蒸发器标准蒸发器结构详解
其实我们说的蒸发器的主体结构是两部分，即加热室和分离室。由于类型的不同，我们可以根据加热室的相关结构和相应的操作以及相应溶液流动的具体实际情况，将工业中常见的一种间接加热蒸发器分为两类。分别是循环式(有些地方也叫非膜式)和单向式(即膜式)。接下来我们来说说这种圆形的类型。
对于中央循环管式蒸发器，其结构是这样的。首先说一下这个加热室，它是由垂直管束组成的。大直径管将安装在管束的中心。对于细管，与单位体积溶液相关的受热面大于粗管。综上所述，前者受热好，溶液蒸发多，细管内汽液混合物的相对密度小很多。正是由于这种密度差，溶液才能沿着粗管方向滴落。这时相应的液体会沿着细管上升，形成自然循环运动。
我们通常把中间的粗管叫做降液管，对应的细管叫做沸腾管。有时候为了让溶液更好的循环，中心循环管的相对截面积的比例会达到加热管总截面积的40%-100%之间。通常对应的管束高度为1-2m；我们装置中加热管的相对直径为25 ~ 75 mm，长径比为20 ~ 40。
对于这种蒸发器来说，它完全是由原来的卧式加热室和蛇管加热室等类似蒸发器演变而来，但它们的溶液循环情况比老式的好很多，传热效率也比较高。该机结构紧凑，制造方便，运行可靠，应用广泛。
蒸发的概念
将含有非挥发性溶质的溶液加热至沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化而使溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多行业。
1.蒸发操作的目的
工业蒸发操作的主要目的是:
(1)浓缩液可直接用于制作液体产品，也可进一步加工(如冷却、结晶)制作固体产品，如稀烧碱溶液(电解质)的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩。
(2)纯溶剂的制备，其中蒸馏后的溶剂为产品，如海水蒸发脱盐制备淡水。
(3)同时制备浓缩液和回收溶剂，如中药生产中乙醇浸提液的蒸发。
工业上蒸发的溶液大多是水溶液，所以本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备也适用于其它液体的蒸发。
2.蒸发过程
根据分子运动理论，当液体受热时，受热面附近的分子不断获得动能。当某些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子就会脱离液体表面，成为自由分子，这就是分子的汽化。因此，溶液的蒸发需要不断向溶液提供热能，以维持分子的不断汽化；另一方面，液面以上的蒸汽必须及时排除，否则蒸汽和溶液会逐渐趋于平衡，汽化就不能连续进行。
液体蒸发过程
液体蒸发的简化过程如图所示。主要设备——蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为垂直布置的加热管束，加热管内的溶液被管外的加热介质(通常为饱和蒸汽)加热使其沸腾汽化。浓缩液(称为成品溶液)从蒸发器底部排出。溶液蒸发产生的蒸汽被上部分离室从溶液中分离出来，然后从顶部导入冷凝器。为了便于区分，被蒸的蒸汽称为二次蒸汽，而被加热的蒸汽称为原蒸汽或新鲜蒸汽。
对于高沸点溶液的蒸发，可采用导热油、熔盐等高温热载体作为加热介质，也可采用烟气直接加热。
3.蒸发过程的分类
(1)常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发
根据蒸发操作压力的不同，蒸发过程可分为常压、加压和减压(真空)蒸发。对于大多数无特殊要求的溶液，可采用常压、加压或减压。但是，热敏性料液的蒸发，如抗生素溶液、果汁等，为了保证产品质量，需要在减压下进行。真空蒸发的优点是:
①溶液沸点降低，在加热蒸汽温度不变的情况下，蒸发器传热平均温差增大，因此传热面积减小；
(2)随着溶液沸点的降低，可采用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽；
③溶液的低沸点可以防止热敏性物质的变性或分解；
④由于温度低，系统热损失小。另一方面，由于沸点较低，溶液粘度较高，降低了蒸发传热系数。同时，在减压蒸发时，需要增加设备和功率来造成真空。
(2)单效蒸发和多效蒸发
根据二次蒸汽是否作为另一个蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程可分为单效蒸发和多效蒸发。如果前一效的二次蒸汽直接冷凝不再使用，则称为单效蒸发。单效蒸发流程图如图5-1所示。如果将二次蒸汽作为加热蒸汽引向下一个蒸发器，将多个蒸发器串联起来再利用加热蒸汽的蒸发过程称为多效蒸发。
(3)间歇蒸发和连续蒸发
根据蒸发的过程方式，可分为间歇蒸发和连续蒸发。间歇蒸发是指间歇进料或出料的蒸发操作。间歇运行的特点是蒸发器内溶液的浓度和沸点在整个过程中是随时间变化的，所以间歇蒸发是不稳定的运行。通常，间歇蒸发适用于小规模、多品种的场合，而连续蒸发适用于大规模生产过程。
4.蒸发操作的特点
如前所述，蒸发操作是将部分溶剂从溶液中分离出来，溶液中所含溶质的量保持不变，所以蒸发是一个传热过程，其传热速率是蒸发过程中的控制因素。用于蒸发的设备属于热交换设备。
但与一般的传热过程相比，蒸发过程有其自身的特点，主要表现在:
(1)溶液的沸点升高。
蒸发的进料液体是含有非挥发性溶质的溶液。根据拉乌尔定律，在相同温度下，溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压。换句话说，在相同的压力下，溶液的沸点比纯溶剂的沸点高。因此，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温差小于蒸发溶剂时的传热温差。溶液浓度越高，这种影响越显著。在蒸发设备的计算中，必须考虑这种溶液沸点升高的影响。
(2)材料的工艺特性在蒸发过程中，溶液的某些性质随着溶液浓度的变化而变化。
一些材料在浓缩过程中可能会结垢、沉淀晶体或产生泡沫；有些材料是热敏性的，在高温下容易发生变化或分解；有些材料有较大的腐蚀性或较高的粘度等。因此，在选择蒸发方法和设备时，必须考虑材料的这些工艺特性。
(3)能源利用和回收
蒸发需要消耗大量加热蒸汽，溶液汽化产生大量二次蒸汽。如何充分利用二次蒸汽的潜热，提高加热蒸汽的经济程度，也是蒸发器设计中的一个重要问题。
蒸发装置
随着工业蒸发技术的不断发展，蒸发设备的结构和类型也在不断改进和创新，种类繁多，结构各异。目前，工业上实用的蒸发设备约有60种，其中最常用的蒸发设备有10多种。本节只介绍几种常用的蒸发设备。
1.常见蒸发器的结构和特点
常用的蒸发器主要由加热室和分离室组成。有许多类型的加热室。首先使用夹套或蛇形加热装置，然后有水平短管加热室和垂直短管加热室。然后，发明了立式长管液膜蒸发器和刮板式液膜蒸发器。根据溶液在蒸发器中的流动情况，工业上常用的间接加热蒸发器大致可分为两种:循环式和单向式。
1.循环蒸发器
这种蒸发器的特点是溶液在蒸发器内循环。根据液体循环原理的不同，可分为自然循环和强制循环两种。前者是由于溶液在加热室内不同位置的加热程度不同，导致溶液密度不同而产生的自然循环；后者依靠外力迫使溶液循环。目前常用的循环蒸发器如下:
(1)中央循环管式蒸发器
中央循环管式蒸发器的结构如图所示，其加热室由一根垂直的加热管束(沸腾管束)组成。管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为加热管束总截面积的40~100%。在管间通入加热介质进行加热时，加热管内单位体积液体的受热面积大于中心循环管内的受热面积，因此加热管内液体的相对密度较小，导致加热管与中心循环管内液体的密度差。这种密度差使得溶液自然地从中央循环管流向加热管。溶液的循环速度取决于溶液产生的密度差和管道的长度。密度差越大，管道越长，溶液的循环速度越大。但由于总高度的限制，这类蒸发器的加热管长度相对较短，一般为1~2m，直径为25~75mm，长径比为20~40。
中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、制造方便、运行可靠等优点，在工业上应用广泛，被称为“标准蒸发器”。但实际上由于结构限制，其流通速度较低(一般在0.5m/s以下)；而且由于溶液在加热管中不断循环，其浓度始终接近成品溶液的浓度，因此溶液沸点高，有效温差减小。另外，设备的清洁和维护也不够方便。
吊篮蒸发器是对中心循环管式蒸发器的改进。它的加热室就像一个吊篮，悬挂在蒸发器外壳的下部，可以从顶部取出，方便清洗和更换。加热介质从中心蒸汽管进入加热室，加热室外壁与蒸发器壳体内壁之间有一个环形通道，类似于中心循环管。运行时，溶液沿环形间隙下降，沿加热管上升，形成自然循环。一般环形间隙的截面积约为加热管总面积的100~150%，因此溶液的循环速度较高(约为1~1.5m/s)。由于与蒸发器壳体接触的是低温沸腾液体，其热损失小。
吊篮蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。其缺点是结构复杂，单位传热面积所需的设备和材料数量大。
(3)外部加热蒸发器
外置式加热蒸发器的特点是加热室与分离室分离，不仅便于清洗和更换，而且可以降低蒸发器的总高度。由于加热管较长(管长与管径之比为50~100)且循环管中的溶液不受热，所以溶液的循环速度较高，可达1.5m/s。
(4)莱文蒸发器
莱文蒸发器的特点是在加热室的上部增加一个沸腾室。这样，加热室中的溶液只有在上升到沸腾室时才能被蒸发，因为有这个附加液柱的作用。沸腾室上方安装了一个纵向隔板，以防止气泡生长。另外，由于循环管不加热，溶液循环的驱动力更大。循环管的高度一般为7~8m，其截面积约为供热管总截面积的200~350%。因此循环管内流动阻力小，循环速度可达2？大约3米/秒.
莱文蒸发器具有循环速度快、传热效果好的优点。由于溶液在加热管内不沸腾，可以避免结晶在加热管内析出，因此适用于处理有结晶析出或易结垢的溶液。其缺点是设备庞大，厂房高。此外，由于液体层的高静压，要求加热蒸汽的压力高。
(5)强制循环蒸发器
蒸发器的结构状况是其应用的良好表现。使用这种结构完全可以使它在执行工作时达到一个比较满意的结果。我们了解了蒸发器的结构之后，在以后遇到一些特殊的问题或者故障的时候，就可以根据它的结构来判断问题出在哪里。也是挺好解决的。