概 述
蒸發(fā)是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質(zhì)和溶劑均勻混合液的部分分離過程。作為一種熱分離技術，蒸發(fā)裝置主要用于濃縮或分離液體溶液、懸浮液和乳濁液。由于被蒸發(fā)的產(chǎn)品特性不同，就決定了蒸發(fā)器在選型、工藝流程、操作方式、設備布置等方面存在多樣性。
鄭州博大濃縮干燥設備有限公司在過去的十幾年間，在全國各地安裝了近百套蒸發(fā)裝置，擁有豐富的成功經(jīng)驗，知道如何滿足客戶需求。所有的設計都考慮到產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、投資成本、方便操作等因素。國際上通用的蒸發(fā)節(jié)能技術有多效蒸發(fā)、廢熱利用、蒸汽壓縮TVR、機械壓縮MVR。上述任何一種技術的應用都將明顯地降低能耗。通常聯(lián)合使用兩種技術達到低的投資和操作費用是可行的。對于非常成熟的蒸發(fā)裝置，可能使用全部的四項技術。
鄭州博大濃縮干燥設備有限公司開發(fā)的高效節(jié)能多效蒸發(fā)器、蒸汽壓縮TVR多效蒸發(fā)器、廢熱利用蒸發(fā)器、機械壓縮MVR蒸發(fā)器、多效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器均已達到國際先進水平。
一、多效蒸發(fā)技術
如果考慮一個單效蒸發(fā)器的熱平衡，蒸出蒸汽的熱焓近似等于加熱一側(cè)輸入的熱焓。在蒸發(fā)水的情況下，1kg/h的生蒸汽大約可蒸出1kg/h的蒸汽，因為加熱一側(cè)和產(chǎn)品一側(cè)的蒸發(fā)熱基本相同。如果把一次能源生成的蒸汽用作第二效的加熱蒸汽，整個系統(tǒng)的能耗將下降50%。同理，多效蒸發(fā)將節(jié)約更多能量。
不同效數(shù)蒸發(fā)蒸汽消耗量
| 生蒸汽 | 二次蒸汽 | 蒸汽消耗（理論） | 蒸汽消耗（實際） | |
| 一效裝置 | 1kg/h | 1kg/h | 100% | 110% |
| 二效裝置 | 1kg/h | 2kg/h | 50% | 55% |
| 三效裝置 | 1kg/h | 3kg/h | 33% | 37% |
| 四效裝置 | 1kg/h | 4kg/h | 25% | 28% |
| 五效裝置 | 1kg/h | 5kg/h | 20% | 23% |
| 六效裝置 | 1kg/h | 6kg/h | 16.6% | 20% |
總溫差是第一效的最大允許加熱溫度和最后一效的最低沸點之差，這個溫差在其中各效間分配，每效的溫差隨著效數(shù)增加而減小。由于溫差較低，為了達到要求的蒸發(fā)量，各效的加熱面積必須相應擴大。隨著蒸發(fā)裝置的效數(shù)增加，各效的總加熱面積也呈線性比例增加。因此投資費用大幅度上漲，而節(jié)約的能量卻越來越少。
采用多效蒸發(fā)的目的是為了減少加熱蒸汽消耗量，但隨著效數(shù)的增加，溫度差損失(料液沸騰溫度與氣相冷凝溫度的差值)加大。某些溶液的蒸發(fā)還可能出現(xiàn)總溫度差損失大于或等于總溫度差的極端情況，此時多效蒸發(fā)操作則無法進行。因此多效蒸發(fā)的效數(shù)是有一定限制的。一方面，隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽的耗量減小，操作費用降低；而另一方面，效數(shù)越多，設備投資費也越大。例如，由單效改為雙效，可節(jié)省的生蒸汽約為50%，而由四效改為五效，可節(jié)省的生蒸汽量僅約為5%。因此，蒸發(fā)的適宜效數(shù)應根據(jù)設備費用與操作費用之和為小的原則權衡確定。
通常，多效蒸發(fā)操作的效數(shù)取決于被蒸發(fā)溶液的性質(zhì)和溫度差損失的大小等各種因素。每效蒸發(fā)器的有效溫度差為 5～7℃。溶液的沸點升高大，采用的效數(shù)少，如NaOH溶液，一般用 2～3 效；溶液的沸點升高小，采用的效數(shù)多，如糖溶液的蒸發(fā)用4～6效。
二、蒸汽壓縮TVR多效蒸發(fā)技術
多效蒸發(fā)裝置是通過從一效到另一效重復使用相同的熱量來節(jié)省加熱蒸汽，如果根據(jù)熱泵原理將蒸發(fā)室的蒸汽壓縮至加熱室的較高壓力與溫度，冷凝熱也可以被回收。
通常，進入蒸汽噴射泵的二次蒸汽量與加熱蒸汽量相等。如果壓縮1kg/h蒸汽需要1kg/h動力蒸汽，在蒸汽噴射泵的出口一側(cè)將產(chǎn)生2kg/h的混合蒸汽，這樣就可以蒸發(fā)接近2kg/h的水分。
蒸汽噴射泵的效率與加熱蒸汽的壓力以及二次蒸汽與混合蒸汽（二次蒸汽與加熱蒸汽）的溫差(△t)有關?；旌媳龋ǘ握羝颗c加熱蒸汽量之比）隨著蒸汽壓力及溫差(△t)的減小而增大。
常規(guī)TVR蒸汽節(jié)能效果上相當于增加一效蒸發(fā)器；比起多效蒸發(fā)設備，投資會相對減少；蒸汽噴射泵成本不高，但設計要求卻十分嚴格，必須使用專業(yè)公司產(chǎn)品；蒸汽壓力保證4bar以上的壓力。
TVR低溫VC三效蒸發(fā)技術
常規(guī)多效蒸發(fā)設備各效有效溫差不低于7℃，而許多熱敏性物料（如VC）最高蒸發(fā)溫度不超60℃，此時由于溫度太低，將造成后效蒸發(fā)速率下降，意味著蒸發(fā)強度降低，如果要達到預定的生產(chǎn)能力，只有增加蒸發(fā)設備的換熱面積。
為了達到最高溫度不高于60℃的工藝要求，在第一效蒸汽進口增加熱泵，目的是為了減少第一效生蒸汽用量。采用熱泵，第二效產(chǎn)生的二次蒸汽超過一半被生蒸汽壓縮并與之混合作為第一效加熱蒸汽，蒸汽消耗介于四效與五效之間。
采用熱泵工藝，生蒸汽和第二效部分二次蒸汽由熱泵產(chǎn)生的混合汽的溫度為75℃左右，實現(xiàn)了第一效的低溫加熱，其蒸發(fā)溫度為59℃。可見，熱泵型三效實現(xiàn)了低溫加熱和低溫蒸發(fā)且節(jié)能效果顯著，特別適用于熱敏性物料。
三、多效廢熱蒸發(fā)技術
?。ㄒ唬?、玉米漿多效廢熱蒸發(fā)技術：
在許多玉米淀粉加工廠，管束干燥機在副產(chǎn)品干燥過程中產(chǎn)生大量的廢熱蒸汽及高溫汽凝水，這些能源都直接排入大氣，造成極大浪費。玉米漿廢熱蒸發(fā)器是利用管束干燥機排出的廢熱蒸汽及高溫汽凝水作為玉米漿蒸發(fā)器熱源，當車間正常運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的廢熱完全滿足稀玉米漿的蒸發(fā)，實現(xiàn)玉米漿蒸發(fā)工序生蒸汽的零消耗，極大降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高市場競爭力，具有很高的經(jīng)濟和社會效益。
廢汽利用工藝流程如下：
管束干燥機廢汽匯集→洗滌凈化→進入廢汽蒸發(fā)器→廢汽及空氣被引風機排走。
廢汽凈化處理
來自管束干燥機的廢汽不可避免的會帶入少量粉塵,廢汽利用時必須除去其中的粉塵,否則長時間使用，蒸發(fā)器管壁很容易被細小粉塵長期黏結，造成堵管，影響換熱效率。
一般有以下幾個步驟對廢汽進行綜合處理：
1．管束干燥機殼程密封且采用密封出料方式,以盡量減少冷空氣的進入，從而提高廢汽溫度，可降低廢熱蒸發(fā)器的整體投資；
2．廢汽經(jīng)旋風除塵器除去粒徑稍大的粉塵，旋風除塵器應蒸汽伴熱且保溫，防止廢汽冷凝；
3．廢汽進入廢汽洗滌塔，將其中的粉塵用高溫水噴淋洗滌，洗滌后含塵廢水定期外排。
4．根據(jù)客戶要求，廢熱蒸發(fā)系統(tǒng)可與脫二氧化硫設備進行一體化設計，排出的廢汽進入脫硫塔，用于脫除廢汽利用后外排的有毒二氧化硫氣體，減小廠區(qū)異味，改善生產(chǎn)環(huán)境。
玉米漿廢熱蒸發(fā)器的先進性：
1．采用獨特的廢汽洗滌系統(tǒng)，可以得到潔凈的廢熱蒸汽，杜絕了廢汽粉塵污染、堵塞殼程換熱管的關鍵問題；
2．采用先進布液技術，避免布料不均造成換熱管干壁、結垢、堵塞問題；
3．蒸發(fā)系統(tǒng)全部利用管束機廢熱做熱源，蒸發(fā)器完全不用生蒸汽；
4．廢汽蒸發(fā)屬較低溫度蒸發(fā)，循環(huán)量較大，可以減少或避免蒸發(fā)器列管結垢；
5．經(jīng)蒸發(fā)器利用后的干燥機汽凝水可用于浸泡液加熱，玉米浸泡加熱除冬季外完全不用生蒸汽，經(jīng)浸泡工序降溫后的汽凝水可用于淀粉洗滌水。
玉米漿廢熱蒸發(fā)器經(jīng)濟性分析：
以下計算基于用戶數(shù)據(jù)：蒸汽 160 元/噸；以水分蒸發(fā)量20噸/小時為例。
蒸發(fā)量20噸/小時四效蒸發(fā)系統(tǒng)至少使用6.0噸蒸汽才能完成蒸發(fā)量，即0.30噸蒸汽/噸水，運行成本中蒸汽部分48元/噸蒸發(fā)，每年按8000小時計算，節(jié)省蒸汽成本：768萬元。
玉米漿廢熱蒸發(fā)器經(jīng)濟技術參數(shù)
| 淀粉生產(chǎn)規(guī)模（萬噸/年） | 3 | 6 | 12 | 20 | 40 | 60 |
| 水分蒸發(fā)量（T/H） | 3 | 6 | 12 | 20 | 40 | 60 |
| 進料濃度 | 8-10% | |||||
| 出料濃度 | 40-45% | |||||
| 循環(huán)冷卻水用量（m3/h） | 100 | 200 | 400 | 700 | 1400 | 2100 |
| 配套功率（KW） | 45 | 80 | 120 | 180 | 360 | 480 |
| 總換熱面積(m2) | 800 | 1600 | 3000 | 5000 | 9500 | 14000 |
| 投資估算 (萬元) | 130 | 220 | 400 | 600 | 1100 | 1600 |
| 投資回收期（月） | 根據(jù)不同廠家能源價格，約12個月之內(nèi)(蒸汽按160元/噸計算) | |||||
?。ǘ┑矸厶菑U熱蒸發(fā)技術—液化液多級閃蒸降溫蒸發(fā)技術：
目前國內(nèi)多數(shù)淀粉糖企業(yè)的采用的液化工藝：淀粉乳經(jīng)一次噴射液化（溫度約110℃）、一次閃蒸（溫度約98℃）、二次噴射液化（溫度約130℃）、二次閃蒸（溫度約98℃）、連續(xù)層流液化、循環(huán)冷卻水降溫至60℃后進行糖化，大量的熱量排入大氣及循環(huán)冷卻水中，不僅浪費了熱能又耗費了循環(huán)冷卻水。
博大公司采用多級閃蒸新技術進行液化降溫，并充分利用多級閃蒸釋放的熱能設計的多效廢熱蒸發(fā)器已在多家淀粉糖企業(yè)應用。
淀粉糖廢熱蒸發(fā)器的先進性
液化液在真空作用下逐級閃蒸，溫度最終降至60℃后進行糖化，無需循環(huán)冷卻水，閃蒸出廢熱全部回收利用于蒸發(fā)器；
充分利用一次噴射、二次噴射、液化液閃蒸降溫產(chǎn)生的二次蒸汽濃縮葡萄糖漿，糖漿濃度由30%濃縮至60%，每蒸發(fā)一噸水僅需生蒸汽90kg；
通過閃蒸，液化液中的揮發(fā)性物質(zhì)得到去除，有助于糖液質(zhì)量的提高 ；
液化液閃蒸后濃度提高約2個百分點，有助于提高糖化罐產(chǎn)能及減輕后續(xù)蒸發(fā)負荷。
淀粉糖廢熱蒸發(fā)器經(jīng)濟性分析：
以下計算基于用戶數(shù)據(jù)：蒸汽 160 元/噸；以年產(chǎn)50000噸糖廠為例:
液化系統(tǒng)每小時可回收的熱量用于蒸發(fā)，相當于1.5噸生蒸汽的熱量，每年按8000小時計算，節(jié)省蒸汽成本：192萬元。
四、MVR蒸發(fā)技術
MVR蒸發(fā)器是指機械式熱能壓縮蒸發(fā)器，是國際上二十世紀九十年代末開發(fā)出來的新型高效蒸發(fā)設備。其工作原理是蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)機械式壓縮機（類似于鼓風機）作用后，溫度提升5～8℃，返回蒸發(fā)器用于加熱熱源，新鮮蒸汽僅用于補充熱損失和補充進出料熱焓，從而大幅度減少蒸發(fā)器對外來新鮮蒸汽的消耗。TVR蒸發(fā)器中，僅有一部分蒸汽被壓縮，而在MVR蒸發(fā)器中全部的蒸汽都被壓縮，所以熱效率更高。除開車啟動外，整個蒸發(fā)過程中無需生蒸汽。這樣，原來要廢棄的蒸汽就得到了充分的利用，生蒸汽的經(jīng)濟性相當于多效蒸發(fā)的30效。
目前國內(nèi)外多數(shù)的MVR蒸發(fā)裝置使用單級離心式風機。MVR風機的設計提資很重要，它將影響和決定系統(tǒng)最終的蒸發(fā)量。對于不同干物濃度下沸點差異不大的物料，采用單臺風機即可滿足；對于不同干物濃度下沸點差異較大的物料，采用兩臺風機串聯(lián)，或使用多級壓縮風機。MVR 蒸發(fā)裝置根據(jù)操作條件的不同，有時需要少量的額外蒸汽補充，有時又需將剩余的蒸汽冷凝來保持蒸發(fā)器總體的熱平衡和保證操作條件的穩(wěn)定。
運行經(jīng)濟性分析
以蒸發(fā)量：18噸/h，葡萄糖溶液為例
| 類型 | 蒸汽效率（kg/kg） | 耗汽量（%） | 耗電量（%） | 冷卻水（%） | 運行成本（%） | 投資（%） | 投資回收（yr） |
| 4效蒸發(fā) | 3.6/1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | - |
| 5效蒸發(fā) | 4.6/1 | 78.8 | 114 | 79.4 | 79.1 | 112 | 4.4 |
| 1-MVR | 200/1 | 1.8 | 686 | 1.8 | 13 | 175 | 1.7 |
MVR的技術參數(shù)：
蒸發(fā)一噸水需要耗電為20-50度電；
可以實現(xiàn)40℃的低溫蒸發(fā)（無需冷凍水系統(tǒng)）
采用MVR的優(yōu)點：
低能耗、運行費用低，MVR蒸發(fā)的能耗與30效蒸發(fā)器的能耗相當。
低溫蒸發(fā)(適合于熱敏性物料)，無需冷凍設備。
結構簡單，相當于單效設備，且無冷卻設備、鍋爐設備等
運行平穩(wěn)，占地面積小 。
五、多效強制循環(huán)蒸發(fā)結晶技術
強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器是我公司研制的高效節(jié)能濃縮結晶設備，該設備在真空低溫條件下運行，具有料液流速快、蒸發(fā)快、不易結垢等特性。強制循環(huán)蒸發(fā)器由加熱熱室和結晶器兩大部分組成。通過一臺循環(huán)泵，液體在列管中循環(huán)，在高于正常液體沸點下加熱至過熱。進入分離器后，液體的壓力迅速下降導致部分液體閃蒸，蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進入下一效蒸發(fā)器加熱或進入冷凝器冷凝。
強制循環(huán)蒸發(fā)結晶器的特點：
1、全套系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效節(jié)能，蒸汽耗量低；
2、濃縮比大，粘度較大的料液容易蒸發(fā);
3、操作周期長，沸騰、蒸發(fā)過程不在加熱表面而是在分離器中進行，在列管中由結殼和沉淀產(chǎn)生的結垢現(xiàn)象被降低。
4、蒸發(fā)器通過強制循環(huán)，在管內(nèi)受熱均勻，傳熱系數(shù)高，可防止"干壁" 現(xiàn)象。
清洗系統(tǒng)
根據(jù)不同的產(chǎn)品，設備經(jīng)過一定時間的運轉(zhuǎn)后，可能會發(fā)生結垢現(xiàn)象。絕大多數(shù)情況下使用化學清洗可去除水垢和污垢，為此蒸發(fā)系統(tǒng)需配備在線清洗系統(tǒng)（CIP）。清洗劑的選擇是根據(jù)結垢的類型進行選擇。清洗劑滲入結垢層，將結垢溶解或分解，使蒸發(fā)器內(nèi)表面被徹底清洗。
自動控制系統(tǒng)
蒸發(fā)過程的主要目的是為了獲得一個恒定的產(chǎn)品終濃度。因此所有的參數(shù)如蒸汽壓力、進料流量、各效液位、真空、產(chǎn)品濃度等保持不變是非常重要的。這些參數(shù)的變化可能會影響蒸發(fā)裝置的操作或改變產(chǎn)品質(zhì)量和熱平衡。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的蒸發(fā)器幾乎都不帶自控系統(tǒng)，所有的操作依靠人工完成。若采用全自動化操作系統(tǒng)具有人工操作無法比擬的優(yōu)越性，可以穩(wěn)定工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，同時可以防范因人員誤操作引起的故障，大大減輕人員的勞動強度。
根據(jù)工藝及客戶要求，我公司蒸發(fā)裝置配備了全自動操作系統(tǒng)，所有的控制步驟及故障對應措施都編入程序中，簡化了操作及管理，可以做到自動運行、自動清洗、自動停機。
整套控制系統(tǒng)具有多個控制點，在電腦上可以對泵、閥等進行控制，分別控制進料流量、液位、溫度、蒸汽流量、產(chǎn)品濃度等參數(shù)。產(chǎn)品濃度通過在線折光儀來顯示與控制，產(chǎn)品濃度控制回路與蒸汽壓力控制回路構成串級控制來調(diào)節(jié)第一效的蒸汽供應量，最終產(chǎn)品濃度控制更穩(wěn)定、更精準。
