提高蒸发系统有效温差的意义及方法

王勇

摘 要：影响蒸发结晶设备能力的因素有蒸发系统的设备形式、加热器换热面积及有效传热温差，中试厂蒸发器的类型 ，加热器的面积和材质，都是已经安装好定了型的，所以提高传热效率的最有效手段，在于增加有效温差，本文阐述了有效温差的概念及意义，分析了我厂蒸發结晶工序有哪些温差损失，并从这些温差损失入手，采取有效手段减少温差损失，增加有效温差，提高蒸发效率。

关键词：蒸发结晶;传热温差;有效温差;温差损失;蒸发效率

1 提高有效温差的意义

氧化铝中试厂自主研发了“一步酸溶法”工艺技术，从粉煤灰中提取氧化铝、镓等产品，开创了工业化粉煤灰酸法生产氧化铝的世界先河，其中蒸发结晶工序是“一步酸溶法”工艺技术中非常重要的生产工序，随着我厂中试实验的不断深入、生产工艺的不断成熟，氧化铝产量的提升也就成了重中之重，这就要求我厂在现有的蒸发装置上不断改进，提高蒸发效率，提高氯化铝晶体的生产能力。

根据蒸发系统的传热速率公式：Q=K·A·Δt

传热速率Q越大，设备的使用效果越好，生产强度越高，我们的产量也越高。生产中我们要力求用有限的热量投入换取较高的传热速率。从上式可知，Q值大小与蒸发设备传热面积A、传热系数K以及传热的有效温度差Δt成正比。对于我厂来说，由于蒸发设备已成定局，则换热设备的换热面积A已成定值。从我们来说，提高传热速率的途径主要是从提高传热系数K值与增加换热的有效温度差Δt上下功夫。在假设进罐料液浓度不变，首效加热蒸汽压力稳定，循环泵转速不变的情况下，并在操作上做到不凝气、冷凝水及时彻底排除，罐内固液比控制适当，出料均匀稳定，则传热系数K可基本保持稳定值。则影响传热速率的关键因素是有效温度差Δt，所以我们要想在现有条件上提高蒸发效率，提高产量就必须想办法提高有效温差Δt。

2 有效温差的概念

我厂采用三效顺流蒸发系统，靠蒸汽加热的方式对氯化铝稀溶液进行蒸发、结晶，最后得到六水氯化铝晶体，蒸发过程中，真空蒸发系统能够顺利进行传热的前提条件是系统应具备传热温差，可以看做是系统传热推动力。我们可以用传热速率公式来定性的表述传热推动力，根据传热速率公式：

Q=K·A·Δt     （1）

式（1）中，Q值（传热速率）的大小即代表了我蒸发系统的蒸发能力，它与加热室的总传热系数（K）、加热室换热面积（A）及操作中的有效温差（Δt）均成正比。因为我厂蒸发器的类型，加热器的面积和材质，都是已经定型了的，所以总传热系数（K）和加热室换热面积（A）都基本为定值，在发掘的意义不大，那么有效温差Δt就成了影响蒸发效率和设备安全稳定运行的决定因素，那么什么是有效温差呢？

有效温差Δt指实际能用于传热推动的温度差，它的大小等于系统的传热总温差△T减去温差损失∑△得到的值。

即Δt=ΔT-Δ∑     （2）

式（2）中ΔT为传热总温差，蒸发系统的传热总温差△T等于第一效加热蒸汽的饱和温度T1与末效冷凝器的蒸汽饱和温度T3之差。

即ΔT=T1-T3     （3）

式（2）中Δ∑位温差损失，温差损失是指在传热和蒸发过程中，有一部分温度差不参与传热推动过程，实际上不起作用，这部分无功温差称为温差损失，记作：∑△，真空蒸发系统最大传热温差确定以后，由于采用多效蒸发，所以存在着各种温差损失。

根据公式（2）我们可以看出，蒸发系统有效温差Δt的大小取决于系统总温差ΔT和系统各种温度损失Δ∑的大小，系统总温差ΔT的值等于首效加热蒸汽的饱和温度T1与末效冷凝器的蒸汽饱和温度T3之差，而系统各种温差损失Δ∑则可以看作是系统各部分能量损失之和，我们只要想办法在提高系统总温差的同时，消除或者降低能量损失就可以增加有效温差，提高蒸发系统的蒸发效率。

3 分析温差损失

我车间的三效顺流蒸发系统的传热总温差为一效进气温度与末效冷凝器内的蒸汽温度之差。这个传热总温差我们可以看作是我们蒸发系统的发动机，但是在实际生产当中，传热总温差这个发动机所做的功没有全部转换为蒸发的推动力，有一部分功变为温差损失损失掉了，经过分析，我厂的蒸发系统温差损失大体可分为：物料的沸点升高引起的温差损失△1、管道阻力温差损失△2、闪发温差损失△3和过热温差损失△4，而我们的温差损失∑△就为四者之和，即：∑Δ=Δ1+Δ2+Δ3+Δ4

接下来分别来分析这四个温差损失。

3.1 物料的沸点升高引起的温差损失△1

我们知道，由于溶液的蒸气压比相同温度条件下的纯水的蒸气压要低，因此在一定的压力下，溶液的沸点要比纯水的沸点高，其差值成为该溶液的沸点升高，溶液的浓度越高，蒸气压越低，沸点也就越高，沸点升高值越大，由此可以看出，在一定条件下，沸点升高值越大，将溶液加热至沸腾需要的能量就越多。在生产中，经常由于一些因素会产生一些不必要的沸点升高，这些沸点升高会消耗系统的能量，产生温差损失。

我厂氯化铝溶液在蒸发沸腾过程中，沸点升高值不断变大的原因主要有两点，一是系统中物料浓度没有控制好，随着氯化铝溶液的浓度越来越高，溶液沸点也在一直升高，沸点升高值变大，二是分离式的压力没有控制好，氯化铝在沸腾蒸发过程中，分离室的压力超出正常值，压力的升高也会引起溶液沸点升高，此外氯化铝溶液中钙、镁离子杂质的存在，也会使沸点上升更高，当这些现象出现的时候，在同样的条件下，只有加热到更高的温度，供给跟多的能量时，溶液才能沸腾，这就是沸点升高引起的温差损失。

3.2 管道阻力温差损失△2

管道温差损失大体分为两部分，一是当加热管内液体流速较大时，管内摩擦损失进一步增大液体的平均压力，压力升高沸点升高，因而使温差损失随之增大，这部分损失很难定量计算;二是上效分离室闪发产生的二次蒸汽经管道进入下一效加热室时，其温度降低，引起温差损失。温度降低大小与二次蒸汽管的长短、管径大小、保温情况及蒸汽受阻的程度有关，适当加大二次蒸汽管径，并尽可能缩短管长，减小蒸汽所受阻力，可减小管道阻力温度损失。

3.3 闪发温差损失△3

一效、二效和三效的物料在各效加热室内被加热至过热状态，这部分过热溶液在离开加热室循环上升的过程中，由于静压力不断减小而逐步发生闪蒸，温度也随之下降，最后溶液都要循环进入分离室进行闪蒸，进入分离室后溶液要一直到达分离室液面处才能降到与分离室压力相当的沸点，溶液才能充分闪蒸，可是分离室内蒸发强度大，物料在不断循环，故停留时间短，如果加热室内加热后的物料到达分离室液面的距离过长，则一部分物料还未到达液面处充分闪蒸，就已经被新的高温物料所排挤，参加了下一次循环，这部分物料不但没有被充分的闪蒸，在被循环进入加热室后，还会使加热室内的氯化铝溶液温度升高，减少了物料与加热蒸汽温度差，这种损失称为闪发温度损失。特别是在二、三效这样的真空效，闪发温差损失尤为严重。物料闪发温度损失与蒸发罐直径、空间、物料粘度、罐内温度和压力有关。适度加大分离室直径，降低液位 将有助于降低闪发温度损失。

3.4 过热温差损失△4

氯化铝溶液在加热室中受热而升温，加热器出口料温要大于进口料温，因为溶液在加热管中从下到上流动，流动过程中，溶液和蒸汽间接换热并逐步被加热，溶液温度自下而上逐步升高，蒸汽与氯化铝溶液的传热有效温差将逐渐降低，因而在工艺计算中必须取其平均值作为氯化铝溶液的温度。温升越大，平均温度越高，有效温差将减少。这种由于通过加热室物料温升而减小的有效温度差，称为过热温度损失。

4 提高有效温差

蒸发系统的有效温差Δt的大小等于系统的传热总温差△T减去温差损失∑△得到的值。即Δt=ΔT一∑Δ

从上式不难看出，要增加有效温差，可采取两种措施，即：提高传热总温差ΔT和减少温差损失∑△。

4.1 提高传热总温差△t

传热总温差为：△T=T1一T3，由此可见提高传热总温差有两种途径：一是提高首效蒸汽压力，二是提高末效真空度。

首先是提高首效蒸汽压力，蒸汽压力的提高对蒸发效果的影响是很明显的，在一定蒸汽压力范围内，蒸发量会随着蒸汽压力的提升而明显升高，而我厂蒸汽压力由于各种原因，供应很不稳定，蒸发压力经常波动，蒸汽压力下降直接导致了传热总温差的下降，降低了有效温差。所以为了保证蒸发系统高产量平稳运行，建议给蒸发车间通入专用蒸汽管道，首效蒸汽压力保证在0.5MPa-0.7MPa。

蒸汽压力也不是越高越好，随着蒸汽压力的提高，蒸发量随之提高的幅度越来越小，这时候如果一味提高蒸汽压力不但蒸发量不能增长，还会使传热温差过大，引起蒸发结晶操作的不稳定，传热不容易控制，物料粘壁，影响热量传递，甚至造成加热器堵塞，导致蒸发频繁停车处理，不能连续稳定长周期运行，同时冷凝器负荷加大，热损失增大，影响蒸发生产能力的同时还会损坏设备，增加作业危险。因此增大系统总温差一般采用另一种方法：提高蒸发装置冷凝器的真空度。

末效真空度的建立由两方面组成，一是真空泵直接抽真空，二是通过间接冷凝器冷凝末效二次汽建立真空，所以在实际生产中，末效真空度的高低取决于循环水水温、循环水水量、系统的不凝气量以及抽吸不凝气的抽速。在这些因素中，循环水温是关键的，冷凝器循环水温升高，会减少水汽的换热温差，破坏原有系统平衡，使蒸汽不能及时冷凝或不能完全冷凝，造成真空度下降。所以在生产中，要严格控制循环水温度，发现循环水温度异常变化要马上联系调整。

适当增加循环水量也是保障末效真空的一个办法，水量大、流速快带走的热量多，冷凝效果变好，真空度增加。

在生产当中要重视对冷凝器的保养和清洗，冷凝器作用是利用循环水与三效出来的蒸汽进行热交换，使蒸汽中可以冷凝的气体凝结成液体，而不可以冷凝的气体由真空泵抽走排空，从而保持蒸发器的真空度。如果冷凝器结垢，他的热交换效果差，就会导致不可凝的气体增多，导致真空泵压力大，真空度不高。所以我们要保证循环水的水质，减少钙、镁等杂志，并定期用1%的稀酸液对冷凝器的管道进行化学清洗，可以达到除水垢的目的。

性能良好的真空泵对维持真空度也至关重要，真空泵在制造真空的同时可以快速抽走不凝气，不凝气是冷凝器压力、温度工况下不能被凝结的气体，如不及时抽出，会导致汽水换热效果越来越差，引起末效压力升高而降低了真空度，而我厂的真空泵冷却水还在使用生活水，水质硬度较高，并且水中含有的成分会在二次蒸汽中形成水垢，粘附在真空泵的内壁上，就会直接影响到真空泵的工作效率，长期下去，如果真空泵内壁的水垢过厚，就会卡死转子，并且对真空泵有腐蚀的影响，降低真空泵的工作效能。因此建议采用软水作为真空泵冷却用水，可以减少真空泵的故障率。

4.2 减少温差损失∑△

4.2.1 减少沸点升高温差损失△1

首先要控制过料量和出料浓度，我们在生产过程中要控制好过料量，维持系统平稳运行，当料液（下转第218页）（上接第216页）达到工艺指标时，不及时过料或出料，会导致料液浓度升高，沸点也随之升高，使有效温差降低，汽耗也相应地增加，同时也会是三效磨损、结垢。其次要控制好各效分离室压力，分离室压力过高会使物料沸点升高，尤其是一效，最后要严格控制氯化铝溶液的各项指标，尽量减少杂质，物料的沸点与杂质的存在有关， 物料中含有一定量钙、镁离子，会使溶液沸点升高。

4.2.2 减少管道阻力温差损失△2

可以适当加大二次蒸汽管管径，尽量缩短管程，减少弯头，并对二次蒸汽管做好保溫保温，同时在二次蒸汽管上尽量避免设置泛气预热器和除沫器等设备，其管道阻力温度损失可大大降低。

4.2.3 减少闪发温差损失△3

减少闪发温差损失首先可以改变循环管的进口位置，将进口位置尽可能的靠近分离室液面附近，将大大减少系统静压温度损失和闪发温度损失，同时要控制分离室的液位，适当降低分离室的液位，缩短过热物料到分离室液面的距离，使过热物料尽可能的到达分离室表面。但是液位也不能过低，如果使进料管的弯头露出液面，则弯头上部可能会严重结垢，影响物料循环，甚至可能出现结垢脱落而堵塞管线的危险。

其次可以改进分离室的进料方式，让进料管线以一定角度与分离室相连，从而使加热后的溶液以一定的仰角从切线方向进入分离室，再配合特殊的导流板，使料液呈螺旋状全部旋转升至液面，同时分离室中料液的旋转能使过热物料在分离室表面上均匀分布，有助于蒸汽泡从液面逸出，减少了液面表面张力，物料充分闪发，大大减少物料“短路”循环，降低温度损失，增大了系统的有效温差。

4.2.4 减少闪发温差损失△4

从前边分析我们可以知道，降低氯化铝溶液进、出加热室的温差，将减小过热温度损失。因此其方法是加热室的加热管尽量采用短管或尽可能提高氯化铝溶液在加热器中的循环速度。

5 结语

通过以上讨论，我们知道了蒸发系统的有效传热温差的大小直接影响着蒸发的效率，同时有效传热温差又与饱和蒸汽压力、末效真空度和温差损失有着密切的关系。维持蒸汽压力的合理、稳定是保证蒸发系统平稳高效运行的前提，末效真空度越高，系统的传热有效温度差越大，真空度的波动会引起的生产强度产生变化较大，而真空度的高低主要取决于冷凝器、循环水和真空泵。此外，系统的不凝气、真空泵的抽汽量等因素亦会影响真空度大小。因此我们生产中要严格控制蒸汽压力，保证蒸汽压力稳定在合理的范围内，坚决杜绝超压和过山车式的操作手法，维持系统平稳运行。文章还分析了我厂蒸发系统温差损失的种类和产生的原因，并介相应的绍了减少温差损失何提高有效温差的方法。

参考文献：

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