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；同時由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠，故應用十分廣泛，有“標準蒸發(fā)器”之稱。但實際上由于結(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、沸點高等缺點；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。加熱蒸汽由中央蒸汽管進入加熱室，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)運動。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。缺點是設備耗材量大、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，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)運動，循環(huán)速度可達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)運動，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，可采用圖5-4所示的強制循環(huán)蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器內(nèi)的溶液是利用外加動力進行循環(huán)的，圖5-4中表示用泵5迫使溶液沿一個方向以2～5m／s的速度通過加熱管。這種蒸發(fā)器的缺點是動力消耗大，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)器的主要缺點是加熱室內(nèi)滯料量大，致使物料在高溫下停留時間長，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。

(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，加熱管長徑之比為100～150，管徑在25～50mm之間。原料液經(jīng)預熱達到沸點或接近沸點后，由加熱室底部引入管內(nèi)，為高速上升的二次蒸汽帶動，沿壁面邊呈膜狀流動、邊進行蒸發(fā)，在加熱室頂部可達到所需的濃度，完成液由分離器底部排出。二次蒸汽在加熱管內(nèi)的速度不應小于l0m／s，一般為20～50m／s，減壓下可高達100～160m／s或更高。

圖5-5 升一降膜蒸發(fā)器  

1一預熱器 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加熱溶液使其達到沸點后才能汽化，溶液在這部分壁面上不能呈膜狀流動，而在各種流動狀態(tài)中，又以膜狀流動效果最好，故溶液應預熱到沸點或接近沸點后再引入蒸發(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。原料液在預熱器1中加熱達到或接近沸點后，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。
 

          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)。缺點是結(jié)構(gòu)復雜、動力耗費大(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。

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1200～1800℃，由于氣、液間的溫度差大，且氣體對溶液產(chǎn)生強烈的鼓泡作用，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，對這類應用量大且面廣的設備，如能作某些改進以提高蒸發(fā)強度，則對社會的經(jīng)濟影響是很顯著的。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，再進展為膜式蒸發(fā)器。要提高蒸發(fā)器的傳熱強度往往用減薄管子兩側(cè)液膜或增加膜內(nèi)湍動程度的方法來實現(xiàn)。
 

圖5-7 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)強度。例如，我國某研究所對多種不同形式的管子進行冷凝實驗，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。開槽用于蒸發(fā)一側(cè)時，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)，在常壓下對清水進行蒸發(fā)實驗，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。當縱槽開在沸騰液側(cè)時，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。

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，使整個壁面能有效地傳熱，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 .
設計蒸發(fā)器之前，必須根據(jù)任務對蒸發(fā)器的型式有恰當?shù)倪x擇。一般選型時應考慮以下因素。
1)溶液的粘度 蒸發(fā)過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表5—1。 .
2)溶液的熱穩(wěn)定性 長時間受熱易分解、易聚合以及易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)時，應采用滯料量少、停留時間短的蒸發(fā)器。
3)有晶體析出的溶液 對蒸發(fā)時有晶體析出的溶液應采用外熱式蒸發(fā)器或強制循環(huán)蒸發(fā)器。
4)易發(fā)泡的溶液 易發(fā)泡的溶液在蒸發(fā)時會生成大量層層重疊不易破碎的泡沫，充滿了整個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)器的分離室設計大一些，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，加熱管應采用特殊材質(zhì)制成，或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用浸沒燃燒蒸發(fā)器。
6)易結(jié)垢的溶液•無論蒸發(fā)何種溶液，蒸發(fā)器長久使用后，傳熱面上總會有污垢生成。垢層的導熱系數(shù)小，因此對易結(jié)垢的溶液，應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考慮的因素。要求傳熱面大于10m2時，不宜選用刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器，要求傳熱面在20m2以上時，宜采用多效蒸發(fā)操作?？傊?，應視具體情況，選用適宜的蒸發(fā)器。