影响降膜蒸发器关键设计参数的因素分析王晶晶;赵利民;吴长安;廖昌建;马和旭【摘要】降膜蒸发器是一种高效并被广泛应用的关键设备。
介绍了蒸发器的设计计算逻辑及数学模型，分别计算了系统压力、单管液体流量、强制循环量以及管径管长对蒸发器设计的影响，并对分析结果进行分析和比较，得出系统压力是影响蒸发器规模的主要因素。
提高系统压力可大幅度降低蒸发器规模，降低投资成本。
在保证蒸发器最低液体流量前提下，选用较低的单管液体流量和较大的强制循环比可以提高系统的稳定性能。
%Falling film evaporator is an effective and widely used key equipment. In this paper, design calculation logic and mathematical mode of the evaporator were introduced. The influence of the system pressure, single tube liquid flow, forced circulation quantity, pipe diameter and length on evaporator design was calculated, and the results were analyzed and compared. The results show that the system pressure is the main factors influencing the size of evaporator. To improve the system pressure can significantly reduce the evaporator size and reduce the investment cost. Under the premise of low liquid flow in evaporator, to choose low single pipe liquid flow rate and larger forced circulation ratio can improve the stability of the system performance.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2016(045)012【总页数】3页(P2834-2836)【关键词】降膜;蒸发器;传热;蒸发面积【作者】王晶晶;赵利民;吴长安;廖昌建;马和旭【作者单位】中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺 113001;中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺 113001;中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001;中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺 113001;中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺 113001【正文语种】中文【中图分类】TQ53.6立式降膜蒸发器具有传热系数高、压降小、传热温差损失小、对热敏性物料不会引起降解，不易结垢、内滞液量少等优点，因而被广泛应用于化工、轻工、化纤、食品加工、医药、海水淡化、污水处理、冶金等行业[1-4]。
近年来，国家环保法律法规日趋严格，废水“零排放”成为越来越多企业的环保标准。
MVR蒸发作为一种节能技术应用于蒸发过程是国外广泛应用的，近年来在国内也越来越多地应用于废水处理领域[5-7】。
降膜蒸发器作为MVR系统的关键设备之一，直接决定着蒸发系统的蒸发效率以及设备的投资成本。
本文以某石化企业废水为处理对象，对降膜蒸发器的主要设计指标（蒸发面积和压降）产生影响的相关因素进行了分析讨论。
1.1 系统简介某煤化工废水蒸发浓缩系统立式降膜蒸发器-强制循环蒸发浓缩工艺流程如图1所示。
首先未浓缩废水与浓缩循环废水一起进入降膜蒸发器，经蒸发器分布系统均匀分配至每根蒸发管内部，同时经水蒸汽压缩机压缩提质的水蒸汽进入蒸发器蒸发管的壳侧，经蒸发浓缩后的气液混合物进入气液分离器，二次蒸汽进入水蒸气压缩机压缩提质作为蒸发热源，部分浓缩液与未浓缩废水混合重新进入蒸发器蒸发。
1.2 数学模型的建立系统在实际的运行过程中，不可避免地存在着一些非稳定因素的影响，为了便于计算做了一些假设：（1）假设系统是在稳定平衡的状态下运动，不考虑参数波动的影响；（2）忽略了系统运行中的热量损失及泄漏；（3）忽略不凝气体对换热性能的影响；（4）假设液体在蒸发管内的分布是均匀的，并且液膜不因蒸汽发生扰动；因液体沿蒸发管向下流动蒸发浓缩过程中，液体物性值会发生变化，液膜的状态也会发生变化，计算传热系数时，将蒸发管分成若干段分别计算求和，会大大提高计算精度[8]。
本文中当系统蒸发量为Ws时，将蒸发管自上而下分为n段，每蒸发掉Ws/n为一段，于是蒸发面积和总传热系数计算如下：降膜蒸发器压降一般都比较小，本文忽略物料沿蒸发管浓缩过程中沸点温度的变化，假设物料在沿蒸发管的蒸发过程中蒸发温度保持不变，即传热温差自上至下保持不变。
计算时，令系统蒸发量为1 t/h，蒸汽压缩机压比为1.4，物料沸点温升为5 ℃。
2.1 系统压力MVR系统压力决定了被蒸发浓缩物料的沸点，即蒸发温度。
正压系统或常压系统指的是蒸发温度不小于常压沸点的MVR系统。
相对于负压系统具有较高的运行温度，传热系数和传热温差，所需要的蒸发器的传热面积小[9,10]。
但缺点是相对更容易使蒸发器发生结垢现象，也不适用于热敏性高的物料。
如图2所示为系统压力atm绝压0.4～1.2条件下蒸发器蒸发面积的关系曲线。
从图2中可以看出，系统压力越高，所需要的蒸发面积越小，这是由于在MVR系统中当压缩比一定时，随着系统压力的升高，压缩机入口的蒸汽压力随之升高，从而获得了更高的温升。
对比分析计算结果，可以发现系统压力每升高 0.1 atm，蒸发面积将减小3%～12%，系统压力从0.4增压至1.2，蒸发面积降低了37.6%，其中随着系统压力升高，蒸发面积增长率越来越小，由此可以推测，当系统压力足够大时，蒸发面积的增加值将可以忽略不计。
2.2 单管液体流量在立式降膜蒸发器中，为使沿传热管形成液膜，就需要大于某一临界的流量。
当流量小于这个临界流量时，不形成液膜，液体呈线状下流。
传热面的一部分未被湿润，不仅传热系数降低，而且增加污垢。
Hartley发表了求形成液膜所必要的最小允许液体流量公式[11]：计算得本文所需最小液体流量在前面计算的基础上，系统常压运行，换热温差4.7℃，蒸发温度100℃，选取循环比X=10，得到如图3所示的蒸发器蒸发面积随单管液体流量的变化曲线，此时单管液体流量为310~600 kg/(m·h)。
可以看到，随着流量的增加，会使蒸发器所需的蒸发面积有所增加，这是因为当单管液体流量增大时，管内液膜厚度增加，蒸发器总传热系数降低导致的。
对计算结果进行对比分析可知，单管液体流量每增加100 kg/(m·h)，蒸发器蒸发面积增大比例不超过4%。
单管液体流量由310增大到600 kg/(m·h)时，蒸发面积增大约10%；并且流量越大，增大比例越小。
同时由图4可知，随着单管液体流量的增加，压降也在增大，这会对蒸发系统产生不利影响。
所以从蒸发面积和压降方面考虑，单管液体流量越小越好。
但是增大单管液体流量可以对蒸发管内壁结垢具有一定的抑制作用，因为增大单管液体流量可以降低管内汽化比，同时降低管内蒸发浓缩倍数。
所以实际系统中，往往需要牺牲一些蒸发面积来降低结垢风险。
2.3 循环比强制循环降膜蒸发器对加热蒸汽压力要求较低，操作稳定。
物料由气液分离器经循环泵打入蒸发器分布室，物料经分布头分布后沿加热管内壁呈膜状在重力作用下向下加速流动，在此过程中被不断加热浓缩[12]。
蒸发器的循环量为：WL=n｜v1其中：n为蒸发管蒸发管的数量，v1为单管液体流量。
强制循环比X=WL/Ws。
在前面计算的基础上，保持换热温差4.7 ℃，蒸发温度100 ℃，选取单管液体流量400kg/(m·h)。
强制循环比对降膜蒸发器蒸发面积的影响见图 5。
由图5可见当单管液体流量一定时，增大强制循环比可减小蒸发面积。
相对其他设计参数强制循环比对蒸发面积的影响比较小，当X=10时，蒸发面积约降低7%，当X=30，蒸发面积约降低10%。
由图形可以推测随着强制循环比的增加，蒸发面积将趋于保持不变。
与强制循环泵的功耗综合考虑，可以得出最佳强制循环比。
2.4 管径与管壁厚度管径的大小也会对蒸发器的性能产生一定的影响。
在前面计算的基础上，保持换热温差4.7℃，蒸发温度100℃，选取强制循环比X=8.5，单管液体流量600kg/(m·h)。
计算结果如图6所示，当蒸发管厚度保持不变，蒸发面积随蒸发管径的增大先减小后增大；而管壁厚度的变化对蒸发面积的影响明显大于蒸发管管径对蒸发面积的影响，这是因为管壁厚度增加可直接降低换热系数，从而导致蒸发面积的增加。
1）系统操作压力（即传热温差）是蒸发器关键参数设计的主要参数，提高系统压力，可有效降低蒸发器规模。
系统压力从1.2降至0.4，蒸发面积降低了37.6%；2）单管液体流量的增加会导致蒸发器蒸发面积及压降的增大；3）增加降膜蒸发器的强制循环比可降低蒸发面积，有利于蒸发系统性能的优化，当X＞30时，性能参数变化幅度非常小。
将性能优化与强制循环泵的功耗综合计算，可以得出最佳强制循环比；4）对于蒸发器蒸发面积来说，管壁厚度的影响大于管径的影响。
增大管径和减小壁厚均可减小蒸发面积。
结果表明，系统压力是影响蒸发器规模的主要因素。
提高系统压力可大幅度降低蒸发器规模，降低投资成本。
在保证蒸发器最低液体流量前提下，选用较低的单管液体流量和较大的强制循环比可以提高系统的稳定性能。
在保证蒸发管强度的前提下，尽可能选择薄壁大管径。
【相关文献】［1］杜亮坡，孙会朋，张继军. 水平管外降膜蒸发的传热性能的实验研究[J]. 化工机械, 2006，33(6): 329-331.［2］朱玉峰，彭宝成. 竖管降膜蒸发器内液体分布器的研究进展[J]. 河北工业科技, 2003.20（2）：52-54.［3］路慧霞，马晓建. 水平管外降膜蒸发的传热实验[J]. 化工进展, 2009，28（2）：203-205. ［4］李清芳, 刘中良, 庞会中, 等. 基于机械蒸汽压缩蒸发的油田污水脱盐系统及分析[J]. 化工学报, 2011, 62(7): 1963-1969.［5］廖昌建, 余良永, 赵利民, 等. 机械蒸汽压缩技术在石化废水处理系统中的应用研究[J]. 当代化工，2015144（10）：2443-2446.［6］黄成. 机械压缩式热泵制盐工艺简述[J]. 盐业与化工, 2010(4): 42-44.［7］李清方, 等. 基于热力蒸汽压缩蒸发的油田污水淡化系统及分析[J].化工学报, 2012，06:1859-1864.［8］陈金增，李光华, 等. 船舶机械蒸汽压缩海水淡化装置性能分析[J]. 舰船科学技术，2011，12：66-68.［9］邹龙生, 等. 机械蒸汽压缩浓缩渗滤液热力过程数值模拟[J]. 化学工程, 2011，2（1）：22-25.［10］庞卫科, 等. 离心风机驱动机械蒸汽再压缩热泵系统的性能分析[J]. 化工进展，2013, 12(1)：142-146.［11］顾承真，闵兆升，洪厚胜. 机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析[J]. 化工进展，2014，01: 30-35.［12］刘德亮，程榕，郑燕萍. 机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统模拟分析[J]. 化工时刊，2014，02:5-8.。