7.4 蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备
7.4.1蒸发器
蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。
（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。
自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动
① 垂直短管式垂直短管式蒸发器的一种典型结果如图7-2所示。加热室由管径为25~75mm，长1~2mm的垂直列管组成，管外（壳程）通加热蒸汽，管束中央有一根直径较大的管子，其截面为其余加热管截面的40%~100%。液体在管内受热沸腾，产生气泡。细管内单位体积的溶液受热面较大，汽化后的气液混合物中含器汽率高；中央粗管内单位体积溶液受热面小，因而含汽率低。于是细管内汽液两相混合物的平均密度小于中央粗管，从而造成流体在细管内向上，粗管内向下的有组织的循环运动，循环流动的速度可达0.1~0.5m/s。中央粗管的存在，促进了蒸发器内流体的流动，通常称此管为中央循环管，这种蒸发器称为中央循环管式蒸发器。
② 热式加热室与蒸发室分开如图7-3为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比），且液体下降管（又称循环管），不再受热。这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达1.5m/s。以上两种都是自然循环蒸发器。
③ 循环蒸发器自然循环蒸发器的流体循环动力有限，在蒸发粘稠溶液时流动速度过低，为提高循环速度，可采用泵进行强制循环（如图7-4），循环速度可达1.8~5m/s。提高蒸发器内液体的循环速度的重要性不仅在于提高沸腾给热系数，其主要目的在于降低单程汽化率。在同样蒸发能力下（单位时间的溶剂汽化量），循环速度愈大，单位时间通过加热管的液体量越多，溶液一次通过加热管后，汽化的百分数（汽化率）也愈低。这样，溶液在加热壁面附近的局部浓度增高现象可减轻，加热面上结垢现象可以延缓。溶液浓度愈高，为减少结垢所需的循环速度愈大。
（2）单程型蒸发器循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。
膜式蒸发器
图7-5所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达3~10m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持20~50m/s为宜。
适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。
不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。
② 降膜式蒸发器如图7-6所示降膜式蒸发器。料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。为使溶液在加热管内壁形成均匀液膜，且不便二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。
适用于：粘度大的物料不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高。
③ 刮片式蒸发器如图7-8所示。专为高粘度溶液的蒸发而设计。料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。
特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力
7.4.2蒸发器的传热系数
（1）蒸发器的热阻分析蒸发器的传热热阻可由下式计算
① 管外蒸汽冷凝热阻一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加；
② 管壁热阻一般可以忽略；
③ 管内壁液一侧的垢层热阻取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出；
④ 管内沸腾给热阻主要决定于沸腾液体的流动情况。
（2）管内汽液两相流动形式
（3）管内沸腾给热
7.4.3辅助设备
蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。
7.4.1蒸发器
蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。
（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。
自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动
① 垂直短管式垂直短管式蒸发器的一种典型结果如图7-2所示。加热室由管径为25~75mm，长1~2mm的垂直列管组成，管外（壳程）通加热蒸汽，管束中央有一根直径较大的管子，其截面为其余加热管截面的40%~100%。液体在管内受热沸腾，产生气泡。细管内单位体积的溶液受热面较大，汽化后的气液混合物中含器汽率高；中央粗管内单位体积溶液受热面小，因而含汽率低。于是细管内汽液两相混合物的平均密度小于中央粗管，从而造成流体在细管内向上，粗管内向下的有组织的循环运动，循环流动的速度可达0.1~0.5m/s。中央粗管的存在，促进了蒸发器内流体的流动，通常称此管为中央循环管，这种蒸发器称为中央循环管式蒸发器。
② 热式加热室与蒸发室分开如图7-3为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比），且液体下降管（又称循环管），不再受热。这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达1.5m/s。以上两种都是自然循环蒸发器。
③ 循环蒸发器自然循环蒸发器的流体循环动力有限，在蒸发粘稠溶液时流动速度过低，为提高循环速度，可采用泵进行强制循环（如图7-4），循环速度可达1.8~5m/s。提高蒸发器内液体的循环速度的重要性不仅在于提高沸腾给热系数，其主要目的在于降低单程汽化率。在同样蒸发能力下（单位时间的溶剂汽化量），循环速度愈大，单位时间通过加热管的液体量越多，溶液一次通过加热管后，汽化的百分数（汽化率）也愈低。这样，溶液在加热壁面附近的局部浓度增高现象可减轻，加热面上结垢现象可以延缓。溶液浓度愈高，为减少结垢所需的循环速度愈大。
（2）单程型蒸发器循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。
膜式蒸发器
图7-5所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达3~10m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持20~50m/s为宜。
适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。
不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。
② 降膜式蒸发器如图7-6所示降膜式蒸发器。料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。为使溶液在加热管内壁形成均匀液膜，且不便二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。
适用于：粘度大的物料不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高。
③ 刮片式蒸发器如图7-8所示。专为高粘度溶液的蒸发而设计。料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。
特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力
7.4.2蒸发器的传热系数
（1）蒸发器的热阻分析蒸发器的传热热阻可由下式计算
① 管外蒸汽冷凝热阻一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加；
② 管壁热阻一般可以忽略；
③ 管内壁液一侧的垢层热阻取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出；
④ 管内沸腾给热阻主要决定于沸腾液体的流动情况。
（2）管内汽液两相流动形式
（3）管内沸腾给热
7.4.3辅助设备
蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。
