常压混合冷凝器的优化设计

第51卷，2014年12月6日，化工设备和管道过程设备与管道2014年12月6日第51号·机组设备·大气混合冷凝器的优化设计刘建英，魏世英（成都信息工程学院环境资源学院，成都610225）摘要: 大气混合冷凝器是多级真空的关键设备效果蒸发系统. 它对最终效果二次蒸汽的冷凝作用与生产强度密切相关. 基于水蒸气完全凝结的原理，喷嘴的抽气和雾化性能，围绕增强气液传热和降低流体阻力的观点，提出了一种常压混合冷凝器的优化设计方案. 同时对真空制盐四效蒸发系统的常压混合冷凝器进行了改造. 运行结果表明，冷凝器改造前后进入冷凝器的二次蒸汽管的真空度从-0.086 MPa增加到-0.089 MPa，二次蒸汽管的温度降低了6℃，即该系统的有效温差增加了6℃，输出增加了11.1％，具有明显的节能效益. 同时，分析了真空系统实际运行中存在的问题，并提出了对策. 关键字: 常压混合冷凝器；多效蒸发；真空;优化设计；雾化CLC编号: TQ 051.61； TH 122文件标识码: A货号: 1009-3281（2014）06-0020-005在芒硝，苛性钠，真空制盐等行业中，均使用多效蒸发系统进行蒸发和浓缩，并降低了能耗成本高达50％以上.

在蒸发浓缩过程中，真空是传热的驱动力. 最终真空度与相对生产强度密切相关. 随着最终真空度的增加，生产强度迅速增加[1-2]. 因此，保持高的最终效果真空度一直是在多效蒸发系统中节能的关键. 现有的真空系统通常使用带有多级蒸汽和水喷射泵（或水环真空泵）的空气混合冷凝器来确保真空度[3]. 其中，常压混合冷凝器通过直接加热和蒸汽与水之间的传质使蒸汽冷凝而产生蒸汽，这是形成真空的核心设备[4]. 蒸汽和喷水泵主要用于泵送系统中的不凝性气体. 因此，当蒸发量恒定时，常压混合冷凝器的工作效果是影响最终效果蒸发的真空度的关键设备. 由于常压混合冷凝器在多效蒸发系统中的重要地位和作用，目前大多数使用的常压混合冷凝器是逆流混合冷凝器，其内部结构包括板式[5]，管式[6]，射流类型[7]，平行流[8]. 在实际工程应用中，这种逆流混合冷凝器的缺点是筛孔易于结垢和堵塞. 当筛孔堵塞时，会产生较大的流阻. 以180 kt /真空制盐四效蒸发系统为例，常压混合冷凝器入口的真空度为-0.086 MPa，一级蒸汽入口的真空度为-0.090. MPa，即常压混合冷凝器的电阻损耗为4000 Pa，相应的温差损耗约为7℃.

因此，常压混合冷凝器的流动阻力使蒸发系统失去较大的有效温度差，导致生产强度降低. 1最佳设计理论在多效蒸发系统中，通过最终效果的二次蒸汽冷凝获得真空. 因此，常压混合冷凝器的优化设计应着重于冷却水与最终效果二次蒸汽之间的传热和传质. 首先，二次蒸汽应完全冷凝；其次，应尽可能降低常压混合冷凝器中的流动阻力. 1.1完全蒸汽冷凝的条件最终效果的二次蒸汽完全被冷却水冷凝，因此: G zi“ = G w G wΔtw其中G z-最终效果的二次蒸汽量，kg / h； i” -四效蒸发系统的最终效果二次蒸汽的焓kJ / kg [2] 616.75kJ / kg [9]； C w-水的比热； G w-冷却水量，kg / h； Δt——冷却水进出水温差. 设水蒸气比q = G w / G z，则完全冷凝的条件为: q> 2 616.75 /（4.18·Δtw）由于传热阻力，冷却水的最大温升取决于蒸汽和水之间的热传递阻力或冷振幅的高度为Δt. 在喷雾条件下，冷幅的高度约为2℃，即t w2 = ts -2.

水蒸气比与蒸汽与水之间的温差之间的关系曲线如图1所示. 接收日期: 2014-04-18关于作者: 刘建英（1976年—），女，忠县人重庆市工学博士，讲师. 从事废气处理及节能技术研究. 每单位时间在单位面积上流向水蒸气的雾流的抽取量为射流密度，用j z表示. jz = G z / A = pzε（λ）W = pzε（λ）azλ 1汽水比与温差之间的关系如图1所示，汽水冷凝过程中存在两个完全冷凝和不完全冷凝的区域. 冷凝过程属于哪个区域，与水蒸气比和蒸汽与水之间的温差有关. 当苏打水的温度差恒定时，通过增加冷却水量来提高真空度，可以使二次蒸汽完全冷凝. 当冷却水恒定时，可以增加苏打水的温差，以确保二次蒸汽完全凝结. 1.2抽汽喷嘴的特性传热有三种形式: 传导，对流和辐射. 对流是液体和气体传热的主要方法. 因此，常压混合冷凝器中的二次蒸汽和冷却水主要通过压力差，温度差和密度差引起的对流换热.

因此，通过差压对流原理在苏打之间进行热量和质量交换. 图2显示了用于抽吸水蒸气的蒸汽抽取喷嘴的流体动力学模型. 图3速度因数与汽水蒸气压力比之间的关系根据水温和蒸气压力，可以确定喷嘴出口处压差对流的速度系数λ1，然后根据喷射段终点水温与蒸汽温度相差约2℃的原理，可以计算出42、46、50和54℃水蒸气温度下的射流密度，见图4. 由图4可知，当速度系数为1时，水蒸气密度达到最大值. 这是冷凝器中纯碱传质的最佳状态，称为临界冷凝状态. 根据水蒸气的热力学性质，当水蒸气温差为10℃时，达到临界状态. 这与实际工程经验完全一致. 基于流密度的概念大气冷凝器的作用，可以根据实验确定的喷嘴喷射段的长度和膨胀角来计算喷嘴对水蒸气的喷射能力. 图2抽气泵抽汽动力模型图2抽气泵抽汽动力模型如果雾喷喷射段的长度为L，则从雾流温度到ts -2℃的距离，喷嘴出口处的蒸汽温度对应于t w1，喷射段末端的蒸汽温度对应于饱和水蒸气压，对应于ts -2℃.

根据差压对流原理，水蒸气流到雾流边界层的速度为: 根据该公式计算出的速度系数与压力比之间的关系如图3所示. 为了分析冷凝器中的流动状态，首先要分析雾化喷嘴的抽取能力. 引入水蒸气的射流密度的概念. 图4蒸汽流量密度曲线1.3. 雾化喷嘴的性能为了获得最大的冷凝能力G z，蒸汽和水之间必须有足够大的传质面积. 相应地，要求喷头雾化效果好，流量大，工作水压低，不易堵塞. WPS型旋流雾化喷嘴（CN89213025.3）具有上述特性. 此类喷嘴的实际雾化效果如图5所示. 图5 WPS旋流喷嘴的实际雾化效果（喉口=φ10mm）图5 WPS旋流雾化喷嘴的实际雾化效果2工程案例2.1. 工程背景以四效真空盐系统为例. 原始的真空系统使用常压混合冷凝器，该冷凝器具有两级蒸汽喷雾和一级水喷雾，以确保最终效果的真空度. 大气混合冷凝器的结构如图6a所示. 原始常压混合冷凝器的桶形部分的尺寸为φ2 200 mm×6 500 mm，带有三级喷雾，所有喷雾均为喷头. 产生的液滴尺寸较大，气液接触面积较小；大气混合冷凝器冷却水在混合器中浓缩，导致流道中的堵塞和较大的电阻损耗，从而增加了系统的温差损耗.

原始系统的实际运行参数如表1所示. 从表1可以看出，常压混合冷凝器入口的真空度为-0.086 MPa，一次蒸汽入口的真空度为-0.086 MPa. 为-0.090 MPa，即常压混合冷凝器的电阻损失为4000 Pa，相应的温差损失为7℃. 2.2大气混合冷凝器的改造根据上述大气混合冷凝器的优化理论，对四效真空制盐系统的大气混合冷凝器进行了改造. 围绕流体阻力和加强传热传质两个方向进行了改造. 改进的常压混合冷凝器的结构如图6b所示. 由于最终效果的二次蒸汽下降管的尺寸为φ1 700 mm×7 000 mm，因此，冷却水的一小部分被分配到二次蒸汽管的下降管中，并在其中布置了抽汽喷嘴以提取二次蒸汽以减少流体阻力是主要因素，辅助因素是冷凝. 大气压混合冷凝器中仅布置了两层雾化喷嘴. 为了加强传热和传质，下喷嘴向上布置以冷凝二次蒸汽两次，从而增加了气液接触时间. 修改后的工作参数如表1所示. 实践证明，冷凝器改造前后进入冷凝器的二次蒸汽管的真空度从-0.086 MPa增加到-0.089 MPa，并且绝对压力从最初的14 kPa（53℃）至11 kPa（47℃）. 二次蒸汽管内温度降低了6℃，即系统有效温差增加了6℃，输出功率大大提高.

表1真空系统改造前后的实际运行参数Tabale 1真空系统改造前后的实际运行参数大气压混合冷凝器蒸汽真空压力/冷却水量/冷却水温差/冷凝蒸汽量/真空压力/工作蒸汽压力/工作蒸汽消耗/真空压力/循环水量/ MPa（t·h）℃（t·h）MPa MPa（t·h）MPa（t·h）修改前-0.086 900 9 12.9 -0.090 0.4 1700 -0.072 200修改后-0.089 750 12 14.4 -0.074 0.4 800 -0.062 200 a. 修改之前b. 改造后图6改造前后的大气混合冷凝器2 3存在的问题和对策从表1可以看出，虽然大气混合冷凝器入口的真空度增加了，但蒸汽入口的真空度却增加了尚未达到预期值.

经过现场调查，系统在实际运行中发现以下问题并提出了解决方案. （1）大气冷凝器的冷却水不足，二次蒸汽未完全冷凝. 二次蒸汽的不完全凝结主要体现在: ①非凝结煤气管产生热量，现场暂时增加水量约22％后，非凝结煤气管的温度下降. ②汽化后冷凝器中的冷却水带走的热量远远大于汽化所消耗的蒸汽. 蒸汽的工作蒸汽量为800 kg / h，冷却水量为80 m3 / h，上下冷却水之间的温差为12℃. 根据公式Q =cmΔt，冷却水带走的热量可以计算为9.6×105 kcal / h，约等于1600公斤蒸汽冷凝所需的热量，减去800公斤/小时的工作蒸汽消耗量蒸汽，仍然有800 kg / h的余量. 也就是说，蒸汽不仅泵出了系统的不凝性气体，而且还泵出了约800 kg / h的水蒸气，使蒸汽处于过载状态，导致真空度达不到要求. 设计价值. 因此，应增加常压混合冷凝器中的冷却水量，以确保二次蒸汽完全冷凝. （2）恢复喷水的原始工作状态，降低喷水的背压. 喷水的目的是减少蒸汽喷射的背压. 根据原系统的设计要求，蒸汽喷雾的背压应为-0.07〜-0.08 MPa，因此水喷雾的原始工作状态可以恢复到-0.072 MPa以上，以确保蒸汽喷雾的正常运行

（3）在确保二次蒸汽完全冷凝的条件下，根据系统的不可冷凝气体量调节蒸汽的喷嘴尺寸. 因此，大气压混合冷凝器中喷嘴的布局应合理. 二次蒸汽管内设有抽汽嘴，冷却水主要由二次蒸汽泵送. 在大气混合冷凝器中，应主要通过二次蒸汽的冷凝来设置雾化喷嘴. 3效益分析3.1. 提高产量的好处真空盐系统成功进行热传递的前提是系统具有热传递温差，这是系统热传递的驱动力. 多效蒸发系统的总温差等于第一效加热蒸汽和最终效果二次蒸汽的温度之差，一部分是有效温差，另一部分是温度. 损失，包括由溶液蒸气压的下降引起的进料液体沸点的升高静压力温度差，闪蒸温度差，过热温度差，管道电阻温度损失. 对于四效真空盐系统，温度损失占总温差的44.6％[10]. 当总温差恒定时，温差损失增加，有效温差相应减小. 根据传热公式: Q =KAΔt，相同传热面积的传热速率降低，输出相应降低，造成设备和能源的浪费. 因此，有效温差是表征生产强度和热效率的重要参数. 有效温差越大，系统的生产强度和热利用率越高，反之亦然. 该项目技术改造前后，最终效果的真空度增加了3 kPa，班次的产量从180 t增加到200 t，产量增加了11.1％.

如果盐的价格为400元/ t，每天三班，每年生产300天，则在改造真空系统后增加产量的好处是: 400×（200-180）×3× 300/10 000 = 720万元/ a. 随着产量的增加，每吨盐的煤耗指标降低，节能减排效果明显. 3.2节省工作蒸汽本项目原系统包括两级串联的蒸汽，改造后采用单级蒸汽. 工作蒸汽消耗从原来的1.7吨/小时减少到0.8公斤/小时，节省了52.9％. 假设工作蒸汽的成本为150元/ t，每天三班，每年生产300 d，则工作蒸汽的消耗量可节省为: （1.7-0.8）×24×300 = 6480 t / a ，节约成本6480×150/10 000 = 972,000元/ a. 由此可以看出，180 kt / a制盐系统可以提高真空度，提高蒸汽生产效率，节省工作蒸汽. 效益可高达720±97.2 = 817.2万元/ a，经济效益可观. 4结论本文结合了水蒸气完全凝结，喷嘴的抽出和雾化性能等理论，在常压混合冷凝器的设计中，加强了最终效果，使蒸汽在临界状态下冷凝，并且专利的雾化喷嘴用于产生下游真空并降低流阻和热阻的概念，以及180 kt / a真空盐系统的常压混合冷凝器的改造.

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