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蒸發器的型式與結構

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        蒸發器主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式,以適應各種生產工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運動的情況,可將蒸發器分為循環型和單程型(不循環)兩類。

(一)循環型蒸發器

        特點:溶液在蒸發器中循環流動,因而可以提高傳熱效果。由于引起循環運動的原因不同。有分為自然循環型和強制循環型兩類。

        自然循環:由于溶液受熱程度不同產生密度差引起強制循環:用泵迫使溶液沿一定方向流動

1.中央循環管式蒸發器

        中央循環管式蒸發器為最常見的蒸發器,其結構如圖5-2所示,它主要由加熱室、蒸發室、中央循環管和除沫器組成。蒸發器的加熱器由垂直管束構成,管束中央有一根直徑較大的管子,稱為中央循環管,其截面積一般為管束總截面積的40%~100%。當加熱蒸汽(介質)在管間冷凝放熱時,由于加熱管束內單位體積溶液的受熱面積遠大于中央循環管內溶液的受熱面積,因此,管束中溶液的相對汽化率就大于中央循環管的汽化率,所以管束中的氣液混合物的密度遠小于中央循環管內氣液混合物的密度。這樣造成了混合液在管束中向上,在中央循環管向下的自然循環流動。混合液的循環速度與密度差和管長有關。密度差越大,加熱管越長,循環速度越大。但這類蒸發器受總高限制,通常加熱管為1~2m,直徑為25~75mm,長徑比為20~40。

        優點:溶液循環好;傳熱效率高;結構緊湊、制造方便、操作可靠。

        缺點:循環速度低;溶液粘度大、沸點高;不易清洗。

        適于處理結垢不嚴重、腐蝕性小的溶液。

2.懸筐式蒸發器

        懸筐式蒸發器是中央循環管蒸發器的改進。其加熱室像個懸筐,懸掛在蒸發器殼體的下部,可由頂部取出,便于清洗與更換。加熱介質由中央蒸汽管進入加熱室,而在加熱室外壁與蒸發器殼體的內壁之間有環隙通道,其作用類似于中央循環管。操作時,溶液沿環隙下降而沿加熱管上升,形成自然循環。一般環隙截面積約為加熱管總面積的100~150%,因而溶液循環速度較高(約為 1~1.5m/s)。由于與蒸發器外殼接觸的是溫度較低的沸騰液體,故其熱損失較小。

3.外熱式蒸發器

        常用的外熱式蒸發器,其主要特點是采用了長加熱管(管長與直徑之比 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->),且液體下降管(又稱循環管),不再受熱。這樣有利于液體在器內的循環,循環速度可達1.5m/s。

        優點:降低了整個蒸發器的高度,便于清洗和更換;循環速度較高,使得對流傳熱系數提高;結垢程度小。

        適于處理易結垢、有晶體析出、處理量大的溶液 。

4.列文蒸發器

        結構特點:在特點是在加熱室上部設置沸騰室,加熱室中的溶液因受到附加液柱的作用,必須上升到沸騰室才開始沸騰,這樣避免了溶液在加熱管中結垢或析出晶體。

        優點:流動阻力小;循環速度高;傳熱效果好;加熱管內不易堵塞。

        缺點:設備費高;廠房高,耗用金屬多。

        適于處理有晶體析出或易結垢的溶液 。

5.強制循環型蒸發器

        上述幾種蒸發器均為自然循環型蒸發器,即靠加熱管與循環管內溶液的密度差作為推動力,導致溶液的循環流動,因此循環速度一般較低,尤其在蒸發粘稠溶液(易結垢及有大量結晶析出)時就更低。為提高循環速度,可用循環泵進行強制循環,如圖4-10所示。這種蒸發器的循環速度可達1.5~5m/s。其優點是,傳熱系數大,利于處理粘度較大、易結垢、易結晶的物料。但該蒸發器的動力消耗較大,每平方米傳熱面積消耗的功率約為0.4~0.8kW。

(二)單程型蒸發器(膜式蒸發器)

         循環型蒸發器的共同特點蒸發器內料液的滯留量大,物料在高溫下停留時間長,對熱敏性物料不利。在單程型蒸發器中,物料一次通過加熱面即可完成濃縮要求;離開加熱管的溶液及時加以冷卻,受熱時間大為縮短,因此對熱敏性物料特別適宜。

1.升膜式蒸發器

        升膜式蒸發器,這種蒸發器的加熱管束可長達3~10m。溶液由加熱管底部進入,經一段距離的加熱,汽化后,管內氣泡逐漸增多,最終液體被上升的蒸汽拉成環狀薄膜,沿管壁運動,汽液混合物由管口高速沖出。被濃縮的液體經汽液分離即排出蒸發器。此種蒸發器需要妥善地設計和操作,使加熱管內上升的二次蒸汽具有較高的速度,從而獲得較高傳熱系數,使溶液一次通過加熱即達預定的濃縮要求。在常壓下,管上端出口速度以保持20~50m/s為宜。

        適用于:蒸發量大(較稀的溶液),熱敏性及易起泡的溶液。

        不適用于:高粘度,易結晶、結垢的溶液。

2.降膜式蒸發器

        料液由加熱室頂部加入,經液體分布器分布后呈膜狀向下流動。汽液混合物由加熱管下端引出,經汽液分離即得完成液。為使溶液在加熱管內壁形成均勻液膜,且不便二次蒸汽由管上端竄出,須良好地設計液體分布器。

        適用于:粘度大的物料

        不適用于:易結晶的物料,固形成均勻的液膜較難,不高。

(3)升-降膜式蒸發器

         蒸發器由升膜管束和降膜管束組合而成,蒸發器的底部封頭內有一隔板,將加熱管束分成兩部分。溶液由升膜管束底部進入,流向頂部,然后從降膜管束流下,進入分離室,得到完成液。

        適于處理濃縮過程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場合。

(4)刮板薄膜式蒸發器

        專為高粘度溶液的蒸發而設計。料液自頂部進入蒸發器后,在刮板的攪動下分布于加熱管壁,并呈模式旋轉向下流動。汽化的二次蒸汽在加熱管上端無夾套部分被旋刮板分去液沫,然后由上部抽出并加以冷凝,濃縮液由蒸發器底部放出。

        特點:借外力強制料液呈膜狀流動,可適應高粘度,易結晶、結垢的濃溶液蒸發

        缺點:結構復雜,制造要求高,加熱面不大,且需要消耗一定的動力。

(三)其它蒸發器

1 . 直接加熱蒸發器(浸沒燃燒式)

        將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴入溶液中,燃燒氣的溫度可高達1200~1800℃,由于氣、液間的溫度差大,且氣體對溶液產生強烈的鼓泡作用,使水分迅速蒸發,蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。

        優點:結構簡單,不需要固定的傳熱面,熱利用率高適于處理易結垢、易結晶或有腐蝕性的溶液。不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。

2.螺旋管蒸發器

        在螺旋加熱管中,要被蒸發的液體從頂部流向底部,同時,沸騰膜與蒸汽并流流動,由于加熱管當然螺旋形狀,在中等高度的設備中可以容納很長的管子,經過很長的管道流動中產生的蒸汽對液膜施加一個很高的剪切力。為此,彎曲的螺旋管將引起二次流,二次流被施加在沿管軸的流動上,這此作用可促進湍流并強化高粘情況下的熱傳遞。

        適用于達到高濃度和高粘度。為獲得高的蒸發比,這類蒸發器在高溫度差下和單程操作。

(四)蒸發器的選型

        蒸發器的結構形式較多,選用和設計時,要在滿足生產任務要求,保證產品質量的前提下,盡可能兼顧生產能力大,結構簡單,維修方便及經濟性好等因素。

(五)過程和設備的強化與展望

縱觀國內外蒸發裝置的研究,概括可分為以下幾個方面:

       1、開發新型蒸發器;

       2、改善蒸發器內液體的流動狀況;

       3、改進溶液的工藝性質;

       4、優化設計和操作。

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