蒸发器结构分类及应用领域

              图5—1 中央循环管式蒸发器
                 1-加热室：2-分离室

 

中央循环管蒸发器是从水平加热室、蛇管加热室等蒸发器发展而来的，相对于这些老式蒸发器而言，中央循环管蒸发器具有溶液循环好、传热效率高等优点；同时由于结构紧凑、制造方便、操作可靠，故应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。但实际上由于结构的限制，循环速度一般在0.4～0.5m／s以下；且由于溶液的不断循环，使加•热管内的溶液始终接近完成液的浓度，故有溶液粘度大、沸点高等缺点；此外，这种蒸发器的加热室不易清洗。
中央循环管式蒸发器适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。

 

(二)悬筐式蒸发器
悬筐式蒸发器的结构如图5—2所示，是中央循环管蒸发器的改进。加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器内，可由顶部取出，便于清洗与更换。包围管束的外壳外壁面与蒸发器外壳内壁面间留有环隙通道，其作用与中央循环管类似，操作时溶液形成沿环隙通道下降而沿加热管上升的不断循环运动。一般环隙截面与加热管总截面积之比大于中央循环管式的，环隙截面积约为沸腾管总截面积的100％一150％，因此溶液循环速度较高，约在1～1.5m／s之间，改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。
悬筐蒸发器适用于蒸发有晶体析出的溶液。缺点是设备耗材量大、占地面积大、加热管内的溶液滞留量大。

 

图5-2 悬筐蒸发器

 

(三)外热式蒸发器
图5-3所示的为外热式蒸发器，这种蒸发器的加热管较长，其长径之比为50—100。由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内的大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5m／s。
 

图5-3 外热式蒸发器
1一加热室 2一分离室 3一除沫器 4—环形循环通道 1一加热室 2一分离室 3一循环管
 

 

前述各种蒸发器都是由于加热室与循环管内溶液间的密度差而产生溶液的自然循环运动，故均属于自然循环型蒸发器，它们的共同不足之处是溶液的循环速度较低，传热效果欠佳。在处理粘度大、易结垢或易结晶的溶液时，可采用图5-4所示的强制循环蒸发器。这种蒸发器内的溶液是利用外加动力进行循环的，图5-4中表示用泵5迫使溶液沿一个方向以2～5m／s的速度通过加热管。这种蒸发器的缺点是动力消耗大，通常为0.4～0.8kW／(m2传热面)，因此使用这种蒸发器时加热面积受到一定限制。

 

二、膜式(单程型)蒸发器
上述各种蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间长，特别不适于处理热敏性物料。在膜式蒸发器内，溶液只通过加热室一次即可浓缩到需要的浓度，停留时间仅为数秒或十余秒钟。操作过程中溶液沿加热管壁呈传热效果最佳的膜状流动。

(一)升膜蒸发器
升膜蒸发器的结构如图5-5所示，加热室由单根或多根垂直管组成，加热管长径之比为100～150，管径在25～50mm之间。原料液经预热达到沸点或接近沸点后，由加热室底部引入管内，为高速上升的二次蒸汽带动，沿壁面边呈膜状流动、边进行蒸发，在加热室顶部可达到所需的浓度，完成液由分离器底部排出。二次蒸汽在加热管内的速度不应小于l0m／s，一般为20～50m／s，减压下可高达100～160m／s或更高。

图5-5 升一降膜蒸发器  

1一预热器 2一升膜加热管束3一降膜加热管束 4一分离器

 

若将常温下的液体直接引入加热室，则在加热室底部必有一部分受热面用来加热溶液使其达到沸点后才能汽化，溶液在这部分壁面上不能呈膜状流动，而在各种流动状态中，又以膜状流动效果最好，故溶液应预热到沸点或接近沸点后再引入蒸发器。
这种蒸发器适用于处理蒸发量较大的稀溶液以及热敏性或易生泡的溶液；不适用于处理高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。
 

(二)降膜蒸发器
若蒸发浓度或粘度较大的溶液，可采用如图5-6所示的降膜蒸发器，它的加热室与升膜蒸发器类似。原料液由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均匀地流人加热管内，在溶液本身的重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。为了使溶液能在壁上均匀布膜，且防止二次蒸汽由加热管顶端直接窜出，加热管顶部必须设置加工良好的液体分布器。图5-7示出三种最常用的液体分布器。图(a)的分布器为有螺旋形沟槽的圆柱体；图(b)的分布器下端为圆锥体，且底面为凹面，以防止沿锥体斜面下流的液体向中央聚集；图(c)的分离器是将管端周边加工成齿缝形。
降膜蒸发器也适用于处理热敏性物料，但不适用于处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。
 

图5-4 液体分布器
1一加热管 2一分布器 3一液面 4一齿缝
 

(三)升一降膜蒸发器
升一降膜蒸发器的结构如图5—5所示，由升膜管束和降膜管束组合而成。蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束均分为二。原料液在预热器1中加热达到或接近沸点后，引入升膜加热管束2的底部，汽、液混合物经管束由顶部流人降膜加热管束3，然后转入分离器4，完成液由分离器底部取出。溶液在升膜和降膜管束内的布膜及操作情况分别与前述的升膜及降膜蒸发器内的情况完全相同。
升一降膜蒸发器一般用于浓缩过程中粘度变化大的溶液；或厂房高度有一定限制的场合。若蒸发过程溶液的粘度变化大，推荐采用常压操作。
 

          图5-6 刮板搅拌薄膜蒸发器

(四)刮板搅拌薄膜蒸发器
刮板搅拌薄膜蒸发器的结构如图5—6所示，加热管是一根垂直的空心圆管，圆管外有夹套，内通加热蒸汽。圆管内装有可以旋转的搅拌叶片，叶片边缘与管内壁的间隙为0.25—1.5mm。原料液沿切线方向进入管内，由于受离心力、重力以及叶片的刮带作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断地被蒸发，完成液由底部排出。
刮板式薄膜蒸发器是利用外加动力成膜的单程蒸发器，故适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。缺点是结构复杂、动力耗费大(约为3kW／m2传热面)、传热面积较小(一般为3—4m2／台)，处理能力不大。

三、直接加热蒸发器
前述的各种蒸发器都是间接加热的，工业上有时还采用直接加热蒸发器，图5—7所示的浸没燃烧蒸发器就是直接加热的蒸发器。将一定比例的燃烧气与空气直接喷人溶液中，燃烧气的温度可高达1200～1800℃，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。

浸没燃烧蒸发器的结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高，适用于易结垢、易结晶或有腐蚀性溶液的蒸发，但不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性物料的蒸发。目前广泛应用于废酸处理工业。蒸发操作广泛用于各种工业中，对这类应用量大且面广的设备，如能作某些改进以提高蒸发强度，则对社会的经济影响是很显著的。不论是间接加热的非膜式还是膜式蒸发器，其主要元件都是加热管束。所以对蒸发器的加热管束加以改造，是提高蒸发器传热强度的可行途径。由蒸发器的发展历程也可以看出，最初采用的是蛇管和横管蒸发器，后来发展为垂直管蒸发器，再进展为膜式蒸发器。要提高蒸发器的传热强度往往用减薄管子两侧液膜或增加膜内湍动程度的方法来实现。
 

图5-7 浸没燃烧蒸发器

近年来，国内外差不多都是从改造管束着手以减薄液膜厚度从而提高蒸发强度。例如，我国某研究所对多种不同形式的管子进行冷凝实验，最后选出一种较好的管外侧开纵槽的管子，即在φ22X2mm的铝管外侧开出48条纵槽，如图5—8所示。异丁烷蒸气在管外冷凝，管内通冷水，总传热系数较同条件下的光滑管提高2倍以上。开槽用于蒸发一侧时，总传热系数可以提高3～4倍。国外曾有人在内径为50.8mm、长度为2.44m的内、外开纵槽的铜管内，在常压下对清水进行蒸发实验，获得的总传热系数较同条件下的光滑管高3～4倍。蒸汽在管外侧槽峰上冷凝而产生冷凝液，由于表面张力的作用立即流至凹槽内，然后靠重力作用沿凹槽向下流动而 排走，使槽峰及其附近始终保持极薄的液膜，而且管的上、下端基本一致，使管子热阻很小，克服了前章介绍的在垂直光滑管上凝液膜上薄下厚使冷凝传热系数降低的缺陷。当纵槽开在沸腾液侧时，例如在升膜蒸发器中，溶液由下而上流过槽底，然后分布到槽峰，因此传热面始终保持薄膜蒸发状态，再加上蒸汽高速拉膜上升，使溶液侧的沸腾传热系数提高。

此外，在溶液中加入表面活性剂，可以降低溶液的表面张力，加大传热面的润湿性，避免产生干点，使整个壁面能有效地传热，表面活性剂在汽、液两相间起到润滑作用，减少流动阻力；由于管壁上覆盖了表面活性剂，阻止了污垢附在壁面上，故可使溶液侧壁面上不生成垢层，减小传热阻力。表面活性剂可以回收循环使用，回收方法是于完成液中鼓人空气，活性剂即成泡沫浮在溶液表面上，可以回收95％～97％的活性剂。
5—1—2 蒸发器的选型 .
设计蒸发器之前，必须根据任务对蒸发器的型式有恰当的选择。一般选型时应考虑以下因素。
1)溶液的粘度 蒸发过程中溶液粘度变化的范围，是选型首要考虑的因素，各类蒸发器适用于溶液粘度的范围见表5—1。 .
2)溶液的热稳定性 长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。
3)有晶体析出的溶液 对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外热式蒸发器或强制循环蒸发器。
4)易发泡的溶液 易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外热式蒸发器、强制循环蒸发器或升膜蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬筐蒸发器的分离室设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。
5)有腐蚀性的溶液 蒸发腐蚀性溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。
6)易结垢的溶液•无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有污垢生成。垢层的导热系数小，因此对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。
7)溶液的处理量 溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。总之，应视具体情况，选用适宜的蒸发器。