蒸发器工艺设计计算及应用

蒸发器应用领域广泛，在食品、制药、饲料、化工以及工业废水处理等都有广泛的应用。目前常用的蒸发器种类有外循环蒸发器、强制循环蒸发器、降膜式蒸发器、刮板薄膜式蒸发器以及混合式蒸发器等。这些蒸发器在不同领域内都得到了成功的应用。随着我国经济的快速发展，蒸发器应用领域也正在不断地扩展。其中降膜式蒸发器应该是所有蒸发器的代表。本书以降膜式蒸发器的工艺设计计算为主，同时对其他常用的蒸发器也通过实例进行了详细的工艺设计计算阐述。
降膜式蒸发器有别于其他型式的蒸发器，首先，料液在蒸发器中受热温度较低（加热温度大都低于100℃），大都是在真空减压下加热完成蒸发，属于低温蒸发。而且连续进料连续出料，蒸发速率快，料液在蒸发器中停留时间短，最大限度地保证了料液中有益元素不被破坏。因此，这种蒸发器不仅适合于非热敏性物料的蒸发，尤其还适合于热敏性物料的蒸发。如在乳品、蛋品、果汁、咖啡、饮料、茶浸渍液、味精、淀粉糖等食品行业以及医疗保健用品等工业生产中都得到了成功的应用。其次，节能效果好。采用多效蒸发及热压缩技术（或机械压缩技术），可充分利用二次蒸汽作为加热热源，节能效果显著，在生产实践中获得了良好的经济效益及社会效益。一台三效降膜式蒸发器在单位时间（1h）内，每蒸发1t水大约需要换热面积为50m2左右（设备内无杀菌装置）。蒸发浓度较高的料液其蒸发面积甚至更大。因此，一次性投资相对较大。降膜式蒸发器的设计过程比较烦琐，设计首先要进行蒸发器的工艺计算，即通过物料及热量衡算确定出蒸发器的换热面积、预热面积及相关零部件等。物料性质、工艺参数及其工艺要求不同，降膜式蒸发器的结构型式差异也较大。
外循环蒸发器生产效率虽然不是很高，但是在中草药、骨头汤以及有机溶剂等回收上也都有应用。外循环蒸发器一般适合于耐热温度较高、黏度较大、易结垢结焦的物料的蒸发上，其加热温度较高，传热温差较大，因此，传热面积相对较小，一台单效外循环蒸发器一般每蒸发1t水所需要的换热面积仅在15m2左右。
强制循环蒸发器主要应用于易结垢结焦甚至在蒸发过程中有晶体析出的物料的蒸发上，如番茄酱、谷氨酸二次母液，酸、碱、盐类及废水等的蒸发浓缩上，强制循环蒸发器每蒸发1t水所需要的换热面积因物料及物料蒸发程度的不同差别也较大，如在番茄酱上其换热面积就很小，一台三效强制循环蒸发器一般不超过30m2，而在废水蒸发上一台三效强制循环蒸发器一般不小于65m2，在MVR蒸发器中换热面积就更大。
MVR蒸发器是近年来在工业废水处理上应用比较多见的蒸发器，因其利用蒸汽压缩机将二次蒸汽全部压缩提高其温度压力，作为加热蒸汽热源再利用，其节能效果显著。废水成分复杂，对设备腐蚀严重、结垢严重，经常伴有结晶析出，含盐类的废水沸点升高又特别大，再加上设备结构上的特殊性决定该类蒸发器换热面积很大，一台单效MVR蒸发器（或并联双效MVR蒸发器）每蒸发1t水所需要的换热面积一般都在95～125m2之间，有的甚至更大。
刮板式蒸发器主要用于黏度很大且又耐高温的物料的蒸发上，如用于栲胶、蜂蜜及油脂类中结合水的蒸发上，大豆中的磷脂黏度一般都在2000～15000mPa·s之间，有的甚至更高，就是采用这种蒸发器蒸发。单从蒸发强度看其最高可达200kg/（m2·h），蒸发效率并不低，但其结构复杂，加工精度要求较高，就单从光靠一个受热圆筒传热来看，其应用就已经受到了限制，因为蒸发量一大势必圆筒面积就要增大，蒸发器体积也要随之增大，加工也就更加困难。不过有少数特殊物料还必须采用此种蒸发器蒸发。
本书共分10章，不含结构设计计算。需要说明的是本书蒸发器的换热面积计算还不是很精准的计算，其中传热系数等还是经验数值，尚不能精准量化。影响传热的因素也较多，与材料、换热管规格、加热介质、物料特性、传热温差、操作条件、蒸发器的结构型式及制造水平等等因素都有关系。这就需要研究设计工作者在实践中不断研究，不断探索，积累更多的经验，计算选取出更加合理的传热系数数值，从而满足不同料液蒸发的需要。
由于水平所限，书中不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正，以便进行修正。

刘殿宇
2020年8月于上海

刘殿宇，高工，主要从事降膜式蒸发器及喷雾干燥的设计工作三十余年，产品在乳品、制药、饮料、化工、玉米深加工中都有应用。从1995年在起在相关领域科技杂志上发表学术论文至今为140多篇。著作有《降膜式蒸发器设计及应用》。

蒸发器在食品、制药、医疗保健用品、化工、玉米深加工及污水处理等行业应用广泛。本书作者具有丰富的蒸发器设计与使用实践经验，书中内容大多来自作者的一手资料。本书系统介绍了蒸发器工艺计算及零部件设计的通用方法，通过大量的设计实例及相关的计算，以降膜式蒸发器的工艺设计计算为主，同时对外循环蒸发器、强制循环蒸发器、混合式蒸发器等常用蒸发器的工艺设计计算及注意事项也进行了较详细的阐述。
本书适合化工机械、食品机械设计人员以及食品、制药、玉米深加工及污水处理等行业的技术人员参考。

第1章蒸发器简介
1.1蒸发器的蒸发及其节能1
1.2升膜式蒸发器7
1.3外循环蒸发器8
1.4强制循环蒸发器10
1.5降膜式蒸发器11
1.6混合式蒸发器16
1.7板式蒸发器16

第2章蒸发器工艺计算及零部件设计
2.1单效蒸发器的工艺计算18
2.1.1蒸发量的计算18
2.1.2加热蒸汽耗量的计算18
2.1.3蒸发器传热面积计算20
2.2多效蒸发器的工艺计算21
2.2.1蒸发量的计算21
2.2.2加热蒸汽耗量的计算22
2.2.3蒸发器传热面积的计算25
2.3蒸发器零部件的设计29
2.3.1蒸发器效体的设计30
2.3.2料液分布器的设计30
2.3.3降膜管在管板上的排列33
2.3.4预热器的设计34
2.3.5分离器的设计41
2.3.6下器体的设计43
2.3.7热泵的设计44
2.3.8蒸发器中杀菌器的设置53
2.3.9冷凝器的设计53
2.3.10真空泵的计算及选型58
2.3.11物料泵及冷凝水泵的确定选型61
2.3.12蒸发器蒸汽、出料、冷凝水及不凝性气体接口的设计65
2.3.13检测仪表及照明灯的设置66

第3章降膜式蒸发器的设计
3.1单效降膜式蒸发器的工艺设计计算68
3.2双效降膜式蒸发器的工艺设计计算77
3.3带预热及杀菌的双效降膜式蒸发器的工艺设计计算80
3.4带预热及杀菌的三效降膜式蒸发器的工艺设计计算86
3.5用于浓度较高料液蒸发的三效降膜式蒸发器的设计90
3.6采用不同计算方法计算蒸发器换热面积96
3.7四效降膜式蒸发器的设计97
3.8降膜式蒸发器分程及其注意事项103
3.9降膜式蒸发器节流孔板的计算及其调整对加热温度的影响107
3.10料液置换水与水置换料液110
3.11含有热压缩技术的单效板式升降膜式蒸发器的工艺设计计算111
3.12含有热压缩技术的双效板式升降膜式蒸发器的工艺设计计算119
3.13含有热压缩技术的三效板式升降膜式蒸发器的工艺设计计算123
3.14降膜式蒸发器在茶多酚生产中的应用132
3.15喷射式蒸发器与降膜式蒸发器比较137
3.16降膜式蒸发器分布器138
3.17蒸发器的预热问题143
3.18用于红枣浸汁液浓缩的三效降膜式蒸发器的设计144

第4章降膜式蒸发器的耗量
4.1有无热压缩蒸汽耗量的比较151
4.1.1单效降膜式蒸发器有无热泵的比较151
4.1.2双效降膜式蒸发器有无热泵的比较153
4.1.3三效降膜式蒸发器有无热泵的比较155
4.1.4四效降膜式蒸发器有无热泵的比较158
4.1.5四效降膜式蒸发器热压缩不同效二次蒸汽的比较161
4.1.6热泵使用效果及设计注意事项166
4.2不同加料方法的蒸汽耗量166
4.2.1并流加料、末效出料的蒸汽耗量168
4.2.2混流加料、二效出料的蒸汽耗量169
4.2.3逆流加料、一效出料的蒸汽耗量170
4.2.4低于沸点温度并流加料的蒸汽耗量171

第5章外循环蒸发器的设计
5.1单效外循环蒸发器的工艺设计计算174
5.2双效外循环蒸发器的工艺设计计算178
5.3三效外循环蒸发器的工艺设计计算185
5.4外循环蒸发器设计的几点注意事项192

第6章强制循环蒸发器的设计
6.1单效强制循环蒸发器的工艺设计计算197
6.2双效强制循环蒸发器的工艺设计计算202
6.3三效强制循环蒸发器工艺设计计算207
6.4意大利曼奇尼用于番茄酱生产的三效强制循环蒸发器的特点219

第7章混合式蒸发器和刮板式蒸发器的设计
7.1混合式三效蒸发器的工艺设计计算220
7.2刮板式蒸发器的工艺设计计算230

第8章MVR蒸发器及其他蒸发器的设计
8.1用于有结晶析出蒸发器的结构特点235
8.2带有结晶器的单效强制循环MVR蒸发器的工艺设计计算242
8.3单效降膜式MVR蒸发器的工艺设计计算247
8.4双效MVR蒸发器的工艺设计计算253
8.5有结晶析出的三效蒸发器的工艺设计计算260
8.6采用其他加热介质蒸发器的工艺设计计算268
8.6.1采用热水作为加热介质的蒸发器的工艺设计计算269
8.6.2采用导热油作为加热介质的蒸发器的工艺设计计算272

第9章蒸发器设计中的问题及国外蒸发器工艺流程
9.1蒸发器进料的形式及特点277
9.2汽蚀对出料的影响278
9.3蒸发器连续进料连续出料的条件279
9.4蒸发器设计几个常见问题281
9.5几种国外蒸发器的工艺流程及其特点283

第10章蒸发器的自动控制及安装调试
10.1蒸发器的自动控制288
10.1.1蒸发器自动控制程序的编写过程288
10.1.2控制阀的选择290
10.1.3密度或浓度检测297
10.2蒸发器的安装调试297
10.2.1设备原理298
10.2.2设备安装299
10.2.3设备调试299
10.2.4蒸发器真空度保持不住的原因300
10.2.5蒸发器清洗间隔时间缩短的原因301
10.2.6蒸发器蒸发温度高对奶粉质量的影响303
10.2.7导致蒸发器生产能力降低的因素304
10.2.8多效降膜式蒸发器蒸发温度升高的原因306

附录
附表1管壳式冷却器总传热系数309
附表2管壳式换热器总传热系数310
附表3管壳式加热器总传热系数310
附表4管壳式冷凝器总传热系数311
附表5蛇管式冷却器总传热系数312
附表6蛇管式蒸发器总传热系数313
附表7蛇管式加热器总传热系数313
附表8蛇管式冷凝器总传热系数314
附表9夹套式蒸发器总传热系数315
附表10螺旋板式换热器总传热系数315
附表11其他换热器总传热系数315
附表12饱和水蒸气及饱和水性质（依温度排列）316
附表13不同温度下无机水溶液的浓度(质量分数)323
附表14未饱和水与过热蒸汽表323

参考文献