制糖工業單程蒸發罐的使用利弊分析

李國強

摘 要：在制糖工業中，清凈車間蒸發罐不但是熱力方案成敗的關鍵，也是白砂糖色值指標的關鍵控制點，更是轉化損失的重要控制點。各國制糖企業對蒸發罐的選型和自控系統裝備均非常重視，配備了最強最先進的裝備，但發現實際效果與設想仍有一定差距。文章針對緬甸某糖廠蒸發系統的實際使用情況，分析了蒸發罐工作狀態、單程蒸發罐存在的弊端、單程蒸發罐與標準蒸發罐的區別，并論述了單程蒸發罐系統應用取得的成果與不足，以及蒸發自動控制邏輯、自動控制系統的應用，以期為制糖生產中蒸發罐的使用和改進提供參考。

關鍵詞：單程蒸發罐；自動控制；節能降耗；經濟效益

中圖分類號：TS243.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-820X（2023）02-0025-03

0 引言

在制糖工業中，清凈車間蒸發罐作為全廠熱力方案中心，不但是熱力方案成敗的關鍵，也是白砂糖色值指標的關鍵控制點，更是轉化損失的重要控制點。基于這三個關鍵要素，各國制糖企業對蒸發罐的選型和自控系統裝備均非常重視，很多糖廠都配備了最強最先進的裝備，但在實際生產中發現，最終結果與設想仍有一定差距。本文針對緬甸某糖廠蒸發系統的實際使用情況，對蒸發罐設備的優缺點進行分析，對自控系統邏輯等各個方面逐一論述，以期為制糖生產中蒸發罐的使用和改進提供參考。

1 蒸發罐實際使用情況

緬甸某糖廠自2014年技改擴建后，清凈車間蒸發罐1～4號由TWX系列蒸發罐（以下稱標準蒸發罐［1］）改為無內外循環管的單程蒸發罐（以下稱單程蒸發罐［2］），5～6號為標準蒸發罐。罐身安裝有液位檢測設備，罐與罐之間過汁閥門采用自動控制，蒸發面積分別是4000、4000、4000、2600、1600和1600 m2，最小蒸發總面積為13800 m2，最大蒸發總面積為16200 m2，2014/2015年榨季平均日榨量5800 t，2015/2016年開榨后只能維持6000 t日榨量，超過后蒸發罐無法正常濃縮糖漿，生產難以正常進行。經多方分析查證，發現該廠操作人員經常將前幾效蒸發罐液面控制較高，后幾效液面控制較低，液面升高以后，全部壓在蒸發罐花板上面，造成加熱管內壓力升高，糖液沸點升高，熱效率降低，同時液面也阻礙了蒸汽排出，進一步降低了蒸發強度，蒸發運行惡化后，糖漿錘度降低，只能進一步壓高蒸發罐液面，形成惡性循環，最后只好降低榨量或停榨來處理物料，生產波動非常大，導致無法進行正常生產。其主要原因是該廠員工只會操作傳統標準蒸發罐，對單程蒸發罐缺乏認知。單程蒸發罐的設計目的是要縮短糖汁在蒸發罐中的停留時間，最大限度減少轉化損失，降低色素生成。單程蒸發罐由于沒有降液管，糖汁從加熱管跳出上花板后就只能排往下一效罐，即來即過，不能在花板上積壓，以不串汽來調節過汁閥門。經調整操作方法后，生產情況全面好轉，經過兩年操作固化，現己達350 t/h生產量，效益十分可觀。雖然蒸發能力得以提高，但糖漿純度與清汁純度差并未改善，糖漿色值與清汁色值差達400～600 IU，開始使用單程蒸發罐的第一年還發生了一效蒸發罐部分加熱管被焦糖堵死的情況。單程蒸發罐設計初衷是好的，但實際使用效果不盡人意。前人曾進行過生產應用及理論分析，最后放棄了單程蒸發罐在實際生產中的應用［3］。

結合該緬甸糖廠的實際使用情況，發現單程蒸發罐存在如下缺點：①烘干現象突出，除單程蒸發罐自身帶來的加熱管上部容易烘干外，還存在來汁不均造成的干罐現象及全廠用汽波動（來汁不均以快速沉降器配套使用時更為突出）；②該糖廠采用蒸發罐自動控制系統，控制邏輯為標準蒸發罐的控制邏輯，與設備實際需要的控制邏輯脫節，多數時間只能手動控制，控制邏輯有待開發改進。

2 蒸發罐工作狀態分析

糖汁在加熱管中從管子底部到頂部的各段存在不同形態［4］：（1）在管子底部，糖汁的溫度一般未達沸點，需繼續升溫，為預熱階段。由于管子下部糖汁受到上方液體的靜壓力，其沸點高于上方，故即使入料溫度已達上方的沸點溫度，管子下段仍需繼續升溫。該預熱段因未沸騰，傳熱過程的機理同一般加熱器，因糖汁流速很低（通常標準蒸發罐低于0.1 m/s，比加熱器中低很多，該廠單程蒸發罐僅為0.0082 m/s），故傳熱效率很低。（2）在管子中下部，糖汁沿管子上升，糖汁溫度逐步升高，先產生邊界層沸騰，在糖汁溫度達該處沸點后，糖汁強烈沸騰產生越來越多的汽泡，糖汁湍流加劇傳熱迅速升高。（3）在管子中部，大量的小汽泡合并成大汽泡，占據管子的大部分面積，形成塞狀或炮彈狀汽泡，糖汁被擠到汽泡與管壁之間，傳熱進一步升高。（4）在管子中上部，隨管中糖汁的氣相體積繼續增大，氣體流速更快，糖汁被氣流強烈沖刷成為環狀薄膜，且越來越薄，傳熱升高到最大值。（5）在管子頂部，管壁上的糖汁薄膜部分被烘干，且烘干部分逐漸增大，由于管壁對氣體的傳熱系數遠低于液體，傳熱明顯下降。單程蒸發罐在使用時，加熱管中糖汁液面較低，該工作段較長，會存在嚴重烘干現象，具體表現為糖漿色值升高、純度降低，一效罐特別嚴重時會出現焦糖堵塞加熱管。

根據加熱管從低到高五個階段可看出，生產真正需要的是第四個階段，減小第一和第二個階段，避免第五個階段出現。單程蒸發罐由于無循環糖汁，通過加熱管的糖汁減少，加熱管長度己成型而無法改變，第五階段的出現成為必然，一效罐以后各罐已難于改善這種狀況，而一效罐則可通過降低入罐糖汁溫度及減少進氣方法實現增大預熱階段減少烘干階段。這樣處理后蒸發效能極大降低，但即使不進行處理，第五階段同樣存在傳熱差問題，會浪費設備資源，設備利用率低，生產能力下降。以標準蒸發罐改型為單程蒸發罐，從效果上看得不償失。

3 標準蒸發罐與單程蒸發罐對比分析

根據霍漢鎮的《制糖工藝與裝備的新概念與新實踐》［4］分析方法，結合該廠實際生產情況，對影響蒸發罐傳熱最大的液相比進行計算分析。以日壓榨甘蔗量8640 t對比分析，第一效蒸發罐加熱面積4000 m2，有加熱管9952條，管子內徑為38 mm，長3.2 m，入罐清汁量為335 m3/h蒸發量為115 t/h，汁汽溫度為120 ℃。從理論上說明蒸發罐加熱管上部易烘干，造成糖漿成色值升高及純度降低，分析如下：

單程蒸發罐：加熱管總橫截面積9952×3.14×（0.038/2）2=11.28 m2；如果蒸發罐沒有循環，清汁只經過加熱管一次，則進入加熱管的清汁流速為335/（3600×11.28）=0.0082 m/s；汁汽在120 ℃下的比容為0.8917 m3/kg，汁汽總體積為115000×0.8917=102545.5 m3/h；蒸發后糖汁體積為335-115=220 m3/h；管子出口處汽液混合物中液相的體積比為220/（102545.5+220）×100%=0.21%。

標準蒸發罐：主要特點是在罐中央裝設一個直徑較大的降液管和幾根直徑稍小的外降液管。降液管使加熱管流出的糖汁可經其回流到罐底，再次進入加熱管，反復循環。這種措施實質上增大了進入加熱管的糖汁總量和液相流速，循環的糖汁量對入料量的比例稱為循環倍數，實際數值與設備結構尺寸和操作控制有關，一般為3～5倍，循環管的截面積與全部加熱管總截面積的比例多數為10%～20%。實測數據說明，蒸發罐裝設降液管可使傳熱系數提高30%～50%，因此在蒸發罐發展的早期，裝設降液管被認為是一種重要的改革。

在標準蒸發罐中，如果循環汁量為入汁量的5倍，即為335×5=1675 m3/h，則進入加熱管的液相流速增加到（1675+335）/（3600×11.28）=0.041 m/s。管子出口處混合物中液相體積比升高到（1675+220）/（102545.5+1675+220）×100%=1.81%。

在糖汁蒸發過程中汽相或液相的相對比例變動情況［4］：在管子底部，汽相體積很小，液體接近100%，傳熱比較低；隨管子向上，混合物中汽相比例增大，液相降低，傳熱逐漸升高，當汽相體積比由50%增至90%，即液相由40%降至10%時，傳熱由約4000 W/m2·K升高至7000～8000 W/m2·K；當汽相體積比再增至95%～99%，即液相降至4%～1%時，傳熱升高至10000～13000 W/m2·K；當汽相體積比超過99%，即液相低于1%時，傳熱急劇降低。而對于濃糖液，最高的汽相體積比例較低，約為80%～90%，即液相為10%～20%（因濃糖液粘度大，潤濕管壁的作用較弱）。理論上在沸騰形成的混合物中汽相比例上升時，傳熱增大，說明更多的汽泡或汽流增強了糖汁的湍流和對加熱面附近邊界層的沖刷，有效加速了傳熱。但在液相比例過低，稀糖液為1.5%～2%，濃糖液為10%時［5］，傳熱急劇下降，說明管子表面有部分被烘干，即糖汁對管壁的潤濕不足，要避免這種情況發生。標準蒸發罐5倍循環量的液相占比達1.81%，剛好達不烘干的要求范圍，在這種情況下，管子頂部被液體潤濕的狀況好轉，烘干的可能性極大減少。可見，蒸發罐內的糖汁循環提高了管子上部汽液混合物中的液相比例，并使之達適當數值，克服了單程蒸發罐烘干的弊端，標準蒸發罐一般糖漿增色200～300 IU，純度差＞0，pH降低0.3左右。而緬甸該糖廠單程蒸發罐經兩年統計，糖漿增色402 IU，純度差<-0.2，pH降低0.65。并且單程蒸發罐液相體積比則只有0.21%，遠低于液相比例不發生烘干的最低值1%，管子頂部必因糖汁潤濕不足發生局部烘干現象，導致傳熱惡化，糖漿質量降低。加熱管上部烘干后，由于管壁對汽體的傳熱系數遠低于液體，所以導致蒸發強度降低，單程蒸發罐生產能力遠低于標準蒸發罐，要達到相同生產能力，需加大蒸發面積來實現，通常標準蒸發罐五效真空蒸發一效罐蒸發強度一般在35～40 kg/m2·h，而該糖廠只達28.75 kg/m2·h就很難再突破，說明加熱管上部烘干后蒸發強度降低，降低值為17.9%。如果把蒸發罐改回標準式蒸發罐，在現有汽壓不變的前提下，蒸發罐生產能力可提高17.9%，壓榨生產能力可提高17.9%-6.9%=11%（原來為提高榨量滲透水只添加18.1%，生產需要添加25%左右，6.9%是為提高壓榨收回而增加的滲透水量），即可達8640×1.1=9504 t的日榨量，并保證壓榨滲透水的正常添加，確保壓榨收回率，生產潛力得到充分發揮。針對一年生產時間約140 d的工廠，約可縮短14 d左右的榨季，經濟效益將十分可觀。

4 單程蒸發罐自控系統的控制邏輯

該糖廠2014年技改擴建后并未對蒸發自控系統進行更新改進，而是使用標準蒸發罐的控制邏輯，即：由一效蒸發罐汽鼓壓力控制進汽閥門開度；由一效蒸發罐液位控制清汁泵轉速；由糖漿錘度控制末效罐出料閥開度；末效罐液位控制四效罐出料閥開度，以此類推直至一效罐液位控制清汁泵轉速為止。標準蒸發罐的控制邏輯與單程蒸發罐的控制邏輯有本質區別，單程蒸發罐不能控制液位，糖汁從加熱管上跳后就立即排出，從視鏡上看不到真液位。如果在管板上方保持液位，除增加停留時間外，高位的糖汁影響加熱管內糖汁的汽化，導致蒸發效能下降，液位越高，負面影響就越大。為防止串汽，應改成其他控制方式（有專家建議采用U型管的過汁方式）。此外，糖汁“來多少走多少”，一效蒸發罐進料控制應采用流量控制，從而保證整個蒸發系統運行平穩。因此，單程蒸發罐自動控制邏輯建議調整為：由一效汽鼓壓力控制進汽閥門開度；由糖漿錘度控制末效罐出料閥門開度；由末效罐液位對清汁泵轉速進行控制；一效至末效之間的過汁管加裝U型管［6］，防止串汽，生產時過汁閥門全開。但該控制方案僅為設想，在實際生產中并無試驗驗證，僅作設計參考。

5 結語

單程蒸發罐雖能最大限度縮短糖汁在蒸發罐中的停留時間，但經過實際使用并未達改型設想的效果。要實現單程蒸發罐的理想效果，可能只有從增大相同面積的蒸發罐直徑，縮短加熱管來實現，但具體加熱管長度多少能達單程蒸發罐的理想效果，還有待相關專家共同研究開發。

參考文獻

［1］ 華南工學院. 糖廠技術裝備（第三冊）［M］. 北京：輕工業出版社，1983.

［2］ 馮佰華，時鈞，汪家鼎，等. 化學工程手冊（第2卷）［M］. 北京：化學工業出版社，1989.

［3］ 科列斯尼柯夫. 糖廠熱能管理［M］. 楊倬等譯. 北京：輕工業出版社，1988.

［4］ 霍漢鎮. 制糖工藝與裝備的新概念與新實踐［M］. 全國甘蔗糖業信息中心，2002.

［5］ Zangrodzki S，賈沛珍. 有效溫度差對傳熱系數的影響［J］. 甘蔗糖業，1979（6）：49-53.

［6］ 劉長戰，郭凱，宋明新，等. 糖廠蒸發系統的控制邏輯及蒸發罐的結構改進［J］. 甘蔗糖業，2018（5）：46-50.