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

其實我們說到的蒸發(fā)器它的主要結(jié)構(gòu)就是兩個部分，即加熱室還有分離室兩個部分。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，相應(yīng)的溶液所流動的具體實際情況又可以把將工業(yè)中一種經(jīng)常會見到的間接加熱蒸發(fā)器劃分為兩個大類，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循環(huán)型的。

對于一種中央循環(huán)管式的蒸發(fā)器而言，它的構(gòu)成是這個樣子的。首先我們來說這個加熱室，它是利用垂直管束進行組合而成。在管束的中央會安裝一個直徑比較大的管子。對于細管來說，里面單位體積的溶液相關(guān)的受熱面相對于粗管來說是比較大的?？偨Y(jié)著看就是前者的受熱好且溶液的汽化比較多，細管里面的汽液混合物相對密度要小得多。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。這個時候相應(yīng)的液體就會順著細管上升，形成一個自然循環(huán)的運動。

我們一般會管中間的粗管叫做降液管，而相對應(yīng)的細管就叫做沸騰管。有的時候為了能夠讓溶液循環(huán)更好一些，就會讓中央循環(huán)管的相對截面積所占的比例達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直徑就是25～75mm，長徑對比20～40。

對于這種蒸發(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，傳熱效率也相對的高很多;這種機器的結(jié)構(gòu)緊湊且制造很方便再加上操作可靠的特點，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)備對其它液體的蒸發(fā)也是適用的。

2.蒸發(fā)流程

按照分子運動學(xué)說，當(dāng)液體受熱時，靠近加熱面的分子不斷地獲得動能。當(dāng)一些分子的動能大于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(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)進行。

液體蒸發(fā)過程

液體蒸發(fā)的簡化流程如圖片所示，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。

對于沸點較高的溶液的蒸發(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行。減壓蒸發(fā)的優(yōu)點是：

①溶液沸點降低，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由于溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。但另一方面，由于沸點降低，溶液的粘度大，使蒸發(fā)的傳熱系數(shù)減小，同時，減壓蒸發(fā)時，造成真空需要增加設(shè)備和動力。

(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)系指分批進料或出料的蒸發(fā)操作。間歇操作的特點是：在整個過程中，蒸發(fā)器內(nèi)溶液的濃度和沸點隨時間改變，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

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，主要表現(xiàn)在：

(1)溶液沸點升高

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，溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。因此，當(dāng)加熱蒸汽溫度一定，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)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(fā)設(shè)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(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，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)濟程度，也是蒸發(fā)器設(shè)計中的重要問題。

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)與型式亦不斷改進與創(chuàng)新，其種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。目前工業(yè)上實用的蒸發(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

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)器的特點是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作循環(huán)流動。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);后者是依靠外加動力使溶液進行強制循環(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，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。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度，其密度差越大，管子越長，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，加熱管長度較短，一般為1~2m，直徑為25~75mm，長徑比為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，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。其加熱室像個懸筐，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，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(管長與管徑之比為50~100)，同時由于循環(huán)管內(nèi)的溶液不被加熱，故溶液的循環(huán)速度大，可達1.5m/s。

(4)列文蒸發(fā)器

列文蒸發(fā)器的特點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(huán)管不被加熱，使溶液循環(huán)的推動力較大。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)的流動阻力較小，循環(huán)速度可高達2 ~3m/s。

列文蒸發(fā)器的優(yōu)點是循環(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)強制循環(huán)蒸發(fā)器

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的情況對于它的應(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)行工作的時候，達到一個相對比較滿意的結(jié)果。我們在了解了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)之后，對于以后遇到的一些特殊的問題或者是故障的時候，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>