薄膜蒸發(fā)器由于其刮板的機械刮擦成膜作用,使處理的物料在蒸發(fā)表面停留時間短而受熱效果好,適用于蒸發(fā)濃縮高粘性、熱敏性或易結(jié)晶物料,已經(jīng)廣泛應用于化工、醫(yī)療、食品及輕工等行業(yè)1-3)。國內(nèi)外對薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)效率進行了大量的實驗室研究,但由于蒸發(fā)傳熱及刮板刮擦成膜的復雜性,用于蒸發(fā)設(shè)計計算的液膜側(cè)傳熱系數(shù)主要是液膜受熱的數(shù)據(jù)。對蒸發(fā)器的蒸發(fā)實驗多以水為介質(zhì),有關(guān)粘性料液的傳熱數(shù)據(jù)則報道較少。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。對高粘度料液而言,基于堿液蒸發(fā)濃縮開發(fā)的機械攪拌式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)從動量和熱量傳遞角度而言,尚有進一步優(yōu)化設(shè)計的余地。
本文在自行研制的F=0.4㎡薄膜蒸發(fā)器實驗測試裝置的基礎(chǔ)上,通過改變薄膜蒸發(fā)器的操作參數(shù)對純物質(zhì)水及燒堿溶液進行傳熱蒸發(fā)實驗,進一步探討各工藝操作參數(shù)及料液粘性對傳熱蒸發(fā)性能的影響,與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較,從而為薄膜蒸發(fā)器設(shè)備從結(jié)構(gòu)和操作工藝上進行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
1實驗流程設(shè)計
自行研制的0.4m2薄膜蒸發(fā)器實驗裝置的工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)由加料釜.真空機組、蒸發(fā)裝置、電加熱爐、二次蒸汽冷凝器及監(jiān)測裝置幾個部分組成。開啟真空和加熱系統(tǒng)后,導熱油由電加熱爐加熱,導熱油進人加料釜加熱物料,經(jīng)過預熱的物料由加料釜經(jīng)由轉(zhuǎn)子流量計進人蒸發(fā)器,物料經(jīng)濃縮后由蒸發(fā)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(jīng)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(zhì)水的加熱蒸發(fā)實驗與分析
2.1 實驗方案
以水為實驗介質(zhì),考察在不同系統(tǒng)真空度導熱油溫度、進料量、進料溫度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等5個參量下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強度EI的變化規(guī)律,為進一步研究薄膜蒸發(fā)器傳熱機理奠定基礎(chǔ)。
各參量按以下選取:導熱油溫度90、 120、 150C
系統(tǒng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
214、259、306r/min
2.2實驗結(jié)果與分析
2.2.1導 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(shù)K和蒸發(fā)強度EI與進料量的變化規(guī)律。由圖2、3可以看出,在本文實驗參數(shù)范圍內(nèi),總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)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(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(shù)K和蒸發(fā)強度EI與進料量的變化規(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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強度EI與進料量的變化規(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)速能有效地促進圈形波與薄膜之間物質(zhì)熱量的交換，加強湍流程度，提高薄膜蒸發(fā)器傳熱和傳質(zhì)性能。
進一步分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速增大的整個范圍內(nèi),K增大的幅度不同:低轉(zhuǎn)速時,增大轉(zhuǎn)速,K和EI隨轉(zhuǎn)速的增大而增大的幅度較明顯;而當轉(zhuǎn)速較高時,增大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)速電機轉(zhuǎn)速高只能調(diào)至306r/min,可以預計，隨著轉(zhuǎn)速的進- -步增大,K將出現(xiàn)文獻[8]所示的下降趨勢。在實際生產(chǎn)中,應合理設(shè)置轉(zhuǎn)速使之既能提高傳熱性能,又能減少因高轉(zhuǎn)速帶來的高動力消耗。
2.2.4進料溫度 的影響圖8、9分別給出了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shù)K和蒸發(fā)強度EI與進料量的變化規(guī)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(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)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(shù)下薄膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K和蒸發(fā)強度EI與進料量的變化規(guī)律。
總體來說,總傳熱系數(shù)K與進料量呈拋物線關(guān)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(jié)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(nèi)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(nèi)流體軸向速度遠遠大于薄膜內(nèi)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(fā)溫度,故K值出現(xiàn)下降趨勢。對于蒸發(fā)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(fā)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(fā)的物料變少，蒸發(fā)強度變低。
3燒堿的加熱蒸發(fā)實驗與分析
3.1 實驗方案
在水的蒸發(fā)實驗基礎(chǔ)上,選定燒堿溶液濃度、進料量、轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度10%(μ=1.9x10-Pa. s)
30% (μ=8.5x10-'Pa. s)
進料量17.5、 42、70L/h
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速214、 259、 306r/min
3.2實驗結(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)強度EI與進料量的關(guān)系(30% NaOH溶液時的同樣),與介質(zhì)水的總傳熱系數(shù)K、蒸發(fā)強度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)速增大的整個范圍內(nèi)，K增大的幅度不同:低轉(zhuǎn)速時,增大轉(zhuǎn)速,K隨轉(zhuǎn)速的增大而增大的幅度較明顯,而當轉(zhuǎn)速較高時,增大轉(zhuǎn)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(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K及蒸發(fā)強度EI與進料量變化規(guī)律與介質(zhì)水的一致,K與進料量呈拋物線關(guān)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(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)與蒸發(fā)強度的關(guān)系,圖12.13分別給出了轉(zhuǎn)速214r/min、真空度70. 7kPa、導熱油溫為120C、進料溫度為30C時，介質(zhì)水、10%NaOH溶液、30% NaOH溶液總傳熱系數(shù)K及蒸發(fā)強度EI與進料量的關(guān)系。由圖12可知,各料液的總傳熱系數(shù)與進料量變化規(guī)律一致,存在佳進料量。隨著粘度的增加，總傳熱系數(shù)K相應減少,這一結(jié)論與文獻[7]數(shù)值模擬結(jié)果一致。由圖13可知，各料液蒸發(fā)強度與進料量變化規(guī)律基本一致，隨著粘度的增加，蒸發(fā)強度相應增加。文獻[7]粘性料液模擬計算結(jié)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(fā)段長度較長,蒸發(fā)效率較高。由此可知，數(shù)值模擬與實驗分析在程度上得到了互相驗。數(shù)值模擬及實驗分析均表明,從蒸發(fā)強度而言,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通過對介質(zhì)水及燒堿溶液的薄膜蒸發(fā)實驗結(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)強度EI均隨轉(zhuǎn)速增加而增加。在轉(zhuǎn)速增大的整個范圍內(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與進料量呈拋物線關(guān)系,存在佳進料量42L/h。蒸發(fā)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(fā)器內(nèi)總傳熱系數(shù)K相應減少,而蒸發(fā)強度相應增加。實驗分析及數(shù)值模擬均表明,從蒸發(fā)強度而言,薄膜燕發(fā)器更適合于高粘度料液的蒸發(fā)濃縮。
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