板式蒸发技术2018.3.22

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2、天津大学王中铮教授提出的计算式：
Nu = C( Rel )n Pr 0.33 ( ρl ) p
H
ρv
其中：
Re l
=
Gs(1 −
x0 )
de
µl
H
=
Cp∆T
γ'
式中：Rel为总质量流率Gs下的凝结雷诺数；H为考虑液膜厚度 影响的无因次参数；ρv为进口处蒸汽密度(kg/m3)；ρl/ρv考 虑蒸汽压力影响在进口、出口处液体的密度比；x0为出口处蒸 汽干度；γ'为考虑凝液过冷和液膜对流换热影响的参数(J/kg) ；ΔT为饱和蒸汽温度和蒸汽侧壁温之差。
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板式蒸发技术
甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 （兰 州 石 油 机 械 研 究 所）
2018.3.22 天津
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板式蒸发技术
第一节 概述 第二节 板式蒸发器传热机理 第三节 板式蒸发器特性 第四节 板式蒸发装置设计 第五节 多效（TVR）板式蒸发装置 第六节 MVR板式蒸发装置 第七节 板式蒸发装置应用
板式蒸发器是板式热交换器的一种，通常用于汽-液传热。在 工业应用的蒸发器实际操作中一边是蒸汽冷凝给热，另一面则是液 体受热后的沸腾、汽化的传热过程。一般情况下冷凝给热系数要比 沸腾给热系数大，这样在板式蒸发器的设计上要着重考虑传热面的
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结构有利于沸腾给热，同时还要考虑物料蒸发的二次蒸汽迅速去 除，加热蒸汽放热后冷凝液也要不断的排出。这样才能在有效面 积、合理温差下达到最佳的操作工况。
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池式沸腾是最基本的内容，1934年 Nukiyama首先讨论了 池式沸腾的特性，并提出了至今仍有重大意义的沸腾曲线。他 把饱和池式沸腾分为四个区：单相自然对流、泡核沸腾、部分 膜式沸腾、及稳定膜式沸腾。几十年来国际学术界对池式沸腾 机理的研究相当充分。在工业应用中，许多蒸发设备的操作范 围都设计在泡核沸腾区内。因此，设计者最关注的就是此区的 临界点，即在临界点的热通量CHF或称最大热通量Qmax。但是 影响泡核沸腾的因素相当多，主要影响因素为：流体密度、比 热、导热系数、表面张力、汽化潜热；操作压强；流体与壁面 接触面；溶解气体的浓度等。以及壁面状态，如材料的导热系 数、密度；材料机械性能、加工表面结构的几何尺寸；传热表 面的结垢或涂层的情况。
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第一节 概述
蒸发是重要的化工单元操作之一，蒸发过程的目的是 去除稀溶液中的水分，提高原溶液的浓度，为后续加工提 供高浓度的浓缩液。其工艺过程是用加热的方法使物料溶 液中的溶剂(水)汽化，而溶液中的溶质数量保持不变的传 热、传质过程。实现这一工艺过程实质上是在给热、受热 两边均有相变的板式热交换器——板式蒸发器中完成的。 只不过板式蒸发器对沸腾传热和气液分离过程有独特的结 构。由板式蒸发器可以组成单效、多效蒸发装置；也可以 实现单效、多效带(TVR)蒸发装置；以及实现单级、多级 (MVR)蒸发装置。
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第二节 板式蒸发器传热机理
流体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热的过程称为沸 腾传热，沸腾传热是一种流体由液相转变为气相的热交换过 程。板式蒸发器中冷热介质中间的换热都是通过对流的相变 传热、垢层及板片的热传导来完成的。
对于有相变(也称之为两相流)的流体热交换。流体在传 热板面上的沸腾分为大空间沸腾或称为池式沸腾，也有有限 空间沸腾或称为强制对流沸腾。无论哪种沸腾又都有过冷沸 腾和饱和沸腾两种。过冷沸腾是在液体主流温度低于相应压 力下的饱和温度而加热壁面温度已经超过饱和温度的条件下 所发生的沸腾现象。饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱 和温度，从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾 。
板式蒸发器的形式大体上分为：升膜式、降膜式、升降膜式 蒸发形式，也有些工况是需要板式强制循环蒸发器来完成料液的 蒸发。目前市场上常见到ALFA-LAVAL（瑞典）、APV（英国）、 GEA AHLBORN（德国）、W*Schmidt（德国）、甘肃蓝科石化高新 装备股份有限公司(兰石所)的板式蒸发器。这些公司的板式蒸发 器各有其独自特点。
1、蒸发量w
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第四节 板式蒸发装置设计
对单效蒸发器作溶质衡算，得
Fx0 = (F −W )x1
W = F (1 − x0 ) x1
式中 F—原料液流量 W—蒸发量 x0—原料液的质量组成 x1—完成液的组成
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Q —蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热量(kw)。
注意：若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，则s0可根据上式 直接算出，否则应分段计算。
5、平均温度差Δtm
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板式蒸发器加工制作相对简单些。它是由一个框架和一叠成型 的板片组成。板与板之间形成物料通道和加热蒸汽通道，每两张、 四张或六张板片组成一个传热单元。各单元的物料均是并联、单流 道升膜或降膜给料，加热蒸汽自上而下流动，冷凝液从蒸发器底部 排出，以及设计不凝气排出口。
蒸发过程中物料在垂直的两板间受热而蒸发,汽液混合液进入 分离器，加热蒸汽从上到下冷凝放热后被排出。板式蒸发装置的设 计实际上是一个系统的工程设计，可由板式蒸发器及汽液分离器组 成了最基本的蒸发单元。如再配上预热器、冷凝器、泵、阀门、管 路、自控仪表及加热蒸汽供给系统，真空产生系统，就可以组成单 效、双效、多效板式蒸发装置，及板式（TVR）蒸发装置和板式（ MVR）蒸发装置。
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目前计算临界热通量的公式不少，但计算结果颇不一致。 泡核沸腾区传热系数计算，许多学者推荐J.C.Chen式，或者推 荐Mostinsk式。
强制对流沸腾常发生在板间内的流动传热过程中，机理比 较复杂。以板式升膜方式为例，冷流体从板式蒸发器底部进入 板间。随着蒸汽干度的变化，可分为几个区：单相对流传热、 过冷泡核沸腾、饱和泡核沸腾、两相强制对流、缺液等区。每 区均有相应的流型。Collier对腔内沸腾的各种流型有较为详 细的讨论。
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第三节 板式蒸发器特性
目前，在工业应用中蒸发器的型式很多，常见的管式蒸发器中 就有自然循环升膜式蒸发器、降膜式式蒸发器；强制循环管式蒸发 器等；还有旋风式、回转式、离心薄膜等型式的蒸发器。为了强化 传热在管式蒸发器的传热管表面进行强化处理，有表面多孔管沸腾 强化传热、内微翅管沸腾传热、T型翅片管沸腾传热。无论哪种强 化都是为了提高蒸发器的热效率，但是由于对传热表面进行强化处 理势必增加设备的制造成本，同时在蒸发操作中对于一些介质也易 出现污垢系数加大等不利工况。
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3、日阪制作所针对它的板型EV-3型蒸发器给出了它的沸腾传热系 数计算式：
( ) 0.8
Nu
=
0.22( 1
x −
x
)0.41
(
ρlБайду номын сангаасρv
)0.22
(
µv µl
)0.45

dG 1−
gµl
x

Pr 0.4
式中：x为蒸汽的干度；ρl为两项混合流中蒸汽的密度(kg/m³)； ρv为两项混合流中蒸汽的密度(kg/m³)； μl为两项混合流中液相 介质的动力粘度(Pa·s)；μv为两项混合流中蒸汽的动力粘度 (Pa·s)；G为两项混合流质量流率(kg/s)。
从工业应用角度考虑，泡核沸腾强制对流两区是主要的操 作区域。1966年J.C.Chen提出的双机理法得到广泛采用，即：
htp = hNB + hc
ρv
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htp表示两相流沸腾传热系数，它是由两部分组成：hNB 是泡核沸腾系数，而hc则是强制对流传热系数。从表达式看 到，当强制对流占绝对优势时，核化过程受到抑制，hNB可忽 略不计。这时泡核沸腾不起作用，实际上只是汽化过程。板 式蒸发器的对流传热计算公式有以许多种，下面三种计算公 式。
2、加热蒸汽消耗量D
蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至 沸点，将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量。
对单效蒸发器作物料的热量衡算，得
DH + Fh0 = WH ′ + (F −W )h1 + Dhw + QL
D = WH ′ + (F − W )h1 − Fh0 + QL H − hw
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e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。
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4、传热面积S0
蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：
Q = S0 K0∆tm
S0
=
Q K 0 ∆tm
式中 S0 —蒸发器的传热面积(m2)；
K0 —基于外面积的总传热系数(kw/m2•℃)；
Δtm—平均温度差(℃)；
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板式蒸发器是膜式蒸发器，对于液膜的产生无论是二次蒸汽或是 重力影响，还是机械方法产生并维持的，都需要不断地润湿传热表 面。否则任何蒸发液体在传热表面上干枯的倾向都会导致传热系数 降低和增加传热表面结垢等不利工况。在板式蒸发装置的设计上除 对传热元件——板片板型的选择设计外，还在对板式蒸发装置中回 流管路进行定量设计，以保证在最小持液量 的状况下，能充分达到膜式蒸发器的热效率。