概 述
蒸發是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質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。由于被蒸發的產品特性不同，就決定了蒸發器在選型、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裝置，擁有豐富的成功經驗，知道如何滿足客戶需求。所有的設計都考慮到產品質量、能源消耗、投資成本、方便操作等因素。國際上通用的蒸發節能技術有多效蒸發、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的高效節能多效蒸發器、蒸汽壓縮TVR多效蒸發器、廢熱利用蒸發器、機械壓縮MVR蒸發器、多效強制循環蒸發結晶器均已達到國際先進水平。
一、多效蒸發技術
如果考慮一個單效蒸發器的熱平衡，蒸出蒸汽的熱焓近似等于加熱一側輸入的熱焓。在蒸發水的情況下，1kg/h的生蒸汽大約可蒸出1kg/h的蒸汽，因為加熱一側和產品一側的蒸發熱基本相同。如果把一次能源生成的蒸汽用作第二效的加熱蒸汽，整個系統的能耗將下降50%。同理，多效蒸發將節約更多能量。
不同效數蒸發蒸汽消耗量
| 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增加而減小。由于溫差較低，為了達到要求的蒸發量，各效的加熱面積必須相應擴大。隨著蒸發裝置的效數增加，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，而節約的能量卻越來越少。
采用多效蒸發的目的是為了減少加熱蒸汽消耗量，但隨著效數的增加，溫度差損失(料液沸騰溫度與氣相冷凝溫度的差值)加大。某些溶液的蒸發還可能出現總溫度差損失大于或等于總溫度差的極端情況，此時多效蒸發操作則無法進行。因此多效蒸發的效數是有一定限制的。一方面，隨著效數的增加，單位蒸汽的耗量減小，操作費用降低；而另一方面，效數越多，設備投資費也越大。例如，由單效改為雙效，可節省的生蒸汽約為50%，而由四效改為五效，可節省的生蒸汽量僅約為5%。因此，蒸發的適宜效數應根據設備費用與操作費用之和為小的原則權衡確定。
通常，多效蒸發操作的效數取決于被蒸發溶液的性質和溫度差損失的大小等各種因素。每效蒸發器的有效溫度差為 5～7℃。溶液的沸點升高大，采用的效數少，如NaOH溶液，一般用 2～3 效；溶液的沸點升高小，采用的效數多，如糖溶液的蒸發用4～6效。
二、蒸汽壓縮TVR多效蒸發技術
多效蒸發裝置是通過從一效到另一效重復使用相同的熱量來節省加熱蒸汽，如果根據熱泵原理將蒸發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將產生2kg/h的混合蒸汽，這樣就可以蒸發接近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。混合比（二次蒸汽量與加熱蒸汽量之比）隨著蒸汽壓力及溫差(△t)的減小而增大。
常規TVR蒸汽節能效果上相當于增加一效蒸發器；比起多效蒸發設備，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，必須使用專業公司產品；蒸汽壓力保證4bar以上的壓力。
TVR低溫VC三效蒸發技術
常規多效蒸發設備各效有效溫差不低于7℃，而許多熱敏性物料（如VC）最高蒸發溫度不超60℃，此時由于溫度太低，將造成后效蒸發速率下降，意味著蒸發強度降低，如果要達到預定的生產能力，只有增加蒸發設備的換熱面積。
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生的混合汽的溫度為75℃左右，實現了第一效的低溫加熱，其蒸發溫度為59℃。可見，熱泵型三效實現了低溫加熱和低溫蒸發且節能效果顯著，特別適用于熱敏性物料。
三、多效廢熱蒸發技術
（一）、玉米漿多效廢熱蒸發技術：
在許多玉米淀粉加工廠，管束干燥機在副產品干燥過程中產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器熱源，當車間正常運轉時所產生的廢熱完全滿足稀玉米漿的蒸發，實現玉米漿蒸發工序生蒸汽的零消耗，極大降低企業生產成本、提高市場競爭力，具有很高的經濟和社會效益。
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，可降低廢熱蒸發器的整體投資；
2．廢汽經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．根據客戶要求，廢熱蒸發系統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，減小廠區異味，改善生產環境。
玉米漿廢熱蒸發器的先進性：
1．采用獨特的廢汽洗滌系統，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．蒸發系統全部利用管束機廢熱做熱源，蒸發器完全不用生蒸汽；
4．廢汽蒸發屬較低溫度蒸發，循環量較大，可以減少或避免蒸發器列管結垢；
5．經蒸發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。
玉米漿廢熱蒸發器經濟性分析：
以下計算基于用戶數據：蒸汽 160 元/噸；以水分蒸發量20噸/小時為例。
蒸發量20噸/小時四效蒸發系統至少使用6.0噸蒸汽才能完成蒸發量，即0.30噸蒸汽/噸水，運行成本中蒸汽部分48元/噸蒸發，每年按8000小時計算，節省蒸汽成本：768萬元。
玉米漿廢熱蒸發器經濟技術參數
| 淀粉生產規模（萬噸/年） | 3 | 6 | 12 | 20 | 40 | 60 |
| 水分蒸發量（T/H） | 3 | 6 | 12 | 20 | 40 | 60 |
| 進料濃度 | 8-10% | |||||
| 出料濃度 | 40-45% | |||||
| 循環冷卻水用量（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） | 根據不同廠家能源價格，約12個月之內(蒸汽按160元/噸計算) | |||||
（二）淀粉糖廢熱蒸發技術—液化液多級閃蒸降溫蒸發技術：
目前國內多數淀粉糖企業的采用的液化工藝：淀粉乳經一次噴射液化（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℃）、連續層流液化、循環冷卻水降溫至60℃后進行糖化，大量的熱量排入大氣及循環冷卻水中，不僅浪費了熱能又耗費了循環冷卻水。
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器已在多家淀粉糖企業應用。
淀粉糖廢熱蒸發器的先進性
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，無需循環冷卻水，閃蒸出廢熱全部回收利用于蒸發器；
充分利用一次噴射、二次噴射、液化液閃蒸降溫產生的二次蒸汽濃縮葡萄糖漿，糖漿濃度由30%濃縮至60%，每蒸發一噸水僅需生蒸汽90kg；
通過閃蒸，液化液中的揮發性物質得到去除，有助于糖液質量的提高 ；
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能及減輕后續蒸發負荷。
淀粉糖廢熱蒸發器經濟性分析：
以下計算基于用戶數據：蒸汽 160 元/噸；以年產50000噸糖廠為例:
液化系統每小時可回收的熱量用于蒸發，相當于1.5噸生蒸汽的熱量，每年按8000小時計算，節省蒸汽成本：192萬元。
四、MVR蒸發技術
MVR蒸發器是指機械式熱能壓縮蒸發器，是國際上二十世紀九十年代末開發出來的新型高效蒸發設備。其工作原理是蒸發器產生的二次蒸汽經機械式壓縮機（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器對外來新鮮蒸汽的消耗。TVR蒸發器中，僅有一部分蒸汽被壓縮，而在MVR蒸發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，生蒸汽的經濟性相當于多效蒸發的30效。
目前國內外多數的MVR蒸發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最終的蒸發量。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，或使用多級壓縮風機。MVR 蒸發裝置根據操作條件的不同，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器總體的熱平衡和保證操作條件的穩定。
運行經濟性分析
以蒸發量：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 | 3.6/1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | - |
| 5效蒸發 | 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：
蒸發一噸水需要耗電為20-50度電；
可以實現40℃的低溫蒸發（無需冷凍水系統）
采用MVR的優點：
低能耗、運行費用低，MVR蒸發的能耗與30效蒸發器的能耗相當。
低溫蒸發(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，占地面積小 。
五、多效強制循環蒸發結晶技術
強制循環蒸發結晶器是我公司研制的高效節能濃縮結晶設備，該設備在真空低溫條件下運行，具有料液流速快、蒸發快、不易結垢等特性。強制循環蒸發器由加熱熱室和結晶器兩大部分組成。通過一臺循環泵，液體在列管中循環，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，蒸發產生的二次蒸汽進入下一效蒸發器加熱或進入冷凝器冷凝。
強制循環蒸發結晶器的特點：
1、全套系統運行穩定、高效節能，蒸汽耗量低；
2、濃縮比大，粘度較大的料液容易蒸發;
3、操作周期長，沸騰、蒸發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生的結垢現象被降低。
4、蒸發器通過強制循環，在管內受熱均勻，傳熱系數高，可防止"干壁" 現象。
清洗系統
根據不同的產品，設備經過一定時間的運轉后，可能會發生結垢現象。絕大多數情況下使用化學清洗可去除水垢和污垢，為此蒸發系統需配備在線清洗系統（CIP）。清洗劑的選擇是根據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，使蒸發器內表面被徹底清洗。
自動控制系統
蒸發過程的主要目的是為了獲得一個恒定的產品終濃度。因此所有的參數如蒸汽壓力、進料流量、各效液位、真空、產品濃度等保持不變是非常重要的。這些參數的變化可能會影響蒸發裝置的操作或改變產品質量和熱平衡。
目前國內生產的蒸發器幾乎都不帶自控系統，所有的操作依靠人工完成。若采用全自動化操作系統具有人工操作無法比擬的優越性，可以穩定工藝參數，提高產品品質，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。
根據工藝及客戶要求，我公司蒸發裝置配備了全自動操作系統，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、產品濃度等參數。產品濃度通過在線折光儀來顯示與控制，產品濃度控制回路與蒸汽壓力控制回路構成串級控制來調節第一效的蒸汽供應量，最終產品濃度控制更穩定、更精準。
