载气蒸发的发展及其换热面上结垢的研究

【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u_1=0.3～1.6m s~(-1))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： (1) 采用u_1=0.032～0.321m s~(-1)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) 提出了一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。依据这一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，可以避免丙烯酞胺可能自 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CaC仇在竖直换热面上的结垢过程，用动态热阻法 对CaC03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CaCO3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CaCO3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;CaCO3结晶垢具有统计自相似性，即分形特 征;用盒子维法测定了CaC03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。