【doc】 内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素的探讨

【doc】 内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素的探讨 内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素的 探讨 D…戛举 内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素的探讨 周立法 (上海森松集团(中国),上海201208) 摘要:从内置冷式薄膜蒸发器的结构和出发,用实验的方法对内置冷式薄膜蒸发 器传热效果影响因素作探讨. 关键词:内置冷式薄膜蒸发器;薄膜蒸发;传热效果;影响因素 1问的提出 薄膜蒸发是用于液体浓缩蒸发的过程,而薄膜蒸 发器一般可分为升膜式蒸发器,降膜式蒸发器和强制 循环式蒸发器.其中,降膜式薄膜蒸发器是一种通过筒 体内的特定机械装置把待浓缩的原料液连续均匀地在 简体加热表面强制成膜,在高真空的条件下进行降膜 式蒸发的设备,具有传热系数大,蒸发强度高,料液在 简体加热表面停留时间短的特点,尤其是在处理热敏 性物料,粘度大的物料或含有固体颗粒的物料浓缩时, 使用这种型式蒸发器会使料液很容易蒸发浓缩或被蒸 馏提纯.近期,上海森松集团(中国)研制成功的新型内 置冷式薄膜蒸发器,其实际上就是一个带刮板搅拌的 薄膜蒸发器,也是降膜式蒸发器的一种形式,被蒸发浓 缩的物料在自身重力的作用下,沿蒸发筒体换热内表 面向下形成一层薄的液膜,从而缩短料液在筒体换热 表面的停留时间,使料液膜与加热表面的温差更小,可 以很好地保护热敏性物料不会因加热时间过长而破 坏.对于粘度大的物料,可以开启旋转刮板,借助于刮 板的旋转力,使易粘结在筒壁上的物料层变薄,有利于 溶剂的蒸发. 薄膜蒸发的关键是传热效果,故人们有必要对其 传热效果影响因素作必要的讨论.本文用实验的方法 对内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素作一探讨. 收稿日期:2005-06-04 作者简介:周立法(1941一),上海森松集团(中国)技术顾问,原 上海先锋药业有限公司高级师. 2内置冷式薄膜蒸发器的结构和工作原理 2.1内置冷式薄膜蒸发器的结构 内置冷式薄膜蒸发器如图l所示,由驱动部件,机 架与机械密封,主轴与液体分布器,刮板,分离器,蒸发 器,加热夹套,冷凝器及支架等组成.’ 电机减速机 机架 机械密封 主轴 分布器 分离器 刮板 筒体 夹套 内部冷凝器 支腿 图1设备结构示意图 (1)驱动部件,刮板的搅动,液体分布器的转动均 由安装于蒸发器顶端的驱动部件来完成,主要有电动 机,减速机和变频器组成. 机电信息2005年第18期总第102期25 机电荡垂 (2)机架与机械密封,机架为单支点机架,机械密 封采用单端面机械密封和普通油封相结合,以保证整 个装置在其真空条件下正常工作. (3)主轴与液体分布器,主轴的上端经过机械密封 与减速机与电机相连,主轴下端带动液体分布器和刮 板移动,分布器可采用丝网加盖板的结构,使物料在蒸 发器中均匀分布. (4)刮板,采用活络式刮板,材料为聚四氟乙烯,在 主轴的带动下,可以径向旋转,借助于旋转产生的离心 力把活络刮板近贴于圆筒内壁.又因为刮板能近贴于 蒸发器内表面,使液膜厚度小于刮板所形成的膜的厚 度,更有利于物料的蒸发,同时也不会使料液在筒体内 壁表面结垢或有结晶产生,传热系数更高. (5)分离器,多孔板状结构,可以把飞溅的液滴分 离在蒸发筒的内壁处,蒸发出来的二次气体通过该孔 板进入内置的”U”型冷凝器冷凝成液体. (6)蒸发器,用316L制作,内表面机械抛光,表面 并经酸洗钝化使其表面更耐腐蚀.简体大小,径高比可 根据处理量来决定. (7)加热夹套,整体夹套或半管夹套的形式由简体 大小决定,加热介质为蒸汽,夹套材料可以用304 不锈钢,也可以用碳钢制作. (8)冷凝器,”U”型管式冷凝器,材料为3l6或304, 使用冷却水冷凝蒸发出来的二次气体. (9)支架,钢或不锈钢,支撑整个蒸发器,便于安装 阀门或管道. 2.2内置冷式薄膜蒸发器的工作原理 内置冷式薄膜蒸发器的工作,如图2所示.当 贮液罐中物料用泵输送到蒸发器上部的进料口,经计 量后进入蒸发器.然后,物料被旋转运动的液体分布器 沿切线方向四周抛射,并被均匀地分布在蒸发器圆筒 内壁的表面上,再经刮板的机械运动,在加热面上形成 均匀分散的液膜,且自上而下的流动. 上述均匀分散在圆筒内壁上的液膜吸收由夹套中 热媒介(工业蒸汽)传给内壁表面的热量,使溶剂迅速 蒸发,料液得到浓缩.在机械旋转刮板的驱动下(该刮 板与筒壁之间有一定的间隙),推动料液在蒸发器内表 面形成一个流体弓形波(亦称涡流),依靠刮板上特制 26机电信息2005年第18期总第lO2期 图2蒸发浓缩工作流程图 的沟槽,使弓形波内的流体呈螺旋状向下流动,同时在 刮板后方形成拖拽涡流.由于刮板与筒体内表面之间 这种液体流层的存在,从而提高了传热效率,并在物料 重力的作用下沿内壁表面缓缓垂直向下移动,是滑行 式的流动,靠这个薄膜层流吸收夹套中的热量,并使物 料中的溶剂得到蒸发.由刮板旋转和搅拌推动,弓形波 不断地与薄膜流之间进行物质与能量的交换.有利于 溶剂的蒸发,也正由于这种机械旋转的刮板的作用,使 这种蒸发器能够处理热敏性和高粘度的物料. 在蒸发器内任何一个位置物料的流速是由两个部 分组成,一是在搅拌刮板的推动下的作用力使物料流 动;另一是靠液膜自身的重力向下滑动.这二种作用 力,使物料在加热器上停留时间非常短暂,从而保护了 物质内在质量不会受到破坏.对于高粘度物料的流动, 刮板推动作用将是料液向下流动的主要推动力,由于 这种机械力的存在,才能使高粘度的物料可以顺利地 在筒内表面移动,进行热交换,并对料液进行蒸发浓 缩.从物料蒸发出来的二次气体可直接通入内置式的 冷凝器中进行冷凝,冷凝下来的溶剂或收集回收或弃 掉排放. D一…盘 3内置冷式薄膜蒸发器传热效果影响因素的 研究探讨 内置冷式薄膜蒸发器的传热效果主要是看整个加 热面上是否布满了均匀的料液膜,其传热量随单位面 积在单位时间内流经料液质量而变化.影响刮板搅拌 式薄膜蒸发器传热效果的主要因素有4类:(1)料液的 给料速度;(2)刮板的旋转速度;(3)料液的粘度;(4)简 体内的真空度. 3.1料液进料流量对传热效果的影响 内置冷式薄膜蒸发器在传热面积和径高比一定的 情况下进行试验,其料液流量(m/h)对传热系数 (kcal/m2??.h)的关系如图3所示.从图中可知:在常 规条件下,料液在蒸发器内的蒸发速率随进料量的增 大而增大,但到了一定量值后,效果反而会下降,选择 传热系数最大时的流量才能保证最佳的传热效果.降 膜式蒸发器的进料流量还受到蒸发表面浸润速率的影 响,在简体内加热表面应均匀地布满料液的液膜,在两 次刮板”刮擦”之间,加热表面应维持整个液膜的浸润, 不能出现干枯的表面,这样的进料量才有好的传递效 果.传热效果还与蒸发简体的径高比,蒸发面积和其他 工艺参数有关,如真空度,料液进口温度有关,应综合 考虑并进行试验,取得一个最佳进料流量. 图3流量与传热系数的关系图 3.2刮板转速对传热效果的影响 在蒸发器中旋转的刮板能使物料在蒸发器内表面 形成薄薄的液膜,就液膜的流动形式来讲,旋转的刮板 使物料在蒸发器加热表面形成3个流动区域:(1)刮板 前端的流体呈现弓形波区域.(2)刮板后面的拖拽涡流 区域.(3)加热表面液膜流动区域.刮板的作用就是推 动弓形波不断地与液膜流之间进行物质和能量的交 换,有利于料液在蒸发器内的蒸发. 对内置冷式薄膜蒸发器进行刮板转速对传热系数 关系的试验,刮板转速对传热系数的关系如图4所示. 从图中可看出:刮板转速对总的传热系数和蒸发速率 影响较小,转速增大蒸发速率先呈现略为上升,随后又 会略有下降,这是由于物料随刮板转速加大在简体内 停留时间变短,溶剂来不及有效蒸发而引起的.刮板转 速大小应以料液在蒸发表面能形成液膜而不发生”干 枯”现象时的转速为最佳转速. 550 450 ? 350 上250 150 嚣 n 50100l5O200250300350 转速/(r/min) 图4刮板转速对传热系数的关系 在给定进料量的工况下,刮板的最佳转速与传热 面积的比照表如表l所示. 表1刮板最佳转速与传热面积比照 传热面积/m.125681020 刮板最合适转速/(r/min)2502ool50130908045 3.3物料的粘度对蒸发器传热效果的影响 对内置冷式薄膜蒸发器进行物料的粘度对蒸发器 传热的试验,这试验是以水与l0%食糖溶液蒸发浓缩 时来看传热系数的变化情况,其变化情况数据如表2所 示,从表2中可看到:物料的粘度也会影响蒸发器的传 热效果,物料粘度增大,传热系数相应也变小.在整个降 膜蒸发过程中物料的粘度也是在不断地变化的,不能恒 定在一定数值,料液的粘度也随着蒸发温度而变化.因 此,在探讨物料粘度对蒸发器传热效果的影响时,涉及 多方面的因素,如温度,物料性状进行综合考虑,对于粘 度过大的物料整个液膜一定要依靠刮板的旋转才能形 机电信息2005年第18期总第102期27 机电馐垂 表2水与10%食糖溶液蒸发浓缩时传热系数的变化表 实验号物料流量/转速/温度/真空度/总传热系数/ (mUh)(r/min)?MPa(kcal/m??-h) 成液膜流.在同一台设备中对不同的种类物料进行蒸发 时,当料液进料量相同时,粘度大的料液的总传热系数 要比粘度小的物料的传热系数要小一点. 3.4蒸发器的真空度对传热效率的影响 降膜式蒸发器进行正常工作的条件之一,是蒸发 器内呈真空状态.对内置冷式薄膜蒸发器进行真空度 对传热效率的试验,真空度对传热效率的关系如图5 所示.从图中可知:在一定的真空度下操作,可以使整 个蒸发温度降下来,尤其是在处理热敏物料时不会因 加热蒸发而使物料发生变化(如分解或溶液色泽加 深).随着蒸发器内真空度的增加传热效果会更好.所 以,在蒸发过程中维持一定的真空度可以保证一个良 图5真空度与传热系数关系 28机电信息2005年第18期总第102期 好的传热效果,节省不少能源. 4结语 本文从内置冷式薄膜蒸发器的结构和工作原理出 发,用实验的方法对内置冷式薄膜蒸发器传热效果影 响因素作探讨,可以看到控制这些影响因素才能使此 类设备达到高的传热效果,才能更有效地使用内置冷 式薄膜蒸发器. 可以说,内置冷式薄膜蒸发器具备压力损失小,蒸 发温度低,受热时间短,能有效地保护被蒸发物料的内 在品质.整个设备总的传热系数大蒸发效率高,料液在 刮板推动下,刮板与器壁间隙的前缘形成的湍流区的 液体,不断地与液膜上的液体进行交换,传热表面不断 更新,使蒸发效果更好.这种类型蒸发器由于刮板的旋 动适用广泛,适应性强,更容易处理高粘度,含固体微 粒的溶液.由于冷凝器安置在蒸发简体内部,整台机器 体积小,结构简单,操作方便,容易清洗干净,根据工艺 要求,可以在设备中配备”CIP”清洗球,便于设备的清 洗验证. 目前,这种新型内置冷式带刮板功能的降膜式蒸 发器在上海森松集团(中国)备有试验样机,可供需要 者进行产品的蒸发浓缩试验.在处理热敏性物料,粘度 大的物料和含有固体微粒物料的蒸发浓缩过程有其独 特的优势.