升膜蒸發器

料液預熱到沸點，由加熱室底部加入，在加熱管內強烈汽化，使生成的蒸氣帶動料液沿管壁呈膜狀上升的蒸發器。液膜在上升過程中繼續蒸發。溶液只需一次通過加熱管即可達到所要求的濃度，這種蒸發器適用於濃縮程度不高的稀溶液及熱敏性物料。

基本介紹

• 中文名：升膜蒸發器
• 外文名：rising-film evaporator
• 別稱：外循環蒸發器
• 特點1：用於蒸發量大、熱敏性易發泡物質
• 特點2：穩定高效操作
• 套用範圍：用作高濃縮器

升膜蒸發器的工作原理

升膜蒸發器的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。原料液經預熱達到沸點或接近沸點後，由加熱室底部引入管內，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，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的速度不應小於 10m/s，一般為20～50m/s，減壓下可高達100～160m/s或更高。

圖1 升膜蒸發器

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後才能汽化，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後再引入蒸發器。

升膜蒸發器的設計

升膜蒸發器和罐式蒸發器的比較

煉油廠的丙烷脫瀝青等裝置，過去曾用罐式蒸發器回收溶劑。究竟採用罐式蒸發器還是採用升膜蒸發器，可以進行以下分析。

有人曾對升膜蒸發器進行了試驗，並與一般的浸沒沸騰進行對比，發現如圖2所示的結果。

在圖2上，A₁B₁C₁D₁和A₂B₂C₂D₂、A₃B₃C₃D₃是流量不同的升膜蒸發傳熱係數曲線。由圖2可以看出，B₁B₂C₁B₃C₂C₃和一般的核沸騰傳熱曲線完全重合。在溫差較小的AB範圍內，升膜蒸發器的傳熱係數高於一般的核沸騰傳熱係數，且隨進料量的增加而增加，如A₁B₁、A₂B₂、A₃B₃所示。此時的傳熱係數隨溫差的變化不太劇烈，約和溫差的0.53次方成正比。當溫差逐漸增大到BC範圍時，傳熱係數就和一般的核沸騰傳熱曲線完全重合。此時傳熱係數和流量無關，而僅隨溫差的增加而增加，約和溫差的2.2次方成正比。同時流量越大，和核沸騰傳熱曲線重合時的溫差也就越大。當溫差進一步增加到CD範圍時，由於管壁開始被一層汽膜包圍，傳熱係數迅速下降。

圖2

由圖2可以得到以下結論：

（1）在BC線左面的AB範圍內，升膜蒸發的傳熱係數高於沸騰傳熱係數，此時升膜蒸發器優於罐式蒸發器。

（2）在BC線上，升膜蒸發和核沸騰的傳熱係數是相同的。升膜蒸發採用的固定管板式熱交換器的金屬耗量比罐式蒸發器要小得多，但罐式蒸發器有汽液分離空間，因此要和汽液分離設備一起綜合加以比較。例如丙烷脫瀝青裝置在過去的工藝流程中，採用罐式蒸發器後，還需要有蒸發塔進行汽液分離。同時，高壓下的罐式蒸發器金屬耗量很大。在這種情況下，對於同樣採用蒸汽作為熱源的丙烷脫瀝青裝置，用升膜蒸發器代替罐式蒸發器是有利的。

對於其它情況，則應進行具體分析，以決定蒸發器的選型。

傳熱係數

在BC線上，升膜蒸發的傳熱係數和一般核沸騰傳熱係數關係式是相同的。

在AB範圍內，升膜蒸發傳熱係數的關係式如下：

式中 ：

h——升膜蒸發器管內平均膜傳熱係數，千卡/米²·時·℃；

d_i——加熱管內徑，米；

λ——流體的導熱係數，為平均沸點下的數值，千卡/米·時·℃；

Pr——普蘭特準數，為平均沸點下的數值；

Re_L——液相雷諾數，以入口的液相流量為基準計算；

Rev——汽相雷諾數，以出口的汽相流量為基準計算；

ρ_L/ρ_V——管內平均沸點下的液相重度與汽相重度之比；

μ_V/μ_L——管內平均沸點下的汽相粘度與液相粘度之比。

上式為經驗公式，只適用於環狀流動，即成膜流動，其誤差為±20%。另外該式用於泡點狀態進料，如果由於進料狀態不到泡點而使蒸發器內有顯熱段存在，則應將蒸發段和顯熱段分別計算。

操作條件的選擇和管內流動狀態的判斷

升膜蒸發器中，隨汽速的增加，有各種可能的流動狀態，如圖3所示。

圖3

在上述各種流動狀態中，以環狀流（即膜狀流動）的傳熱係數最大。為了避免顯熱段的出現，使環狀流占管長的比例儘量大，流體應當預熱到接近泡點的狀態下進入蒸發器，同時對管內汽速應有一定的要求。應該強調指出，升膜蒸發器出口的合理汽速和操作壓力有密切的關係。常壓蒸發器比較適宜的出口汽速為30米/秒左右，最低不應小於10米/秒。在50毫米汞柱壓力下適宜的出口汽速為100~160米/秒，對丙烷脫瀝青等高壓下操作的升膜蒸發器，出口汽速則應低一些。可由圖4判斷升膜蒸發器管內的流動狀態。

圖4

圖4各量代表的意義如下：

式中：

W_L——液相流量，公斤/時；

W_V——汽相流量，公斤/時；

A——加熱管內橫截面積，米²；

μ_L——液相粘度，厘泊；

σ_L——表面張力，達因/厘米。

有些流體中的溶劑含量不大，蒸發後的出口汽速難以滿足要求，此時應考慮改用降膜蒸發器。

長徑比

長徑比的影響反映在以下方面：

（1）長徑比增加後，管外水蒸汽冷凝的液膜厚度增加，對管外膜傳熱係數不利。但由於水蒸汽冷凝膜傳熱係數很高，達5000～40000千卡/米²·時·℃，所以在一般情況下這不是矛盾的主要方面。

（2）在加熱面積和處理量相同的情況下，管內流動的雷諾數和長徑比的1/2次方成正比。因此，在汽泡流到環狀流的範圍內，增加長徑比，對管內膜傳熱係數有利。升膜蒸發器的長徑比應不低於100～150。但在蒸發率很大的情況下，採用過大的長徑比會造成汽速太高，使靠近出口的一段管線成為噴霧流，出現乾壁狀態，反而使傳熱係數下降。因此，對長徑比的選擇，應結合圖4流動狀態判斷圖來進行分析。

傳熱溫差

熱敏性流體蒸發時，傳熱溫差可以低一些，以避免熱分解，非熱敏性流體蒸發時，溫差則可以大一些。

在用過熱蒸汽作熱源時，由於靠近管壁處蒸汽冷凝液的溫度仍然是該壓力下飽和蒸汽的溫度，而蒸汽的加熱主要靠潛熱，因此不推薦使用過熱蒸汽作熱源。在只有過熱蒸汽的地方，應按同壓力下的飽和蒸汽的溫度計算傳熱溫差。

當流體的沸點較高而又必須採用升膜蒸發時，可採用聯苯混合物（73.5%的二苯醚和26.5%的聯苯） 作熱介質。在常壓下聯苯混合物的沸點為258℃，在5.3大氣壓下的沸點為350℃。