李國(guó)強(qiáng)

摘 要：在制糖工業(yè)中，清凈車間蒸發(fā)罐不但是熱力方案成敗的關(guān)鍵，也是白砂糖色值指標(biāo)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，更是轉(zhuǎn)化損失的重要控制點(diǎn)。各國(guó)制糖企業(yè)對(duì)蒸發(fā)罐的選型和自控系統(tǒng)裝備均非常重視，配備了最強(qiáng)最先進(jìn)的裝備，但發(fā)現(xiàn)實(shí)際效果與設(shè)想仍有一定差距。文章針對(duì)緬甸某糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，分析了蒸發(fā)罐工作狀態(tài)、單程蒸發(fā)罐存在的弊端、單程蒸發(fā)罐與標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐的區(qū)別，并論述了單程蒸發(fā)罐系統(tǒng)應(yīng)用取得的成果與不足，以及蒸發(fā)自動(dòng)控制邏輯、自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，以期為制糖生產(chǎn)中蒸發(fā)罐的使用和改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纬陶舭l(fā)罐；自動(dòng)控制；節(jié)能降耗；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TS243.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-820X（2023）02-0025-03

0 引言

在制糖工業(yè)中，清凈車間蒸發(fā)罐作為全廠熱力方案中心，不但是熱力方案成敗的關(guān)鍵，也是白砂糖色值指標(biāo)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，更是轉(zhuǎn)化損失的重要控制點(diǎn)?；谶@三個(gè)關(guān)鍵要素，各國(guó)制糖企業(yè)對(duì)蒸發(fā)罐的選型和自控系統(tǒng)裝備均非常重視，很多糖廠都配備了最強(qiáng)最先進(jìn)的裝備，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，最終結(jié)果與設(shè)想仍有一定差距。本文針對(duì)緬甸某糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，對(duì)蒸發(fā)罐設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)自控系統(tǒng)邏輯等各個(gè)方面逐一論述，以期為制糖生產(chǎn)中蒸發(fā)罐的使用和改進(jìn)提供參考。

1 蒸發(fā)罐實(shí)際使用情況

緬甸某糖廠自2014年技改擴(kuò)建后，清凈車間蒸發(fā)罐1～4號(hào)由TWX系列蒸發(fā)罐（以下稱標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐［1］）改為無(wú)內(nèi)外循環(huán)管的單程蒸發(fā)罐（以下稱單程蒸發(fā)罐［2］），5～6號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐。罐身安裝有液位檢測(cè)設(shè)備，罐與罐之間過(guò)汁閥門采用自動(dòng)控制，蒸發(fā)面積分別是4000、4000、4000、2600、1600和1600 m2，最小蒸發(fā)總面積為13800 m2，最大蒸發(fā)總面積為16200 m2，2014/2015年榨季平均日榨量5800 t，2015/2016年開(kāi)榨后只能維持6000 t日榨量，超過(guò)后蒸發(fā)罐無(wú)法正常濃縮糖漿，生產(chǎn)難以正常進(jìn)行。經(jīng)多方分析查證，發(fā)現(xiàn)該廠操作人員經(jīng)常將前幾效蒸發(fā)罐液面控制較高，后幾效液面控制較低，液面升高以后，全部壓在蒸發(fā)罐花板上面，造成加熱管內(nèi)壓力升高，糖液沸點(diǎn)升高，熱效率降低，同時(shí)液面也阻礙了蒸汽排出，進(jìn)一步降低了蒸發(fā)強(qiáng)度，蒸發(fā)運(yùn)行惡化后，糖漿錘度降低，只能進(jìn)一步壓高蒸發(fā)罐液面，形成惡性循環(huán)，最后只好降低榨量或停榨來(lái)處理物料，生產(chǎn)波動(dòng)非常大，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行正常生產(chǎn)。其主要原因是該廠員工只會(huì)操作傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐，對(duì)單程蒸發(fā)罐缺乏認(rèn)知。單程蒸發(fā)罐的設(shè)計(jì)目的是要縮短糖汁在蒸發(fā)罐中的停留時(shí)間，最大限度減少轉(zhuǎn)化損失，降低色素生成。單程蒸發(fā)罐由于沒(méi)有降液管，糖汁從加熱管跳出上花板后就只能排往下一效罐，即來(lái)即過(guò)，不能在花板上積壓，以不串汽來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)汁閥門。經(jīng)調(diào)整操作方法后，生產(chǎn)情況全面好轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)兩年操作固化，現(xiàn)己達(dá)350 t/h生產(chǎn)量，效益十分可觀。雖然蒸發(fā)能力得以提高，但糖漿純度與清汁純度差并未改善，糖漿色值與清汁色值差達(dá)400～600 IU，開(kāi)始使用單程蒸發(fā)罐的第一年還發(fā)生了一效蒸發(fā)罐部分加熱管被焦糖堵死的情況。單程蒸發(fā)罐設(shè)計(jì)初衷是好的，但實(shí)際使用效果不盡人意。前人曾進(jìn)行過(guò)生產(chǎn)應(yīng)用及理論分析，最后放棄了單程蒸發(fā)罐在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用［3］。

結(jié)合該緬甸糖廠的實(shí)際使用情況，發(fā)現(xiàn)單程蒸發(fā)罐存在如下缺點(diǎn)：①烘干現(xiàn)象突出，除單程蒸發(fā)罐自身帶來(lái)的加熱管上部容易烘干外，還存在來(lái)汁不均造成的干罐現(xiàn)象及全廠用汽波動(dòng)（來(lái)汁不均以快速沉降器配套使用時(shí)更為突出）；②該糖廠采用蒸發(fā)罐自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制邏輯為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐的控制邏輯，與設(shè)備實(shí)際需要的控制邏輯脫節(jié)，多數(shù)時(shí)間只能手動(dòng)控制，控制邏輯有待開(kāi)發(fā)改進(jìn)。

2 蒸發(fā)罐工作狀態(tài)分析

糖汁在加熱管中從管子底部到頂部的各段存在不同形態(tài)［4］：（1）在管子底部，糖汁的溫度一般未達(dá)沸點(diǎn)，需繼續(xù)升溫，為預(yù)熱階段。由于管子下部糖汁受到上方液體的靜壓力，其沸點(diǎn)高于上方，故即使入料溫度已達(dá)上方的沸點(diǎn)溫度，管子下段仍需繼續(xù)升溫。該預(yù)熱段因未沸騰，傳熱過(guò)程的機(jī)理同一般加熱器，因糖汁流速很低（通常標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐低于0.1 m/s，比加熱器中低很多，該廠單程蒸發(fā)罐僅為0.0082 m/s），故傳熱效率很低。（2）在管子中下部，糖汁沿管子上升，糖汁溫度逐步升高，先產(chǎn)生邊界層沸騰，在糖汁溫度達(dá)該處沸點(diǎn)后，糖汁強(qiáng)烈沸騰產(chǎn)生越來(lái)越多的汽泡，糖汁湍流加劇傳熱迅速升高。（3）在管子中部，大量的小汽泡合并成大汽泡，占據(jù)管子的大部分面積，形成塞狀或炮彈狀汽泡，糖汁被擠到汽泡與管壁之間，傳熱進(jìn)一步升高。（4）在管子中上部，隨管中糖汁的氣相體積繼續(xù)增大，氣體流速更快，糖汁被氣流強(qiáng)烈沖刷成為環(huán)狀薄膜，且越來(lái)越薄，傳熱升高到最大值。（5）在管子頂部，管壁上的糖汁薄膜部分被烘干，且烘干部分逐漸增大，由于管壁對(duì)氣體的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，傳熱明顯下降。單程蒸發(fā)罐在使用時(shí)，加熱管中糖汁液面較低，該工作段較長(zhǎng)，會(huì)存在嚴(yán)重烘干現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為糖漿色值升高、純度降低，一效罐特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)焦糖堵塞加熱管。

根據(jù)加熱管從低到高五個(gè)階段可看出，生產(chǎn)真正需要的是第四個(gè)階段，減小第一和第二個(gè)階段，避免第五個(gè)階段出現(xiàn)。單程蒸發(fā)罐由于無(wú)循環(huán)糖汁，通過(guò)加熱管的糖汁減少，加熱管長(zhǎng)度己成型而無(wú)法改變，第五階段的出現(xiàn)成為必然，一效罐以后各罐已難于改善這種狀況，而一效罐則可通過(guò)降低入罐糖汁溫度及減少進(jìn)氣方法實(shí)現(xiàn)增大預(yù)熱階段減少烘干階段。這樣處理后蒸發(fā)效能極大降低，但即使不進(jìn)行處理，第五階段同樣存在傳熱差問(wèn)題，會(huì)浪費(fèi)設(shè)備資源，設(shè)備利用率低，生產(chǎn)能力下降。以標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐改型為單程蒸發(fā)罐，從效果上看得不償失。

3 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐與單程蒸發(fā)罐對(duì)比分析

根據(jù)霍漢鎮(zhèn)的《制糖工藝與裝備的新概念與新實(shí)踐》［4］分析方法，結(jié)合該廠實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)影響蒸發(fā)罐傳熱最大的液相比進(jìn)行計(jì)算分析。以日壓榨甘蔗量8640 t對(duì)比分析，第一效蒸發(fā)罐加熱面積4000 m2，有加熱管9952條，管子內(nèi)徑為38 mm，長(zhǎng)3.2 m，入罐清汁量為335 m3/h蒸發(fā)量為115 t/h，汁汽溫度為120 ℃。從理論上說(shuō)明蒸發(fā)罐加熱管上部易烘干，造成糖漿成色值升高及純度降低，分析如下：

單程蒸發(fā)罐：加熱管總橫截面積9952×3.14×（0.038/2）2=11.28 m2；如果蒸發(fā)罐沒(méi)有循環(huán)，清汁只經(jīng)過(guò)加熱管一次，則進(jìn)入加熱管的清汁流速為335/（3600×11.28）=0.0082 m/s；汁汽在120 ℃下的比容為0.8917 m3/kg，汁汽總體積為115000×0.8917=102545.5 m3/h；蒸發(fā)后糖汁體積為335-115=220 m3/h；管子出口處汽液混合物中液相的體積比為220/（102545.5+220）×100%=0.21%。

標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐：主要特點(diǎn)是在罐中央裝設(shè)一個(gè)直徑較大的降液管和幾根直徑稍小的外降液管。降液管使加熱管流出的糖汁可經(jīng)其回流到罐底，再次進(jìn)入加熱管，反復(fù)循環(huán)。這種措施實(shí)質(zhì)上增大了進(jìn)入加熱管的糖汁總量和液相流速，循環(huán)的糖汁量對(duì)入料量的比例稱為循環(huán)倍數(shù)，實(shí)際數(shù)值與設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸和操作控制有關(guān)，一般為3～5倍，循環(huán)管的截面積與全部加熱管總截面積的比例多數(shù)為10%～20%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，蒸發(fā)罐裝設(shè)降液管可使傳熱系數(shù)提高30%～50%，因此在蒸發(fā)罐發(fā)展的早期，裝設(shè)降液管被認(rèn)為是一種重要的改革。

在標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐中，如果循環(huán)汁量為入汁量的5倍，即為335×5=1675 m3/h，則進(jìn)入加熱管的液相流速增加到（1675+335）/（3600×11.28）=0.041 m/s。管子出口處混合物中液相體積比升高到（1675+220）/（102545.5+1675+220）×100%=1.81%。

在糖汁蒸發(fā)過(guò)程中汽相或液相的相對(duì)比例變動(dòng)情況［4］：在管子底部，汽相體積很小，液體接近100%，傳熱比較低；隨管子向上，混合物中汽相比例增大，液相降低，傳熱逐漸升高，當(dāng)汽相體積比由50%增至90%，即液相由40%降至10%時(shí)，傳熱由約4000 W/m2·K升高至7000～8000 W/m2·K；當(dāng)汽相體積比再增至95%～99%，即液相降至4%～1%時(shí)，傳熱升高至10000～13000 W/m2·K；當(dāng)汽相體積比超過(guò)99%，即液相低于1%時(shí)，傳熱急劇降低。而對(duì)于濃糖液，最高的汽相體積比例較低，約為80%～90%，即液相為10%～20%（因濃糖液粘度大，潤(rùn)濕管壁的作用較弱）。理論上在沸騰形成的混合物中汽相比例上升時(shí)，傳熱增大，說(shuō)明更多的汽泡或汽流增強(qiáng)了糖汁的湍流和對(duì)加熱面附近邊界層的沖刷，有效加速了傳熱。但在液相比例過(guò)低，稀糖液為1.5%～2%，濃糖液為10%時(shí)［5］，傳熱急劇下降，說(shuō)明管子表面有部分被烘干，即糖汁對(duì)管壁的潤(rùn)濕不足，要避免這種情況發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐5倍循環(huán)量的液相占比達(dá)1.81%，剛好達(dá)不烘干的要求范圍，在這種情況下，管子頂部被液體潤(rùn)濕的狀況好轉(zhuǎn)，烘干的可能性極大減少?？梢?jiàn)，蒸發(fā)罐內(nèi)的糖汁循環(huán)提高了管子上部汽液混合物中的液相比例，并使之達(dá)適當(dāng)數(shù)值，克服了單程蒸發(fā)罐烘干的弊端，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐一般糖漿增色200～300 IU，純度差＞0，pH降低0.3左右。而緬甸該糖廠單程蒸發(fā)罐經(jīng)兩年統(tǒng)計(jì)，糖漿增色402 IU，純度差<-0.2，pH降低0.65。并且單程蒸發(fā)罐液相體積比則只有0.21%，遠(yuǎn)低于液相比例不發(fā)生烘干的最低值1%，管子頂部必因糖汁潤(rùn)濕不足發(fā)生局部烘干現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱惡化，糖漿質(zhì)量降低。加熱管上部烘干后，由于管壁對(duì)汽體的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液體，所以導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)度降低，單程蒸發(fā)罐生產(chǎn)能力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐，要達(dá)到相同生產(chǎn)能力，需加大蒸發(fā)面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐五效真空蒸發(fā)一效罐蒸發(fā)強(qiáng)度一般在35～40 kg/m2·h，而該糖廠只達(dá)28.75 kg/m2·h就很難再突破，說(shuō)明加熱管上部烘干后蒸發(fā)強(qiáng)度降低，降低值為17.9%。如果把蒸發(fā)罐改回標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)罐，在現(xiàn)有汽壓不變的前提下，蒸發(fā)罐生產(chǎn)能力可提高17.9%，壓榨生產(chǎn)能力可提高17.9%-6.9%=11%（原來(lái)為提高榨量滲透水只添加18.1%，生產(chǎn)需要添加25%左右，6.9%是為提高壓榨收回而增加的滲透水量），即可達(dá)8640×1.1=9504 t的日榨量，并保證壓榨滲透水的正常添加，確保壓榨收回率，生產(chǎn)潛力得到充分發(fā)揮。針對(duì)一年生產(chǎn)時(shí)間約140 d的工廠，約可縮短14 d左右的榨季，經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。

4 單程蒸發(fā)罐自控系統(tǒng)的控制邏輯

該糖廠2014年技改擴(kuò)建后并未對(duì)蒸發(fā)自控系統(tǒng)進(jìn)行更新改進(jìn)，而是使用標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐的控制邏輯，即：由一效蒸發(fā)罐汽鼓壓力控制進(jìn)汽閥門開(kāi)度；由一效蒸發(fā)罐液位控制清汁泵轉(zhuǎn)速；由糖漿錘度控制末效罐出料閥開(kāi)度；末效罐液位控制四效罐出料閥開(kāi)度，以此類推直至一效罐液位控制清汁泵轉(zhuǎn)速為止。標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)罐的控制邏輯與單程蒸發(fā)罐的控制邏輯有本質(zhì)區(qū)別，單程蒸發(fā)罐不能控制液位，糖汁從加熱管上跳后就立即排出，從視鏡上看不到真液位。如果在管板上方保持液位，除增加停留時(shí)間外，高位的糖汁影響加熱管內(nèi)糖汁的汽化，導(dǎo)致蒸發(fā)效能下降，液位越高，負(fù)面影響就越大。為防止串汽，應(yīng)改成其他控制方式（有專家建議采用U型管的過(guò)汁方式）。此外，糖汁“來(lái)多少走多少”，一效蒸發(fā)罐進(jìn)料控制應(yīng)采用流量控制，從而保證整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。因此，單程蒸發(fā)罐自動(dòng)控制邏輯建議調(diào)整為：由一效汽鼓壓力控制進(jìn)汽閥門開(kāi)度；由糖漿錘度控制末效罐出料閥門開(kāi)度；由末效罐液位對(duì)清汁泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；一效至末效之間的過(guò)汁管加裝U型管［6］，防止串汽，生產(chǎn)時(shí)過(guò)汁閥門全開(kāi)。但該控制方案僅為設(shè)想，在實(shí)際生產(chǎn)中并無(wú)試驗(yàn)驗(yàn)證，僅作設(shè)計(jì)參考。

5 結(jié)語(yǔ)

單程蒸發(fā)罐雖能最大限度縮短糖汁在蒸發(fā)罐中的停留時(shí)間，但經(jīng)過(guò)實(shí)際使用并未達(dá)改型設(shè)想的效果。要實(shí)現(xiàn)單程蒸發(fā)罐的理想效果，可能只有從增大相同面積的蒸發(fā)罐直徑，縮短加熱管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但具體加熱管長(zhǎng)度多少能達(dá)單程蒸發(fā)罐的理想效果，還有待相關(guān)專家共同研究開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 華南工學(xué)院. 糖廠技術(shù)裝備（第三冊(cè)）［M］. 北京：輕工業(yè)出版社，1983.

［2］ 馮佰華，時(shí)鈞，汪家鼎，等. 化學(xué)工程手冊(cè)（第2卷）［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

［3］ 科列斯尼柯夫. 糖廠熱能管理［M］. 楊倬等譯. 北京：輕工業(yè)出版社，1988.

［4］ 霍漢鎮(zhèn). 制糖工藝與裝備的新概念與新實(shí)踐［M］. 全國(guó)甘蔗糖業(yè)信息中心，2002.

［5］ Zangrodzki S，賈沛珍. 有效溫度差對(duì)傳熱系數(shù)的影響［J］. 甘蔗糖業(yè)，1979（6）：49-53.

［6］ 劉長(zhǎng)戰(zhàn)，郭凱，宋明新，等. 糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的控制邏輯及蒸發(fā)罐的結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］. 甘蔗糖業(yè)，2018（5）：46-50.