Explicación detallada de la estructura del evaporador estándar del evaporador
De hecho, la estructura principal del evaporador del que estamos hablando consta de dos partes, a saber, la cámara de calentamiento y la cámara de separación. Debido a los diferentes tipos, podemos dividir un tipo común de evaporador de calentamiento indirecto en la industria en dos categorías según la estructura relevante y el funcionamiento correspondiente de la cámara de calentamiento y las condiciones reales específicas del flujo de solución correspondiente. Son de tipo circulante (también llamado tipo sin membrana en algunos lugares) y de tipo unidireccional (es decir, tipo de membrana). A continuación hablemos de este tipo de círculo.
Para el evaporador de tubo de circulación central, su estructura es la siguiente. Primero hablemos de esta cámara de calentamiento, que está compuesta por haces de tubos verticales. Se instalarán tuberías de gran diámetro en el centro del haz de tubos. Para los tubos delgados, la superficie de calentamiento asociada con la unidad de volumen de solución es mayor que para los tubos gruesos. En resumen, el primero se calienta mejor, la solución se evapora más y la densidad relativa de la mezcla vapor-líquido en el tubo delgado es mucho menor. Precisamente debido a esta diferencia de densidad, la solución gotea a lo largo del tubo grueso. En este momento, el líquido correspondiente subirá a lo largo del tubo delgado, formando un movimiento de circulación natural.
Por lo general, llamamos al tubo grueso en el medio bajante y al tubo delgado correspondiente, tubo de ebullición. A veces, para permitir una mejor circulación de la solución, la relación del área de la sección transversal relativa del tubo de circulación central alcanzará entre el 40% y el 100% del área de la sección transversal total del tubo de calentamiento. Por lo general, la altura del haz de tubos correspondiente es de 1 a 2 m; el diámetro relativo de los tubos calefactores en nuestro dispositivo es de 25 ~ 75 mm y la relación de aspecto es de 20 ~ 40.
Para este tipo de evaporador, es una evolución completa de la cámara de calentamiento horizontal original y la cámara de calentamiento de tubo de serpiente y otros evaporadores similares, pero su circulación de solución es mucho mejor que la del antiguo también es relativamente. alto. La máquina tiene una estructura compacta, fabricación conveniente, operación confiable y amplia aplicación.
El concepto de evaporación
El proceso de calentar una solución que contiene solutos no volátiles hasta ebullición para vaporizar parcialmente el disolvente volátil y concentrar la solución se llama evaporación. Las operaciones de evaporación se utilizan ampliamente en la industria química, ligera, farmacéutica, alimentaria y muchas otras industrias.
1. Propósito de la operación de evaporación
El propósito principal de la operación de evaporación industrial es:
(1) El líquido concentrado se puede utilizar directamente para fabricar productos líquidos. , o puede procesarse adicionalmente (como enfriamiento, cristalización) para producir productos sólidos, como concentración de solución diluida de sosa cáustica (electrolito), concentración de solución acuosa de sacarosa y concentración de diversos jugos y leches.
(2) Preparación de disolventes puros, en los que el disolvente destilado es el producto, como por ejemplo la preparación de agua dulce mediante evaporación y desalinización de agua de mar.
(3) Preparar simultáneamente líquido concentrado y recuperar disolvente, como la evaporación del extracto de etanol en la producción de la medicina tradicional china.
La mayoría de las soluciones evaporadas en la industria son soluciones acuosas, por lo que la discusión en este capítulo se limita a la evaporación de soluciones acuosas. En principio, los principios y equipos básicos para la evaporación de soluciones acuosas también son aplicables a la evaporación de otros líquidos.
2. Proceso de evaporación
Según la teoría del movimiento molecular, cuando un líquido se calienta, las moléculas cercanas a la superficie de calentamiento continúan ganando energía cinética. Cuando la energía cinética de algunas moléculas es mayor que la atracción entre las moléculas del líquido, estas moléculas se desprenderán de la superficie del líquido y se convertirán en moléculas libres. Esto es la vaporización de las moléculas. Por lo tanto, la evaporación de la solución necesita proporcionar continuamente energía térmica a la solución para mantener la vaporización continua de las moléculas; por otro lado, el vapor por encima del nivel del líquido debe eliminarse a tiempo; de lo contrario, el vapor y la solución se convertirán gradualmente; equilibrado y la vaporización no puede continuar.
Proceso de evaporación de líquidos
El proceso simplificado de evaporación de líquidos se muestra en la figura. El equipo principal: el evaporador consta de una cámara de calentamiento y una cámara de separación. La cámara de calentamiento es un haz de tubos de calentamiento dispuestos verticalmente. La solución en el tubo de calentamiento se calienta mediante el medio de calentamiento (generalmente vapor saturado) fuera del tubo para hervir y. vaporizarlo. El líquido concentrado (llamado solución terminada) se descarga desde el fondo del evaporador. El vapor generado por la evaporación de la solución se separa de la solución mediante la cámara de separación superior y luego se introduce en el condensador desde la parte superior. Para facilitar la distinción, el vapor que se vaporiza se denomina vapor secundario, mientras que el vapor calentado se denomina vapor original o vapor fresco.
Para la evaporación de soluciones con un alto punto de ebullición, se pueden usar portadores de calor de alta temperatura, como aceite térmico y sales fundidas, como medios de calentamiento, o se pueden usar gases de combustión para calentamiento directo.
3. Clasificación de los procesos de evaporación
(1) Evaporación a presión normal, evaporación a presión y evaporación a presión reducida
Según las diferentes presiones de funcionamiento de la evaporación, la evaporación proceso Se puede dividir en evaporación a presión normal, presurizada y a presión reducida (vacío). Para la mayoría de las soluciones sin requisitos especiales, se puede utilizar presión normal, presión aumentada o presión reducida. Sin embargo, la evaporación de líquidos sensibles al calor, como soluciones de antibióticos, zumos de frutas, etc., debe realizarse a presión reducida para garantizar la calidad del producto. Las ventajas de la evaporación al vacío son:
①El punto de ebullición de la solución disminuye cuando la temperatura del vapor de calentamiento permanece sin cambios, la diferencia de temperatura promedio de transferencia de calor en el evaporador aumenta, por lo que el área de transferencia de calor disminuye. ;
(2) A medida que disminuye el punto de ebullición de la solución, se puede utilizar vapor de baja presión o vapor de calor residual como vapor de calentamiento;
③El bajo punto de ebullición de la solución puede evitar la desnaturalización o descomposición de sustancias sensibles al calor;
④ Debido a la baja temperatura, la pérdida de calor del sistema es pequeña. Por otro lado, debido al menor punto de ebullición, la viscosidad de la solución es mayor, lo que reduce el coeficiente de transferencia de calor por evaporación. Al mismo tiempo, cuando se evapora a presión reducida, se necesitan equipos y energía adicionales para crear un vacío.
(2) Evaporación de efecto único y evaporación de efecto múltiple
Según si el vapor secundario se utiliza como vapor de calentamiento para otro evaporador, el proceso de evaporación se puede dividir en -Evaporación de efectos y evaporación de efectos múltiples. Si ya no se utiliza la condensación directa del vapor secundario del efecto anterior, se denomina evaporación de simple efecto. El diagrama de flujo de evaporación de efecto único se muestra en la Figura 5-1. Si el vapor secundario se dirige al siguiente evaporador como vapor de calentamiento, el proceso de evaporación de conectar varios evaporadores en serie y reutilizar el vapor de calentamiento se denomina evaporación multiefecto.
(3) Evaporación intermitente y evaporación continua
Según el proceso de evaporación, se puede dividir en evaporación intermitente y evaporación continua. La evaporación intermitente se refiere a la operación de evaporación de alimentación o descarga intermitente. La característica de la operación intermitente es que la concentración y el punto de ebullición de la solución en el evaporador cambian con el tiempo durante todo el proceso, por lo que la evaporación intermitente es una operación inestable. Generalmente, la evaporación intermitente es adecuada para ocasiones de variedad múltiple a pequeña escala, mientras que la evaporación continua es adecuada para procesos de producción a gran escala.
4. Características de la operación de evaporación
Como se mencionó anteriormente, la operación de evaporación consiste en separar parte del disolvente de la solución, por lo que la cantidad de soluto contenida en la solución permanece inalterada. Es un proceso de transferencia de calor y su tasa de transferencia de calor es el factor que controla el proceso de evaporación. El equipo utilizado para la evaporación es un equipo de intercambio de calor.
Sin embargo, en comparación con el proceso general de transferencia de calor, el proceso de evaporación tiene sus propias características, que se manifiestan principalmente en:
(1) El punto de ebullición de la solución aumenta.
El líquido de alimentación evaporado es una solución que contiene solutos no volátiles. Según la ley de Raoult, la presión de vapor de una solución es menor que la de un disolvente puro a la misma temperatura. En otras palabras, el punto de ebullición de una solución es mayor que el de un disolvente puro a la misma presión. Por lo tanto, cuando la temperatura del vapor de calentamiento es constante, la diferencia de temperatura de transferencia de calor al evaporar la solución es menor que la diferencia de temperatura de transferencia de calor al evaporar el disolvente. Cuanto mayor sea la concentración de la solución, más significativo será este efecto. El efecto de este aumento en el punto de ebullición de la solución debe tenerse en cuenta en el cálculo del equipo de evaporación.
(2) Características del proceso de los materiales Durante el proceso de evaporación, ciertas propiedades de la solución cambian a medida que cambia la concentración de la solución.
Algunos materiales pueden incrustarse, precipitar cristales o producir espuma durante el proceso de concentración; algunos materiales son sensibles al calor y son propensos a cambiar o descomponerse a altas temperaturas; algunos materiales son más corrosivos o tienen mayor viscosidad, etc. . Por lo tanto, estas características del proceso del material deben considerarse al seleccionar métodos y equipos de evaporación.
(3) Utilización y recuperación de energía
La evaporación requiere una gran cantidad de vapor de calentamiento y la vaporización de la solución produce una gran cantidad de vapor secundario. Cómo aprovechar al máximo el calor latente del vapor secundario y mejorar la economía del vapor de calentamiento también es una cuestión importante en el diseño del evaporador.
Dispositivo de evaporación
Con el continuo desarrollo de la tecnología de evaporación industrial, la estructura y el tipo de equipo de evaporación también se mejoran e innovan constantemente, con muchos tipos y estructuras diferentes. En la actualidad, existen alrededor de 60 tipos de equipos de evaporación que son prácticos en la industria, entre los cuales hay más de 10 tipos de equipos de evaporación que se utilizan con mayor frecuencia. Esta sección solo presenta varios equipos de evaporación de uso común.
1. Estructura y características de los evaporadores comunes
Los evaporadores de uso común se componen principalmente de una cámara de calentamiento y una cámara de separación. Existen muchos tipos de cámaras calefactoras. Primero use una camisa o un dispositivo de calentamiento en forma de serpentina, luego hay cámaras de calentamiento de tubos cortos horizontales y cámaras de calentamiento de tubos cortos verticales. Luego, se inventaron el evaporador de película líquida de tubo largo vertical y el evaporador de película líquida raspador. Según el flujo de la solución en el evaporador, los evaporadores de calentamiento indirecto comúnmente utilizados en la industria se pueden dividir aproximadamente en dos tipos: tipo circulante y tipo unidireccional.
1. Evaporador de circulación
La característica de este tipo de evaporador es que la solución circula dentro del evaporador. Según los diferentes principios de circulación de líquidos, se puede dividir en dos tipos: circulación natural y circulación forzada. La primera es una circulación natural causada por los diferentes grados de calentamiento de la solución en diferentes lugares de la cámara de calentamiento, lo que da como resultado una densidad diferente de la solución; la segunda depende de una fuerza externa para forzar la circulación de la solución; Los evaporadores de circulación comúnmente utilizados en la actualidad son los siguientes:
(1) Evaporador de tubo de circulación central
La estructura del evaporador de tubo de circulación central es la que se muestra en la figura. Consta de haces de tubos de calentamiento verticales (haces de tubos de ebullición). Hay un tubo de mayor diámetro en el centro del haz de tubos, llamado tubo de circulación central, cuyo área de sección transversal es generalmente del 40 al 100% del área de sección transversal total del haz de tubos de calentamiento. Cuando el medio calefactor se introduce entre los tubos para calentar, el área de calentamiento por unidad de volumen del líquido en el tubo calefactor es mayor que el área de calentamiento en el tubo de circulación central. Por lo tanto, la densidad relativa del líquido en el tubo calefactor es. pequeño, lo que resulta en una diferencia de densidad entre el líquido en el tubo de calentamiento y el tubo de circulación central. Esta diferencia de densidad permite que la solución fluya naturalmente desde el tubo de circulación central hasta el tubo de calentamiento. La velocidad de circulación de la solución depende de la diferencia de densidad producida por la solución y la longitud de la tubería. Cuanto mayor sea la diferencia de densidad, más larga será la tubería y mayor será la velocidad de circulación de la solución. Sin embargo, debido a la limitación de la altura total, la longitud del tubo calefactor de este tipo de evaporador es relativamente corta, generalmente de 1 a 2 m, el diámetro es de 25 a 75 mm y la relación de aspecto es de 20 a 40.
El evaporador de tubo de circulación central tiene las ventajas de una estructura compacta, una fabricación conveniente y un funcionamiento confiable. Se usa ampliamente en la industria y se llama "evaporador estándar". Pero, de hecho, debido a limitaciones estructurales, su velocidad de circulación es baja (generalmente inferior a 0,5 m/s y debido a que la solución circula continuamente en el tubo calefactor, su concentración siempre es cercana a la concentración de la solución terminada, por lo que la El punto de ebullición de la solución es alto y la diferencia de temperatura efectiva se reduce. Además, la limpieza y el mantenimiento del equipo no son lo suficientemente cómodos.
El evaporador de cesta colgante es una mejora del evaporador de tubo de circulación central. Su cámara de calentamiento es como una canasta colgante, suspendida de la parte inferior de la carcasa del evaporador y se puede quitar desde la parte superior para facilitar su limpieza y reemplazo. El medio calefactor ingresa a la cámara de calentamiento desde el tubo de vapor central. Hay un canal anular entre la pared de calentamiento exterior y la pared interior de la carcasa del evaporador, similar al tubo de circulación central. Durante el funcionamiento, la solución cae a lo largo del espacio anular y sube a lo largo del tubo calefactor, formando una circulación natural. Generalmente, el área de la sección transversal del espacio anular es aproximadamente del 100 al 150 % del área total del tubo calefactor, por lo que la velocidad de circulación de la solución es alta (alrededor de 1 a 1,5 m/s). Dado que el líquido en ebullición a baja temperatura está en contacto con la carcasa del evaporador, su pérdida de calor es pequeña.
El evaporador de cesta colgante es adecuado para evaporar soluciones propensas a incrustarse o tener precipitación de cristales. La desventaja es que la estructura es compleja y la cantidad de equipos y materiales necesarios por unidad de área de transferencia de calor es grande.
(3) Evaporador de calentamiento externo
La característica del evaporador de calentamiento externo es que la cámara de calentamiento y la cámara de separación están separadas, lo que no solo facilita la limpieza y el reemplazo, sino que también reduce la altura total del evaporador. Dado que el tubo calefactor es largo (la relación entre la longitud del tubo y el diámetro del tubo es de 50 a 100) y la solución en el tubo de circulación no se calienta, la velocidad de circulación de la solución es alta, hasta 1,5 m/s.
(4) Evaporador Levin
La característica del evaporador Levin es añadir una cámara de ebullición en la parte superior de la cámara de calentamiento. De esta manera, la solución en la cámara de calentamiento sólo puede evaporarse cuando sube a la cámara de ebullición debido al efecto de esta columna de líquido adicional. Se instala una partición longitudinal encima de la cámara de ebullición para evitar el crecimiento de burbujas. Además, dado que el tubo de circulación no se calienta, la fuerza impulsora para la circulación de la solución es mayor. La altura de la tubería de circulación es generalmente de 7 a 8 m, y su área de sección transversal es aproximadamente del 200 al 350% del área de la sección transversal total de la tubería de calefacción. Por lo tanto, la resistencia al flujo en el tubo de circulación es pequeña y la velocidad de circulación puede alcanzar 2? Aproximadamente 3 metros/segundo.
El evaporador Levin tiene las ventajas de una velocidad de circulación rápida y un buen efecto de transferencia de calor. Dado que la solución no hierve en el tubo calefactor, puede evitar la precipitación de cristales en el tubo calefactor, por lo que es adecuada para manipular soluciones con cristalización o fácil incrustación. La desventaja es que el equipo es enorme y el edificio de la fábrica es alto. Además, debido a la alta presión estática de la capa líquida, se requiere que la presión del vapor de calentamiento sea alta.
(5) Evaporador de circulación forzada
El estado estructural del evaporador es un buen indicador de su aplicación. Utilizando esta estructura se puede conseguir un resultado más satisfactorio a la hora de realizar el trabajo. Después de comprender la estructura del evaporador, cuando encontremos algunos problemas o fallas especiales en el futuro, podremos juzgar dónde radica el problema en función de su estructura. También es bastante fácil de resolver.