蒸发操作技术与运行管理

一、蒸发的基本理论

蒸发操作就是通过加热的方法将稀溶液中的一部分溶剂汽化并除去，从而使溶液浓度提高或析出固体产品的一种单元操作。在工业生产中常用水蒸气作为加热热源，而被蒸发的物料大都为水溶液，汽化出来的蒸汽仍然是水蒸气，为区别起见，我们把作热源用的蒸汽称为加热蒸汽或生蒸汽；把由溶剂汽化成的蒸汽称为二次蒸汽。

1.单效蒸发流程

单效真空蒸发的主体设备为蒸发器，蒸发器由上下两部分组成。它的下面部分是一个类似列管换热器结构的、由若干垂直加热管组成的加热室，上面部分称为分离室（又称蒸发室），它的作用是提供蒸发空间并分离蒸汽中夹带的液滴。操作时，加热剂（通常为饱和水蒸气）在加热管外冷凝放热，加热管内溶液，使之沸腾汽化。经过浓缩的溶液（称为完成液）从蒸发器底部排出；产生的蒸汽经分离室和除沫器将夹带的液滴分离后，与冷却水混合冷凝后排放，其中的不凝气体从冷凝器的顶端排空。

2.多效蒸发原理及流程

（1）多效蒸发的原理　蒸发的操作费用主要是汽化溶剂（水）所消耗的蒸汽动力费。在单效蒸发中，从溶液中蒸发出1kg水，通常需要消耗1kg以上的加热蒸汽，单位加热蒸汽消耗量大于1。因此，对于大规模工业生产过程，为减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发。

多效蒸发要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效为低，因此可引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，其后各效均使用前一效的二次蒸汽作为热源，这样便大大提高加热蒸汽的利用率，同时降低冷凝器的负荷，减少了冷凝水量，节约了操作费用，这就是多效蒸发的操作原理。

（2）多效蒸发的流程　按照物料与蒸汽的相对流向的不同，多效蒸发有三种常见的加料流程，下面以三效蒸发为例进行说明。

①并流加料流程　并流加料又称顺流加料，即溶液与加热蒸汽的流向相同，都是由第一效顺序流至末效。并流加料流程如图2-53所示，是工业上最常见的加料方法。

并流加料流程的优点是：溶液借助于各效压力依次降低的特点，靠相邻两效的压差，溶液自动地从前效流入后效，无需用泵进行输送；因后一效的蒸发压力低于前一效，其沸点也较前一效低，故溶液进入后一效时便会发生自蒸发，多蒸发出一些水蒸气；此流程操作简便，容易控制。缺点是：随着溶液的逐效增浓，温度逐效降低，溶液的黏度则逐效增高，使传热系数逐效降低。

②逆流加料流程　逆流加料流程如图2-54所示，加热蒸汽从第一效顺序流至末效，而原料液则由末效加入，然后用泵依次输送至前效，完成液最后从第一效底部排出。因原料液的流向与加热蒸汽流向相反，故称为逆流加料流程。

逆流加料流程的优点是：随着溶液浓度的逐效增加，其温度也随之升高。因此各效溶液的黏度较为接近，使各效的传热系数基本保持不变。其缺点是效与效之间必须用泵来输送溶液，增加了电能消耗，使装置复杂化。

③平流加料流程　平流加料流程如图2-55所示，该流程中每一效都送入原料液，放出完成液，加热蒸汽的流向从第一效至末效逐效依次流动。这种加料法适用于在蒸发过程中不断有结晶析出的溶液，如某些盐溶液的浓缩。

3.多效蒸发的经济性及效数的限制

（1）多效蒸发的经济性　多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，即经济性。对于蒸发等量的水分而言，采用多效时所需的加热蒸汽较单效时为少。表2-7列出了不同效数的单位蒸汽消耗量。

从表中可以看出，随着效数的增加，单位蒸汽消耗量减少，因此所能节省的加热蒸汽费用越多，但效数越多，设备费用也相应增加。目前工业生产中使用的多效蒸发装置一般都是Ⅱ～Ⅲ效。

（2）多效蒸发中效数的限制及最佳效数　蒸发装置中效数越多，温度差损失越大，且对某些溶液的蒸发还可能发生总温度差损失等于或大于总有效温度差，此时蒸发操作就无法进行，所以多效蒸发的效数应有一定的限制。

多效蒸发中随着效数的增加，单位蒸汽的消耗量减少，使操作费用降低；另一方面，效数越多，装置的投资费也越大。而且，随着效数的增加，虽然（D/W）min不断减少，但所节省的蒸汽消耗量也越来越少。同时，随着效数的增多，生产能力和强度也不断降低。因此，最佳效数要通过经济权衡决定，而单位生产能力的总费用为最低时的效数为最佳效数。

二、蒸发设备

下面分别介绍常用的蒸发器形式及其辅助设备。

1.蒸发器的形式与结构

蒸发器可采用直接加热的方法，也可采用间接加热的方法。工业上经常采用间接蒸汽加热的蒸发器，对间接加热蒸发器，根据溶液在加热室的流动情况大致可分为循环型蒸发器和膜式蒸发器两大类。

（1）循环型蒸发器　这类蒸发器的特点是：溶液都在蒸发器中作循环流动。由于引起循环的原因不同，又可分为自然循环与强制循环两类。

①中央循环管式蒸发器　这种蒸发器目前在工业上应用最广泛，其结构如图2-56所示，加热室如同列管式换热器一样，为1～2m长的竖式管束组成，称为沸腾管，但中间有一个直径较大的管子，称为中央循环管，它的截面积大约等于其余加热管总面积的40%～60%，由于它的截面积较大，管内的液体量比单根小管中要多；而单根小管的传热效果比中央循环管好，使小管内的液体温度比大管中高，因而造成两种管内液体存在密度差，再加上二次蒸汽在上升时的抽吸作用，使得溶液从沸腾管上升，从中央循环管下降，构成一个自然对流的循环过程。

1—加热室；2—中央循环管；3—蒸发室

蒸发器的上部为蒸发室。加热室内沸腾溶液所产生的蒸汽带有大量的液沫，到了蒸发室的较大空间内，液沫相互碰撞结成较大的液滴而落回到加热室的列管内，这样，二次蒸汽和液沫分开，蒸汽从蒸发器上部排出，经浓缩以后的完成液从下部排出。

中央循环管式蒸发器的优点是：构造简单、制造方便、操作可靠。缺点是：检修麻烦，溶液循环速度低，一般在0.4～0.5m/s以下，故传热系数较小。它适用于大量稀溶液的蒸发及不易结晶、腐蚀性小的溶液的蒸发，不适用于黏度较大及容易结垢的溶液。

②悬筐式蒸发器　其结构如图2-57所示，它是中央循环管式蒸发器的改进形式，其加热室像个篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，溶液循环原理与中央循环管式蒸发器相同。加热蒸汽总管由壳体上部进入加热室管间，管内为溶液。加热室外壁与壳体内壁间形成环形通道，环形循环通道截面积为加热管总截面积的100%～150%。溶液在加热管内上升，由环形通道下降，形成自然循环，因加热室内的溶液温度较环形循环通道中的溶液温度高得多，故其循环速度较中央循环管式蒸发器要高，一般为1～1.5m/s。

1—蒸发室；2—加热室；3—除沫器；4—环形循环通道

悬筐式蒸发器的优点是传热系数较大，热损失较小；此外，由于悬挂的加热室可以由蒸发器上方取出，故其清洗和检修都比较方便。其缺点是结构复杂，金属消耗量大。适用于处理蒸发中易结垢或有结晶析出的溶液。

③外加热式蒸发器　其结构如图2-58所示，它主要是将加热室与蒸发室分开安装。这样，一方面降低了整个设备的高度，便于清洗和更换加热室；另一方面由于循环管没有受到蒸汽加热，增大了循环管内和加热管内溶液的密度差，从而加快了溶液的自然循环速度，同时还便于检修和更换。

1—加热室；2—蒸发室；3—循环管

④列文蒸发器　其结构如图2-59所示，是自然循环蒸发器中比较先进的一种形式，主要部件为加热室、沸腾室、循环管和蒸发室。它的主要结构特点是在加热室的上部有一段大管子，即在加热管的上面增加了一段液柱。这样，使加热管内的溶液所受的压力增大，因此溶液在加热管内达不到沸腾状态。随着溶液的循环上升，溶液所受的压强逐步减小，通过工艺条件的控制，使溶液在脱离加热管时开始沸腾，这样，溶液的沸腾层移到了加热室外进行，从而减少了溶液在加热管壁上因沸腾浓缩而析出结晶或结垢的机会。由于列文蒸发器具有这种特点，所以又称为管外沸腾式蒸发器。

1—加热室；2—加热管；3—循环管；4—蒸发室；5—除沫器；6—挡板；7—沸腾室

列文蒸发器的循环管截面积比一般自然循环蒸发器的截面积都要大，通常为加热管总截面积的2～3.5倍，这样，溶液循环时的阻力减小；而且加热管和循环管都相当长，通常可达7～8m，循环管不受热，使得两个管段中的温度差、密度差较大，造成了比一般自然循环蒸发器更大的循环推动力，溶液的循环速度可达2～3m/s，其传热系数接近于强制循环型蒸发器的数值，而不必付出额外的动力。因此，这种蒸发器在国内化工企业中，特别是一些大中型电化厂的烧碱生产中应用较广。列文蒸发器的主要缺点是设备相当庞大，金属消耗量大，需要高大的厂房；另外，为了保证较高的溶液循环速度，要求有较大的温度差，因而要使用压力较高的加热蒸汽等。

⑤强制循环型蒸发器　在一般的自然循环型蒸发器中，由于循环速度比较低（一般小于1m/s），导致传热系数较小。为了处理黏度较大或容易析出结晶与结垢的溶液，以提高传热系数。为此，可采用如图2-60所示的强制循环型蒸发器。

1—加热管；2—循环泵；3—循环管；4—蒸发室；5—除沫器

所谓强制循环，就是利用外加动力（循环泵）促使溶液沿一定方向循环，其循环速度可达2.5～3.5m/s。循环速度的大小可通过调节循环泵的流量来控制。这种强制循环型蒸发器的优点是传热系数较一般自然循环蒸发器大得多，因此传热速率和生产能力较高。在相同的生产任务下，蒸发器的传热面积比较小。适于处理黏度大、易析出结晶和结垢的溶液。其缺点是需要消耗动力和增加循环泵，每平方米加热面积大约需要0.4～0.8kW。

（2）膜式蒸发器　循环型蒸发器有一个共同缺点，即溶液在蒸发器内停留的时间较长，对热敏性物料容易造成分解和变质。而膜式蒸发器中，溶液沿加热管呈膜状流动（上升或下降），一次通过加热室即可浓缩到要求的浓度，其溶剂的蒸发速度极快，在加热管内的停留时间很短（几秒至十几秒）。另外，离开加热室的物料又得到及时冷却，故特别适用于热敏性物料的蒸发，对黏度大和容易起泡的溶液也较适用。它是目前被广泛使用的高效蒸发设备。

根据溶液在加热管内流动方向以及成膜原因的不同，膜式蒸发器可分为以下几种类型。

①升膜式蒸发器　其结构如图2-61所示，它也是一种将加热室和蒸发室分离开的蒸发器。

1—蒸发器；2—分离室

其加热室实际上就是一个加热管很长的立式列管换热器，料液由底部进入加热管，受热沸腾后迅速汽化；蒸汽在管内高速上升，料液受到高速上升蒸汽的带动，沿管壁成膜状上升，并继续蒸发；汽液在顶部分离室内分离，二次蒸汽从顶部逸出，完成液则由底部排走。这种蒸发器适用于蒸发量较大、有热敏性和易产生泡沫的溶液，而不适用于有结晶析出或易结垢的物料。

②降膜式蒸发器　其结构如图2-62所示，它与升膜式蒸发器的结构基本相同，其主要区别在于原料液由加热管的顶部加入，溶液在自身重力作用下沿管内壁成膜状下降并进行蒸发，浓缩后的液体从加热室的底部进入分离器内，并从底部排出，二次蒸汽由分离室顶部逸出。在该蒸发器中，每根加热管的顶部必须装有降膜分布器，以保证每根管子的内壁都能为料液所润湿，并不断有液体缓缓流过；否则，一部分管壁将出现干壁现象，达不到最大生产能力，甚至不能保证产品质量。降膜式蒸发器同样适用于蒸发热敏性物料，而不适用于易结晶、结垢或黏度很大的物料。

1—蒸发器；2—分离室；3—液膜分布器

③升-降膜式蒸发器　将升膜和降膜蒸发器装在一个壳体中，即构成升-降膜式蒸发器，如图2-63所示。预热后的原料液先经升膜加热管上升，然后由降膜加热管下降，再在分离室中和二次蒸汽分离后即得完成液。

1—预热器；2—升膜加热室；3—降膜加热室；4—分离室

④刮板薄膜式蒸发器　其结构如图2-64所示，这是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器。它有一个带加热夹套的壳体，壳体内装有旋转刮板，旋转刮板有固定的和活动的两种，前者与壳体内壁的间隙为0.75～1.5mm，后者与器壁的间隙随旋转速度不同而异。溶液在蒸发器上部沿切向进入，利用旋转刮板的刮带和重力的作用，使液体在壳体内壁上形成旋转下降的液膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。

这种蒸发器的突出优点是对物料的适应性非常强，对黏度高和容易结晶、结垢的物料均能适用。其缺点是结构较为复杂，动力消耗大，受传热面积限制（一般为3～4m2，最大不超过20m2），故其处理量较小。

2.蒸发器的辅助装置

蒸发器的辅助装置主要包括除沫器、冷凝器和形成真空的装置，各种辅助装置简述如下。

（1）除沫器　蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽然在分离室中进行了分离，但是为了防止溶质损失或污染冷凝液体，还需设法减少夹带的液沫，因此在蒸汽出口附近设置除沫装置。除沫器的形式很多，图2-65所示中的为经常采用的形式，（a）～（d）可直接安装在蒸发器的顶部，（e）～（g）安装在蒸发器的外部。

（2）冷凝器和真空装置　要使蒸发操作连续进行，除了必须不断地提供溶剂汽化所需要的热量外，还必须及时排除二次蒸汽。通常采用的方法是使二次蒸汽冷凝。因此，冷凝器是一般蒸发操作中不可缺少的辅助设备之一，其作用是将二次蒸汽冷凝成液态水后排出。冷凝器有间壁式和直接接触式两类。除了二次蒸汽是有价值的产品需要回收或会严重污染冷却水的情况下，应采用间壁式冷凝器外，大多采用汽液直接接触的混合式冷凝器来冷凝二次蒸汽。常见的逆流高位冷凝器的结构如图2-66所示。二次蒸汽自进气口进入，冷却水自上部进水口引入，依次经淋水板小孔和溢流堰流下，在和底部进入并逆流上升的二次蒸汽的接触过程中，使二次蒸汽不断冷凝。不凝性气体经分离罐由真空泵抽出。冷凝液沿气压管排出。因为蒸汽冷凝时，冷凝器中形成真空，所以气压管需要有一定的高度，才能使管中的冷凝水依靠重力的作用而排出。

1—外壳；2—淋水板；3，4—气压管；5—分离罐；6—不凝性气体管

当蒸发器采用减压操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后设置真空装置，不断排除二次蒸汽中的不凝性气体，从而维持蒸发操作所需的真空度。常用的真空装置有喷射泵、往复式真空泵以及水环式真空泵等。

（3）冷凝水排除器　加热蒸汽冷凝后生成的冷凝水必须要及时排除，否则冷凝水积聚于蒸发器加热室的管外，将占据一部分传热面积，降低传热效果。排除的方法是在冷凝水排出管路上安装冷凝水排除器（又称疏水器）。它的作用是在排除冷凝水的同时，阻止蒸汽的排出，以保证蒸汽的充分利用。冷凝水排除器有多种形式，其结构和工作原理这里不作介绍，读者可查阅有关资料。

三、蒸发系统的开车、操作运行和停车

1.系统开车

首先应严格按照操作规程，进行开车前准备。先认真检查加热室是否有水，避免在通入蒸汽时剧热或水击引起蒸发器的整体剧振；检查泵、仪表、蒸汽与冷凝汽管路、加料管路等是否完好。开车时，根据物料、蒸发设备及所附带的自控装置的不同，按照事先设定好的程序，通过控制室依次按规定的开度、规定的顺序开启加料阀、蒸汽阀，并依次查看各效分离罐的液位显示。当液位达到规定值时再开启相关输送泵；设置有关仪表设定值，同时置其为自动状态；对需要抽真空的装置进行抽真空；监测各效温度，检查其蒸发情况；通过有关仪表观测产品浓度，然后增大有关蒸汽阀门开度以提高蒸汽流量；当蒸汽流量达到期望值时，调节加料流量以控制浓缩液浓度，一般来说，减少加料流量则产品浓度增大，而增大加料流量，浓度降低。

在开车过程中由于非正常操作常会出现许多故障。最常见的是蒸汽供给不稳定。这可能是因为管路冷或冷凝液管路内有空气所致，应注意检查阀、泵的密封及出口，当达到正常操作温度时，就不会出现这种问题；也可能是由于空气漏入二效、三效蒸发器所致，当一效分离罐工艺蒸气压力升高超过一定数值时，这种泄漏就会自行消失。

2.操作运行

设备运行中，必须精心操作，严格控制。注意监测蒸发器各部分的运行情况及规定指标。通常情况下，操作人员应按规定的时间间隔检查调整蒸发器的运行情况，并如实做好操作记录。当装置处于稳定运行状态下，不要轻易变动性能参数，否则会使装置处于不平衡状态，并需花费一定时间调整以达平缓，这样就造成生产的损失或者出现更坏的影响。

控制蒸发装置的液位是关键，目的是使装置运行平稳，从一效到另一效的流量更趋合理、恒定。有效地控制液位也能避免泵的“汽蚀”现象，大多数泵输送的是沸腾液体，所以不可忽视发生“汽蚀”的危险。只有控制好液位，才能保证泵的使用寿命。

为确保故障条件下连续运转，所有的泵都应配有备用泵，并在启动泵之前，检查泵的工作情况，严格按照要求进行操作。

按规定时间检查控制室仪表和现场仪表读数，如超出规定，应迅速查找原因。

如果蒸发料液为腐蚀性溶液，应注意检查视镜玻璃，防止腐蚀。一旦视镜玻璃腐蚀严重，当液面传感器发生故障时，会造成危险。

3.停车

停车有完全停车、短期停车和紧急停车之分。当蒸发器装置将长时间不启动或因维修需要排空的情况下，应完全停车。对装置进行小型维修只需短时间停车时，应使装置处于备用状态。如果发生重大事故，则应采取紧急停车。对于事故停车，很难预知可能发生的情况，一般应遵循如下几点：

①当事故发生时，首先用最快的方式切断蒸汽（或关闭控制室气动阀，或现场关闭手动截止阀），以避免料液温度继续升高。

②考虑停止料液供给是否安全，如果安全，应用最快方式停止进料。

③再考虑破坏真空会发生什么情况，如果判断出不会发生不利情况，应该打开靠近末效真空器的开关以打破真空状态，停止蒸发操作。

④要小心处理热料液，避免造成伤亡事故。

四、蒸发系统常见操作事故与处理

蒸发操作中由于使用的蒸发设备及所处理的溶液不同，出现的事故与处理方法也不尽相同。下面列出一般的操作事故和处理方法。

（1）高温腐蚀性液体或蒸汽外泄

泄漏处多发生在设备和管路焊缝、法兰、密封填料、膨胀节等薄弱环节。产生泄漏的直接原因多是开、停车时由于热胀冷缩而造成开裂；或者是因管道腐蚀而变薄，当开、停车时因应力冲击而破裂，致使液体或蒸汽外泄。要预防此类事故，在开车前应严格进行设备检验，试压、试漏，并定期检查设备腐蚀情况。

（2）管路阀门堵塞

对于蒸发易结晶的溶液，常会随物料增浓而出现结晶造成管路、阀门、加热器等堵塞，使物料不能流通，影响蒸发操作的正常进行。因此要及时分离盐泥，并定期洗效。一旦发生堵塞现象，则要用加压水冲洗，或采用真空抽吸补救。

（3）蒸发器视镜破裂造成热溶液外泄

如烧碱这种高温、高浓度溶液极具腐蚀性，易腐蚀玻璃，使其变薄，机械强度降低，受压后易爆裂，使内部热溶液喷溅出伤人。应及时检查，定期更换。

总之，要根据蒸发操作的生产特点，制定操作规程，并严格执行，以防止各类事故发生，确保操作人员的安全以及生产的顺利进行。

表2-8列出了氯碱生产中碱液蒸发操作中常见的故障及处理方法。

五、蒸发系统的日常维护

（1）定期洗效　对蒸发器的维护通常采用“洗效”（又称洗炉）的方法，即清洗蒸发装置内的污垢。不同类型的蒸发器在不同的运转条件下结垢情况是不同的，因此要根据生产实际和经验，定期进行洗效。洗效周期的长短与生产强度及蒸汽消耗紧密相关。因此要特别重视操作质量，延长洗效周期。洗效方法分大洗和小洗两种。

①大洗　就是排出洗效水的洗效方法。首先降低进汽量，将效内料液出尽，然后将冷凝水加至规定液面，并提高蒸汽压力，使水沸腾以溶解效内污垢，开启循环泵冲洗管道，当达到洗涤要求时，降低蒸汽压力，再排出洗效水。若结垢严重，可进行两次洗涤。

②小洗　小洗就是不排出洗效水的方法。一般蒸发器加热室上方易结垢，在未整体结垢前可定时水洗，以清除加热室局部垢层，从而恢复正常蒸发强度。方法是降低蒸汽量之后，将加热室及循环管内料液出尽，然后循环管内进水达一定液位时，再提高蒸气压，并恢复正常生产，让洗效水在效内循环洗涤。

（2）经常观察各台加料泵、过料泵、强制循环泵的运行电流及工况。

（3）蒸发器周围环境要保持清洁无杂物，设备外部的保温保护层要完好，如有损坏，应及时进行维护，以减小热损。

（4）严格执行大、中、小修计划，定期进行拆卸检查修理，并做好记录，积累设备检查修理的数据，以利于加强技术改进。

（5）蒸发器的测量及安全附件、温度计、压力表、真空表及安全阀等都必须定期校验，要求准确可靠，确保蒸发器的正确操作控制及安全运行。

（6）蒸发器为一类压力容器，日常的维护和检修必须严格执行压力容器规程的规定；对蒸发室主要进行外观和壁厚检查。加热室每年进行一次外观检查和壳体水压试验；定期对加热管进行无损壁厚测定，根据测定结果采取相应措施。

六、蒸发安全操作要点

（1）严格控制各效蒸发器的液面，使其处于工艺要求的适宜位置。

（2）在蒸发容易析出结晶的物料时，易发生管路、加热室、阀门等的结垢堵塞现象。因此需定期用水冲洗保持畅通，或者采用真空抽拉等措施补救。

（3）经常调校仪表，使其灵敏可靠。如果发现仪表失灵要及时查找原因并处理。

（4）经常对设备、管路进行严格检查、探伤，特别是视镜玻璃要经常检查、适时更换，以防因腐蚀造成事故。

（5）检修设备前，要泄压泄料，并用水冲洗降温，去除设备内残存腐蚀性液体。

（6）操作、检修人员应穿戴好防护衣物，避免热液、热蒸汽造成人身伤害。

（7）拆卸法兰螺丝时应对角拆卸或紧固，而且按步骤执行，特别是拆卸时，确认已经无液体时再卸下，以免液体喷出，并且注意管口下面不能有人。

（8）检修蒸发器要将物料排放干净，并用热水清洗处理，再用冷水进行冒顶洗出处理。同时要检查有关阀门是否能关死，否则加盲板，以防检修过程中物料窜出伤人。蒸发器放水后，打开人孔应让空气置换并降温至36℃以下，此时检修人员方可穿戴好衣物进入检修，外面需有人监护，便于发生意外时及时抢救。