薄膜蒸发器中的流体运动

摘要：

介绍了一种由空心立式圆筒与旋转叶片组成的蒸发器中流体运动的分析方法。旋转叶片的作用使薄膜停留在蒸发器的内表面，并在叶片前形成一个弓形波。三种类型的流动被确定为对流体输送有影响：在压力梯度的影响下流动，由于重力作用的流动，以及由于旋转叶片的作用而产生的阻力。本文推导出描述这些流动的方程，以及一个关于弓形波剖面的方程，并给出了与理论发展相一致的实验数据。

引言：

在蒸发单元操作中，人们越来越关注和热衷于对蒸发和分离溶剂过程中高性能设备的设计。在这些过程中，蒸发速率的提升通常被传热与传质所限制。因此，薄膜蒸发和薄膜蒸发器是特别值得关注的，因为薄膜能够得到较高的局部热和较大的传质率，并且薄膜蒸发器能够在系统中连续重复生产。^[1]

降膜蒸发被普遍认为能适用于具有水的粘度相近液体的蒸发，由于它完全依赖于流体自身的重力，因此将不适合大多数蒸发系统。通过增加旋转的叶片、丝带以及其他类似装置来为流体输送过程中提供机械辅助，可以在下降的流体上增加重力。有种方法是在设计这种设备时，采用高通量来结合高热量和传质率。^[2]

本文介绍了一种由相对较短的旋转叶片与空心垂直圆筒组成的蒸发器中流体运动的分析。图1为单个刀片的示意图。值得注意的是，由于旋转叶片的作用会在叶片前面形成一个弓形波。叶片的运动在圆柱体的内表面上会使流体形成一层直到叶片下一次经过之前保持静止薄膜。在薄膜的状态下的流体会迅速接近壁面的温度。并且，遗留在液体自由表面的气体上很容易被除去。

在弓形波内的流体运动可看成弓形波中的流体与它通过的薄膜相混合后的运动。因此，每个叶片可作为一个混合器与一个成膜装置。这些过程叠加起来的流体运动，使流体沿着圆筒向下移动。本文仅考虑通过这种装置整体的流体输送。由于高粘度(100泊或以上)液体，薄膜本身不会移动，因此理解整个流体运动的关键是理解液体在弓形波中发生的流动。这篇论文没有考虑到液体在弓形波中混合的重要问题，但将是以后论文的主题。

叶片流动状况: