管式降膜蒸發(fā)器

畢旺華 牛 量 王繼舜

(天津市恒脈機(jī)電科技有限公司，天津，300384)

管式降膜蒸發(fā)器

畢旺華 牛 量 王繼舜

(天津市恒脈機(jī)電科技有限公司，天津，300384)

介紹了管式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)，并介紹了以管式降膜蒸發(fā)器組成的管式降膜蒸發(fā)站在草漿、葦漿、竹漿及木漿制漿黑液等的堿回收項(xiàng)目中的應(yīng)用。

管式降膜蒸發(fā)器;黑液;堿回收

管式降膜蒸發(fā)器在食品、化工、海水淡化、造紙等行業(yè)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，特別是在制漿堿回收蒸發(fā)中發(fā)揮著重要作用。管式降膜蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡單，投資低，傳熱效率高，加熱面易清洗，耗電量低，出液濃度高，操作彈性大且結(jié)構(gòu)牢固、容易維修，使用壽命長，不易結(jié)垢等特點(diǎn)，目前在國際蒸發(fā)器產(chǎn)品中已成為主流。隨著薄壁不銹鋼管材的供應(yīng)在國內(nèi)得到解決，今后管式降膜蒸發(fā)器將會成為國內(nèi)蒸發(fā)站的第一選擇。此外根據(jù)黑液特性的要求，管式降膜蒸發(fā)器的加熱管還可選擇為碳鋼材質(zhì)，這可大大降低投資成本。

1 管式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

管式降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡單，由加熱蒸發(fā)室、分配盤、汽液分離室、除霧器、循環(huán)管等部分構(gòu)成。

管式降膜蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)室是由殼體、上管板、隔板、下管板和加熱管等構(gòu)成。殼體是根據(jù)工作壓力按壓力容器或常壓容器設(shè)計(jì)，并考慮到在真空狀態(tài)下受外壓時(shí)的穩(wěn)定性合理設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。殼體、加熱管和管板的材質(zhì)可根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)或用戶使用要求，選用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)。加熱蒸發(fā)室的中心為內(nèi)置循環(huán)管，其余部分為均勻分布的加熱管。經(jīng)內(nèi)置循環(huán)管預(yù)熱并輸送至上管板上部分配盤的黑液，由分配盤均勻地分布在管板的管橋上，再沿加熱管內(nèi)壁呈膜狀流下，同時(shí)進(jìn)行傳熱蒸發(fā)。此外，由于從黑液中蒸發(fā)出的二次蒸汽快速向下流動，將黑液液膜吹得更薄、流速更快，使傳熱熱阻大大降低，傳熱系數(shù)更高。由于是液膜蒸發(fā)，降低了傳熱熱阻，也沒有由于靜液位壓力引起的沸點(diǎn)升高，故用于加熱的有效溫差提高，所以，管式降膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和熱效率均高于傳統(tǒng)的蒸發(fā)器。管式降膜蒸發(fā)器既保留了降膜蒸發(fā)器傳熱效率高、運(yùn)行周期長、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，又解決了其他降膜蒸發(fā)器耐壓性能低、易破裂、不易維修等缺點(diǎn)。另外，黑液在加熱管壁上形成的垢可以用高壓水、機(jī)械方法、化學(xué)方法等進(jìn)行清洗，清垢方便易操作。

黑液在管式降膜蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，循環(huán)泵從汽液分離室內(nèi)將黑液抽出，通過泵出口的內(nèi)置循環(huán)管將黑液輸送到蒸發(fā)器頂部的分配盤，通過分配盤均勻分配后，黑液自加熱管內(nèi)壁呈膜狀自由流下，加熱管流下的黑液及二次蒸汽在汽液分離室分離，完成一個(gè)循環(huán)蒸發(fā)過程。管式降膜蒸發(fā)器工作原理見圖1所示。

圖1 管式降膜蒸發(fā)器工作原理圖

對于二次冷凝水，可根據(jù)用戶或?qū)嶋H生產(chǎn)的需要，將設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能出幾種不同COD值的二次冷凝水。COD值最高的二次冷凝水被稱為重污冷凝水，重污冷凝水用汽提塔進(jìn)行汽提，汽提后可回收利用，汽提后的臭氣送石灰回收爐或鍋爐燃燒，這樣可將蒸發(fā)站的臭味和冷凝水的污染降至最小。

管式降膜蒸發(fā)器的分配盤是將黑液均勻分布于各個(gè)加熱管及加熱管內(nèi)表面的部件。由于黑液性質(zhì)的不同，以及各效蒸發(fā)器黑液黏度的變化，其結(jié)構(gòu)及尺寸也相應(yīng)改變。分配盤可制作為多塊，便于制造、維護(hù)和清理。分配盤可根據(jù)黑液濃度的不同設(shè)置為二層或一層，以達(dá)到更好的分配效果，使黑液可以更均勻地加熱蒸發(fā)。

由加熱管流出的黑液及二次蒸汽在汽液分離室內(nèi)分離，并且進(jìn)行黑液的二次蒸發(fā)。大部分黑液經(jīng)循環(huán)管、分配盤再次回到加熱管，以保持加熱管內(nèi)壁布滿液膜，少部分黑液經(jīng)出口送出，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮或作為產(chǎn)品輸出。二次蒸汽則經(jīng)除霧器除去蒸汽中的霧滴后，進(jìn)入下一效體作為加熱源或進(jìn)入冷凝器冷凝。

汽液分離室的殼體是根據(jù)工作壓力按壓力容器或常壓容器設(shè)計(jì)，并考慮到在真空狀態(tài)下受外壓時(shí)的穩(wěn)定性合理設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。汽液分離室殼體的材質(zhì)可根據(jù)黑液性質(zhì)或用戶使用的要求，選用碳鋼或不銹鋼。

除霧器是將二次蒸汽中夾帶的液滴分離出來，以減少蒸發(fā)損耗及防止將黑液帶入冷凝水中造成對冷凝水的污染。除霧器的結(jié)構(gòu)為立式折流百葉式，是由多片百葉式的不銹鋼板片相隔一定的間隙組合而成。二次蒸汽經(jīng)過除霧器的間隙時(shí)，夾帶的霧滴撞擊板片被截流下來，有效地除去了蒸汽中的霧滴。這種除霧器的優(yōu)點(diǎn)是除霧效果好，阻力小，易清洗，使用壽命長。

管式降膜蒸發(fā)器循環(huán)管采用內(nèi)置循環(huán)管結(jié)構(gòu)，對循環(huán)黑液起到預(yù)加熱的作用，使黑液快速達(dá)到沸點(diǎn)，從而縮短了加熱元件對黑液的預(yù)熱時(shí)間，提高了蒸發(fā)器的有效蒸發(fā)面積。

2 管式降膜蒸發(fā)器的特點(diǎn)及分析

2.1 傳熱效率高

傳熱效率與導(dǎo)熱系數(shù)是密不可分的，對于蒸發(fā)器來說，影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素有幾個(gè)方面:①加熱元件;②黑液液膜厚度;③冷凝水液膜厚度。

(1)加熱元件 管式降膜蒸發(fā)器加熱元件材料根據(jù)黑液不同可選用1．20～1．25 mm不銹鋼管或3 mm碳鋼無縫鋼管。當(dāng)選用不銹鋼管時(shí)，加熱管壁較薄，導(dǎo)熱系數(shù)高;當(dāng)選用碳鋼無縫鋼管時(shí)，雖然加熱管壁較厚，但碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)要比不銹鋼高出近3倍，所以加熱管導(dǎo)熱系數(shù)仍然很高。

(2)黑液液膜厚度 管式降膜蒸發(fā)器加熱管液膜與二次蒸汽流向相同，而蒸汽流速較快，是黑液液膜的幾倍，它可以把液膜吹得更均勻、更薄，降低了熱阻，流速更快，提高了傳熱效率。

(3)冷凝水液膜厚度 冷凝水液膜厚度越大，熱阻也越大，而冷凝水沿加熱元件自上而下流動，液膜逐漸變厚，會降低傳熱效率。管式降膜蒸發(fā)器一般加熱管長9～12 m，加熱室內(nèi)設(shè)有多層隔板，把下降的冷凝水分段截流，使沿管壁下流的冷凝水液膜不會變得越來越厚，從而降低了冷凝水液膜的熱阻，提高了傳熱效率。

另外，管式降膜蒸發(fā)器循環(huán)管采用內(nèi)置結(jié)構(gòu)，對循環(huán)黑液起到預(yù)加熱的作用，使黑液快速達(dá)到沸點(diǎn)，從而縮短了加熱元件對黑液的預(yù)熱時(shí)間，提高了有效蒸發(fā)面積。

2.2 耐壓高、使用壽命長

管式降膜蒸發(fā)器加熱元件組是由加熱管與上、下管板焊接或脹接而成，加熱元件組接點(diǎn)少，使用壽命長，加熱管的承壓性能好、耐壓高。例如，現(xiàn)在國內(nèi)出黑液濃度最高的蒸發(fā)站，是海南某廠的管式降膜蒸發(fā)站，其木漿黑液出效濃度可高達(dá)80%，如此高濃度黑液的流動性需要較高的溫度、壓力才能保證，這也說明管式降膜蒸發(fā)器是可以承受很高壓力的。

2.3 易維修

管式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡單，加熱管上下只有兩個(gè)脹接口或環(huán)焊縫。如果在使用過程中，一旦出現(xiàn)了加熱管漏液情況，在時(shí)間允許的情況下，可以把損壞的加熱管抽出更換;系統(tǒng)條件不允許較長時(shí)間停機(jī)時(shí)，也可以先把漏液加熱管兩端堵塞住，產(chǎn)生的影響僅僅是加熱面積受一些損失，而一根9 m長的加熱管加熱面積為1．442 m2，對整個(gè)蒸發(fā)器來說蒸發(fā)面積的損失量很少，少量堵塞管不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.4 分配盤垢片易清理

管式降膜蒸發(fā)器布液盤是開放式結(jié)構(gòu)，黑液由循環(huán)管直接進(jìn)到分配盤上，如果有垢片，在流動的黑液作用下，垢片會處于懸浮狀態(tài)，基本不會滯留在一處而堵塞布液孔。當(dāng)有大量垢片需要停機(jī)清理時(shí)，操作人員可以通過人孔進(jìn)入上管箱，很容易對開放的分配盤進(jìn)行垢片清理。

2.5 加熱面結(jié)垢易清除

結(jié)垢的難易，這只是一個(gè)結(jié)垢時(shí)間長短的問題，既然是蒸發(fā)器，就必然會有結(jié)垢情況，這已是蒸發(fā)器的一個(gè)癥結(jié)所在。一旦結(jié)垢，就會降低系統(tǒng)的蒸發(fā)效率，因此也就需要操作人員除垢清理。管式降膜蒸發(fā)器清垢比較簡單易操作，操作人員可通過上、下人孔進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器管箱內(nèi)有很大的操作空間，只需打開布液盤，就可以對每一根加熱管進(jìn)行清理，而且沒有死角，能徹底清理加熱管的垢層。

結(jié)垢應(yīng)該是所有人都非常關(guān)心的問題，對各種形式蒸發(fā)器來說結(jié)垢問題是不可避免的，只是結(jié)垢速度的快與慢。對于加熱元件，其加熱表面的光滑程度直接影響結(jié)垢的快慢。管式降膜蒸發(fā)器加熱管內(nèi)外壁都是光滑的，光滑的加熱表面不易結(jié)垢。再就是管式降膜蒸發(fā)器循環(huán)管內(nèi)置，對循環(huán)黑液起到預(yù)加熱的作用，減小了黑液與加熱蒸汽間的溫差，從而減輕了黑液的結(jié)垢程度。

2.6 現(xiàn)場組裝工作量小

對于小型設(shè)備，管式降膜蒸發(fā)器可整體發(fā)貨，到現(xiàn)場后只需與支腿進(jìn)行組裝即可;對于大型設(shè)備，管式降膜蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)室可整體發(fā)貨，到現(xiàn)場后只需將加熱蒸發(fā)室和汽液分離室組裝焊接即可。另外，管式降膜蒸發(fā)器循環(huán)管采用內(nèi)置結(jié)構(gòu)，其在設(shè)備出廠前已制作完畢，無需再由安裝人員現(xiàn)場組裝，減少了現(xiàn)場組裝的工作量。

2.7 與其他管式蒸發(fā)器的對比

一直以來對管式降膜蒸發(fā)器有個(gè)認(rèn)識的誤區(qū)，認(rèn)為管式降膜蒸發(fā)器容易結(jié)垢，蒸發(fā)效率低。其實(shí)不然，這種誤區(qū)是建立在目前國內(nèi)使用管式升膜蒸發(fā)器及短管蒸發(fā)器易結(jié)垢、出效濃度低、效率低的認(rèn)識上。如長管升膜蒸發(fā)器，黑液約在1/3液位處開始沸騰，蒸汽帶動黑液在管內(nèi)形成上升的液膜，上升的液膜受進(jìn)液量、進(jìn)液溫度及加熱蒸汽工況等多方面的影響，很難保證以膜狀形式蒸發(fā)。當(dāng)進(jìn)液量小時(shí)，加熱管上部很容易出現(xiàn)干管情況，因此造成結(jié)垢;當(dāng)液位偏高時(shí)會出現(xiàn)滿管狀態(tài)，傳熱差、易結(jié)垢，由于液柱靜壓力引起的沸點(diǎn)升高，降低傳熱溫差，傳熱效率下降。

而管式降膜蒸發(fā)器雖然同樣是管式蒸發(fā)器的一種，但無論從結(jié)構(gòu)形式還是工作原理上，與以上兩種管式蒸發(fā)器是完全不同的，管式降膜蒸發(fā)器關(guān)鍵是降膜蒸發(fā)，它具備了降膜式蒸發(fā)器的所有優(yōu)點(diǎn):

(1)液膜蒸發(fā)，在低溫差下具有良好的傳熱性能，蒸發(fā)效率高。

(2)沒有靜液位引起的沸點(diǎn)升高，有效溫差提高。

(3)液膜由循環(huán)泵保證，不易結(jié)垢，生產(chǎn)能力調(diào)整范圍大。

(4)濃黑液的濃度比其他形式蒸發(fā)器高。

此外，管式降膜蒸發(fā)器還有其他降膜蒸發(fā)器不具備的例如承壓能力高、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 在制漿黑液堿回收項(xiàng)目中的應(yīng)用

以管式降膜蒸發(fā)器組成的蒸發(fā)站——管式降膜蒸發(fā)站，在制漿造紙堿回收工段已被廣泛應(yīng)用。目前在國內(nèi)草漿、葦漿、竹漿及木漿等黑液的堿回收項(xiàng)目中，筆者所在公司設(shè)計(jì)的多套管式降膜蒸發(fā)站已成功運(yùn)行。

(1)新疆博湖葦業(yè)股份有限公司蒸發(fā)水量80 t/h的3#蘆葦漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2006年11月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為12%，溫度80℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為55%，溫度110℃。

(2)湖南綏寧縣寶慶聯(lián)紙有限公司蒸發(fā)水量50 t/h的3#木漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2007年3月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為13．6%，溫度75℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為＞55%，溫度110℃。

(3)湖南綏寧縣寶慶聯(lián)紙有限公司蒸發(fā)水量75 t/h的4#木漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2008年3月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為13．6%，溫度75～80℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為55%，溫度108℃。

(4)山東泉林紙業(yè)有限責(zé)任公司蒸發(fā)水量100 t/h的3#麥草漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2008年3月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為六效七體管式降膜蒸發(fā)站，其中Ⅰ效兩體，可相互切換出濃黑液，處理稀黑液濃度為11%，溫度≥70℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為≥45%，溫度110℃。

(5)寧夏沙湖紙業(yè) (集團(tuán))有限公司蒸發(fā)水量63 t/h的麥草漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2008年4月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為9%，溫度＞50℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為55%，溫度108℃。

(6)湖南會同寶慶恒達(dá)有限公司蒸發(fā)水量75 t/h的2#木漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2008年5月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為13．6%，溫度75～80℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為55%，溫度108℃。

(7)中冶紙業(yè)銀河有限公司蒸發(fā)水量100 t/h的4#麥草漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2008年12月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為六效七體管式降膜蒸發(fā)站，其中Ⅰ效兩體，可相互切換出濃黑液;處理稀黑液濃度為10%，溫度≥75℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為≥43%，溫度110℃。

(8)廣東省韶能集團(tuán)股份有限公司珠璣紙業(yè)分公司蒸發(fā)水量65 t/h的2#竹漿黑液管式降膜蒸發(fā)站于2010年1月成功運(yùn)行。該蒸發(fā)站為五效五體管式降膜蒸發(fā)站，處理稀黑液濃度為13．6%，溫度≥75℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為 55% ～60%，溫度110℃。

(9)此外，山東泉林紙業(yè)有限責(zé)任公司亞洲開發(fā)銀行貸款山東省海河流域污染治理項(xiàng)目蒸發(fā)水量350 t/h的麥草漿黑液管式降膜蒸發(fā)站正在安裝施工過程中，該蒸發(fā)站為六效十一體管式降膜蒸發(fā)站，其中Ⅰ效四體，可三體工作、一體在線洗滌;Ⅱ效三體，可二體工作、一體在線洗滌;處理稀黑液濃度為12．6%，溫度≥70℃，出蒸發(fā)站濃黑液濃度為60%，溫度120℃。

4 結(jié)語

采用全管式降膜蒸發(fā)站，傳熱系數(shù)和有效溫差都得到提高，熱效率被大大提高。再加以各效冷凝水和進(jìn)效稀黑液、出效濃黑液潛熱的有效利用，能量消耗可降至最低。管式降膜蒸發(fā)器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和高效、節(jié)能及運(yùn)行的穩(wěn)定性，已成為國內(nèi)、外蒸發(fā)站發(fā)展的主流蒸發(fā)器。

Tube Falling-film Evaporator

BI Wang-hua*NIU Liang WANG Ji-shun
(Tianjin Hengmai Electromechanical Technology Co．，Ltd．，Tianjin，300384)

The structure，working principle and characteristics of tube falling-film evaporator and the application of tube falling-film evaporator in the recovery of black liquor in straw，reed，bamboo and wood pulping were introduced in the paper．

tube falling-film evaporator;black liquor;black liquor recovery

TS733+．9

B

0254-508X(2012)04-0046-04

畢旺華先生，助理工程師;主要從事工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)與管理工作。

(*E-mail:bwh0713@163．com)

2012-01-05

(責(zé)任編輯:郭彩云)