操作,真空系统由真空泵来实现。

图4 试验装置流程图

图5 蒸发器结构简图

2.2 在线定时防除垢清洗系统的设置

蒸发器换热管采取卧式多层排列,见图5。蒸发器换热管布置在长度2000 mm、宽度1000 mm、高度1000 mm的钢槽内,在蒸发器的上部装有压力表,以检测沸腾过程的压力变化,及时调整冷却系统的冷却水量,保证整个沸腾过程维持一个恒定的压力,换热管设置6排4列(24根换热管),长度1800 mm,长管自旋涡流清洗喷嘴设置在6排管中间一档,垂直均分放置3个；控制切断阀设置3个,分别是：F101、F102、F103,清洗过程设置成程序控制,采用可编程逻辑控制器(PLC),在线定时清洗防除垢系统按钮启动后程序按以下方式自动洗涤：F101开启洗涤10 s停止,间隔120 s后,F102开启洗涤10 s停止,间隔120 s后,F103开启洗涤10 s停止,一个循环结束；间隔180 min后,重新从F101开启洗涤,依此循环,直至关停清洗程序。

清洗防除垢系统所用工质采用试验工质(浓度为9%～10%的稀黑液),以保证清洗过程不增加额外的水进入蒸发系统；同时通过PLC程序控制清洗时间以保证清洗用稀黑液量小于试验进料稀黑液量的5%,继而保证清洗过程不影响产品浓黑液的正常排放；清洗用稀黑液必须经过60目以上过滤器过滤,以防大颗粒杂质堵塞清洗喷嘴。

2.3 试验工质

试验工质是由福建省尤溪永丰茂纸业有限公司提供的碱法竹浆黑液，主要金属元素见表1。

表1 碱法竹浆黑液主要金属元素组成

固形物含量/%pH值金属元素/g·L-1硅钙镁钾钠铝铁382.511.3611.227.780.442.511.171.120.45

2.4 试验测试分析方法

试验采用了电加热的方式,接有调压器,热流量模仿换热管通蒸汽的加热条件。

试验之所以选用电加热的方式,是为了获得相比于蒸汽加热更为稳定、连贯的参数。因为蒸汽加热时稳定的蒸汽膜状冷凝不可能在整个管子内表面均匀存在,蒸汽冷凝是以任意方式进行,蒸汽冷凝不完全成膜状也不完全是自然的液滴,而且换热管表面的细微变化都会改变蒸汽的冷凝过程[5],因此,蒸汽加热不可能获得一个精确的热流量,但是用电加热可以根据电能的精确测量获得精确的热流量值。

由提取送来的浓度为9%～10%的稀黑液,连续浓缩到浓度为40%～50%的浓黑液。

蒸发强度由式(1)计算。

(1)

式中,q为蒸发器的平均蒸发强度(kg H2O/m2·h)；W为计量时间内总的蒸发水量(kg)；A为参与换热的换热管表面积(m2)；Hr为计量时间(h)。

传热系数由式(2)计算。

(2)

式中,K为传热系数(W/(m2·K))；Q为黑液蒸发加热消耗的电能(W)；A为换热管换热面积(m2)；ΔT为传热温差(K)。

表2 投资和蒸发效率对比

3 试验结果及分析

3.1 在线定时清洗防除垢对蒸发器蒸发强度和传热系数的影响

积垢的导热系数很低,积垢的多少和速率可以从蒸发器蒸发强度和总传热系数上体现出来。试验分两次对比进行,各连续运行120 h(因不清洗也不进行其他防除垢处理连续运行120 h后,结垢已经很严重,为了有效对比，故将试验周期定为120 h)。第一次运行时不启动在线清洗防除垢系统,第二次运行时启动在线清洗防除垢系统,两次的平均蒸发强度和传热系数如图6和图7所示。由图6和图7可以看出，启用在线清洗防除垢系统后平均蒸发强度和传热系数基本保持稳定,而不启用在线清洗防除垢系统时结垢周期明显较短,40～70 h内平均蒸发强度和传热系数降低得不多,70 h以后积垢快速增加,平均蒸发强度和传热系数快速降低。

图6 平均蒸发强度图

图7 平均总传热系数图

3.2 在线定时清洗防除垢系统的应用对投资和蒸发效率的影响

以福建尤溪蒸发水量30 t/h黑液蒸发站为例,其固含量由9%浓缩到50%时的投资和蒸发效率对比列于表2。

由表2可以看出，设置定时清洗防除垢系统，蒸汽可节省26.3%,投资可减少27.3%。

投资减少的主要原因是：①蒸发面积减少21.4%,蒸发器本体节省了大量投资；②由于每效蒸发面积减少，相应循环泵的功率也减少,5个循环泵的价格也降低,增加一个清洗泵,其实泵的总价还是降低了；③在线洗涤增加了25个小的自控阀,但取消蒸发器切换洗涤减少了16个大的自控阀,自控阀总价反而减少；④由于每效蒸发面积的减少，相应管线直径也变小,取消蒸发器切换洗涤也减少了大量管线,在线洗涤增加的管线直径很小,总的管线投资降低。

能耗说明：不仅蒸汽节省26.3%,相应电耗也降低,原因是增加在线清洗系统后蒸发器面积变小了,循环泵功率也变小,由原来的每个循环泵37 kW降到30 kW,5个循环泵共降低35 kW,增加的清洗泵功率是18 kW,增加的过滤器功率是1.5 kW, 而且清洗泵每小时仅运行20 min,因此总功率降低。

4 结 论

4.1 长管自旋涡流清洗喷嘴设计独特,清洗时只要有压力水源就能够快速启动旋转,继而清洗它周围的物体,不再需要其他辅助设备,降低了清洗成本,拓展了喷嘴的使用领域,特别是应用在水平管降膜换热设备内管束的清洗上，具有很强的实用性和显著的经济效益和社会效益。

4.2 使用在线定时清洗防除垢系统后，蒸发器结垢不再明显,如前述黑液蒸发器连续运行120 h,其蒸发强度和换热系数基本处于稳定状态,无需再停机切换洗涤,浓缩浓液产品可连续稳定流出。

4.3 使用在线定时清洗防除垢系统后无需再设置备用切换洗涤蒸发器,降低了劳动强度,节省了投资,投资可节省25%以上。

4.4 使用在线定时清洗防除垢系统后无需再设置备用切换洗涤蒸发器,所有各效蒸发器可同时运行,提高了设备的利用率,可节省蒸汽25%以上。

4.5 该在线定时清洗防(除)垢系统采用程序化控制,设置故障报警装置,具有不需专人管理、自动化程度高、操作和维修简单方便、无化学污染等优点。

4.6 长管自旋涡流清洗喷嘴具有自主知识产权,制造成本低,更换简便。

[1] Smith J B, Hsieh J S. Improvements on falling film black liquor evaporator final technical report(R). US: United States Department of Energy Report, 1999.

[2] Pan Xi-wu. Progress in Chemical Recovery[J]. World Pulp and Paper, 1996(6)： 34. 潘锡五. 制浆黑液碱回收技术新进展[J]. 国际造纸, 1996(6)： 34.

[3] PAN Xi-wu. Envrionmental Protection, Alkli Recovery and Development of China’s Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 1996, 15(4): 48. 潘锡五. 中国造纸工业的发展与碱回收和环境保护[J]. 中国造纸, 1996, 15(4): 48.

[4] WANG Zhan-jun, PAN Ai-xiang, ZHOU Hao,et al.Application of Five body, Four Effect Horizontal Spraying-film Evaporator in Concentrating Wheat Straw Pulping Black Liquor[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(11)： 25. 王占军, 盘爱享, 周 浩, 等. 卧式喷淋降膜蒸发站在麦草黑液蒸发中的应用[J]. 中国造纸, 2004, 23(11)： 25.

[5] Cornwell K, Einarsson J G, Andrews P R. Studies on boiling in tube bundles[J]. Begel House Inc, 1986, 55: 2137. CPP

(责任编辑：马 忻)

Study on the Cleaning System for Prevention and Elimination of Scale in Horizontal Tube Falling Film Evaporator

WANG Zhan-jun1,*ZHANG Hua-lan1CAO Zhi-qing1LU Ming2

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,CAF,Nanjing,JiangsuProvince, 210042; 2.WuxiSprayDryingMachineCompany,Wuxi,JiangsuProvince, 214100)(*E-mail: wangzj@icifp.cn)

Using black liquor as working medium, the paper focused on the research and design of the on-line cleaning system for prevention and elimination of scale in horizontal tube falling film evaporator. The result showed that the on-line cleaning system had obvious effect on the prevention and elimination of scale formation, the capacity and heat transfer coefficient of the evaporator were improved. It could save energy more than 25% and reduce investment more than 25%, and maintain the stability of the concentration of the material at outlet. The main reason is that the on-line cleaning system is controlled by PLC and the long tube spining vortex nozzle can regularly clean the surface of heat exchange tube, keeping high cleanliness of the surface of the tube, evaporation operation no longer needs to switch washing operation in the effects．

horizontal tube falling film evaporator; long tube spin vortex nozzle; prevention and elimination of the scale； evaporation capacity; heat transfer coefficient

2016- 07-12(修改稿)

王占军先生,硕士,高级工程师；主要从事化工设备研究设计、环境污染治理及废液资源化利用工艺技术及设备的研究开发、高效节能蒸发浓缩装置的开发研究。

TS733+.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.004