圖5—1 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器
                 1-加熱室：2-分離室

 

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(lái)的，相對(duì)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)器的結(jié)構(gòu)如圖5—2所示，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。

 

圖5-2 懸筐蒸發(fā)器

 

(三)外熱式蒸發(fā)器
圖5-3所示的為外熱式蒸發(fā)器，這種蒸發(fā)器的加熱管較長(zhǎng)，其長(zhǎng)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。
 

圖5-3 外熱式蒸發(fā)器
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
 

 

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)，可采用圖5-4所示的強(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，圖5-4中表示用泵5迫使溶液沿一個(gè)方向以2～5m／s的速度通過(guò)加熱管。這種蒸發(fā)器的缺點(diǎn)是動(dòng)力消耗大，通常為0.4～0.8kW／(m2傳熱面)，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(zhǎng)，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(guò)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(guò)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)器的結(jié)構(gòu)如圖5-5所示，加熱室由單根或多根垂直管組成，加熱管長(zhǎng)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。

圖5-5 升一降膜蒸發(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

 

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(lái)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。圖5-7示出三種最常用的液體分布器。圖(a)的分布器為有螺旋形溝槽的圓柱體；圖(b)的分布器下端為圓錐體，且底面為凹面，以防止沿錐體斜面下流的液體向中央聚集；圖(c)的分離器是將管端周邊加工成齒縫形。
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。
 

圖5-4 液體分布器
1一加熱管 2一分布器 3一液面 4一齒縫
 

(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(guò)程中粘度變化大的溶液；或廠房高度有一定限制的場(chǎng)合。若蒸發(fā)過(guò)程溶液的粘度變化大，推薦采用常壓操作。
 

          圖5-6 刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器

(四)刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器
刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5—6所示，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。
刮板式薄膜蒸發(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(tái))，處理能力不大。

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(méi)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(duì)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(méi)燃燒蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。
 

圖5-7 浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器

近年來(lái)，國(guó)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(guó)某研究所對(duì)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(kāi)縱槽的管子，即在φ22X2mm的鋁管外側(cè)開(kāi)出48條縱槽，如圖5—8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(kāi)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(guó)外曾有人在內(nèi)徑為50.8mm、長(zhǎng)度為2.44m的內(nèi)、外開(kāi)縱槽的銅管內(nèi)，在常壓下對(duì)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(kāi)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(guò)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。

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(rùn)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(rùn)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。
5—1—2 蒸發(fā)器的選型 .
設(shè)計(jì)蒸發(fā)器之前，必須根據(jù)任務(wù)對(duì)蒸發(fā)器的型式有恰當(dāng)?shù)倪x擇。一般選型時(shí)應(yīng)考慮以下因素。
1)溶液的粘度 蒸發(fā)過(guò)程中溶液粘度變化的范圍，是選型首要考慮的因素，各類蒸發(fā)器適用于溶液粘度的范圍見(jiàn)表5—1。 .
2)溶液的熱穩(wěn)定性 長(zhǎng)時(shí)間受熱易分解、易聚合以及易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)時(shí)，應(yīng)采用滯料量少、停留時(shí)間短的蒸發(fā)器。
3)有晶體析出的溶液 對(duì)蒸發(fā)時(shí)有晶體析出的溶液應(yīng)采用外熱式蒸發(fā)器或強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。
4)易發(fā)泡的溶液 易發(fā)泡的溶液在蒸發(fā)時(shí)會(huì)生成大量層層重疊不易破碎的泡沫，充滿了整個(gè)分離室后即隨二次蒸汽排出，不但損失物料，而且污染冷凝器。蒸發(fā)這種溶液宜采用外熱式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器或升膜蒸發(fā)器。若將中央循環(huán)管蒸發(fā)器和懸筐蒸發(fā)器的分離室設(shè)計(jì)大一些，也可用于這種溶液的蒸發(fā)。
5)有腐蝕性的溶液 蒸發(fā)腐蝕性溶液時(shí)，加熱管應(yīng)采用特殊材質(zhì)制成，或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器。
6)易結(jié)垢的溶液•無(wú)論蒸發(fā)何種溶液，蒸發(fā)器長(zhǎng)久使用后，傳熱面上總會(huì)有污垢生成。垢層的導(dǎo)熱系數(shù)小，因此對(duì)易結(jié)垢的溶液，應(yīng)考慮選擇便于清洗和溶液循環(huán)速度大的蒸發(fā)器。
7)溶液的處理量 溶液的處理量也是選型應(yīng)考慮的因素。要求傳熱面大于10m2時(shí)，不宜選用刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器，要求傳熱面在20m2以上時(shí)，宜采用多效蒸發(fā)操作。總之，應(yīng)視具體情況，選用適宜的蒸發(fā)器。