薄膜蒸發(fā)器傳熱蒸發(fā)性能的研究

　　薄膜蒸發(fā)器由于其刮板的機(jī)械刮擦成膜作用,使處理的物料在蒸發(fā)表面停留時(shí)間短而受熱效果好,適用于蒸發(fā)濃縮高粘性、熱敏性或易結(jié)晶物料,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、食品及輕工等行業(yè)1-3)。國(guó)內(nèi)外對(duì)薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)效率進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究,但由于蒸發(fā)傳熱及刮板刮擦成膜的復(fù)雜性,用于蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算的液膜側(cè)傳熱系數(shù)主要是液膜受熱的數(shù)據(jù)。對(duì)蒸發(fā)器的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)多以水為介質(zhì),有關(guān)粘性料液的傳熱數(shù)據(jù)則報(bào)道較少。筆者通過數(shù)值模擬分析表明,薄膜蒸發(fā)器內(nèi)粘性料液和純物質(zhì)水的速度分布存在差異，粘性料液薄膜內(nèi)尚沒有形成明顯的傳遞邊界。對(duì)高粘度料液而言,基于堿液蒸發(fā)濃縮開發(fā)的機(jī)械攪拌式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)從動(dòng)量和熱量傳遞角度而言,尚有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的余地。
 

　　本文在自行研制的F=0.4㎡薄膜蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上,通過改變薄膜蒸發(fā)器的操作參數(shù)對(duì)純物質(zhì)水及燒堿溶液進(jìn)行傳熱蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步探討各工藝操作參數(shù)及料液粘性對(duì)傳熱蒸發(fā)性能的影響,與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,從而為薄膜蒸發(fā)器設(shè)備從結(jié)構(gòu)和操作工藝上進(jìn)行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
 

　　1實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)
 

　　自行研制的0.4m2薄膜蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)裝置的工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)由加料釜.真空機(jī)組、蒸發(fā)裝置、電加熱爐、二次蒸汽冷凝器及監(jiān)測(cè)裝置幾個(gè)部分組成。開啟真空和加熱系統(tǒng)后,導(dǎo)熱油由電加熱爐加熱,導(dǎo)熱油進(jìn)人加料釜加熱物料,經(jīng)過預(yù)熱的物料由加料釜經(jīng)由轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)人蒸發(fā)器,物料經(jīng)濃縮后由蒸發(fā)器底部排出,進(jìn)入接受罐;二次蒸汽由.上部出口被抽出,進(jìn)入冷凝器,經(jīng)緩沖罐進(jìn)一步捕集可凝性蒸汽后,少量殘余氣體進(jìn)人真空泵。
 

　　2介質(zhì)水的加熱蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)與分析
 

　　2.1 實(shí)驗(yàn)方案
 

　　以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),考察在不同系統(tǒng)真空度導(dǎo)熱油溫度、進(jìn)料量、進(jìn)料溫度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等5個(gè)參量下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI的變化規(guī)律,為進(jìn)一步研究薄膜蒸發(fā)器傳熱機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
 

　　各參量按以下選取:導(dǎo)熱油溫度90、 120、 150C
 

　　系統(tǒng)真空度70.7、 85.6、 91. 7kPa
 

　　進(jìn)料溫度25、 45、65C
 

　　進(jìn)料量17.5、 42、70L/h
 

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
 

　　214、259、306r/min
 

　　2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
 

　　2.2.1導(dǎo) 熱油溫度的影響
 

　　圖2.3分別給出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為306r/min、進(jìn)料溫度為40 ~45心、真空度91. 7kPa時(shí),不同導(dǎo)熱油溫度下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的變化規(guī)律。由圖2、3可以看出,在本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI均隨導(dǎo)熱油溫度的升高而增大。這是由于導(dǎo)熱油溫度升高,雖溫差A(yù)T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(dǎo)熱油溫度升高時(shí)K增大。
 

　　2.2.2
 

　　系統(tǒng)真空度的影響
 

　　圖4、5分別給出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為306r/min、進(jìn)料溫度為40~45C、導(dǎo)熱油溫度120C左右時(shí),不同真空度下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的變化規(guī)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(dǎo)熱油溫度升高時(shí)類似,真空度升高,溫差A(yù)T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(shí)K增大。
 

　　2.2.3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響
 

　　圖6.7分別給出了進(jìn)料溫度為22C、導(dǎo)熱油溫度120C左右、真空度70. 7kPa時(shí),不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的變化規(guī)律。由圖6、7 可以看出,總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高而增加,高轉(zhuǎn)速能有效地促進(jìn)圈形波與薄膜之間物質(zhì)熱量的交換，加強(qiáng)湍流程度，提高薄膜蒸發(fā)器傳熱和傳質(zhì)性能。
 

　　進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速增大的整個(gè)范圍內(nèi),K增大的幅度不同:低轉(zhuǎn)速時(shí),增大轉(zhuǎn)速,K和EI隨轉(zhuǎn)速的增大而增大的幅度較明顯;而當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí),增大轉(zhuǎn)速,K和EI增大的趨勢(shì)較小,這與文獻(xiàn)[6]中的變化趨勢(shì)一致。由圖6.7可知,當(dāng)進(jìn)料量為70L/h時(shí),轉(zhuǎn)速259r/min與306r/min時(shí)的對(duì)應(yīng)的K值以及EI值各自接近相等，由于本實(shí)驗(yàn)條件的限制,變頻調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速高只能調(diào)至306r/min,可以預(yù)計(jì)，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)- -步增大,K將出現(xiàn)文獻(xiàn)[8]所示的下降趨勢(shì)。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)合理設(shè)置轉(zhuǎn)速使之既能提高傳熱性能,又能減少因高轉(zhuǎn)速帶來的高動(dòng)力消耗。
 

　　2.2.4進(jìn)料溫度 的影響圖8、9分別給出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速306r/min、導(dǎo)熱油溫度120C左右,真空度70. 7kPa時(shí),不同進(jìn)料溫度下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的變化規(guī)律。物料在接近沸點(diǎn)進(jìn)料能佳利用傳熱面積。由圖8、9可以看出，隨著進(jìn)料溫度的升高，薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI都明顯增大。
 

　　2.2.5進(jìn)料量 的影響
 

　　圖2-9給出了各工藝參數(shù)下薄膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的變化規(guī)律。
 

　　總體來說,總傳熱系數(shù)K與進(jìn)料量呈拋物線關(guān)系,各組實(shí)驗(yàn)均存在佳進(jìn)料量42L/h,與文獻(xiàn)[7]模擬計(jì)算分析結(jié)果變化趨勢(shì)一致。文獻(xiàn)[7]指出,進(jìn)料量小時(shí),圈形波尺寸小，圈形波內(nèi)流體與液膜混合程度較小，隨著進(jìn)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(dāng)進(jìn)料量大到-值以后,圈形波內(nèi)流體軸向速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜內(nèi)流體速度,因此兩者的混合程度又相對(duì)減小;且此時(shí)壁面提供的熱量不能將全部料液加熱到-定真空度對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度,故K值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)于蒸發(fā)強(qiáng)度EI,隨進(jìn)料量的增加有緩慢降低的趨勢(shì),這是因?yàn)楫?dāng)物料達(dá)到的流量后,薄膜厚度變大,蒸發(fā)表面所獲得的熱量不足以將物料加熱到沸點(diǎn)溫度,導(dǎo)致蒸發(fā)的物料變少，蒸發(fā)強(qiáng)度變低。
 

　　3燒堿的加熱蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)與分析
 

　　3.1 實(shí)驗(yàn)方案
 

　　在水的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選定燒堿溶液濃度、進(jìn)料量、轉(zhuǎn)速為考察因子,其他的實(shí)驗(yàn)條件為:真空度70. 7kPa,導(dǎo)熱油溫為120C, 進(jìn)料溫度為30C。
 

　　各參量按以下選取:
 

　　溶液質(zhì)量濃度10%(μ=1.9x10-Pa. s)
 

　　30% (μ=8.5x10-'Pa. s)
 

　　進(jìn)料量17.5、 42、70L/h
 

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速214、 259、 306r/min
 

　　3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
 

　　3.2.1轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速的影響
 

　　圖10、11給出了不同轉(zhuǎn)速下10%NaOH溶液薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K、蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的關(guān)系(30% NaOH溶液時(shí)的同樣),與介質(zhì)水的總傳熱系數(shù)K、蒸發(fā)強(qiáng)度EI與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖6、7比較可知,二者的變化規(guī)律一致。K、EI均隨轉(zhuǎn)速增加而增加。在轉(zhuǎn)速增大的整個(gè)范圍內(nèi)，K增大的幅度不同:低轉(zhuǎn)速時(shí),增大轉(zhuǎn)速,K隨轉(zhuǎn)速的增大而增大的幅度較明顯,而當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí),增大轉(zhuǎn)速,K增大的趨勢(shì)較小。
 

　　3.2.2
 

　　進(jìn)料量的影響
 

　　由前述可知，各濃度NaOH溶液薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K及蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量變化規(guī)律與介質(zhì)水的一致,K與進(jìn)料量呈拋物線關(guān)系,存在佳進(jìn)料量。
 

　　3.2.3粘度的影響
 

　　為了進(jìn)一步分析粘度對(duì)薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)與蒸發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系,圖12.13分別給出了轉(zhuǎn)速214r/min、真空度70. 7kPa、導(dǎo)熱油溫為120C、進(jìn)料溫度為30C時(shí)，介質(zhì)水、10%NaOH溶液、30% NaOH溶液總傳熱系數(shù)K及蒸發(fā)強(qiáng)度EI與進(jìn)料量的關(guān)系。由圖12可知,各料液的總傳熱系數(shù)與進(jìn)料量變化規(guī)律一致,存在佳進(jìn)料量。隨著粘度的增加，總傳熱系數(shù)K相應(yīng)減少,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[7]數(shù)值模擬結(jié)果一致。由圖13可知，各料液蒸發(fā)強(qiáng)度與進(jìn)料量變化規(guī)律基本一致，隨著粘度的增加，蒸發(fā)強(qiáng)度相應(yīng)增加。文獻(xiàn)[7]粘性料液模擬計(jì)算結(jié)果表明，粘性料液較之于水達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)沿軸向流動(dòng)的距離較短，也即蒸發(fā)段長(zhǎng)度較長(zhǎng),蒸發(fā)效率較高。由此可知，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析在程度上得到了互相驗(yàn)。數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析均表明,從蒸發(fā)強(qiáng)度而言,薄膜蒸發(fā)器更適合于高粘度料液的蒸發(fā)濃縮。
 

　　4結(jié)論
 

　　4.1通過對(duì)介質(zhì)水及燒堿溶液的薄膜蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K及蒸發(fā)強(qiáng)度EI均隨轉(zhuǎn)速增加而增加。在轉(zhuǎn)速增大的整個(gè)范圍內(nèi),K增大的幅度不同。
 

　　4.2薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù) K與進(jìn)料量呈拋物線關(guān)系,存在佳進(jìn)料量42L/h。蒸發(fā)強(qiáng)度EI則隨進(jìn)料量的增加有緩慢降低的趨勢(shì)。
 

　　4.3隨著粘度的增加,薄膜蒸發(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K相應(yīng)減少,而蒸發(fā)強(qiáng)度相應(yīng)增加。實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)值模擬均表明,從蒸發(fā)強(qiáng)度而言,薄膜燕發(fā)器更適合于高粘度料液的蒸發(fā)濃縮。