薄膜蒸發器傳熱蒸發性能的研究

　　薄膜蒸發器由于其刮板的機械刮擦成膜作用,使處理的物料在蒸發表面停留時間短而受熱效果好,適用于蒸發濃縮高粘性、熱敏性或易結晶物料,已經廣泛應用于化工、醫療、食品及輕工等行業1-3)。國內外對薄膜蒸發器的傳熱系數和蒸發效率進行了大量的實驗室研究,但由于蒸發傳熱及刮板刮擦成膜的復雜性,用于蒸發設計計算的液膜側傳熱系數主要是液膜受熱的數據。對蒸發器的蒸發實驗多以水為介質,有關粘性料液的傳熱數據則報道較少。筆者通過數值模擬分析表明,薄膜蒸發器內粘性料液和純物質水的速度分布存在差異，粘性料液薄膜內尚沒有形成明顯的傳遞邊界。對高粘度料液而言,基于堿液蒸發濃縮開發的機械攪拌式薄膜蒸發器結構從動量和熱量傳遞角度而言,尚有進一步優化設計的余地。
 

　　本文在自行研制的F=0.4㎡薄膜蒸發器實驗測試裝置的基礎上,通過改變薄膜蒸發器的操作參數對純物質水及燒堿溶液進行傳熱蒸發實驗,進一步探討各工藝操作參數及料液粘性對傳熱蒸發性能的影響,與數值模擬結果進行比較,從而為薄膜蒸發器設備從結構和操作工藝上進行優化奠定基礎。
 

　　1實驗流程設計
 

　　自行研制的0.4m2薄膜蒸發器實驗裝置的工藝流程如圖1所示。該系統由加料釜.真空機組、蒸發裝置、電加熱爐、二次蒸汽冷凝器及監測裝置幾個部分組成。開啟真空和加熱系統后,導熱油由電加熱爐加熱,導熱油進人加料釜加熱物料,經過預熱的物料由加料釜經由轉子流量計進人蒸發器,物料經濃縮后由蒸發器底部排出,進入接受罐;二次蒸汽由.上部出口被抽出,進入冷凝器,經緩沖罐進一步捕集可凝性蒸汽后,少量殘余氣體進人真空泵。
 

　　2介質水的加熱蒸發實驗與分析
 

　　2.1 實驗方案
 

　　以水為實驗介質,考察在不同系統真空度導熱油溫度、進料量、進料溫度和轉子轉速等5個參量下總傳熱系數K和蒸發強度EI的變化規律,為進一步研究薄膜蒸發器傳熱機理奠定基礎。
 

　　各參量按以下選取:導熱油溫度90、 120、 150C
 

　　系統真空度70.7、 85.6、 91. 7kPa
 

　　進料溫度25、 45、65C
 

　　進料量17.5、 42、70L/h
 

　　轉子轉速
 

　　214、259、306r/min
 

　　2.2實驗結果與分析
 

　　2.2.1導 熱油溫度的影響
 

　　圖2.3分別給出了轉子轉速為306r/min、進料溫度為40 ~45心、真空度91. 7kPa時,不同導熱油溫度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖2、3可以看出,在本文實驗參數范圍內,總傳熱系數K和蒸發強度EI均隨導熱油溫度的升高而增大。這是由于導熱油溫度升高,雖溫差AT增大,總傳熱量Q也增大,但Q增大的影響超過了AT增大的影響,因而總的效果是導熱油溫度升高時K增大。
 

　　2.2.2
 

　　系統真空度的影響
 

　　圖4、5分別給出了轉子轉速為306r/min、進料溫度為40~45C、導熱油溫度120C左右時,不同真空度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖4、5可以看出,總的來說,K和EI均隨真空度的升高而增大。與導熱油溫度升高時類似,真空度升高,溫差AT增大,總傳熱量Q也增大,Q增大的影響超過了OT增大的影響,故總的效果是真空度升高時K增大。
 

　　2.2.3轉子轉速的影響
 

　　圖6.7分別給出了進料溫度為22C、導熱油溫度120C左右、真空度70. 7kPa時,不同轉子轉速下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。由圖6、7 可以看出,總傳熱系數K和蒸發強度EI均隨轉子轉速的提高而增加,高轉速能有效地促進圈形波與薄膜之間物質熱量的交換，加強湍流程度，提高薄膜蒸發器傳熱和傳質性能。
 

　　進一步分析發現，在轉速增大的整個范圍內,K增大的幅度不同:低轉速時,增大轉速,K和EI隨轉速的增大而增大的幅度較明顯;而當轉速較高時,增大轉速,K和EI增大的趨勢較小,這與文獻[6]中的變化趨勢一致。由圖6.7可知,當進料量為70L/h時,轉速259r/min與306r/min時的對應的K值以及EI值各自接近相等，由于本實驗條件的限制,變頻調速電機轉速高只能調至306r/min,可以預計，隨著轉速的進- -步增大,K將出現文獻[8]所示的下降趨勢。在實際生產中,應合理設置轉速使之既能提高傳熱性能,又能減少因高轉速帶來的高動力消耗。
 

　　2.2.4進料溫度 的影響圖8、9分別給出了轉子轉速306r/min、導熱油溫度120C左右,真空度70. 7kPa時,不同進料溫度下總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。物料在接近沸點進料能佳利用傳熱面積。由圖8、9可以看出，隨著進料溫度的升高，薄膜蒸發器內總傳熱系數K和蒸發強度EI都明顯增大。
 

　　2.2.5進料量 的影響
 

　　圖2-9給出了各工藝參數下薄膜蒸發器總傳熱系數K和蒸發強度EI與進料量的變化規律。
 

　　總體來說,總傳熱系數K與進料量呈拋物線關系,各組實驗均存在佳進料量42L/h,與文獻[7]模擬計算分析結果變化趨勢一致。文獻[7]指出,進料量小時,圈形波尺寸小，圈形波內流體與液膜混合程度較小，隨著進料量增加,薄膜中的流體得到更多更新,故K值隨之增大。而當進料量大到-值以后,圈形波內流體軸向速度遠遠大于薄膜內流體速度,因此兩者的混合程度又相對減小;且此時壁面提供的熱量不能將全部料液加熱到-定真空度對應的蒸發溫度,故K值出現下降趨勢。對于蒸發強度EI,隨進料量的增加有緩慢降低的趨勢,這是因為當物料達到的流量后,薄膜厚度變大,蒸發表面所獲得的熱量不足以將物料加熱到沸點溫度,導致蒸發的物料變少，蒸發強度變低。
 

　　3燒堿的加熱蒸發實驗與分析
 

　　3.1 實驗方案
 

　　在水的蒸發實驗基礎上,選定燒堿溶液濃度、進料量、轉速為考察因子,其他的實驗條件為:真空度70. 7kPa,導熱油溫為120C, 進料溫度為30C。
 

　　各參量按以下選取:
 

　　溶液質量濃度10%(μ=1.9x10-Pa. s)
 

　　30% (μ=8.5x10-'Pa. s)
 

　　進料量17.5、 42、70L/h
 

　　轉子轉速214、 259、 306r/min
 

　　3.2實驗結果與分析
 

　　3.2.1轉 子轉速的影響
 

　　圖10、11給出了不同轉速下10%NaOH溶液薄膜蒸發器內總傳熱系數K、蒸發強度EI與進料量的關系(30% NaOH溶液時的同樣),與介質水的總傳熱系數K、蒸發強度EI與轉速的關系圖6、7比較可知,二者的變化規律一致。K、EI均隨轉速增加而增加。在轉速增大的整個范圍內，K增大的幅度不同:低轉速時,增大轉速,K隨轉速的增大而增大的幅度較明顯,而當轉速較高時,增大轉速,K增大的趨勢較小。
 

　　3.2.2
 

　　進料量的影響
 

　　由前述可知，各濃度NaOH溶液薄膜蒸發器內總傳熱系數K及蒸發強度EI與進料量變化規律與介質水的一致,K與進料量呈拋物線關系,存在佳進料量。
 

　　3.2.3粘度的影響
 

　　為了進一步分析粘度對薄膜蒸發器內總傳熱系數與蒸發強度的關系,圖12.13分別給出了轉速214r/min、真空度70. 7kPa、導熱油溫為120C、進料溫度為30C時，介質水、10%NaOH溶液、30% NaOH溶液總傳熱系數K及蒸發強度EI與進料量的關系。由圖12可知,各料液的總傳熱系數與進料量變化規律一致,存在佳進料量。隨著粘度的增加，總傳熱系數K相應減少,這一結論與文獻[7]數值模擬結果一致。由圖13可知，各料液蒸發強度與進料量變化規律基本一致，隨著粘度的增加，蒸發強度相應增加。文獻[7]粘性料液模擬計算結果表明，粘性料液較之于水達到沸點時沿軸向流動的距離較短，也即蒸發段長度較長,蒸發效率較高。由此可知，數值模擬與實驗分析在程度上得到了互相驗。數值模擬及實驗分析均表明,從蒸發強度而言,薄膜蒸發器更適合于高粘度料液的蒸發濃縮。
 

　　4結論
 

　　4.1通過對介質水及燒堿溶液的薄膜蒸發實驗結果分析可知,薄膜蒸發器內總傳熱系數K及蒸發強度EI均隨轉速增加而增加。在轉速增大的整個范圍內,K增大的幅度不同。
 

　　4.2薄膜蒸發器內總傳熱系數 K與進料量呈拋物線關系,存在佳進料量42L/h。蒸發強度EI則隨進料量的增加有緩慢降低的趨勢。
 

　　4.3隨著粘度的增加,薄膜蒸發器內總傳熱系數K相應減少,而蒸發強度相應增加。實驗分析及數值模擬均表明,從蒸發強度而言,薄膜燕發器更適合于高粘度料液的蒸發濃縮。