管式降膜蒸发器

2012-11-22毕旺华王继舜

中国造纸 2012年4期

关键词：黑液管式液膜

毕旺华牛量王继舜

(天津市恒脉机电科技有限公司，天津，300384)

管式降膜蒸发器

毕旺华牛量王继舜

(天津市恒脉机电科技有限公司，天津，300384)

介绍了管式降膜蒸发器的结构、工作原理和特点，并介绍了以管式降膜蒸发器组成的管式降膜蒸发站在草浆、苇浆、竹浆及木浆制浆黑液等的碱回收项目中的应用。

管式降膜蒸发器;黑液;碱回收

管式降膜蒸发器在食品、化工、海水淡化、造纸等行业现已被广泛应用，特别是在制浆碱回收蒸发中发挥着重要作用。管式降膜蒸发器具有结构简单，投资低，传热效率高，加热面易清洗，耗电量低，出液浓度高，操作弹性大且结构牢固、容易维修，使用寿命长，不易结垢等特点，目前在国际蒸发器产品中已成为主流。随着薄壁不锈钢管材的供应在国内得到解决，今后管式降膜蒸发器将会成为国内蒸发站的第一选择。此外根据黑液特性的要求，管式降膜蒸发器的加热管还可选择为碳钢材质，这可大大降低投资成本。

1 管式降膜蒸发器的结构及工作原理

管式降膜蒸发器结构简单，由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。

管式降膜蒸发器加热蒸发室是由壳体、上管板、隔板、下管板和加热管等构成。壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性合理设置加强结构。壳体、加热管和管板的材质可根据介质性质或用户使用要求，选用碳钢或不锈钢材质。加热蒸发室的中心为内置循环管，其余部分为均匀分布的加热管。经内置循环管预热并输送至上管板上部分配盘的黑液，由分配盘均匀地分布在管板的管桥上，再沿加热管内壁呈膜状流下，同时进行传热蒸发。此外，由于从黑液中蒸发出的二次蒸汽快速向下流动，将黑液液膜吹得更薄、流速更快，使传热热阻大大降低，传热系数更高。由于是液膜蒸发，降低了传热热阻，也没有由于静液位压力引起的沸点升高，故用于加热的有效温差提高，所以，管式降膜蒸发器的传热系数和热效率均高于传统的蒸发器。管式降膜蒸发器既保留了降膜蒸发器传热效率高、运行周期长、操作弹性大等优点，又解决了其他降膜蒸发器耐压性能低、易破裂、不易维修等缺点。另外，黑液在加热管壁上形成的垢可以用高压水、机械方法、化学方法等进行清洗，清垢方便易操作。

黑液在管式降膜蒸发器内蒸发时，循环泵从汽液分离室内将黑液抽出，通过泵出口的内置循环管将黑液输送到蒸发器顶部的分配盘，通过分配盘均匀分配后，黑液自加热管内壁呈膜状自由流下，加热管流下的黑液及二次蒸汽在汽液分离室分离，完成一个循环蒸发过程。管式降膜蒸发器工作原理见图1所示。

图1 管式降膜蒸发器工作原理图

对于二次冷凝水，可根据用户或实际生产的需要，将设备和系统设计为能出几种不同COD值的二次冷凝水。COD值最高的二次冷凝水被称为重污冷凝水，重污冷凝水用汽提塔进行汽提，汽提后可回收利用，汽提后的臭气送石灰回收炉或锅炉燃烧，这样可将蒸发站的臭味和冷凝水的污染降至最小。

管式降膜蒸发器的分配盘是将黑液均匀分布于各个加热管及加热管内表面的部件。由于黑液性质的不同，以及各效蒸发器黑液黏度的变化，其结构及尺寸也相应改变。分配盘可制作为多块，便于制造、维护和清理。分配盘可根据黑液浓度的不同设置为二层或一层，以达到更好的分配效果，使黑液可以更均匀地加热蒸发。

由加热管流出的黑液及二次蒸汽在汽液分离室内分离，并且进行黑液的二次蒸发。大部分黑液经循环管、分配盘再次回到加热管，以保持加热管内壁布满液膜，少部分黑液经出口送出，继续蒸发浓缩或作为产品输出。二次蒸汽则经除雾器除去蒸汽中的雾滴后，进入下一效体作为加热源或进入冷凝器冷凝。

汽液分离室的壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性合理设置加强结构。汽液分离室壳体的材质可根据黑液性质或用户使用的要求，选用碳钢或不锈钢。

除雾器是将二次蒸汽中夹带的液滴分离出来，以减少蒸发损耗及防止将黑液带入冷凝水中造成对冷凝水的污染。除雾器的结构为立式折流百叶式，是由多片百叶式的不锈钢板片相隔一定的间隙组合而成。二次蒸汽经过除雾器的间隙时，夹带的雾滴撞击板片被截流下来，有效地除去了蒸汽中的雾滴。这种除雾器的优点是除雾效果好，阻力小，易清洗，使用寿命长。

管式降膜蒸发器循环管采用内置循环管结构，对循环黑液起到预加热的作用，使黑液快速达到沸点，从而缩短了加热元件对黑液的预热时间，提高了蒸发器的有效蒸发面积。

2 管式降膜蒸发器的特点及分析

2.1 传热效率高

传热效率与导热系数是密不可分的，对于蒸发器来说，影响导热系数的因素有几个方面:①加热元件;②黑液液膜厚度;③冷凝水液膜厚度。

(1)加热元件管式降膜蒸发器加热元件材料根据黑液不同可选用1．20～1．25 mm不锈钢管或3 mm碳钢无缝钢管。当选用不锈钢管时，加热管壁较薄，导热系数高;当选用碳钢无缝钢管时，虽然加热管壁较厚，但碳钢导热系数要比不锈钢高出近3倍，所以加热管导热系数仍然很高。

(2)黑液液膜厚度管式降膜蒸发器加热管液膜与二次蒸汽流向相同，而蒸汽流速较快，是黑液液膜的几倍，它可以把液膜吹得更均匀、更薄，降低了热阻，流速更快，提高了传热效率。

(3)冷凝水液膜厚度冷凝水液膜厚度越大，热阻也越大，而冷凝水沿加热元件自上而下流动，液膜逐渐变厚，会降低传热效率。管式降膜蒸发器一般加热管长9～12 m，加热室内设有多层隔板，把下降的冷凝水分段截流，使沿管壁下流的冷凝水液膜不会变得越来越厚，从而降低了冷凝水液膜的热阻，提高了传热效率。

另外，管式降膜蒸发器循环管采用内置结构，对循环黑液起到预加热的作用，使黑液快速达到沸点，从而缩短了加热元件对黑液的预热时间，提高了有效蒸发面积。

2.2 耐压高、使用寿命长

管式降膜蒸发器加热元件组是由加热管与上、下管板焊接或胀接而成，加热元件组接点少，使用寿命长，加热管的承压性能好、耐压高。例如，现在国内出黑液浓度最高的蒸发站，是海南某厂的管式降膜蒸发站，其木浆黑液出效浓度可高达80%，如此高浓度黑液的流动性需要较高的温度、压力才能保证，这也说明管式降膜蒸发器是可以承受很高压力的。

2.3 易维修

管式降膜蒸发器的结构简单，加热管上下只有两个胀接口或环焊缝。如果在使用过程中，一旦出现了加热管漏液情况，在时间允许的情况下，可以把损坏的加热管抽出更换;系统条件不允许较长时间停机时，也可以先把漏液加热管两端堵塞住，产生的影响仅仅是加热面积受一些损失，而一根9 m长的加热管加热面积为1．442 m2，对整个蒸发器来说蒸发面积的损失量很少，少量堵塞管不会影响系统的正常运行。

2.4 分配盘垢片易清理

管式降膜蒸发器布液盘是开放式结构，黑液由循环管直接进到分配盘上，如果有垢片，在流动的黑液作用下，垢片会处于悬浮状态，基本不会滞留在一处而堵塞布液孔。当有大量垢片需要停机清理时，操作人员可以通过人孔进入上管箱，很容易对开放的分配盘进行垢片清理。

2.5 加热面结垢易清除

结垢的难易，这只是一个结垢时间长短的问题，既然是蒸发器，就必然会有结垢情况，这已是蒸发器的一个症结所在。一旦结垢，就会降低系统的蒸发效率，因此也就需要操作人员除垢清理。管式降膜蒸发器清垢比较简单易操作，操作人员可通过上、下人孔进入蒸发器，蒸发器管箱内有很大的操作空间，只需打开布液盘，就可以对每一根加热管进行清理，而且没有死角，能彻底清理加热管的垢层。

结垢应该是所有人都非常关心的问题，对各种形式蒸发器来说结垢问题是不可避免的，只是结垢速度的快与慢。对于加热元件，其加热表面的光滑程度直接影响结垢的快慢。管式降膜蒸发器加热管内外壁都是光滑的，光滑的加热表面不易结垢。再就是管式降膜蒸发器循环管内置，对循环黑液起到预加热的作用，减小了黑液与加热蒸汽间的温差，从而减轻了黑液的结垢程度。

2.6 现场组装工作量小

对于小型设备，管式降膜蒸发器可整体发货，到现场后只需与支腿进行组装即可;对于大型设备，管式降膜蒸发器加热蒸发室可整体发货，到现场后只需将加热蒸发室和汽液分离室组装焊接即可。另外，管式降膜蒸发器循环管采用内置结构，其在设备出厂前已制作完毕，无需再由安装人员现场组装，减少了现场组装的工作量。

2.7 与其他管式蒸发器的对比

一直以来对管式降膜蒸发器有个认识的误区，认为管式降膜蒸发器容易结垢，蒸发效率低。其实不然，这种误区是建立在目前国内使用管式升膜蒸发器及短管蒸发器易结垢、出效浓度低、效率低的认识上。如长管升膜蒸发器，黑液约在1/3液位处开始沸腾，蒸汽带动黑液在管内形成上升的液膜，上升的液膜受进液量、进液温度及加热蒸汽工况等多方面的影响，很难保证以膜状形式蒸发。当进液量小时，加热管上部很容易出现干管情况，因此造成结垢;当液位偏高时会出现满管状态，传热差、易结垢，由于液柱静压力引起的沸点升高，降低传热温差，传热效率下降。

而管式降膜蒸发器虽然同样是管式蒸发器的一种，但无论从结构形式还是工作原理上，与以上两种管式蒸发器是完全不同的，管式降膜蒸发器关键是降膜蒸发，它具备了降膜式蒸发器的所有优点:

(1)液膜蒸发，在低温差下具有良好的传热性能，蒸发效率高。

(2)没有静液位引起的沸点升高，有效温差提高。

(3)液膜由循环泵保证，不易结垢，生产能力调整范围大。

(4)浓黑液的浓度比其他形式蒸发器高。

此外，管式降膜蒸发器还有其他降膜蒸发器不具备的例如承压能力高、设备运行稳定性强等特点。

3 在制浆黑液碱回收项目中的应用

以管式降膜蒸发器组成的蒸发站——管式降膜蒸发站，在制浆造纸碱回收工段已被广泛应用。目前在国内草浆、苇浆、竹浆及木浆等黑液的碱回收项目中，笔者所在公司设计的多套管式降膜蒸发站已成功运行。

(1)新疆博湖苇业股份有限公司蒸发水量80 t/h的3#芦苇浆黑液管式降膜蒸发站于2006年11月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为12%，温度80℃，出蒸发站浓黑液浓度为55%，温度110℃。

(2)湖南绥宁县宝庆联纸有限公司蒸发水量50 t/h的3#木浆黑液管式降膜蒸发站于2007年3月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为13．6%，温度75℃，出蒸发站浓黑液浓度为＞55%，温度110℃。

(3)湖南绥宁县宝庆联纸有限公司蒸发水量75 t/h的4#木浆黑液管式降膜蒸发站于2008年3月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为13．6%，温度75～80℃，出蒸发站浓黑液浓度为55%，温度108℃。

(4)山东泉林纸业有限责任公司蒸发水量100 t/h的3#麦草浆黑液管式降膜蒸发站于2008年3月成功运行。该蒸发站为六效七体管式降膜蒸发站，其中Ⅰ效两体，可相互切换出浓黑液，处理稀黑液浓度为11%，温度≥70℃，出蒸发站浓黑液浓度为≥45%，温度110℃。

(5)宁夏沙湖纸业 (集团)有限公司蒸发水量63 t/h的麦草浆黑液管式降膜蒸发站于2008年4月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为9%，温度＞50℃，出蒸发站浓黑液浓度为55%，温度108℃。

(6)湖南会同宝庆恒达有限公司蒸发水量75 t/h的2#木浆黑液管式降膜蒸发站于2008年5月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为13．6%，温度75～80℃，出蒸发站浓黑液浓度为55%，温度108℃。

(7)中冶纸业银河有限公司蒸发水量100 t/h的4#麦草浆黑液管式降膜蒸发站于2008年12月成功运行。该蒸发站为六效七体管式降膜蒸发站，其中Ⅰ效两体，可相互切换出浓黑液;处理稀黑液浓度为10%，温度≥75℃，出蒸发站浓黑液浓度为≥43%，温度110℃。

(8)广东省韶能集团股份有限公司珠玑纸业分公司蒸发水量65 t/h的2#竹浆黑液管式降膜蒸发站于2010年1月成功运行。该蒸发站为五效五体管式降膜蒸发站，处理稀黑液浓度为13．6%，温度≥75℃，出蒸发站浓黑液浓度为 55% ～60%，温度110℃。

(9)此外，山东泉林纸业有限责任公司亚洲开发银行贷款山东省海河流域污染治理项目蒸发水量350 t/h的麦草浆黑液管式降膜蒸发站正在安装施工过程中，该蒸发站为六效十一体管式降膜蒸发站，其中Ⅰ效四体，可三体工作、一体在线洗涤;Ⅱ效三体，可二体工作、一体在线洗涤;处理稀黑液浓度为12．6%，温度≥70℃，出蒸发站浓黑液浓度为60%，温度120℃。

4 结语

采用全管式降膜蒸发站，传热系数和有效温差都得到提高，热效率被大大提高。再加以各效冷凝水和进效稀黑液、出效浓黑液潜热的有效利用，能量消耗可降至最低。管式降膜蒸发器以其独特的优点和高效、节能及运行的稳定性，已成为国内、外蒸发站发展的主流蒸发器。

Tube Falling-film Evaporator

BI Wang-hua*NIU Liang WANG Ji-shun
(Tianjin Hengmai Electromechanical Technology Co．，Ltd．，Tianjin，300384)

The structure，working principle and characteristics of tube falling-film evaporator and the application of tube falling-film evaporator in the recovery of black liquor in straw，reed，bamboo and wood pulping were introduced in the paper．

tube falling-film evaporator;black liquor;black liquor recovery

TS733+．9

0254-508X(2012)04-0046-04