（化学工程专业论文）载气蒸发的发展及其换热面上结垢的研究.pdf

摘要 摘要 为解决医药、食品、化学等工业生产中热敏性与易结疤型物料在蒸发浓缩过程的热 变质与在加热壁面上结疤的问题，大连理工大学化学工程研究所开发出了载气蒸发技 术。多方面的基础研究已在热敏性物料及易结垢型物料的蒸发浓缩及再沸过程中获得了 应用。但以前多注重较大液速( 液速为硐= o 3 1 6 ms o ) 条件下的研究，这些研究适宜于 间歇操作生产情况，研究所新开发的向上直通式载气蒸发器具有蒸发效率高和操作连续 化的特点，可应用于大规模生产的蒸发浓缩，由于这种蒸发器在载气蒸发过程中物料要 一次通过就达到足够的浓缩效果而得到产品，蒸发就要在低液速条件下进行；另一方面， 对于容易聚合的丙烯酰胺水溶液的蒸发浓缩，特别是生物法生产的丙烯酰胺水溶液的浓 缩过程，往往需要引入大量的空气作为载气以达到良好的阻聚效果。因此，十分有必要 进一步发展载气蒸发技术，研究低液速载气蒸发技术并开发出丙烯酰胺水溶液浓缩的载 气蒸发新方法。 污垢是工业生产中普遍存在的问题，它严重的影响传热过程，并且造成能源的极大 浪费。在蒸发浓缩过程中，污垢问题常常十分严重，甚至影响生产的进行。而载气蒸发 过程由于抑制了泡核沸腾，可减少污垢的形成。因而对污垢形成机理特别是引入载气对 污垢形成的作用研究将为载气蒸发技术获得更为广泛的应用提供理论基础。 本论文的主要工作分为以下几个方面： ( i ) 采用加= 0 0 3 2 o 3 2 1 ms 4 的低液速范围对载气蒸发过程中( 空气作为载气) 的传 热与操作特性进行了研究。结果表明：与对流沸腾相比，壁面过热度降低，由此获得的 传热膜系数明显提高；在相同的入口表观液速和操作温度下，当引入较少量载气时，传 热膜系数随着表观载气速的提高而增加：当引入过大载气量时，出现了传热膜系数随着 表观载气速的提高而降低的趋势，随着入口表观液速的增加，出现传热膜系数降低时的 表观载气速愈大；载气蒸发过程的整个加热管的流型明显较一般对流沸腾下移，其液体 上升速度增加，并且在气泡的滑移过程中，整体加热管的壁面过热度降低。运用简化的 气泡滑移模型，分析了载气蒸发过程中气泡滑移增强传热的机理。 ( 2 ) 提出了种丙烯酰胺水溶液浓缩的载气蒸发新方法( 空气作为载气) 。该丙烯酰 胺水溶液浓缩载气蒸发法的特点是在一般筛板浓缩塔的筛板上布置了加热管，把一般筛 大连理工大学博士学位论文 板塔浓缩的平衡控制过程转变为传热控制过程。该载气蒸发新方法与以前提出的载气蒸 发法比较，起阻聚作用的空气量较以前载气蒸发器中引入的空气量要大得多，起的阻聚 作用大为增强，而且操作范围与弹性也较大。依据这方法开发的新型载气蒸发筛板塔 可采用多层塔板操作。整个装置的蒸发浓缩能力大为提高，与未设置加热管且塔板较少 的情况相比较，浓缩比可以提高一倍。该装置采用负压操作，可以避免丙烯酰胺可能自 装置中漏出，有利于环保。 ( 3 ) 对垂直上升矩形流道内紧邻加热壁面引入载气( 氮气作为载气) 条件下的对流传 热进行了实验研究，结果说明：引入载气的对流传热系数较单相流传热系数有明显的增 加，在低表观液速下和低热流密度下，其传热为混合对流传热时，这种增强效果更加显 著，最大可增强5 倍左右。引入载气对对流传热的增强程度要明显好于对过冷沸腾传热 的增强。载气增强传热是气泡滑移引起液速增加而产生的湍动增强，和气泡滑移而产生 的边界层湍动这两个机理叠加作用的结果。 ( 4 ) 模拟工业循环冷却水系统中c a c 0 3 在竖直换热面上的结垢过程，用动态热阻法 对c a c 0 3 的结垢机理进行了系统的实验研究。同时在流动系统中引入了载气( 氮气作为 载气) ，考察其对污垢形成的作用，并对其作用机理进行了分析。实验发现在流体流道 内引入载气，能减少污垢的形成，而且引入载气量越大，形成的污垢热阻越小。引入载 气使结垢速率降低的原因是加快吸附气泡离开加热壁面，滑移气泡增大了污垢脱除速率 和强化传热使加热壁面温度降低三个方面共同作用的结果。 ( 5 ) 对过冷流动沸腾过程c a c 0 3 在竖直换热面上的结垢机理进行了实验研究，同时 在流动系统中引入载气( 氮气作为载气) ，考察其对污垢形成的作用。运用分形理论，研 究了c a c 0 3 结晶垢垢形分形特性。此外还对过冷流动沸腾污垢形成机理进行了分析。实 验发现：引入载气，过冷流动沸腾结垢速率降低，但引入载气对过冷流动沸腾结垢速率 的影响要弱于对对流传热结垢速率的影响；c a c 0 3 结晶垢具有统计自相似性，即分形特 征；用盒子维法测定了c a c 0 3 结晶垢的分维值，分维值的大小反映了换热面上生成的结 晶垢表面复杂程度，可用于描述引入载气对污垢的形成作用。 关键词：载气蒸发；传热特性；操作特性；筛板塔；引入载气；污垢；模拟循环硬水 过冷流动沸腾；分形 一 些! ! 坠! ! 一 _-_一一一 a b s t r a c t t oa v o i do r m i t i g a t e s c a l ef o r m a t i o no rt h e r m a ld e t e r i o r a t i o ni n t h ep r o c e s so fe v a p o r a t i o ni n p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y , f o o di n d u s t r ya n dc h e m i c a li n d u s t r y , g a sc a r r y i n ge v a p o r a t i o n ( g c e ) h a s b e e n d e v e l o p e db yr e s e a r c hi n s t i t u t eo f c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y t h e r e s u l t so f s o m eb a s i cs t u d i e so fg c eh a v eb e e nu s e di nt h ep r o c e s s e so f c o n c e n t r a t i o na n dr e b o i l i n go fs o l u t i o n s h o w e v e r , t h e s es t u d i e sp a i da t t e n t i o nt oh i g h e rl i q u i dv e l o c i t y ( u l = o 3 1 6 ms “) ，w h i c ho n l yf i t b a t c h o p e r a t i o n i no r d e r t os h o a e nt h er e s i d e n c et i m eo ft h e r m a l l ys e n s i t i v es o l u t i o ni ne v a p o r a t o r , as i n g l ep a s s g a sc a r r y i n ge v a p o r a t o ri sr e c e n t l yd e v e l o p e d ，w h i c hc a r lo p e r a t ec o n t i n u o u s l ya n dh a sh i 曲e re v a p o r a t i o n r a t e ，a n dt h u sc a nb eu s e di ne v a p o r a t i o no p e r a t i o no fm a s sp r o d u c t i o n t h ee v a p o r a t o rn e e d st ob e o p e r a t e da tl o w e rl i q u i dv e l o c i t yf o rt h es a k e o f o b t a i n i n gh i g h e rp r o d u c t c o n c e n t r a t i o n ，o nt h eo t h e rh a n d ， i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c eal a r g ea m o u n to f a i r ( u s i n ga i ra sc a r r y i n gg a sa n dp o l y m e r i z a t i o nr e t a r d a n t ) f o r t h e e v a p o r a t i o n o fe a s i l y p o l y m e r i z i n ga q u e o u sa c r y l a m i d es o l u t i o n ，e s p e c i a l l y c o n c e n t r a t e a q u e o u s a e r y l a m i d es o l u t i o np r o d u c e dt h r o u g hb i o l o g i cm e t h o d h e n c e ，i ti su r g e n tt of u r t h e rd e v e l o p g a sc a r r y i n g e v a p o r a t i o n g c ea tl o w e rc a r r y i n gg a sv e l o c i t ym u s t b ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d ，a n dan e wg c em e t h o df o r c o n c e n t r a t i o no f a q u e o u s a c r y l a m i d es o l u t i o na th i g h e rc a r r y i n gg a sv e l o c i t yn e e d s a l s ot ob ed e v e l o p e d f o u l i n gi sa c o m m o n p r o b l e m i ni n d u s t r y ，i ta f f e c t so nh e a tt r a n s f e r , a n dc a u s e st h ee x t r e m ew a s t eo f e n e r g y f o u l i n gi su s u a l l yv e r ys e r i o u si nt h ep r o c e s so fc o n c e n t r a t i o n ，a n de v e na f f e c t so ne v a p o r a t i n g o p e r a t i o n i ng c e ，s c a l ef o r m a t i o n c a l lb em i t i g a t e d ，d u et on u c l e a t eb o i l i n ga th e a t i n gw a l lb e i n g s u p p r e s s e d t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no f s c a l ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c eo f c a r r y i n g g a si n j e c t i o no nf o u l i n gw i l lp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rb r o a d e n i n gt h ea p p l i c a t i o no f g c e t h em a i na c h i e v e m e n 协o f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh e a tt r a n s f e ra n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f g a s c a r r y i n ge v a p o r a t i o na tl o wl i q u i dv e l o c i t y m = o 0 3 2 o ，3 2 1 ms “) i ss t u d i e d ( u s i n ga i ra sc a r r y i n gg a s ) ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t i n gw a i l t e m p e r a t u r ei sl o w e r e d , w h i c hr e s u l t si nr a i s i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta sc o m p a r e d t 0t h a tf o rc o n v e c t i v e b o i l i n g w h e nt h es u p e r f i c i a lc a r r y i n gg a sv e l o c i t y a tt h ee n t r a i i c eo fh e a t i n gt u b ea n dt h eo p e r a t i o n t e m p e r a t u r e a l ef i x e d t h eh e a tt r a n s f e rt o e f f i c i e n to fg c ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gi ns u p e r f i c i a lc a r r y i n g g a sv e l o c i t ya tl o w e rs u p e r f i c i a lc a r r y i n gg a sv e l o c i t y ，o nt h ec o n t r a r y ，i td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gi n s u p e r f i c i a lc a r r y i n gg a sv e l o c i t y s u p e r f i c i a lc a r r y i n gg a sv e l o c i t yt h a tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f g c e i sj u s tr e d u c e dw i t hi n c r e a s i n gi ns u p e r f i c i a lc a r r y i n gg a sv e l o c i v yi sl a r g e rw i t hi n c r e a s i n gi ns u p e r f i c i a l l i q u i dv e l o c i t y c o m p a r i n gw i t hc o n v e c t i v eb o i l i n g ，f l o wp a t t e m so fw h o l eh e a t i n gt u b ei ng c em o v e d o w nr e m a r k a b l ya n dl i f tv e l o c i t yo f l i q u i di si n c r e a s e d m o r e o v e r , t h ew a l ls u p e r h e a tt e m p e r a t u r eo f t h e w h o l e h e a t i n gt u b ei sl o w e r e di nt h ep r o c e s so f b u b b l e ss l i d i n g t h em e c h a n i s mo f e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r i ug c ei sa n a l y z e db yu s i n g s i m p l i f i e dm o d e l ( 2 ) an e wg c e m e t h o df o rc o n c e n t r a t i n ga q u e o u sa c r y l a m i d es o l u t i o n ( u s i n ga i ra sc a r r y i n gg a s ) i s d e v e l o p e d s i e v et r a yt o w e ri su s e dt oc o n c e n t r a t ea q u e o u sa c r y l a m i d es o l u t i o n ，a n dt h eh e a t i n gt u b e sa r e a r r a n g e do ns i e v et r a y si ns i e v et r a yt o w e r t h u s ，e q u i l i b r i u mc o n t r o li sc h a n g e di n t oh e a tt r a n s f e rc o n t r o l i nt h ep r o c e s so fc o n c e n t r a t i o no fa q u e o u sa c r y l a m i d es o l u t i o n n en e wm e t h o du s e sh i g h e rc a r r y i n gg a s v e l o c i t y , c a nb e t t e ra v o i dt op o l y m e r i z a t i o no fa q u e o u sa c r y l a m i d es o l u t i o n ，a n do p e r a t i o nr a n g ea n d o p e r a t i o nt u r n d o w na r ei m p r o v e d ，a sc o m p a r e dt ot h ep a s tg c em e t h o do fc o n c e n t r a t i o no fa q u e o u s 大连理工大学博士学位论文 a c r y l a m i d es o l u t i o n m u l t i p l a y e rs i e v eb a y sc a nb eu s e di ns i e v et r a yt o w e r o fg c e e v a p o r a t er a t eo ft h e t o w e rh a sb e e ni n c r e a s e dr e m a r k a b l y c o n c e n t r a t i o nr a t i oo fs i e v et r a yt o w e r , w h i c hi sa r r a n g e dh e a t i n g t u b e s ，c a ni n c r e a s ed o u b l yt h a nt h a to fg e n e r a ls i e v et r a yt o w e r t h ee q u i p m e n tc a nb eo p e r a t e du n d e r v a c u u mc o n d i t i o n ，s ot h a tl e a k a g eo fa c r y l a m i d ec a nb ea v o i d e d i ti sh i g h l ya d v a n t a g e o u st oe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ( 3 ) c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb yc a r r y i n gg a si n j e c t i o n ( u s i n gn 2a sc a r r y i n gg a s ) c l o s et o h e a t i n gw a l li si n v e s t i g a t e df o rw a t e rf l o w i n gu p w a r di nac h a n n e lo fr e c t a n g u l a rc r o s s 。s e c t i o n t h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tb yc a r r y i n gg a si n j e c t i o ni sr e m a r k a b l yi n c r e a s e da sc o m p a r e dt ot h a to fs i n g l ep h a s e f l o w t h ei n c r e a s ei sg r e a t l yn o t a b l ed u r i n gm i x e d - c o n v e c t i o nt l o wa tl o w e rs u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t ya n d l o w e rh e a tf l u x ，e v e nu p 协5 0 0 i nh e a tm a m ；f e rc o e f f i c i e n t t h ee n h a n c e m e n to f c o n v e c t i v eh e a tt r m _ l s f e r i sm o r eo b v i o u st h a nt h a to fs u b c o o l e df l o wb o i l i n gb yc a r r y i n gg a si n j e c t i o n m o r e o v e r ，as u p e r p o s i t i o n m e c h a n i s mo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb yc a r r y i n gg a si n j e c t i o ni s p r o p o s e d ，w h i c hc o n s i s t s o ft h e i n c r e a s e dt u r b u l e n c er e s u l t e df r o mi n c r e a s i n gl i q u i dv e l o c i t ya n dh e a tt r a n s f e rb o u n d a r yd i s t u r b a n c ed u et o s l i d i n gb u b b l e s ( 4 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc a c 0 3c r y s t a l l i z a t i o n f o u l i n g o nh e a tt r a n s f e rs u r f a c ei ns i m u l a t e d c i r c u l a t i n g h a r dw a t e rf l o w i n gu p w a r ds y s t e ma r e i n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l yt h r o u g hd y n a m i ct h e r m a l r e s i s t a n c ee x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c eo f c a r r y i n gg a si n j e c t i o n ( u s i n gn 2a sc a r r y i n gg a s ) i nf l o w i n gs y s t e m o nt h es c a l ef o r m a t i o ni sa l s os t u d i e d ，f u r t h e r m o r e ，t h em e o h a n i s mo f i n f l u e n c eo f c a r r y i n gg a si n j e c t i o no n f o u l i n gi sa n a l y z e d i ti sf o u n d t h a tf o u l i n gc a nb em i t i g a t e db yc a r r y i n gg a si n j e c t i o ni nb u l kf l o wc h a n n e l ， a n df o u l i n gr e s i s t a n c ei sd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fc a r r y i n gg a si n j e c t i o nv e l o c i t y i ti s p r o p o s e dt h a t f o u l i n gm i t i g a t i o nb yc a r r y i n gg a si n j e c t i o n i sc a u s e db yt h ef o l l o w i n gr e a s o n s f i r s t l y , c a r r y i n gg a s i n ) e c f i o na c c e l e r a t e sa b s o r b e dg a sb u b b l e sd e p a r t i n gf r o mh e a t i n gw a l l s e c o n d l y , b u b b l es l i d i n ge x p e d i t e s t h er e m o v a lr a t eo f f o u l i n g f i n a l l y , t h ew a l lt e m p e r a t u r ei sl o w e r e dd u et oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ( 5 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a c 0 3c r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n go nh e a tt r a n s f e rs u r f a c ei ns u b c o o l e df l o w b o i l i n gf l o w i n gu p w a r ds y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo fc a r r y i n gg a si n j e c t i o n ( u s i n gn 2a s c a r r y i n gg a s ) i nt h es y s t e mo nt h es c a l ef o r m a t i o ni sa l s os t u d i e d f u r t b e r m o r e ，f r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c sa r e i d e n t i f i e df r o mt h ea n a l y z er e s u l t sb yu s i n gf r a c t a lt h e o r y a tl “tt h em e c h a n i s mo fs c a l ef o r m a t i o n d u r i n g s u b c o o l e df l o w b o i l i n gi sa n a l y z e d i ti sf o u n d t h a tt h ef o u l i n gr a t ei sl o w e r e d d u r i n gs u b c o o l e df o wb o i l i n g b yc a r r y i n gg a si n j e c t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c eo f c a r r y i n gg a si n j e c t i o no f ff o u l i n go f c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r i sm o r eo b v i o u st h a nt h a to fs u b c o o l e df l o wb o i l i n g ；m o r p h o l o g yo f c a c 0 3c r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n ge x h i b i t s s e l f - s i m i l a r i t ya n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o n so fc a c o sc r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n ga r ed e t e r m i n e df r o mt h eg r a y s c a l ed i s t r i b u t i o no ft h es e m i m a g e sb yb o x - d i m e n s i o nm e t h o d t h ev a l u eo ft h ec r y s t a l l i z a t i o nf o u l i n g s u r f a c ef r a c t a ld i m e n s i o n sr e v e a l st h ec o m p l e x i t yo ft h es u r f a c e ，a n dc a r lb eu s e da sa ni m p o r tp a r a m e t e r f o r t h e i n v e s t i g a t i o no f i n f l u e n c eo f c a r r y i n g g a s i n j e c t i o n o ns c a l e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：g a sc a r r y i n ge v a p o r a t i o n ；h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ；o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；s i e v et r a y t o w e r ：c a r r y i n gg a si n j e c t i o n ；s i m u l a t e dc i r c u l a t i n gh a r dw a t e r ；s u b c o o l e df l o wb o i l i n g ；f r a c t a l 第一章前言 第一章前言 在化工、食品和医药等工业中，有些热敏性物料以及在蒸发浓缩时易在加热壁面析 出晶体的物料，往往受热而分解变质或在加热壁丽上形成结疤，从丽影响产品的质量、 收率和操作。为解决这些问题，大连理工大学化学工程研究所曾开发了“载气蒸发注” 【”。热敏性物料或易在加热壁面上形成结垢的物料，其变质或缩垢的主要原因是溶液蒸 发时受到过热。从传热方面考虑，在一般加热壁面上形成汽化核心时，通常壁面要过热。 因此，物料的过热变质首先在加热壁面附近产生。溶液蒸发时有晶体析出的原因，是由 于壁面上溶液的沸腾汽化，在汽化棱心处溶液浓度迅速提高，因而析出晶体，晶体积累 就形成结垢。实验定开发的“载气蒸发法”是在加热管中向受热液体引入少量惰性气体， 称之为载气。当惰性气泡与热液体接触时，在气一液界面t 的液体迅速汽化，使相界面 温度显著降低。在载气蒸发中，当气泡十分邻近于加热壁面时，会显著地影响壁面与液 体之间的传燕，使传热增强，继续憧壁温下降，产生显著的界而汽化热阱效应b j 。在加 热管内气泡随着液体继续上升时，它又进一步增强了管内两相流的扰动程度，增强传热， 使壁面过热度降低，从雨抑制了加热管壁面上的泡梭沸腾。这样，在载气蒸发中，就能 使本来主要是加热管壁面上的沸腾过程转化成为主要是在两相流主体中的气波枢界两 一l 的蒸发过程。这静操作机制的改变，使在渡体浓缩过程中有固体糖粒析出时，亦会悬 浮于两棚流主体中，减少了贴附于壁面形成结疤的可能性。同时，由于壁温的降低，亦 减少了溶液在壁面附近经过时的过热，可以减少热敏性物料的热变质。 载气蒸发技术，已经成功地应用于工业生产，取得了显著的经济效益，1 9 8 6 年获发 明专利权口j ，并于1 9 9 0 年获得国家发明三等奖hj 。 污垢是指与不洁净流体相接触的固体表厦上逐渐形成的一层固态物质。在工业生产 的许多领域中，污垢普遍存在，它严重地影响着换热过程，增加了传热阻力，造成能源 的极大浪费，降低生产能力，甚至造成设备阻塞_ 而影响其芷常运行。千百年束污垢一直 困扰着人们，无论是从酊还是现在，是发展中国家还是发达国家，都深受其害，至今尚 没有彻底地解决此问题。强化传热与污垢实际上构成了传热研究的两大方向，而污垢的 存在使得各种强化传热手段受到了限制，污垢早已被确定为传热方面亟待解决的主要难 题。因此，对结垢舰律的摹础研究和基于实用目的的防垢和抗垢研究，无聚其有非常重 大连理工大学博上学位论文 要的意义。 长期以来，人们已对污垢进行了一系列的研究，取得了一些重要成果，并获得了有 关污垢的许多资料和实验数据。但由于结垢是一个复杂的过程，涉及多学科的问题，它 不仅包含着动量传递，热量传递和质量传递，而且在许多情况下还触及到化学动力学。 换热设备的结垢与许多因素有关，诸如流体流速，表面温度，沉积温度，表面材料，表 面几何形状，流体性质等，这就给实际研究带来了很大困难，因此这方面的工作仍受到 不同程度的限制。 从成垢机制出发，将污垢划分为结晶垢、颗粒垢、化学反应垢、腐蚀垢和生物垢等 几大类【5 1 。在工业生产中，以结晶垢为主要结垢形式的过程较为常见。结晶垢是无机盐 自过饱和溶液中析出并沉积于设备表面上形成的，其中以c a c 0 3 、c a s 0 4 、c a 3 ( p 0 4 ) 2 、 m g ( o h ) 2 等具有负溶解性的难溶盐为代表。在水流动系统中，这类污垢又称为水垢，它 坚硬、致密、附着力强，热阻大，严重时能堵塞流道，造成事故。因此，对这类结晶垢 进行研究，具有较大的现实意义。 对污垢的研究一般有两种途径：其一是实际应用性的研究，即采用真实工况，长时 间进行设备操作，采集大批结垢数据，得到适用于这一实际过程的经验关联式，直接用 于指导设计，这方面的工作以美国的h t r i ( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n c o r p o r a t i o n ) 6 , 7 1 为代 表。另一个途径是实验室研究，即在较好的控制条件下实验，加速结垢进程，使复杂的 问题简单化，其主要是对特定的结垢类型进行系列研究。事实上，随着污垢机理方面研 究的开展，后一种途径得到了广泛的采纳。 对污垢问题进行深入的研究，在于把握其形成规律，进而寻找有效的解决方法，防 止其产生，控制其生长。目前工业上采用的抗垢方法可分为化学法和物理法两大类。现 在工业上广泛使用的添加阻垢剂法即属化学法，其抗垢效果较为显著。但由于化学添加 剂有时会导致环境污染，有时甚至不能使用( 如在制药、食品加工中等) ，尽管目前物理 法( 静电场法，磁处理、抗粘附材料的应用等) 抗垢效果尚不能同化学法相比，但开展物 理法抗垢的研究工作仍具有很大的潜力和很强的生命力。目前人们对抗垢机理的研究尚 不深入，影响了抗垢方法的发展。 大连理工大学化学工程研究所已进行了多方面的载气蒸发基础研究，并可应用于热 敏性物料及易结疤型物料的蒸发浓缩及再沸过程中，但以前的研究是针对循环式载气蒸 发操作进行的，因此，多注重较大液速下引入少量载气的情况，这些研究适宜于间歇操 第一章前言 作的生产情况，为了进一步提高载气蒸发器的蒸发效率和减少物料在蒸发器中的停留时 间，并使蒸发生产操作连续化，实验室开发了向上直通式载气蒸发器。由于在载气蒸发 过程中物料要一次通过就达到足够的浓缩效果而得到产品，蒸发就要在低液速条件下进 行，因此对低液速载气蒸发进行实验研究十分必要；另一方面，对于容易聚合的物料蒸 发浓缩，如丙烯酰胺，往往需要引入较大量的载气，如空气以提高阻聚效果，这样对于 较大载气速情况下的载气蒸发有待进一步进行实验研究，特别是对于生物法生产的丙烯 酰胺溶液，其需要大量的空气以达到较好的阻聚效果，这就需要开发出适宜生产需要的 丙烯酰胺水溶液浓缩的载气蒸发方法。 载气的引入可避免或减少污垢的形成，这在各个实验中都已提出并且在工业生产中 发现效果显著，但对于载气蒸发过程中减垢的研究还不太完善，而且也没有对引入载气 后换热面的结垢机瑾进行研究，为了使载气蒸发在工业应用中获得更好的效果，这些工 作都有待深入。在一般升膜蒸发器中，由于静压作用，其初始段往往是单相对流传热， 对真空操作，其具有相当长度的单相流段，随后是过冷流动沸腾段，过冷流动沸腾可以 在传热设备相当大的长度中出现，并且甚至可能占到总体加热管的5 0 【8 1 。因此，为了 考察引入载气对换热面的结垢机理影响，研究引入载气对对流传热和过冷流动沸腾中污 垢形成的作用十分必要。 针对上述研究背景，本文主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 以空气一水为物系，在减压条件下，于垂直管中进行了低液速载气蒸发实验，对 低液速载气蒸发的传热和操作特性进行研究。 ( 2 ) 开发一种丙烯酰胺水溶液浓缩的载气蒸发方法( 空气作为载气) 。 ( 3 ) 对垂直上升矩形流道内紧邻加热壁面引入载气( 氮气作为载气) 条件下的对流传 热进行实验研究，考察影响强化传热的因素并分析传热得以强化的作用机理。这些方面 的研究为载气对污垢形成作用的研究提供传热基础。 ( 4 ) 模拟工业循环冷却水系统中c a c 0 3 在竖直换热面上的结垢过程，用动态热阻法 对c a c 0 3 的结垢机理进行系统的实验研究。同时在流动系统中引入载气( 氮气作为载气1 ， 考察其对污垢形成的作用，并对其作用机理进行分析。 ( 5 ) 对过冷流动沸腾过程c a c 0 3 在竖直换热面上的结垢机理进行实验研究。同时在 流动系统中引入载气( 氮气作为载气) ，考察其对污垢形成的作用。运用分形理论，研究 c a c 0 3 结晶垢垢形分形特性。此外还对过冷流动沸腾污垢形成机理进行分析。 大连理工大学博士学位论文 参考文献 1 s h e n zq ，x uw q ，d i n gj ，y uz ja n ds u nc1 3 as t u d yo f “g a sc a r r y i n ge v a p o r a t i o n ” r 】i nt h i r d w o r d c o n g r e s so f c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，t o k y o ，1 9 8 6 ，2 ：5 4 0 - 5 4 3 2 s h e n z q p r i n c i p l eo f h e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o nb yi n t e r f a c i a lv a p o r i z a t i o nh e a ts i n k j p r o g r e s si n n a t u r a ls c i e n c e ，1 9 9 9 ，9 ( 1 0 ) ：7 3 0 7 3 9 3 3沈自求，徐维勤，丁洁丙烯酰胺水溶液浓缩的载气蒸发法【p 中国专利c n8 5 10 2 8 3 0a ， 1 9 8 6 4 】沈自求，徐维勤，丁洁，刘长厚，王玉华热敏性及易结疤溶液的载气蒸发中国国家发明证书， 1 9 9 0 ，a 0 3 4 7 0 【5 】s o m e r s c a l e sefc f o u l i n go f h e a tt m n s f e re q u i p m e n t m i b r i t o l ：h e m i s p h e r ep u b c o r p ，1 9 8 i 6 t a b o r e kja n da o k it f o u l i n g ：t h em a j o ru n r e s o l v e dp r o b l e mi