王占軍* 張華蘭 唐鴻亮 周 浩

（1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術研究所 2.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所）

蒸發(fā)是重要的化工單元操作之一。蒸發(fā)操作采用加熱方法，溶液在沸騰或閃蒸狀態(tài)下，使溶液中的水分或其他具有揮發(fā)性的溶劑汽化，保持溶液中的溶質不變，從而濃縮溶液。因此，蒸發(fā)是熱量傳遞的過程，傳熱速率是蒸發(fā)工藝中的重要參數(shù)。蒸發(fā)設備即為熱交換設備。目前，行業(yè)內(nèi)使用的蒸發(fā)濃縮設備多達30 余種，而且部分形式已經(jīng)定形且系列化量產(chǎn)。我國在蒸發(fā)機理和蒸發(fā)傳熱等基礎理論工作中取得了十分可喜的成果[1-2]。

水平管噴淋降膜蒸發(fā)器具有蒸發(fā)強度大、傳熱溫差小、傳熱系數(shù)高、便于除垢維修等優(yōu)點，被廣泛應用于不同的項目，尤其是大量應用于制漿造紙廢液資源化利用項目[3]。但目前，針對水平管噴淋降膜蒸發(fā)器多效蒸發(fā)工藝設計計算的研究卻較少。以某實際項目為例，根據(jù)實際工藝操作條件計算所需的換熱面積，并以各效蒸發(fā)器加熱面積相等為原則，采用試差法根據(jù)蒸發(fā)器的熱量平衡計算出各效蒸發(fā)器傳熱的溫差、傳熱量及傳熱面積等參數(shù)。

1 設計任務

1.1 設計參數(shù)

以某公司日處理制漿黑液1 500 t 的項目為例，其蒸發(fā)濃縮溶液為制漿黑液，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要為黏合劑及木質素磺酸鹽干粉，主要設計參數(shù)如表1 所示，操作條件如表2 所示。

表1 設計參數(shù)

表2 操作條件

1.2 工藝流程

水平管噴淋降膜蒸發(fā)器多效蒸發(fā)工藝流程如圖1所示。

圖1 水平管噴淋降膜蒸發(fā)器多效蒸發(fā)工藝流程

提取工段的稀液經(jīng)細格篩進入稀液貯槽，經(jīng)計量、預熱后進入Ⅵ效蒸發(fā)器，循環(huán)泵將物料不斷打入蒸發(fā)器內(nèi)并噴淋在傳熱管外，物料從上至下流入熱井再進入循環(huán)泵形成循環(huán)。在規(guī)定的操作條件下，確保物料處于最佳蒸發(fā)狀態(tài)。蒸汽在冷凝器內(nèi)冷凝并貯存在閃蒸罐內(nèi)。濃縮后的物料重復循環(huán)的同時不斷被送入Ⅴ效蒸發(fā)器重復上述蒸發(fā)過程，進行進一步濃縮。利用真空泵使整個系統(tǒng)處于負壓環(huán)境且壓力逐效下降，物料依次按上述過程被送入前一效蒸發(fā)器，最后進入Ⅰ效蒸發(fā)器內(nèi)被濃縮至規(guī)定濃度并送入濃液貯槽。新鮮蒸汽經(jīng)自控降溫后進入Ⅰ效蒸發(fā)器內(nèi)作為熱源，產(chǎn)出的二次蒸汽則引入下一效蒸發(fā)器作為熱源。閃蒸罐可將冷凝水產(chǎn)生的蒸汽送回系統(tǒng)，從而充分利用其熱量。該過程中蒸汽和物料應維持穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)，并始終確保Ⅰ效蒸發(fā)器與工藝系統(tǒng)隔斷，泵入稀液或閃蒸罐內(nèi)的冷凝水洗滌傳熱管，防止管內(nèi)結垢，使其保持高效傳熱狀態(tài)。啟動循環(huán)泵不斷噴淋沖刷以除去傳熱管外的附著物，每3～4 h 切換一次。洗滌后的液體可通過洗滌泵回到稀液貯槽，實現(xiàn)整個系統(tǒng)零排放的目標。最后根據(jù)物料起泡和結垢狀況，酌情進行消泡和除垢處理。

2 多效蒸發(fā)工藝計算

2.1 基礎數(shù)據(jù)查詢

通過相關資料查詢到如下數(shù)據(jù)[4]。

（1） Ⅰ效蒸發(fā)器

加熱蒸汽壓為400 kPa（絕壓）時，溫度T1=143 ℃，蒸汽的焓H1=2 742 kJ/kg，汽化潛熱r1=2 138 kJ/kg，減溫器出口溫度為110 ℃，冷凝水的焓h1w=461 kJ/kg（110 ℃）。

二次蒸汽壓為89 kPa（絕壓）時，溫度T'1=96 ℃，蒸汽的焓H'1=2 671 kJ/kg，汽化潛熱r'1=2 268 kJ/kg。

出料黑液質量分數(shù)x1=40%，沸點為102 ℃（沸點升高6 ℃），黑液的焓h1=339 kJ/kg, 比熱容C1p=3.32 kJ/(kg·℃)。

進料黑液質量分數(shù)x2=23.91%，溫度為90 ℃，黑液的焓h2=327 kJ/kg，比熱容C2p=3.63 kJ/(kg·℃)。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)為1.60 kW/(m2·℃)。

（2） Ⅱ效蒸發(fā)器

加熱蒸汽壓為89 kPa（絕壓）時，溫度T2=96 ℃，蒸汽的焓H2=2 671 kJ/kg，汽化潛熱r2=2 268 kJ/kg；冷凝水的焓h2w=403 kJ/kg。

出料黑液的質量分數(shù)x2=23.91%，沸點為90 ℃（沸點升高4 ℃），黑液的焓h2=327 kJ/kg, 比熱容C2p=3.63 kJ/(kg·℃)。

進料黑液質量分數(shù)x3=17.47%，溫度為80 ℃，黑液的焓h3=302 kJ/kg，比熱容C3p=3.78 kJ/(kg·℃)。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)為1.95 kW/(m2·℃)。

（3）Ⅲ效蒸發(fā)器

加熱蒸汽壓為62 kPa（絕壓）時，溫度T3=86 ℃，蒸汽的焓H3=2 652 kJ/kg，汽化潛熱r3=2 291 kJ/kg，冷凝水的焓h3w=361 kJ/kg。

二次蒸汽壓為42 kPa（絕壓）時，蒸汽的焓

出料黑液的質量分數(shù)x3=17.47%，沸點為80 ℃（沸點升高3 ℃），黑液的焓h3=302 kJ/kg, 比熱容C3p=3.78 kJ/(kg·℃)。

進料黑液質量分數(shù)x4=13.90%，溫度為71.5℃，黑液焓h4=275 kJ/kg，比熱容C4p=3.87 kJ/(kg·℃)。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)為1.95 kW/(m2·℃)。

（4）Ⅳ效蒸發(fā)器

加熱蒸汽壓為42 kPa（絕壓）時，溫度T4=77 ℃，蒸汽的焓H4=2 636 kJ/kg，汽化潛熱r4=2 314 kJ/kg，冷凝水的焓h4w=322 kJ/kg。

出料黑液質量分數(shù)x4=13.90%，沸點為71.5 ℃（沸點升高2.5 ℃），黑液的焓h4=275 kJ/kg, 比熱容C4p=3.87 kJ/(kg·℃)。

進料黑液質量分數(shù)x5=11.63%，溫度為64 ℃，黑液的焓h5=252 kJ/kg，比熱容C5p=3.93 kJ/(kg·℃)。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)為2.0 kW/(m2·℃)。

（5）Ⅴ效蒸發(fā)器

加熱蒸汽壓為30 kPa（絕壓）時，溫度T5=69 ℃，蒸汽的焓H5=2 622 kJ/kg，汽化潛熱r5=2 333 kJ/kg，冷凝水的焓h5w=289 kJ/kg。

出料黑液質量分數(shù)x5=11.63%，沸點為64 ℃（沸點升高2 ℃），黑液的焓h5=252 kJ/kg, 比熱容C5p=3.93 kJ/(kg·℃)。

進料黑液質量分數(shù)x0=10%，溫度為60 ℃，黑液的焓h0=238 kJ/kg，黑液比熱容C0p=3.97 kJ/(kg·℃)。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)為2.2 kW/(m2·℃)。

2.2 蒸發(fā)水量計算

該設計任務的總蒸發(fā)水量為45 t/h，蒸發(fā)過程中無額外蒸汽抽出時，總的蒸發(fā)水量W 等于各效蒸發(fā)水量之和，即：

式中： ——總的蒸發(fā)水量，kg/h；

各效蒸發(fā)水量可根據(jù)下式計算：

各效中黑液的質量分數(shù)xn可根據(jù)下式計算：

各效物料流量為：

各效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量一般需先根據(jù)實際經(jīng)驗或試驗測試結果進行測算，再通過熱量衡算校核各效的實際蒸發(fā)水量。

2.3 蒸汽耗量及傳熱面積的計算

本工藝設計逆流進料，加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出時，各效蒸發(fā)器的熱量平衡計算式及參數(shù)計算式如下所示[5-8]。

2.3.1 第Ⅰ效加熱蒸汽的消耗量和傳熱面積

（1）加熱蒸汽的消耗量D1

第Ⅰ效蒸發(fā)器進口蒸汽有一個減溫過程，所以第Ⅰ效蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽溫度和蒸汽冷凝液溫度不同，蒸汽冷凝液溫度和減溫器出口蒸汽溫度相同。第Ⅰ效熱損失按3%計算。第Ⅰ效蒸發(fā)器內(nèi)的熱量平衡計算式如下所示：

（2）傳熱面積A1

第Ⅰ效蒸發(fā)器傳熱面積A1可按下式計算：

2.3.2 第Ⅱ效加熱蒸汽的消耗量和傳熱面積

（1）加熱蒸汽的消耗量D2

從第Ⅱ效蒸發(fā)器開始，其后各效蒸發(fā)器后一效的加熱蒸汽量即為前一效蒸發(fā)得到的二次蒸汽量，加熱蒸汽溫度和蒸汽冷凝液溫度相同，因此可得出第Ⅱ效蒸發(fā)器的熱量衡算式：

（2）傳熱面積A2

第Ⅱ效蒸發(fā)器傳熱面積A2可按下式計算：

2.3.3 第Ⅲ效加熱蒸汽的消耗量及傳熱面積

（1）加熱蒸汽的消耗量D3

從第Ⅲ效蒸發(fā)器開始，上一效蒸發(fā)器的冷凝水進入后一效的加熱蒸汽箱，利用兩效之間的壓力差回收冷凝水中的熱量，因此可得出第Ⅲ效蒸發(fā)器的熱量衡算式：

（2）傳熱面積A3

第Ⅲ效蒸發(fā)器傳熱面積A3可按下式計算：

式中： ——第Ⅲ效回收低溫位冷凝水熱量，kJ/h。

2.3.4 第Ⅳ效加熱蒸汽的消耗量及傳熱面積

（1）加熱蒸汽的消耗量D4

根據(jù)第Ⅲ效蒸發(fā)器的熱量衡算式可得出第Ⅳ效蒸發(fā)器的熱量衡算式：

（2）傳熱面積A4

第Ⅳ效蒸發(fā)器傳熱面積A4可按下式計算：

2.3.5 第Ⅴ效加熱蒸汽的消耗量及傳熱面積

（1）加熱蒸汽的消耗量D5

根據(jù)第Ⅳ效蒸發(fā)器的熱量衡算式可得到第Ⅴ效蒸發(fā)器的熱量衡算式：

（2）傳熱面積A5

第Ⅴ效蒸發(fā)器傳熱面積A5可按下式計算：

2.3.6 單位蒸汽耗量e

3 多效蒸發(fā)設計過程的計算復核

多效蒸發(fā)系統(tǒng)的設計計算工作量較大，操作參數(shù)需不斷調整，確保最后計算結果較為精確，多效蒸發(fā)工藝計算流程圖可見圖2。

圖2 多效蒸發(fā)工藝計算流程圖

4 結論

（1）計算時首先應根據(jù)操作條件估算蒸發(fā)水量和分配溫度差，然后才能確定料液及蒸汽的溫度、比熱容、焓、汽化潛熱等基礎參數(shù)，再進行熱量衡算，并計算各效蒸汽消耗量及各效傳熱面積。

（2）根據(jù)估算得到各效蒸汽消耗量、各效傳熱面積并復核各效有效溫度差，對各效料液沸點的初步估值進行復核，使其前后一致。

（3）一般蒸發(fā)系統(tǒng)使用的各效蒸發(fā)器面積均相等，如果各效傳熱面積不等，就需要改變相應操作條件，重新分配溫度差，明確各效的料液物性變化情況，重新進行有關計算，直至蒸發(fā)水量與傳熱面積符合設計條件。

（4）各效蒸發(fā)器的計算面積近似相等或在誤差允許范圍內(nèi)時，視為符合設計要求。每效蒸發(fā)器的蒸發(fā)換熱面積可定為540 m2,如考慮10%的裕量，則實際換熱面積Ai=540×1.1=594 m2。