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降膜蒸發器及其他蒸發器設計特點，蒸發器選型考慮因素（二）
間歇式蒸發器
最古老的設計之一是間歇式蒸發器(圖1)。它由用汽體或液體加熱的夾套容器(H)組成。產品通過一個進料噴嘴(F)被計量到一個水平，分批次加熱到沸點; 蒸汽被除去，直到達到所需的濃度。最后熱量被移除，濃縮液通過噴嘴(C)排出或泵出罐體。
間歇蒸發不適用于溫度敏感產品。首先，停留時間通常很長。此外，液體的靜壓頭增加了罐底產品的沸點，這可以通過在真空下操作容器罐以降低批次的沸點來克服。
間歇式蒸發器傳熱系數通常較低，對于容器所占體積而言，傳熱面積較小。由于產品運動只是通過自然循環，熱敏性產品或含有固體的產品往往會污染受熱表面。通過將攪拌器放入容器(分批攪拌) ，可以提高傳熱系數，減少污垢。
間歇蒸發器仍然用于多種過程，特別是那些涉及小批量高粘度和非熱敏性產品的過程。
圖1
自然循環管式蒸發器
自然循環通常用于產品純度高和溫度穩定的簡單應用(而強制循環蒸發器用于高粘度、易鹽漬和結垢的產品。常見的自然循環管式蒸發器是水平管、列管式(或短)垂直管和長垂直管。
臥式管式蒸發器
水平管式蒸發器是最古老的化學蒸發器類型（圖2），雖然其他改進型蒸發器現在更普遍被使用。它是一種將加熱介質置于管內的化學蒸發器，其主要優點在于它們所需的空間相對較小。水平蒸發器不適合于易形成水垢或沉積鹽的流程 (會在管外堆積)，更適合于最終產品是液體而不是固體的工藝，例如糖漿。在這種工藝中，蒸發器中儲存的大量液體可以通過改變蒸發器的停留時間來密切調整最終密度。
圖2
立式列管蒸發器
短管或列管式立式蒸發器(圖3)是蒸發器類型之一，現在仍有廣泛的商業應用。
短管蒸發器特點在于管板(A)延伸到整個主體和一個排水管(B)。管子在兩個管板之間滾動，蒸汽被引入，如圖3所示。液體在管子里，加熱介質在管子外面。當液體沸騰時，它會通過管道上升，然后通過回流管返回。冷凝液從管板底部任何方便的地方(如C)排出，非冷凝氣體通常從靠近上管板的地方(如D)排出。進料(F)和出料(C)的確切位置是可變的，但是圖3所示的位置是相當典型的。
液體的操作位置通常接近頂部管板的頂部，下沉管的截面通常在管子截面面積的75% 到150% 之間。管子的長度可以從1英寸開始到4英寸，直徑從30英寸開始到6英尺長，按一般慣例偏向于選擇直徑約為2英寸長度約為5英尺的管子（4）。
這種類型的蒸發器的循環和傳熱受到液面的強烈影響。管內沸騰引起循環流過受熱面，循環是由散裝液體與管內產生的加熱液體和蒸汽之間的比重差產生的。實現高效傳熱系數時，液體位置僅約管長的一半。減少低于水平導致管壁不潤濕，隨之而來的結垢趨勢增加和容量迅速下降。當這種類型的蒸發器與能夠沉積鹽或結垢的產品一起使用時，通常在液面略高于值并且通常高于頂部管板的情況下操作(3)。
立式列管蒸發器的優點包括:
•頭部空間低
•適用于具有輕微結垢傾向的液體，因為產品在管道上，容易進行清洗
•稀液體可以獲得相當高的傳熱系數(高達5-10cP)
•制造成本相對較低。
然而，立式列管蒸發器的傳熱在很大程度上受粘度和溫度的影響，它不適用于熱敏性產品，除非提供攪拌，否則它也不適用于易結晶產品。
立式列管蒸發器的一個主要用途是濃縮甘蔗汁。
圖3
長管立式蒸發器
長管立式蒸發器或升膜蒸發器(圖4)是應用廣泛的管式蒸發器之一。它可以建成一個獨立的單元，這是由于在大多數條件下其表現出高傳熱性能，還有部分原因是由于其構造簡單、成本低。它基本上是一個安裝在氣液分離器上的管殼式換熱器，只需要很少的占地空間，但是要求頭部高度高。
稀釋后的原料從管板底部進入，通過管子向上流動，加熱介質走殼程。在管子的下部，原料被加熱至沸點。在管子底部往上的部分形成了氣泡，沸騰開始，增加了線性速度和傳熱速率。在管子頂部附近，氣泡迅速生長。在這個氣泡區域，液沫和氣泡沿著管道迅速上升，并從頂部高速排出，在那里它們會撞擊到氣液分離器。因此，對容易起泡的產品可以使用這種類型的蒸發器(1)。
長管立式蒸發器的優點是:
•設備占地面積少
•由于局部兩相流可得到相對較高的傳熱系數
•能夠處理易起泡液體。
缺點是:
•有高度要求
•管道壓降比降膜蒸發器高
•管道底部的靜壓頭可能會增加產品溫度并導致熱敏性問題。
長管立式蒸發器的一些常見用途是濃縮蔗糖漿、造紙廠紙漿黑液、硝酸鹽和電解鍍錫液。
圖4
強制循環管式蒸發器
在設計管式蒸發器時，應考慮機械再循環的價值。乍一看，增加一個泵和額外的控制將增加安裝，操作和維護成本。然而，將部分濃縮物重新回流到進料流股能增加傳熱量，足以使蒸發器的尺寸大大減小，從而降低總成本。
管內液體流速的增加(通常在4-10英尺/秒的范圍內)也可以減少或消除潛在結垢現象，從而維持容量并減少停機時間。在降膜蒸發器中，它可以提高管底的液體負荷，從而提高蒸餾的采出率。
在大多數情況下，當進料中含有固體或結晶時，應使用強制循環蒸發器。使用強制循環蒸發器的好處是:
•高傳熱系數
•強制循環
•減少結垢
強制循環的主要缺點是:
•成本較高
•循環泵的能耗
•產品在加熱區內滯留時間較長。
強制循環的典型應用包括硫酸鈉、尿素、氯化鈉、硫酸銨、氯化鎂、檸檬酸和苛性鉀。
降膜蒸發器
（長管）降膜蒸發器(圖5)是長管升膜蒸發器的一種衍變，其中設備被倒置，管式換熱器位于氣液分離器部分的頂部。原料從蒸發器的頂部進入，由特別設計的分布器使原料均勻分布到每個管中。原料的分布是非常關鍵的，有許多的分布器設計形式，但通常是一些放置在頂部的多孔板。
所述降膜蒸發器具有重力優勢，使得薄膜更薄，運動速度更快，并可以得到高傳熱系數和加熱區較短的停留時間。
降膜蒸發器特別適用于加熱介質和液體之間的溫度驅動力很小(小于15 ° F)的應用場合。降膜蒸發器具有在低溫差下工作的能力和較短的停留時間，這使其適用于熱敏性產品。
管板底部氣液分離器的設計在很大程度上取決于所加工材料的性能和操作條件。降膜蒸發器的關鍵是蒸餾液與進料速率的比值。采用單程的高精餾裂解可以減少液體流到底部不夠濕潤的地方，這會使管子免受降解產物的污染。
降膜蒸發器的主要優點是:
•成本相對較低
•一體式加熱面積大
•產品滯留率低
•占地面積要求小
•在合理的溫差下具有良好的傳熱系數。
主要的缺點是:
•有廠房高度要求
•通常不適合容易鹽化或結垢材料
•通常需要再循環。
降膜蒸發器的典型應用是濃縮乳制品(如乳清、牛奶蛋白、脫脂牛奶、奶油和水解牛奶)、糖溶液、尿素、磷酸和紙漿黒液。
圖5