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1升膜蒸發(fā)器的工作原理

升膜蒸發(fā)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(jīng)預(yù)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(yīng)小于 10m/s，一般為20～50m/s，減壓下可高達100～160m/s或更高。

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，又以膜狀流動效果好，故溶液應(yīng)預(yù)熱到沸點或接近沸點后再引入蒸發(fā)器。

2升膜蒸發(fā)器的設(shè)計

升膜蒸發(fā)器和罐式蒸發(fā)器的比較

煉油廠的丙烷脫瀝青等裝置，過去曾用罐式蒸發(fā)器回收溶劑。究竟采用罐式蒸發(fā)器還是采用升膜蒸發(fā)器，可以進行以下分析。

有人曾對升膜蒸發(fā)器進行了試驗，并與一般的浸沒沸騰進行對比，發(fā)現(xiàn)如圖2所示的結(jié)果。

在圖2上，A1B1C1D1和A2B2C2D2、A3B3C3D3是流量不同的升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)曲線。由圖2可以看出，B1B2C1B3C2C3和一般的核沸騰傳熱曲線*重合。在溫差較小的AB范圍內(nèi)，升膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)高于一般的核沸騰傳熱系數(shù)，且隨進料量的增加而增加，如A1B1、A2B2、A3B3所示。此時的傳熱系數(shù)隨溫差的變化不太劇烈，約和溫差的0.53次方成正比。當(dāng)溫差逐漸增大到BC范圍時，傳熱系數(shù)就和一般的核沸騰傳熱曲線*重合。此時傳熱系數(shù)和流量無關(guān)，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(dāng)溫差進一步增加到CD范圍時，由于管壁開始被一層汽膜包圍，傳熱系數(shù)迅速下降。

由圖2可以得到以下結(jié)論：

（1）在BC線左面的AB范圍內(nèi)，升膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)高于沸騰傳熱系數(shù)，此時升膜蒸發(fā)器優(yōu)于罐式蒸發(fā)器。

（2）在BC線上，升膜蒸發(fā)和核沸騰的傳熱系數(shù)是相同的。升膜蒸發(fā)采用的固定管板式熱交換器的金屬耗量比罐式蒸發(fā)器要小得多，但罐式蒸發(fā)器有汽液分離空間，因此要和汽液分離設(shè)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，采用罐式蒸發(fā)器后，還需要有蒸發(fā)塔進行汽液分離。同時，高壓下的罐式蒸發(fā)器金屬耗量很大。在這種情況下，對于同樣采用蒸汽作為熱源的丙烷脫瀝青裝置，用升膜蒸發(fā)器代替罐式蒸發(fā)器是有利的。

對于其它情況，則應(yīng)進行具體分析，以決定蒸發(fā)器的選型。

3傳熱系數(shù)

在BC線上，升膜蒸發(fā)的傳熱系數(shù)和一般核沸騰傳熱系數(shù)關(guān)系式是相同的。

在AB范圍內(nèi)，升膜蒸發(fā)傳熱系數(shù)的關(guān)系式如下：

式中 ：

h——升膜蒸發(fā)器管內(nèi)平均膜傳熱系數(shù)，千卡/米2·時·℃；

di——加熱管內(nèi)徑，米；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，為平均沸點下的數(shù)值，千卡/米·時·℃；

Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)，為平均沸點下的數(shù)值；

ReL——液相雷諾數(shù)，以入口的液相流量為基準(zhǔn)計算；

Rev——汽相雷諾數(shù)，以出口的汽相流量為基準(zhǔn)計算；

ρL/ρV——管內(nèi)平均沸點下的液相重度與汽相重度之比；

μV/μL——管內(nèi)平均沸點下的汽相粘度與液相粘度之比。

上式為經(jīng)驗公式，只適用于環(huán)狀流動，即成膜流動，其誤差為±20%。另外該式用于泡點狀態(tài)進料，如果由于進料狀態(tài)不到泡點而使蒸發(fā)器內(nèi)有顯熱段存在，則應(yīng)將蒸發(fā)段和顯熱段分別計算。 [3] 

操作條件的選擇和管內(nèi)流動狀態(tài)的判斷

升膜蒸發(fā)器中，隨汽速的增加，有各種可能的流動狀態(tài)，如圖3所示。

在上述各種流動狀態(tài)中，以環(huán)狀流（即膜狀流動）的傳熱系數(shù)最大。為了避免顯熱段的出現(xiàn)，使環(huán)狀流占管長的比例盡量大，流體應(yīng)當(dāng)預(yù)熱到接近泡點的狀態(tài)下進入蒸發(fā)器，同時對管內(nèi)汽速應(yīng)有一定的要求。應(yīng)該強調(diào)指出，升膜蒸發(fā)器出口的合理汽速和操作壓力有密切的關(guān)系。常壓蒸發(fā)器比較適宜的出口汽速為30米/秒左右，*不應(yīng)小于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(fā)器，出口汽速則應(yīng)低一些。可由圖4判斷升膜蒸發(fā)器管內(nèi)的流動狀態(tài)。

圖4各量代表的意義如下：

式中：

WL——液相流量，公斤/時；

WV——汽相流量，公斤/時；

A——加熱管內(nèi)橫截面積，米2；

μL——液相粘度，厘泊；

σL——表面張力，達因/厘米。

有些流體中的溶劑含量不大，蒸發(fā)后的出口汽速難以滿足要求，此時應(yīng)考慮改用降膜蒸發(fā)器。 

4長徑比

長徑比的影響反映在以下方面：

（1）長徑比增加后，管外水蒸汽冷凝的液膜厚度增加，對管外膜傳熱系數(shù)不利。但由于水蒸汽冷凝膜傳熱系數(shù)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(nèi)流動的雷諾數(shù)和長徑比的1/2次方成正比。因此，在汽泡流到環(huán)狀流的范圍內(nèi)，增加長徑比，對管內(nèi)膜傳熱系數(shù)有利。升膜蒸發(fā)器的長徑比應(yīng)不低于100～150。但在蒸發(fā)率很大的情況下，采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(xiàn)干壁狀態(tài)，反而使傳熱系數(shù)下降。因此，對長徑比的選擇，應(yīng)結(jié)合圖4流動狀態(tài)判斷圖來進行分析。 

5傳熱溫差

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

在用過熱蒸汽作熱源時，由于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(yīng)按同壓力下的飽和蒸汽的溫度計算傳熱溫差。

當(dāng)流體的沸點較高而又必須采用升膜蒸發(fā)時，可采用聯(lián)苯混合物（73.5%的二苯醚和26.5%的聯(lián)苯） 作熱介質(zhì)。在常壓下聯(lián)苯混合物的沸點為258℃，在5.3大氣壓下的沸點為350℃。