蒸发器(卷名：机械工程)
evaporator
通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出结晶的设备。一般溶液是含有不挥发性固体溶质的稀水溶液，将溶液加热到沸腾，使部分溶剂汽化，即可提高溶液中溶质的浓度，如工业上制取烧碱、食盐和糖都要用蒸发器来处理；另外，蒸发器也可用于溶剂的提纯，如淡水的制取。蒸发器的热源，主要是饱和蒸汽，也用烟道气、火和太阳能等。
类型 蒸发器按操作压力分有常压、加压和减压 3种。按溶液在蒸发器中的运动状况分有：①循环型：沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等。②单程型：沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循环流动，即行排出浓缩液，如升膜式、降膜式、升-降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等。③直接接触型：加热介质与溶液直接接触进行传热，如浸没燃烧式蒸发器。
中央循环管式蒸发器 由加热室、蒸发室和分离室3部分组成（图1）。加热室实际上是个换热器，管内的溶液被管间的蒸汽（加热蒸汽，也称一次蒸汽或新鲜蒸汽）加热，达到沸腾，上升进入蒸发室。溶液压力降低，溶剂大量汽化，形成蒸汽（称为二次蒸汽）。未汽化的溶液进入大直径的中央循环管下行，由于它与周围小直径加热管中的汽液两相流之间存在着密度差，形成了定向的循环流动，从而又转入周围加热管中被加热蒸发，浓缩液由底部卸料阀排出。蒸发室具有一定的高度（称为分离空间），以使蒸汽中的大液滴自然降落，进行初步分离，分离空间一般取800毫米左右。经初步分离的二次蒸汽，进入分离室，以进一步分离细液滴，减少机械夹带损失。在蒸发过程中，应注意到：①在加热室中，溶液的沸点随着溶液浓度的增加而升高，且随所处位置高度的不同而有差异，该位置以上的液柱越高，则静压越大，沸点越高。这样，加热蒸汽与溶液之间的有效温差就越小。②为了保持较高的传热系数，溶液侧的管壁要力求洁净、不结污垢和定期清洗；在管外侧的加热蒸汽空间，特别是在某些死角，应设有不凝性气体的排放口，以免该气体积聚而影响传热。这种蒸发器又称为标准式蒸发器。它的特点是因改善了溶液的循环，而提高了传热效率，并可减少结垢，且结构简单、制造方便。这种蒸发器常用于制糖工业中。
悬筐式蒸发器 这种蒸发器的加热室是一个独立的筐式构件，可悬挂（或支托）在蒸发器器壁上，故名为“悬筐”。悬筐式蒸发器也是一种常用的循环型蒸发器，其加热室中仅有立式列管束而无中心管，利用加热室与器壁之间的环形截面空间作为溶液的循环回路。由于环隙流道的截面积较大，溶液的循环较好，传热效率较高；且加热室的一端可自由膨胀，避免了管子与管板之间的温差应力。由于加热室易于更换，悬筐式蒸发器常用于烧碱工业中。
外热式蒸发器 这种蒸发器加热室置于蒸发室之外。这样，不仅可降低整个蒸发器的高度，且便于清洗和更换。它的加热管束较长，一般在5米以上，且循环管又不受热，管中全为液相，故循环速度也较大，传热效率较高，晶粒不易结垢。但加热管束的上部易被磨损和堵塞。
列文式蒸发器 它的原理是在20世纪50年代由苏联P.E.列文提出的。他把加热室降低，并在加热室与蒸发室之间设置支撑段和稳流段，因而能在高液位下操作(图2)。这样在加热室建立了相当的液位静压，以提高溶液的沸点，使溶液在加热室中只加热升温而不沸腾（控制其温度约低于沸点2～3℃），因而也就不会有晶粒析出。当溶液上行时，经支撑段和稳流段到蒸发室，压力降低，沸点也降低，即行沸腾蒸发，晶粒析出，这样就避免了在加热管壁上结垢。因为溶液循环速度高达2米／秒以上，故须在加热室上方出口处设置稳流段，以使液流分散，避免发生"水击"。列文式蒸发器主要用以蒸发有晶粒析出的溶液。
强制循环式蒸发器 这是一种用泵强制溶液作循环流动的蒸发器（图3）。循环泵多数外置，但也有内置的。在循环泵外置的加热室中，溶液是自下而上流动的；而在循环泵内置的加热室中，溶液是自上而下流动，然后穿过加热室与器壁之间的环隙向上，经泵后面的导向隔板，引入循环泵，向下循环流动。在加热管束的下方，也有导向隔板，以使液流均匀和减少阻力。采用强制循环的目的是：①强化传热。用于小温差条件下的蒸发，溶液沸点高出3～5℃的低位能蒸汽也可利用；而自然循环的蒸发温差，一般都在7～10℃以上。②减少结垢。溶液在3米／秒左右的高速下，其中小晶粒难以沉积，且在加热管中溶液实际上并不沸腾，故小晶粒也不会长大。
升膜式蒸发器 这种蒸发器加热室内有许多垂直长管组成的管束（图4）。常用的加热管直径内25～50毫米，管长和管径之比约为100～150。溶液经预热后在加热室的下部引入，在管内上行的过程中，被管间的蒸汽加热，迅速沸腾汽化，形成大量的汽泡，汽泡带着溶液上升，在管壁形成高速流动的液膜。为了能有效地成膜，上升蒸汽的速度应维持在一定值以上，如常压下适宜的出口汽速一般为20～50米／秒，减压下的汽速将更高。带有大量液沫的汽流，进入蒸发室，分出的浓缩液与从分离室中分出的液滴相混，作为产品由下端排出。升膜式蒸发器的特点是：传热系数大，传热效率高，在加热面上的停留时间短，适合于中等粘度和浓度的、有起泡倾向的、热敏性溶液的蒸发；但对于太浓的、在沸腾区将有结晶析出的溶液，则不适宜。
降膜式蒸发器 这种蒸发器加热管的上端，装有带螺旋线沟槽的液体分布器（图5）。溶液由上部加入，经分布器的沟槽作螺旋线运动而散布于管壁，形成液膜，借重力下流并受热蒸发。由于蒸发室内的压力低于加热室，在加热管中的蒸汽也就受到蒸发室的抽吸而向下流动（与液膜同向），并使之加速。溶液在加热管中的停留时间同升膜式的差不多，这种蒸发器的用途也与升膜式相似。
升－降膜式蒸发器 这种蒸发器将升膜和降膜组装在一个外壳中。预热后的溶液先经升膜加热室上升，然后由降膜加热室下降，最后在分离室中与二次蒸汽分离即得浓缩液。这种蒸发器大多用于在操作过程中溶液的粘度变化较大，溶液中水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。
搅拌薄膜式蒸发器 这种蒸发器带有机械搅拌扫膜装置。机械搅拌扫膜装置是个转子，由转轴和桨叶构成，工作时桨叶能把溶液涂布在传热面上呈薄膜状，由于转子是转动的，薄膜就被频频更新而强化传热。桨叶有很多形式，如平板、螺旋片和圆柱形等；桨叶在转子上的位置，可以是固定的，也可以是浮动的；转子与筒壳之间的径向间隙，也有固定、可调和自平衡零间隙之分，以适应不同粘度溶液的需要。料液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转桨叶刮带下，溶液在筒壳内壁形成旋转下降的薄膜，并不断受热蒸发而下降，在底部得到浓缩液。搅拌薄膜式蒸发器主要用来处理热敏性的、高粘度的、有起泡和结垢倾向的溶液。
离心薄膜式蒸发器 这是一种将"离心分离"和"薄膜蒸发"两过程于一体的高效蒸发器（图6）。它利用高速转鼓的离心力，使溶液在传热面上形成极薄的、连续的、高速流动的液体膜层，因而具有很高的传热系数，能够快速蒸发和高效分离其二次蒸汽。它的基本构件是外壳、转鼓和传动装置。其中转鼓是个回转壳，壳内装有离心薄膜式蒸发器的核心元件──锥形碟，它起传热和分离的作用。锥形碟中空，内走加热蒸汽，若干个锥形碟叠置于转鼓内，碟间空间走溶液。当转鼓高速回转时，溶液借离心力的作用而依附和分布于锥形碟的下表面呈液膜状，在此受热蒸发汽化，又在离心力的作用下进行汽液分离。同时，在锥形碟的空腔内，进行一次蒸汽的冷凝和凝液的离心分离。因此在锥形碟下锥板的内外两侧，都是相变传热，它们的给热系数都很大，故传热系数也很大。由于转鼓的高速转动，传热面上的液膜层极薄，仅为0.05～0.1毫米；膜以高速流动，溶液在传热面上的停留时间极短，通常不超过1秒。所以这种蒸发器宜于处理高热敏性的溶液，尤其适于食品和药物的精制浓缩。
浸没燃烧式蒸发器 这是一种传热介质与被处理的溶液直接接触进行传热的一种直接接触型蒸发器（图7）。燃料（如煤气或油）与空气混合后，在浸没于溶液中的燃烧室内燃烧，产生的高温火焰和烟气通过燃烧室下部的喷嘴，直接喷入所处理的溶液中，鼓泡向上穿过液层，使其中部分溶剂迅速汽化。产生的蒸汽与燃烧气一同从蒸发器的上部出口管排出。这种蒸发器结构简单，没有固定的传热面，特别适用于易结晶、结垢和腐蚀性溶液的蒸发，其传热效果好，热利用率高；但对于不允许被烟气污染的溶液，则不宜用这种蒸发器。它已被广泛地用在废酸、硫酸铵溶液的蒸发，砷酸、盐酸或粘土泥浆和处理。
节省加热蒸汽的措施 蒸发装置在操作过程中，需要消耗大量的加热蒸汽，为了节省加热蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。
多效蒸发装置 把若干个蒸发器串联起来，成为一个多级蒸发装置的体系，由前一级蒸发器的蒸发室出来的二次蒸汽，进入后一级蒸发器的加热室，作为一次蒸汽用。在这样的系统中，每一级蒸发器，即构成一个“效”，例如三效蒸发器，就是串联了三个蒸发器的三级蒸发装置体系，在这样的体系中，各级蒸发压力是不等的，由前到后，压力越来越低（真空越来越高），相应地蒸发温度也越来越低。由于各效（除末效以外）所产生的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽之用，这就提高了蒸汽的利用率。根据经验，蒸发1千克水所需最少新鲜蒸汽量（千克）为：单效1.1，两效0.57，三效0.4，四效0.3，五效0.27。实际上，多效蒸发装置所使用的效数不能太多，这是受有效总温差的限制。对于电解质溶液如烧碱水溶液，由于沸点升高较大，通常为二至三效；对于非电解质溶液如糖的水溶液，所用的效数可为四至六效。
蒸汽再压缩蒸发器 将蒸发室出来的二次蒸汽，经机械压缩机（如透平压缩机）或喷射泵，提高了压力和相应的饱和温度后，再进入该蒸发器的加热室，作为一次蒸汽使用，这样来提高蒸汽利用率。它适用于沸点升距不大的溶液的浓缩场合。
发展趋势 由于蒸发器本身实质上就是一种换热器，随着换热器的发展，对蒸发器的研究也取得了一定的进展，主要是：①出现了一些新的加热室结构，如出现了处理各种对高温非常敏感物料的板式蒸发器；实验研究了一种板翅式蒸发器；提出了一种具有内外翅片加热管的蒸发器；开发了一种特别适用于浓缩糖浆的同轴管式蒸发器等。②增强原有换热面积上的传热性能，研究和试制在蒸发器的铜管上覆盖一层多孔性的铜纤维状的表面覆盖物，形成一种高热流管式蒸发器。③为了解决耐蚀和高温的特殊条件问题，在盐酸生产装置中，出现一种用高SiO2含量的硼硅玻璃制造的循环型蒸发器；为了耐高温，提出一种金属－陶瓷材料的蒸发元件，可用于金属喷镀时的真空装置中。④在节能和使用新能源方面，不仅是基于热泵的原理提出的蒸汽再压缩式蒸发器得到推广应用，而且在20世纪70年代出现了一种高效率的太阳能蒸发器。⑤在蒸发器内的积垢的抑制和预防方面，不少学者做了一些研究工作，提出在溶液中加入晶种、添加多磷酸盐混合物和进行超声波处理等。
参考书目
上海化工学院、成都科技大学、大连工学院编：《化学工程》（第一册），化学工业出版社，北京，1980。