制糖工业单程蒸发罐的使用利弊分析

李国强

摘 要：在制糖工业中，清净车间蒸发罐不但是热力方案成败的关键，也是白砂糖色值指标的关键控制点，更是转化损失的重要控制点。各国制糖企业对蒸发罐的选型和自控系统装备均非常重视，配备了最强最先进的装备，但发现实际效果与设想仍有一定差距。文章针对缅甸某糖厂蒸发系统的实际使用情况，分析了蒸发罐工作状态、单程蒸发罐存在的弊端、单程蒸发罐与标准蒸发罐的区别，并论述了单程蒸发罐系统应用取得的成果与不足，以及蒸发自动控制逻辑、自动控制系统的应用，以期为制糖生产中蒸发罐的使用和改进提供参考。

关键词：单程蒸发罐；自动控制；节能降耗；经济效益

中图分类号：TS243.2                            文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2023）02-0025-03

0 引言

在制糖工业中，清净车间蒸发罐作为全厂热力方案中心，不但是热力方案成败的关键，也是白砂糖色值指标的关键控制点，更是转化损失的重要控制点。基于这三个关键要素，各国制糖企业对蒸发罐的选型和自控系统装备均非常重视，很多糖厂都配备了最强最先进的装备，但在实际生产中发现，最终结果与设想仍有一定差距。本文针对缅甸某糖厂蒸发系统的实际使用情况，对蒸发罐设备的优缺点进行分析，对自控系统逻辑等各个方面逐一论述，以期为制糖生产中蒸发罐的使用和改进提供参考。

1 蒸发罐实际使用情况

缅甸某糖厂自2014年技改扩建后，清净车间蒸发罐1～4号由TWX系列蒸发罐（以下称标准蒸发罐［1］）改为无内外循环管的单程蒸发罐（以下称单程蒸发罐［2］），5～6号为标准蒸发罐。罐身安装有液位检测设备，罐与罐之间过汁阀门采用自动控制，蒸发面积分别是4000、4000、4000、2600、1600和1600 m2，最小蒸发总面积为13800 m2，最大蒸发总面积为16200 m2，2014/2015年榨季平均日榨量5800 t，2015/2016年开榨后只能维持6000 t日榨量，超过后蒸发罐无法正常浓缩糖浆，生产难以正常进行。经多方分析查证，发现该厂操作人员经常将前几效蒸发罐液面控制较高，后几效液面控制较低，液面升高以后，全部压在蒸发罐花板上面，造成加热管内压力升高，糖液沸点升高，热效率降低，同时液面也阻碍了蒸汽排出，进一步降低了蒸发强度，蒸发运行恶化后，糖浆锤度降低，只能进一步压高蒸发罐液面，形成恶性循环，最后只好降低榨量或停榨来处理物料，生产波动非常大，导致无法进行正常生产。其主要原因是该厂员工只会操作传统标准蒸发罐，对单程蒸发罐缺乏认知。单程蒸发罐的设计目的是要缩短糖汁在蒸发罐中的停留时间，最大限度减少转化损失，降低色素生成。单程蒸发罐由于没有降液管，糖汁从加热管跳出上花板后就只能排往下一效罐，即来即过，不能在花板上积压，以不串汽来调节过汁阀门。经调整操作方法后，生产情况全面好转，经过两年操作固化，现己达350 t/h生产量，效益十分可观。虽然蒸发能力得以提高，但糖浆纯度与清汁纯度差并未改善，糖浆色值与清汁色值差达400～600 IU，开始使用单程蒸发罐的第一年还发生了一效蒸发罐部分加热管被焦糖堵死的情况。单程蒸发罐设计初衷是好的，但实际使用效果不尽人意。前人曾进行过生产应用及理论分析，最后放弃了单程蒸发罐在实际生产中的应用［3］。

结合该缅甸糖厂的实际使用情况，发现单程蒸发罐存在如下缺点：①烘干现象突出，除单程蒸发罐自身带来的加热管上部容易烘干外，还存在来汁不均造成的干罐现象及全厂用汽波动（来汁不均以快速沉降器配套使用时更为突出）；②该糖厂采用蒸发罐自动控制系统，控制逻辑为标准蒸发罐的控制逻辑，与设备实际需要的控制逻辑脱节，多数时间只能手动控制，控制逻辑有待开发改进。

2 蒸发罐工作状态分析

糖汁在加热管中从管子底部到顶部的各段存在不同形态［4］：（1）在管子底部，糖汁的温度一般未达沸点，需继续升温，为预热阶段。由于管子下部糖汁受到上方液体的静压力，其沸点高于上方，故即使入料温度已达上方的沸点温度，管子下段仍需继续升温。该预热段因未沸腾，传热过程的机理同一般加热器，因糖汁流速很低（通常标准蒸发罐低于0.1 m/s，比加热器中低很多，该厂单程蒸发罐仅为0.0082 m/s），故传热效率很低。（2）在管子中下部，糖汁沿管子上升，糖汁温度逐步升高，先产生边界层沸腾，在糖汁温度达该处沸点后，糖汁强烈沸腾产生越来越多的汽泡，糖汁湍流加剧传热迅速升高。（3）在管子中部，大量的小汽泡合并成大汽泡，占据管子的大部分面积，形成塞状或炮弹状汽泡，糖汁被挤到汽泡与管壁之间，传热进一步升高。（4）在管子中上部，随管中糖汁的气相体积继续增大，气体流速更快，糖汁被气流强烈冲刷成为环状薄膜，且越来越薄，传热升高到最大值。（5）在管子顶部，管壁上的糖汁薄膜部分被烘干，且烘干部分逐渐增大，由于管壁对气体的传热系数远低于液体，传热明显下降。单程蒸发罐在使用时，加热管中糖汁液面较低，该工作段较长，会存在严重烘干现象，具体表现为糖浆色值升高、纯度降低，一效罐特别严重时会出現焦糖堵塞加热管。

根据加热管从低到高五个阶段可看出，生产真正需要的是第四个阶段，减小第一和第二个阶段，避免第五个阶段出现。单程蒸发罐由于无循环糖汁，通过加热管的糖汁减少，加热管长度己成型而无法改变，第五阶段的出现成为必然，一效罐以后各罐已难于改善这种状况，而一效罐则可通过降低入罐糖汁温度及减少进气方法实现增大预热阶段减少烘干阶段。这样处理后蒸发效能极大降低，但即使不进行处理，第五阶段同样存在传热差问题，会浪费设备资源，设备利用率低，生产能力下降。以标准蒸发罐改型为单程蒸发罐，从效果上看得不偿失。

3 标准蒸发罐与单程蒸发罐对比分析

根据霍汉镇的《制糖工艺与装备的新概念与新实践》［4］分析方法，结合该厂实际生产情况，对影响蒸发罐传热最大的液相比进行计算分析。以日压榨甘蔗量8640 t对比分析，第一效蒸发罐加热面积4000 m2，有加热管9952条，管子内径为38 mm，长3.2 m，入罐清汁量为335 m3/h蒸发量为115 t/h，汁汽温度为120 ℃。从理论上说明蒸发罐加热管上部易烘干，造成糖浆成色值升高及纯度降低，分析如下：

单程蒸发罐：加热管总横截面积9952×3.14×（0.038/2）2=11.28 m2；如果蒸发罐没有循环，清汁只经过加热管一次，则进入加热管的清汁流速为335/（3600×11.28）=0.0082 m/s；汁汽在120 ℃下的比容为0.8917 m3/kg，汁汽总体积为115000×0.8917=102545.5 m3/h；蒸发后糖汁体积为335-115=220 m3/h；管子出口处汽液混合物中液相的体积比为220/（102545.5+220）×100%=0.21%。

标准蒸发罐：主要特点是在罐中央装设一个直径较大的降液管和几根直径稍小的外降液管。降液管使加热管流出的糖汁可经其回流到罐底，再次进入加热管，反复循环。这种措施实质上增大了进入加热管的糖汁总量和液相流速，循环的糖汁量对入料量的比例称为循环倍数，实际数值与设备结构尺寸和操作控制有关，一般为3～5倍，循环管的截面积与全部加热管总截面积的比例多数为10%～20%。实测数据说明，蒸发罐装设降液管可使传热系数提高30%～50%，因此在蒸发罐发展的早期，装设降液管被认为是一种重要的改革。

在标准蒸发罐中，如果循环汁量为入汁量的5倍，即为335×5=1675 m3/h，则进入加热管的液相流速增加到（1675+335）/（3600×11.28）=0.041 m/s。管子出口处混合物中液相体积比升高到（1675+220）/（102545.5+1675+220）×100%=1.81%。

在糖汁蒸发过程中汽相或液相的相对比例变动情况［4］：在管子底部，汽相体积很小，液体接近100%，传热比较低；随管子向上，混合物中汽相比例增大，液相降低，传热逐渐升高，当汽相体积比由50%增至90%，即液相由40%降至10%时，传热由约4000 W/m2·K升高至7000～8000 W/m2·K；当汽相体积比再增至95%～99%，即液相降至4%～1%时，传热升高至10000～13000 W/m2·K；当汽相体积比超过99%，即液相低于1%时，传热急剧降低。而对于浓糖液，最高的汽相体积比例较低，约为80%～90%，即液相为10%～20%（因浓糖液粘度大，润湿管壁的作用较弱）。理论上在沸腾形成的混合物中汽相比例上升时，传热增大，说明更多的汽泡或汽流增强了糖汁的湍流和对加热面附近边界层的冲刷，有效加速了传热。但在液相比例过低，稀糖液为1.5%～2%，浓糖液为10%时［5］，传热急剧下降，说明管子表面有部分被烘干，即糖汁对管壁的润湿不足，要避免这种情况发生。标准蒸发罐5倍循环量的液相占比达1.81%，刚好达不烘干的要求范围，在这种情况下，管子顶部被液体润湿的状况好转，烘干的可能性极大减少。可见，蒸发罐内的糖汁循环提高了管子上部汽液混合物中的液相比例，并使之达适当数值，克服了单程蒸发罐烘干的弊端，标准蒸发罐一般糖浆增色200～300 IU，纯度差＞0，pH降低0.3左右。而缅甸该糖厂单程蒸发罐经两年统计，糖浆增色402 IU，纯度差<-0.2，pH降低0.65。并且单程蒸发罐液相体积比则只有0.21%，远低于液相比例不发生烘干的最低值1%，管子顶部必因糖汁润湿不足发生局部烘干现象，导致传热恶化，糖浆质量降低。加热管上部烘干后，由于管壁对汽体的传热系数远低于液体，所以导致蒸发强度降低，单程蒸发罐生产能力远低于标准蒸发罐，要达到相同生产能力，需加大蒸发面积来实现，通常标准蒸发罐五效真空蒸发一效罐蒸发强度一般在35～40 kg/m2·h，而该糖厂只达28.75 kg/m2·h就很难再突破，说明加热管上部烘干后蒸发强度降低，降低值为17.9%。如果把蒸发罐改回标准式蒸发罐，在现有汽压不变的前提下，蒸发罐生产能力可提高17.9%，压榨生产能力可提高17.9%-6.9%=11%（原来为提高榨量渗透水只添加18.1%，生产需要添加25%左右，6.9%是为提高压榨收回而增加的渗透水量），即可达8640×1.1=9504 t的日榨量，并保证压榨渗透水的正常添加，确保压榨收回率，生产潜力得到充分发挥。针对一年生产时间约140 d的工厂，约可缩短14 d左右的榨季，经济效益将十分可观。

4 单程蒸发罐自控系统的控制逻辑

该糖厂2014年技改扩建后并未对蒸发自控系统进行更新改进，而是使用标准蒸发罐的控制逻辑，即：由一效蒸发罐汽鼓压力控制进汽阀门开度；由一效蒸发罐液位控制清汁泵转速；由糖浆锤度控制末效罐出料阀开度；末效罐液位控制四效罐出料阀开度，以此类推直至一效罐液位控制清汁泵转速为止。标准蒸发罐的控制逻辑与单程蒸发罐的控制逻辑有本质区别，单程蒸发罐不能控制液位，糖汁从加热管上跳后就立即排出，从视镜上看不到真液位。如果在管板上方保持液位，除增加停留时间外，高位的糖汁影响加热管内糖汁的汽化，导致蒸发效能下降，液位越高，负面影响就越大。为防止串汽，应改成其他控制方式（有专家建议采用U型管的过汁方式）。此外，糖汁“来多少走多少”，一效蒸发罐进料控制应采用流量控制，从而保证整个蒸发系统运行平稳。因此，单程蒸发罐自动控制逻辑建议调整为：由一效汽鼓压力控制进汽阀门开度；由糖浆锤度控制末效罐出料阀门开度；由末效罐液位对清汁泵转速进行控制；一效至末效之间的过汁管加装U型管［6］，防止串汽，生产时过汁阀门全开。但该控制方案仅为设想，在实际生产中并无试验验证，仅作设计参考。

5 结语

单程蒸发罐虽能最大限度缩短糖汁在蒸发罐中的停留时间，但经过实际使用并未达改型设想的效果。要实现单程蒸发罐的理想效果，可能只有从增大相同面积的蒸发罐直径，缩短加热管来实现，但具体加热管长度多少能达单程蒸发罐的理想效果，还有待相关专家共同研究开发。

参考文献

［1］ 华南工學院. 糖厂技术装备（第三册）［M］. 北京：轻工业出版社，1983.

［2］ 冯佰华，时钧，汪家鼎，等. 化学工程手册（第2卷）［M］. 北京：化学工业出版社，1989.

［3］ 科列斯尼柯夫. 糖厂热能管理［M］. 杨倬等译. 北京：轻工业出版社，1988.

［4］ 霍汉镇. 制糖工艺与装备的新概念与新实践［M］. 全国甘蔗糖业信息中心，2002.

［5］ Zangrodzki S，贾沛珍. 有效温度差对传热系数的影响［J］. 甘蔗糖业，1979（6）：49-53.

［6］ 刘长战，郭凯，宋明新，等. 糖厂蒸发系统的控制逻辑及蒸发罐的结构改进［J］. 甘蔗糖业，2018（5）：46-50.