اواپراتورهای آزمایشگاهی

با توجه به حرکت محلول در اواپراتور، عبارتند از:

ویژگی های محصول

اواپراتور در گردش

این نوع اواپراتور اجازه می دهد تا محلول در اواپراتور گردش کند. با توجه به علل مختلف گردش خون، می توان آن را به دو دسته تقسیم کرد: گردش طبیعی و گردش اجباری.
1. اواپراتور لوله گردش مرکزی، همچنین به عنوان اواپراتور استاندارد شناخته می شود. محفظه گرمایش آن از دسته های لوله عمودی تشکیل شده است که یک لوله گردش مرکزی با قطر بزرگ در وسط قرار دارد و سایر لوله های گرمایش با قطر کوچکتر لوله های جوش نامیده می شوند. به دلیل اندازه بزرگتر لوله گردش مرکزی، سطح انتقال حرارت که توسط یک واحد حجم محلول اشغال می شود، کوچکتر از سطح اشغال شده توسط یک واحد حجم محلول در لوله جوش است. این بدان معناست که درجه حرارت محلول در لوله گردش مرکزی و سایر لوله‌های گرمایش متفاوت است و در نتیجه چگالی بخار{4}}ترکیب مایع مایع در لوله جوش نسبت به لوله گردش مرکزی کمتر است. علاوه بر این، اثر مکش رو به بالا افزایش بخار باعث می شود که محلول در اواپراتور جریان گردشی را از لوله گردش مرکزی به سمت لوله جوش در حال صعود تشکیل دهد. این نوع چرخه عمدتاً ناشی از اختلاف چگالی محلول است، بنابراین به آن چرخه طبیعی می گویند. این اثر برای بهبود راندمان انتقال حرارت در داخل اواپراتور مفید است.
به منظور اطمینان از گردش خوب محلول، سطح مقطع لوله گردش مرکزی معمولاً 40-100٪ کل سطح مقطع لوله‌های گرمایشی دیگر است. ارتفاع لوله گرمایش به طور کلی 1-2 متر است. قطر لوله گرمایش بین 25-75 میلی متر است. این نوع اواپراتور به دلیل ساختار فشرده، ساخت آسان، انتقال حرارت خوب و عملکرد قابل اعتماد آن بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، به دلیل محدودیت های ساختاری، سرعت دوچرخه سواری زیاد نیست. با گردش مداوم محلول در محفظه گرمایش، غلظت آن همیشه به غلظت محلول کامل نزدیک می شود و در نتیجه نقطه جوش محلول بالا و اختلاف دمای موثر کاهش می یابد. این یک اشکال رایج اواپراتورهای گردشی است. علاوه بر این، تمیز کردن و نگهداری تجهیزات به اندازه کافی راحت نیست، بنابراین این اواپراتور برای برآورده کردن کامل نیازهای تولید دشوار است.

2. به منظور غلبه بر معایب تبلور آسان، پوسته پوسته شدن و تمیز کردن سخت مایع تبخیر کننده در اواپراتور در گردش، بهبود معقول تری در ساختار اواپراتور استاندارد که اواپراتور سبد معلق است، صورت گرفته است. محفظه گرمایش 4 مانند یک سبد است که در قسمت پایینی پوسته اواپراتور معلق است و با یک لوله گردش مرکزی با یک کانال حلقوی بین دیواره بیرونی محفظه گرمایش و دیواره داخلی اواپراتور جایگزین شده است. محلول در امتداد مرکز لوله گرمایش بالا می رود و سپس در امتداد شکاف حلقوی بین دیواره بیرونی محفظه گرمایش سبد معلق و دیواره داخلی اواپراتور به سمت پایین جریان می یابد تا یک چرخه را تشکیل دهد. با توجه به اینکه مساحت شکاف حلقوی تقریباً 100 تا 150 درصد کل سطح مقطع-لوله گرمایشی است، سرعت گردش محلول بالاتر از اواپراتور استاندارد است و به 1.5 متر بر ثانیه می‌رسد. علاوه بر این، محفظه گرمایش این اواپراتور را می توان برای تعمیر و یا تعویض از بالا جدا کرد و تلفات حرارتی نیز نسبتاً کم است. عیب اصلی آن ساختار پیچیده و مصرف بالای فلز در واحد سطح انتقال حرارت است.

3. اواپراتور گردش طبیعی ذکر شده در بالا دارای سرعت گردشی است که به اندازه کافی بالا نیست، معمولاً کمتر از 1.5 متر بر ثانیه. برای اینکه اواپراتور برای تبخیر محلول هایی با ویسکوزیته بالا، تبلور آسان یا پوسته پوسته شدن شدید مناسب تر شود و سرعت گردش محلول برای افزایش چرخه کار و کاهش تعداد دفعات تمیز کردن افزایش یابد.
ویژگی ساختاری آن افزودن یک محفظه جوش در بالای محفظه گرمایش است. محلول موجود در محفظه گرمایش به دلیل فشار استاتیکی که ستون مایع در محفظه جوش اضافه می کند، در لوله گرمایش نمی جوشد. فقط زمانی می تواند شروع به جوشیدن کند که به محفظه جوش برسد و فشار کاهش یابد. بنابراین، جوشیدن و تبخیر محلول از محفظه گرما به محفظه جوش بدون سطح انتقال حرارت منتقل می شود، بنابراین از تشکیل کریستال یا کثیفی در لوله گرمایش جلوگیری می شود. علاوه بر این، سطح مقطع لوله گردش این اواپراتور حدود 2-3 برابر کل سطح مقطع لوله گرمایش است و سرعت گردش محلول می تواند به 2.5 تا 3 متر بر ثانیه یا بیشتر برسد، بنابراین ضریب انتقال حرارت کلی نیز نسبتاً بالا است. نقطه ضعف اصلی این اواپراتور افت زیاد اختلاف دما ناشی از اثر فشار استاتیکی ستون مایع است (برای جزئیات به 6.3.1 مراجعه کنید). برای حفظ یک تفاوت دمای موثر معین، فشار بالایی برای گرم کردن بخار مورد نیاز است. علاوه بر این، تجهیزات بزرگ هستند، مواد زیادی مصرف می کنند و به کارخانه های بلند نیاز دارند. علاوه بر اواپراتور با گردش طبیعی که در بالا ذکر شد، هنگام تبخیر مواد با ویسکوزیته بالا، تبلور آسان و پوسته پوسته شدن از یک اواپراتور با گردش اجباری نیز استفاده می شود. در این اواپراتور، گردش محلول عمدتاً متکی به نیروی خارجی است که برای ایجاد گردش توسط یک پمپ مجبور به جریان در جهت خاصی می شود. اندازه سرعت گردش را می توان با تنظیم نرخ جریان پمپ، معمولاً بالای 2.5 متر بر ثانیه، کنترل کرد. ضریب انتقال حرارت اواپراتور با گردش اجباری نیز بالاتر از گردش طبیعی عمومی است. اما نقطه ضعف آشکار آن مصرف بالای انرژی است که به حدود 0.4-0.8 کیلو وات در هر متر مربع از منطقه گرمایش نیاز دارد.

اواپراتور یک طرفه-

ویژگی اصلی این نوع ازاواپراتورهای آزمایشگاهیاین است که محلول فقط یک بار از محفظه گرمایش در اواپراتور عبور می کند و به صورت مایع غلیظ بدون جریان در گردش تخلیه می شود. هنگامی که محلول از محفظه گرمایش عبور می کند، به شکل فیلم روی دیواره لوله جریان می یابد، بنابراین معمولاً به عنوان تبخیر کننده فیلم مایع شناخته می شود. با توجه به جهات مختلف جریان مواد در اواپراتور، اواپراتورهای تک پاس به انواع زیر تقسیم می شوند.
1. محفظه گرمایش یک اواپراتور فیلم بالارونده از بسیاری از لوله های بلند عمودی تشکیل شده است. قطر لوله گرمایش معمولاً 25-50 میلی متر است و نسبت طول لوله به قطر لوله تقریباً 100-150 است. پس از پیش گرم شدن، مایع از ته اواپراتور وارد می شود و در لوله گرمایش گرم می شود، می جوشد و به سرعت تبخیر می شود. بخار تولید شده با سرعت بالا در لوله گرمایش بالا می رود. سرعت بخار خروجی مناسب برای عملکرد فشار معمولی 20-50 متر بر ثانیه است و برای عملکرد فشار کاهش یافته، سرعت بخار می تواند به 100-160 متر بر ثانیه یا حتی بیشتر برسد. محلول توسط بخار بالارفته هدایت می شود، در یک فیلم در امتداد دیواره لوله بالا می رود و به تبخیر ادامه می دهد. مخلوط بخار و مایع در جداکننده 2 جدا می شود و مایع کامل از پایین جداکننده تخلیه می شود در حالی که بخار ثانویه از بالا تخلیه می شود. لازم به ذکر است که اگر مقدار آب تبخیر شده از مایع زیاد نباشد، دستیابی به سرعت بخار مورد نیاز دشوار خواهد بود، یعنی اواپراتور فیلم بالارونده برای تبخیر محلول های غلیظ مناسب نیست. همچنین برای مواد با ویسکوزیته بالا، تبلور آسان یا پوسته پوسته شدن مناسب نیست.

2. تفاوت بین اواپراتور فیلم ریزشی و اواپراتور فیلم بالارونده در این است که مایع تغذیه از بالای اواپراتور اضافه می شود و تحت تأثیر گرانش، فیلمی مانند فرود در امتداد دیواره لوله تشکیل می دهد و در طی این فرآیند تبخیر و غلیظ می شود و مایع غلیظی در کف آن به دست می آید. با توجه به مکانیسم متفاوت تشکیل فیلم از اواپراتور فیلم بالارونده، اواپراتور فیلم در حال سقوط می تواند موادی با غلظت، ویسکوزیته (مانند محدوده 0.05-0.45Ns/m2) و حساسیت حرارتی بالاتر را تبخیر کند. با این حال، به دلیل توزیع نابرابر فیلم مایع در داخل لوله و ضریب انتقال حرارت کمتر در مقایسه با اواپراتور فیلم بالارونده، هنوز برای موادی که مستعد تبلور یا پوسته پوسته شدن هستند، مناسب نیست.
با توجه به جریان فیلمی محلول در اواپراتور یک طرفه، ضریب انتقال حرارت همرفتی بسیار بهبود یافته است و به محلول اجازه می دهد در یک عبور از محفظه گرمایش بدون گردش بیشتر به غلظت مورد نیاز برسد. بنابراین مزایای بیشتری نسبت به اواپراتور گردشی دارد. مزایای عدم گردش محلول عبارتند از: (1) زمان ماندن محلول در اواپراتور بسیار کوتاه است و آن را به ویژه برای تبخیر مواد حساس به حرارت مناسب می کند. (2) غلظت کل محلول مانند نوع گردشی همیشه نزدیک به غلظت مایع نهایی نیست، بنابراین تفاوت دمای موثر این اواپراتور نسبتاً زیاد است. عیب اصلی آن این است که به نوسانات بار خوراک کاملاً حساس است و هنگامی که طراحی یا عملکرد مناسب نباشد، تشکیل فیلم آسان نیست. در این زمان، ضریب انتقال حرارت همرفتی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

3. اواپراتور اسکراپر دارای یک ژاکت بخار گرمایشی در داخل پوسته اواپراتور است که مجهز به تیغه ها یا اسکراپرهای قابل چرخش است. دو نوع اسکراپر وجود دارد: نوع ثابت و نوع روتور. شکاف بین اولی و دیواره داخلی پوسته 0.5-1.5 میلی متر است، در حالی که شکاف بین دومی و دیواره با تعداد دورهای روتور تغییر می کند. مایع در امتداد جهت مماس از قسمت بالایی اواپراتور اضافه می شود (همچنین به سینی مواد هم محور با اسکراپر اضافه می شود). این محلول به دلیل نیروی جاذبه، نیروی گریز از مرکز و عمل اسکراپر چرخان، فیلمی از چرخش رو به پایین بر روی دیواره داخلی دستگاه تشکیل می دهد و در طی این فرآیند تبخیر و متمرکز می شود و تخلیه مایع در پایین را تکمیل می کند. این نوع اواپراتور یک اواپراتور یک طرفه است که از نیروی خارجی برای تشکیل فیلم استفاده می کند. مزیت برجسته آن سازگاری قوی با مواد و زمان ماند کوتاه است که معمولاً چند ثانیه یا ده‌ها ثانیه است که آن را برای ویسکوزیته بالا (مانند عصاره تانن، عسل و غیره) و موادی که مستعد تبلور، پوسته پوسته شدن و حساسیت حرارتی هستند مناسب می‌کند. اما ساختار آن پیچیده است و انرژی زیادی مصرف می کند و به حدود 1.5-3 کیلو وات در هر متر مربع سطح انتقال حرارت نیاز دارد. علاوه بر این، ظرفیت پردازش آن بسیار کم است و نیازهای ساخت و نصب بالا است.

اواپراتور با تماس مستقیم انتقال حرارت

در تولید واقعی،اواپراتورهای آزمایشگاهیبا تماس مستقیم انتقال حرارت گاهی اوقات استفاده می شود. سوخت (معمولاً گاز و نفت) را با هوا مخلوط می کند و آن را در یک محفظه احتراق غوطه ور در محلول می سوزاند و شعله های{1} و دود با دمای بالا تولید می کند که مستقیماً از طریق نازل های پایین محفظه احتراق به محلول تبخیر شده پاشیده می شود. گاز و محلول با دمای بالا به طور مستقیم در تماس هستند، در حالی که انتقال حرارت برای تبخیر و تبخیر آب رخ می دهد. بخار آب و گاز خروجی با هم از بالای اواپراتور تخلیه می شوند. عمق غوطه ور شدن محفظه احتراق آن در محلول معمولاً 0.2-0.6 متر است و دمای گاز خروجی از محفظه احتراق می تواند به بیش از 1000 درجه برسد. به دلیل انتقال حرارت تماس مستقیم، اثر انتقال حرارت آن بسیار خوب است و میزان استفاده از گرما بالا است. به دلیل عدم وجود دیوار انتقال حرارت ثابت، ساختار ساده و مخصوصاً برای تبخیر موادی که مستعد تبلور، پوسته پوسته شدن و خوردگی هستند مناسب است. به طور گسترده ای در تصفیه اسید زباله و تبخیر محلول سولفات آمونیوم استفاده می شود. اما اگر مایع تبخیر شده اجازه آلوده شدن به دود را نداشته باشد، این نوع اواپراتور به طور کلی مناسب نیست. و به دلیل وجود مقدار زیادی دود، استفاده از بخار ثانویه محدود است. علاوه بر این، نازل به دلیل غوطه ور شدن در مایع با دمای بالا بیشتر در معرض آسیب است. از مقدمه بالا می توان دریافت که اواپراتورها انواع ساختاری زیادی دارند که هر کدام مزایا، معایب و موقعیت های کاربردی خاص خود را دارند. هنگام انتخاب، اولین چیزی که باید در نظر گرفته شود این است که آیا می تواند با ویژگی های فرآیندی مواد تبخیر شده، از جمله ویسکوزیته، حساسیت حرارتی، خورندگی، و اینکه آیا مستعد تبلور یا پوسته پوسته شدن است، سازگار است یا خیر. سپس، لازم است ساختار ساده، ساخت آسان، مصرف کم فلز، نگهداری راحت، اثر انتقال حرارت خوب و غیره داشته باشید.