張少峰-換熱設(shè)備防垢技術(shù)1(天津培訓(xùn)班)

1、蒸發(fā)設(shè)備防垢及多相流防垢技術(shù)在蒸發(fā)中的應(yīng)用河北工業(yè)大學(xué) 張少峰 教授 2015.03.16第二屆蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)培訓(xùn)班（天津）一、污垢的影響fbKRio111lK隨污垢熱阻的增加而減少，清潔條件下的K愈高，則污垢熱阻的影響也愈大。因此設(shè)計(jì)換熱器時(shí)必須額外增加傳熱面積，以補(bǔ)償污垢熱阻的影響；l污垢熱阻值具有某些不確定性，設(shè)計(jì)者往往采用較保守的值以增加安全系數(shù)，這使傳熱面積更加不必要地增大；l污垢是熱的不良導(dǎo)體，污垢沉積在設(shè)備表面提高了壁溫，影響了傳熱效果，降低了生產(chǎn)效率。清潔條件下管壁溫度的變化 污垢條件下管壁溫度的變化 l污垢聚積在表面，局部腐蝕加劇，產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕造成穿孔。污垢聚積在表面，局部腐蝕加

2、劇，產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕造成穿孔。l污垢在管內(nèi)沉積使管內(nèi)的流道截面積變小，增大流動(dòng)阻力，泵或污垢在管內(nèi)沉積使管內(nèi)的流道截面積變小，增大流動(dòng)阻力，泵或風(fēng)機(jī)的消耗功率增加，再加上清洗設(shè)備的動(dòng)力消耗，使設(shè)備的總風(fēng)機(jī)的消耗功率增加，再加上清洗設(shè)備的動(dòng)力消耗，使設(shè)備的總能量消耗增加。能量消耗增加。l由于污垢而引起的停車清洗，降低了設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的周期，造成由于污垢而引起的停車清洗，降低了設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的周期，造成產(chǎn)品產(chǎn)量下降。同時(shí)在設(shè)備起、停期間內(nèi)，運(yùn)行條件達(dá)不到規(guī)定產(chǎn)品產(chǎn)量下降。同時(shí)在設(shè)備起、停期間內(nèi)，運(yùn)行條件達(dá)不到規(guī)定要求，引起產(chǎn)品質(zhì)量下降或質(zhì)量不穩(wěn)定而造成損失。要求，引起產(chǎn)品質(zhì)量下降或質(zhì)量不穩(wěn)定而造成損失。n據(jù)

3、美、英、新西蘭的調(diào)查，污垢給據(jù)美、英、新西蘭的調(diào)查，污垢給工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所造成的損失平均占工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所造成的損失平均占國(guó)民生產(chǎn)總值的國(guó)民生產(chǎn)總值的0.3%0.3%；n19851985年美國(guó)在污垢方面蒙受的經(jīng)濟(jì)年美國(guó)在污垢方面蒙受的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)損失每年達(dá)80100億美元億美元；n在運(yùn)行效率方面，原機(jī)械部蘭州石在運(yùn)行效率方面，原機(jī)械部蘭州石油機(jī)械研究所換熱器研究室發(fā)表的油機(jī)械研究所換熱器研究室發(fā)表的專題調(diào)研報(bào)告專題調(diào)研報(bào)告我國(guó)換熱器研究及我國(guó)換熱器研究及其工業(yè)化進(jìn)程其工業(yè)化進(jìn)程指出，污垢使我國(guó)指出，污垢使我國(guó)換熱器的運(yùn)行效率平均下降換熱器的運(yùn)行效率平均下降50%50%，這，這美國(guó)美國(guó)ExxonE

4、xxon公司的測(cè)算結(jié)果（由于傳公司的測(cè)算結(jié)果（由于傳熱面上的污垢須使傳熱面積增加一熱面上的污垢須使傳熱面積增加一倍以上）大體一致。倍以上）大體一致。 n在運(yùn)行效率方面，原機(jī)械部蘭州石油機(jī)械研究所換熱器研究室發(fā)表的專題調(diào)研報(bào)告我國(guó)換熱器研究及其工業(yè)化進(jìn)程指出，污垢使我國(guó)換熱器的運(yùn)行效率平均下降50%，這美國(guó)Exxon公司的測(cè)算結(jié)果（由于傳熱面上的污垢須使傳熱面積增加一倍以上）大體一致。 有效地防止蒸發(fā)設(shè)備結(jié)垢，提高傳熱效率？n析晶污垢：指在流動(dòng)條件下呈過飽和的流動(dòng)溶液中的溶解無機(jī)鹽淀析在換熱面上的結(jié)晶體，例如，過飽和溶液中溶解的無機(jī)鹽（如CaCO3、CaSO4、Ca(PO4)、CaSiO3、Na

5、Cl等）在換熱面上結(jié)晶、附著而形成的污垢，就稱為析晶污垢。n化學(xué)反應(yīng)污垢：液體中各組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的沉積在換熱面上的物質(zhì)。n微粒型污垢：懸浮在流體中的固體微粒在換熱壁面上積聚形成的污垢。n腐蝕型污垢：具有腐蝕性的流體或者流體中含有腐蝕性的雜質(zhì)對(duì)換熱表面材料腐蝕產(chǎn)生的腐蝕物積聚所形成的污垢。n生物型污垢：由微生物體和宏觀有機(jī)物體附著于換熱面上而形成的污垢。（污泥、溫度）n凝固型污垢：指清潔液體或多組分溶液的高溶解度組分在過冷換熱面上凝固而形成的污垢。二、污垢分類按控制結(jié)垢形成的最主要沉積機(jī)理：按控制結(jié)垢形成的最主要沉積機(jī)理：1、流體性質(zhì) 流體性質(zhì)對(duì)污垢的影響，實(shí)際上包括流體本身的性質(zhì)和

6、不溶于流體或被流體夾帶的各種物質(zhì)的特性對(duì)污垢的影響。例如流體中含有鹽或其他物質(zhì)，可能會(huì)因溫度或濃度的變化而結(jié)晶。（無機(jī)物顆粒、微生物和養(yǎng)分含量、固體物質(zhì)的濃度和粒徑等） 2、流體流速 流體的流速可通過對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響和機(jī)械作用力使結(jié)垢受到影響，該影響過程非常復(fù)雜。一般情況下，流速大可阻礙固體顆粒在壁面的沉積，并使晶粒不易附著，從而可減輕結(jié)垢；但是，如果壁面上已經(jīng)結(jié)了垢，則流速的增大會(huì)促進(jìn)傳質(zhì)，因此在擴(kuò)散決定的結(jié)晶過程時(shí)，則有利于垢的增長(zhǎng)。三、換熱設(shè)備污垢影響因素三、換熱設(shè)備污垢影響因素 流速對(duì)不同類型結(jié)垢產(chǎn)生的影響是不同的，對(duì)不同類型換熱設(shè)備結(jié)垢的影響程度也不相同。對(duì)于擴(kuò)散機(jī)理控制的結(jié)垢過程，

7、增大流速可減小結(jié)垢速率；在以結(jié)晶類型為主導(dǎo)的結(jié)垢過程中，流速的影響相對(duì)較??；在微生物結(jié)垢類型中，流體流速有正、反兩方面作用，一是加大了剪切力，二是增加了養(yǎng)分和氧的供給。3、換熱設(shè)備參數(shù) 換熱器的一些參數(shù)對(duì)污垢的形成有著明顯的影響，這些參數(shù)主要有：換熱面材料、換熱面狀態(tài)、換熱面的型式以及幾何尺寸。 4、溫度和溫差 流體和污物之間的界面溫度是影響結(jié)垢程度的關(guān)鍵參數(shù)，流體溫度（平均溫度）及其傳熱系數(shù)決定該界面溫度。 5、其他影響因素：l流體中溶解物質(zhì)的濃度：對(duì)于結(jié)晶過程，濃度差（過飽和）是關(guān)鍵的，因?yàn)殡S濃度差的增大，物質(zhì)傳遞和污垢生成的速率也提高。l飽和濃度隨溫度變化的關(guān)系：直接影響操作條件的選擇和

8、結(jié)垢的形成?？赡艹霈F(xiàn)各種情況，例如飽和濃度隨溫度而上升、下降或保持不變。l垢層的厚度和剪切強(qiáng)度：隨著垢層厚度的增加使流道截面減小，流速增加，因而相應(yīng)地提高了剪切力，這樣有助于使垢層脫落，倘若垢層的剪切強(qiáng)度不太大，則兩者處于平衡狀態(tài)。l界面應(yīng)力和產(chǎn)生晶核的接觸角：隨著界面應(yīng)力的減小，晶核生成的可能性就增大。由于界面上存在的雜質(zhì)組分也可使界面應(yīng)力降低，從而有利于結(jié)垢過程。四、結(jié)垢機(jī)理及形成過程l由于溫度梯度的存在，在加熱面上的料液產(chǎn)生沸騰汽化，形成料液過飽和度大而產(chǎn)生晶核，附著于加熱壁面并成為污垢；l垢物本身因溶解度隨溫度增加而減少，如溶液中的鈣、鎂離子。當(dāng)達(dá)到飽和溫度時(shí)，鈣、鎂離子形成晶核附于加

9、熱壁面并成為污垢；l對(duì)于一些熱敏性物質(zhì)容易在管壁局部過熱而產(chǎn)生分解，分解產(chǎn)物附于加熱壁面并成為污垢。l蒸發(fā)有汽泡產(chǎn)生，然后上升脫離溶液本體而破裂。如果汽泡上升、破裂不順利，或者需要較長(zhǎng)時(shí)間，則汽泡使加熱面上溶液濃度分布不均勻，汽泡熱阻較大，形成管壁局部過熱，形成垢層，從而降低傳熱效率，形成更多的局部過熱，產(chǎn)生更多的垢層，惡性循環(huán)，無法維持生產(chǎn)。n加熱壁面上汽泡的行為在很大程度上影響著結(jié)垢過程。 污垢的沉積與剝落 沸騰表面上污垢形成圖 3 2 污 垢 的 層 狀 結(jié) 構(gòu) ABC垢層的結(jié)構(gòu)A：松散堆積，如沙丘狀、熱導(dǎo)率低；B：晶化前沿；C：結(jié)晶層、熱導(dǎo)率高。五、蒸發(fā)設(shè)備防除垢五、蒸發(fā)設(shè)備防除垢1、

10、加熱管壁上形成的污垢主要是下面三種：l結(jié)晶垢 經(jīng)常遇到。如蒸發(fā)時(shí)鹽濃度不斷提高，直至溶液過飽和，晶粒析出并沉積。主要取決于物質(zhì)的溶解度。如果溶液中主要是單鹽，則垢層較厚，結(jié)垢致密，與壁面的結(jié)合較牢固；若是復(fù)鹽，則垢層較薄，并由結(jié)晶團(tuán)塊組成，常包含清洗薄弱環(huán)節(jié)而易于脫落。垢層的形成受到溫度和流速的影響。l化學(xué)反應(yīng)污垢 當(dāng)料液與加熱表面接觸時(shí)，由于自氧化和聚合反應(yīng)而生成反應(yīng)污垢。例如單體烴類在接觸足夠高溫度的壁面時(shí)，可以進(jìn)行聚合反應(yīng)而生成聚合物，并牢固地附著于器壁。有些壁面的金屬雜質(zhì)（或者腐蝕產(chǎn)物）有助于氧化，特別是裝置中某些不密封部位，更易促使料液的自氧化。若壁溫很高，會(huì)導(dǎo)致結(jié)焦。這種垢層硬而韌

11、，不易除去。 l腐蝕垢 由表面的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕引起。如通過均勻腐蝕或孔蝕使金屬受損，產(chǎn)生金屬腐蝕產(chǎn)物。該產(chǎn)物一方面造成換熱表面熱阻增大，又可起到催化劑作用，有利于其他結(jié)垢過程；另一方面腐蝕后增加了金屬表面的粗糙度，有利于沉積結(jié)垢并增強(qiáng)了壁面的晶核附著能力。金屬腐蝕產(chǎn)物本身既可使壁面造成垢層，同時(shí)其脫落的銹屑可隨料液攜帶到別處沉積，即增加了料液中的污物。 2、常見防垢蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) （1）列文蒸發(fā)器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是加熱室上端設(shè)置一段高度為2.7m5m的圓筒作為沸騰室，因此加熱管內(nèi)溶液較一般蒸發(fā)器內(nèi)多承受一段液柱靜壓力，溶液只有上升到壓強(qiáng)較低的蒸發(fā)室內(nèi)才能沸騰汽化，這樣可以避免溶液在加熱管中結(jié)

12、垢或析出晶體。 循環(huán)速度可高達(dá)2 3m/s，傳熱效果好，加熱管內(nèi)不會(huì)有晶體堵塞，故適用于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液。因循環(huán)管必須保持一定的高度（一般約為7 8m），故這種蒸發(fā)器要求廠房高，同時(shí)消耗材料較多。此外，這種蒸發(fā)器的液柱靜壓強(qiáng)大，故要求較高壓強(qiáng)的加熱蒸汽才能維持一定的溫度差。 （2）強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器 在強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器中，液體在加熱管內(nèi)的循環(huán)流速通常在1.2m/s3.0m/s范圍之內(nèi)（當(dāng)懸浮液中晶粒多，所用管材硬度低，液體粘度較大時(shí)，選用低值），過高的流速將耗費(fèi)過多的能量，且增加系統(tǒng)磨損。加熱室可以是立式單程加熱或立式雙程加熱，也可以是臥式雙程加熱。后者的設(shè)備總高較小，但管子不易清洗，且

13、容易被晶粒磨損。為抑制加熱區(qū)內(nèi)汽化，可采用立式長(zhǎng)管蒸發(fā)器的方法，在加熱區(qū)之上保持一定液面高度，或采用出口節(jié)流的辦法。 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)大、抗鹽析、抗結(jié)垢、適用性能好、易于清洗。缺點(diǎn)：造價(jià)高，溶液停留時(shí)間長(zhǎng)，為抑制加熱區(qū)內(nèi)汽化，傳入的全部熱量以顯熱形式從加熱區(qū)攜出，循環(huán)液的平均溫度較高，從而降低了總的有效傳熱溫差。 （3）反循環(huán)蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器的加熱管較長(zhǎng)，其長(zhǎng)徑之比為50100。在開車時(shí)可以通入助推蒸汽，以實(shí)現(xiàn)初始循環(huán)，待正常運(yùn)行時(shí)可以關(guān)掉助推蒸汽。循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s。由于它是設(shè)法在加熱室造成一個(gè)過剩壓力，使溶液有可能獲得一個(gè)過熱溫度而不在加熱室沸騰汽化，從而減輕加熱面的

14、積垢。（4）旋轉(zhuǎn)紐帶自動(dòng)清洗式蒸發(fā)器 它是直接利用料液的循環(huán)流動(dòng)帶動(dòng)蒸發(fā)器加熱管內(nèi)的自動(dòng)清洗結(jié)構(gòu)元件螺旋紐帶旋轉(zhuǎn)(溫升3、循環(huán)速度1m/s），對(duì)加熱面上的污垢進(jìn)行自動(dòng)清洗，同時(shí)，紐帶在旋轉(zhuǎn)過程中擾動(dòng)邊界層，使對(duì)流傳熱中熱阻最大的邊界滯流層的傳熱過程得到有效強(qiáng)化，以此達(dá)到降低能耗、提高產(chǎn)量的目的。 犧牲傳熱效率、增大能耗、提高設(shè)備造價(jià)為代價(jià)，防垢效果并不顯著。 （5）L型蒸發(fā)器：n加熱區(qū)具有足夠的液柱靜壓力來抑制加熱面上溶液的沸騰，能確保加熱管內(nèi)的溶液不沸騰，減少結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象。n加熱室水平放置，與列文蒸發(fā)器相比，設(shè)備總高度降低39米。n河北省眺山化工廠碳酸鉀蒸發(fā) 3、汽液固三相循環(huán)流化床蒸發(fā)防

15、垢技術(shù) 汽液固三相循環(huán)流化床蒸發(fā)流程示意l在蒸發(fā)系統(tǒng)中加入一定量、一定尺寸的惰性顆粒，被循環(huán)液體帶入加熱室，經(jīng)均勻分布后，在加熱管內(nèi)形成汽液固三相流。l汽液固三相進(jìn)入顆粒分離裝置，固體顆粒被分離下來進(jìn)入下降管參與循環(huán)，再次進(jìn)入加熱室；汽液混合物進(jìn)入汽液分離室進(jìn)行汽液分離，液體參與下一循環(huán)。l固體顆粒不斷穿過流動(dòng)邊界層，增強(qiáng)了液體的湍動(dòng)程度；少數(shù)顆粒與換熱壁面的不斷碰撞、混合流體對(duì)壁面的沖刷等作用增加流動(dòng)的湍動(dòng)程度，可有效防止換熱壁面上污垢的沉積。 （1）原理（2）加熱管內(nèi)汽液固三相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)機(jī)理流 動(dòng) 結(jié) 構(gòu)細(xì) 泡 狀 流 動(dòng)汽 泡 彈 狀 流 動(dòng)液 固 兩 相 流 動(dòng)換 熱 方 式過

16、 冷 液 體強(qiáng) 制 對(duì) 流過 冷沸 騰ABCD飽 和沸 騰豎直管內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和換熱方式A區(qū)，液體溫度低于飽和溫度且管壁溫度也低于汽化所需的溫度，不發(fā)生相變，沒有汽泡產(chǎn)生，換熱方式為液固兩相流的強(qiáng)制對(duì)流換熱。B區(qū)，液體主流溫度仍然低于飽和溫度，但管壁已經(jīng)過熱足以產(chǎn)生汽泡，汽泡脫離管壁后進(jìn)入過冷液體時(shí)即凝結(jié)而消失。汽泡的產(chǎn)生和消失對(duì)液體起擾動(dòng)作用，開始破壞流體邊界層，再加上顆粒對(duì)邊界層的破壞，使得換熱系數(shù)有所增加。換熱方式為過冷沸騰。C區(qū)和D區(qū)，液體的平均溫度等于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而管壁又有足夠的過熱度，同時(shí)固體顆粒對(duì)壁面的撞擊，此時(shí)活化點(diǎn)增多，生成的汽泡也增多，流動(dòng)結(jié)構(gòu)由細(xì)泡狀流動(dòng)發(fā)展到汽泡

17、彈狀流動(dòng)。在此區(qū)換熱主要靠汽泡從壁面吸收蒸發(fā)潛熱和一部分過熱液體被汽泡帶入主流的對(duì)流方式進(jìn)行，換熱系數(shù)同B區(qū)相比有所增大。加入的固體顆粒對(duì)強(qiáng)化流動(dòng)沸騰傳熱具有如下效應(yīng)：泡核沸騰傳熱的強(qiáng)化由于固體顆粒的加入，增加了汽化核心并使汽泡的躍離頻率增大，強(qiáng)化了泡核沸騰傳熱；對(duì)流傳熱的強(qiáng)化固體顆粒的運(yùn)動(dòng)破壞了流動(dòng)和傳熱邊界層，增強(qiáng)了流體湍動(dòng)程度，從而強(qiáng)化對(duì)流傳熱。汽液固三相循環(huán)流化床蒸發(fā)器中汽液固三相和壁面之間的傳熱由固體顆粒與壁面間的對(duì)流傳熱、汽液兩相流和壁面間的對(duì)流傳熱以及有固體顆粒作用的流動(dòng)泡核沸騰傳熱三部分組成。 up12ur固體顆粒與換熱壁面間的對(duì)流傳熱固體顆粒與換熱壁面間的對(duì)流傳熱顆粒與壁面碰

18、撞引起的液體容積對(duì)流傳熱顆粒與壁面碰撞引起的液體容積對(duì)流傳熱 三相流化床中,液相為連續(xù)相，固相和汽相為分散相。汽泡的形成是非常復(fù)雜的現(xiàn)象，受許多因素的影響，如液體粘度、顆粒的直徑、顆粒的體積分率、熱流密度等。在汽液固三相流動(dòng)中，由于固體顆粒對(duì)加熱壁面的頻繁撞擊增加了活化點(diǎn)，產(chǎn)生了更多的汽化核心，而且在受熱的液體繞過固體顆粒流動(dòng)時(shí)，在某些材質(zhì)的顆粒表面也會(huì)產(chǎn)生汽泡。在體積分率相同時(shí)，固體顆粒的直徑增大，其數(shù)量會(huì)減少，汽泡的核心數(shù)目也會(huì)減少。當(dāng)汽泡的形成功一定時(shí)，熱流密度增大汽泡的形成加快，也就是說汽泡的形成頻率增大。汽泡大部分產(chǎn)生于球形凸凹面和錐形凹穴中，對(duì)于一個(gè)已形成的汽泡來說，要使這個(gè)汽泡繼

19、續(xù)存在下去，即應(yīng)使汽相與液相達(dá)到平衡，由熱力學(xué)與力學(xué)分析得知，必須滿足以下三個(gè)平衡條件：溫度平衡： 兩相及汽液界面溫度相等并均勻一致。力學(xué)平衡： 在汽泡界面上各作用力達(dá)到平衡。相平衡： 汽液兩相化學(xué)勢(shì)相等。 在加熱壁面上的長(zhǎng)大：在汽泡形成后，汽泡不斷從加熱壁面吸收熱量，汽泡開始長(zhǎng)大。在這段時(shí)間內(nèi)，汽泡內(nèi)蒸汽壓力基本不變，即汽泡在保持其內(nèi)部壓力不變的條件下等壓長(zhǎng)大。汽泡的成長(zhǎng)過程主要由熱量傳遞方程控制，汽泡成長(zhǎng)速率主要取決于壁面的熱流密度。汽泡的躍離當(dāng)壁面上的汽泡長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)，將躍離壁面而上升到沸騰液體中，汽泡躍離壁面時(shí)的直徑稱為躍離直徑。 當(dāng)汽泡長(zhǎng)大到其浮力、液體對(duì)它的剪應(yīng)力之和大于汽泡與

20、壁面的附著力時(shí),汽泡就躍離壁面。汽泡的躍離直徑受到固體顆粒的直徑、體積分率以及熱流密度的影響。顆粒與壁面上的汽泡撞擊也有利于汽泡躍離壁面，如圖所示。在三相流動(dòng)沸騰傳熱系統(tǒng)中固體顆粒與壁面接觸時(shí)，為汽泡成核提供了更多的區(qū)域，使汽化核心數(shù)目增加，且汽泡躍離壁面的直徑越小，則汽泡在壁面上的停留時(shí)間越短，汽泡生成頻率就越高，沸騰也越劇烈。constdfv 在防垢方面，汽液固三相流剪應(yīng)力對(duì)延長(zhǎng)污垢的誘導(dǎo)期起主要作用；同時(shí)固體顆粒碰撞邊界層將導(dǎo)致壁面附近溶液的過飽和度減小。加入固體顆粒后，顆粒增加流體的湍動(dòng)程度，汽液固三相流剪切應(yīng)力對(duì)污垢的影響和壁面附近溶液過飽和度的變化；在除垢方面，汽液固三相流剪應(yīng)力可

21、清除換熱面上污垢的較松軟層（A層）；污垢底層（C層+B層）要依靠加入的固體顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)加熱管壁的碰撞在垢層上產(chǎn)生初始裂紋或被磨損。垢層與管壁之間的溫差應(yīng)力將使垢層上已形成的初始裂紋擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂紋。 固體顆粒對(duì)垢層的碰撞應(yīng)力：cfAppfcmax垢層溫差應(yīng)力脫除（垢層內(nèi)壁處首先出現(xiàn)裂紋）：cKKKtEtefff12ln1)1 (222RfiRfotztrtrtO垢層內(nèi)壁面處的溫差應(yīng)力為一個(gè)較大的值溫差應(yīng)力的大小主要取決于垢層內(nèi)外壁的溫差t，其次也與垢層的線膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比有關(guān)，又決定于垢層的厚度，K值愈大，溫差應(yīng)力越大。aYKcIc在等壁溫加熱的條件下，隨著結(jié)垢過程的進(jìn)行，垢

22、層內(nèi)壁的溫度是逐漸降低的。溫差增大！t=ti-t0固體顆粒對(duì)結(jié)晶核心的影響：固體顆粒對(duì)結(jié)晶核心的影響： 顆粒在管內(nèi)的分布呈現(xiàn)管壁較濃，管中心較稀的分布。 因此即使大部分顆粒不能碰撞管壁，也會(huì)在壁面附近提供大量的結(jié)晶成核核心，阻止了一部分結(jié)晶擴(kuò)散至加熱壁面形成垢層。 沉積到顆粒表面上的結(jié)晶會(huì)由于流體與顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而被沖刷掉。 由于固體顆粒的表面為汽泡的形成提供了更多的汽化核心（這與液體對(duì)顆粒的潤(rùn)濕性能有關(guān)），提高了蒸發(fā)強(qiáng)度。無固體顆粒時(shí)有固體顆粒時(shí)TwmTwTbTwmTwTb固體顆粒碰撞對(duì)壁面附近過飽和度的影響：固體顆粒碰撞對(duì)壁面附近過飽和度的影響： 固體顆粒強(qiáng)化傳熱的直接效果之一，是導(dǎo)致?lián)Q熱

23、壁面溫度下降，這將改變壁面附近的溫度場(chǎng)分布。考慮一種極端情況，假設(shè)結(jié)垢僅是由于溶質(zhì)的擴(kuò)散效應(yīng)引起的，那么溶液結(jié)垢的沉積速率為)(wbmdcchhm為傳質(zhì)系數(shù)； cb為流體主流的濃度； cw為壁面上溶液的濃度； 對(duì)于結(jié)晶垢，正是由于壁溫Tw與主流溫度Tb不同才導(dǎo)致了壁面附近溶液的過飽和，必須考慮電解質(zhì)溶解度隨溫度的變化。對(duì)于具有逆溶解度性質(zhì)的鹽類，在溫度范圍不太大時(shí)可以認(rèn)為電解質(zhì)濃度與溫度成正比關(guān)系，于是，對(duì)于具有逆溶解度性質(zhì)的鹽類的結(jié)垢有：)(bwwbTTcc為溶解度的溫度系數(shù)；)(bwmdTTh即有：d與溫差Tw-Tb成正比，加入固體顆粒后，壁溫Tw降低，引起溫差Tw-Tb的減小，有效地降低

24、了污垢在換熱壁面上的沉積速率，從而起到了良好的防垢效果。（3）惰性固體顆粒種類的選擇 必須針對(duì)不同的物料特性及傳熱體系，根據(jù)價(jià)格性能比，選擇適當(dāng)種類的惰性固體顆粒材料。固體顆粒與被蒸發(fā)介質(zhì)在操作條件下不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)產(chǎn)品沒有污染。不同固體顆粒的物性不同，其對(duì)垢層的破壞作用和強(qiáng)化傳熱的效果也不同。 因此，選擇固體顆粒時(shí)，應(yīng)綜合考慮固體顆粒的種類、形狀、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等因素，既要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的韌性，在流動(dòng)中不被撞壞，磨損量要足夠小，以防流體流動(dòng)不穩(wěn)定和能耗過大，又要有良好的強(qiáng)化傳熱和防、除垢性能。同時(shí)要考慮顆粒在特定的工況下，是否能夠且容易被流化，流化的程度如何，在管內(nèi)能否均勻分布；

25、顆粒密度要適當(dāng)，對(duì)管壁的碰撞力要足夠大但對(duì)壁面的磨損量要小。顆粒種類尺寸mm密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)比熱kJ/(kgK)剛玉球2，3，4，523500.680.77玻璃球2，3，4，525001.0930.6699陶瓷球2，3，4，523501.250.8370鋼球2，3785048.850.4605鈦粒33，34，444505310.5240聚四氟乙烯33，34，4421900.2491.243固體顆粒的種類、尺寸、及物性參數(shù)（4）惰性固體顆粒的加入量 必須選擇適當(dāng)?shù)墓腆w粒子加入量，以達(dá)到既能防、除垢又不使流動(dòng)阻力劇增的效果。加入顆粒較多時(shí)，顆粒與管壁接觸機(jī)會(huì)增多，碰撞頻繁，擾動(dòng)邊

26、界層能力提高，有利于防、除垢。但顆粒加入量過大，可能將引起流動(dòng)阻力大為增加。顆粒體積分率為3%8%時(shí)，防、除垢效果最好。 傳熱系數(shù)與操作時(shí)間的關(guān)系傳熱系數(shù)與操作時(shí)間的關(guān)系壓降與操作時(shí)間的關(guān)系壓降與操作時(shí)間的關(guān)系（5）操作參數(shù)對(duì)防垢和壓降的影響）操作參數(shù)對(duì)防垢和壓降的影響（6）固體顆粒分布裝置變孔徑分布板的結(jié)構(gòu) 下管箱液固流化床中，液體流速沿徑向呈拋物線或?qū)?shù)分布，導(dǎo)致了床內(nèi)顆粒所受合力的不均勻分布。在不同半徑位置處的顆粒受到流體曳力不同，使得顆粒來不及在管箱內(nèi)均勻混合，就隨中心區(qū)液流進(jìn)入管束，引起顆粒在管箱內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)和分布不均勻。設(shè)計(jì)原則是使分布板阻力從邊緣向中心也按拋物線或規(guī)律增大，改變床內(nèi)

27、液速沿徑向的分布，中心區(qū)域的液速大，受到分布板的阻力也大，邊緣附近液速小，受到的分布板阻力也小，從而改善顆粒的不均勻分布。0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0concentration 2.5% V 8m3/h V 9m3/h V 10m3/hsx 102r/R0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0concentration 2.5% V 8m3/h V 9m3/h V 10m3/hsx 102 r/R無分布板時(shí)固含率分布有分布板時(shí)固含率分布 在同一分布板高度下，隨

28、著流量和顆粒體積分率的增加，顆粒分布不均勻度明顯減?。?%），較大流速更易于實(shí)現(xiàn)顆粒的均勻分布。（7）效間過料裝置 多效多相流蒸發(fā)器的效間設(shè)置過料裝置，防止多相流蒸發(fā)器中加入的固體顆粒進(jìn)入下一效蒸發(fā)器，同時(shí)滿足細(xì)晶體隨料液流動(dòng)的要求；如果是舊蒸發(fā)器系統(tǒng)改造，還要能夠防止舊蒸發(fā)器內(nèi)原有垢層被清除后的大塊垢片堵塞過料裝置，實(shí)現(xiàn)兩效之間料液的有效輸送。 設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)過料量、允許的管內(nèi)流速，采用流體力學(xué)中固體顆粒流態(tài)化的計(jì)算方法來確定各段流通面積；由于流通面積增大，料液流動(dòng)速度變慢，小于固體顆粒的自由沉降速度，不足以攜帶所加入的固體顆粒向上運(yùn)動(dòng)，顆粒向下做沉降運(yùn)動(dòng)，而料液向上流動(dòng)。 該過料裝置已獲發(fā)明

29、專利ZL201110217050.1。過料裝置結(jié)構(gòu)（8 8）技術(shù)特點(diǎn)：）技術(shù)特點(diǎn)：l在線防垢，無清垢廢液產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境無污染。l有效地強(qiáng)化傳熱，管側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)可提高到管側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)可提高到 1.5-2.0倍，總倍，總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)的管殼式蒸發(fā)器提高約30。l壁溫降低，有效防止腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。l可使設(shè)備的溫差大，傳熱面積變小。l可以省略料液中容易結(jié)垢的成份和固體成份的預(yù)處理過程。l可在原有換熱（蒸發(fā)）系統(tǒng)上改造，設(shè)備投資少、見效快。（9 9）優(yōu)越性：）優(yōu)越性：l適于加熱或冷卻表面上可能生成的各種結(jié)垢，包括結(jié)晶性的硬垢，生物和食物上的軟垢，蛋白質(zhì)和纖維狀的結(jié)垢，其它的有機(jī)物垢和無機(jī)物垢。 l具有穩(wěn)

30、定的傳熱系數(shù)K值和壓力降P值。l保持原工藝流程和現(xiàn)有設(shè)備的安裝狀態(tài)不變。l所有原有的泵體還可以繼續(xù)使用。l惰性固體顆粒不會(huì)污染料液，可以控制惰性固體顆粒在設(shè)備內(nèi)的循環(huán)周期，既可以用于強(qiáng)制循環(huán)，也可以用于自然循環(huán)。l強(qiáng)化傳熱和防、除垢機(jī)理與物料的性質(zhì)無關(guān)。 處理量的比較處理量的比較（10）應(yīng)用實(shí)例）應(yīng)用實(shí)例加熱室蒸汽壓力的比較（防垢）加熱室蒸汽壓力的比較（防垢）實(shí)例實(shí)例1 1、在山東某廠的含鹽廢水（其中氯化鈣15%、氯化鈉10%、SO42-等）蒸發(fā)操作中，采用多相流蒸發(fā)技術(shù)，將原蒸發(fā)裝置中料液的強(qiáng)制循環(huán)方式改為自然循環(huán)，省去了循環(huán)泵，不僅大大節(jié)省了設(shè)備的運(yùn)行能耗，同時(shí)提高了產(chǎn)量。實(shí)例實(shí)例2、連云

31、港某化工廠含鹽廢水清潔處理，廢水含鹽量10%左右（NaCl），溶液PH值78，廢水中還含有3-氯丙稀、氯仿等。采用三效順流自然循環(huán)真空蒸發(fā)流程、多相流蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)。各效蒸發(fā)室液相溫度：一效105115，二效95105，三效6275。蒸汽消耗0.35t（汽）/1t(水)。 廢水從10%濃度蒸發(fā)到約27%濃度，過飽和結(jié)晶回收氯化鈉。實(shí)例實(shí)例3 3、某制藥企業(yè)，物料：SUPER RO濃水；含有Cl-、SO42-；進(jìn)料量600m/d；進(jìn)料濃度：約16%；總蒸發(fā)量540m/d；pH6-9，將每日產(chǎn)生廢水中的鹽全部固化析出。 四效順流多相流蒸發(fā)結(jié)晶工藝（分鹽工藝）： 由于一效加熱室溫度較高且物料濃度低，物

32、料在一效不出結(jié)晶，采用蒸發(fā)時(shí)間短的管式降膜蒸發(fā)器；二效采用強(qiáng)制循環(huán)多相流蒸發(fā)結(jié)晶器結(jié)晶排硫酸鈉、三效采用強(qiáng)制循環(huán)多相流蒸發(fā)器，四效采用強(qiáng)制循環(huán)多相流蒸發(fā)結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶排氯化鈉，結(jié)晶后晶體粒度大約在0.150.3mm，氯化鈉和硫酸鈉溶液固液比到達(dá)要求后，進(jìn)入稠厚器，再去離心機(jī)甩干排鹽，母液返回二效蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)。 二效、三效、四效采用多相流蒸發(fā)是為了防止在蒸發(fā)過程中氯化鈉和硫酸鈉晶體在加熱管內(nèi)出現(xiàn)結(jié)垢。在蒸發(fā)器中加入固體顆粒形成多相流蒸發(fā)，加入的固體顆粒一方面起到防垢作用，另一方面強(qiáng)化換熱、提高傳熱系數(shù)，比傳統(tǒng)蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)提高15%30%；固體顆粒（采用剛玉顆粒）一次加入，參與循環(huán)，不用補(bǔ)

33、充。二效、三效、四效設(shè)置惰性顆粒加入口，二效、三效及四效之間設(shè)置防止顆粒溢出的過料裝置。有關(guān)多相流蒸發(fā)結(jié)晶器和過料裝置采用發(fā)明專利技術(shù)，專利號(hào)ZL201110217049.9、ZL201110217050.1。 采用該工藝是因?yàn)樵贜aCl-NaSO4-H2O體系中，在高于常溫的條件下，該體系呈NaCl的溶解度隨溫度的升高而增加、NaSO4的溶解度隨溫度升高而降低的趨勢(shì)，所以，將廢水中氯化鈉和硫酸鈉蒸發(fā)至過飽和，進(jìn)行結(jié)晶，在二效出硫酸鈉、四效出氯化鈉，分別得到硫酸鈉和氯化鈉，以增加廢水處理后鹽的經(jīng)濟(jì)附加值，提高經(jīng)濟(jì)性。工藝參數(shù)：由于廢水中含有的Cl-濃度較高，具有很強(qiáng)的腐蝕性，蒸發(fā)過程中液相溫度

34、不能高。采用生蒸汽溫度130，0.27MPa（絕）； 一效液相溫度：108112，二次蒸汽溫度108；二效液相溫度：8590，二次蒸汽溫度85；三效液相溫度：7276，二次蒸汽溫度70；四效液相溫度：5358，二次蒸汽溫度53；汽耗、循環(huán)冷卻水消耗：蒸發(fā)理論汽耗0.28kg（汽）/kg（水）；循環(huán)冷卻水耗量約480t/h；每效加熱室換熱面積約350m2，四效共計(jì)1400 m2。 本方案的特點(diǎn)是：（1）蒸發(fā)過程中防垢，換熱面上不結(jié)垢；（2）強(qiáng)化傳熱，節(jié)能效果好；（3）廢水中含有的氯化鈉、硫酸鈉分別結(jié)晶排鹽，提高經(jīng)濟(jì)性。實(shí)例實(shí)例4 4、吉林某企業(yè)，高鹽廢水處理正常值為320噸/天，最大值為360噸

35、/天；水質(zhì)指標(biāo)：序號(hào)水質(zhì)指標(biāo)單 位設(shè)計(jì)值1氨 氮g/L102硫酸鈉g/L603pH12-134Nimg/L25Znmg/L46Comg/L37Camg/L0.28Femg/L29Mnmg/L0.110Cumg/L0.111Cdmg/L0.1 實(shí)施方案：硫酸鈉廢水蒸發(fā)結(jié)晶采用三效順流多相流真空蒸發(fā)結(jié)晶工藝，真空度0.085MPa 。由于一效加熱室溫度較高且物料濃度低，物料在一效不出結(jié)晶，采用蒸發(fā)時(shí)間短的管式降膜蒸發(fā)器；二效采用自然循環(huán)多相流蒸發(fā)器，三效采用自然循環(huán)多相流蒸發(fā)結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶后硫酸鈉溶液固液比達(dá)到要求后，去離心機(jī)甩干，濕物料去干燥，母液返回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)。 參數(shù) 效數(shù)液相溫度

36、（）氣相溫度（）I效115125110120II效901008595III效52625055工藝參數(shù)（生蒸汽0.3MPa）循環(huán)冷卻水134t/h電108.4kW(裝機(jī)容量)蒸汽0.37t汽/t水（包括干燥）水電汽消耗指標(biāo)實(shí)例實(shí)例5 5、寧夏某煤化工企業(yè)，蒸發(fā)量10噸/h, S=800m2水質(zhì)水質(zhì)原水水質(zhì)原水水質(zhì)蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)水蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)水（正常）（正常）蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)水蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)水（極端）（極端）mg/Lmmol/Lmg/Lmmol/Lmg/Lmmol/LK170.43503.712.9503.712.9Na1516.5718540.3809.618540.3809.6Ca2325.616.25593.829.61929.596.3Mg2141.2511.6394.823.7275.668.9NH41.70.0950.42.850.42.8Fe0.03Cl870.4124.5525789.9727.525789.9727.5SO42+123025.6136444.4758.836444.4758.8CO3233.291.110.00.00.00.0HCO3609.269.982074