化工部第八 设计院魏宗胜提要:本文根据国外试验研究成果和工业实践经验,提出了目前国内外还使用较广的切向进料式蒸发结晶器的若千缺陷,并介绍了相应的改进措施经中试装置的试验结果和工业实践证明,这些措施是行之有效的,已在工业上得到 了应用前言外加热强制循环蒸发器适用于蒸发有晶体或垢物析出的物料,为化工、轻工和有色冶金等行业广泛采用这种蒸发器或蒸发式结晶器大多采用图1所示的结构,即循环液按水平切向进入蒸发室,从蒸发室锥底正中排出,再往循环管、循环泵、加热室进行循环采用切向进料的目的是,借助蒸发 室中料液的回转运动以及由此 产生的二 次循环液流,使进入蒸发 室的过热状料液与蒸发 室中的料液迅速混合,沸腾不致过于强烈,以减少雾沫夹带;对于结晶过程,用以获得比较均匀的晶体分布,为结晶呼呼、、提供良好的条件这种切向进料方式是世界上著名的美国斯文森和瑞士的埃舍·维斯两大公司外循环蒸发器的特征之一但是近年来,荷兰De lf t工业大学的研究人员,通过大量 的试验研究发现,这种蒸发式结晶器存在着有害的固相分级和热短路现象,并提出了改 进 办 法,取得了较好的效果,其研究成果在近年召开 的国际工业结晶会议上连续发表t21t“,。
国外一些蒸发器专业公司也作了相应 的改进从 美国8 6年8月 出版的化工设备用户手册上发现,就连一贯采用切向进料式的斯文森蒸发器公司也推出了轴向进料式蒸发结晶器在我国,切向进料存在的缺陷也陆续为 国内一 些单位在生产实践中发现,并采取了相应措施鉴于切向进料式外循环蒸发器在我国氯碱、真空制盐、无机盐、化肥和湿法冶金等工业部门中使用得相当普遍,本文就国外这方面的试验研究成果及改进措施作一简要综述和分析,以期引起蒸发器设计者的注意图1斯文森强制循环蒸发结 晶器1一蒸发室2一循环管3一消涡器4e s加热室5一循环泵蒸发室切向进料的缺陷1.蒸发室中固相偏析,沸腾区固 相浓度低,增加成核速度和结疤速度据荷兰De l f t工 业 大学 的 一篇博士论文〔‘,和第七届 国际工业结晶会议的论文〔2 1介绍,为了对制盐工业现有蒸发结晶器进行系统评价,以便为开发新型的结晶器 提供 理 论依据,该校在NaC I结晶产量为 1 0吨/天的中试装置上,对几种蒸发式结 晶器进行了大量试验一26一卜一一币生伪卜一-月李李》卜~ ~ ~叫~省‘亡泣泣一一于二了三」」巴二了二二 了了I I I卜卜卜—一~~. . . l l l l l. . ..宋佛腾1中加月图2中试用蒸发室图3佛腾对上升流和下降流分布区的影响帕帕叼闪卜卜一,、、、} } }7一3差差斤面面面面/ / /尸尸 1 1 1 1 1 1 1水水} } } } } } } } }‘尹尹/_ _ _科科一一一少.J O. 一, , , , , , , , , , , , ,r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r一1 1 1 研研’’’‘l l l汉汉汉汉J J J.产产产产l l l l l l l l l l l l l l l, , , , ,, , , , , , , ,,产/ / / / / / / / / b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b 户户户户户用用卜卜一J J J洲洲洲洲! ! !定日念卜恻瑙世早一沸腾-~O一一0.~0.叫O~一未沸腾一一、、、、、、、1 1 1 沂面面面面~ ‘J 曰卜矛矛,矛矛5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5一1肠肠肠肠肠肠呜州户户笋笋娜劫魂卜’’、、人‘‘‘‘‘月月. 汀汀r,协、、、. . .‘‘‘卜.司。
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图3、4、5为的悬浮,对结晶过程十分不利从图4可知,沸测定结果试验条件为:切向进口的液 速为腾时切向速度增大,蒸发室中的旋涡增强,由1.2 6m/ s,切向进口中心线以上的液位高度为此而引起的离心作用将加剧蒸发室中固相的分o.sm,沸腾试验用清水,其沸点为10 0℃水布不均进出加热室的温升为1℃图中表示了在切 向为 了进一步观察固相的偏析现象,又用砂进口管中心线以上0·24m高的断面上,轴向,和盐水进行了试验,测定了蒸发室各点的局部速度 和切向速度的分布情况图3中的“+”号砂浓度砂粒和盐水的密度分别 为2580kg/m3一28一的 兮的 飞‘0住神勺(:‘习碧‘匀0的的, 0,、!扣 !翔叫二仲.、璐0匆O【 二刃图6不变高度上相对砂浓度的径向分布和n6 0kg/m3图6示出了在 低 液位操作时不同高度处相对砂浓度 的径向分布切向进料速度为1.4 1m/ s,循环前液位H=0.2 3m图 中二表示测定水平面到切 向进口管中心线的标高,纵坐标为局部砂浓度M和外循环管 中的砂浓度Mz B,的百分比试验结果清楚 的表明,蒸发室中固相浓度很低,并且分布得相当不均匀,出现 了严重的偏析现象上述试验揭示 了切向进料式蒸发器用于结晶操作将出现如下间题:(1 )由于沸腾区固相浓度低,尤其是液面中部固相很少,沸腾时形成的过饱和度不能为足够的晶体迅速吸收,因此一次成核速率可能·很高,将产生过量晶核。
2 )外循环系统中固相浓度高,大量的晶,体通 过循环 泵和加热室循环,由于晶体和叶轮的碰撞,增大了二次成核速率3)由于沸腾区过饱和度高,加速了沸腾区液面处内壁 的结疤速 度缩 短蒸发器 操 作周期,增加清洗费用4)因过饱和度高,对结晶产品质 量(晶体的形状和纯度)有不利的影响Delft工业大学试验的最终结论是:从结晶的观点看,切向进料式蒸发器的性能是较差的2.出现热短路,减小传热有效温差按外循环蒸发器的设计原则,对于浓缩有晶体析出的物料,在蒸发室切向进料口的上方应维持一定的料液高度,使经过加热室后 呈过热状的料液与蒸发室中的料液混合后再沸 腾,以防止局部强烈沸腾形成的过大的过饱和度,这对于 避免过度成核和切向进口处的结疤都是必要所但是,这将 出现切向进料式外循环蒸发器特有的短路现象从图3和5可知,对于水平切向进料的蒸发室,在较大区域中出现了向 下 的轴向分速度,造成进入蒸发室的部分过热料液还未完全上升到液面,因液柱静压作用尚未充分闪蒸降温到与蒸发室压力相 平衡的温度,就从蒸发室-锥体底部排出这种短 路现象使进加热室 的料液温度升高,从而减小了传热有效温差,降低蒸发器的生产能力根据论文〔 4 ]用水沸腾试验得出的短路曲线可 得到切向进料外循环蒸发器在不 同液位时的短路温差损失。
表l低液位时的短路温差损失料液经加热室 的温升℃短路臀损失卜5】l .牛匡 目三洲1’州1. 4 5{1’l s l”·7 5注:试验 条件,液位H~0.拐二,切向 进口速度内~o.6 1m/ s,二次汽温度T表2高液位时的短路温差损失娜撰力n够}55}1}:.55}1.-型竺二:止-}一}一{一I - - 短路温差损失l,,l,甲,份1二宝.上.0.口l口. 勺l!}l注:试验条件,H~0.6 8m,y‘~0.9 3皿/ s,T~5 5试验表明,掖位增高,短路温差损失加大对此,读者很容易提出解决办法:将液位降到蒸发室切向进口处但 是,正如 瑞士‘Ese五e rWyssNows”上的一 篇 论文中指出的,蒸发罐的进料管很快就会被结晶出的盐附结上,甚至会出现在任何时候都应排除的振动间题另外,如液位低于循环液进口,则循环一29一泵要增加额外的料液提升,这对大流量低扬程的轴流泵而言,就是增加较多的功率消耗显然,这是操作时应避免的3.出现旋涡损失,增加循环泵功耗由于切向进料使蒸发室中的料液回转,液面呈漏 斗状抛物面,蒸发室中央液位下降如图1所示,循环 泵的进口侧循环管正对蒸发室中央的低液位,而循环泵的出口侧连接蒸发室外围的高液位。
其液位差即为循环泵 要额外克服的阻力,这就是国外一 些文献上称之为应计入蒸发器循环泵扬程中的旋涡损失(Vo rto xloss e s)[’1从我院与四川省新达水泵厂、宜宾化工厂在外循环蒸发器上进行的循环泵清水性能测试数据中,也反映出此旋涡损失的大小〔匀循环泵的扬程测定方法是在轴流泵进口侧的循环管上各装一个弹簧压力表,此压力表 为0.3 5级的标准表,量程为~2.skgf/ cm么,刻度间隔为0.Olkgf/ cm“蒸发器中充入清水,开泵前两个等高 的 压力 表上 的读数均为1.ll kgf /泵启动后,泵进口侧的压力表读数 较短时间内下降到1.Olkgf/cm“通过蒸发室上部新增加的一个视J镜进行观察,液面中央凹下,与蒸发室壁处的液面的高差,目测大约为1.1一1·3m停泵时,由于泵出口侧液位高,出现了水的反 向自然循环,冲动轴流泵叶轮反转4一5转方静止尽管以上 测定时,在蒸发室近锥底处的循环管端已新加了十字形挡板,可减 弱循 环管中的旋涡,但因其直径较小,仍不足以抑制蒸发室中的大旋涡循环 泵·启 动 前后,泵进口侧压力减小lm水柱,从此值中扣除泵吸入侧循环管阻力降一0.02 7m后,即为旋涡新增加的循环 阻力。
此旋涡损失竟占蒸发器正常操作时总循环 阻力的大约 2 4男4.旋涡进入循环泵,降低泵效率,引起泵振动轴流泵的水力设计要求尽量避免在泵的进口处存在旋涡,否则将造成叶轮进口流动素乱,导致泵效率下降,泵产生振动工业生产中也观察到,对于切向进料蒸发室,在循环泵的进口段有较大。