自然循环蒸发器自动清洗与强化传热的研究及设计

摘要

蒸发器是过程工业中的一种高能耗装备。本课题结合湖南湘维有限公司5万吨/年PVA多品种生产线的扩改工程，针对传统蒸发加热面结垢问题和强制循环泵的高能耗问题，研究一种适合蒸发器加热室自动清洗防垢及强化传热的旋转扭带技术和自然循环推动力强化技术的蒸发器新结构，并将研究结果应用到扩改工程的新型第一残渣蒸发器中。对PVA生产的新型第一残渣蒸发器的新技术研究，主要在两个方面：(1) 热流体动力旋转扭带自动清洗防垢及对流传热强化；(2) 强化自然循环动力的蒸发器新结构。
　　 研究方法是在现有蒸发器污垢处理技术基础上，确定热流体动力旋转扭带自动清洗防垢技术方案，重点对具有自动清洗防垢功能和强化传热功能的旋转扭带进行基本原理分析，以保障旋转扭带可靠自转清洗的动力矩强化为首要目标和兼顾传热强化功能，在扭带结构优化实验基础上再进行管内结晶盐垢自动清洗功能考核性的模拟实验。
　　 在分析影响蒸发器结垢速度因素和治理蒸发器结垢的现有技术基础上，确定热流体动力旋转扭带自动清洗防垢及其强化传热作为提高蒸发生产效率的措施。以自动清洗防垢为目标，新设计的蒸发器加热室采用具有强化传热和在线防垢除垢双功能流体动力旋转扭带技术。根据流体动力旋转扭带技术的力学原理和旋转扭带自转清洗的动力矩计算式，分析探讨理论对工程应用的指导作用，研究自转力矩强化的新结构旋转扭带。
　　 分别对光滑旋转扭带和斜齿旋转扭带进行了动力学与传热强化结构优化研究。实验表明：斜齿旋转扭带的强烈涡流效应使对流传热过程得到非常有效强化，斜齿旋转扭带能够在管内流速0.40m/s下即可自转，从而发挥自动清洗和传热强化的作用。
　　 采用过饱和盐热溶液冷却结晶的方法，对斜齿旋转扭带自动清洗防垢能力进行考核性的模拟实验。实验结果表明：传热管中安装斜齿旋转扭带后，清洗效果明显，管内壁结晶盐垢厚度降低了65％，总传热系数值比安装斜齿旋转扭带前提高了一倍多。
　　 以强化逆向自然循环推动力为主要目标，设计了蒸发器沸腾室的新型结构。与传统蒸发器沸腾室结构比较，其主要特点是：流程改为逆向流的自然循环；新沸腾室的横截面积比传统结构的增大156％；沸腾室的出口段截面扩大了63.8％；将加热室从原来的上升管内沸腾段的主体部分下移到加热室下方的中心，与中心循环管结为一体，既可加大沸腾室的深度和截面，又降低了设备高度；加装助推器以便逆向流自然循环的启动。
　　 在湖南湘维有限公司第一残渣蒸发器设计中，采用该自动清洗防垢能力和传热强化的斜齿旋转扭带技术，具有提高产能、降低消耗、可以连续生产的优点。