CN102641601A - 一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置 - Google Patents
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Abstract
一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置。母液中加有少量的流态化清洗瓷球。均布成膜螺旋不仅使得各加热管的液体实现自动均布，而且能够促进在管内壁均匀成膜。安装在加热管内的液膜螺旋和蒸汽螺旋，能够显著地增大降膜液流和二次蒸汽流的周向分速度，强化了液膜的对流传热，降低了飞溅液沫直接下落的数量，又使流态化瓷球产生离心力，紧贴管内壁进行有效的清洗防垢。下管箱有二次蒸汽液沫分离结构，又有可以满足结晶要求的循环槽，结构紧凑。流态化瓷球借助文丘里实现循环清洗，流化球的浓度通过旁路阀调节。因此，这种能避免加热管内壁结垢的蒸发装置，可以实现自动清洗高产节能，满足长期连续生产的要求，对热泵蒸发尤为适用。
Description
技术领域
本发明的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，涉及列管降膜蒸发装置的管内自动清洗防垢和传热强化。它主要适用于加热管内容易生长污垢的降膜蒸发装置、尤其适合于沸点上升影响显著、又易垢的溶液的列管降膜式热泵蒸发装置。
背景技术
现有的列管降膜式蒸发装置适用于蒸发母液为热敏性物料，尤其适合于加热管内不生长污垢的降膜式热泵蒸发装置。但是，若热泵蒸发的物料是沸点上升影响显著、又容易生长污垢的溶液，则污垢严重影响其节能效率，会使热泵蒸发装置与传统的多效蒸发装置相比的节能优势不显著。
国内外均已有蒸发装置在线机械清洗技术研究，应用最多的是刮板式蒸发装置。但是，筒体内壁须精密镗削并抛光处理，造价高，单台蒸发装置的传热面积小；刮板与蒸发装置简体内壁的径向间隙0.5～1.5mm，就意味着仍然可以有0.5～1.5mm的残留污垢热阻；刮板的能耗水平(0.75KW/m2左右)太高。虽然有蒸发器在线除垢的其它新技术，例如ZL2283826y(机械除垢蒸发装置，1998.06.10)和CN02111949.X(一种自动清洗式降膜蒸发装置，2002年)，前者报道的是列管式蒸发装置的管外污垢在线往复运动机械清洗，而不是通常所说的母液在管内的列管降膜式蒸发装置；后者报道的是板式蒸发装置的污垢在线机械清洗。
蒸发装置管内污垢流态化清洗技术，早的如专利EP262725和中国专利ZL91106682.9等等，较新的文献(例如，刘明言，中药更年安浸取液汽液固三相流自然循环蒸发浓缩，化工学报，2003，54(7)：1029-1131)报道的技术，都具有自动清洗管内污垢和高效传热强化的双重功能。但是，这些技术都只适用于液体充满立式列管横截面、并且向上流动的蒸发装置，而不能应用于列管内降膜流动的蒸发装置。
发明内容
本发明提出一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，不仅可以解决现有技术不适用于列管内降膜流动蒸发装置的污垢清洗问题，而且具有结构简单、操作简便，运行可靠的优势。因此，能够应用于列管式降膜蒸发装置的自动清洗和传热强化，尤其适合于蒸发浓缩过程中管内壁要生长较难清洗的污垢(诸如结晶盐垢、硬垢)的热泵蒸发装置。
本发明的技术方案为：一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，主要部件有上管箱、流化球、喷淋头、均布成膜螺旋、加热管、液膜螺旋、下管箱、循环泵。
每根加热管内设置一根液膜螺旋，上端悬挂，下端自由。液膜螺旋的作用在于对下降流动的液膜和流化球导向，形成液膜的螺旋流和流化球螺旋运动，使之具有较大的周向分速度和一定的离心力，可以减少飞溅的液沫和流化球从加热管中心线区域穿过；还能够使流化球自然地趋向管内壁，对管内壁产生清洗硬垢需要的径向接触压力，以此强化对难清洗污垢(例如结晶盐硬垢)的清洗能力；并且，液膜螺旋在降膜液流的冲刷和流化球的冲击作用下，产生径向的振摆和轴向的上下振动，对管内壁污垢产生一定的擦洗除垢作用，又能使流化球穿越液膜螺旋与管内壁之间的间隙，避免液膜螺旋与管内壁之间、及其下方近邻区域形成清洗死角，提高流化球清洗的均匀度。液膜螺旋的钢丝直径范围为0.8～3.0mm；液膜螺旋的外径与加热管内壁之间的直径间隙大于流化球直径的两倍；液膜螺旋的螺旋角在10°～30°的范围比较好，具体取值与管内的流量大小有一致性的关系。
喷淋母液中添加的流化球，只在蒸发装置内循环清洗用，体积浓度为0.3％～3.0％，流化球形状须为滚动性良好的球形颗粒，以满足对液膜滚动搅拌为主、对管内壁滑动擦洗为辅的清洗运动学要求。流化球材质要求对蒸发母液是惰性，可以是玻璃球、金属球、塑料球、胶球和瓷球，依据液体的腐蚀性、温度、污垢的软硬等选择。一般采用耐磨性好的瓷球。流化球直径在4.0mm以下。
在加热管入口部位安装的均布成膜螺旋，其主要功能第一是均布进入各加热管的液体，第二是有助于在管内壁形成均匀的螺旋流液膜。均布成膜螺旋为2～4头的螺旋片结构，螺旋片可以不连续，但是各头螺旋在横截面的投影叠加的结果必须为连续，螺旋角在30°～60°范围，螺旋片的径向高度必需大于流化球的直径，均布成膜螺旋的长度为60～200mm。螺旋片的作用一是对进入加热管的液体导向形成螺旋流，二是径向定位，保证其同心度。中心管是均布成膜螺旋的骨架，支承筋的作用是均布成膜螺旋在加热管口的轴向定位，中心管内孔的直径便于液膜螺旋和蒸汽螺旋安装固定即可。均布成膜螺旋的液体均布功能，一是靠上下管箱气相压力平衡的连通管，二是设计使得设计流量条件下液体通过均布成膜螺旋与加热管之间的螺旋流道的阻力，能够滞流形成管板上均布必需的积液层，以此确保各加热管的进出口之间都有相等的静压推动力。各加热管内完全相同的结构，势必具有相等的流动阻力系数。因此，均布成膜螺旋可以使得各加热管内的液膜流量高度均布。
喷淋头的主要作用是使进入各加热管的流化球数量基本均布。喷淋头结构为圆锥喇叭，圆锥角在45°～65°的范围。喷淋头可以是单层圆锥喇叭结构，也可以是2～4层的圆锥喇叭结构，层数多少与该喷淋管的(直径或)流量大小有一致性的关系。喷淋头的中心区安装有圆锥螺旋。喷淋头的个数为1～13个，由蒸发装置加热室的直径D大小决定；喷淋头的喷淋高度H取决于单个喷淋头承担均布区域的大小和喷淋管内的流速大小。
加热管内也可以安装蒸汽螺旋，蒸汽螺旋的长度可以接近于整个加热管，也可以只是加热管的下半部。其功能是使管内的二次蒸汽形成螺旋流，目的是使飞溅脱离管内壁的液沫和流化球在离心力的作用下返回液膜，并且借助二次蒸汽螺旋流与液膜之间的界面摩擦力，增大降膜流动的周向分速度，强化液膜的对流传热，增大流化球的离心力，强化流化球的污垢清洗能力。蒸汽螺旋的材质是钢丝或塑包钢丝，直径2.5～6.0mm。蒸汽螺旋的螺距为加热管内径的(1.20～1.80)倍，蒸汽螺旋的外径为加热管内径的0.60倍以下。蒸汽螺旋的上端固定在均布成膜螺旋上，下端固定在加热管下口的固定架上，并且有一定的预紧力。
下管箱为多功能结构。上部为集液结构，中部为除沫器，下部为循环槽。
下管箱的一种结构是：上部为集液的斜折导流板，斜折导流板的下方是液沫分离室，下部的循环槽：浓缩型蒸发器采用深度不大的结构，结晶型蒸发器采用深度大的结构，以满足结晶生长和粗细晶体区分的需要。斜折导流板的斜板部分的斜角为15°～30°，斜板直径方向的宽度为下管箱直径的0.7～0.9倍。斜折导流板的作用之一是二次蒸汽的液沫分离作用，使下管箱的二次蒸汽逐渐加速形成较高速度，在急弯区达到液沫惯性分离的作用；接着穿越斜折导流板口的水帘幕时，二次蒸汽中的液沫被水帘幕洗涤作用；最后二次蒸汽在斜折导流板下方的大空间缓慢流过，继续分离其液沫后，由二次蒸汽管排出。对二次蒸汽除沫要求高的蒸发装置，在液沫分离室内还设置除沫器和喷淋冲洗管。斜折导流板的作用之二是使流化球和循环母液流到下管箱的右侧壁进入循环槽。流化球通过底部的出口管、文丘里参与再循环。循环母液在有足够深度的循环槽内缓慢流过，既能有一定的时间长大晶体，又能有比较充分的时间、借助粗细晶体不同的沉降速度得以大致分离，含粗晶较多的粗晶区浆液经过底部左侧的排浆阀去分离工序。含微晶和细晶的上层母液经过循环槽，在左侧近液面的细晶区出口管，通过循环泵再去喷淋头，继续进行降膜蒸发。管内的液膜流量(或流速)通过循环泵出口阀调节，流化球的含量(或体积浓度)借助旁路阀控制。
下管箱的另一种结构是：上部为接液盘，中部为蜗道离心除沫器，下部的循环槽：浓缩型蒸发器采用深度不大的结构，结晶型蒸发器采用深度大的结构，以满足结晶生长和粗细晶体区分的需要。未蒸发的母液和流化球经过中心流道下流，到循环槽的收球室进行惯性分离。流化球经过循环槽底部出口管、文丘里参与再循环；母液借助拐弯处的惯性分离，粗晶沉积到底部，经过粗晶区排浆阀去分离工序；母液经过大截面的循环槽缓慢流过足够深度的空间长大晶体。循环槽近液面的左侧的细晶区出口管，通过循环泵再去喷淋头，继续进行降膜蒸发。
附图说明
图1是本发明的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置的示意总图。
图2是本发明另一种下管箱的管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置总图。
图3a、图3b是本发明的蒸发装置的加热管的两种组装结构方案图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3a、图3b，对本发明作进一步详细的描述。
图中的1加热管 2加热室 3液膜螺旋 4均布成膜螺旋 5上管箱 6喷淋管7喷淋头 8连通管 9下管箱 10水帘幕 11斜折导流板 12流化球 13文丘里 14旁路阀 15排浆阀 16出口阀 17循环泵 18粗晶区 19循环槽 20细晶区 21液沫分离室 22二次蒸汽管 23除沫器 24冲洗管 25接液盘 26蜗道离心除沫器 27中心流道 28收球室 29蒸汽螺旋 30支承筋 31中心管内孔 32中心管33螺旋片 34固定架
一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，主要部件有上管箱5、流化球12、喷淋头7、均布成膜螺旋4、加热管1、液膜螺旋3、下管箱9、循环泵17。
每根加热管1内设置一根液膜螺旋3，上端悬挂，下端自由。液膜螺旋3的作用在于对下降流动的液膜和流化球12导向，形成液膜的螺旋流和流化球12螺旋运动，使之具有较大的周向分速度和一定的离心力，可以减少飞溅的液沫和流化球12从加热管1中心线区域穿过；还能够使流化球12自然地趋向管内壁，对管内壁产生清洗硬垢需要的径向接触压力，以此强化对难清洗污垢(例如结晶盐硬垢)的清洗能力；并且，液膜螺旋3在降膜液流的冲刷和流化球12的冲击作用下，产生径向的振摆和轴向的上下振动，对管内壁污垢产生一定的擦洗除垢作用，又能使流化球12穿越液膜螺旋与管内壁之间的间隙，避免液膜螺旋3与管内壁之间、及其下方近邻区域形成清洗死角，提高流化球12清洗的均匀度。液膜螺旋3的钢丝直径范围为0.8～3.0mm；液膜螺旋3的外径与加热管1内壁之间的直径间隙大于流化球12直径的两倍；液膜螺旋3的螺旋角在10°～30°的范围比较好，具体取值与管内的流量大小有一致性的关系。
喷淋母液中添加的流化球12，只在蒸发装置内循环清洗用，体积浓度为0.3％～3.0％，流化球12的形状须为滚动性良好的球形颗粒，以满足对液膜滚动搅拌为主、对管内壁滑动擦洗为辅的清洗运动学要求。流化球12的材质要求对蒸发母液是惰性，可以是玻璃球、金属球、塑料球、胶球和瓷球，依据液体的腐蚀性、温度、污垢的软硬等选择。一般采用耐磨性好的瓷球。流化球12的直径在4.0mm以下。
在加热管1入口部位安装的均布成膜螺旋4，其主要功能第一是均布进入各加热管1的液体，第二是有助于在管内壁形成均匀的液膜螺旋流。均布成膜螺旋4为2～4头的螺旋片33结构，螺旋片33可以不连续，但是各头螺旋片33在横截面的投影叠加的结果必须为连续，螺旋角在30°～60°范围，螺旋片33的径向高度必需大于流化球12的直径，均布成膜螺旋4的长度为60～200mm。螺旋片33的作用一是对进入加热管1的液体导向形成螺旋流，二是径向定位，保证其同心度。中心管32是均布成膜螺旋4的骨架，支承筋30的作用是均布成膜螺旋4在加热管1口的轴向定位，中心管内孔31的直径便于液膜螺旋3和蒸汽螺旋29安装固定即可。均布成膜螺旋4的液体均布功能，一是靠上下管箱气相压力平衡的连通管8，二是设计使得设计流量条件下液体通过均布成膜螺旋4与加热管1之间的螺旋流道的阻力，能够滞流形成管板上均布必需的积液层，以此确保各加热管1的进出口之间都有相等的静压推动力。各加热管1内完全相同的结构，势必具有相等的流动阻力系数。因此，均布成膜螺旋4可以使得各加热管1内的液膜流量高度均布。
喷淋头7的主要作用是使进入各加热管1的流化球12数量基本均布。喷淋头7的结构为圆锥喇叭，圆锥角在45°～65°的范围。喷淋头7可以是单层圆锥喇叭结构，也可以是2～4层的圆锥喇叭结构，层数多少与该喷淋管6的(直径或)流量大小有一致性的关系。喷淋头7的中心区安装有圆锥螺旋。喷淋头7的个数为1～13个，由蒸发装置加热室2的直径D大小决定；喷淋头7的喷淋高度H取决于单个喷淋头7承担均布区域的大小和喷淋管6内的流速大小。
加热管1内也可以安装蒸汽螺旋29，蒸汽螺旋29的长度可以接近于整个加热管1，也可以只是加热管1的下半部。其功能是使管内的二次蒸汽形成螺旋流，目的是使飞溅脱离管内壁的液沫和流化球12在离心力的作用下返回液膜，并且借助二次蒸汽螺旋流与液膜之间的界面摩擦力，增大降膜流动的周向分速度，强化液膜的对流传热，增大流化球12的离心力，强化流化球12的污垢清洗能力。蒸汽螺旋29的材质是钢丝或塑包钢丝，直径2.5～6.0mm。蒸汽螺旋29的螺距为加热管1内径的(1.20～1.80)倍，蒸汽螺旋29的外径为加热管1内径的0.60倍以下。蒸汽螺旋29的上端固定在均布成膜螺旋4上，下端固定在加热管1下口的固定架34上，并且有一定的预紧力。
下管箱9为多功能结构。上部为集液结构，中部为液沫分离机构，下部为循环槽19。
下管箱9的一种结构是：上部为集液的斜折导流板11，斜折导流板11的下方是液沫分离室21。下部的循环槽19：浓缩型蒸发器采用深度不大的结构，结晶型蒸发器采用深度大的结构，以满足结晶生长和粗细晶体区分的需要。斜折导流板11的斜板部分的斜角为15°～30°，斜板直径方向的宽度为下管箱直径的0.7～0.9倍。斜折导流板11的作用之一是二次蒸汽的液沫分离作用，使下管箱9的二次蒸汽逐渐加速形成较高速度，在急弯区达到液沫惯性分离的作用；接着穿越斜折导流板11口的水帘幕10时，二次蒸汽中的液沫被水帘幕10洗涤作用；最后二次蒸汽在斜折导流板11下方的大空间缓慢流过，继续分离液沫后，由二次蒸汽管22排出。对二次蒸汽除沫要求高的蒸发装置，在液沫分离室21内还设置除沫器23和喷淋冲洗管24。斜折导流板11的作用之二是使流化球12和循环母液流到下管箱的右侧壁进入循环槽19。流化球12通过底部的出口管、文丘里13参与再循环。循环母液在有足够深度的循环槽19内缓慢流过，既能有一定的时间长大晶体，又能有比较充分的时间、借助粗细晶体不同的沉降速度得以大致分离，含粗晶较多的粗晶区18浆液经过底部左侧的排浆阀15去分离工序。含微晶和细晶的上层母液经过循环槽19，在左侧近液面的细晶区20出口管，通过循环泵17再去喷淋头7，继续进行降膜蒸发。管内的液膜流量(或流速)通过循环泵17出口阀16调节，流化球12的含量(或体积浓度)借助旁路阀14控制。
下管箱9的另一种结构是：上部为接液盘25，中部为蜗道离心除沫器26，下部为循环槽19：浓缩型蒸发器采用深度不大的结构，结晶型蒸发器采用深度大的结构，以满足结晶生长和粗细晶体区分的需要。未蒸发的母液和流化球12经过中心流道27，下流到循环槽19的收球室28进行惯性分离。流化球12经过循环槽19底部出口管、文丘里13参与再循环；母液借助拐弯处的惯性分离，粗晶沉积到底部，经过粗晶区18排浆阀去分离工序；母液经过大截面的循环槽缓慢流过足够深度的空间长大晶体，循环槽近液面的左侧的细晶区20出口管，通过循环泵17再去喷淋头7，继续进行降膜蒸发。
Claims (7)
1.一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，主要部件有喷淋头(7)、均布成膜螺旋(4)、加热管(1)、液膜螺旋(3)、流化球12、上管箱5、下管箱9、循环泵17，其特征为：喷淋母液中添加的流化球12，只在蒸发装置内循环清洗；体积浓度为0.3％～3.0％；直径在4.0mm以下；流化球12是瓷球、或者玻璃球、金属球、塑料球、胶球；每根加热管1内设置一根液膜螺旋3，液膜螺旋3的钢丝直径范围为0.8～2.5mm，液膜螺旋3的外径与加热管1内壁之间的直径间隙大于流化球12直径的两倍，液膜螺旋3的螺旋角在10°～30°的范围；均布成膜螺旋4安装在加热管1入口端，均布成膜螺旋4为2～4头的螺旋片33结构，螺旋片33可以不连续，但是各头螺旋片33在横截面的投影叠加的结果必须为连续，螺旋角在30°～60°范围，螺旋片33的径向高度必需大于流化球的直径，均布成膜螺旋4的轴向长度为65～200mm；上管箱5与下管箱9之间借助连通管8保持气相压力的平衡。
2.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：上管箱5内设置有使进入各加热管1的流化球12数量基本均布的喷淋头7；喷淋头7的个数为1～13个，由蒸发装置加热室2的直径D大小决定；喷淋头7的喷淋高度H取决于单个喷淋头7承担均布区域的大小和喷淋管6内的流速大小。
3.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：每根加热管(1)内除了液膜螺旋(3)外，还安装有蒸汽螺旋(29)，两端分别固定在均布成膜螺旋(4)和下管口固定架(34)上；蒸汽螺旋(29)的直径2.5～6.0mm、螺距为加热管(1)内径的(1.2～1.80)倍、外径为加热管(29)内径的0.60倍以下。
4.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：下管箱(9)的一种结构是：上部设置有斜折导流板(11)，斜折导流板(11)的下方是液沫分离室(21)，底部是循环槽(19)；对二次蒸汽除沫要求高的蒸发装置，在液沫分离室(21)内再设置除沫器(23)和喷淋冲洗管(24)。
5.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：下管箱(9)的另一种结构是：上部为接液盘()25，中部为蜗道离心除沫器(26)，下部是循环槽(19)；未蒸发的母液和流化球(12)经过中心流道(27)到循环槽(19)的收球室(28)进行惯性分离。
6.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：流化球(12)经过循环槽(19)底部出口管、文丘里(13)参与再循环；管内的液膜流量(或流速)通过循环泵(17)的出口阀(16)调节，流化球(12)的含量(或体积浓度)借助旁路阀(14)控制。
7.根据权利要求1的一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置，其特征在于：对于浓缩型蒸发器，下管箱(9)的循环槽(19)采用深度不大的结构；对于结晶型蒸发器，下管箱的循环槽(19)采用深度大的结构，以满足结晶生长和粗细晶体区分的需要，循环液经过上部细晶区(20)的出口管、循环泵(17)送去喷淋头(7)进行循环降膜蒸发；底部粗晶区()18的浆液经排浆阀(15)出去分离。
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