蒸發(fā)器
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蒸發(fā)器
evaporator & vaporizer
主要由加熱室和蒸發(fā)室兩部分組成。加熱室向液體提供蒸發(fā)所需要的熱量，促使液體沸騰汽化；蒸發(fā)室使氣液兩相完全分離。加熱室中產(chǎn)生的蒸氣帶有大量液沫，到了較大空間的蒸發(fā)室后，這些液體借自身凝聚或除沫器等的作用得以與蒸氣分離。通常除沫器設(shè)在蒸發(fā)室的頂部。
蒸發(fā)器按操作壓力分常壓、加壓和減壓3種。按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動(dòng)狀況分有：①循環(huán)型。沸騰溶液在加熱室中多次通過加熱表面，如中央循環(huán)管式、懸筐式、外熱式、列文式和強(qiáng)制循環(huán)式等。②單程型。沸騰溶液在加熱室中一次通過加熱表面，不作循環(huán)流動(dòng)，即行排出濃縮液，如升膜式、降膜式、攪拌薄膜式和離心薄膜式等。③直接接觸型。加熱介質(zhì)與溶液直接接觸傳熱，如浸沒燃燒式蒸發(fā)器。蒸發(fā)裝置在操作過程中，要消耗大量加熱蒸汽，為節(jié)省加熱蒸汽，可采用多效蒸發(fā)裝置和蒸汽再壓縮蒸發(fā)器。蒸發(fā)器廣泛用于化工、輕工等部門。
醫(yī)學(xué)中蒸發(fā)器vaporizer
揮發(fā)性吸入麻醉藥在室溫下均呈液態(tài)。蒸發(fā)器能有效地將揮發(fā)性麻醉藥液蒸發(fā)為氣體，并能精確地調(diào)節(jié)麻醉藥蒸氣輸出的濃度。麻醉藥的蒸發(fā)需要熱量，蒸發(fā)器周圍的溫度是決定揮發(fā)性麻醉藥蒸發(fā)速度的主要因素。當(dāng)代的麻醉機(jī)廣泛采用了溫度一流量補(bǔ)償型蒸發(fā)器，即在溫度或新鮮氣流量發(fā)生變化時(shí)，能通過自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制來保持揮發(fā)性吸入麻醉藥蒸發(fā)速度恒定，從而保證吸入麻醉藥離開蒸發(fā)器的輸出濃度穩(wěn)定。由于不同揮發(fā)性吸入麻醉藥的沸點(diǎn)和飽和蒸氣壓等物理特性不同，因此，蒸發(fā)器具有藥物專用性，如恩氟烷蒸發(fā)器、異氟烷蒸發(fā)器等，相互不能通用。現(xiàn)代麻醉機(jī)的蒸發(fā)器多放置在麻醉呼吸環(huán)路之外，有單獨(dú)的氧氣氣流與之連接，蒸發(fā)出的吸入麻醉藥蒸氣與主氣流混合后再供病人吸入。
目錄 |
蒸發(fā)操作在工業(yè)中的應(yīng)用
蒸發(fā)就是用加熱的方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰狀況，使部分溶劑汽化并被移除，從而提高溶劑中溶質(zhì)濃度的單元操作。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用蒸發(fā)操作有以下幾種場合：
1、濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸偬幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品，例如電解燒堿液的濃縮，食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等；
2、同時(shí)濃縮溶液和回收溶劑，例如有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯，中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等；
3、為了獲得純凈的溶劑，例如海水淡化等。
總之，在化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、制藥等工業(yè)中，蒸發(fā)操作被廣泛應(yīng)用。
蒸發(fā)操作的特點(diǎn)
工程上，蒸發(fā)過程只是從溶液中分離出部分溶劑，而溶質(zhì)仍留在溶液中，因此，蒸發(fā)操作即為一個(gè)使溶液中的揮發(fā)性溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)的分離過程。由于溶劑的汽化速率取決于傳熱速率，故蒸發(fā)操作屬傳熱過程，蒸發(fā)設(shè)備為傳熱設(shè)備，但是，蒸發(fā)操作與一般傳熱過程比較，有以下特點(diǎn)：
1、溶液沸點(diǎn)升高
由于溶液含有不揮發(fā)性溶質(zhì)，因此，在相同溫度下，溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑男。簿褪钦f，在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇┑母撸芤簼舛仍礁撸@種影響越顯著。
2、物料及工藝特性
物料在濃縮過程中，溶質(zhì)或雜質(zhì)常在加熱表面沉積、析出結(jié)晶而形成垢層，影響傳熱；有些溶質(zhì)是熱敏性的，在高溫下停留時(shí)間過長易變質(zhì)；有些物料具有較大的腐蝕性或較高的粘度等等。
3、能量回收
蒸發(fā)過程是溶劑汽化過程，由于溶劑汽化潛熱很大，所以蒸發(fā)過程是一個(gè)大能耗單元操作。因此，節(jié)能是蒸發(fā)操作應(yīng)予考慮的重要問題。
蒸發(fā)操作的分類
1、按蒸發(fā)方式分：
自然蒸發(fā)：即溶液在低于沸點(diǎn)溫度下蒸發(fā)，如海水曬鹽，這種情況下，因溶劑僅在溶液表面汽化，溶劑汽化速率低。
沸騰蒸發(fā)：將溶液加熱至沸點(diǎn)，使之在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)。工業(yè)上的蒸發(fā)操作基本上皆是此類。
2、按加熱方式分：
直接熱源加熱 它是將燃料與空氣混合，使其燃燒產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣經(jīng)噴嘴直接噴入被蒸發(fā)的溶液中來加熱溶液、使溶劑汽化的蒸發(fā)過程。
間接熱源加熱 容器間壁傳給被蒸發(fā)的溶液。即在間壁式換熱器中進(jìn)行的傳熱過程。
3、按操作壓力分：
可分為常壓、加壓和減壓（真空）蒸發(fā)操作。很顯然，對于熱敏性物料，如抗生素溶液、果汁等應(yīng)在減壓下進(jìn)行。而高粘度物料就應(yīng)采用加壓高溫?zé)嵩醇訜幔ㄈ鐚?dǎo)熱油、熔鹽等）進(jìn)行蒸發(fā)
4、按效數(shù)分：
可分為單效與多效蒸發(fā)。若蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，稱為單效蒸發(fā)。若將二次蒸汽作為下一效加熱蒸汽，并將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)，此蒸發(fā)過程即為多效蒸發(fā)。
蒸發(fā)器的特點(diǎn)
目前常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中停留的情況，大致可分為循環(huán)型和單程型兩大類。
一、循環(huán)性蒸發(fā)器
這一類型的蒸發(fā)器，溶液都在蒸發(fā)器中作循環(huán)流動(dòng)。由于引起循環(huán)的原因不同，又可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩類。
1.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器又稱作標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器。它的加熱室由垂直管束組成，中間有一根直徑很大的中央循環(huán)管，其余管徑較小的加熱管稱為沸騰管。由于中央循環(huán)管較大，其單位體積溶液占有的傳熱面，比沸騰管內(nèi)單位溶液所占有的要小，即中央循環(huán)管和其它加熱管內(nèi)溶液受熱程度不同，從而沸騰管內(nèi)的汽液混合物的密度要比中央循環(huán)管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，會(huì)使蒸發(fā)器中的溶液形成由中央循環(huán)管下降、由沸騰管上升的循環(huán)流動(dòng)。這種循環(huán)，主要是由溶液的密度差引起，故稱為自然循環(huán)。這種作用有利于蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱效果的提高。
為了使溶液有良好的循環(huán)，中央循環(huán)管的截面積一般為其它加熱管總截面積的40～100%；加熱管高度一般為1～2m；加熱管直徑在25～75mm之間。這種蒸發(fā)器由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。但是由于結(jié)構(gòu)上的限制，循環(huán)速度不大。加上溶液在加熱室中不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點(diǎn)高，有效溫度差就減小。這是循環(huán)式蒸發(fā)器的共同缺點(diǎn)。此外，設(shè)備的清洗和維修也不夠方便，所以這種蒸發(fā)器難以完全滿足生產(chǎn)的要求。
2．懸筐式蒸發(fā)器 為了克服循環(huán)式蒸發(fā)器中蒸發(fā)液易結(jié)晶、易結(jié)垢且不易清洗等缺點(diǎn)，對標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更合理的改進(jìn)，這就是懸筐式蒸發(fā)器。加熱室4象個(gè)籃筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，并且以加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)形孔道代替中央循環(huán)管。溶液沿加熱管中央上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動(dòng)而構(gòu)成循環(huán)。由于環(huán)隙面積約為加熱管總截面積的100至150%，故溶液循環(huán)速度比標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器為大，可達(dá)1.5m/s。此外，這種蒸發(fā)器的加熱室可由頂部取出進(jìn)行檢修或更換，而且熱損失也較小。它的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面積的金屬消耗較多。
3．列文式蒸發(fā)器 上述的自然循環(huán)蒸發(fā)器，其循環(huán)速度不夠大，一般均在1.5m/s以下。為使蒸發(fā)器更適用于蒸發(fā)粘度較大、易結(jié)晶或結(jié)垢嚴(yán)重的溶液，并提高溶液循環(huán)速度以延長操作周期和減少清洗次數(shù)，可采用圖6-4所示的列文蒸發(fā)器。
其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在加熱室上增設(shè)沸騰室。加熱室中的溶液因受到沸騰室液柱附加的靜壓力的作用而并不在加熱管內(nèi)沸騰，直到上升至沸騰室內(nèi)當(dāng)其所受壓力降低后才能開始沸騰，因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室，從而避免了結(jié)晶或污垢在加熱管內(nèi)的形成。另外，這種蒸發(fā)器的循環(huán)管的截面積約為加熱管的總截面積的2～3倍，溶液循環(huán)速度可達(dá)2.5至3 m/s以上，故總傳熱系數(shù)亦較大。這種蒸發(fā)器的主要缺點(diǎn)是液柱靜壓頭效應(yīng)引起的溫度差損失（意義詳見6.3.1）較大，為了保持一定的有效溫度差要求加熱蒸汽有較高的壓力。此外，設(shè)備龐大，消耗的材料多，需要高大的廠房等。 除了上述自然循環(huán)蒸發(fā)器外，在蒸發(fā)粘度大、易結(jié)晶和結(jié)垢的物料時(shí)，還采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。在這種蒸發(fā)器中，溶液的循環(huán)主要依靠外加的動(dòng)力，用泵迫使它沿一定方向流動(dòng)而產(chǎn)生循環(huán)。循環(huán)速度的大小可通過泵的流量調(diào)節(jié)來控制，一般在2.5m/s以上。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)也比一般自然循環(huán)的大。但它的明顯缺點(diǎn)是能量消耗大，每平方米加熱面積約需0.4～0.8kW。
二、單程型蒸發(fā)器
這一大類蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)是：溶液在蒸發(fā)器中只通過加熱室一次，不作循環(huán)流動(dòng)即成為濃縮液排出。溶液通過加熱室時(shí)，在管壁上呈膜狀流動(dòng)，故習(xí)慣上又稱為液膜式蒸發(fā)器。根據(jù)物料在蒸發(fā)器中流向的不同，單程型蒸發(fā)器又分以下幾種。
1．升膜式蒸發(fā)器 其加熱室由許多豎直長管組成。常用的加熱管直徑為25～50mm，管長和管徑之比約為100～150。料液經(jīng)預(yù)熱后由蒸發(fā)器底部引入，在加熱管內(nèi)受熱沸騰并迅速汽化，生成的蒸汽在加熱管內(nèi)高速上升，一般常壓下操作時(shí)適宜的出口汽速為20～50m/s，減壓下操作時(shí)汽速可達(dá)100至160m/s或更大些。溶液則被上升的蒸汽所帶動(dòng)，沿管壁成膜狀上升并繼續(xù)蒸發(fā)，汽、液混合物在分離器2內(nèi)分離，完成液由分離器底部排出，二次蒸汽則在頂部導(dǎo)出。須注意的是，如果從料液中蒸發(fā)的水量不多，就難以達(dá)到上述要求的汽速，即升膜式蒸發(fā)器不適用于較濃溶液的蒸發(fā)；它對粘度很大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料也不適用。
2．降膜式蒸發(fā)器 降膜式蒸發(fā)器和升膜式蒸發(fā)器的區(qū)別在于，料液是從蒸發(fā)器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過程中蒸發(fā)增濃，在其底部得到濃縮液。由于成膜機(jī)理不同于升膜式蒸發(fā)器，故降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高、粘度較大（例如在0.05～0.45Ns/m2范圍內(nèi)）、熱敏性的物料。但因液膜在管內(nèi)分布不易均勻，傳熱系數(shù)比升膜式蒸發(fā)器的較小，仍不適用易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料。
由于溶液在單程型蒸發(fā)器中呈膜狀流動(dòng)，因而對流傳熱系數(shù)大為提高，使得溶液能在加熱室中一次通過不再循環(huán)就達(dá)到要求的濃度，因此比循環(huán)型蒸發(fā)器具有更大的優(yōu)點(diǎn)。溶液不循環(huán)帶來好處有：（1）溶液在蒸發(fā)器中的停留時(shí)間很短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；（2）整個(gè)溶液的濃度，不象循環(huán)型那樣總是接近于完成液的濃度，因而這種蒸發(fā)器的有效溫差較大。其主要缺點(diǎn)是：對進(jìn)料負(fù)荷的波動(dòng)相當(dāng)敏感，當(dāng)設(shè)計(jì)或操作不適當(dāng)時(shí)不易成膜，此時(shí)，對流傳熱系數(shù)將明顯下降。
3． 刮板式蒸發(fā)器 蒸發(fā)器外殼內(nèi)帶有加熱蒸汽夾套，其內(nèi)裝有可旋轉(zhuǎn)的葉片即刮板。刮板有固定式和轉(zhuǎn)子式兩種，前者與殼體內(nèi)壁的間隙為0.5～1.5mm，后者與器壁的間隙隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)而變。料液由蒸發(fā)器上部沿切線方向加入（亦有加至與刮板同軸的甩料盤上的）。由于重力、離心力和旋轉(zhuǎn)刮板刮帶作用，溶液在器內(nèi)壁形成下旋的薄膜，并在此過程中被蒸發(fā)濃縮，完成液在底部排出。這種蒸發(fā)器是一種利用外加動(dòng)力成膜的單程型蒸發(fā)器，其突出優(yōu)點(diǎn)是對物料的適應(yīng)性很強(qiáng)，且停留時(shí)間短，一般為數(shù)秒或幾十秒，故可適應(yīng)于高粘度（如栲膠、蜂蜜等）和易結(jié)晶、結(jié)垢、熱敏性的物料。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力消耗大，每平方米傳熱面約需1.5～3kW。此外，其處理量很小且制造安裝要求高。
三、直接接觸傳熱的蒸發(fā)器
實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)還應(yīng)用直接接觸傳熱的蒸發(fā)器。它是將燃料（通常為煤氣和油）與空氣混合后，在浸于溶液中的燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣經(jīng)燃燒室下部的噴嘴直接噴入被蒸發(fā)的溶液中。高溫氣體和溶液直接接觸，同時(shí)進(jìn)行傳熱使水分蒸發(fā)汽化，產(chǎn)生的水汽和廢煙氣一起由蒸發(fā)器頂部排出。其燃燒室在溶液中的浸沒深度一般為0.2～0.6m，出燃燒室的氣體溫度可達(dá)1000℃以上。因是直接觸接傳熱，故它的傳熱效果很好，熱利用率高。由于不需要固定的傳熱壁面，故結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于易結(jié)晶、結(jié)垢和具有腐蝕性物料的蒸發(fā)。目前在廢酸處理和硫酸銨溶液的蒸發(fā)中，它已得到廣泛應(yīng)用。但若蒸發(fā)的料液不允許被煙氣所污染，則該類蒸發(fā)器一般不適用。而且由于有大量煙氣的存在，限制了二次蒸氣的利用。此外噴嘴由于浸沒在高溫液體中，較易損壞。 從上介紹可以看出，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)型式很多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場合。在選型時(shí)，首先要看它能否適應(yīng)所蒸發(fā)物料的工藝特性，包括物料的粘性、熱敏性、腐蝕性以及是否容易結(jié)晶或結(jié)垢等，然后再要求其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、金屬消耗量少，維修方便、傳熱效果好等等。
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