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降膜蒸發(fā)器及其他蒸發(fā)器設(shè)計(jì)特點(diǎn)，蒸發(fā)器選型考慮因素（二）
間歇式蒸發(fā)器
最古老的設(shè)計(jì)之一是間歇式蒸發(fā)器(圖1)。它由用汽體或液體加熱的夾套容器(H)組成。產(chǎn)品通過(guò)一個(gè)進(jìn)料噴嘴(F)被計(jì)量到一個(gè)水平，分批次加熱到沸點(diǎn); 蒸汽被除去，直到達(dá)到所需的濃度。最后熱量被移除，濃縮液通過(guò)噴嘴(C)排出或泵出罐體。
間歇蒸發(fā)不適用于溫度敏感產(chǎn)品。首先，停留時(shí)間通常很長(zhǎng)。此外，液體的靜壓頭增加了罐底產(chǎn)品的沸點(diǎn)，這可以通過(guò)在真空下操作容器罐以降低批次的沸點(diǎn)來(lái)克服。
間歇式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)通常較低，對(duì)于容器所占體積而言，傳熱面積較小。由于產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)只是通過(guò)自然循環(huán)，熱敏性產(chǎn)品或含有固體的產(chǎn)品往往會(huì)污染受熱表面。通過(guò)將攪拌器放入容器(分批攪拌) ，可以提高傳熱系數(shù)，減少污垢。
間歇蒸發(fā)器仍然用于多種過(guò)程，特別是那些涉及小批量高粘度和非熱敏性產(chǎn)品的過(guò)程。
圖1
自然循環(huán)管式蒸發(fā)器
自然循環(huán)通常用于產(chǎn)品純度高和溫度穩(wěn)定的簡(jiǎn)單應(yīng)用(而強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器用于高粘度、易鹽漬和結(jié)垢的產(chǎn)品。常見(jiàn)的自然循環(huán)管式蒸發(fā)器是水平管、列管式(或短)垂直管和長(zhǎng)垂直管。
臥式管式蒸發(fā)器
水平管式蒸發(fā)器是最古老的化學(xué)蒸發(fā)器類型（圖2），雖然其他改進(jìn)型蒸發(fā)器現(xiàn)在更普遍被使用。它是一種將加熱介質(zhì)置于管內(nèi)的化學(xué)蒸發(fā)器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于它們所需的空間相對(duì)較小。水平蒸發(fā)器不適合于易形成水垢或沉積鹽的流程 (會(huì)在管外堆積)，更適合于最終產(chǎn)品是液體而不是固體的工藝，例如糖漿。在這種工藝中，蒸發(fā)器中儲(chǔ)存的大量液體可以通過(guò)改變蒸發(fā)器的停留時(shí)間來(lái)密切調(diào)整最終密度。
圖2
立式列管蒸發(fā)器
短管或列管式立式蒸發(fā)器(圖3)是蒸發(fā)器類型之一，現(xiàn)在仍有廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
短管蒸發(fā)器特點(diǎn)在于管板(A)延伸到整個(gè)主體和一個(gè)排水管(B)。管子在兩個(gè)管板之間滾動(dòng)，蒸汽被引入，如圖3所示。液體在管子里，加熱介質(zhì)在管子外面。當(dāng)液體沸騰時(shí)，它會(huì)通過(guò)管道上升，然后通過(guò)回流管返回。冷凝液從管板底部任何方便的地方(如C)排出，非冷凝氣體通常從靠近上管板的地方(如D)排出。進(jìn)料(F)和出料(C)的確切位置是可變的，但是圖3所示的位置是相當(dāng)?shù)湫偷摹?/p>
液體的操作位置通常接近頂部管板的頂部，下沉管的截面通常在管子截面面積的75% 到150% 之間。管子的長(zhǎng)度可以從1英寸開(kāi)始到4英寸，直徑從30英寸開(kāi)始到6英尺長(zhǎng)，按一般慣例偏向于選擇直徑約為2英寸長(zhǎng)度約為5英尺的管子（4）。
這種類型的蒸發(fā)器的循環(huán)和傳熱受到液面的強(qiáng)烈影響。管內(nèi)沸騰引起循環(huán)流過(guò)受熱面，循環(huán)是由散裝液體與管內(nèi)產(chǎn)生的加熱液體和蒸汽之間的比重差產(chǎn)生的。實(shí)現(xiàn)高效傳熱系數(shù)時(shí)，液體位置僅約管長(zhǎng)的一半。減少低于水平導(dǎo)致管壁不潤(rùn)濕，隨之而來(lái)的結(jié)垢趨勢(shì)增加和容量迅速下降。當(dāng)這種類型的蒸發(fā)器與能夠沉積鹽或結(jié)垢的產(chǎn)品一起使用時(shí)，通常在液面略高于值并且通常高于頂部管板的情況下操作(3)。
立式列管蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)包括:
•頭部空間低
•適用于具有輕微結(jié)垢傾向的液體，因?yàn)楫a(chǎn)品在管道上，容易進(jìn)行清洗
•稀液體可以獲得相當(dāng)高的傳熱系數(shù)(高達(dá)5-10cP)
•制造成本相對(duì)較低。
然而，立式列管蒸發(fā)器的傳熱在很大程度上受粘度和溫度的影響，它不適用于熱敏性產(chǎn)品，除非提供攪拌，否則它也不適用于易結(jié)晶產(chǎn)品。
立式列管蒸發(fā)器的一個(gè)主要用途是濃縮甘蔗汁。
圖3
長(zhǎng)管立式蒸發(fā)器
長(zhǎng)管立式蒸發(fā)器或升膜蒸發(fā)器(圖4)是應(yīng)用廣泛的管式蒸發(fā)器之一。它可以建成一個(gè)獨(dú)立的單元，這是由于在大多數(shù)條件下其表現(xiàn)出高傳熱性能，還有部分原因是由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低。它基本上是一個(gè)安裝在氣液分離器上的管殼式換熱器，只需要很少的占地空間，但是要求頭部高度高。
稀釋后的原料從管板底部進(jìn)入，通過(guò)管子向上流動(dòng)，加熱介質(zhì)走殼程。在管子的下部，原料被加熱至沸點(diǎn)。在管子底部往上的部分形成了氣泡，沸騰開(kāi)始，增加了線性速度和傳熱速率。在管子頂部附近，氣泡迅速生長(zhǎng)。在這個(gè)氣泡區(qū)域，液沫和氣泡沿著管道迅速上升，并從頂部高速排出，在那里它們會(huì)撞擊到氣液分離器。因此，對(duì)容易起泡的產(chǎn)品可以使用這種類型的蒸發(fā)器(1)。
長(zhǎng)管立式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是:
•設(shè)備占地面積少
•由于局部?jī)上嗔骺傻玫较鄬?duì)較高的傳熱系數(shù)
•能夠處理易起泡液體。
缺點(diǎn)是:
•有高度要求
•管道壓降比降膜蒸發(fā)器高
•管道底部的靜壓頭可能會(huì)增加產(chǎn)品溫度并導(dǎo)致熱敏性問(wèn)題。
長(zhǎng)管立式蒸發(fā)器的一些常見(jiàn)用途是濃縮蔗糖漿、造紙廠紙漿黑液、硝酸鹽和電解鍍錫液。
圖4
強(qiáng)制循環(huán)管式蒸發(fā)器
在設(shè)計(jì)管式蒸發(fā)器時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)械再循環(huán)的價(jià)值。乍一看，增加一個(gè)泵和額外的控制將增加安裝，操作和維護(hù)成本。然而，將部分濃縮物重新回流到進(jìn)料流股能增加傳熱量，足以使蒸發(fā)器的尺寸大大減小，從而降低總成本。
管內(nèi)液體流速的增加(通常在4-10英尺/秒的范圍內(nèi))也可以減少或消除潛在結(jié)垢現(xiàn)象，從而維持容量并減少停機(jī)時(shí)間。在降膜蒸發(fā)器中，它可以提高管底的液體負(fù)荷，從而提高蒸餾的采出率。
在大多數(shù)情況下，當(dāng)進(jìn)料中含有固體或結(jié)晶時(shí)，應(yīng)使用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。使用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的好處是:
•高傳熱系數(shù)
•強(qiáng)制循環(huán)
•減少結(jié)垢
強(qiáng)制循環(huán)的主要缺點(diǎn)是:
•成本較高
•循環(huán)泵的能耗
•產(chǎn)品在加熱區(qū)內(nèi)滯留時(shí)間較長(zhǎng)。
強(qiáng)制循環(huán)的典型應(yīng)用包括硫酸鈉、尿素、氯化鈉、硫酸銨、氯化鎂、檸檬酸和苛性鉀。
降膜蒸發(fā)器
（長(zhǎng)管）降膜蒸發(fā)器(圖5)是長(zhǎng)管升膜蒸發(fā)器的一種衍變，其中設(shè)備被倒置，管式換熱器位于氣液分離器部分的頂部。原料從蒸發(fā)器的頂部進(jìn)入，由特別設(shè)計(jì)的分布器使原料均勻分布到每個(gè)管中。原料的分布是非常關(guān)鍵的，有許多的分布器設(shè)計(jì)形式，但通常是一些放置在頂部的多孔板。
所述降膜蒸發(fā)器具有重力優(yōu)勢(shì)，使得薄膜更薄，運(yùn)動(dòng)速度更快，并可以得到高傳熱系數(shù)和加熱區(qū)較短的停留時(shí)間。
降膜蒸發(fā)器特別適用于加熱介質(zhì)和液體之間的溫度驅(qū)動(dòng)力很小(小于15 ° F)的應(yīng)用場(chǎng)合。降膜蒸發(fā)器具有在低溫差下工作的能力和較短的停留時(shí)間，這使其適用于熱敏性產(chǎn)品。
管板底部氣液分離器的設(shè)計(jì)在很大程度上取決于所加工材料的性能和操作條件。降膜蒸發(fā)器的關(guān)鍵是蒸餾液與進(jìn)料速率的比值。采用單程的高精餾裂解可以減少液體流到底部不夠濕潤(rùn)的地方，這會(huì)使管子免受降解產(chǎn)物的污染。
降膜蒸發(fā)器的主要優(yōu)點(diǎn)是:
•成本相對(duì)較低
•一體式加熱面積大
•產(chǎn)品滯留率低
•占地面積要求小
•在合理的溫差下具有良好的傳熱系數(shù)。
主要的缺點(diǎn)是:
•有廠房高度要求
•通常不適合容易鹽化或結(jié)垢材料
•通常需要再循環(huán)。
降膜蒸發(fā)器的典型應(yīng)用是濃縮乳制品(如乳清、牛奶蛋白、脫脂牛奶、奶油和水解牛奶)、糖溶液、尿素、磷酸和紙漿黒液。
圖5