Improving the Efficiency of Evaporation Plant Regenerative Heat Exchangers
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-1-61-67Keywords:
evaporation plants, heat exchangers, cavitation vortex heat exchanger, black liquor, sulfate productionAbstract
The article addresses matters concerned with improving the energy efficiency of evaporation plants used in pulp production. The existing technical solutions supporting stable operation of evaporation plant heat exchangers are reviewed and analyzed. The design of a cavitation-vortex heat exchanger (CVHE) consisting of a vortex cyclone chamber and a spiral flow stabilizer is proposed. The cylindrical vortex chamber is equipped with two tangential nozzles for supplying black liquor at a pressure of 0.2-0.25 MPa and a temperature of 70°C. The chamber contains two hollow cavitating blades having holes for steam outlet. Heating steam with parameters of 0.3-0.4 MPa and 140°C is supplied to the device from the steam system through the inlet nozzle to the blades, after which it enters the chamber through the holes. A proprietary procedure for the CVHE structural design is described. Verification calculations of the Arkhangelsk Pulp and Paper Mill evaporation plant before and after introducing the CVHE into the process circuit were carried out. The calculation results have shown that the specific steam consumption decreased by 3.5%, while the evaporation plant output remained unchanged. The tests of the newly designed CVHE have confirmed the expediency of using them for heating black liquor as part of evaporation plants. Owing to the use of such CVHEs in the production process, the liquor is uniformly heated to the required temperature, while the cavitation effect produced by them prevents deposits from appearing in the device.
References
1. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1978.
2. Park J. e. a. Optimal Operation of the Evaporator and Combustion Air Distribution System in a Pulp Mill to Maximize Biomass Recycling and Energy Efficiency // J. Cleaner Production. 2022. V. 367. P. 133048.
3. Cantrell Ja.G. Black Liquor Evaporator Upgrades — Life Cycle Cost Analysis // Tappi J. 2021. V. 20(3). Pp. 208—221.
4. Софронова Е.Д., Липин В.А. Современные технологии в целлюлозной промышленности // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2018. № 223. С. 267—284.
5. Казаков В.Г., Луканин П.В., Громова Е.Н. Выпаривание растворов целлюлозного производства. СПб: Издательско-полиграфическая ассоциация высших учебных заведений, 2022.
6. Луканин П.В. Оценка энергетической эффективности производства сульфатной целлюлозы методом приращения эксергий // Известия высших учебных заведений. Серия «Проблемы энергетики». 2020. № 2. С. 3—11.
7. Еремеев Д.Н., Груздев С.В. Оценка эффективности работы теплообменников // Сталь. 2020. № 9. С. 67—72.
8. Геллер Ю.А., Шацких Ю.В. Анализ показателей энергетической эффективности регенеративных теплообменных аппаратов // Энергосбережение и водоподготовка. 2022. № 6(140). С. 34—41.
9. Yu. Yue e. a. Experimental Research on Falling Film Flow and Heat Transfer Characteristics Outside the Vertical Tube // Appl. Thermal Eng. 2021. V. 199. P. 117592.
10. Пат. № 88785 РФ. Теплообменник / Казаков В.Г., Луканин П.В., Смирнова О.С., Копытов Г.Г. // Бюл. изобрет. 2009. № 10.
11. Плотникова Л.В., Калинина М.В., Ваньков Ю.В. Системный подход к повышению эффективности энергетического комплекса целлюлозно-бумажного производства. СПб.: Наукоемкие технологии, 2025.
12. Бойков Л.М., Нечаев Н.С. Теплотехника целлюлозно-бумажного производства. Теплоэнергетические и теплотехнологические установки. СПб.: ВШТЭ, ГУПТД, 2017.
13. Gong L., Sun G., Guo Y., Shen S. Parametric Distribution of the Condensation and Evaporation Processes in Horizontal Tube Falling Film Evaporator // Appl. Thermal Eng. 2019. V. 162. P. 114103.
14. Боровкова Э.В., Пантюхина Е.В., Пантюхин О.В. Анализ влияния параметров продукта на поверхность теплопередачи выпарного аппарата // Известия Тульского гос. ун-та. Серия «Технические науки». 2018. № 2. С. 346—350.
15. Dubey N., Kumar M. CFD Analysis of Fluid Flowing Through a Heat Exchanger Tube Having a Twisted Tape with a Centrally Placed Semi-circular Groove // Intern. J. Sci. and Research. 2017. V. 6(6). Pp. 2200—2207.
16. Суслов В.А. Некоторые условия для эффективного выпаривания пенообразующих растворов в целлюлозно-бумажном производстве // Промышленная энергетика. 2022. № 1. С. 28—34.
17. Пат. № 176732 РФ. Кавитационно-вихревой теплообменник / Тарасовский В.Г., Казаков В.Г., Чайка М.Н., Светличная О.А. // Бюл. изобрет. 2018. № 3.
18. Донцов А.Г. и др. Влияние ультразвуковой кавитации на реакционную способность лигноцеллюлозных субстратов при биоконверсии растительной биомассы // Бутлеровские сообщения. 2014. Т. 39. № 9. С. 52—57.
19. Пат. № 139592 РФ. Выпарная установка / Луканин П.В. и др. // Бюл. изобрет. 2014. № 11.
20. Суслов В.А. Рекомендации к тепловому расчету выпарного аппарата, работающего в режиме «падающая плёнка» // Промышленная энергетика. 2020. № 9. С. 27—32.
---
Для цитирования: Казаков В.Г., Громова Е.Н., Максимов В.С. Повышение эффективности регенеративных теплообменников выпарных установок // Вестник МЭИ. 2026. № 1. С. 61—67. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-1-61-67
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zhuchkov P.A. Teplovye Protsessy v Tsellyulozno-bumazhnom Proizvodstve. M.: Lesnaya Promyshlennost', 1978. (in Russian).
2. Park J. e. a. Optimal Operation of the Evaporator and Combustion Air Distribution System in a Pulp Mill to Maximize Biomass Recycling and Energy Efficiency. J. Cleaner Production. 2022;367:133048.
3. Cantrell Ja.G. Black Liquor Evaporator Upgrades — Life Cycle Cost Analysis. Tappi J. 2021;20(3):208—221.
4. Sofronova E.D., Lipin V.A. Sovremennye Tekhnologii v Tsellyuloznoy Promyshlennosti. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy Lesotekhnicheskoy Akademii. 2018;223:267—284. (in Russian).
5. Kazakov V.G., Lukanin P.V., Gromova E.N. Vyparivanie Rastvorov Tsellyuloznogo Proizvodstva. SPb: Izdatel'sko-poligraficheskaya Assotsiatsiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy, 2022. (in Russian).
6. Lukanin P.V. Otsenka Energeticheskoy Effektivnosti Proizvodstva Sul'fatnoy Tsellyulozy Metodom Prirashcheniya Eksergiy. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Seriya «Problemy Energetiki». 2020;2:3—11. (in Russian).
7. Eremeev D.N., Gruzdev S.V. Otsenka Effektivnosti Raboty Teploobmennikov. Stal'. 2020;9:67—72. (in Russian).
8. Geller Yu.A., Shatskikh Yu.V. Analiz Pokazateley Energeticheskoy Effektivnosti Regenerativnykh Teploobmennykh Apparatov. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2022;6(140):34—41. (in Russian).
9. Yu. Yue e. a. Experimental Research on Falling Film Flow and Heat Transfer Characteristics Outside the Vertical Tube. Appl. Thermal Eng. 2021;199:117592.
10. Pat. № 88785 RF. Teploobmennik. Kazakov V.G., Lukanin P.V., Smirnova O.S., Kopytov G.G. Byul. Izobret. 2009;10. (in Russian).
11. Plotnikova L.V., Kalinina M.V., Van'kov Yu.V. Sistemnyy Podkhod k Povysheniyu Effektivnosti Energeticheskogo Kompleksa Tsellyulozno-bumazhnogo Proizvodstva. SPb.: Naukoemkie Tekhnologii, 2025. (in Russian).
12. Boykov L.M., Nechaev N.S. Teplotekhnika Tsellyulozno-bumazhnogo Proizvodstva. Teploenergeticheskie i Teplotekhnologicheskie Ustanovki. SPb.: VShTE, GUPTD, 2017. (in Russian).
13. Gong L., Sun G., Guo Y., Shen S. Parametric Distribution of the Condensation and Evaporation Processes in Horizontal Tube Falling Film Evaporator. Appl. Thermal Eng. 2019;162:114103.
14. Borovkova E.V., Pantyukhina E.V., Pantyukhin O.V. Analiz Vliyaniya Parametrov Produkta na Poverkhnost' Teploperedachi Vyparnogo Apparatа. Izvestiya Tul'skogo Gos. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 2018;2:346—350. (in Russian).
15. Dubey N., Kumar M. CFD Analysis of Fluid Flowing Through a Heat Exchanger Tube Having a Twisted Tape with a Centrally Placed Semi-circular Groove. Intern. J. Sci. and Research. 2017;6(6):2200—2207.
16. Suslov V.A. Nekotorye Usloviya dlya Effektivnogo Vyparivaniya Penoobrazuyushchikh Rastvorov v Tsellyulozno-bumazhnom Proizvodstve. Promyshlennaya Energetika. 2022;1:28—34. (in Russian).
17. Pat. № 176732 RF. Kavitatsionno-vikhrevoy Teploobmennik. Tarasovskiy V.G., Kazakov V.G., Chayka M.N., Svetlichnaya O.A.. Byul. Izobret. 2018;3. (in Russian).
18. Dontsov A.G. i dr. Vliyanie Ul'trazvukovoy Kavitatsii na Reaktsionnuyu Sposobnost' Lignotsellyuloznykh Substratov pri Biokonversii Rastitel'noy Biomassy. Butlerovskie Soobshcheniya. 2014;39;9:52—57. (in Russian).
19. Pat. № 139592 RF. Vyparnaya Ustanovka. Lukanin P.V. i dr. Byul. Izobret. 2014;11. (in Russian).
20. Suslov V.A. Rekomendatsii k Teplovomu Raschetu Vyparnogo Apparata, Rabotayushchego v Rezhime «Padayushchaya Plenka». Promyshlennaya Energetika. 2020;9:27—32. (in Russian)
---
For citation: Kazakov V.G., Gromova E.N., Maksimov V.S. Improving the Efficiency of Evaporation Plant Regenerative Heat Exchangers. Bulletin of MPEI. 2026;1:61—67. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-1-61-67
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
