提高蒸發系統有效溫差的意義及方法

王勇

摘 要：影響蒸發結晶設備能力的因素有蒸發系統的設備形式、加熱器換熱面積及有效傳熱溫差，中試廠蒸發器的類型 ，加熱器的面積和材質，都是已經安裝好定了型的，所以提高傳熱效率的最有效手段，在于增加有效溫差，本文闡述了有效溫差的概念及意義，分析了我廠蒸發結晶工序有哪些溫差損失，并從這些溫差損失入手，采取有效手段減少溫差損失，增加有效溫差，提高蒸發效率。

關鍵詞：蒸發結晶;傳熱溫差;有效溫差;溫差損失;蒸發效率

1 提高有效溫差的意義

氧化鋁中試廠自主研發了“一步酸溶法”工藝技術，從粉煤灰中提取氧化鋁、鎵等產品，開創了工業化粉煤灰酸法生產氧化鋁的世界先河，其中蒸發結晶工序是“一步酸溶法”工藝技術中非常重要的生產工序，隨著我廠中試實驗的不斷深入、生產工藝的不斷成熟，氧化鋁產量的提升也就成了重中之重，這就要求我廠在現有的蒸發裝置上不斷改進，提高蒸發效率，提高氯化鋁晶體的生產能力。

根據蒸發系統的傳熱速率公式：Q=K·A·Δt

傳熱速率Q越大，設備的使用效果越好，生產強度越高，我們的產量也越高。生產中我們要力求用有限的熱量投入換取較高的傳熱速率。從上式可知，Q值大小與蒸發設備傳熱面積A、傳熱系數K以及傳熱的有效溫度差Δt成正比。對于我廠來說，由于蒸發設備已成定局，則換熱設備的換熱面積A已成定值。從我們來說，提高傳熱速率的途徑主要是從提高傳熱系數K值與增加換熱的有效溫度差Δt上下功夫。在假設進罐料液濃度不變，首效加熱蒸汽壓力穩定，循環泵轉速不變的情況下，并在操作上做到不凝氣、冷凝水及時徹底排除，罐內固液比控制適當，出料均勻穩定，則傳熱系數K可基本保持穩定值。則影響傳熱速率的關鍵因素是有效溫度差Δt，所以我們要想在現有條件上提高蒸發效率，提高產量就必須想辦法提高有效溫差Δt。

2 有效溫差的概念

我廠采用三效順流蒸發系統，靠蒸汽加熱的方式對氯化鋁稀溶液進行蒸發、結晶，最后得到六水氯化鋁晶體，蒸發過程中，真空蒸發系統能夠順利進行傳熱的前提條件是系統應具備傳熱溫差，可以看做是系統傳熱推動力。我們可以用傳熱速率公式來定性的表述傳熱推動力，根據傳熱速率公式：

Q=K·A·Δt? ? ?（1）

式（1）中，Q值（傳熱速率）的大小即代表了我蒸發系統的蒸發能力，它與加熱室的總傳熱系數（K）、加熱室換熱面積（A）及操作中的有效溫差（Δt）均成正比。因為我廠蒸發器的類型，加熱器的面積和材質，都是已經定型了的，所以總傳熱系數（K）和加熱室換熱面積（A）都基本為定值，在發掘的意義不大，那么有效溫差Δt就成了影響蒸發效率和設備安全穩定運行的決定因素，那么什么是有效溫差呢？

有效溫差Δt指實際能用于傳熱推動的溫度差，它的大小等于系統的傳熱總溫差△T減去溫差損失∑△得到的值。

即Δt=ΔT-Δ∑? ? ?（2）

式（2）中ΔT為傳熱總溫差，蒸發系統的傳熱總溫差△T等于第一效加熱蒸汽的飽和溫度T1與末效冷凝器的蒸汽飽和溫度T3之差。

即ΔT=T1-T3? ? ?（3）

式（2）中Δ∑位溫差損失，溫差損失是指在傳熱和蒸發過程中，有一部分溫度差不參與傳熱推動過程，實際上不起作用，這部分無功溫差稱為溫差損失，記作：∑△，真空蒸發系統最大傳熱溫差確定以后，由于采用多效蒸發，所以存在著各種溫差損失。

根據公式（2）我們可以看出，蒸發系統有效溫差Δt的大小取決于系統總溫差ΔT和系統各種溫度損失Δ∑的大小，系統總溫差ΔT的值等于首效加熱蒸汽的飽和溫度T1與末效冷凝器的蒸汽飽和溫度T3之差，而系統各種溫差損失Δ∑則可以看作是系統各部分能量損失之和，我們只要想辦法在提高系統總溫差的同時，消除或者降低能量損失就可以增加有效溫差，提高蒸發系統的蒸發效率。

3 分析溫差損失

我車間的三效順流蒸發系統的傳熱總溫差為一效進氣溫度與末效冷凝器內的蒸汽溫度之差。這個傳熱總溫差我們可以看作是我們蒸發系統的發動機，但是在實際生產當中，傳熱總溫差這個發動機所做的功沒有全部轉換為蒸發的推動力，有一部分功變為溫差損失損失掉了，經過分析，我廠的蒸發系統溫差損失大體可分為：物料的沸點升高引起的溫差損失△1、管道阻力溫差損失△2、閃發溫差損失△3和過熱溫差損失△4，而我們的溫差損失∑△就為四者之和，即：∑Δ=Δ1+Δ2+Δ3+Δ4

接下來分別來分析這四個溫差損失。

3.1 物料的沸點升高引起的溫差損失△1

我們知道，由于溶液的蒸氣壓比相同溫度條件下的純水的蒸氣壓要低，因此在一定的壓力下，溶液的沸點要比純水的沸點高，其差值成為該溶液的沸點升高，溶液的濃度越高，蒸氣壓越低，沸點也就越高，沸點升高值越大，由此可以看出，在一定條件下，沸點升高值越大，將溶液加熱至沸騰需要的能量就越多。在生產中，經常由于一些因素會產生一些不必要的沸點升高，這些沸點升高會消耗系統的能量，產生溫差損失。

我廠氯化鋁溶液在蒸發沸騰過程中，沸點升高值不斷變大的原因主要有兩點，一是系統中物料濃度沒有控制好，隨著氯化鋁溶液的濃度越來越高，溶液沸點也在一直升高，沸點升高值變大，二是分離式的壓力沒有控制好，氯化鋁在沸騰蒸發過程中，分離室的壓力超出正常值，壓力的升高也會引起溶液沸點升高，此外氯化鋁溶液中鈣、鎂離子雜質的存在，也會使沸點上升更高，當這些現象出現的時候，在同樣的條件下，只有加熱到更高的溫度，供給跟多的能量時，溶液才能沸騰，這就是沸點升高引起的溫差損失。

3.2 管道阻力溫差損失△2

管道溫差損失大體分為兩部分，一是當加熱管內液體流速較大時，管內摩擦損失進一步增大液體的平均壓力，壓力升高沸點升高，因而使溫差損失隨之增大，這部分損失很難定量計算;二是上效分離室閃發產生的二次蒸汽經管道進入下一效加熱室時，其溫度降低，引起溫差損失。溫度降低大小與二次蒸汽管的長短、管徑大小、保溫情況及蒸汽受阻的程度有關，適當加大二次蒸汽管徑，并盡可能縮短管長，減小蒸汽所受阻力，可減小管道阻力溫度損失。

3.3 閃發溫差損失△3

一效、二效和三效的物料在各效加熱室內被加熱至過熱狀態，這部分過熱溶液在離開加熱室循環上升的過程中，由于靜壓力不斷減小而逐步發生閃蒸，溫度也隨之下降，最后溶液都要循環進入分離室進行閃蒸，進入分離室后溶液要一直到達分離室液面處才能降到與分離室壓力相當的沸點，溶液才能充分閃蒸，可是分離室內蒸發強度大，物料在不斷循環，故停留時間短，如果加熱室內加熱后的物料到達分離室液面的距離過長，則一部分物料還未到達液面處充分閃蒸，就已經被新的高溫物料所排擠，參加了下一次循環，這部分物料不但沒有被充分的閃蒸，在被循環進入加熱室后，還會使加熱室內的氯化鋁溶液溫度升高，減少了物料與加熱蒸汽溫度差，這種損失稱為閃發溫度損失。特別是在二、三效這樣的真空效，閃發溫差損失尤為嚴重。物料閃發溫度損失與蒸發罐直徑、空間、物料粘度、罐內溫度和壓力有關。適度加大分離室直徑，降低液位 將有助于降低閃發溫度損失。

3.4 過熱溫差損失△4

氯化鋁溶液在加熱室中受熱而升溫，加熱器出口料溫要大于進口料溫，因為溶液在加熱管中從下到上流動，流動過程中，溶液和蒸汽間接換熱并逐步被加熱，溶液溫度自下而上逐步升高，蒸汽與氯化鋁溶液的傳熱有效溫差將逐漸降低，因而在工藝計算中必須取其平均值作為氯化鋁溶液的溫度。溫升越大，平均溫度越高，有效溫差將減少。這種由于通過加熱室物料溫升而減小的有效溫度差，稱為過熱溫度損失。

4 提高有效溫差

蒸發系統的有效溫差Δt的大小等于系統的傳熱總溫差△T減去溫差損失∑△得到的值。即Δt=ΔT一∑Δ

從上式不難看出，要增加有效溫差，可采取兩種措施，即：提高傳熱總溫差ΔT和減少溫差損失∑△。

4.1 提高傳熱總溫差△t

傳熱總溫差為：△T=T1一T3，由此可見提高傳熱總溫差有兩種途徑：一是提高首效蒸汽壓力，二是提高末效真空度。

首先是提高首效蒸汽壓力，蒸汽壓力的提高對蒸發效果的影響是很明顯的，在一定蒸汽壓力范圍內，蒸發量會隨著蒸汽壓力的提升而明顯升高，而我廠蒸汽壓力由于各種原因，供應很不穩定，蒸發壓力經常波動，蒸汽壓力下降直接導致了傳熱總溫差的下降，降低了有效溫差。所以為了保證蒸發系統高產量平穩運行，建議給蒸發車間通入專用蒸汽管道，首效蒸汽壓力保證在0.5MPa-0.7MPa。

蒸汽壓力也不是越高越好，隨著蒸汽壓力的提高，蒸發量隨之提高的幅度越來越小，這時候如果一味提高蒸汽壓力不但蒸發量不能增長，還會使傳熱溫差過大，引起蒸發結晶操作的不穩定，傳熱不容易控制，物料粘壁，影響熱量傳遞，甚至造成加熱器堵塞，導致蒸發頻繁停車處理，不能連續穩定長周期運行，同時冷凝器負荷加大，熱損失增大，影響蒸發生產能力的同時還會損壞設備，增加作業危險。因此增大系統總溫差一般采用另一種方法：提高蒸發裝置冷凝器的真空度。

末效真空度的建立由兩方面組成，一是真空泵直接抽真空，二是通過間接冷凝器冷凝末效二次汽建立真空，所以在實際生產中，末效真空度的高低取決于循環水水溫、循環水水量、系統的不凝氣量以及抽吸不凝氣的抽速。在這些因素中，循環水溫是關鍵的，冷凝器循環水溫升高，會減少水汽的換熱溫差，破壞原有系統平衡，使蒸汽不能及時冷凝或不能完全冷凝，造成真空度下降。所以在生產中，要嚴格控制循環水溫度，發現循環水溫度異常變化要馬上聯系調整。

適當增加循環水量也是保障末效真空的一個辦法，水量大、流速快帶走的熱量多，冷凝效果變好，真空度增加。

在生產當中要重視對冷凝器的保養和清洗，冷凝器作用是利用循環水與三效出來的蒸汽進行熱交換，使蒸汽中可以冷凝的氣體凝結成液體，而不可以冷凝的氣體由真空泵抽走排空，從而保持蒸發器的真空度。如果冷凝器結垢，他的熱交換效果差，就會導致不可凝的氣體增多，導致真空泵壓力大，真空度不高。所以我們要保證循環水的水質，減少鈣、鎂等雜志，并定期用1%的稀酸液對冷凝器的管道進行化學清洗，可以達到除水垢的目的。

性能良好的真空泵對維持真空度也至關重要，真空泵在制造真空的同時可以快速抽走不凝氣，不凝氣是冷凝器壓力、溫度工況下不能被凝結的氣體，如不及時抽出，會導致汽水換熱效果越來越差，引起末效壓力升高而降低了真空度，而我廠的真空泵冷卻水還在使用生活水，水質硬度較高，并且水中含有的成分會在二次蒸汽中形成水垢，粘附在真空泵的內壁上，就會直接影響到真空泵的工作效率，長期下去，如果真空泵內壁的水垢過厚，就會卡死轉子，并且對真空泵有腐蝕的影響，降低真空泵的工作效能。因此建議采用軟水作為真空泵冷卻用水，可以減少真空泵的故障率。

4.2 減少溫差損失∑△

4.2.1 減少沸點升高溫差損失△1

首先要控制過料量和出料濃度，我們在生產過程中要控制好過料量，維持系統平穩運行，當料液（下轉第218頁）（上接第216頁）達到工藝指標時，不及時過料或出料，會導致料液濃度升高，沸點也隨之升高，使有效溫差降低，汽耗也相應地增加，同時也會是三效磨損、結垢。其次要控制好各效分離室壓力，分離室壓力過高會使物料沸點升高，尤其是一效，最后要嚴格控制氯化鋁溶液的各項指標，盡量減少雜質，物料的沸點與雜質的存在有關， 物料中含有一定量鈣、鎂離子，會使溶液沸點升高。

4.2.2 減少管道阻力溫差損失△2

可以適當加大二次蒸汽管管徑，盡量縮短管程，減少彎頭，并對二次蒸汽管做好保溫保溫，同時在二次蒸汽管上盡量避免設置泛氣預熱器和除沫器等設備，其管道阻力溫度損失可大大降低。

4.2.3 減少閃發溫差損失△3

減少閃發溫差損失首先可以改變循環管的進口位置，將進口位置盡可能的靠近分離室液面附近，將大大減少系統靜壓溫度損失和閃發溫度損失，同時要控制分離室的液位，適當降低分離室的液位，縮短過熱物料到分離室液面的距離，使過熱物料盡可能的到達分離室表面。但是液位也不能過低，如果使進料管的彎頭露出液面，則彎頭上部可能會嚴重結垢，影響物料循環，甚至可能出現結垢脫落而堵塞管線的危險。

其次可以改進分離室的進料方式，讓進料管線以一定角度與分離室相連，從而使加熱后的溶液以一定的仰角從切線方向進入分離室，再配合特殊的導流板，使料液呈螺旋狀全部旋轉升至液面，同時分離室中料液的旋轉能使過熱物料在分離室表面上均勻分布，有助于蒸汽泡從液面逸出，減少了液面表面張力，物料充分閃發，大大減少物料“短路”循環，降低溫度損失，增大了系統的有效溫差。

4.2.4 減少閃發溫差損失△4

從前邊分析我們可以知道，降低氯化鋁溶液進、出加熱室的溫差，將減小過熱溫度損失。因此其方法是加熱室的加熱管盡量采用短管或盡可能提高氯化鋁溶液在加熱器中的循環速度。

5 結語

通過以上討論，我們知道了蒸發系統的有效傳熱溫差的大小直接影響著蒸發的效率，同時有效傳熱溫差又與飽和蒸汽壓力、末效真空度和溫差損失有著密切的關系。維持蒸汽壓力的合理、穩定是保證蒸發系統平穩高效運行的前提，末效真空度越高，系統的傳熱有效溫度差越大，真空度的波動會引起的生產強度產生變化較大，而真空度的高低主要取決于冷凝器、循環水和真空泵。此外，系統的不凝氣、真空泵的抽汽量等因素亦會影響真空度大小。因此我們生產中要嚴格控制蒸汽壓力，保證蒸汽壓力穩定在合理的范圍內，堅決杜絕超壓和過山車式的操作手法，維持系統平穩運行。文章還分析了我廠蒸發系統溫差損失的種類和產生的原因，并介相應的紹了減少溫差損失何提高有效溫差的方法。

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