【導(dǎo)讀】一般的，我們對(duì)于蒸發(fā)器的了解還是不太清楚。蒸發(fā)器有很多種類型，對(duì)于不同類型的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)也是大同小異的。針對(duì)于此，我們就來拋磚引玉的介紹一種結(jié)構(gòu)。相信在了解了這個(gè)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況之后，能夠觸類旁通的了解到其他的一些蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。這對(duì)于我們以后的應(yīng)用來說，可以是大有裨益的。

其實(shí)我們說到的蒸發(fā)器它的主要結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)部分，即加熱室還有分離室兩個(gè)部分。由于種類不同，我們又可以依照加熱室相關(guān)的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的操作時(shí)，相應(yīng)的溶液所流動(dòng)的具體實(shí)際情況又可以把將工業(yè)中一種經(jīng)常會(huì)見到的間接加熱蒸發(fā)器劃分為兩個(gè)大類，他們分別是循環(huán)型(有的地方也叫做非膜式型的)還有單程型(也就是膜式型的)。接下來我們就來說說這個(gè)循環(huán)型的。

對(duì)于一種中央循環(huán)管式的蒸發(fā)器而言，它的構(gòu)成是這個(gè)樣子的。首先我們來說這個(gè)加熱室，它是利用垂直管束進(jìn)行組合而成。在管束的中央會(huì)安裝一個(gè)直徑比較大的管子。對(duì)于細(xì)管來說，里面單位體積的溶液相關(guān)的受熱面相對(duì)于粗管來說是比較大的。總結(jié)著看就是前者的受熱好且溶液的汽化比較多，細(xì)管里面的汽液混合物相對(duì)密度要小得多。正是由于這樣的密度差的作用，能夠讓溶液沿著粗管的方向下降。這個(gè)時(shí)候相應(yīng)的液體就會(huì)順著細(xì)管上升，形成一個(gè)自然循環(huán)的運(yùn)動(dòng)。

我們一般會(huì)管中間的粗管叫做降液管，而相對(duì)應(yīng)的細(xì)管就叫做沸騰管。有的時(shí)候?yàn)榱四軌蜃屓芤貉h(huán)更好一些，就會(huì)讓中央循環(huán)管的相對(duì)截面積所占的比例達(dá)到加熱管總截面積的百分之四十到百分之百之間。通常相應(yīng)的管束高度就是1—2m;而我們的裝置的加熱管相對(duì)直徑就是25～75mm，長(zhǎng)徑對(duì)比20～40。

對(duì)于這種蒸發(fā)器完全是由原先的水平加熱室還有蛇管加熱室等相類似的蒸發(fā)器演變來的，但是他們的溶液循環(huán)情況要比老式的好很多，傳熱效率也相對(duì)的高很多;這種機(jī)器的結(jié)構(gòu)緊湊且制造很方便再加上操作可靠的特點(diǎn)，使其應(yīng)用十分的廣泛。

蒸發(fā)的概念

將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥、食品等許多工業(yè)中。

1.蒸發(fā)操作的目的

工業(yè)蒸發(fā)操作的主要目的是：

(1)稀溶液的增濃直接制取液體產(chǎn)品，或者將濃縮的溶液再經(jīng)進(jìn)一步處理(如冷卻結(jié)晶)制取固體產(chǎn)品，例如稀燒堿溶液(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)純凈溶劑的制取，此時(shí)蒸出的溶劑是產(chǎn)品，例如海水蒸發(fā)脫鹽制取淡水。

(3)同時(shí)制備濃溶液和回收溶劑，例如中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)。

工業(yè)上被蒸發(fā)的溶液多為水溶液，故本章的討論僅限于水溶液的蒸發(fā)。原則上，水溶液蒸發(fā)的基本原理和設(shè)備對(duì)其它液體的蒸發(fā)也是適用的。

2.蒸發(fā)流程

按照分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，當(dāng)液體受熱時(shí)，靠近加熱面的分子不斷地獲得動(dòng)能。當(dāng)一些分子的動(dòng)能大于液體分子之間的引力時(shí)，這些分子便會(huì)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(fā)需要不斷地向溶液提供熱能，以維持分子的連續(xù)汽化;另一方面，液面上方的蒸汽必須及時(shí)移除，否則蒸汽與溶液將逐漸趨于平衡，汽化將不能連續(xù)進(jìn)行。

液體蒸發(fā)過程

液體蒸發(fā)的簡(jiǎn)化流程如圖片所示，其主體設(shè)備—蒸發(fā)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(zhì)(通常為飽和水蒸汽)加熱管內(nèi)的溶液，使之沸騰汽化。濃縮了的溶液(稱為完成液)由蒸發(fā)器的底部排出。而溶液汽化產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)上部的分離室與溶液分離后由頂部引至冷凝器。為便于區(qū)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(duì)于沸點(diǎn)較高的溶液的蒸發(fā)，可采用高溫載熱體如導(dǎo)熱油、融鹽等作為加熱介質(zhì)，也可以采用煙道氣直接加熱。

3.蒸發(fā)過程的分類

(1)常壓蒸發(fā)、加壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)

按蒸發(fā)操作壓力的不同，可將蒸發(fā)過程分為常壓、加壓和減壓(真空)蒸發(fā)。對(duì)于大多數(shù)無特殊要求的溶液，采用常壓、加壓或減壓操作均可。但對(duì)于熱敏性料液，例如抗生素溶液、果汁等的蒸發(fā)，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要在減壓條件下進(jìn)行。減壓蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是：

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

②由于溶液沸點(diǎn)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(diǎn)低，可防止熱敏性物料的變性或分解;

④由于溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。但另一方面，由于沸點(diǎn)降低，溶液的粘度大，使蒸發(fā)的傳熱系數(shù)減小，同時(shí)，減壓蒸發(fā)時(shí)，造成真空需要增加設(shè)備和動(dòng)力。

(2)單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)

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

(3)間歇蒸發(fā)與連續(xù)蒸發(fā)

根據(jù)蒸發(fā)的過程模式，可將其分為間歇蒸發(fā)和連續(xù)蒸發(fā)。間歇蒸發(fā)系指分批進(jìn)料或出料的蒸發(fā)操作。間歇操作的特點(diǎn)是：在整個(gè)過程中，蒸發(fā)器內(nèi)溶液的濃度和沸點(diǎn)隨時(shí)間改變，故間歇蒸發(fā)為非穩(wěn)態(tài)操作。通常間歇蒸發(fā)適合于小規(guī)模多品種的場(chǎng)合，而連續(xù)蒸發(fā)適合于大規(guī)模的生產(chǎn)過程。

4.蒸發(fā)操作的特點(diǎn)

前已述及，蒸發(fā)操作是從溶液中分離出部分溶劑，而溶液中所含溶質(zhì)的數(shù)量不變，因此蒸發(fā)是一個(gè)熱量傳遞過程，其傳熱速率是蒸發(fā)過程的控制因素。蒸發(fā)所用的設(shè)備屬于熱交換設(shè)備。

但與一般的傳熱過程比較，蒸發(fā)過程又具有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1)溶液沸點(diǎn)升高

被蒸發(fā)的料液是含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，由拉烏爾定律可知，在相同的溫度下，溶液的蒸汽壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮?。換言之，在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。因此，當(dāng)加熱蒸汽溫度一定，蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)溶劑時(shí)的溫度差。溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。在進(jìn)行蒸發(fā)設(shè)備的計(jì)算時(shí)，必須考慮溶液沸點(diǎn)上升的這種影響。

(2)物料的工藝特性蒸發(fā)過程中，溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的濃縮而改變。

有些物料在濃縮過程中可能結(jié)垢、析出結(jié)晶或產(chǎn)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(fā)的方法和設(shè)備時(shí)，必須考慮物料的這些工藝特性。

(3)能量利用與回收

蒸發(fā)時(shí)需消耗大量的加熱蒸汽，而溶液汽化又產(chǎn)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(jīng)濟(jì)程度，也是蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中的重要問題。

蒸發(fā)設(shè)備

隨著工業(yè)蒸發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與型式亦不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。目前工業(yè)上實(shí)用的蒸發(fā)設(shè)備約有六十余種，其中最常用的也有十余種型式，本節(jié)僅介紹常用的幾種。

一.常用蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

常用蒸發(fā)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，最初采用夾套式或蛇管式加熱裝置，其后則有橫臥式短管加熱室及豎式短管加熱室。繼而又發(fā)明了豎式長(zhǎng)管液膜蒸發(fā)器，以及刮板式薄膜蒸發(fā)器等等。根據(jù)溶液在蒸發(fā)器中流動(dòng)的情況，大致可將工業(yè)上常用的間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型與單程型兩類。

1.循環(huán)型蒸發(fā)器

這類蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)造成液體循環(huán)的原理的不同，又可將其分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)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(chǎn)生密度差而引起的自然循環(huán);后者是依靠外加動(dòng)力使溶液進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。目前常用的循環(huán)型蒸發(fā)器有以下幾種：

(1)中央循環(huán)管式蒸發(fā)器

中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖片所示，其加熱室由一垂直的加熱管束(沸騰管束)構(gòu)成，在管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管，其截面積一般為加熱管束總截面積的40~100%。當(dāng)加熱介質(zhì)通入管間加熱時(shí)，由于加熱管內(nèi)單位體積液體的受熱面積大于中央循環(huán)管內(nèi)液體的受熱面積，因此加熱管內(nèi)液體的相對(duì)密度小，從而造成加熱管與中央循環(huán)管內(nèi)液體之間的密度差，這種密度差使得溶液自中央循環(huán)管下降，再由加熱管上升的自然循環(huán)流動(dòng)。溶液的循環(huán)速度取決于溶液產(chǎn)生的密度差以及管的長(zhǎng)度，其密度差越大，管子越長(zhǎng)，溶液的循環(huán)速度越大。但這類蒸發(fā)器由于受總高度限制，加熱管長(zhǎng)度較短，一般為1~2m，直徑為25~75mm，長(zhǎng)徑比為20~40。

中央循環(huán)管蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛，有所謂“標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器”之稱。但實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度較低(一般在0.5m/s以下);而且由于溶液在加熱管內(nèi)不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點(diǎn)高、有效溫度差減小。此外，設(shè)備的清洗和檢修也不夠方便。

懸筐式蒸發(fā)器是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。其加熱室像個(gè)懸筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，可由頂部取出，便于清洗與更換。加熱介質(zhì)由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內(nèi)壁之間有環(huán)隙通道，其作用類似于中央循環(huán)管。操作時(shí)，溶液沿環(huán)隙下降而沿加熱管上升，形成自然循環(huán)。一般環(huán)隙截面積約為加熱管總面積的100~150%，因而溶液循環(huán)速度較高(約為1~1.5m/s)。由于與蒸發(fā)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(fā)器適用于蒸發(fā)易結(jié)垢或有晶體析出的溶液。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面需要的設(shè)備材料量較大。

(3)外熱式蒸發(fā)器

外熱式蒸發(fā)器的特點(diǎn)是加熱室與分離室分開，這樣不僅便于清洗與更換，而且可以降低蒸發(fā)器的總高度。因其加熱管較長(zhǎng)(管長(zhǎng)與管徑之比為50~100)，同時(shí)由于循環(huán)管內(nèi)的溶液不被加熱，故溶液的循環(huán)速度大，可達(dá)1.5m/s。

(4)列文蒸發(fā)器

列文蒸發(fā)器的特點(diǎn)是在加熱室的上部增設(shè)一沸騰室。這樣，加熱室內(nèi)的溶液由于受到這一段附加液柱的作用，只有上升到沸騰室時(shí)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(zhǎng)大。此外，因循環(huán)管不被加熱，使溶液循環(huán)的推動(dòng)力較大。循環(huán)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(huán)管內(nèi)的流動(dòng)阻力較小，循環(huán)速度可高達(dá)2 ~3m/s。

列文蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)速度大，傳熱效果好，由于溶液在加熱管中不沸騰，可以避免在加熱管中析出晶體，故適用于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液。其缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，需要的廠房高。此外，由于液層靜壓力大，故要求加熱蒸汽的壓力較高。

(5)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的情況對(duì)于它的應(yīng)用來說是一種很好的表現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的使用完全可以讓它在執(zhí)行工作的時(shí)候，達(dá)到一個(gè)相對(duì)比較滿意的結(jié)果。我們?cè)诹私饬苏舭l(fā)器結(jié)構(gòu)之后，對(duì)于以后遇到的一些特殊的問題或者是故障的時(shí)候，就可以依據(jù)它的結(jié)構(gòu)來斷定是哪里出現(xiàn)了問題。解決起來也是相當(dāng)?shù)娜菀滓恍┝恕?/p>