均匀成膜在降膜蒸发器中的重要性

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采用加热方法将含有不挥发性溶质的溶液在沸腾状态下使其浓缩的单元操作称为蒸发。蒸发操作于泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域。芤装置的关键设备为降膜蒸发器，下面以三效逆流降膜蒸发生产50%烧碱为例，论述均匀成膜在降膜蒸发器中的重要性。

一、降膜蒸发工艺流程

碱液由泵经换热器加热后打入蒸发器的顶部，经液体分布器进入蒸发室列管，碱液在加热管内成膜状流动并与管外热载体进行热交换。料液中的水分被蒸发，产生的二次蒸汽与被浓缩后的碱液一起向下流动，在蒸发器的底部进入汽液分离罐内。浓缩的碱液由分离罐底部经泵打出送入下一效蒸发器。二次汽由分离罐顶部排出并经增湿后进入下一效蒸发器的壳程作为该效蒸发器的热载体。流程图见图1。

二、降膜蒸发原理

进入降膜蒸发器的碱液是在分布器的帮助下，借助于本身的重力作用，使碱液垂直管壁呈均匀的液膜向下流动，管外的热载体通过对流一一传导把热量传给蒸发的碱液，因此只有在管的内壁形成均匀的膜，才能有较高的传热系数。碱液在蒸发过程中在管内的停留时间短，只有液层薄才能充分利用热载体与蒸发的碱液温差。碱液获得足够的热量迅速蒸发除去水分，同时产生的二次蒸汽随浓缩后的碱液一起进入分离罐。经汽液分离后，二次蒸汽作为下一效热源，碱液进入下一效蒸发器继续蒸发浓缩直至为合格碱液。

三、碱液在降膜蒸发器中成膜条件

在降膜蒸发器中，只有在蒸发器列管内管内壁的表面形成均匀的下降的液膜，才能有效地进行传热，液膜越薄越均匀传热效果越好。通过下降的液膜快速流动进行强化对流传热，如果进口碱液分布不均，进入各个列管流量小，液膜偏流或沟流，液膜不能将整个管的内壁覆盖，造成管内的液膜中断或蒸干，使有效传热面积减小，并且使列管的壁温迅速升高，碱液中的少量杂质析出或粘附在管壁上出现结垢，进一步减小传热面积的传热系数。传热效率的降低，使产生的二次蒸汽量减小，影响了下一效蒸发强度。如果进入各个列管的碱液流量过大，管内成膜厚，将减弱对流传热系数，使碱浓度偏低。为使碱液在蒸发器中形成均匀的膜，可以从以下3个方面考虑解决。

1、控制极限最低进料量和极限浓度。

碱液进入降膜管后，在向下流动的过程中有一个成膜发展过程，使碱液能分布成均匀的液膜下流，如果进料低于极限值，下流的液膜因表面张力小，发生液膜破裂，膜状液流变成绳状液流并不断出现干壁区使传热面上的液膜受到破坏，同时液膜向下流动过程中，随着碱液的不断蒸发，向下流动的液膜越来越薄，在列管下部有可能发生破裂。为了防止液膜破裂，在控制极限进料量的同时，还必须控制出口段的浓度，因此在生产50%碱的时候，控制Ⅱ效碱液中氢氧化钠的质量分数在某些方面42%～45%，这样Ⅰ效才能产生50%的碱液。

2、热流强度的影响。

在降膜蒸发器内，进入蒸发器壳程的蒸汽与管程内的碱液传热过程为：（1）加热蒸汽通过对流传热给管壁；（2）管壁导热；（3）碱液通过对流传热从管壁上吸取热量。

蒸汽进入蒸发器时，被冷凝成液体。蒸汽和壁面比较清洁时，液滴润湿管表面，液滴集成一定大小后形成一定厚度的液膜，由重力作用和沿壁面流下，但壁上仍覆盖一层液膜，这种冷凝方式称为膜状冷凝。如果蒸汽内含有油脂类物质或壁面被这类物质所玷污时，冷凝液往往就不能润湿表面形成液滴。膜状冷凝时热量必须通过液膜来传导，但热阻较大，尽管这样在降膜蒸发过程中蒸汽冷凝方式仍以膜状冷凝为主。因降膜蒸发器的列管较长，管下部的冷凝液膜厚度和流速较大，且冷凝液流动时大都呈湍流形式，传热系数仍很高，依然能获得稳定的热流强度。在列管内碱液下流时随着膜层的减薄，碱液浓度增大，粘度随之增大，而热载体和碱液是相对流动的，所以壁温及碱温始终是下部高于上部。当降液管内物料密度减小时，最大热负荷增大到超过极限热负荷时，会引超剧烈的鼓泡液膜沸腾，造成二次汽核心对液膜吹散到管中心。二次蒸汽流中出现的夹带造成二次蒸汽带碱，二次蒸汽冷凝后形成的冷凝液中含碱超标，导致一部分碱流失。

综上所述，在降膜蒸发过程中，要获得稳定的热流强度和避免二次蒸汽带碱，首先要控制好蒸汽压力。在高压蒸汽的主管路上加一个压力调节阀，把蒸汽压力控制在1.0Mpa，同时对蒸汽进行增湿，充分利用蒸汽的汽化潜热，使蒸汽形成膜状冷凝，以便使降膜管内的碱液获得稳定的热流强度。其次要不断排除蒸发器壳内的不凝性气体。不凝性气体随着蒸汽的不断冷凝，浓度不断增高，致使它有管壁附近形成一层热很大的气膜。这种气膜的存在使冷凝传热系数下降，影响了传热效果。所以为了获得稳定的热流强度，必须控制好蒸汽压力和保证稳定的蒸汽流速，同时还要不断的排除蒸发器内的不凝性气体，这样才能使整个蒸发过程连续稳定的进行。

3、降膜管上的分布器的影响。

降膜分布器呈圆筒状，上部有4个均匀的15cm长的小豁，它的作用是使碱液在降膜管内均匀地成膜状下流。分布器必须垂直安装，且保证分布器在同一水平高度。这样碱液在管内流动时才能形成均匀的液膜。否则，分布器偏高点进入的碱液量小，可能会出现于壁现象。分布器偏低点碱液流量大，碱液顺着降膜管飞流直下，在降膜管内也不能均匀成膜，影响了蒸发强度和蒸发效果，使碱的浓度很难控制的相对稳定。因分布器不平，个别管内进碱量小，出现于壁使蒸汽在蒸发器的壳程内不能把热量传给管内的碱液，造成蒸发器壳程压力升高。压力超过安全阀起跳压力时安全阀起跳，使蒸发器出现强烈的震动，那些与降膜管接触不紧的分布器就会脱离降膜管，使碱液无法在降膜管内成膜，严重地影响了蒸发强度，甚至使蒸发过程无法进行。

四、结语

综上所述，要想使碱液在降膜管内均匀成膜，首先必须保证降膜管上的分布器垂直且不能出现松动，其次要控制好极限进料量和极限浓度，同时还要保证稳定的蒸汽压力和蒸汽流速，以及对高压蒸汽进行增湿，利用蒸汽的汽化潜热来保证稳定的热流强度。这样碱液才能在降膜管内均匀成膜，保证整个蒸发过程顺利进行，防止碱液从二次蒸汽中流失，降低烧碱蒸发的成本。