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蒸发系统设计

03/24

2023

蒸发是浓缩溶液的单元操作，含有不挥发性溶质的溶液在沸腾的条件下，使部分溶剂汽化为蒸气并移出，从而使溶液达到浓缩的操作称为蒸发。

通常蒸发的用途主要有：

①溶液浓缩，如白油浓缩回收、牛奶、生物制药等。

②蒸发结晶，蒸发与结晶是在蒸发结晶器内同时进行的，对于含有多种溶质的混合溶液，可通过温度与浓度的匹配达到使不同的溶质顺次结晶，从而使溶质分离，如制盐工业中的盐硝联产、含盐废水蒸发结晶及其他无机盐生产。

③脱除杂质，制取纯净的溶剂，如海水淡化、无机盐分类提纯等。

因蒸发操作是溶液的沸腾传热过程，所以蒸发操作单元往往是整个生产过程中的能耗大户，尽量降低能耗往往是蒸发装置设计中最重要的目标。被蒸发的溶液常具有某些特点，例如有些溶剂在浓缩时可能结垢或析出结晶；有些热敏性物料在一定温度下容易分解变质；有些物料具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据这些特性选择适宜的蒸发工艺和适宜的设备型式，是工程设计时应综合考虑的。

一、蒸发的类型

蒸发系统可分为不同的型式，有MVR、TVR、单效蒸发、多效蒸发和减压闪蒸。

1、MVR蒸发

MVR是机械蒸汽再压缩技术缩写，即Mechanical Vapor Recompression。MVR是对蒸发系统自身产生的二次蒸汽进行再压缩，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位蒸汽，再用它来对系统的原料液加热蒸发。它的能耗仅为传统的单效蒸发的五分之一、双效蒸发三分之一、三效蒸发的二分之一左右。

2、TVR蒸发

TVR蒸发是把产生的二次蒸汽提高温度、压力压缩后，送回加热室再次用作加热蒸汽，提供溶剂汽化所需的热量。

3、单效蒸发

单效蒸发器是最基本的蒸发装置，可以在常压、正压或负压下进行。原料液在蒸发器内被加热汽化，产生的二次蒸汽由蒸发器引出后排空或冷凝。蒸发量较小时一般采用单效蒸发。

4、多效蒸发

多效蒸发是将多台蒸发器串联操作的系统，前效产生的二次蒸汽用作后效的加热蒸汽，使热量得到多次利用，可以比单效蒸发少消耗生蒸汽。一定条件下，单位蒸汽消耗量、冷却水消耗量与效数间的关系见下表：

多效蒸发单位蒸汽消耗量、冷却水消耗量与效数间的关系

项目	单效	双效	三效	四效	五效
单位蒸汽消耗量D/W	1.1	0.57	0.4	0.3	0.27
冷却水消耗量G/W	13.5	6.75	4.5	3.38	2.7

根据加热蒸汽与料液的流向关系，多效蒸发又可分为顺流流程、逆流流程、混流流程和平流流程。

5、减压闪蒸

减压闪蒸是把热溶液送入低压空间，使其在绝热条件下急骤汽化。适宜于处理容易在加热面结垢的料液，有时也应用于回收热溶液的显热。

二、蒸发系统工艺设计程序

本公司蒸发系统工艺设计分两个步骤进行：

1、初步设计

（1）根据工艺条件，物系性质等确定蒸发设备的流程、效数、蒸发器的类型、蒸发操作压力和加热蒸汽压力、温度；（客户填写蒸发结晶询价信息表）

（2）蒸发类型的选择（MVR、单效蒸发、多效蒸发、热泵蒸发和减压闪蒸）、主要设备的设计选型、公用工程条件选择；

（3）编制初步工艺设计方案。

2、详细设计

（1）由物料衡算和热量衡算确定加热蒸汽消耗量及各效加热器的蒸发量；

（2）求出各效加热器的传热量、传热系数、有效传热温差和传热面积，有时为了加工方便，设计时常常规定各效加热器的传热面积相等；

（3）确定加热器的结构和工艺尺寸；

（4）确定分离器的结构和工艺尺寸，包括接管、连接方式、法兰、人孔和视镜标准；

（5）确定二次蒸汽冷凝器的结构并计算冷凝器的工艺尺寸；

（6）真空系统设计及真空泵的选型；

（7）绘制蒸发器的工艺条件图和工艺流程图；

（8）绘制蒸发装置的平、立面布置图。

三、蒸发系统设备的选型计算

一个完整的蒸发系统，既包括在各种压力下操作的各种类型的蒸发器，又包括预热器、泵、冷凝器及真空装置。只有经过综合考虑和详细设计计算后制定的蒸发工艺和设备选型，才能获得较高的蒸发效率，节约系统能耗，获得更高的经济效益。

1、蒸发装置的选型

蒸发设备的选型是蒸发装置设计中的重要问题。为了使装置更加紧凑，在选型时首先要选用传热系数高的类型，但料液的物理、化学性质常常限制它们的使用。有时几种类型的蒸发器对于相同的料液都可采用。因此在选型时，要综合技术要求、现场条件、投资状况、操作情况等统筹考虑。

（1）选型需要考虑的因素

①料液性质：包括组成成分、杂质、黏度变化范围、沸点、热稳定性、发泡性、腐蚀性，是否易结垢、结晶，是否带有固体悬浮物等。

②生产要求：包括处理量、蒸发量、料液进口浓度、温度、安装场地的大小、设备投资限额、要求连续生产还是间歇生产等。

③公用工程条件：包括电、蒸汽的供应条件，冷却水的水量、水质和温度等。

（2）蒸发设备选型表

根据以上选型的考虑因素，下表列出了各种类型蒸发器的特性。

各种型式蒸发器的操作特性表

蒸发器类型		适用黏度范围/Pa•s	蒸发容量	造价	料液停留时间	浓缩比	盐析与结垢趋势	适于处理热敏性物料	适于处理易发泡物料
自然循环型	夹套釜式	≤0.05	小	较低	长	较高	大	不适	较差
	中央循环管	≤0.05	中	较高	长	较高	大	不适	较差
	带搅拌中央循环管	≤0.05	中	较高	长	较高	稍大	不适	尚适
	长管自然循环型	≤0.05	中~大	较低	长	较高	稍大	不适	尚适
强制循环型	管式	0.10~1.00	中~大	较高	长	较高	较小	不适	尚适
强制循环型	板式	0.1~1.00	中~大	较高	长	较高	较小	不适	尚适
膜式	升膜	≤0.05	小~大	较低	短	一般	大	适	好
	降膜	0.01~0.10	小~大	较低	短或长	较高	稍大	适	好
	刮膜	1.00~10.00	小~中	高	短	高	微小	适	适
浸没燃烧		≤0.05	小~大	低	长	较高	微小	不适	尚适
闪蒸型		≤0.01	中~大	高	较短或长	小	微小	适	尚适

2、蒸发装置的结构计算

蒸发器的种类较多，计算方法也有所不同，本文仅以外加热式蒸发器为例进行介绍。

（1）加热器尺寸的确定

①由公式A=Q/（K•△t_m）可求得传热面积；

②选取加热管的管长和管径。一般加热管长有为2~6m，加热管管径有φ25~φ57mm。加热管根数n可由下式求得

n=A/（πd_oL）

③确定管子的排列方式。列管排列方法有正三角形、正方形、同心圆三种，其中正三角形最常用。

④确定加热器的壳径。加热器壳体直径可按下式计算

D=t（b-1）+2e

（2）分离器尺寸的确定

分离器的尺寸主要有分离器直径、高度。

由产生的二次蒸汽体积流量VW（m3/s）、蒸发体积强度和分离器高度，可求得分离器直径D：

V_W=0.785D²HV

H难以较为准确的计算，目前是根据经验确定，通常取H/D=1~2。

3、真空系统的计算

蒸发操作中，最常用的是SZ型水环式真空泵和喷射式真空泵。真空泵的选型，主要决定于抽气速率和极限真空。真空本排除的气体量G，由下式几部分组成：

G=G1+G2+G3+G4+G5

真空泵的排气量需要换算成吸入状态下的体积V，m3/h。

所选真空泵的吸入体积V_B应大于V。

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