降膜蒸发器的设计.pdf

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石油化工设计?

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降膜遨发器的议计杨守城?

北京石化工程公司?

降膜落发界作为一种高效落发设备应用于化工、食品、轻工等行业,主要进行液体的蒸发提浓。

本文详细介绍该设备的性能特点和设计计葬方法,并附有算例。

关键词?

降膜蒸发布液于途径传热压降冷凝沸腾液泛膜厚?

概述降膜蒸发器是垂直蒸发设备之一,属薄膜蒸发器类。

一般说来,薄膜蒸发器可以分为升膜蒸发器?

如立式热虹吸再沸器?

、降膜蒸发器?

分水平管外和垂直管内?

和刮膜式蒸发器三类。

降膜蒸发器作为一种高效蒸发设备,因其特有的优点而逐渐应用于化工、轻工及食品加工行业,进行液体的浓缩。

降膜蒸发器的主要结构是一垂直安装的?

型壳?

一?

管壳式换热器,见图?

所示?

壳侧为加热流体,管内为蒸发液体。

降膜蒸发器要蒸发的少芍于里、考人卜?

冷凝浓缩液邢邢邢邢邢邢邢?

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立式降膜式蒸发器?

降膜式再沸器图?

降膜蒸发器示惫图石油化工设计第?

卷液体自管顶进入,呈膜状沿管壁向下流,在此过程中液体被蒸发提浓。

壳侧如果是用蒸汽冷凝加热,则应自上而下?

如果用热流体显热加热,则应自下而上。

由此可知,两流体的流向不一定是逆流。

但这并不重要,因为?

管侧压力基本不变,不影响流体的温度改变?

工艺流体温度改变仅仅是由于物料浓度变化而产生的沸点升高?

一般升高很小?

。

?

降膜蒸发器的优点?

停留时间短,对热敏性物料不会引起降解?

由于呈薄膜状,液体流速较大,因此蒸发给热系数相应较大?

压降小,因此换热器工艺侧的压力和温度几乎接近常数,可不用或少用显热?

由于工艺流体仅在重力作用下流动,而不是靠高温差来推动,所以允许使用更经济的低温差?

设备内滞液量少?

沸腾为对流沸腾,因此管子表面状态对沸腾的影响较小。

?

降膜蒸发器的缺点?

操作性能主要取决于液体分布器性能?

对设备安装垂直度要求较高?

如?

长管子,其垂直度要求不大于?

为保证管内完全湿润,需要较高的液体流量和较长的管子?

为了机械清垢,要求换热管管壁较厚?

降膜蒸发器的费用较高?

不适合处理易结垢或有固粒的物料。

?

计算方法?

传热计算在文献资料中关于降膜蒸发器的沸腾机理有三种不同说法?

加热表面的泡核沸腾?

汽液界面的汽化蒸发?

膜状沸腾?

但是从宏观分析看,主要以对流沸腾为主,泡核沸腾为副?

虽然以往研究者对降膜传热和降膜蒸发做了大量研究工作,但是绝大部分研究是在水蒸汽一水系统中进行的。

因降膜蒸发器常用于食品工业,其物料常常是复杂的非牛顿型流体,对其传热的影响尚不清楚,所以在进行传热计算时应特别慎重。

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加热膜时的传热计算向下流动液膜的状态见图?

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甲叭胜闷之拘,闷困渭侧霭谓一图?

向下流动液膜的状态传热采用精度较高的?

实验式?

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式中?

一液体加热时的给热系数、?

一入口处过渡段的给热系数,?

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一稳定流动段的给热系数,?

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一入口处过渡段的长度,?

查图?

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石油化工设计?

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图中?

为单位湿润宽度的流量?

计算如下?

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一液体流量,?

一传热管数?

一传热管内径,?

一传热管长度,?

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式中?

沁一液体粘度,?

一液体比热,?

一液体导热系数,?

氏一液体密度,?

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一重力加速度,?

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以下计算?

式中?

为液膜雷诺数,?

二为层流界限雷诺数。

首先计算?

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一一一一一一一一一一户户户户户户户?

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单位宽度的流量?

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过渡区的长度?

蒸发膜时的传热计算?

如果假定降膜蒸发器中液膜的流动不因气泡而扰动,则传热计算公式?

一?

仍可适用于蒸发膜传热的情况。

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蒸发膜传热计算式采用?

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式?

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606（粤门是）一.”（,3,湍流时,即是R:

式中g一重力加速度,g1.27又108m/hgc一重力换算系数,gC=127又10日kgm/kgh,（3）应用Dukler理论,将计算膜厚和给热系数的公式作成图4和图5,可直接查图计算。

式中占为膜厚,用式（l0）,（11）计算:

石油化工设计第12卷产产产产产产产产产/洲产产/户户户户砂砂户尸尸尸/尸/门门门门门门一一沪尸尸尸尸尸尸尸尸一妹过叫夕一细卜灿10咯图4液膜厚度厂厂厂厂门门TTTTTTTTTTTTTTTTT-广广门门厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂冬冬冬冬数-几几几几几几几几几几厚厚洲尹尹售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售售尸尸尸尸尸一4-姨姨葵葵2牛牛牛任任任任任.0之之之之爹爹爹寨寨寨寨寨寨摹摹髻髻霎霎z护护勺,护护护护护护护护护碑尸尸目zzz产产产产产产产产产尹沪沪洲沪产产沙沙沙沙沙沙沙沙沙尸尸尸产户户尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸口口口羹羹羹羹羹委委葬葬/声声二二二二5二若若3555护洲产产产产3333333333333,尸产.爵爵爵爵爵爵爵;户户户户户户户户户户34二（之二止二k,界膜给热系数78910先计算入口和出口处的给热系数,然后取平均值。

图中Re4m/椒PrC,L拼L/KLm二WL/（二NDi）料L一液体粘度,Kg/mhCPL一液体比热,Keal/kgKL一液体导热系数,Kcal/mh氏一液体密度,Kg/m3g一重力加速度,g=1.27又10.m/hZ2.2压降计算降膜蒸发器管内为液体和汽化后的蒸汽构成的两相混合流,一般采用两相流压降计算公式。

Bergelin等推荐了气、液两相向下流时的压降计算关联式。

由于降膜蒸发器内沿传热管轴向压降因汽化率的不断变化而改变,为此须将管子分段,逐段计算压降,最后相加得到总压降。

显然这样使石油化工设计1995,12（l）49计算变得十分复杂。

（1）Barba和Glona根据Bergelin压降计算式,进行适当简化,为此假定:

蒸汽流量沿传热管的变化,可以用下式表示（计算以一根管为基准）:

（18）卜一蒸发蒸汽的粘度,kg/mh凡一液体密度,kg/m,一水的表面张力,Kg/m吮一液体（物料）的表面张力,Kg/m

（2）Barba等在上述假定基础上,推导出从传热管上端（入口）到传热管下端（出口）的总压降计算公式:

_4fG芝.:

LP于乙二共二器（23）29。

八.LDif一摩擦系数,查图6,为此应先算出查图参数B和R,.L（用式（24）,（25）及（28）。

V一下标,表示气相L一下标,表示下端出口处g。

一重力换算系数,g。

=1.27X108kgm/kgh.B参数计算:

BL30时,BBL（24）X叭一L一一voW式中L一传热管长度,mW一介质流量,kg/hX一离入口端的距离,mi,。

一下标,表示进、出口v,L一下标,表示汽相和液相蒸发管中液体的流量变化范围:

当Bo30时,液体流量的变化约在20%之内。

此假定基本符合实际降膜蒸发器液体流量变化的情况。

场称局部Bergelln系数,计算如下:

式中P一总压降,kg/耐Bo一念G,.。

一留里竺卫.玉（19）仇0OLO卜卜BBBBBBBBBBBBBBB,二8000000000/愉愉愉愉愉/洲洲了了曰曰、又洲洲、/一任U-,尹声声一、澡澡/洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲尸冈冈之之器器曰曰尸尸尸/,.r/口口/佗一一之之凡凡卜、闷闷、菜妾妾之/,1.51（乙尸尸尸_____B二0-BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB于于于于于于:

酷共共沂/尹222夕夕。

产一一一一一30时,百（Bo+BL）/2（25）BL和Bo指传热管下端（L）和上端（O）处的Bergelin参数,由（26）、（27）式计算:

Gvi4Wvi兀Di之（22）WL.L仇.LWvi一入口处蒸汽流量,Kg/hDi一蒸发管内径,mWL.。

民.0（26）（27）式中WL.L一下端（出口处）液体流量,kg/hWL.0一上端（入口处）液体流量,kg/m,民L一下端液体密度,kg/m,氏.。

一上端液体密度,kg/m,。

L.L一下端液体表面张力,kg/m工L一O口一叽。

一火石油化工设计第12卷。

L.。

一上端液体表面张力,kg/m应首先算出B。

如果BL30时,则BB。

可不必计算氏值.计算R,.L（3）计算Bond准数（Bo）DiZg。

（氏一内）件?

10V一o220FiF:

甲1s（31）（36）（4）计算液体粘度校正系数F卜（l+:

您二）一。

（32）、一0.001“一式中阵一液体粘度,Ns/m,（5）计算Kutateladze准数（Kg）Kg0.286玛FJ”F（33）（6）计算液泛速度Vg（m/s）式中V一液泛速度,m/sFl一管径影响系数R。

L=DIG讥矛,L（28）式中Gv.。

一下端（出口处）的蒸汽质量流速,kg/m,hGv.L4Wv.L/（二DiZ）Wv.。

一下端（出口处）蒸汽流量,Kg/h拼v.L一下端气体的粘度,Kg/mh2.3液泛速度的计算当降膜蒸发器汽化后的蒸汽由上部流出时,汽、液互为逆流,此时应对管内气速进行计算,限制此流速应小于液泛速度.本文推荐两种液泛速度计算方法。

2.3.1HTFS法主要计算步骤如下:

（1）计算每根管的液体体积流率V:

（mZ/,）VgKgg。

（氏一内）。

“片5（34）2.3.2Braun法Di/。

）3时,Fl=1.0（37）。

/。

3时,F,一。

635（鲁）.（55）Fz一管端切口形状系数,为表面张力的函数.当管端为平切口时,F:

1.0,管端成700斜切口时,F:

可查图7?

）loV,o305F二F:

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（35）70。

斜一切口,垂直管内冷凝垂直管束外冷凝（管壳式换热器）队.州口./22222222205心102040100图7管端形状系数F:

图,一参数,由式（39）计算:

VeDi4（29。

一396（奇）“.5（架）。

s（39）式中V一表现液体流速,m/s（假定液体为满管）Di一管内径,m

（2）计算Froude准数（Fr）。

tg（氏一内）。

5Fr=V:

l旦竺匕卫二匕-二二一I（30）L口“J式中PL一液体密度,kg/m,伪一气体密度,kg/m,gn一重力加速度,g=5.slm/s,。

一表面张力,叹/m式中口一表面张力,kg/mWv一气体流量,kg/hWL一液体流量kg/h脚一气体密度,kg/m,Di一管内径,m干途径与液体分布干途径降膜流动时,较薄的液膜往往有被断裂变为不连续流的倾向,导致壁面出现干途径.这一现象的出现与液体的流率、表面张力、纯度及壁面清洁状态等因素有关。

为防止干途径产生,其操作流率必须要大于最小流率.最小流率由式（40）计算。

最小流率因定义不同而有相当大的差别。

（l）液体流量由零开始,逐步增加,直至壁面全部湿润时的流率;

（2）液体流量由壁面完全湿石油化工设计1995,12（l）51.润时逐步减少,当开始出现干途径时的流率。

即使是第一种情况,其值也会因开始时的壁面状态（是干的还是湿的）而不同。

最小流率最通常的定义规定为:

由干壁开始,流量从零逐步增加,直到壁面全部湿润时的流率称为最小流率。

这样测得的最小流率的值最大,因而也最安全。