蒸发设备防垢及多相流防垢技术在蒸发中的应用

蒸发设备防垢 及多Байду номын сангаас流防垢技术在蒸发中的应用
第二届蒸发结晶技术培训班（天津）
河北工业大学 张少峰 教授 2015.03.16
一、污垢的影响
1 K
1 o
b
1 i
Rf
K随污垢热阻的增加而减少，清洁条件下的K愈
高，则污垢热阻的影响也愈大。因此设计换热器
时必须额外增加传热面积，以补偿污垢热阻的影
响；
污垢热阻值具有某些不确定性，设计者往往采
四、结垢机理及形成过程
由于温度梯度的存在，在加热面上的料液产生沸腾汽化， 形成料液过饱和度大而产生晶核，附着于加热壁面并成为 污垢；
垢物本身因溶解度随温度增加而减少，如溶液中的钙、镁 离子。当达到饱和温度时，钙、镁离子形成晶核附于加热 壁面并成为污垢；
对于一些热敏性物质容易在管壁局部过热而产生分解，分 解产物附于加热壁面并成为污垢。
加入的固体颗粒对强化流动沸腾传热具有如下效应： • 泡核沸腾传热的强化
由于固体颗粒的加入，增加了汽化核心并使汽泡的跃离频率增大， 强化了泡核沸腾传热；
• 对流传热的强化 固体颗粒的运动破坏了流动和传热边界层，增强了流体湍动程度，
从而强化对流传热。 汽液固三相循环流化床蒸发器中汽液固三相和壁面之间的传热由固
（1）原理
在蒸发系统中加入一定量、一定尺 寸的惰性颗粒，被循环液体带入加 热室，经均匀分布后，在加热管内 形成汽液固三相流。
汽液固三相进入颗粒分离装置，固 体颗粒被分离下来进入下降管参与 循环，再次进入加热室；汽液混合 物进入汽液分离室进行汽液分离， 液体参与下一循环。
固体颗粒不断穿过流动边界层，增 强了液体的湍动程度；少数颗粒与 换热壁面的不断碰撞、混合流体对 壁面的冲刷等作用增加流动的湍动 程度，可有效防止换热壁面上污垢 的沉积。
由于污垢而引起的停车清洗，降低了设备连续运转的周期，造成 产品产量下降。同时在设备起、停期间内，运行条件达不到规定 要求，引起产品质量下降或质量不稳定而造成损失。
据美、英、新西兰的调查，污垢给 工业发达国家所造成的损失平均占 国民生产总值的0.3%；
1985年美国在污垢方面蒙受的经济 损失每年达80~100亿美元；
竖直管内的流动结构和换热方式
B区，液体主流温度仍然低于饱和温度，但管 壁已经过热足以产生汽泡，汽泡脱离管壁后进 入过冷液体时即凝结而消失。汽泡的产生和消 失对液体起扰动作用，开始破坏流体边界层， 再加上颗粒对边界层的破坏，使得换热系数有 所增加。换热方式为过冷沸腾。
C区和D区，液体的平均温度等于相应压力下的 饱和温度，而管壁又有足够的过热度，同时固 体颗粒对壁面的撞击，此时活化点增多，生成 的汽泡也增多，流动结构由细泡状流动发展到 汽泡弹状流动。在此区换热主要靠汽泡从壁面 吸收蒸发潜热和一部分过热液体被汽泡带入主 流的对流方式进行，换热系数同B区相比有所 增大。
用较保守的值以增加安全系数，这使传热面积更
加不必要地增大；
污垢是热的不良导体，污垢沉积在设备表面提
高了壁温，影响了传热效果，降低了生产效率。
清洁条件下管壁温度的变化
污垢条件下管壁温度的变化
污垢聚积在表面，局部腐蚀加剧，产生点腐蚀造成穿孔。
污垢在管内沉积使管内的流道截面积变小，增大流动阻力，泵或 风机的消耗功率增加，再加上清洗设备的动力消耗，使设备的总 能量消耗增加。
化学反应污垢 当料液与加热表面接触时，由于自氧化和聚合反应而生成反应污垢。例如
单体烃类在接触足够高温度的壁面时，可以进行聚合反应而生成聚合物，并牢 固地附着于器壁。有些壁面的金属杂质（或者腐蚀产物）有助于氧化，特别是 装置中某些不密封部位，更易促使料液的自氧化。若壁温很高，会导致结焦。 这种垢层硬而韧，不易除去。
牺牲传热效率、增大能耗、提高设备造价为代价，防垢效果并不显著。
（5）L型蒸发器：
加热区具有足够的液柱静 压力来抑制加热面上溶液 的沸腾，能确保加热管内 的溶液不沸腾，减少结垢 和腐蚀现象。
加热室水平放置，与列文 蒸发器相比，设备总高度 降低3~9米。
河北省眺山化工厂碳酸钾 蒸发
3、汽液固三相循环流化床蒸发防垢技术
强制循环蒸发器的优点：传热系数大、抗盐析、抗结垢、适用性能 好、易于清洗。缺点：造价高，溶液停留时间长，为抑制加热区内汽化， 传入的全部热量以显热形式从加热区携出，循环液的平均温度较高，从 而降低了总的有效传热温差。
（3）反循环蒸发器
这种蒸发器的加热管较长，其长径之比 为50~100。在开车时可以通入助推蒸汽， 以实现初始循环，待正常运行时可以关掉助 推蒸汽。循环速度可达1.5m/s。由于它是设 法在加热室造成一个过剩压力，使溶液有可 能获得一个过热温度而不在加热室沸腾汽化， 从而减轻加热面的积垢。
2、常见防垢蒸发设备的结构及特点
（1）列文蒸发器 结构特点是加热室上端设置一段高度为
2.7m~5m的圆筒作为沸腾室，因此加热管内 溶液较一般蒸发器内多承受一段液柱静压力， 溶液只有上升到压强较低的蒸发室内才能沸 腾汽化，这样可以避免溶液在加热管中结垢 或析出晶体。
循环速度可高达2 ~3m/s，传热效果好， 加热管内不会有晶体堵塞，故适用于处理有 晶体析出或易结垢的溶液。因循环管必须保 持一定的高度（一般约为7 ~8m），故这种蒸 发器要求厂房高，同时消耗材料较多。此外 ，这种蒸发器的液柱静压强大，故要求较高 压强的加热蒸汽才能维持一定的温度差。
（2）强制循环蒸发器
在强制循环蒸发器中，液体在加热管内的 循环流速通常在1.2m/s~3.0m/s范围之内（当 悬浮液中晶粒多，所用管材硬度低，液体粘度 较大时，选用低值），过高的流速将耗费过多 的能量，且增加系统磨损。
加热室可以是立式单程加热或立式双程加 热，也可以是卧式双程加热。后者的设备总 高较小，但管子不易清洗，且容易被晶粒磨 损。为抑制加热区内汽化，可采用立式长管 蒸发器的方法，在加热区之上保持一定液面 高度，或采用出口节流的办法。
蒸发有汽泡产生，然后上升脱离溶液本体而破裂。如果汽 泡上升、破裂不顺利，或者需要较长时间，则汽泡使加热 面上溶液浓度分布不均匀，汽泡热阻较大，形成管壁局部 过热，形成垢层，从而降低传热效率，形成更多的局部过 热，产生更多的垢层，恶性循环，无法维持生产。
加热壁面上汽泡的行为在很大程度上影响着结垢过程。
在运行效率方面，原机械部兰州石 油机械研究所换热器研究室发表的 专题调研报告《我国换热器研究及 其工业化进程》指出，污垢使我国 换热器的运行效率平均下降50%，这 美国Exxon公司的测算结果（由于传 热面上的污垢须使传热面积增加一
倍以上）大体一致。
在运行效率方面，原机械部兰 州石油机械研究所换热器研究 室发表的专题调研报告《我国 换热器研究及其工业化进程》 指出，污垢使我国换热器的运 行效率平均下降50%，这美国 Exxon公司的测算结果（由于 传热面上的污垢须使传热面积 增加一倍以上）大体一致。
有效地防止蒸发设备结垢，提高传热效率？
二、污垢分类 按控制结垢形成的最主要沉积机理：
析晶污垢：指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无 机盐淀析在换热面上的结晶体，例如，过饱和溶液中溶解的 无机盐（如CaCO3、CaSO4、Ca(PO4)、CaSiO3、NaCl等）在换 热面上结晶、附着而形成的污垢，就称为析晶污垢。
（4）旋转纽带自动清洗式蒸发器
它是直接利用料液的循环流动带动蒸发器 加热管内的自动清洗结构元件——螺旋纽带旋 转(温升3℃、循环速度1m/s），对加热面上的 污垢进行自动清洗，同时，纽带在旋转过程中 扰动边界层，使对流传热中热阻最大的边界滞 流层的传热过程得到有效强化，以此达到降低 能耗、提高产量的目的。
3、换热设备参数
换热器的一些参数对污垢的形成有着明显的影响，这 些参数主要有：换热面材料、换热面状态、换热面的型式 以及几何尺寸。
4、温度和温差
流体和污物之间的界面温度是影响结垢程度的关键参数 ，流体温度（平均温度）及其传热系数决定该界面温度。
5、其他影响因素：
流体中溶解物质的浓度： 对于结晶过程，浓度差（过饱和）是关键的，因为随浓度差的 增大，物质传递和污垢生成的速率也提高。 饱和浓度随温度变化的关系： 直接影响操作条件的选择和结垢的形成。可能出现各种情况， 例如饱和浓度随温度而上升、下降或保持不变。 垢层的厚度和剪切强度： 随着垢层厚度的增加使流道截面减小，流速增加，因而相应地 提高了剪切力，这样有助于使垢层脱落，倘若垢层的剪切强度 不太大，则两者处于平衡状态。 界面应力和产生晶核的接触角： 随着界面应力的减小，晶核生成的可能性就增大。由于界面上 存在的杂质组分也可使界面应力降低，从而有利于结垢过程。
污垢的沉积与剥落
沸腾表面上污垢形成
A B C
图3—2 污垢的层状结构
垢层的结构
A：松散堆积， 如沙丘状、热导 率低； B：晶化前沿； C：结晶层、热 导率高。
五、蒸发设备防除垢
1、加热管壁上形成的污垢主要是下面三种：
结晶垢 经常遇到。如蒸发时盐浓度不断提高，直至溶液过饱和，晶粒析出并沉积。
主要取决于物质的溶解度。如果溶液中主要是单盐，则垢层较厚，结垢致密， 与壁面的结合较牢固；若是复盐，则垢层较薄，并由结晶团块组成，常包含清 洗薄弱环节而易于脱落。垢层的形成受到温度和流速的影响。
体颗粒与壁面间的对流传热、汽液两相流和壁面间的对流传热以及有固 体颗粒作用的流动泡核沸腾传热三部分组成。
固体颗粒与换热壁面间的对流传热
up
ur
α1
颗粒与壁面碰撞引起的液体容积对流传热
α2
δ
三相流化床中,液相为连续相，固相和汽相为分散相。汽泡的形成是非常复 杂的现象，受许多因素的影响，如液体粘度、颗粒的直径、颗粒的体积分率、热 流密度等。在汽－液－固三相流动中，由于固体颗粒对加热壁面的频繁撞击增加 了活化点，产生了更多的汽化核心，而且在受热的液体绕过固体颗粒流动时，在 某些材质的颗粒表面也会产生汽泡。在体积分率相同时，固体颗粒的直径增大， 其数量会减少，汽泡的核心数目也会减少。当汽泡的形成功一定时，热流密度增 大汽泡的形成加快，也就是说汽泡的形成频率增大。
化学反应污垢：液体中各组分之间发生化学反应而形成的沉 积在换热面上的物质。
微粒型污垢：悬浮在流体中的固体微粒在换热壁面上积聚形 成的污垢。
腐蚀型污垢：具有腐蚀性的流体或者流体中含有腐蚀性的杂 质对换热表面材料腐蚀产生的腐蚀物积聚所形成的污垢。
生物型污垢：由微生物体和宏观有机物体附着于换热面上而 形成的污垢。（污泥、温度）
腐蚀垢 由表面的化学或电化学腐蚀引起。如通过均匀腐蚀或孔蚀使金属受损，产
生金属腐蚀产物。该产物一方面造成换热表面热阻增大，又可起到催化剂作用 ，有利于其他结垢过程；另一方面腐蚀后增加了金属表面的粗糙度，有利于沉 积结垢并增强了壁面的晶核附着能力。金属腐蚀产物本身既可使壁面造成垢层 ，同时其脱落的锈屑可随料液携带到别处沉积，即增加了料液中的污物。
汽液固三相循环流化床蒸发流程示意
（2）加热管内汽液固三相流的流动结构和相关机理
A区，液体温度低于饱和温度且管壁温度也低 于汽化所需的温度，不发生相变，没有汽泡产 生，换热方式为液固两相流的强制对流换热。
汽泡弹状流动 饱和
D
沸腾
C
细泡状流动 过冷
沸腾
B
液固两相流动
过冷液体 强制对流
A
流动结构 换热方式
凝固型污垢：指清洁液体或多组分溶液的高溶解度组分在过 冷换热面上凝固而形成的污垢。
三、换热设备污垢影响因素
1、流体性质
流体性质对污垢的影响，实际上包括流体本身的性质 和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的特性对污垢的影 响。例如流体中含有盐或其他物质，可能会因温度或浓度 的变化而结晶。（无机物颗粒、微生物和养分含量、固体 物质的浓度和粒径等）
2、流体流速
流体的流速可通过对传热传质的影响和机械作用力使 结垢受到影响，该影响过程非常复杂。一般情况下，流速 大可阻碍固体颗粒在壁面的沉积，并使晶粒不易附着，从 而可减轻结垢；但是，如果壁面上已经结了垢，则流速的 增大会促进传质，因此在扩散决定的结晶过程时，则有利 于垢的增长。
流速对不同类型结垢产生的影响是不同的，对不同类 型换热设备结垢的影响程度也不相同。对于扩散机理控制 的结垢过程，增大流速可减小结垢速率；在以结晶类型为 主导的结垢过程中，流速的影响相对较小；在微生物结垢 类型中，流体流速有正、反两方面作用，一是加大了剪切 力，二是增加了养分和氧的供给。