Промышленные испарители являются основным оборудованием в химической, фармацевтической, пищевой и природоохранной промышленности. Эффективность их теплопередачи напрямую влияет на энергопотребление и качество продукции. Однако основным препятствием для стабильной работы испарителей является образование отложений. Отложение солей кальция и магния, силикатов, органических веществ и т. д. на внутренних стенках теплообменных трубок, образуя слой отложений, приводит к увеличению сопротивления теплопередаче и резкому увеличению энергопотребления, а также может привести к засорению труб, локальному перегреву, разрыву труб и другим авариям. Поэтому глубокий анализ процессов образования отложений имеет большое значение для повышения эффективности работы испарителей.

Основные причины загрязнения

1. Факторы качества воды

Основными провоцирующими факторами являются ионы кальция и магния в воде, высокое содержание растворенных твердых веществ (TDS) и дисбаланс pH.

2.Температура и расход

Чрезмерный нагрев внешней стенки трубки и слишком низкая скорость потока внутри трубки усугубляют выпадение и отложение кристаллов.

3. Материалы и дизайн

Если шероховатость поверхности материала теплообменной трубки составляет >1,6 мкм, легко образуются точки крепления; необоснованная конструкция испарителя приведет к образованию зоны накопления загрязнений.

4. Эксплуатация и управление

Чрезмерно продолжительная непрерывная работа и несвоевременный сброс сточных вод ускоряют накопление загрязняющего слоя.

Технологии предотвращения загрязнения: от контроля источника до оптимизации эксплуатации

1. Технологии предварительной обработки

Снизить концентрацию ионов, образующих накипь, в поступающей воде.

• Умягчение воды

Для удаления ионов кальция и магния используйте ионообменную смолу натрия или обратный осмос (ОО). Пример фармацевтического завода показывает, что предварительная осмосная очистка снижает жёсткость воды на входе с 350 мг/л до 50 мг/л, а уровень загрязнения испарителя уменьшается на 60%.

• регулировка pH

Добавьте кислоту (например, серную кислоту) для регулирования pH поступающей воды на уровне 6,5–7,5, чтобы предотвратить образование карбонатной накипи (формула реакции: Ca(HCO₃)₂+H₂SO₄→CaSO₄↓+2CO₂↑+2H₂O).

Фильтрация и удаление кремния: Многосредная фильтрация удаляет взвешенные твердые частицы (мутность ≤3NTU), а ультрафильтрация (УФ) задерживает коллоидный кремний, предотвращая осаждение силикатов.

2. Оптимизация параметров работы: избежание пересыщения и локального перегрева.

• Регулирование расхода

Скорость потока внутри трубок испарителя с принудительной циркуляцией поддерживается на уровне 2–3 м/с, а очистка турбулентным потоком используется для уменьшения прилипания кристаллов (испаритель MVR продлевает цикл очистки с 30 до 90 дней за счет увеличения скорости потока до 2,5 м/с).

• Оптимизация градиента температуры

Используйте испаритель с падающей пленкой (например, вертикальную конструкцию с падающей пленкой), чтобы заставить подаваемую жидкость течь в форме пленки и не допустить превышения локальной температуры 60 ℃; испаритель MVR контролирует повышение температуры ≤15 ℃ с помощью парового компрессора.

• Концентрация множественного управления

Контролируйте объем сброса сточных вод в соответствии с показателем TDS качества воды, чтобы гарантировать, что концентрация, кратная ≤4 (см. GB/T 50050 - 2017 *Нормы проектирования для промышленной рециркуляционной охлаждающей воды*).

3. Улучшение материала и структуры: повышение устойчивости к загрязнению.

• Технология нанопокрытия

Используйте нанопокрытия TiO₂ или Cr₂O₃ (толщиной 20–100 нм) с углом контакта поверхности >110° для достижения супергидрофобной защиты от загрязнения. Нановолоконное покрытие (WSN), разработанное Техническим институтом физики и химии Китайской академии наук, снижает степень загрязнения на 98% по сравнению с традиционной нержавеющей сталью в ходе 30-дневного динамического эксперимента.

• Теплообменные трубки специальной формы

Выбирайте гофрированные трубы или трубы со спиральными канавками, чтобы усилить турбулентное возмущение потока и уменьшить толщину пограничного слоя; после того, как на химическом заводе применяются трубы со спиральными канавками, коэффициент теплопередачи увеличивается на 15%, а скорость загрязнения уменьшается на 40%.

• Самоочищающаяся структура

Установите внутрь пружину или спиральную ленту (например, пружину диаметром 8 мм) и используйте кинетическую энергию жидкости для придания вращения и соскребания загрязняющего слоя в режиме реального времени со степенью удаления накипи 87% - 93,5% (данные из Интернета).

4. Химическая профилактика загрязнения: синергетический эффект ингибиторов накипи и метода затравочных кристаллов.

• Высокоэффективные ингибиторы солеотложений

Добавляют органические фосфонаты (например, АТМФ) или полимерные диспергаторы (например, ПАА) для хелатирования ионов кальция и магния (степень ингибирования образования накипи ≥95%). Применение ингибиторов образования накипи Sennas в сточных водах с высоким содержанием солей показывает, что степень загрязнения снижается на 50%, а эффективность теплообмена сохраняется на уровне >90%.

• Метод затравочных кристаллов

Добавляйте в исходную жидкость затравочные кристаллы сульфата кальция (размер частиц 50–100 мкм), чтобы пересыщенные соли преимущественно осаждались на поверхности затравочных кристаллов и не прилипали к стенкам трубки.