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技術(shù) | 這幾種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及工作原理,你都知道了嗎?
蒸發(fā)器主要由加熱室及分離室組成。按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時(shí)溶液的流動(dòng)情況,可將工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型(非膜式)和單程型(膜式)兩大類。
一、循環(huán)型(非膜式)蒸發(fā)器
這類蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng),以提高傳熱效果、緩和溶液結(jié)垢情況。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同,可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種類型。前者是由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同,產(chǎn)生了密度差而引起的循環(huán)運(yùn)動(dòng);后者是依靠外加動(dòng)力迫使溶液沿一個(gè)方向作循環(huán)流動(dòng)。
(一)中央循環(huán)管式(或標(biāo)準(zhǔn)式)蒸發(fā)器
中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,加熱室由垂直管束組成,管束中央有一根直徑較粗的管子。細(xì)管內(nèi)單位體積溶液受熱面大于粗管的,即前者受熱好,溶液汽化得多,因此細(xì)管內(nèi)汽液混合物的密度比粗管內(nèi)的小,這種密度差促使溶液作沿粗管下降而沿細(xì)管上升的連續(xù)規(guī)則的自然循環(huán)運(yùn)動(dòng)。粗管稱為降液管或中央循環(huán)管,細(xì)管稱為沸騰管或加熱管。為了促使溶液有良好的循環(huán),中央循環(huán)管截面積一般為加熱管總截面積的40%一100%。管束高度為1—2m;加熱管直徑在25~75mm之間、長徑之比為20~40。
中央循環(huán)管蒸發(fā)器是從水平加熱室、蛇管加熱室等蒸發(fā)器發(fā)展而來的,相對于這些老式蒸發(fā)器而言,中央循環(huán)管蒸發(fā)器具有溶液循環(huán)好、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠,故應(yīng)用十分廣泛,有“標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器”之稱。但實(shí)際上由于結(jié)構(gòu)的限制,循環(huán)速度一般在0.4~0.5m/s以下;且由于溶液的不斷循環(huán),使加·熱管內(nèi)的溶液始終接近完成液的濃度,故有溶液粘度大、沸點(diǎn)高等缺點(diǎn);此外,這種蒸發(fā)器的加熱室不易清洗。
中央循環(huán)管式蒸發(fā)器適用于處理結(jié)垢不嚴(yán)重、腐蝕性較小的溶液。
(二)懸筐式蒸發(fā)器
懸筐式蒸發(fā)器是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。加熱蒸汽由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室,加熱室懸掛在器內(nèi),可由頂部取出,便于清洗與更換。包圍管束的外殼外壁面與蒸發(fā)器外殼內(nèi)壁面間留有環(huán)隙通道,其作用與中央循環(huán)管類似,操作時(shí)溶液形成沿環(huán)隙通道下降而沿加熱管上升的不斷循環(huán)運(yùn)動(dòng)。一般環(huán)隙截面與加熱管總截面積之比大于中央循環(huán)管式的,環(huán)隙截面積約為沸騰管總截面積的100%一150%,因此溶液循環(huán)速度較高,約在1~1.5m/s之間,改善了加熱管內(nèi)結(jié)垢情況,并提高了傳熱速率。
懸筐蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)有晶體析出的溶液。缺點(diǎn)是設(shè)備耗材量大、占地面積大、加熱管內(nèi)的溶液滯留量大。
(三)外熱式蒸發(fā)器
外熱式蒸發(fā)器,這種蒸發(fā)器的加熱管較長,其長徑之比為50—100。由于循環(huán)管內(nèi)的溶液未受蒸汽加熱,其密度較加熱管內(nèi)的大,因此形成溶液沿循環(huán)管下降而沿加熱管上升的循環(huán)運(yùn)動(dòng),循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s。
1一加熱室 2一分離室 3一除沫器 4—環(huán)形循環(huán)通道 1一加熱室 2一分離室 3一循環(huán)管
(四)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器
前述各種蒸發(fā)器都是由于加熱室與循環(huán)管內(nèi)溶液間的密度差而產(chǎn)生溶液的自然循環(huán)運(yùn)動(dòng),故均屬于自然循環(huán)型蒸發(fā)器,它們的共同不足之處是溶液的循環(huán)速度較低,傳熱效果欠佳。在處理粘度大、易結(jié)垢或易結(jié)晶的溶液時(shí),可采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器內(nèi)的溶液是利用外加動(dòng)力進(jìn)行循環(huán)的,因此使用這種蒸發(fā)器時(shí)加熱面積受到一定限制。
二、膜式(單程型)蒸發(fā)器
上述各種蒸發(fā)器的主要缺點(diǎn)是加熱室內(nèi)滯料量大,致使物料在高溫下停留時(shí)間長,特別不適于處理熱敏性物料。在膜式蒸發(fā)器內(nèi),溶液只通過加熱室一次即可濃縮到需要的濃度,停留時(shí)間僅為數(shù)秒或十余秒鐘。操作過程中溶液沿加熱管壁呈傳熱效果最佳的膜狀流動(dòng)。
(一)升膜蒸發(fā)器
升膜蒸發(fā)器的加熱室由單根或多根垂直管組成,加熱管長徑之比為100~150,管徑在25~50mm之間。原料液經(jīng)預(yù)熱達(dá)到沸點(diǎn)或接近沸點(diǎn)后,由加熱室底部引入管內(nèi),為高速上升的二次蒸汽帶動(dòng),沿壁面邊呈膜狀流動(dòng)、邊進(jìn)行蒸發(fā),在加熱室頂部可達(dá)到所需的濃度,完成液由分離器底部排出。二次蒸汽在加熱管內(nèi)的速度不應(yīng)小于l0m/s,一般為20~50m/s,減壓下可高達(dá)100~160m/s或更高。 ·
若將常溫下的液體直接引入加熱室,則在加熱室底部必有一部分受熱面用來加熱溶液使其達(dá)到沸點(diǎn)后才能汽化,溶液在這部分壁面上不能呈膜狀流動(dòng),而在各種流動(dòng)狀態(tài)中,又以膜狀流動(dòng)效果最好,故溶液應(yīng)預(yù)熱到沸點(diǎn)或接近沸點(diǎn)后再引入蒸發(fā)器。
這種蒸發(fā)器適用于處理蒸發(fā)量較大的稀溶液以及熱敏性或易生泡的溶液;不適用于處理高粘度、有晶體析出或易結(jié)垢的溶液。
(二)降膜蒸發(fā)器
若蒸發(fā)濃度或粘度較大的溶液,可采用如圖5-6所示的降膜蒸發(fā)器,它的加熱室與升膜蒸發(fā)器類似。原料液由加熱室頂部加入,經(jīng)管端的液體分布器均勻地流人加熱管內(nèi),在溶液本身的重力作用下,溶液沿管內(nèi)壁呈膜狀下流,并進(jìn)行蒸發(fā)。為了使溶液能在壁上均勻布膜,且防止二次蒸汽由加熱管頂端直接竄出,加熱管頂部必須設(shè)置加工良好的液體分布器。
降膜蒸發(fā)器也適用于處理熱敏性物料,但不適用于處理易結(jié)晶、易結(jié)垢或粘度特大的溶液。
液體分布器
(三)升一降膜蒸發(fā)器
升一降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5—5所示,由升膜管束和降膜管束組合而成。蒸發(fā)器的底部封頭內(nèi)有一隔板,將加熱管束均分為二。原料液在預(yù)熱器1中加熱達(dá)到或接近沸點(diǎn)后,引入升膜加熱管束2的底部,汽、液混合物經(jīng)管束由頂部流人降膜加熱管束3,然后轉(zhuǎn)入分離器4,完成液由分離器底部取出。溶液在升膜和降膜管束內(nèi)的布膜及操作情況分別與前述的升膜及降膜蒸發(fā)器內(nèi)的情況完全相同。
升一降膜蒸發(fā)器一般用于濃縮過程中粘度變化大的溶液;或廠房高度有一定限制的場合。若蒸發(fā)過程溶液的粘度變化大,推薦采用常壓操作。
升一降膜蒸發(fā)器
(四)刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器
刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器的加熱管是一根垂直的空心圓管,圓管外有夾套,內(nèi)通加熱蒸汽。圓管內(nèi)裝有可以旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片,葉片邊緣與管內(nèi)壁的間隙為0.25—1.5mm。原料液沿切線方向進(jìn)入管內(nèi),由于受離心力、重力以及葉片的刮帶作用,在管壁上形成旋轉(zhuǎn)下降的薄膜,并不斷地被蒸發(fā),完成液由底部排出。
刮板薄膜蒸發(fā)器是利用外加動(dòng)力成膜的單程蒸發(fā)器,故適用于高粘度、易結(jié)晶、易結(jié)垢或熱敏性溶液的蒸發(fā)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)力耗費(fèi)大(約為3kW/m2傳熱面)、傳熱面積較小(一般為3—4m2/臺),處理能力不大。
刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器
1一預(yù)熱器 2一升膜加熱管束3一降膜加熱管束 4一分離器
三、直接加熱蒸發(fā)器
前述的各種蒸發(fā)器都是間接加熱的,工業(yè)上有時(shí)還采用直接加熱蒸發(fā)器,圖5—7所示的浸沒燃燒蒸發(fā)器就是直接加熱的蒸發(fā)器。將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴人溶液中,燃燒氣的溫度可高達(dá)1200~1800℃,由于氣、液間的溫度差大,且氣體對溶液產(chǎn)生強(qiáng)烈的鼓泡作用,使水分迅速蒸發(fā),蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。
浸沒燃燒蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡單,不需要固定的傳熱面,熱利用率高,適用于易結(jié)垢、易結(jié)晶或有腐蝕性溶液的蒸發(fā),但不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性物料的蒸發(fā)。目前廣泛應(yīng)用于廢酸處理工業(yè)。蒸發(fā)操作廣泛用于各種工業(yè)中,對這類應(yīng)用量大且面廣的設(shè)備,如能作某些改進(jìn)以提高蒸發(fā)強(qiáng)度,則對社會(huì)的經(jīng)濟(jì)影響是很顯著的。不論是間接加熱的非膜式還是膜式蒸發(fā)器,其主要元件都是加熱管束。所以對蒸發(fā)器的加熱管束加以改造,是提高蒸發(fā)器傳熱強(qiáng)度的可行途徑。由蒸發(fā)器的發(fā)展歷程也可以看出,最初采用的是蛇管和橫管蒸發(fā)器,后來發(fā)展為垂直管蒸發(fā)器,再進(jìn)展為膜式蒸發(fā)器。要提高蒸發(fā)器的傳熱強(qiáng)度往往用減薄管子兩側(cè)液膜或增加膜內(nèi)湍動(dòng)程度的方法來實(shí)現(xiàn)。
浸沒燃燒蒸發(fā)器
近年來,國內(nèi)外差不多都是從改造管束著手以減薄液膜厚度從而提高蒸發(fā)強(qiáng)度。例如,我國某研究所對多種不同形式的管子進(jìn)行冷凝實(shí)驗(yàn),最后選出一種較好的管外側(cè)開縱槽的管子,即在φ22X2mm的鋁管外側(cè)開出48條縱槽,如圖所示。異丁烷蒸氣在管外冷凝,管內(nèi)通冷水,總傳熱系數(shù)較同條件下的光滑管提高2倍以上。開槽用于蒸發(fā)一側(cè)時(shí),總傳熱系數(shù)可以提高3~4倍。國外曾有人在內(nèi)徑為50.8mm、長度為2.44m的內(nèi)、外開縱槽的銅管內(nèi),在常壓下對清水進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),獲得的總傳熱系數(shù)較同條件下的光滑管高3~4倍。蒸汽在管外側(cè)槽峰上冷凝而產(chǎn)生冷凝液,由于表面張力的作用立即流至凹槽內(nèi),然后靠重力作用沿凹槽向下流動(dòng)而 排走,使槽峰及其附近始終保持極薄的液膜,而且管的上、下端基本一致,使管子熱阻很小,克服了前章介紹的在垂直光滑管上凝液膜上薄下厚使冷凝傳熱系數(shù)降低的缺陷。當(dāng)縱槽開在沸騰液側(cè)時(shí),例如在升膜蒸發(fā)器中,溶液由下而上流過槽底,然后分布到槽峰,因此傳熱面始終保持薄膜蒸發(fā)狀態(tài),再加上蒸汽高速拉膜上升,使溶液側(cè)的沸騰傳熱系數(shù)提高。
管外側(cè)開有48條縱槽的冷凝管截
此外,在溶液中加入表面活性劑,可以降低溶液的表面張力,加大傳熱面的潤濕性,避免產(chǎn)生干點(diǎn),使整個(gè)壁面能有效地傳熱,表面活性劑在汽、液兩相間起到潤滑作用,減少流動(dòng)阻力;由于管壁上覆蓋了表面活性劑,阻止了污垢附在壁面上,故可使溶液側(cè)壁面上不生成垢層,減小傳熱阻力。表面活性劑可以回收循環(huán)使用,回收方法是于完成液中鼓人空氣,活性劑即成泡沫浮在溶液表面上,可以回收95%~97%的活性劑。
蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)一、蒸發(fā)器的選擇
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,新型蒸發(fā)設(shè)備不斷出現(xiàn)。在工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分別為循環(huán)型和單程型兩大類。循環(huán)型的蒸發(fā)器中有中央循環(huán)管式、懸框式、外加熱式、列文式及強(qiáng)制循環(huán)管等,單程型的蒸發(fā)器有升膜式、降膜式、升-降膜式等。我們要根據(jù)蒸發(fā)的操作條件及各項(xiàng)要求選擇合適的蒸發(fā)器。我們以中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例。
蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強(qiáng)(或溫度),冷凝器的操
作壓強(qiáng)(或溫度)的確定,正確選擇蒸發(fā)的操作條件,對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。
二、蒸發(fā)工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算
多效蒸發(fā)工藝計(jì)算的主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算的主要項(xiàng)目有:加熱蒸汽(生蒸汽)的消耗量,各效溶劑蒸發(fā)量,以及各效的傳熱面積。計(jì)算的已知參數(shù)有:料液的流量、溫度和濃度,最終完成液的濃度,加熱蒸汽的壓強(qiáng)和冷凝器中的壓強(qiáng)等。
多效蒸發(fā)的計(jì)算一般采用試差法。
(1)根據(jù)工藝要求及溶液的性質(zhì),確定蒸發(fā)的操作條件(如加熱蒸汽壓強(qiáng)及冷凝器的壓強(qiáng)),蒸發(fā)器的形式、流程和效數(shù)。
(2)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),初步估計(jì)各效蒸發(fā)量和各效完成液的濃度。
(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)蒸汽通過各效的壓強(qiáng)降相等,估算各效溶液沸點(diǎn)和有效總溫差。
(4)根據(jù)蒸發(fā)器的焓衡算,求各效的蒸發(fā)量和傳熱量。
(5)根據(jù)傳熱速率方程計(jì)算各效的傳熱面積。若求得的各效傳熱面積不相等,重新分配有效溫度差,重復(fù)步驟(3)至(5),直到所求得各效傳熱面積相等為止。
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