Evaporatori da laboratorio
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Descrizione
Parametri tecnici
Evaporatori da laboratorioè il processo fisico di trasformazione del liquido in gas. In generale, un evaporatore è un oggetto che converte le sostanze liquide in gas. Nell'industria esistono numerosi evaporatori, tra cui l'evaporatore utilizzato nei sistemi di refrigerazione è uno di questi. L'evaporatore è un componente importante tra le quattro principali parti di refrigerazione. Il liquido condensato a bassa temperatura passa attraverso l'evaporatore, scambia calore con l'aria esterna, vaporizza e assorbe calore, ottenendo l'effetto di raffreddamento. L'evaporatore è composto principalmente da due parti: la camera di riscaldamento e la camera di evaporazione. La camera di riscaldamento fornisce al liquido il calore necessario per l'evaporazione, favorendo l'ebollizione e la vaporizzazione del liquido; La camera di evaporazione separa completamente la fase gassosa-liquida. Il vapore generato nella camera di riscaldamento contiene una grande quantità di schiuma liquida, che può essere separata dal vapore attraverso l'autoaggregazione o l'azione di un demister in una camera di evaporazione più grande. Di solito il dispositivo antiappannamento si trova nella parte superiore della camera di evaporazione.
L'evaporatore rotante viene utilizzato principalmente nella ricerca scientifica e nella produzione di prodotti farmaceutici, chimici, biologici e altre industrie. Le sue funzioni includono evaporazione, concentrazione, cristallizzazione, essiccazione, separazione e recupero del solvente.
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Introduzione al prodotto
Evaporatori da laboratoriosono classificati in tre tipologie in base alla pressione di esercizio: pressione atmosferica, pressurizzazione e depressurizzazione.
L'evaporatore atmosferico funziona a una pressione vicina alla pressione atmosferica, il che significa che la sua pressione interna è leggermente superiore o vicina alla pressione atmosferica esterna.
A causa dell'elevata pressione operativa, l'efficienza termica di questo evaporatore è relativamente bassa perché il punto di ebollizione dell'acqua è elevato e richiede più energia per raggiungere la temperatura richiesta per l'evaporazione.
Gli evaporatori atmosferici vengono solitamente utilizzati in situazioni in cui il tasso di evaporazione non è elevato e i costi di attrezzatura e manutenzione devono essere ridotti al minimo.
L'evaporatore pressurizzato funziona a pressioni superiori a quella atmosferica.
L'aumento della pressione operativa può aumentare corrispondentemente il punto di ebollizione dell'acqua, il che significa che l'evaporatore può essere utilizzato a temperature più elevate, migliorando potenzialmente la velocità di evaporazione e l'efficienza termica.
Gli evaporatori a pressione sono comunemente utilizzati in situazioni in cui è necessario trattare materiali volatili, sensibili al calore o corrosivi, poiché questi materiali possono essere più stabili o più facili da maneggiare a temperature più elevate.
Tuttavia, gli evaporatori pressurizzati devono anche resistere a pressioni e temperature più elevate, quindi i loro costi di progettazione e produzione sono generalmente più elevati.
Un evaporatore riduttore di pressione (o sottovuoto) funziona a una pressione inferiore a quella atmosferica, riducendo il punto di ebollizione dell'acqua abbassando la pressione interna, ottenendo così l'evaporazione a temperature più basse.
Questo evaporatore presenta notevoli vantaggi in termini di efficienza termica perché un punto di ebollizione più basso significa un minor consumo di energia.
Gli evaporatori sotto vuoto sono ampiamente utilizzati in situazioni in cui sono richiesti il risparmio energetico, la prevenzione della decomposizione termica del materiale o la gestione di materiali ad alta viscosità e facilmente incrostabili.
Tuttavia, a causa della necessità di mantenere un ambiente sotto vuoto, la complessità della tenuta e dell'apparecchiatura dell'evaporatore riduttore di pressione è relativamente elevata.
A seconda del moto della soluzione nell'evaporatore si hanno:
1.
Tipo circolare. La soluzione bollente passa più volte attraverso la superficie riscaldante nella camera di riscaldamento, ad esempio nel tipo con tubo a circolazione centrale, nel tipo a cestello sospeso, nel tipo con riscaldamento esterno, nel tipo Levin e nel tipo a circolazione forzata.
2.
Tipo unidirezionale. La soluzione bollente passa attraverso la superficie riscaldante nella camera di riscaldamento senza circolare e la soluzione concentrata viene scaricata immediatamente, come film in salita, film in caduta, film in agitazione e film centrifugo.
3.
Tipo di contatto diretto. Il mezzo di riscaldamento e la soluzione entrano direttamente in contatto per il trasferimento di calore, come l'evaporatore a combustione ad immersione.
Durante il funzionamento del dispositivo di evaporazione viene consumata una grande quantità di vapore di riscaldamento. Per risparmiare vapore di riscaldamento è possibile utilizzare dispositivi di evaporazione multieffetto ed evaporatori a ricompressione del vapore. Gli evaporatori sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica, nell'industria leggera e in altri settori.
Caratteristiche del prodotto
1. Classificato in base al metodo di evaporazione:
Evaporazione naturale: si riferisce alevaporatori da laboratoriodi una soluzione a una temperatura inferiore al punto di ebollizione, come il sale essiccante dell'acqua di mare. In questo caso, il solvente vaporizza solo sulla superficie della soluzione, determinando una bassa velocità di vaporizzazione del solvente.
Evaporazione bollente: riscaldare la soluzione fino al punto di ebollizione ed evaporarla allo stato di ebollizione. L'operazione di evaporazione nell'industria è sostanzialmente di questo tipo.
2. Diviso per metodo di riscaldamento:
Il riscaldamento con fonte di calore diretta è il processo di evaporazione che consiste nel mescolare il carburante con l'aria, facendo sì che la fiamma e il fumo ad alta temperatura generati dalla sua combustione vengano spruzzati direttamente nella soluzione evaporata attraverso un ugello per riscaldare la soluzione e vaporizzare il solvente.
La fonte di calore indiretta riscalda le pareti tra i contenitori e la trasferisce alla soluzione evaporata. Il processo di trasferimento del calore che avviene in uno scambiatore di calore montato a parete.
3. Diviso per la pressione di esercizio:
Può essere suddiviso in operazioni di evaporazione a pressione atmosferica, pressurizzata e depressurizzata (sotto vuoto). Ovviamente i materiali termosensibili come soluzioni antibiotiche, succhi di frutta, ecc., dovranno essere lavorati a pressione ridotta. Inoltre, i materiali ad alta viscosità dovrebbero essere riscaldati da una fonte di calore pressurizzata ad alta-temperatura (come olio termico, sale fuso, ecc.) per l'evaporazione
4. Punteggio basato sull'efficacia:
Può essere suddiviso in evaporazione a effetto singolo e multieffetto. Se il vapore secondario generato dall'evaporazione viene condensato direttamente e non viene più utilizzato, si parla di evaporazione a singolo effetto. Se il vapore secondario viene utilizzato come vapore di riscaldamento successivo e più evaporatori sono collegati in serie, questo processo di evaporazione viene chiamato evaporazione multieffetto.
Caratteristiche del prodotto
1.
Una vasca circolare in metallo con diametro interno di 200 mm e altezza di circa 100 mm per l'evaporatore.
2.
L'evaporatore è una struttura circolare metallica con pareti interne lisce e non devono essere presenti bave o graffi sui bordi dell'evaporatore.
3.
Tutte le parti a contatto con l'acqua devono essere lisce e le saldature sulle parti di accoppiamento o di collegamento devono essere strette, salde e prive di perdite d'acqua.
4.
L'assemblaggio di tutti i componenti e le parti dell'evaporatore deve essere corretto, senza allentamenti, deformazioni o altri difetti che possano comprometterne l'utilizzo.
5.
Lo strato protettivo applicato su ciascun componente dell'evaporatore deve essere solido, uniforme e liscio, senza difetti come delaminazione o ruggine.
6.
L'evaporatore e il telaio di installazione devono essere facili da installare e in grado di impedire il distacco dell'evaporatore a causa della forza del vento durante il normale utilizzo.
7.
Accessori: un misurino graduato, un serbatoio dell'acqua, un telaio di installazione e una copertura in rete metallica.
Tipo di trasferimento di calore tra pareti
Il trasferimento di calore partizionato comunemente usatoevaporatori da laboratoriopossono essere grossolanamente suddivisi in due categorie in base alla residenza della soluzione nell'evaporatore: tipo a circolazione e tipo a senso unico-.
Evaporatore circolante
Questo tipo di evaporatore consente alla soluzione di circolare nell'evaporatore. A causa delle diverse cause di circolazione, può essere divisa in due categorie: circolazione naturale e circolazione forzata.
1. Evaporatore a tubo di circolazione centrale, noto anche come evaporatore standard. La sua camera di riscaldamento è composta da fasci di tubi verticali, con un tubo di circolazione centrale di grande diametro al centro, e gli altri tubi di riscaldamento di diametro inferiore sono chiamati tubi di ebollizione. A causa delle dimensioni maggiori del tubo di circolazione centrale, la superficie di trasferimento del calore occupata da un volume unitario di soluzione è inferiore a quella occupata da un volume unitario di soluzione nel tubo di ebollizione. Ciò significa che il grado di riscaldamento della soluzione nel tubo di circolazione centrale e negli altri tubi di riscaldamento è diverso, con conseguente densità inferiore della miscela di vapore-liquido nel tubo di ebollizione rispetto al tubo di circolazione centrale. Inoltre, l'effetto di aspirazione verso l'alto del vapore in aumento farà sì che la soluzione nell'evaporatore formi un flusso circolante dal tubo di circolazione centrale che scende al tubo di ebollizione che sale. Questo tipo di ciclo è causato principalmente dalla differenza di densità della soluzione, per questo è chiamato ciclo naturale. Questo effetto è vantaggioso per migliorare l'efficienza del trasferimento di calore all'interno dell'evaporatore.
Per garantire una buona circolazione della soluzione, l'area della sezione trasversale-del tubo di circolazione centrale è generalmente pari al 40-100% dell'area della sezione trasversale totale degli altri tubi di riscaldamento; L'altezza del tubo di riscaldamento è generalmente di 1-2 m; Il diametro del tubo di riscaldamento è compreso tra 25 e 75 mm. Questo tipo di evaporatore è ampiamente utilizzato grazie alla sua struttura compatta, alla facilità di produzione, al buon trasferimento di calore e al funzionamento affidabile. Tuttavia, a causa di limitazioni strutturali, la velocità di pedalata non è elevata. Facendo circolare continuamente la soluzione nella camera di riscaldamento, la sua concentrazione si avvicina sempre a quella della soluzione completa, determinando un elevato punto di ebollizione della soluzione e una diminuzione della differenza di temperatura effettiva. Questo è uno svantaggio comune degli evaporatori a circolazione. Inoltre, la pulizia e la manutenzione dell'attrezzatura non sono abbastanza convenienti, quindi è difficile che questo evaporatore soddisfi pienamente i requisiti di produzione.
2. Per superare gli svantaggi della facile cristallizzazione, incrostazione e difficile pulizia del liquido evaporante nell'evaporatore a ricircolo, è stato apportato un miglioramento più ragionevole alla struttura dell'evaporatore standard, che è l'evaporatore a cestello sospeso. La camera di riscaldamento 4 è come un cestello, sospeso nella parte inferiore del guscio dell'evaporatore, e sostituito da un tubo di circolazione centrale con un canale anulare tra la parete esterna della camera di riscaldamento e la parete interna dell'evaporatore. La soluzione sale lungo il centro del tubo di riscaldamento e poi scorre verso il basso lungo l'intercapedine anulare tra la parete esterna della camera di riscaldamento del cestello sospeso e la parete interna dell'evaporatore per formare un ciclo. Poiché l'area dello spazio anulare è pari a circa il 100-150% dell'area totale della sezione trasversale- del tubo di riscaldamento, la velocità di circolazione della soluzione è superiore a quella di un evaporatore standard, raggiungendo fino a 1,5 m/s. Inoltre, la camera di riscaldamento di questo evaporatore può essere rimossa dalla parte superiore per manutenzione o sostituzione e anche la perdita di calore è relativamente ridotta. Il suo principale svantaggio è la struttura complessa e l'elevato consumo di metallo per unità di area di scambio termico.
3. L'evaporatore a circolazione naturale sopra menzionato ha una velocità di circolazione non sufficientemente elevata, generalmente inferiore a 1,5 m/s. Per rendere l'evaporatore più adatto all'evaporazione di soluzioni ad alta viscosità, cristallizzazione facile o incrostazioni gravi e per aumentare la velocità di circolazione della soluzione per estendere il ciclo operativo e ridurre il numero di tempi di pulizia.
La sua caratteristica strutturale è l'aggiunta di una camera di ebollizione sopra la camera di riscaldamento. La soluzione nella camera di riscaldamento non bolle nel tubo di riscaldamento a causa della pressione statica aggiunta dalla colonna di liquido nella camera di ebollizione. Può iniziare a bollire solo quando sale nella camera di ebollizione e la pressione diminuisce. Pertanto, l'ebollizione e la vaporizzazione della soluzione si spostano dalla camera di riscaldamento alla camera di ebollizione senza superficie di trasferimento del calore, evitando così la formazione di cristalli o sporco nel tubo di riscaldamento. Inoltre, l'area della sezione trasversale-del tubo di circolazione di questo evaporatore è circa 2-3 volte l'area della sezione trasversale totale del tubo di riscaldamento e la velocità di circolazione della soluzione può raggiungere da 2,5 a 3 m/s o più, quindi anche il coefficiente di trasferimento di calore complessivo è relativamente alto. Lo svantaggio principale di questo evaporatore è la grande perdita di differenza di temperatura causata dall'effetto della pressione statica della colonna di liquido (vedere 6.3.1 per i dettagli). Per mantenere una certa differenza di temperatura effettiva, è necessaria un'elevata pressione per riscaldare il vapore. Inoltre, le attrezzature sono grandi, consumano molti materiali e richiedono fabbriche alte. Oltre all'evaporatore a circolazione naturale sopra menzionato, per l'evaporazione di materiali ad alta viscosità, facile cristallizzazione e incrostazione viene utilizzato anche un evaporatore a circolazione forzata. In questo evaporatore, la circolazione della soluzione si basa principalmente sull'energia esterna, che è costretta a fluire in una determinata direzione da una pompa per generare la circolazione. L'entità della velocità di circolazione può essere controllata regolando la portata della pompa, solitamente superiore a 2,5 m/s. Anche il coefficiente di trasferimento del calore dell'evaporatore a circolazione forzata è superiore a quello della circolazione naturale generale. Ma il suo evidente svantaggio è l'elevato consumo energetico, che richiede circa 0,4-0,8 kW per metro quadrato di superficie riscaldata.
Evaporatore un-via
La caratteristica principale di questo tipo diEvaporatori da laboratorioè che la soluzione attraversa la camera di riscaldamento solo una volta nell'evaporatore e viene scaricata come liquido concentrato senza flusso di circolazione. Quando la soluzione passa attraverso la camera di riscaldamento, scorre sotto forma di pellicola sulla parete del tubo, per questo è comunemente nota come evaporatore a film liquido. In base alle diverse direzioni del flusso dei materiali nell'evaporatore, gli evaporatori a passaggio singolo sono suddivisi nei seguenti tipi.
1. La camera di riscaldamento di un evaporatore a film ascendente è composta da numerosi tubi lunghi verticali. Il diametro del tubo di riscaldamento comunemente utilizzato è 25-50 mm e il rapporto tra la lunghezza del tubo e il diametro del tubo è di circa 100-150. Dopo il preriscaldamento, il liquido viene introdotto dal fondo dell'evaporatore e riscaldato nel tubo riscaldante, facendo bollire e vaporizzando rapidamente. Il vapore generato sale ad alta velocità nel tubo riscaldante. La velocità del vapore in uscita adatta per il funzionamento a pressione normale è 20-50 m/s, mentre per il funzionamento a pressione ridotta la velocità del vapore può raggiungere 100-160 m/s o anche superiore. La soluzione viene spinta dal vapore che sale, formando una pellicola lungo la parete del tubo e continuando ad evaporare. La miscela di vapore e liquido viene separata nel separatore 2, il liquido completo viene scaricato dal fondo del separatore, mentre il vapore secondario viene scaricato dall'alto. Va notato che se la quantità di acqua evaporata dal liquido non è elevata, sarà difficile raggiungere la velocità del vapore richiesta, ovvero l'evaporatore a film ascendente non è adatto per evaporare soluzioni concentrate; Inoltre non è adatto per materiali ad alta viscosità, facile cristallizzazione o scagliatura.
2. La differenza tra l'evaporatore a film discendente e l'evaporatore a film ascendente è che il liquido di alimentazione viene aggiunto dalla parte superiore dell'evaporatore e, sotto l'azione della gravità, forma una pellicola simile a una discesa lungo la parete del tubo ed evapora e si addensa durante questo processo, ottenendo un liquido concentrato sul fondo. A causa del diverso meccanismo di formazione della pellicola-rispetto all'evaporatore a film ascendente, l'evaporatore a film discendente può far evaporare materiali con concentrazione, viscosità (ad esempio nell'intervallo 0,05-0,45 Ns/m2) e sensibilità termica più elevate. Tuttavia, a causa della distribuzione non uniforme del film liquido all'interno del tubo e del coefficiente di trasferimento termico inferiore rispetto all'evaporatore a film ascendente, non è ancora adatto per materiali soggetti a cristallizzazione o incrostazione.
Grazie al flusso simile a una pellicola della soluzione nell'evaporatore unidirezionale, il coefficiente di trasferimento del calore convettivo è notevolmente migliorato, consentendo alla soluzione di raggiungere la concentrazione richiesta in un unico passaggio attraverso la camera di riscaldamento senza ulteriore circolazione. Pertanto presenta maggiori vantaggi rispetto all'evaporatore a circolazione. I vantaggi di non far circolare la soluzione includono: (1) il tempo di permanenza della soluzione nell'evaporatore è molto breve, rendendola particolarmente adatta all'evaporazione di materiali termosensibili; (2) La concentrazione dell'intera soluzione non è sempre vicina alla concentrazione del liquido finito come nel tipo a circolazione, quindi la differenza di temperatura effettiva di questo evaporatore è relativamente grande. Il suo principale svantaggio è che è piuttosto sensibile alle fluttuazioni del carico di alimentazione e, quando la progettazione o il funzionamento non sono adatti, non è facile formare una pellicola. In questo momento, il coefficiente di trasferimento del calore convettivo diminuirà in modo significativo.
3. L'evaporatore a raschiatore è dotato di una camicia di vapore riscaldante all'interno del guscio dell'evaporatore, dotata di lame girevoli o raschiatori. Esistono due tipi di raschiatori: tipo fisso e tipo a rotore. Lo spazio tra il primo e la parete interna del guscio è di 0,5-1,5 mm, mentre lo spazio tra il secondo e la parete varia con il numero di giri del rotore. Il liquido viene aggiunto lungo la direzione tangente dalla parte superiore dell'evaporatore (aggiunto anche alla vaschetta materiale coassiale al raschiatore). Per effetto della gravità, della forza centrifuga e dell'azione del raschiatore rotante, la soluzione forma una pellicola di rotazione verso il basso sulla parete interna del dispositivo, e durante questo processo viene evaporata e concentrata, completando lo scarico del liquido sul fondo. Questo tipo di evaporatore è un evaporatore unidirezionale che utilizza l'energia esterna per formare una pellicola. Il suo vantaggio eccezionale è la forte adattabilità ai materiali e il breve tempo di permanenza, solitamente pochi secondi o decine di secondi, che lo rendono adatto per alta viscosità (come estratto di tannino, miele, ecc.) e materiali soggetti a cristallizzazione, incrostazione e sensibilità al calore. Ma la sua struttura è complessa e consuma molta energia, richiedendo circa 1,5-3 kW per metro quadrato di superficie di scambio termico. Inoltre, la sua capacità di lavorazione è molto ridotta e i requisiti di produzione e installazione sono elevati.
Evaporatore con trasferimento di calore a contatto diretto
Nella produzione reale,Evaporatori da laboratorioa volte vengono utilizzati con trasferimento di calore a contatto diretto. Mescola il carburante (solitamente gas e olio) con l'aria e lo brucia in una camera di combustione immersa in una soluzione, producendo fiamme e fumo ad alta-temperatura che vengono spruzzati direttamente nella soluzione evaporata attraverso gli ugelli sul fondo della camera di combustione. Il gas ad alta temperatura e la soluzione entrano in contatto diretto, mentre il trasferimento di calore avviene per evaporare e vaporizzare l'acqua. Il vapore acqueo e i gas di scarico risultanti vengono scaricati insieme dalla parte superiore dell'evaporatore. La profondità di immersione della camera di combustione nella soluzione è generalmente di 0,2-0,6 m e la temperatura del gas in uscita dalla camera di combustione può raggiungere oltre 1000 gradi. Grazie al trasferimento di calore per contatto diretto, l'effetto di trasferimento del calore è molto buono e il tasso di utilizzo del calore è elevato. A causa della mancanza di una parete fissa di trasferimento del calore, la struttura è semplice e particolarmente adatta all'evaporazione di materiali soggetti a cristallizzazione, incrostazione e corrosione. È stato ampiamente utilizzato nel trattamento degli acidi dei rifiuti e nell'evaporazione della soluzione di solfato di ammonio. Ma se il liquido evaporato non può essere contaminato dal fumo, allora questo tipo di evaporatore generalmente non è adatto. Inoltre, a causa della presenza di una grande quantità di fumo, l'utilizzo del vapore secondario è limitato. Inoltre, l'ugello è più soggetto a danni dovuti all'immersione in liquidi ad alta temperatura. Dall'introduzione di cui sopra, si può vedere che esistono molti tipi strutturali di evaporatori, ciascuno con i propri vantaggi, svantaggi e situazioni applicabili. Quando si seleziona, la prima cosa da considerare è se può adattarsi alle caratteristiche di processo del materiale evaporato, inclusa la sua viscosità, sensibilità termica, corrosività e se è soggetto a cristallizzazione o incrostazione. Quindi, è necessario avere una struttura semplice, una fabbricazione facile, un basso consumo di metallo, una manutenzione conveniente, un buon effetto di trasferimento del calore e così via.
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