Evaporadores de Laboratório

De acordo com o movimento da solução no evaporador, existem:

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Evaporador circulante

Este tipo de evaporador permite que a solução circule no evaporador. Devido às diferentes causas de circulação, pode ser dividida em duas categorias: circulação natural e circulação forçada.
1. Evaporador de tubo de circulação central, também conhecido como evaporador padrão. Sua câmara de aquecimento é composta por feixes de tubos verticais, com um tubo de circulação central de grande diâmetro no meio, e os demais tubos de aquecimento de menor diâmetro são chamados de tubos de ebulição. Devido ao tamanho maior do tubo de circulação central, a superfície de transferência de calor ocupada por uma unidade de volume de solução é menor do que aquela ocupada por uma unidade de volume de solução no tubo de ebulição. Isso significa que o grau de aquecimento da solução no tubo de circulação central e em outros tubos de aquecimento é diferente, resultando em uma densidade menor da mistura de vapor-líquido no tubo de ebulição do que no tubo de circulação central. Além disso, o efeito de sucção ascendente do vapor ascendente fará com que a solução no evaporador forme um fluxo circulante do tubo de circulação central que desce para o tubo de ebulição ascendente. Esse tipo de ciclo é causado principalmente pela diferença de densidade da solução, por isso é chamado de ciclo natural. Este efeito é benéfico para melhorar a eficiência da transferência de calor dentro do evaporador.
Para garantir uma boa circulação da solução, a área da seção transversal-do tubo de circulação central é geralmente 40-100% da área transversal total de outros tubos de aquecimento; A altura do tubo de aquecimento é geralmente de 1-2m; O diâmetro do tubo de aquecimento está entre 25-75 mm. Este tipo de evaporador é amplamente utilizado devido à sua estrutura compacta, fácil fabricação, boa transferência de calor e operação confiável. Porém, devido a limitações estruturais, a velocidade do ciclismo não é alta. Ao circular continuamente a solução na câmara de aquecimento, a sua concentração aproxima-se sempre da solução completa, resultando num elevado ponto de ebulição da solução e numa diminuição da diferença de temperatura efectiva. Esta é uma desvantagem comum dos evaporadores circulantes. Além disso, a limpeza e manutenção do equipamento não são suficientemente convenientes, por isso é difícil que este evaporador atenda plenamente aos requisitos de produção.

2. A fim de superar as desvantagens da fácil cristalização, incrustação e difícil limpeza do líquido em evaporação no evaporador circulante, uma melhoria mais razoável foi feita na estrutura do evaporador padrão, que é o evaporador de cesto suspenso. A câmara de aquecimento 4 é semelhante a um cesto, suspenso na parte inferior do invólucro do evaporador, e substituído por um tubo de circulação central com um canal anular entre a parede externa da câmara de aquecimento e a parede interna do evaporador. A solução sobe ao longo do centro do tubo de aquecimento e depois flui para baixo ao longo do espaço anular entre a parede externa da câmara de aquecimento do cesto suspenso e a parede interna do evaporador para formar um ciclo. Como a área do vão anular é de aproximadamente 100 a 150% da área-secional transversal total do tubo de aquecimento, a velocidade de circulação da solução é maior que a de um evaporador padrão, chegando a até 1,5 m/s. Além disso, a câmara de aquecimento deste evaporador pode ser removida da parte superior para manutenção ou substituição, e a perda de calor também é relativamente pequena. Sua principal desvantagem é sua estrutura complexa e alto consumo de metal por unidade de área de transferência de calor.

3. O evaporador de circulação natural mencionado acima tem uma velocidade de circulação que não é alta o suficiente, geralmente abaixo de 1,5m/s. Para tornar o evaporador mais adequado para evaporar soluções com alta viscosidade, fácil cristalização ou incrustações severas, e para aumentar a velocidade de circulação da solução para estender o ciclo operacional e reduzir o número de tempos de limpeza.
Sua característica estrutural é a adição de uma câmara de ebulição no topo da câmara de aquecimento. A solução na câmara de aquecimento não ferve no tubo de aquecimento devido à pressão estática adicionada pela coluna de líquido na câmara de ebulição. Só pode começar a ferver quando sobe para a câmara de ebulição e a pressão diminui. Portanto, a ebulição e a vaporização da solução passam da câmara de aquecimento para a câmara de ebulição sem superfície de transferência de calor, evitando assim a formação de cristais ou sujeira no tubo de aquecimento. Além disso, a área da seção transversal-do tubo de circulação deste evaporador é cerca de 2-3 vezes a área da seção transversal total do tubo de aquecimento, e a velocidade de circulação da solução pode atingir 2,5 a 3 m/s ou mais, de modo que o coeficiente geral de transferência de calor também é relativamente alto. A principal desvantagem deste evaporador é a grande perda de diferença de temperatura causada pelo efeito de pressão estática da coluna líquida (ver 6.3.1 para detalhes). Para manter uma certa diferença efetiva de temperatura, é necessária uma alta pressão para aquecer o vapor. Além disso, o equipamento é grande, consome muitos materiais e exige fábricas altas. Além do evaporador de circulação natural mencionado acima, um evaporador de circulação forçada também é utilizado na evaporação de materiais com alta viscosidade, fácil cristalização e incrustação. Neste evaporador, a circulação da solução depende principalmente de energia externa, que é forçada a fluir em uma determinada direção por uma bomba para gerar circulação. O tamanho da velocidade de circulação pode ser controlado ajustando a vazão da bomba, geralmente acima de 2,5 m/s. O coeficiente de transferência de calor do evaporador de circulação forçada também é superior ao da circulação natural geral. Mas a sua desvantagem óbvia é o alto consumo de energia, exigindo cerca de 0,4-0,8 kW por metro quadrado de área de aquecimento.

Evaporador-unidirecional

A principal característica deste tipo deEvaporadores de laboratórioé que a solução só passa pela câmara de aquecimento uma vez no evaporador e é descarregada como um líquido concentrado sem fluxo circulante. Quando a solução passa pela câmara de aquecimento, ela flui em forma de filme na parede do tubo, por isso é comumente conhecido como evaporador de filme líquido. De acordo com as diferentes direções de fluxo dos materiais no evaporador, os evaporadores de passagem única são divididos nos seguintes tipos.
1. A câmara de aquecimento de um evaporador de filme ascendente é composta por muitos tubos longos verticais. O diâmetro do tubo de aquecimento comumente usado é de 25-50 mm e a proporção entre o comprimento do tubo e o diâmetro do tubo é de aproximadamente 100-150. Após o pré-aquecimento, o líquido é introduzido pelo fundo do evaporador e aquecido no tubo de aquecimento, fervendo e vaporizando rapidamente. O vapor gerado sobe em alta velocidade no tubo de aquecimento. A velocidade de saída do vapor adequada para operação com pressão normal é de 20-50 m/s, e para operação com pressão reduzida, a velocidade do vapor pode atingir 100-160 m/s ou até mais. A solução é impulsionada pelo vapor ascendente, formando uma película ao longo da parede do tubo e continuando a evaporar. A mistura de vapor e líquido é separada no separador 2, e o líquido completo é descarregado pela parte inferior do separador, enquanto o vapor secundário é descarregado pela parte superior. Deve-se notar que se a quantidade de água evaporada do líquido não for grande, será difícil atingir a velocidade de vapor necessária, ou seja, o evaporador de filme ascendente não é adequado para evaporar soluções concentradas; Também não é adequado para materiais com alta viscosidade, fácil cristalização ou incrustação.

2. A diferença entre o evaporador de filme descendente e o evaporador de filme ascendente é que o líquido de alimentação é adicionado da parte superior do evaporador e, sob a ação da gravidade, forma um filme semelhante a uma descida ao longo da parede do tubo, e evapora e engrossa durante este processo, obtendo um líquido concentrado em sua parte inferior. Devido ao diferente mecanismo-de formação de filme do evaporador de filme ascendente, o evaporador de filme descendente pode evaporar materiais com maior concentração, viscosidade (como na faixa de 0,05-0,45Ns/m2) e sensibilidade térmica. No entanto, devido à distribuição desigual do filme líquido dentro do tubo e ao menor coeficiente de transferência de calor em comparação com o evaporador de filme ascendente, ele ainda não é adequado para materiais propensos à cristalização ou incrustação.
Devido ao fluxo semelhante a um filme da solução no-evaporador unidirecional, o coeficiente de transferência de calor convectivo é bastante melhorado, permitindo que a solução atinja a concentração necessária em uma passagem pela câmara de aquecimento sem circulação adicional. Portanto, apresenta maiores vantagens que o evaporador de circulação. Os benefícios de não circular a solução incluem: (1) o tempo de residência da solução no evaporador é muito curto, tornando-o particularmente adequado para a evaporação de materiais termossensíveis; (2) A concentração de toda a solução nem sempre está próxima da concentração do líquido acabado como no tipo de circulação, portanto a diferença efetiva de temperatura deste evaporador é relativamente grande. Sua principal desvantagem é que é bastante sensível às flutuações na carga de alimentação e, quando o projeto ou operação não é adequado, não é fácil formar um filme. Neste momento, o coeficiente de transferência de calor convectivo diminuirá significativamente.

3. O evaporador raspador possui uma camisa de vapor de aquecimento dentro da carcaça do evaporador, que é equipada com lâminas giratórias ou raspadores. Existem dois tipos de raspadores: tipo fixo e tipo rotor. A folga entre o primeiro e a parede interna do casco é de 0,5-1,5 mm, enquanto a folga entre o último e a parede varia com o número de rotações do rotor. O líquido é adicionado ao longo da direção tangente da parte superior do evaporador (também adicionado à bandeja de material coaxial com o raspador). Devido à gravidade, à força centrífuga e à ação do raspador rotativo, a solução forma uma película de rotação descendente na parede interna do dispositivo, e é evaporada e concentrada durante esse processo, completando a descarga do líquido no fundo. Este tipo de evaporador é um evaporador unidirecional que utiliza energia externa para formar um filme. Sua notável vantagem é sua forte adaptabilidade a materiais e curto tempo de residência, geralmente de alguns segundos ou dezenas de segundos, tornando-o adequado para alta viscosidade (como extrato de tanino, mel, etc.) e materiais propensos à cristalização, incrustação e sensibilidade ao calor. Mas a sua estrutura é complexa e consome muita energia, exigindo cerca de 1,5-3kW por metro quadrado de superfície de transferência de calor. Além disso, sua capacidade de processamento é muito pequena e os requisitos de fabricação e instalação são elevados.

Evaporador com transferência de calor por contato direto

Na produção real,Evaporadores de laboratóriocom transferência de calor por contato direto são algumas vezes usados. Ele mistura combustível (geralmente gás e óleo) com ar e o queima em uma câmara de combustão imersa em uma solução, produzindo chamas-de alta temperatura e fumaça que são diretamente pulverizadas na solução evaporada através de bicos na parte inferior da câmara de combustão. O gás e a solução em alta temperatura entram em contato direto, enquanto a transferência de calor ocorre para evaporar e vaporizar a água. O vapor de água resultante e os gases de exaustão são descarregados juntos da parte superior do evaporador. A profundidade de imersão de sua câmara de combustão na solução é geralmente de 0,2-0,6m, e a temperatura do gás que sai da câmara de combustão pode atingir mais de 1000 graus. Devido à transferência de calor por contato direto, seu efeito de transferência de calor é muito bom e a taxa de utilização de calor é alta. Devido à falta de uma parede fixa de transferência de calor, a estrutura é simples e particularmente adequada para a evaporação de materiais propensos à cristalização, incrustação e corrosão. Tem sido amplamente utilizado no tratamento de resíduos ácidos e na evaporação de soluções de sulfato de amônio. Mas se o líquido evaporado não for contaminado pela fumaça, então esse tipo de evaporador geralmente não é adequado. E devido à presença de grande quantidade de fumaça, o aproveitamento do vapor secundário é limitado. Além disso, o bico está mais sujeito a danos devido à imersão em líquido em alta temperatura. Pela introdução acima, pode-se perceber que existem muitos tipos estruturais de evaporadores, cada um com suas próprias vantagens, desvantagens e situações aplicáveis. Ao selecionar, a primeira coisa a considerar é se ele pode se adaptar às características do processo do material evaporado, incluindo viscosidade, sensibilidade térmica, corrosividade e se é propenso a cristalização ou incrustação. Então, é necessário ter uma estrutura simples, fácil fabricação, baixo consumo de metal, manutenção conveniente, bom efeito de transferência de calor e assim por diante.