表面冷凝的形式与特点

表面冷凝的形式与特点

1蒸发设备的利用通过加热法蒸发，溶液沸腾，去除其中的蒸汽单位，溶液可以浓缩或结晶。蒸发操作广泛用于浓缩各种含有不挥发性物质的水溶液,是化工、医药、食品、含盐水处理等工业中较为常见的单元操作。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发,多效蒸发中,二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用,提高了加热蒸汽的利用率。多效真空蒸发有许多优点:(1)在低压下操作,溶液沸点较低,有利于提高蒸发的传热温度差;(2)可以利用低压蒸气作为加热源;(3)有利于对热敏性物料的蒸发;(4)操作温度低,热损失较小。多效蒸发的前效为加压或常压操作,而后效则在真空下操作。真空系统对多效蒸发是非常重要的。2主要真空系统2.1压力蒸汽主真空系统主要作用是通过冷媒将末效蒸发出的蒸汽冷凝以产生真空。冷媒通常采用循环水。冷凝蒸汽的方式有直接接触冷凝和间壁冷凝。通常采用混合式冷凝器作为直接接触冷凝蒸汽的设备,而采用表面冷凝器作为间壁冷凝的设备。2.2凝器的结构类型混合式冷凝器按照冷却水和蒸汽的流向,分为逆流和并流两种。其中以效果好的逆流式应用最为普遍。在混合冷凝器中,冷却水以滴状或者雾状(喷头形式)下流,与水蒸汽直接接触,进行传热和传质。而表面冷凝器是一种间壁式换热器,一般为管壳式换热器。蒸汽与冷却水通过换热管换热,蒸汽冷凝,将潜热传递给冷却水。混合式冷凝器类型较多,现在广泛应用的类型有如图1所示的几种其中图(a)是液柱式冷凝器,在其内部安装多块多孔淋水板,水冲孔板的小孔以柱状淋洒而下,以增大冷却水和蒸汽的接触面积;图(b)是液膜式冷凝器在其内部又盘环间隔排列的淋水板,冷却水从板上流下时形成液膜,蒸汽与液膜接触时产生冷凝,图(c)是填充式冷凝器,采用拉西环作为填料,填充于塔体之内,冷却水沿填料表面下流,故填料表面即为水合蒸汽的接触场所,使蒸汽冷凝。以上三种形式的共同特点是汽水为逆流,两项接触时间长,热交换充分,水的出口温度高,可节约用水,节省抽气设备动力。表面冷凝器本质上是一种管壳式换热。分为卧式和立式两种如图2和图3。两种类型中,如图4,蒸汽把热能以传递方式传递给加热管外壁的水膜,由滞流水膜通过传导方式传递给加热管外壁的垢层,再以传导方式经垢层至管外壁,由外壁经传导方式传至内壁,管内壁经热传导方式通过垢层而传到流体的滞留边界层外侧,再以热传导方式通过边界层而到达边界层内侧,最后以对流方式将热能带给管内冷流体-冷却水。2.3表面冷凝器运行费用低,约2.8年来可以回流投资采用混合式冷凝器的方案1,冷却水的流程:冷却塔→冷水泵→混合冷凝器→水封池→热水池→热水泵→冷却塔;而采用表面冷凝器的方案2,冷却水的一般流程:冷却塔→冷水泵→表面冷凝器→冷却塔。下面以冷却3.3t/h,45℃的乏汽,对两种方案比较如表1。从设备数量上可以知道:采用表面冷凝器比采用混合式冷凝器减少了水封池,热水池和热水泵等三类设备,占地面积减少了大约145m2。只是表面冷凝器和混合式冷凝器比较,表面冷凝器制造相对复杂,投资是混合冷凝器2.2倍,较混合冷凝器高出20.58万元。运行费用,采用混合冷凝器需要热水泵功率为37kW,同时需要冷水泵功率55kW,总功率为:92kW,而采用表面冷凝器只需要冷水泵功率为:75kW,采用表面冷凝器比混合式冷凝器消耗功率减少17kW,以一年生产7800小时计算,用电量为功率负荷的0.8倍计算,一年减少电P=7800×17×0.8=10.6万度,以一度电0.7元计算,一年节约电费7.4万元。由此可见,采用表面冷凝器运行费用低,约2.8年可以收回投资。原因是:混合式冷凝器方案的冷水泵的扬程在实际生产中转为冷却水的动能和其他能量形式浪费掉了。而表面冷凝器的冷水泵的扬程只是克服了直管阻力和局部管道阻力损失。2.4设备运行维护成本混合式冷凝器,气液直接接触,传热系数高,传热效果好,设备结构简单,但是有一定的安装高度要求,同时部分冷凝水随循环水进入循环水冷却塔造成冷凝水不能充分回收,如果水中杂质多、成分复杂还有可能污染循环水,且设备数量多,运行、维护成本高。而表面冷凝器传热系数较低,(不考虑热阻情况下,由于冷凝给热系数一般比较高,传热系数主要由热传导和对流给热系数控制,所以,降低换热管壁厚,和选用导热系数好的材料,可以提高传热系数,同时适当提高管内流速也可以提高总的传热系数)投资高、制造相对复杂,但是表面冷凝器系统占地小,运行费用低,能充分回收冷凝水,不影响循环水的水质。混合冷凝器由于汽和水接触,所以一般用在允许两项接触的工况下,比如真空制盐、制硝等。而表面冷凝器汽和水不接触,水蒸气中夹带的物质不会污染冷却水,冷凝水得到完全的回收。使用在不允许两相接触或者要求蒸汽冷凝水全部回收的工况下,采用表面冷凝器比较好。3辅助真空系统3.1罗茨水环真空机组蒸喷+水环法辅助真空系统主要作用是通过抽取主真空系统的不凝性气体。主要方式有蒸喷+水喷,水环真空泵,罗茨水环真空机组。目前应用比较普遍的是蒸喷+水喷,和罗茨水环真空机组。3.2罗茨水环真空机组前级泵蒸汽喷射真空泵是利用流体流动时的静压能与动能相互转换的气体动力学原理来形成真空。如图5具有一定压力的水蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喉径时达到声速,到喷嘴的扩散部时,静压能全部转化为动能,达到超声速,同时喷嘴出口处形成真空,被抽气体在压差的作用下,被抽入吸入室,和以超声速的蒸汽一边混合一边进入文丘里管,然后以亚声速从文丘里的扩散管排出,同时混合的气体速度逐渐降低,压力随之升高,而后从排出口排出。如果将几个喷射泵串联起来使用,泵与泵中间加入冷凝器使蒸汽冷凝或者水喷,便可得到更高的真空度。在罗茨水环真空机组中,用于较高真空的罗茨真空泵(机械增压泵)不能直排大气,如直排大气会造成罗茨真空泵吸气口与排气口压差太大,从而使罗茨真空泵过载,如单纯加大罗茨真空泵电机功率又会造成罗茨真空泵过热以致罗茨真空泵转子之间的微小间隙很快因热膨胀而卡死。为保证罗茨真空泵能达到较高真空必须保证罗茨真空泵转子之间的间隙。所以罗茨真空泵使用时必须设有前级泵,用前级泵将系统内压力抽至一定范围内时再启动罗茨真空泵,如此可以避免罗茨真空泵过载。而罗茨真空机组在一般情况下,选用水环泵作为前级泵比其它真空泵更为有利,这主要是由于它能够抽除大量的可凝性蒸汽,如图6所示。3.3两种辅助真空系统的投资和运营成本的比较3.3.1罗茨水环真空机组的运行费用以抽取250kg/h不凝气体计算,采用蒸喷+水喷方式需要消耗(1)蒸汽1.0t/h(1.0MPa)(2)消耗冷却水150t/h(32℃,0.30—0.35MPa);而采用罗茨水环真空机组需要消耗(1)耗电75kW,(2)水环泵工作液-水的消耗软化水1.5t/h(20℃)。以蒸汽200元/吨,循环水0.2元/吨以计算,采用蒸喷+水喷方式每小时的运行费用为230元,以电0.7元/度计算,软化水4元/t采用罗茨真空机组每小时的运行费用为58.5元。可见一般情况下罗茨水环真空机组的运行费用比蒸喷+水喷低得多,约为后者的26%。3.3.2水喷/水喷式水喷法以抽取250kg/h不凝气体计算采用蒸喷+水喷方式需要蒸喷+水喷的投资约为15.9万元,而采用罗茨水环真空机组投资在7.92万×2=15.84万元。在投资方面,两种方案投资相差不大。3.4罗茨水环真空机组与市环真空机组的真空系统比较蒸喷+水喷的辅助真空系统耗费蒸汽和循环水,具有结构简单、成熟、运行稳定、维护简单、真空效果较好等优点,而罗茨水环真空机组耗费电能和除盐水,运行费