水平管蒸发器

水平管降膜蒸发器综合传热系数水平管降膜蒸发器综合传热系数模型摘要：基于在水平管降膜蒸发器传热性能研究现状的基础上，以及热法高倍数蒸发浓缩油田废水的具体任务与要求，建立水平管降膜蒸发器传热系数与污垢热阻的模型，通过有关方程建立污垢热阻与蒸发浓缩时浓度变化的关联式。

依据各部分的关联式，经过详细推导，得到水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式。

根据物理模型和关联式，讨论浓缩倍数和流量变化对水平管降膜蒸发器综合传热系数的影响。

结果表明：在蒸发浓缩油田废水时，浓缩倍数的提高降低了水平管降膜蒸发器的综合传热系数。

油田废水处理量的增加，在一定程度上强化了水平管降膜蒸发器的传热效率。

模拟计算得到水平管降膜蒸发器的综合传热系数在936~940W/(m2K)的范围内。

关键词：水平管降膜蒸发器；传热系数；污垢；浓缩倍数；油田废水0前言蒸发是指将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液利用加热作用使溶液中一部分溶剂汽化与溶质分离、溶液被浓缩的过程[1]，常用的蒸发操作的设备有升膜蒸发器、降膜蒸发器和旋转刮膜式蒸发器3 类。

具有发展前景的是水平管降膜蒸发器，因此水平管降膜蒸发器传热性能研究的文献相对多些。

吴鸿等[2]研究了三效降膜管式蒸发器，建立蒸汽侧冷凝传热参数的数学模型，分析蒸汽压力、温差等因素对传热性能的影响。

本文针对油田废水蒸发浓缩的实例，建立水平管降膜蒸发器综合传热系数关联式，并考察一些因素对综合传热系数的影响程度。

1 管式降膜蒸发器的结构及工作原理管式降膜蒸发器结构简单，由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。

管式降膜蒸发器加热蒸发室是由壳体、上管板、隔板、下管板和加热管等构成。

壳体是根据工作压力按压力容器或常压容器设计，并考虑到在真空状态下受外压时的稳定性合理设置加强结构。

壳体、加热管和管板的材质可根据介质性质或用户使用要求，选用碳钢或不锈钢材质。

加热蒸发室的中心为内置循环管，其余部分为均匀分布的加热管。

降膜蒸发的研究情况降膜蒸发是液体在重力和界面剪切力作用下，呈膜状向下流动被加热蒸发的过程。

降膜蒸发器主要有三类：水平管式降膜蒸发器、竖直管式降膜蒸发器和板式降膜蒸发器。

水平管降膜蒸发器中，液体经过分布器在水平管束外面形成液膜，在重力作用下向下流动。

竖直管降膜蒸发器中，液体从顶部进入，在液体分布器作用下在管内形成液膜，在重力的作用下沿管内壁呈膜状向下流动。

板式降膜蒸发器是在重力作用下，液体在加热板壁面上形成薄膜向下流动。

近年来，因为能源危机和环境问题，对于耗能设备的要求越来越高，开发高效蒸发设备对工业来说有重要意义。

降膜蒸发具有物料与加热面接触时间短、热通量高、压降小、静压头低和持液量低等优点，在较低的流率、较低蒸发温度下就有比较高的传热系数，因此在化工、医药、食品、冶金、轻工及海水淡化等工业生产中得到了广泛应用。

降膜蒸发中，下降液体在壁面铺展形成液膜，既增大了气液接触面积又降低了通过液膜的热力学阻力，同时也降低了蒸汽流经液膜表面的流动阻力。

降膜流动由于广泛应用于工业传热和传质过程中，引起了研究者大量的关注。

对于降膜蒸发的研究最早开始于Nesselt，随后很多研究者进行了实验和理论研究，试图给出降膜蒸发的传热关联式、传热传质的影响因素。

但是因为降膜蒸发中蒸发和沸腾的同时存在，很难分出各自单独的影响，而且由于实验过程中的模型及参数简化等因素，这些研究能够为工业应用提供的指导意义有限，还需要深入研究。

对于降膜传热过程，很多研究者根据实验提出了不同条件下的关系式。

Chun 和Seban对垂直管外降水膜的传热性能进行了详细的研究，通过测定壁温、饱和蒸汽压确定传热系数，得到实验关联式。

但是他们没有考虑二次蒸汽的影响，尽管如此，很多研究者验证模拟结果时都是依据Chun和Seban得到的关联式。

赵起、邓鸿在接近工业应用的条件下，考虑了二次蒸汽的影响并进行实验，得到了相关实验关联式。

T.A. Adib等用中试规模降膜蒸发器，研究沸腾传热系数以及相关过程参数的变化规律,简化处理了传热系数的影响因素，结果发现纯水的变化规律与非泡核沸腾和湍流形态的数据一致，糖水溶液的传热与降膜蒸发器的整个传热系数的方程式有相同的变化趋势。

中国化工报/2009年/1月/19日/第002版科技创新水平管降膜蒸发器实现高效换热特约记者徐红石家庄工大化工设备有限公司承担的水平管降膜蒸发器的研究项目日前通过鉴定。

该水平管降膜蒸发器的核心部分——液体分布器采用了分配管底部与布液管连接的结构形式，属国内首创，与国内普遍使用的竖管降膜蒸发器相比，极大提高了换热效率。

水平管降膜蒸发器与目前国内普遍使用的竖管降膜蒸发器不同，其被蒸发溶液是在换热管外表面成膜状分布，而在加热蒸气走管内，传热系数是竖管降膜蒸发器的两倍。

水平管降膜蒸发器除具备竖管降膜蒸发器传热系较高、适合处理热敏性物料、传热温差损失小，易于实现多效蒸发等优点外，由于料液在换热管外成膜，还具备成膜情况、结构情况较易观察等特点。

据介绍，水平管降膜蒸发器正常运行的条件之一是液体沿换热管均匀分布。

在蒸发过程中，在相同热负荷作用下，给液不足的管子可能会结垢、烧焦、甚至出现“干壁”或烧毁现象，而液膜过厚的管子因传热量不足不能充分传热，从而导致传热情况的恶化。

为解决液体均匀分布难题，该公司课题组开发出了独特的液体分布装置。

经测试，装置液体分布不均匀度低于5%，提高了液体分布的均匀性和蒸发强度。

据了解，水平管降膜蒸发器是美国Aqua-chem公司在20世纪60年代中后期研究开发的高效换热装置。

石家庄工大化工设备有限公司于2007年10月开始进行水平管降膜蒸发器研发项目立项，截至记者发稿时，已完成调研、设计、实验设备安装、试验、成果鉴定等全部工作。

目前，该公司已着手将此研究成果转化用于工业生产。

由于水平管降膜蒸发器具有较高的传热系数、适合处理热敏性物料、传热温差损失小、操作中的问题易于观察和控制等特点，在海水淡化、造纸工业、化学工业、制药工业等多方面具有广阔的应用前景。

在水资源短缺地区及军工领域可用其制淡水，同时，其优越的传热性能将在节能方面发挥重要作用。

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蒸发器主要由加热室与分离室组成。

按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型(非膜式)和单程型(膜式)两大类。

一、循环型(非膜式)蒸发器这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器作连续的循环运动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。

由于引起循环运动的原因不同，可分为自然循环和强制循环两种类型。

前者是由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；后者是依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环流动。

(一)中央循环管式(或标准式)蒸发器中央循环管式蒸发器，加热室由垂直管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。

细管单位体积溶液受热面大于粗管的，即前者受热好，溶液汽化得多，因此细管汽液混合物的密度比粗管的小，这种密度差促使溶液作沿粗管下降而沿细管上升的连续规则的自然循环运动。

粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。

为了促使溶液有良好的循环，中央循环管截面积一般为加热管总截面积的40％一100％。

管束高度为1—2m；加热管直径在25～75mm之间、长径之比为20～40。

中央循环管蒸发器是从水平加热室、蛇管加热室等蒸发器发展而来的，相对于这些老式蒸发器而言，中央循环管蒸发器具有溶液循环好、传热效率高等优点；同时由于结构紧凑、制造方便、操作可靠，故应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。

但实际上由于结构的限制，循环速度一般在0.4～0.5m／s以下；且由于溶液的不断循环，使加·热管的溶液始终接近完成液的浓度，故有溶液粘度大、沸点高等缺点；此外，这种蒸发器的加热室不易清洗。

中央循环管式蒸发器适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。

(二)悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。

加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器，可由顶部取出，便于清洗与更换。

包围管束的外壳外壁面与蒸发器外壳壁面间留有环隙通道，其作用与中央循环管类似，操作时溶液形成沿环隙通道下降而沿加热管上升的不断循环运动。