多效蒸发节能的研究

多效蒸发节能的研究
*
李东山,曾劲松
(西安轻工机械设计研究所,西安
710086)
试验研究
摘要:本论文介绍多效蒸发效数、工艺流程和温度的确定原则,各效冷凝水的利用,以及热泵的使用。

关键词:多效蒸发;效数;工艺和温度;冷凝水和热泵的利用中图分类号:TQ051.5文献标识码:A 文章编号:1005-1295(2002)06-0005-04
Research on Savin g Ener gy of Multi_effect Eva p oration
LI Don g _shan et al
(Xian Li g ht Industr y Machiner y &Desi g n Research Institute,Xian 710086,China)
Abstract:The article including number of effect about multi _effect evaporation 、confirmation principle of flow _route and temperature,utilize of each effect condensed water and thermal pump 1
Key words:multi_effect evaporation;number of effect;flow_route and temperature;condensed water and utilize of the-r mal pump 1
*收稿日期:2002-09-19
作者简介:李东山,男,西安轻工机械设计研究所研究员级高级工程师,享受国务院特殊津贴专家。

1关于效数的确定
多效蒸发广泛用于食品、化工和制药行业,
如何节约能源倍受关注,本文所指能源为蒸汽和电。

多效蒸发由于后效的加热使用前效的二次蒸汽,所以理论上效数越多越节约蒸汽,消耗的蒸汽与蒸发效数关系为:单效1110,双效0157,三效014,四效013,五效0127,六效012,目前多效蒸发都在六效以内。

多效蒸发是在真空条件下进行的,其真空度由真空泵或喷射泵来完成,单级泵的真空度一般为87%左右,水可蒸发的温度为51b ,若再降低温度,就得再加大真空度,势必造成用电量加大。

若末效温度太高,由于较高温度的蒸汽要进入冷凝器冷却后排掉,会造成热量损失,加大循环冷却水的用量。

所以多效蒸发的效数主要取决于被蒸发物料最高加热温度和效与效之间的温度差。

效与效之间的温度差要求不小于12e ,以保证每效的蒸发强度,温差太小,增加效数的节能不抵输送时散热损失。

物料的加热温度取决于物料允许的加热温度和供应蒸汽的压力,如牛奶、苹果汁的蒸发要在100e 以内进行,糖的清汁浓缩可达120e ,而蕃茄浆要求在70e 以内,高了以后,颜色变深,
且影响产量,所以只能采用双效蒸发,以确保蒸发浓缩后物料的风味。

2
多效蒸发工艺流程的确定
多效蒸发工艺流程主要分为四种:
211
并流(顺流)法:被蒸发的物料与蒸汽的流动方向相同,即均由第一效顺序至末效(图1)。

它主要用于来料温度较高,并且蒸发浓缩后的物料仍便于输送的情况下。

例如糖厂清汁的蒸发,进料一般在第一效。

作为多效蒸发第一效温度均较高,来料温度低,必须经过预热。

再经第一效加热,水才能变成蒸汽被第二效利用,来料温度低,预热要消耗较多能源。

所以不适于顺流法。

图1并流三效蒸发流程图
图2逆流三效蒸发流程图
212逆流法:被蒸发的物料与蒸汽的流动方向相反,即加热蒸汽从第一效通入,二次蒸汽顺序至末效,而被蒸发的物料从末效进入,依次用泵送入前一效,最终的浓缩液,从第一效排出(图2)。

逆流法主要用于来料温度较低,要求出料温度较高的情况下。

来料无须预热或少许预热即可蒸发,当然可以节约蒸汽用量,但物料需要泵来输送,用电量要增加一些。

213平流法:平流法是把原料液向每效加入,而浓缩液自每效放出的方式进行操作,溶液在各效的浓度均相同,而加热蒸汽的流向仍由第一效顺序至末效(图3)。

此法由于高温物料热量未被充分利用,所以很少被利用。

214混流法:被蒸发的物料与蒸汽的流动方向
有的效间相同,有的效间相反。

例如淀粉厂黄浆水的蒸发(图4)。

四效蒸发,物料流动为4-1-3-2,浓缩物由第二效排出。

3汽凝水的排放和利用
各效加热器热交换必然要产生汽凝水,它具有不同的压力和温度,及时排放并充分利用各效的汽凝水,对多效蒸发节能具有重要意义。

蒸汽在不同的温度和压力下和被蒸发的物料进行热交换变成汽凝水,汽凝水要求及时被排除,以防影响热交换,但同时又要保持系统压力的稳定。

目前最有效的方法是在加热器下设一汽凝水平衡罐,汽凝水通过自动控制流入下一效,降压后汽凝水通过闪蒸会部分变成蒸汽,这样各
图4
玉米黄浆水四效蒸发示意图
E )加热罐
S )气液分离罐
V )汽凝水罐
L )冷却罐
H )储水罐
图3
平流三效蒸发流程图
备高度也低,可浓缩较高浓度产品,可根据生产力调节片数。

缺点是加热片制造复杂,密封橡胶圈易老化而泄露等(图7)。

为避免泄露,现在工业上每片加热器成型后,四周焊好,中间多点焊接,只进汽口采用密封圈,被蒸发物料由分配器喷淋至加热器外面,形成降膜蒸发,但点焊点焊的不牢,使用中有串汽现象。

这种形式的蒸发器
都做成一体两室或三室。

兰州蒸发设备厂生产此类设备。

影响传热效率,换热器清洗是不可忽略的问题。

多效蒸发经过一段时间运行,换热器结垢是不可避免的,其表现为蒸汽和被蒸发液体温差加大,影响换热。

必须采取定时清洗或切换清洗。

例如一体三室板式换热器,就可以两室工作一室同
图7为板式蒸发器的一个完整进料通道的排列顺序,该过程在每组板片间同时进行
图5
列管类型
a )波纹管
b )螺旋槽纹管
c )滴型管
效的汽凝水热量得到充分利用,同时又可保证系统压力的稳定(图4)。

由于第一效使用的是锅炉来的新蒸汽,汽凝水是很纯的软化水,也可直接送回锅炉。

4换热器的选用和清洗
多效蒸发使用的换热器主要是列管式和板式换热器两种。

列管式换热器由于结构简单便于制造,所以在工业上一直占主导地位。

为此,如何节能,主要靠强化换热效率。

例如将直管改为波纹管、螺旋槽纹管,以及滴型管,其换热效率可提高15%~20%(图5)。

采用管内插入物效果更为明
显,例如,清华大学管内插入绕丝,华南理工大学
和北京石油设计院为上海石化总厂减压蒸馏交叉锯齿带填料,传热系数提高50%(图6)。

板式蒸发器是由片式加热器和蒸发分离器组合而成,主要优点是设备紧凑,占地面积小,设
图6管内插入物
a )绕丝填料
b )
交叉锯齿带填料
时清洗。

六效蒸发后两效可不停机切换清洗,清洗时应用汽凝热水或来料未经蒸发的热液体,避免降温造成热的损失。

对于整线停机清洗往往要用碱水清洗。

5应用热泵
热泵是把处于低温位的热能输送至高温位的机械。

它分为压缩式热泵、吸收式热泵和蒸汽喷
射式热泵。

六效蒸发系统蒸发1k g 水耗能为
465kJ,而采用蒸汽再压缩热泵,如果蒸发所需温差保持7e 左右,在计及压缩机的效率后能耗约为70kJ/k g 。

但数量相同、形式不同的能在品位上,即能量转化能力上是不等价的。

电能、机械能可全部转化为热能,而热能不可能全部转化为电能或机械能,热能的温度愈接近环境温度,其转化能力就愈低。

图8为蒸汽再压缩热泵牛奶浓缩装置,图4为中原制药厂玉米黄浆水四效蒸发,第一效后带的蒸汽喷射热泵,使四效相当五效,它是美国的成套设备。

值得注意的是我国的电价还比较高,所以在多效蒸发领域蒸汽喷射热泵用的较多,其他热泵用的较少。

6综合利用进行节能
多效蒸发多是在负压条件下进行的,这就为利用其他热能提供了便利条件,一个工厂除蒸发外,往往还有其他高温加热设备,例如淀粉厂、酒精厂酒糟处理等都有干燥设备,要排放较高温度的二次蒸汽和汽凝水,将这些较高温度的二次蒸汽和气凝水利用于多效蒸发,可以大大节约多效蒸发时的用汽。

例如挪威在DDGS 的热能综合利用,蒸发1吨水仅用01067吨新蒸汽。

它主要利用了干燥机的二次蒸汽和汽凝水。

多效蒸发节能考虑的问题还很多,例如各效换热面积的分配,管道流速的计算,物料分配器的设计,以及强制循环升膜防结垢等等,但这些问题均有专门资料介绍,所以本文就不再介绍。

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图8
蒸汽再压缩热泵牛奶浓缩工艺。