提高蒸发系统有效温差的意义及方法

提高蒸发系统有效温差的意义及方法

作者：王勇

来源：《中国化工贸易·上旬刊》2020年第02期

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