[科普中国]-升膜蒸发器

料液预热到沸点，由加热室底部加入，在加热管内强烈汽化，使生成的蒸气带动料液沿管壁呈膜状上升的蒸发器。液膜在上升过程中继续蒸发。溶液只需一次通过加热管即可达到所要求的浓度，这种蒸发器适用于浓缩程度不高的稀溶液及热敏性物料。1

升膜蒸发器的工作原理升膜蒸发器的加热室由单根或多根垂直管组成，加热管长径之比为100～150，管径在25～50mm之间。原料液经预热达到沸点或接近沸点后，由加热室底部引入管内，为高速上升的二次蒸汽带动，沿壁面边呈膜状流动、边进行蒸发，在加热室顶部可达到所需的浓度，完成液由分离器底部排出。二次蒸汽在加热管内的速度不应小于 10m/s，一般为20～50m/s，减压下可高达100～160m/s或更高。

若将常温下的液体直接引入加热室，则在加热室底部必有一部分受热面用来加热溶液使其达到沸点后才能汽化，溶液在这部分壁面上不能呈膜状流动，而在各种流动状态中，又以膜状流动效果最好，故溶液应预热到沸点或接近沸点后再引入蒸发器。2

升膜蒸发器的设计升膜蒸发器和罐式蒸发器的比较炼油厂的丙烷脱沥青等装置，过去曾用罐式蒸发器回收溶剂。究竟采用罐式蒸发器还是采用升膜蒸发器，可以进行以下分析。

有人曾对升膜蒸发器进行了试验，并与一般的浸没沸腾进行对比，发现如图2所示的结果。

在图2上，A1B1C1D1和A2B2C2D2、A3B3C3D3是流量不同的升膜蒸发传热系数曲线。由图2可以看出，B1B2C1B3C2C3和一般的核沸腾传热曲线完全重合。在温差较小的AB范围内，升膜蒸发器的传热系数高于一般的核沸腾传热系数，且随进料量的增加而增加，如A1B1、A2B2、A3B3所示。此时的传热系数随温差的变化不太剧烈，约和温差的0.53次方成正比。当温差逐渐增大到BC范围时，传热系数就和一般的核沸腾传热曲线完全重合。此时传热系数和流量无关，而仅随温差的增加而增加，约和温差的2.2次方成正比。同时流量越大，和核沸腾传热曲线重合时的温差也就越大。当温差进一步增加到CD范围时，由于管壁开始被一层汽膜包围，传热系数迅速下降。

由图2可以得到以下结论：

（1）在BC线左面的AB范围内，升膜蒸发的传热系数高于沸腾传热系数，此时升膜蒸发器优于罐式蒸发器。

（2）在BC线上，升膜蒸发和核沸腾的传热系数是相同的。升膜蒸发采用的固定管板式热交换器的金属耗量比罐式蒸发器要小得多，但罐式蒸发器有汽液分离空间，因此要和汽液分离设备一起综合加以比较。例如丙烷脱沥青装置在过去的工艺流程中，采用罐式蒸发器后，还需要有蒸发塔进行汽液分离。同时，高压下的罐式蒸发器金属耗量很大。在这种情况下，对于同样采用蒸汽作为热源的丙烷脱沥青装置，用升膜蒸发器代替罐式蒸发器是有利的。

对于其它情况，则应进行具体分析，以决定蒸发器的选型。3

传热系数在BC线上，升膜蒸发的传热系数和一般核沸腾传热系数关系式是相同的。

在AB范围内，升膜蒸发传热系数的关系式如下：

式中 ：

h——升膜蒸发器管内平均膜传热系数，千卡/米2·时·℃；

di——加热管内径，米；

λ——流体的导热系数，为平均沸点下的数值，千卡/米·时·℃；

Pr——普兰特准数，为平均沸点下的数值；

ReL——液相雷诺数，以入口的液相流量为基准计算；

Rev——汽相雷诺数，以出口的汽相流量为基准计算；

ρL/ρV——管内平均沸点下的液相重度与汽相重度之比；

μV/μL——管内平均沸点下的汽相粘度与液相粘度之比。

上式为经验公式，只适用于环状流动，即成膜流动，其误差为±20%。另外该式用于泡点状态进料，如果由于进料状态不到泡点而使蒸发器内有显热段存在，则应将蒸发段和显热段分别计算。3

操作条件的选择和管内流动状态的判断升膜蒸发器中，随汽速的增加，有各种可能的流动状态，如图3所示。

在上述各种流动状态中，以环状流（即膜状流动）的传热系数最大。为了避免显热段的出现，使环状流占管长的比例尽量大，流体应当预热到接近泡点的状态下进入蒸发器，同时对管内汽速应有一定的要求。应该强调指出，升膜蒸发器出口的合理汽速和操作压力有密切的关系。常压蒸发器比较适宜的出口汽速为30米/秒左右，最低不应小于10米/秒。在50毫米汞柱压力下适宜的出口汽速为100~160米/秒，对丙烷脱沥青等高压下操作的升膜蒸发器，出口汽速则应低一些。可由图4判断升膜蒸发器管内的流动状态。

图4各量代表的意义如下：

式中：

WL——液相流量，公斤/时；

WV——汽相流量，公斤/时；

A——加热管内横截面积，米2；

μL——液相粘度，厘泊；

σL——表面张力，达因/厘米。

有些流体中的溶剂含量不大，蒸发后的出口汽速难以满足要求，此时应考虑改用降膜蒸发器。3

长径比长径比的影响反映在以下方面：

（1）长径比增加后，管外水蒸汽冷凝的液膜厚度增加，对管外膜传热系数不利。但由于水蒸汽冷凝膜传热系数很高，达5000～40000千卡/米2·时·℃，所以在一般情况下这不是矛盾的主要方面。

（2）在加热面积和处理量相同的情况下，管内流动的雷诺数和长径比的1/2次方成正比。因此，在汽泡流到环状流的范围内，增加长径比，对管内膜传热系数有利。升膜蒸发器的长径比应不低于100～150。但在蒸发率很大的情况下，采用过大的长径比会造成汽速太高，使靠近出口的一段管线成为喷雾流，出现干壁状态，反而使传热系数下降。因此，对长径比的选择，应结合图4流动状态判断图来进行分析。3

传热温差热敏性流体蒸发时，传热温差可以低一些，以避免热分解，非热敏性流体蒸发时，温差则可以大一些。

在用过热蒸汽作热源时，由于靠近管壁处蒸汽冷凝液的温度仍然是该压力下饱和蒸汽的温度，而蒸汽的加热主要靠潜热，因此不推荐使用过热蒸汽作热源。在只有过热蒸汽的地方，应按同压力下的饱和蒸汽的温度计算传热温差。

当流体的沸点较高而又必须采用升膜蒸发时，可采用联苯混合物（73.5%的二苯醚和26.5%的联苯） 作热介质。在常压下联苯混合物的沸点为258℃，在5.3大气压下的沸点为350℃。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所