關于蒸發結晶過程傳熱溫差的選擇

姚洪齊，徐 晨

（常州中源工程技術有限公司，江蘇 常州 213126）

蒸發結晶操作是化工生產中的常見單元操作，直接關系到化工產品的生產效率和質量。蒸發結晶的操作原理是通過加熱將物質中的水分蒸發去除，從而得到某類物質結晶體，實現物質間分離，滿足提純目的[1]。在操作中，需要將物料放置到加熱區域，設計適合的溫度，再將物料放入蒸發區域中，借助壓力控制作用使物料在某溫度下實現飽和，結合減壓方式讓水蒸氣蒸發，由于溶劑減少，物料蒸發后實現濃縮，以此產生晶體。在操作過程中，會有諸多因素對蒸發結晶產生影響，降低蒸發效率，如加熱設備、加熱面積、傳熱溫差等。同時，蒸發結晶操作過程中，可以使用的設備非常多。不同的化工企業會選擇不同的設備，而蒸發設備的總傳熱系數是明確、固定的，沒有什么可以擴展的空間。

因此，化工企業應當全面分析工藝參數，合理設計傳熱溫差，有效發揮設備功用，提升蒸發結晶效率和質量。

1 傳熱溫差對蒸發結晶操作的影響分析

在蒸發結晶操作過程中，需要對加熱器進行調整來改變傳熱溫差，增強傳熱效率，提升蒸發結晶設備的生產能力。蒸發結晶設備在工作過程中，使用非常高的溫差對易飽和物料進行處理，如果大幅度提升設備產能，往往會產生比較大的操作安全隱患，導致生產效率下降，生產車間停產等問題。

因此，需要科學分析蒸發結晶過程中的傳熱溫差，找出科學合理的傳熱溫差調整方式，保障生產過程安全穩定。

1.1 產生表面結晶，影響傳熱性能

蒸發結晶作業，需要的加熱介質和投入的加熱物料都是流體，這就需要將傳熱方式選擇為對流傳熱，保障加熱效果。但加熱過程受材質表面的制約，加上流體內部存在的摩擦力，導致在加熱過程中與表面接近的部分并沒有很快產生晶體，而是形成流體，成為滯留層[2]。滯留層的存在會造成整個加熱過程與流體方向保持一致的傳遞方向。大部分加熱物料形成的流體都沒有很高的導熱性，傳熱往往都集中在一個位置，溫度差異也存在于滯留層底部。從實際傳熱溫差過程來看，熱流體的熱量傳遞過程需要經過三個步驟，讓冷流體產生受熱，讓熱流體溫度逐步降低，最終和整個流體溫度保持一致。但滯留層的溫度和其他部分的差異非常大，一般情況下越靠近加熱區域表面溫度越高，超過流體主流溫度。如果流體主流接近沸點，這時接近加熱區域的流體基本上會直接沸騰。傳熱溫差差異系數越大，局部出現沸騰概率更高，一旦傳熱溫差達到一定的程度，基本上局部沸騰是必然產生的現象。這種現象對整個蒸發結晶并非不利，這種受熱過程出現局部沸騰會增強流動效率，可以有效滿足單純蒸發、升膜蒸發的需求。

但在蒸發過程中，因部分物料出現沸騰，溶劑和其他物質產生分離，會形成大量的結晶體，大部分會覆蓋在表面，給傳熱過程增強了一層非導熱，也就是加入污垢熱阻，導致總傳熱系數降低。從這種現象可以看出，傳熱表面結晶增加，結晶介質所產生的導熱系數會降低，傳熱系數會越來越小。從蒸發結晶過程可知，鹽類介質物料導熱系數是沒有辦法超過金屬導熱的，二者的差距非常大。如果傳熱表面形成了諸多結晶，很容易造成設備性能降低，這與實現高效率并不符合。傳熱溫差差異更大，往往會讓靠近加熱區域的物料不斷沸騰，而且持續時間非常長，這種結晶也會越來越多，最終基本上全部覆蓋到管壁上，直接降低管道導熱性能，甚至會堵塞管道[3]。

1.2 壓力系數提升，影響熱能利用

蒸發結晶的操作過程是將飽和水蒸氣作為熱量來源，雖然有時也會使用到熱水蒸氣作為熱量來源，但是不會產生較大過熱，這種潛熱和顯熱間是沒有什么差距的，一般情況下可以不做考慮，直接將其作為飽和蒸汽。此外，蒸汽冷凝管道是需要將產生的飽和水排除的。如果有的飽和溫度沒有達到標準參數區間，只是差異2°～3°可以不用考慮。因此，在蒸發結晶過程中主要是發揮水的汽化潛熱。結合熱力學第一定律規定，可以不考慮外發揮作用，只關注鍋爐中開始出現的水蒸氣，不管產生什么作用，所發揮的熱量作用是明確的數值。在加熱過程中，水蒸氣由加熱到冷卻是一個完整的過程，在兩個階段過程中產生的熱量是相同的。通過對飽和水蒸氣表可以清晰知道，低壓條件運行的水蒸氣更容易產生潛熱，是超過高壓過程產生的潛熱的。在一般情況下，蒸發結晶設備在加熱過程中，蒸汽壓力越低在蒸發結晶操作過程產生的熱量越大。在化工生產過程中，熱能利用方案有很多，但均以蒸發結晶作業過程為核心。蒸發區域壓力強度是確定的，蒸發溫度也是設置好的，這時傳熱溫度增高，蒸發冷凝水溫度也會升高，逐步讓過多熱量借助冷凝水的顯熱過程進行流入，導致整體熱能利用效率較低。

2 蒸發結晶過程傳熱溫差的選擇方式

2.1 明確沸點高低，合理選擇傳熱溫差

化工行業使用的蒸發結晶設備種類較多，常用的是管外沸騰型。加熱過程中的物料很多，管道內部如果沒有產生蒸發，就能夠避免結晶析出。在正常操作過程中，需要將物料投入加熱管道，在加熱室作用下，讓物料流體溫度達到沸點溫度，然后將加熱完成的物料放置到蒸發區域，實現減壓蒸發，讓結晶蒸發一同進行，逐步產生結晶[4]。操作過程中，需要保障蒸發過程的穩定性，針對蒸發容器設備中的物料，合理利用液態靜壓，確保溶液不會在加熱區域出現沸騰，也不能在加熱室、加熱表面形成結晶。如果蒸發室存在的液面提升1cm，加熱室存在的靜壓就需要增加0.01npa，整個操作壓力應當保持在0.08MPA～08MPA 間，料液沸點也會相應上漲0.5℃～2.8℃。

綜上可知，在蒸發結晶操作過程中，當液面位置較高時，加熱室沸點也會相繼增加，需要使用的傳熱溫差要設計得相應大一些。

2.2 加大滯留層控制，明確傳熱溫差

在蒸發結晶操作中，應當從內在方面對加熱過程進行分析，合理判斷滯留層出現過程，要減少熱阻的出現，這需要找到合理的傳熱溫度。結合流體力學理論，圓管往往需要保持湍流而下，這時滯留層厚度直接和雷諾數值成反比，管道內部出現的流速成反比例關系[5]。在蒸發結晶操作過程中，應當明確設備儀器的中管內徑，一旦管道內部流速增大，雷諾系數往往會和流體產生較大摩擦，促使滯留層厚度越來越小。這就要求在設計工程中，按照強制循環全面分析加熱過程，促進管道內物料加速。而且，在蒸發結晶實際操作過程中，往往可以實現多方面共同作用，讓滯留層厚度變薄，縮小物料主流和傳熱溫差的差異數值，避免產生加熱室結晶。

另外，對傳熱溫差的選擇，需要全面分析傳熱過程，找出傳熱表面和物料主流溫差不超過物料液面靜壓產生沸騰的方式，有效滿足不同過程的傳熱需求。

2.3 結合生產流程，充分考慮蒸汽熱能

在蒸發結晶生產過程中，生產流程并不是很復雜，需要全面考慮蒸汽熱能，保障傳熱溫差的合理性。在化工生產的過程，一般是在整個熱負荷核心區域，工藝操作性能直接影響到整個供熱過程，最為關鍵的是蒸汽壓力，它決定了蒸發結晶產生的傳熱溫差。在操作過程中，需要先明確蒸發結晶需要的壓力，才能開始生產工作。在生產過程中，傳熱溫差差異越大，需要的蒸汽壓力也就需要越高。其次，在傳熱溫差選擇中，需要先保障生產過程，滿足生產能力的需求，確定較小溫差，有效控制蒸汽壓力。通過這樣的操作，基本上供熱系統在運行過程中產生的高位能蒸汽就可以得到很好的利用，以此確保蒸汽熱量得到充分利用，實現節能目標。按照節約原則設計生產過程時，應當合理考慮整個生產流程，按照生產工藝要求，合理分配熱量，也需要結合生產流程對熱量使用的需求，讓熱量實現分級使用。

綜上，在確定溫差大小過程中，需要全面考慮生產過程的實際需求。

2.4 合理選擇傳熱溫差，提升生產效率

從蒸發結晶系統使用過程分析，傳熱溫差需要結合多個生產步驟來確定，才能有效保障傳熱溫差的合理性，推動生產過程的持續進行。在傳熱溫差計算過程中，需要分析物料液面靜壓過程產生的沸點，判斷出加熱區域沸點變化情況；根據加熱區域物料表面溫度高低，與局部區域的沸點溫度進行對比，確保物料主流溫度不超過蒸發區域沸點溫度，保障傳熱溫差的科學合理性，保障生產過程順利進行。確定傳熱溫差，需要先對熱蒸汽溫度明確，一般情況下與物料主流溫差差異就是非常合理的傳熱溫差[6]。在實際分析過程中，很多參數不容易得到，或者計算過程非常復雜，如傳熱膜系數。在實際計算過程中，要先按照以往經驗進行估算，綜合考慮實際生產過程，適度調整已經確定的溫差。然后，結合蒸發形式、物料屬性等，合理選擇傳熱溫差。一般的單效或者多效蒸發過程，選擇范圍存在差異。單效蒸發過程應當保持在25℃，這樣的傳熱溫差才符合實際要求；多效蒸發過程需要將傳熱誤差確定在30℃左右。

因此，在蒸發結晶方法選擇上，需要全面考慮多方面因素，明確各方面因素對蒸發過程產生的影響，逐步降低其他風險因素對生產過程的影響，科學選擇傳熱溫差，保障整個生產過程安全可靠。

2.5 加強設備分析，重視人才培養

蒸發結晶操作的生產效率和質量直接受到傳熱溫差的影響。要增強傳熱效率，先要對生產過程的設備進行更新，讓熱量發揮更大的優勢。從現有設備使用過程來看，如果降低設備尺寸，會產生諸多不穩定的因素，影響生產過程。這需要結合現有使用過程和當前生產要求，合理優化設備，滿足蒸發結晶作業需求。一方面，在對設備尺寸進行控制中，需要額外關注設備使用的穩定性；另一方面，對生產設備進行質量檢查，分析運行風險問題、質量問題，為提升蒸發結晶生產效率提供保障。

蒸發結晶的生產過程涉及大量的生產技術人員，對傳熱溫差進行控制和分析，也需要專業人員來進行，這就需要加大專業人才的培養力度，建設高素質人才隊伍，更好地推動化工行業發展。

首先，加強內部培訓。針對生產流程設計的各方面人員，全面分析人員情況，結合企業當前實際需求、人員職業發展等要求，明確培訓內容和考核計劃，讓每個人員都有機會掌握先進的專業知識，實現理論素養和實踐能力的提升。對于每一次考核過程，都需要進行詳細的記錄，將結果作為績效評價、轉崗等依據，以此更好地保障技術人員對傳熱溫差進行有效測試。

其次，加大外部招聘力度。從蒸發結晶生產過程分析，對技術要求是非常高的，直接決定了傳熱溫差的合理性。在進行外部招聘過程中，需要全面考慮生產構成需求、技術要求等，聘用理論素養高、實操操作技能強的專業人才。

另外，設備研發工作的開展對于化工行業來說也非常重要，能夠為生產過程提供科學合理的設備，保障整個生產效率快速提升，有利于推動化工行業發展。因此，需要更加關注人才對化工企業的作用，強科研隊伍的建設，增強各方面素質，推動生產效率的穩定提升。

3 結語

在市場經濟發展中，企業間的競爭更加激烈，大量企業開始出現生存和發展困難，化工企業面臨同樣的發展挑戰。再加上經濟發展過程中能源緊缺、污染問題嚴重化，促使各國開始提倡節能減排，保障社會經濟的全面發展、和諧發展。蒸發結晶操作過程的決定因素是傳熱溫差，科學選擇傳溫溫差，能夠有效滿足各方面生產需求，以此提升生產效率和質量。在化工生產過程中，需要關注傳熱溫差大小，全面分析溫差對蒸發結晶產生的影響，進一步明確生產設備操作流程，有效滿足當前蒸發結晶的需求。總之，傳熱溫差可以對蒸發結晶產生很大的影響。這就需要合理分析二者間的關系，找出其中存在的問題，制定出針對性的解決措施，有效提升蒸發結晶生產效率，以此推動化工行業發展。