蒸发器结构之标准式蒸发器构成详解

【导读】一般的，我们对于蒸发器的了解还是不太清楚。蒸发器有很多种类型，对于不同类型的蒸发器的结构也是大同小异的。针对于此，我们就来抛砖引玉的介绍一种结构。相信在了解了这个结构的详细情况之后，能够触类旁通的了解到其他的一些蒸发器的结构。这对于我们以后的应用来说，可以是大有裨益的。其实我们说到的蒸发器它的主要结构就是两个部分，即加热室还有分离室两个部分。由于种类不同，我们又可以依照加热室相关的结构以及相应的操作时，相应的溶液所流动的具体实际情况又可以把将工业中一种经常会见到的间接加热蒸发器划分为两个大类，他们分别是循环型(有的地方也叫做非膜式型的)还有单程型(也就是膜式型的)。接下来我们就来说说这个循环型的。对于一种中央循环管式的蒸发器而言，它的构成是这个样子的。首先我们来说这个加热室，它是利用垂直管束进行组合而成。在管束的中央会安装一个直径比较大的管子。对于细管来说，里面单位体积的溶液相关的受热面相对于粗管来说是比较大的。总结着看就是前者的受热好且溶液的汽化比较多，细管里面的汽液混合物相对密度要小得多。正是由于这样的密度差的作用，能够让溶液沿着粗管的方向下降。这个时候相应的液体就会顺着细管上升，形成一个自然循环的运动。我们一般会管中间的粗管叫做降液管，而相对应的细管就叫做沸腾管。有的时候为了能够让溶液循环更好一些，就会让中央循环管的相对截面积所占的比例达到加热管总截面积的百分之四十到百分之百之间。通常相应的管束高度就是1—2m;而我们的装置的加热管相对直径就是25～75mm，长径对比20～40。对于这种蒸发器完全是由原先的水平加热室还有蛇管加热室等相类似的蒸发器演变来的，但是他们的溶液循环情况要比老式的好很多，传热效率也相对的高很多;这种机器的结构紧凑且制造很方便再加上操作可靠的特点，使其应用十分的广泛。蒸发的概念将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。1.蒸发操作的目的工业蒸发操作的主要目的是：(1)稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理(如冷却结晶)制取固体产品，例如稀烧碱溶液(电解液)的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等等;(2)纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。(3)同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。2.蒸发流程按照分子运动学说，当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。当一些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子便会从液体表面逸出而成为自由分子，此即分子的汽化。因此溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能，以维持分子的连续汽化;另一方面，液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。液体蒸发过程液体蒸发的简化流程如图片所示，其主体设备—蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质(通常为饱和水蒸汽)加热管内的溶液，使之沸腾汽化。浓缩了的溶液(称为完成液)由蒸发器的底部排出。而溶液汽化产生的蒸汽经上部的分离室与溶液分离后由顶部引至冷凝器。为便于区别，将蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，而将加热蒸汽称为生蒸汽或新鲜蒸汽。对于沸点较高的溶液的蒸发，可采用高温载热体如导热油、融盐等作为加热介质，也可以采用烟道气直接加热。3.蒸发过程的分类(1)常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发按蒸发操作压力的不同，可将蒸发过程分为常压、加压和减压(真空)蒸发。对于大多数无特殊要求的溶液，采用常压、加压或减压操作均可。但对于热敏性料液，例如抗生素溶液、果汁等的蒸发，为了保证产品质量，需要在减压条件下进行。减压蒸发的优点是：①溶液沸点降低，在加热蒸汽温度一定的条件下，蒸发器传热的平均温度差增大，于是传热面积减小;②由于溶液沸点降低，可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽;③溶液沸点低，可防止热敏性物料的变性或分解;④由于温度低，系统的热损失小。但另一方面，由于沸点降低，溶液的粘度大，使蒸发的传热系数减小，同时，减压蒸发时，造成真空需要增加设备和动力。(2)单效蒸发与多效蒸发根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽，可将蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。若前一效的二次蒸汽直接冷凝而不再利用，称为单效蒸发，图片5-1所示为单效蒸发的流程示意。若将二次蒸汽引至下一蒸发器作为加热蒸汽，将多个蒸发器串联，使加热蒸汽多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。(3)间歇蒸发与连续蒸发根据蒸发的过程模式，可将其分为间歇蒸发和连续蒸发。间歇蒸发系指分批进料或出料的蒸发操作。间歇操作的特点是：在整个过程中，蒸发器内溶液的浓度和沸点随时间改变，故间歇蒸发为非稳态操作。通常间歇蒸发适合于小规模多品种的场合，而连续蒸发适合于大规模的生产过程。4.蒸发操作的特点前已述及，蒸发操作是从溶液中分离出部分溶剂，而溶液中所含溶质的数量不变，因此蒸发是一个热量传递过程，其传热速率是蒸发过程的控制因素。蒸发所用的设备属于热交换设备。但与一般的传热过程比较，蒸发过程又具有其自身的特点，主要表现在：(1)溶液沸点升高被蒸发的料液是含有非挥发性溶质的溶液，由拉乌尔定律可知，在相同的温度下，溶液的蒸汽压低于纯溶剂的蒸气压。换言之，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。因此，当加热蒸汽温度一定，蒸发溶液时的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液的浓度越高，这种影响也越显著。在进行蒸发设备的计算时，必须考虑溶液沸点上升的这种影响。(2)物料的工艺特性蒸发过程中，溶液的某些性质随着溶液的浓缩而改变。有些物料在浓缩过程中可能结垢、析出结晶或产生泡沫;有些物料是热敏性的，在高温下易变性或分解;有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。因此，在选择蒸发的方法和设备时，必须考虑物料的这些工艺特性。(3)能量利用与回收蒸发时需消耗大量的加热蒸汽，而溶液汽化又产生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潜热，提高加热蒸汽的经济程度，也是蒸发器设计中的重要问题。蒸发设备随着工业蒸发技术的不断发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。目前工业上实用的蒸发设备约有六十余种，其中最常用的也有十余种型式，本节仅介绍常用的几种。一.常用蒸发器的结构与特点常用蒸发器主要由加热室和分离室两部分组成。加热室的型式有多种，最初采用夹套式或蛇管式加热装置，其后则有横卧式短管加热室及竖式短管加热室。继而又发明了竖式长管液膜蒸发器，以及刮板式薄膜蒸发器等等。根据溶液在蒸发器中流动的情况，大致可将工业上常用的间接加热蒸发器分为循环型与单程型两类。1.循环型蒸发器这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理的不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是藉助在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而引起的自然循环;后者是依靠外加动力使溶液进行强制循环。目前常用的循环型蒸发器有以下几种：(1)中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器的结构如图片所示，其加热室由一垂直的加热管束(沸腾管束)构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为加热管束总截面积的40~100%。当加热介质通入管间加热时，由于加热管内单位体积液体的受热面积大于中央循环管内液体的受热面积，因此加热管内液体的相对密度小，从而造成加热管与中央循环管内液体之间的密度差，这种密度差使得溶液自中央循环管下降，再由加热管上升的自然循环流动。溶液的循环速度取决于溶液产生的密度差以及管的长度，其密度差越大，管子越长，溶液的循环速度越大。但这类蒸发器由于受总高度限制，加热管长度较短，一般为1~2m，直径为25~75mm，长径比为20~40。中央循环管蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上的应用十分广泛，有所谓“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低(一般在0.5m/s以下);而且由于溶液在加热管内不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清洗和检修也不够方便。悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的100~150%，因而溶液循环速度较高(约为1~1.5m/s)。由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。它的缺点是结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。(3)外热式蒸发器外热式蒸发器的特点是加热室与分离室分开，这样不仅便于清洗与更换，而且可以降低蒸发器的总高度。因其加热管较长(管长与管径之比为50~100)，同时由于循环管内的溶液不被加热，故溶液的循环速度大，可达1.5m/s。(4)列文蒸发器列文蒸发器的特点是在加热室的上部增设一沸腾室。这样，加热室内的溶液由于受到这一段附加液柱的作用，只有上升到沸腾室时才能汽化。在沸腾室上方装有纵向隔板，其作用是防止气泡长大。此外，因循环管不被加热，使溶液循环的推动力较大。循环管的高度一般为7~8m，其截面积约为加热管总截面积的200~350%。因而循环管内的流动阻力较小，循环速度可高达2~3m/s。列文蒸发器的优点是循环速度大，传热效果好，由于溶液在加热管中不沸腾，可以避免在加热管中析出晶体，故适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。其缺点是设备庞大，需要的厂房高。此外，由于液层静压力大，故要求加热蒸汽的压力较高。(5)强制循环蒸发器蒸发器结构的情况对于它的应用来说是一种很好的表现。这种结构的使用完全可以让它在执行工作的时候，达到一个相对比较满意的结果。我们在了解了蒸发器结构之后，对于以后遇到的一些特殊的问题或者是故障的时候，就可以依据它的结构来断定是哪里出现了问题。解决起来也是相当的容易一些了。