影響降膜蒸發器關鍵設計參數的因素分析

王晶晶，趙利民，吳長安，廖昌建，馬和旭

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

影響降膜蒸發器關鍵設計參數的因素分析

王晶晶，趙利民，吳長安，廖昌建，馬和旭

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

降膜蒸發器是一種高效并被廣泛應用的關鍵設備。介紹了蒸發器的設計計算邏輯及數學模型，分別計算了系統壓力、單管液體流量、強制循環量以及管徑管長對蒸發器設計的影響，并對分析結果進行分析和比較，得出系統壓力是影響蒸發器規模的主要因素。提高系統壓力可大幅度降低蒸發器規模，降低投資成本。在保證蒸發器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強制循環比可以提高系統的穩定性能。

降膜；蒸發器；傳熱；蒸發面積

立式降膜蒸發器具有傳熱系數高、壓降小、傳熱溫差損失小、對熱敏性物料不會引起降解，不易結垢、內滯液量少等優點，因而被廣泛應用于化工、輕工、化纖、食品加工、醫藥、海水淡化、污水處理、冶金等行業[1-4]。近年來，國家環保法律法規日趨嚴格，廢水“零排放”成為越來越多企業的環保標準。MVR蒸發作為一種節能技術應用于蒸發過程是國外廣泛應用的，近年來在國內也越來越多地應用于廢水處理領域[5-7】。降膜蒸發器作為MVR系統的關鍵設備之一，直接決定著蒸發系統的蒸發效率以及設備的投資成本。

本文以某石化企業廢水為處理對象，對降膜蒸發器的主要設計指標（蒸發面積和壓降）產生影響的相關因素進行了分析討論。

1 系統描述

1.1 系統簡介

某煤化工廢水蒸發濃縮系統立式降膜蒸發器-強制循環蒸發濃縮工藝流程如圖1所示。

首先未濃縮廢水與濃縮循環廢水一起進入降膜蒸發器，經蒸發器分布系統均勻分配至每根蒸發管內部，同時經水蒸汽壓縮機壓縮提質的水蒸汽進入蒸發器蒸發管的殼側，經蒸發濃縮后的氣液混合物進入氣液分離器，二次蒸汽進入水蒸氣壓縮機壓縮提質作為蒸發熱源，部分濃縮液與未濃縮廢水混合重新進入蒸發器蒸發。

圖1 強制循環降膜蒸發器工藝流程圖Fig.1 The flow of forced circulation falling film evaporator

1.2 數學模型的建立

系統在實際的運行過程中，不可避免地存在著一些非穩定因素的影響，為了便于計算做了一些假設：（1）假設系統是在穩定平衡的狀態下運動，不考慮參數波動的影響；（2）忽略了系統運行中的熱量損失及泄漏；（3）忽略不凝氣體對換熱性能的影響；（4）假設液體在蒸發管內的分布是均勻的，并且液膜不因蒸汽發生擾動；

因液體沿蒸發管向下流動蒸發濃縮過程中，液體物性值會發生變化，液膜的狀態也會發生變化，計算傳熱系數時，將蒸發管分成若干段分別計算求和，會大大提高計算精度[8]。本文中當系統蒸發量為Ws時，將蒸發管自上而下分為n段，每蒸發掉Ws/n為一段，于是蒸發面積和總傳熱系數計算如下：

2 各參數對降膜蒸發器設計的影響

降膜蒸發器壓降一般都比較小，本文忽略物料沿蒸發管濃縮過程中沸點溫度的變化，假設物料在沿蒸發管的蒸發過程中蒸發溫度保持不變，即傳熱溫差自上至下保持不變。計算時，令系統蒸發量為1 t/h，蒸汽壓縮機壓比為1.4，物料沸點溫升為5 ℃。

2.1 系統壓力

MVR系統壓力決定了被蒸發濃縮物料的沸點，即蒸發溫度。正壓系統或常壓系統指的是蒸發溫度不小于常壓沸點的MVR系統。相對于負壓系統具有較高的運行溫度，傳熱系數和傳熱溫差，所需要的蒸發器的傳熱面積小[9,10]。但缺點是相對更容易使蒸發器發生結垢現象，也不適用于熱敏性高的物料。如圖2所示為系統壓力atm絕壓0.4～1.2條件下蒸發器蒸發面積的關系曲線。

圖2 不同系統壓力條件下的蒸發面積Fig.2 The evaporation area under the condition of the different system pressure

從圖2中可以看出，系統壓力越高，所需要的蒸發面積越小，這是由于在MVR系統中當壓縮比一定時，隨著系統壓力的升高，壓縮機入口的蒸汽壓力隨之升高，從而獲得了更高的溫升。對比分析計算結果，可以發現系統壓力每升高 0.1 atm，蒸發面積將減小3%～12%，系統壓力從0.4增壓至1.2，蒸發面積降低了37.6%，其中隨著系統壓力升高，蒸發面積增長率越來越小，由此可以推測，當系統壓力足夠大時，蒸發面積的增加值將可以忽略不計。

2.2 單管液體流量

在立式降膜蒸發器中，為使沿傳熱管形成液膜，就需要大于某一臨界的流量。當流量小于這個臨界流量時，不形成液膜，液體呈線狀下流。傳熱面的一部分未被濕潤，不僅傳熱系數降低，而且增加污垢。

Hartley發表了求形成液膜所必要的最小允許液體流量公式[11]：

計算得本文所需最小液體流量

在前面計算的基礎上，系統常壓運行，換熱溫差4.7℃，蒸發溫度100℃，選取循環比X=10，得到如圖3所示的蒸發器蒸發面積隨單管液體流量的變化曲線，此時單管液體流量為310~600 kg/(m·h)。

圖3 單管液體流量對蒸發面積的影響Fig.3The influence of single pipe liquid flow on the evaporation area

可以看到，隨著流量的增加，會使蒸發器所需的蒸發面積有所增加，這是因為當單管液體流量增大時，管內液膜厚度增加，蒸發器總傳熱系數降低導致的。對計算結果進行對比分析可知，單管液體流量每增加100 kg/(m·h)，蒸發器蒸發面積增大比例不超過4%。單管液體流量由310增大到600 kg/(m·h)時，蒸發面積增大約10%；并且流量越大，增大比例越小。同時由圖4可知，隨著單管液體流量的增加，壓降也在增大，這會對蒸發系統產生不利影響。所以從蒸發面積和壓降方面考慮，單管液體流量越小越好。但是增大單管液體流量可以對蒸發管內壁結垢具有一定的抑制作用，因為增大單管液體流量可以降低管內汽化比，同時降低管內蒸發濃縮倍數。所以實際系統中，往往需要犧牲一些蒸發面積來降低結垢風險。

圖4 單管液體流量變化對壓降的影響Fig.4 The influence of single pipe liquid flow on the pressure drop

2.3 循環比

強制循環降膜蒸發器對加熱蒸汽壓力要求較低，操作穩定。物料由氣液分離器經循環泵打入蒸發器分布室，物料經分布頭分布后沿加熱管內壁呈膜狀在重力作用下向下加速流動，在此過程中被不斷加熱濃縮[12]。蒸發器的循環量為：WL=n｜v1其中：n為蒸發管蒸發管的數量，v1為單管液體流量。強制循環比X=WL/Ws。

在前面計算的基礎上，保持換熱溫差4.7 ℃，蒸發溫度100 ℃，選取單管液體流量400kg/(m·h)。強制循環比對降膜蒸發器蒸發面積的影響見圖 5。由圖5可見當單管液體流量一定時，增大強制循環比可減小蒸發面積。相對其他設計參數強制循環比對蒸發面積的影響比較小，當X=10時，蒸發面積約降低7%，當X=30，蒸發面積約降低10%。由圖形可以推測隨著強制循環比的增加，蒸發面積將趨于保持不變。與強制循環泵的功耗綜合考慮，可以得出最佳強制循環比。

圖5 系統循環比變化對蒸發面積的影響Fig.5The influence of system forced circulation ratio on the evaporation area

2.4 管徑與管壁厚度

管徑的大小也會對蒸發器的性能產生一定的影響。在前面計算的基礎上，保持換熱溫差4.7℃，蒸發溫度100℃，選取強制循環比X=8.5，單管液體流量600kg/(m·h)。計算結果如圖6所示，當蒸發管厚度保持不變，蒸發面積隨蒸發管徑的增大先減小后增大；而管壁厚度的變化對蒸發面積的影響明顯大于蒸發管管徑對蒸發面積的影響，這是因為管壁厚度增加可直接降低換熱系數，從而導致蒸發面積的增加。

圖6 管徑變化對蒸發面積的影響Fig.6 The influence of pipe diameter change on the evaporation area

3 結 論

1）系統操作壓力（即傳熱溫差）是蒸發器關鍵參數設計的主要參數，提高系統壓力，可有效降低蒸發器規模。系統壓力從1.2降至0.4，蒸發面積降低了37.6%；

2）單管液體流量的增加會導致蒸發器蒸發面積及壓降的增大；

3）增加降膜蒸發器的強制循環比可降低蒸發面積，有利于蒸發系統性能的優化，當X＞30時，性能參數變化幅度非常小。將性能優化與強制循環泵的功耗綜合計算，可以得出最佳強制循環比；

4）對于蒸發器蒸發面積來說，管壁厚度的影響大于管徑的影響。增大管徑和減小壁厚均可減小蒸發面積。

結果表明，系統壓力是影響蒸發器規模的主要因素。提高系統壓力可大幅度降低蒸發器規模，降低投資成本。在保證蒸發器最低液體流量前提下，選用較低的單管液體流量和較大的強制循環比可以提高系統的穩定性能。在保證蒸發管強度的前提下，盡可能選擇薄壁大管徑。

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Analysis on the Influence Factors of Key Design Parameters of Falling-film Evaporator

WANG Jing-jing，ZHAO Li-min，WU Chang-an，LIAO Change-jian，MA He-xu

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun113001, China）

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.

falling film; evaporator; heat transfer; evaporation area

TQ 53.6

A

1671-0460（2016）12-2834-03

中國石油化工集團公司資助項目，項目號106002000729。

2016-11-28

王晶晶（1981-），女，遼寧省撫順市人，工程師，碩士，從事化工機械的設計與研發。E-mail：Wangjingjing.fshy@sinopec.com，電話：024-56389732。