蒸發器的結構、性能特點及選型技巧，全都在此

蒸發的概念

將含有不揮發溶質的溶液加熱沸騰，使其中的揮發性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發。蒸發操作廣泛應用於化工、輕工、製藥、食品等許多工業中。

1．蒸發操作的目的

工業蒸發操作的主要目的是：

（1）稀溶液的增濃直接製取液體產品，或者將濃縮的溶液再經進一步處理（如冷卻結晶）製取固體產品，例如稀燒鹼溶液（電解液）的濃縮、蔗糖水溶液的濃縮以及各種果汁、牛奶的濃縮等等；

（2）純凈溶劑的製取，此時蒸出的溶劑是產品，例如海水蒸發脫鹽製取淡水。

（3）同時製備濃溶液和回收溶劑，例如中藥生產中酒精浸出液的蒸發。

工業上被蒸發的溶液多為水溶液，故本章的討論僅限於水溶液的蒸發。原則上，水溶液蒸發的基本原理和設備對其它液體的蒸發也是適用的。

2．蒸發流程

按照分子運動學說，當液體受熱時，靠近加熱面的分子不斷地獲得動能。當一些分子的動能大於液體分子之間的引力時，這些分子便會從液體表面逸出而成為自由分子，此即分子的汽化。因此溶液的蒸發需要不斷地向溶液提供熱能，以維持分子的連續汽化；另一方面，液面上方的蒸汽必須及時移除，否則蒸汽與溶液將逐漸趨於平衡，汽化將不能連續進行。

液體蒸發過程

液體蒸發的簡化流程如圖片所示，其主體設備—蒸發器由加熱室和分離室兩部分組成，其中加熱室為一垂直排列的加熱管束，在管外用加熱介質（通常為飽和水蒸汽）加熱管內的溶液，使之沸騰汽化。濃縮了的溶液（稱為完成液）由蒸發器的底部排出。而溶液汽化產生的蒸汽經上部的分離室與溶液分離後由頂部引至冷凝器。為便於區別，將蒸出的蒸汽稱為二次蒸汽，而將加熱蒸汽稱為生蒸汽或新鮮蒸汽。

對於沸點較高的溶液的蒸發，可採用高溫載熱體如導熱油、融鹽等作為加熱介質，也可以採用煙道氣直接加熱。

1．蒸發過程的分類

（1）常壓蒸發、加壓蒸發和減壓蒸發

按蒸發操作壓力的不同，可將蒸發過程分為常壓、加壓和減壓（真空）蒸發。對於大多數無特殊要求的溶液，採用常壓、加壓或減壓操作均可。但對於熱敏性料液，例如抗生素溶液、果汁等的蒸發，為了保證產品質量，需要在減壓條件下進行。減壓蒸發的優點是：

①溶液沸點降低，在加熱蒸汽溫度一定的條件下，蒸發器傳熱的平均溫度差增大，於是傳熱面積減小；

②由於溶液沸點降低，可以利用低壓蒸汽或廢熱蒸汽作為加熱蒸汽；

③溶液沸點低，可防止熱敏性物料的變性或分解；

④由於溫度低，系統的熱損失小。但另一方面，由於沸點降低，溶液的粘度大，使蒸發的傳熱係數減小，同時，減壓蒸發時，造成真空需要增加設備和動力。

（2）單效蒸發與多效蒸發

根據二次蒸汽是否用作另一蒸發器的加熱蒸汽，可將蒸發過程分為單效蒸發和多效蒸發。若前一效的二次蒸汽直接冷凝而不再利用，稱為單效蒸發，圖片5-1所示為單效蒸發的流程示意。若將二次蒸汽引至下一蒸發器作為加熱蒸汽，將多個蒸發器串聯，使加熱蒸汽多次利用的蒸發過程稱為多效蒸發。

（3）間歇蒸發與連續蒸發

根據蒸發的過程模式，可將其分為間歇蒸發和連續蒸發。間歇蒸發系指分批進料或出料的蒸發操作。間歇操作的特點是：在整個過程中，蒸發器內溶液的濃度和沸點隨時間改變，故間歇蒸發為非穩態操作。通常間歇蒸發適合於小規模多品種的場合，而連續蒸發適合於大規模的生產過程。

4．蒸發操作的特點

前已述及，蒸發操作是從溶液中分離出部分溶劑，而溶液中所含溶質的數量不變，因此蒸發是一個熱量傳遞過程，其傳熱速率是蒸發過程的控制因素。蒸發所用的設備屬於熱交換設備。

但與一般的傳熱過程比較，蒸發過程又具有其自身的特點，主要表現在：

（1）溶液沸點升高

被蒸發的料液是含有非揮發性溶質的溶液，由拉烏爾定律可知，在相同的溫度下，溶液的蒸汽壓低於純溶劑的蒸氣壓。換言之，在相同壓力下，溶液的沸點高於純溶劑的沸點。因此，當加熱蒸汽溫度一定，蒸發溶液時的傳熱溫度差要小於蒸發溶劑時的溫度差。溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。在進行蒸發設備的計算時，必須考慮溶液沸點上升的這種影響。

（2）物料的工藝特性蒸發過程中，溶液的某些性質隨著溶液的濃縮而改變。

有些物料在濃縮過程中可能結垢、析出結晶或產生泡沫；有些物料是熱敏性的，在高溫下易變性或分解；有些物料具有較大的腐蝕性或較高的粘度等等。因此，在選擇蒸發的方法和設備時，必須考慮物料的這些工藝特性。

（3）能量利用與回收

蒸發時需消耗大量的加熱蒸汽，而溶液汽化又產生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潛熱，提高加熱蒸汽的經濟程度，也是蒸發器設計中的重要問題。

蒸發設備

隨著工業蒸發技術的不斷發展，蒸發設備的結構與型式亦不斷改進與創新，其種類繁多，結構各異。目前工業上實用的蒸發設備約有六十餘種，其中最常用的也有十餘種型式，本節僅介紹常用的幾種。

1.常用蒸發器的結構與特點

常用蒸發器主要由加熱室和分離室兩部分組成。加熱室的型式有多種，最初採用夾套式或蛇管式加熱裝置，其後則有橫卧式短管加熱室及豎式短管加熱室。繼而又發明了豎式長管液膜蒸發器，以及刮板式薄膜蒸發器等等。根據溶液在蒸發器中流動的情況，大致可將工業上常用的間接加熱蒸發器分為循環型與單程型兩類。

（1）循環型蒸發器

這類蒸發器的特點是溶液在蒸發器內作循環流動。根據造成液體循環的原理的不同，又可將其分為自然循環和強制循環兩種類型。前者是藉助在加熱室不同位置上溶液的受熱程度不同，使溶液產生密度差而引起的自然循環；後者是依靠外加動力使溶液進行強制循環。目前常用的循環型蒸發器有以下幾種：

a.中央循環管式蒸發器

中央循環管式蒸發器的結構如圖片所示，其加熱室由一垂直的加熱管束（沸騰管束）構成，在管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環管，其截面積一般為加熱管束總截面積的40~100%。

當加熱介質通入管間加熱時，由於加熱管內單位體積液體的受熱面積大於中央循環管內液體的受熱面積，因此加熱管內液體的相對密度小，從而造成加熱管與中央循環管內液體之間的密度差，這種密度差使得溶液自中央循環管下降，再由加熱管上升的自然循環流動。溶液的循環速度取決於溶液產生的密度差以及管的長度，其密度差越大，管子越長，溶液的循環速度越大。但這類蒸發器由於受總高度限制，加熱管長度較短，一般為1~2m，直徑為25~75mm，長徑比為20~40。

中央循環管蒸發器具有結構緊湊、製造方便、操作可靠等優點，故在工業上的應用十分廣泛，有所謂「標準蒸發器」之稱。但實際上，由於結構上的限制，其循環速度較低（一般在0.5m/s以下）；而且由於溶液在加熱管內不斷循環，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點高、有效溫度差減小。此外，設備的清洗和檢修也不夠方便。

b.懸筐式蒸發器

懸筐式蒸發器是中央循環管蒸發器的改進。其加熱室像個懸筐，懸挂在蒸發器殼體的下部，可由頂部取出，便於清洗與更換。加熱介質由中央蒸汽管進入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發器殼體的內壁之間有環隙通道，其作用類似於中央循環管。操作時，溶液沿環隙下降而沿加熱管上升，形成自然循環。一般環隙截面積約為加熱管總面積的100~150%，因而溶液循環速度較高（約為1~1.5m/s）。由於與蒸發器外殼接觸的是溫度較低的沸騰液體，故其熱損失較小。

懸筐式蒸發器適用於蒸發易結垢或有晶體析出的溶液。它的缺點是結構複雜，單位傳熱面需要的設備材料量較大。

c.外熱式蒸發器

外熱式蒸發器的特點是加熱室與分離室分開，這樣不僅便於清洗與更換，而且可以降低蒸發器的總高度。因其加熱管較長（管長與管徑之比為50~100），同時由於循環管內的溶液不被加熱，故溶液的循環速度大，可達1.5m/s。

d.列文蒸發器

列文蒸發器的特點是在加熱室的上部增設一沸騰室。這樣，加熱室內的溶液由於受到這一段附加液柱的作用，只有上升到沸騰室時才能汽化。在沸騰室上方裝有縱向隔板，其作用是防止氣泡長大。此外，因循環管不被加熱，使溶液循環的推動力較大。循環管的高度一般為7~8m，其截面積約為加熱管總截面積的200~350%。因而循環管內的流動阻力較小，循環速度可高達2 ~3m/s。

列文蒸發器的優點是循環速度大，傳熱效果好，由於溶液在加熱管中不沸騰，可以避免在加熱管中析出晶體，故適用於處理有晶體析出或易結垢的溶液。其缺點是設備龐大，需要的廠房高。此外，由於液層靜壓力大，故要求加熱蒸汽的壓力較高。

e.強制循環蒸發器

上述各種蒸發器均為自然循環型蒸發器，即靠加熱管與循環管內溶液的密度差引起溶液的循環，這種循環速度一般都比較低，不宜處理粘度大、易結垢及有大量析出結晶的溶液。對於這類溶液的蒸發，可採用強制循環型蒸發器。這種蒸發器是利用外加動力（循環泵）使溶液沿一定方向作高速循環流動。循環速度的大小可通過調節泵的流量來控制。一般循環速度在2.5m/s以上。

這種蒸發器的優點是傳熱係數大，對於粘度較大或易結晶、結垢的物料，適應性較好，但其動力消耗較大。

(2)單程型蒸發器

這類蒸發器的特點是，溶液沿加熱管壁成膜狀流動，一次通過加熱室即達到要求的濃度，而停留時間僅數秒或十幾秒鐘。

單程型蒸發器的主要優點是傳熱效率高，蒸發速度快，溶液在蒸發器內停留時間短，因而特別適用於熱敏性物料的蒸發。

按物料在蒸發器內的流動方向及成膜原因的不同，可以分為以下幾種類型：（1）升膜蒸發器；（2）降膜蒸發器；（3）升—降膜蒸發器；（4）刮板薄膜蒸發器。

a.升膜蒸發器

升膜式蒸發器其加熱室由一根或數根垂直長管組成，通常加熱管直徑為25~50mm，管長與管徑之比為100~150。原料液經預熱後由蒸發器的底部進入，加熱蒸汽在管外冷凝。當溶液受熱沸騰后迅速汽化，所生成的二次蒸汽在管內高速上升，帶動液體沿管內壁成膜狀向上流動，上升的液膜因受熱而繼續蒸發。故溶液自蒸發器底部上升至頂部的過程中逐漸被蒸濃，濃溶液進入分離室與二次蒸汽分離後由分離器底部排出。常壓下加熱管出口處的二次蒸汽速度不應小於10m/s，一般為20~50m/s，減壓操作時，有時可達100~160m/s或更高。

升膜蒸發器適用於蒸發量較大（即稀溶液）、熱敏性及易起泡沫的溶液，但不適於高粘度、有晶體析出或易結垢的溶液。

b.降膜蒸發器

降膜式蒸發器與升膜蒸發器的區別在於原料液由加熱管的頂部加入。溶液在自身重力作用下沿管內壁呈膜狀下流，並被蒸發濃縮，汽液混合物由加熱管底部進入分離室，經氣液分離后，完成液由分離器的底部排出。

為使溶液能在壁上均勻成膜，在每根加熱管的頂部均需設置液體布膜器。布膜器的型式有多種，下圖所示為較常用的三種。a採用一螺旋型溝槽的圓柱體作為導流管，液體沿溝槽旋轉下流分佈在整個管內壁上；圖片b的導流管下部為圓錐體，錐體底面向下內凹，以免沿錐體斜面流下的液體再向中央聚集；圖片c中，液體是通過齒縫沿加熱管內壁成膜狀下降。

降膜蒸發器可以蒸發濃度較高的溶液，對於粘度較大的物料也能適用。但對於易結晶或易結垢的溶液不適用。此外，由於液膜在管內分佈不易均勻，與升膜蒸發器相比，其傳熱係數較小。

c.升—降膜蒸發器

將升膜和降膜蒸發器裝在一個外殼中，即構成升—降膜蒸發器，原料液經預熱后先由升膜加熱室上升，然後由降膜加熱器下降，再在分離室中和二次蒸汽分離后即得完成液。

這種蒸發器多用於蒸發過程中溶液的粘度變化很大，水分蒸發量不大和廠房高度有一定限制的場合。

（4）刮板薄膜蒸發器

這種蒸發器是利用旋轉刮片的刮帶作用，使液體分佈在加熱管壁上。它的突出優點是對物料的適應性很強，例如對於高粘度、熱敏性和易結晶、結垢的物料都能適用。

刮板薄膜蒸發器的結構如圖片(5-11)所示。它的殼體外部裝有加熱蒸汽夾套，其內部裝有可旋轉的攪拌刮片，旋轉刮片有固定的和活動的兩種。前者與殼體內壁的縫隙為0.75~1.5mm，後者與器壁的間隙隨攪拌軸的轉數而變。料液由蒸發器上部沿切線方向加入后，在重力和旋轉刮片帶動下，溶液在殼體內壁上形成下旋的薄膜，並在下降過程中不斷被蒸發濃縮，在底部得到完成液。

在某些情況下，可將溶液蒸干而由底部直接獲得固體產物。這類蒸發器的缺點是結構複雜，動力消耗大，傳熱面積小，一般為3~4m2，最大不超過20m2，故其處理量較小。

（3）直接接觸傳熱的蒸發器

在實際生產中，除上述循環型和單程型兩大類間壁式傳熱的蒸發器外，有時還應用直接接觸傳熱的蒸發器。它是將燃料（通常是煤氣或重油）與空氣混合后燃燒產生的高溫煙氣直接噴入被蒸發的溶液中，高溫煙氣與溶液直接接觸，使得溶液迅速沸騰汽化。蒸發出的水分與煙氣一起由蒸發器的頂部直接排出。

通常這種蒸發器的燃燒室在溶液中的深度為200~600mm，燃燒室內高溫煙氣的溫度可達1000℃以上，但由於氣液直接接觸時傳熱速率快，氣體離開液面時只比溶液溫度高出2~4℃。燃燒室的噴嘴因在高溫下使用，較易損壞，故應選用耐高溫和耐腐蝕的材料製作，結構上應考慮便於更換。

浸沒燃燒蒸發器的特點是結構簡單，傳熱效率高。該蒸發器特別適用於處理易結晶、結垢或有腐蝕性的物料的蒸發。目前在廢酸處理和硫酸銨鹽溶液的蒸發中，已廣泛採用此種蒸發器。但它不適用於不可被煙氣污染物料的處理，而且它的二次蒸汽也很難利用。

2.蒸發器的選型

(1)蒸發器改進與發展

近年來，國內外對於蒸發器的研究十分活躍，歸結起來主要有以下幾個方面：

a.開發新型蒸發器

在這方面主要是通過改進加熱管的表面形狀來提高傳熱效果，例如新近發展起來的板式蒸發器，不但具有體積小、傳熱效率高、溶液滯留時間短等優點，而且其加熱面積可根據需要而增減，拆卸和清洗方便。又如，在石油化工、天然氣液化中使用的表面多孔加熱管，可使沸騰溶液側的傳熱係數提高10~20倍。海水淡化中使用的雙面縱槽加熱管，也可顯著提高傳熱效果。

b.改善蒸發器內液體的流動狀況

在蒸發器內裝入多種形式的湍流構件，可提高沸騰液體側的傳熱係數。例如將銅質填料裝入自然循環型蒸發器后，可使沸騰液體側的傳熱係數提高50%。這是由於構件或填料能造成液體的湍動，同時其本身亦為熱導體，可將熱量由加熱管傳向溶液內部，增加了蒸發器的傳熱面積。

c.改進溶液的性

近年來亦有通過改進溶液性質來改善傳熱效果的研究報道。例如有研究表明，加入適當的表面活性劑，可使總傳熱係數提高1倍以上。加入適當阻垢劑減少蒸發過程中的結垢亦為提高傳熱效率的途徑之一。

如前所述，蒸發器的結構型式很多，在選擇蒸發器的型式或設計蒸發器時，在滿足生產任務要求、保證產品質量的前提下，還要兼顧所用蒸發器的結構簡單、易於製造，操作和維修方便，傳熱效果好等等。除此而外，還要對被蒸發物料的工藝特性有良好的適應性，包括物料的粘性、熱敏性、腐蝕性以及是否結晶或結垢等因素。

不同類型的蒸發器，各有其特點，它們對不同物料的適應性也不相同。

對於單效蒸發，通常給定的生產任務和操作條件是：進料量、溫度和濃度，完成液的濃度，加熱蒸汽的壓力和冷凝器的操作壓力，要求確定：

a.水的蒸發量或完成液的量；

b.加熱蒸汽的消耗量；

c.蒸發器的傳熱面積。

蒸發過程的基本控制方程是質量守恆方程、能量守恆方程以及傳熱速率方程。因此，上述問題，可分別由物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程求出。

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