姚洪齊，徐 晨

（常州中源工程技術有限公司，江蘇 常州 213126）

蒸發(fā)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(fā)結晶的操作原理是通過加熱將物質中的水分蒸發(fā)去除，從而得到某類物質結晶體，實現(xiàn)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(qū)域，設計適合的溫度，再將物料放入蒸發(fā)區(qū)域中，借助壓力控制作用使物料在某溫度下實現(xiàn)飽和，結合減壓方式讓水蒸氣蒸發(fā)，由于溶劑減少，物料蒸發(fā)后實現(xiàn)濃縮，以此產生晶體。在操作過程中，會有諸多因素對蒸發(fā)結晶產生影響，降低蒸發(fā)效率，如加熱設備、加熱面積、傳熱溫差等。同時，蒸發(fā)結晶操作過程中，可以使用的設備非常多。不同的化工企業(yè)會選擇不同的設備，而蒸發(fā)設備的總傳熱系數(shù)是明確、固定的，沒有什么可以擴展的空間。

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

1 傳熱溫差對蒸發(fā)結晶操作的影響分析

在蒸發(fā)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(fā)結晶設備的生產能力。蒸發(fā)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(fā)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(wěn)定。

1.1 產生表面結晶，影響傳熱性能

蒸發(fā)結晶作業(yè)，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(qū)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(qū)域的流體基本上會直接沸騰。傳熱溫差差異系數(shù)越大，局部出現(xiàn)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(xiàn)象。這種現(xiàn)象對整個蒸發(fā)結晶并非不利，這種受熱過程出現(xiàn)局部沸騰會增強流動效率，可以有效滿足單純蒸發(fā)、升膜蒸發(fā)的需求。

但在蒸發(fā)過程中，因部分物料出現(xiàn)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(shù)降低。從這種現(xiàn)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(shù)會降低，傳熱系數(shù)會越來越小。從蒸發(fā)結晶過程可知，鹽類介質物料導熱系數(shù)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(xiàn)高效率并不符合。傳熱溫差差異更大，往往會讓靠近加熱區(qū)域的物料不斷沸騰，而且持續(xù)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(shù)提升，影響熱能利用

蒸發(fā)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(shù)區(qū)間，只是差異2°～3°可以不用考慮。因此，在蒸發(fā)結晶過程中主要是發(fā)揮水的汽化潛熱。結合熱力學第一定律規(guī)定，可以不考慮外發(fā)揮作用，只關注鍋爐中開始出現(xiàn)的水蒸氣，不管產生什么作用，所發(fā)揮的熱量作用是明確的數(shù)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(fā)結晶設備在加熱過程中，蒸汽壓力越低在蒸發(fā)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(fā)結晶作業(yè)過程為核心。蒸發(fā)區(qū)域壓力強度是確定的，蒸發(fā)溫度也是設置好的，這時傳熱溫度增高，蒸發(fā)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(fā)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(yè)使用的蒸發(fā)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(fā)，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(fā)區(qū)域，實現(xiàn)減壓蒸發(fā)，讓結晶蒸發(fā)一同進行，逐步產生結晶[4]。操作過程中，需要保障蒸發(fā)過程的穩(wěn)定性，針對蒸發(fā)容器設備中的物料，合理利用液態(tài)靜壓，確保溶液不會在加熱區(qū)域出現(xiàn)沸騰，也不能在加熱室、加熱表面形成結晶。如果蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)過程，要減少熱阻的出現(xiàn)，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(shù)值成反比，管道內部出現(xiàn)的流速成反比例關系[5]。在蒸發(fā)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(shù)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(huán)全面分析加熱過程，促進管道內物料加速。而且，在蒸發(fā)結晶實際操作過程中，往往可以實現(xiàn)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(shù)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(fā)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(qū)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(fā)結晶產生的傳熱溫差。在操作過程中，需要先明確蒸發(fā)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(tǒng)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(xiàn)節(jié)能目標。按照節(jié)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(xiàn)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(fā)結晶系統(tǒng)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(xù)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(qū)域沸點變化情況；根據(jù)加熱區(qū)域物料表面溫度高低，與局部區(qū)域的沸點溫度進行對比，確保物料主流溫度不超過蒸發(fā)區(qū)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(shù)不容易得到，或者計算過程非常復雜，如傳熱膜系數(shù)。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(fā)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(fā)過程，選擇范圍存在差異。單效蒸發(fā)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(fā)過程需要將傳熱誤差確定在30℃左右。

因此，在蒸發(fā)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(fā)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(yǎng)

蒸發(fā)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(fā)揮更大的優(yōu)勢。從現(xiàn)有設備使用過程來看，如果降低設備尺寸，會產生諸多不穩(wěn)定的因素，影響生產過程。這需要結合現(xiàn)有使用過程和當前生產要求，合理優(yōu)化設備，滿足蒸發(fā)結晶作業(yè)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(wěn)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(fā)結晶生產效率提供保障。

蒸發(fā)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(yè)人員來進行，這就需要加大專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，建設高素質人才隊伍，更好地推動化工行業(yè)發(fā)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(yè)當前實際需求、人員職業(yè)發(fā)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(yè)知識，實現(xiàn)理論素養(yǎng)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(jù)，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(fā)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(yǎng)高、實操操作技能強的專業(yè)人才。

另外，設備研發(fā)工作的開展對于化工行業(yè)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(yè)發(fā)展。因此，需要更加關注人才對化工企業(yè)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(wěn)定提升。

3 結語

在市場經濟發(fā)展中，企業(yè)間的競爭更加激烈，大量企業(yè)開始出現(xiàn)生存和發(fā)展困難，化工企業(yè)面臨同樣的發(fā)展挑戰(zhàn)。再加上經濟發(fā)展過程中能源緊缺、污染問題嚴重化，促使各國開始提倡節(jié)能減排，保障社會經濟的全面發(fā)展、和諧發(fā)展。蒸發(fā)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(fā)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(fā)結晶的需求?？傊瑐鳠釡夭羁梢詫φ舭l(fā)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(fā)結晶生產效率，以此推動化工行業(yè)發(fā)展。