CN107774001B - 一种竖管降膜蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸发设备技术领域，具体涉及了一种竖管降膜蒸发器，包括壳体，所述壳体内部由上至下依次分为进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔；所述进料腔内设有液体分配器，所述进料腔的底部设有液体分布器；所述壳体内竖直设置若干蒸发管，所述蒸发管的一端连接所述液体分布器，另一端穿过所述载气腔和加热腔后连通所述气液分离腔；所述载气腔内充满不凝气，所述不凝气通过所述蒸发管的侧壁进入其内部。本发明提供的一种竖管降膜蒸发器，利用不凝气使蒸发管内的液膜出现扰动，从而提高换热效率且降低蒸发管内的结垢现象，解决了现有技术问题中的降膜蒸发器换热效率较低的问题。

Description

一种竖管降膜蒸发器

技术领域

本发明涉及蒸发设备技术领域，尤其涉及一种竖管降膜蒸发器，更具体地涉及一种利用不凝气使蒸发管内的液膜扰动从而提高换热效率的竖管降膜蒸发器。

背景技术

竖管降膜蒸发器作为一种高效蒸发设备，以其特有的优点逐渐被广泛应用于石油化工以及冶金、轻工、食品加工、医药、海水淡化、污水处理等领域。降膜蒸发器的原理是膜状蒸发，其传热系数取决于换热管中气液体流速、结垢及液膜厚度等因素，其中结垢因素尤其主要。

蒸发管内结垢的发生一般是溶液蒸发时受热过热导致的。从传热方面考虑，在一般加热壁面上形成汽化核心时，通常要避免过热，因此，物料的过热变质一般在加热壁面附近产生。另外，溶液蒸发时由于壁面上溶液的沸腾汽化，在汽化核心处溶液浓度迅速提高，因而容易析出晶体，而析出的晶体积累就形成结垢。

在对该问题的研究中，孙平等在“引入蒸汽对垂直管内降膜蒸发传热及流动的影响”一文中提出了向垂直蒸发管内引入饱和蒸汽的设想，并对该条件下降膜蒸发的传热及流动进行了研究。该方案是从换热管上端入口引入的饱和蒸汽，经分布器的平衡管进入蒸发器内。该蒸汽与管内蒸发产生的二次蒸汽一同经分离室分离，这样可提高其传热系数、增加液膜搅动、缩短液膜的停留时间、减轻结垢及溶液变质，但是蒸汽依然会对蒸发管内的换热效率和结构问题产生干扰，使该问题并没有得到良好的解决。

因此，在现有的工程应用中，降膜蒸发器依然存在发生结垢等问题，导致需要频繁停工清洗换热管，对设备的蒸发效率和长周期运行产生了严重的影响，严重时可使加热管堵塞而破坏生产。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种竖管降膜蒸发器，利用不凝气使蒸发管内的液膜出现扰动，从而提高换热效率且降低蒸发管内的结垢现象，解决了现有技术问题中的降膜蒸发器换热效率较低的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种竖管降膜蒸发器，包括壳体，所述壳体内部由上至下依次分为进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔；所述进料腔内设有液体分配器，所述进料腔的底部设有液体分布器；所述壳体内竖直设置若干蒸发管，所述蒸发管的一端连接所述液体分布器，另一端穿过所述载气腔和加热腔后连通所述气液分离腔；所述载气腔内充满不凝气，所述不凝气通过所述蒸发管的侧壁进入其内部。

进一步的，前述壳体内由上至下依次水平设置有上管板、中管板和下管板，使所述壳体内部由上至下依次分为所述进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔，所述蒸发管的一端连接所述液体分布器，另一端分别穿过所述上管板、中管板和下管板后连通所述气液分离腔。

进一步的，前述蒸发管位于所述载气腔内的侧壁上均匀设有多个进气口，且其外侧包裹有可使所述不凝气通过的套管。

进一步的，前述套管由多孔材料制成。

进一步的，前述多孔材料包括陶瓷多孔材料或者玻璃多孔材料。

进一步的，前述多孔材料的孔径为0.10μm-100μm，所述蒸发管的侧壁厚度为1mm-35mm。

进一步的，前述套管的材质包括金属管、有机玻璃或者树脂，所述金属管的侧壁上开设通孔，所述通孔与所述进气口一一对应设置。

进一步的，前述通孔的直径为0.1mm-5mm，所述蒸发管的侧壁厚度为1mm-35mm，所述套管的侧壁厚度为1mm-50mm。

进一步的，前述不凝气包括氮气、氢气或者空气。

进一步的，前述进料腔的顶部设有进料管，所述载气腔的侧壁上设有不凝气入口，所述加热腔的顶部侧壁设有蒸汽入口，所述加热腔的底部侧壁设有蒸汽冷凝液出口，所述气液分离腔的底部设有浓缩液出口，所述气液分离腔的侧壁设有二次蒸汽出口。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的一种竖管降膜蒸发器，在载气腔内充满不凝气，使载气腔内的壳侧和管侧存在压差，在压差的作用下使载气腔内壳侧的不凝气透过蒸发管的侧壁直接进入管侧，将壳侧的气体引入到管侧中：

1、 引入的不凝气将造成蒸发管内液膜湍动，使蒸发管的内壁上的泡核沸腾得到抑制，同时使本来在蒸发管内壁上的主要的沸腾过程转化成为在两相流主体中的气液相界面上的蒸发过程，增大换热系数，从而使换热效果加强；

2. 引入不凝气后，在液体浓缩过程中，即使有固体颗粒析出时，也会悬浮于两相流主体中，减少了固体颗粒贴附于内壁并形成结疤的可能性；

3. 由于沸腾得到抑制，使内壁的温度降低，减少了溶液在内壁附近经过时的过热，从而减少热敏性物料的热变质。

附图说明

图1为本发明竖管降膜蒸发器的结构示意图；

图2为图1在实施例一中的S部放大图；

图3为图1在实施例二中的S部放大图。

其中，1：液体分布器；2：上管板；3：中管板；4：蒸发管；5：蒸汽冷凝液出口；6：二次蒸汽出口；7：浓缩液出口；8：下管板；9：壳体；10：蒸汽入口；11：不凝气入口；12：液体分配器；13：进料管；14：混合气；15：固体颗粒；16：液膜；17：套管；18：不凝气。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“若干”的含义是一个或者一个以上，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种竖管降膜蒸发器，包括壳体9，壳体9内部由上至下依次分为进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔；进料腔内设有液体分配器12，进料腔的底部设有液体分布器1；壳体9内竖直设置若干蒸发管4，蒸发管4的一端连接液体分布器1，另一端穿过载气腔和加热腔后连通气液分离腔；载气腔内充满不凝气18，不凝气18通过蒸发管4的侧壁进入其内部。

本实施例中，壳体9内由上至下依次水平设置有上管板2、中管板3和下管板8，使壳体9内部由上至下依次分为进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔，液体分布器1位于上管板2的上方，且与蒸发器外壳同轴设置。蒸发管4的一端连接液体分布器1，另一端分别穿过上管板2、中管板3和下管板8后连通气液分离腔。其中，上管板2、中管板3和下管板8均设有多个管孔，蒸发管4贯穿中管板3的管孔，上端穿过上管板2的管孔，下端对应穿过下管板8的管孔，并通过焊接、涨接或可拆卸连接与所述上管板2和/或下管板8连接，蒸发管4的上端连通液体分布器1，液体分布器1可以为插头型，用于引导待处理的物料进入蒸发管4。

进料腔的顶部设有进料管13，待处理的物料从进料管13进入进料腔中；载气腔的侧壁上设有不凝气入口11；为了实现蒸汽对蒸发管4进行自上而下的加热，加热腔的顶部侧壁设有蒸汽入口10，加热腔的底部侧壁设有蒸汽冷凝液出口5，蒸汽冷凝液出口5用于排出蒸汽冷凝后的液体；气液分离腔的底部设有浓缩液出口7，气液分离腔的侧壁设有二次蒸汽出口6，气液分离腔对浓缩液和二次蒸汽进行分离，分离后的浓缩液和二次蒸汽分别通过浓缩液出口7和二次蒸汽出口6排出。

如图2所示，蒸发管4位于载气腔内的侧壁上均匀设有多个进气口，且其外侧包裹有可使不凝气18通过的套管17，使降膜蒸发器的壳侧和管侧被套管17相对隔离，从而控制不凝气18的进入量。本实施例中，套管17由多孔材料制成，多孔材料包括陶瓷多孔材料或者玻璃多孔材料，需要说明的是，多孔材料不仅限于本实施例举例的两种，其他可以满足本实施例需求的多孔材料，也属于本发明保护的范围。

本实施例中，套管17的上端与上管板2连接并设计有密封结构，套管17的下端与中管板3连接并设置有密封结构，该密封结构包括垫片、密封圈的密封件，以及焊接连接等密封形式。套管17完全贴合于蒸发管4外壁上，套管17与蒸发管4之间不设间隙，不凝气18透过由多孔材料制成的套管17和蒸发管4的预留孔在静压力作用下，进入蒸发管4内部。

其中，多孔材料的孔径为0.10μm-100μm，蒸发管4的侧壁厚度为1mm-35mm。优选的，多孔材料的孔径为0.50μm-60μm，防止液体从蒸发管4内溢出，并保证了不凝气18进入蒸发管4的进入量；蒸发管4的管壁厚度为5mm-20mm，使蒸发管4的传热达到最佳效果，并且使需要的蒸发汽的体积保持适中。

另外，不凝气18包括氮气、氢气或者空气，不易与液体融合，也不易在降温时被凝固，可以保证不凝气18始终与液体为分离的两个主体，及不凝气18体的流动性。

本实施例的原理为：待处理的物料由进料管13进入蒸发器的进料腔内，首先进入液体分配器12，然后继续溢流进入上管板2上方，经液体分布器1成膜状沿蒸发管4内壁向下流动，流动过程中在通过蒸汽入口10引入的蒸汽加热，不断被蒸发浓缩，二次蒸汽由二次蒸汽出口6排出，浓缩液由浓缩液出口7排出，换热后的蒸汽被冷凝，其冷凝液由蒸汽冷凝液出口5排出。其中，在进料腔下方还设置了载气腔，载气腔设有不凝气入口11，使蒸发管4管侧与壳侧存在压差，在压差作用下，不凝气18从壳侧透过套管17，经蒸发管4上开设的进气口进入到管侧，不凝气18与待处理的物料及其蒸汽形成混合气14后，一同经蒸发管4，进入气液分离腔。被引入的不凝气18，对待处理的物料的液膜16造成扰动，使蒸发管4内壁上的泡核沸腾得到抑制，使内壁的壁温降低从而减少过热，使本来主要是在蒸发管4内壁上的沸腾过程转化成为主要是在两相流主体中的气液相界而上的蒸发过程，增强了换热效果；同时，在液体浓缩过程中析出的固体颗粒15，也会更大程度的悬浮于两相流主体中，减少了贴附于内壁的壁面形成结疤的可能性。

实施例二

本实施例提供的一种竖管降膜蒸发器，其原理与实施例一相同，结构与实施例一相似，其区别仅在于：如图3所示，套管17的材质包括金属管、有机玻璃或者树脂，以及除本实施例所例举的材料以外的其他可耐温150°的可加工无弹性材料，本实施例中，套管17的材质优选为金属管。金属管的侧壁上开设通孔，通孔与进气口一一对应设置，保证不凝气18体可以透过套管17进入到蒸发管4内。

进一步的，前述通孔的直径为0.1mm-5mm，所述蒸发管4的侧壁厚度为1mm-35mm，所述套管17的侧壁厚度为1mm-50mm。优选的，针孔的直径为0.5-3mm，防止液体从蒸发管4内溢出，并保证了不凝气18进入蒸发管4的进入量；蒸发管4的侧壁厚度为5mm-20mm，套管17的侧壁厚度为5-40mm，使蒸发管4及套管17的传热达到最佳效果，并且使需要的蒸发汽的体积保持适中。

综上所述，本发明提供的竖管降膜蒸发器，其原理可概括为：由降膜蒸发器的蒸发管4的顶部侧壁向蒸发管4内均匀的通入不凝气18，使不凝气18随着对待处理的物料流动，在不凝气18进入蒸发管4内的过程中，造成待浓缩物料在蒸发管4内壁上形成的液膜16扰动，不凝气18并随同进入降膜蒸发器的气液分离腔，从而提高换热效率且降低蒸发管4内的结垢现象，解决了现有技术问题中的降膜蒸发器换热效率较低的问题。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种竖管降膜蒸发器，其特征在于，包括壳体，所述壳体内部由上至下依次分为进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔；所述进料腔内设有液体分配器，所述进料腔的底部设有液体分布器；所述壳体内竖直设置若干蒸发管，所述蒸发管的一端连接所述液体分布器，另一端穿过所述载气腔和加热腔后连通所述气液分离腔；所述载气腔内充满不凝气，所述载气腔的侧壁上设有不凝气入口，所述不凝气通过所述不凝气入口进入其内部；所述蒸发管位于所述载气腔内的侧壁上均匀设有多个进气口。

2.根据权利要求1所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述壳体内由上至下依次水平设置有上管板、中管板和下管板，使所述壳体内部由上至下依次分为所述进料腔、载气腔、加热腔和气液分离腔，所述蒸发管的一端连接所述液体分布器，另一端分别穿过所述上管板、中管板和下管板后连通所述气液分离腔。

3.根据权利要求1所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述蒸发管的外侧包裹有可使所述不凝气通过的套管。

4.根据权利要求3所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述套管由多孔材料制成。

5.根据权利要求4所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述多孔材料包括陶瓷多孔材料或者玻璃多孔材料。

6.根据权利要求5所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述多孔材料的孔径为0.10μm-100μm，所述蒸发管的侧壁厚度为1mm-35mm。

7.根据权利要求3所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述套管的材质包括金属管、有机玻璃或者树脂，所述金属管的侧壁上开设通孔，所述通孔与所述进气口一一对应设置。

8.根据权利要求7所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述通孔的直径为0.1mm-5mm，所述蒸发管的侧壁厚度为1mm-35mm，所述套管的侧壁厚度为1mm-50mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述不凝气包括氮气、氢气或者空气。

10.根据权利要求1-8任一项所述的竖管降膜蒸发器，其特征在于，所述进料腔的顶部设有进料管，所述加热腔的顶部侧壁设有蒸汽入口，所述加热腔的底部侧壁设有蒸汽冷凝液出口，所述气液分离腔的底部设有浓缩液出口，所述气液分离腔的侧壁设有二次蒸汽出口。

Images