蒸发浓缩系统

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1、可以用真空蒸发的，尽可能不要用常压蒸发

这里一般说的是单效蒸发。一般使用真空蒸发，沸点温度更低。比如常压下水的沸点是100℃，在绝压0.3公斤下，水的沸点只有69.1℃，这样，根据方程式：Q=kAΔt，Δt增大，换热面积减少，制造成本也下降了。不仅如此，蒸发一吨水，常压蒸发可能耗费1.4t蒸汽，而减压蒸发可能只需要耗费1.1t蒸汽，运行成本下降也是很明显的。

2、如果条件允许，尽可能选择板式换热的蒸发器

道理和上面的一样，板式比列管的传热系数k要高得多，这样要的面积就少；而且板式换热器的占地小，不需要太大的空间，巡检容易。当然，最关键的还是，选择正确的板型，根据物料的粘性、结垢特性等，配备合适的CIP系统，保证系统长久稳定的运行。

3、如果条件合适，尽可能将物料预热

这个道理其实也很简单，将物料预热，离沸腾的温度就近了，这样，使用的蒸汽就少了。工业工厂里面，有很多低品位，而且连续的热源，适当的加以考虑，可以在一定程度降低能源消耗。比如，某单效系统，25℃进料，耗费蒸汽1.06t，但如果将物料预热到50℃，只需要耗费0.98t蒸汽，降幅达8%。

4、摸准物性的情况，尤其应该关注沸点升高的问题

A、沸点升高的原理

沸点升高（Boiling point elevation），说的是：每当将非挥发性溶质（例如盐）添加到纯溶剂（例如水）中时，就会发生这种情况。沸点升高是一种依数性（Colligative properties），就是说它取决于溶解物质的存在及其数量，而不是它们的特性。依数性包括：蒸气压相对降低、沸点升高、冰点降低、渗透压变化这4个，只不过，这里，沸点升高更值得我们关注。

B、沸点升高的计算

沸点升高可以通过公式进行计算：ΔT = iKbm（其中，i是溶液中化合物形成的单个粒子（通常是离子）的数量，比如糖为1，NaCl为2，CaCl2为3；Kb是沸点升高常数，每一种物质都特定而且不同；m是质量摩尔浓度，单位为mol/kg），具体的计算示例，可以参照如下：

沸点升高公式仅适用于稀溶液！将它用于浓缩溶液，也能给出一个大概的答案。所以，如果应用工业设计计算，也不失为一个参考，总比那些等同于水一样考虑来得深入很多。以烧碱为例，假设蒸发浓缩到50%浓度，经过计算的沸点升高为：12.8℃，但通过查其特定溶液的杜林图表（Duhring Chart），实际得到的是40℃。

以其单效真空蒸发系统为例，如果沸点升高按0℃、12.8℃、40℃三者代入，它们的换热面积分别为19.5平方、24.2平方、49.9平方。这就很好的解释了，为什么那么多制造企业，明明感觉计算挺好，但是直接生产应用明显能力不足。所以，采购的时候，你还只会比价格么？

C、沸点升高情况的获取

上面有介绍到一个查沸点升高的表格，实际上，这是最直接的方式。通过查表，可以快速准确的知道所对应溶液的沸点升高情况。查表的办法，以老沙弥的这段时间的钻研，大概就2个办法，一个是如上面所述，通过查你想知道的溶液的杜林曲线，快速准确的知道。但是这种特定的杜林图表，老沙弥都没找到几个，可见数据不多。亟待有人指教一二。另外一个是，通过佩里工程师手册的下面的这个表，可以查（NaOH, CaCl 2 , NaCl, KOH, KCl, MgCl 2 ,H2SO4,甘油,Kraft Liquid, 柠檬酸, 蔗糖, NaNO3 , (NH 4 )2SO4 , K2CO3 , Ca(NO3) 2 , HNO3 ,LiNO3和LiCl）这18种水溶液的沸点升高。多出这些的，只能通过实验检测了。

D、沸点升高情况的测量

大多数情况下的溶液，它的沸点是可以通过仪器测量的。测量的方法有好几种，最为普通的就是，通过简单蒸馏法，把东西烧开，测上面的蒸汽温度，但是，这种方法，容易出现监测误差，出现温度过低的情况。有介绍说的最为简单的方法是蒂勒管(Thiele tube)法，这个方法简单易行，具体怎么做，有需要的自己参照说明书就是。

5、中药、食品等产品蒸发过程注意的问题

A、减缓结垢的现象

和制糖工业的加工过程一样，像甜菜、甘蔗以及其它中草药等植物，他们自身含有草酸，在蒸发过程，容易形成草酸钙的结垢；而像乳清蛋白、果汁里面的果胶等的粘性物质，容易在换热表面沉积、结焦，形成污垢。这些在加工过程可能不可避免，但可以通过增加流速、降低蒸发温度、做好CIP清洗的设计来保证换热器的使用效果。

B、卫生洁净设计

无论是医药还是食品、饲料，其中涉及一个影响成品质量的一个最关键的问题，就是是否使用卫生洁净的设计。这点，在国内做到的较少，拿普通的泵、阀、管就开干，关键是没有注意细节设计，排不净等问题常有，系统中生物污染累积到一定程度，就造成了残次品啦。

C、消除泡沫夹带

一些物料在浓缩过程，起泡可能会比较严重，这不仅会造成损失，也给环保处理带来了压力。所以，选择合适的消泡器，避免泡沫夹带，是最好的办法。

D、选择合适蒸发温度

这一类产品在蒸发过程中，有很大一部分对温度敏感，就是俗称的热敏性（heat sensitive），就是说，物料在加热过程中容易发生分解、聚合、氧化等变质反应。食品、中药等，含有许多对热敏感的营养素，包括维生素、矿物质等，这里的维生素不仅包括常见的维生素一族，还包括叶酸、烟酸、硫胺素、核黄素、泛酸等等， 加热过程中破坏损失最大的是维生素和矿物质。如，有研究表明，免疫球蛋白和血清白蛋白在 65℃ 左右变性(denaturation)，而β-乳球蛋白 (β-LG) 和 α-乳白蛋白 ( α-LA) 在 70 ~ 75℃ 开始显著变性。

而另外一种需要考虑温度和加热时间的地方，就是美拉德反应（Maillard reaction）。美拉德反应是指在高温下，氨基酸和还原糖之间的化学反应，造成这样反应的后果是，给产品增加了许多颜色和味道，这些后果中，有很多是令人愉悦的，比如薯条的金黄色、烤肉的棕褐色等等，但也有很多是需要在产品加工过程避免的，比如在柠檬汁在70℃下蒸发，褐变值也会翻倍增加；在对胶原蛋白进行蒸发时，使用较低的蒸发温度，品相更好，更符合下游工业的要求。

老沙弥尽可能每次都能给大家分享点东西，这次，对应分享的是《食品工艺设计手册（2卷）》和《蒸发技术手册1986版》，这两本书都是英文版，它们被大量引用，估计主要是经典、实用吧。里面都有针对蒸发器设计选型使用方面的建议和办法。为避免文章假分享，想获取的，将文章分享朋友圈并获赞5个以上，即可获得上述书籍。

一、多效蒸发器

多效蒸发器（Multiple effect evaporation）缩写简称MEE。多效是相对于单效（single-effect）而言的，单效只有一个有效的蒸发体，而多效有多个；当然，最大的差别就是单效的蒸汽直接去冷凝了，而多效前面效体的二次蒸汽继续利用以节约能耗。多效蒸发是节能的主要手段，一般来说，效数越多，蒸汽经济性越好。但，如果不注重物性，随着沸点升高加大，后效的温差缩小，即使再多的效数，也无济于事。市面上，3效、4效较为常见，但，也有很多效的蒸发器，像目前已建成多达17效的蒸发器应用在海水淡化领域。

多效蒸发器可以有列管、板式的不同，也可以有降膜，升膜的不同，还可以有顺流，逆流等等的区别。像前面几项的不同，在单效蒸发器那篇里已经有了说明，这里单就多效蒸发器的进料流程稍作解释。像上上图里的多效进料流程，就属于顺流，蒸汽（或二次蒸汽）的流向和物料进料流向相同。而如果是逆流的话，蒸汽和物料的流向则刚好相反。

相对而言，顺流设计的蒸发器，更适合设置在来料温度较高的情况，这样需要的生蒸汽就少一些；但如果来料温度较低的时候，逆流设计的蒸发器，就更经济些，毕竟，后效可利用的温差小了，用来预热物料可能就更经济些。除了顺流、逆流，还有平流、错流，设置什么样的流向，除了考虑经济性的要求，有时也经常考虑物料流动性的情况，所以，蒸发器的设计，没有一招致命的绝招，是需要反复做好摸排，综合考虑的。

二、使用热泵的蒸发器：TVR

其实，热泵（heat pump）这个名称，被更多的通俗指向于类似空气热泵、吸收式热泵等的技术，所以，现在的蒸发系统的热泵都直接指向它的专业名词了。在蒸发器里面，说的热泵指的是蒸汽再压缩技术（vapour recompression），实现这种的技术，有两种，一种是Thermal Vapour Recompression，简称为TVR，也有写成Thermal Vapor Compression的，缩写就成了TVC了。名称可以直译，也可以通俗的叫它喷射式热泵或者直译叫做热能压缩（thermocompressor）。

这种喷射泵的工作原理是：利用中压或高压的新鲜蒸汽在喷射器中形成一定的负压，引入从分离器出来的二次蒸汽，并将二者混合，用于蒸发系统的加热蒸发。像上图的流程示意就是，蒸汽喷射热泵将一效出来的二次蒸汽的温度，用于加热另一效。喷射器的性能和喷嘴、文丘里喉管面积、生蒸汽压力、吸气和排气压力、分子量等都有关系，虽然类似的书籍早就给出了最佳设计曲线，但是国产的喷射器，需要提升的空间，依然很大。

由于没有额外的动力装置，喷射热泵所吸入的二次蒸汽完全靠生蒸汽提供的动力实现，所以，使用TVR的蒸发器利用二次蒸汽的量是不可能无限大的。在蒸发器系统里，做好前面的设计工作，知道了二次蒸汽的参数、控制好新鲜蒸汽的压力，才能控制好抽汽比。天臻生物化工设计的TVR蒸发器，1kg新鲜蒸汽可以利用达0.3kg的二次蒸汽，仅用一个喷射热泵，就可以节约了一个蒸发效体的投资。

三、使用热泵的蒸发器：MVR

实现蒸汽再压缩技术的热泵，还有一种，那就是Mechanical Vapor Recompression，简称MVR，或者MVC，道理和上面TVR一样。这种热泵的工作原理是：将蒸发溢出的二次蒸汽用风机或压缩机再压缩，气体的PV/T是个常数，压力的升高，伴随着二次蒸汽温度的增加，这样就保证了蒸发器所要求的温差了。国内现在有好些企业的蒸汽压缩机做的也已经很不错了，而且发展的都很不错，可见，技术深耕总有回报的。

压缩机类型的蒸汽热泵，目前是应用在蒸发器里最为节能的技术，也是最节碳的技术。现在各个主流企业宣称的MVR蒸发器能耗，蒸发1t水，大概耗能在8~60kwh之间。如果，我们的MVR蒸发器单位耗能，取中间值30kwh为例计算，而我们以多效蒸发器单位耗能，取0.3t蒸汽计算。那么，我们根据发改委的关于“温室气体排放核算方法”，每蒸发1吨水，MVR的蒸发器比多效蒸发器要减少CO2排放达55公斤。常规设计的MVR蒸发器在流程上好像和单效蒸发器没有太大的区别，示意图如下：

MVR蒸发器上面说了，其吨水蒸发能耗大概在8~60kwh之间，实际上更多的在15~45kwh区间。主要造成这些成本区别的地方，主要包括以下几个方面：

1、压缩机效率的差异

目前，蒸汽的压缩热泵形式，有包括离心式、轴流式、罗茨式，甚至磁悬浮式等，即使同一种形式的热泵，能否运行在最佳工况，也和压缩机的系列产品存在距离的。常规的压缩机的效率大概在75~85%之间，罗茨式的大概在50~60%之间。市场主流以离心式为主，国内也有很多使用罗茨式的：

2、沸点升高和物料浓度差异

对于沸点升高的知识，我们上一篇已经说过。在蒸发浓缩过程，如果沸点升高比较高，这时候，就需要提高压缩比，将温度提高，才能达到溶液沸腾的温度要求。我们大概可以看看piller压缩机的性能曲线（左侧为温升10℃的单级曲线，右侧为温升达20℃的两级曲线），当提高温度后，处理量，减少了很多，很明显，这样运行起来就不那么经济了。

3、其它设计上的考虑差异

对于MVR蒸发器，降低蒸发器的实际蒸发单耗，还包括利用工厂和蒸发系统的余热进行预热，结合流程模拟软件，设置最佳的MVR+多效蒸发流程等等。这些措施，都可以在一定程度降低MVR蒸发器的实际蒸发单耗，但，并非蒸发单耗越低越好。这里，还有其投资回报的合理性的问题，还是因势利导为好。

现在有很多人走入的节能的误区，不考虑MVR蒸发器的实际蒸发能力和产品特性，而过分追求数字上的蒸发能耗，这是舍本逐末的做法。先不说，张口闭口，低蒸发能耗，是不是过分吹嘘，任何脱离上述的实际设计考量的，都是招摇撞骗。

老沙弥尽可能每次都能给大家分享点东西，这次，对应分享的是《佩里化学工程师手册第8版》里面的《蒸发器》的章节，有中英版本，参照阅读。为避免文章假分享，想获取的，将文章分享朋友圈并获赞5个以上，即可获得上述书籍。

一、单效蒸发的基础计算单效蒸发基础计算和热泵等的蒸发器计算，大体相似，也就是说，掌握好单效蒸发器的计算，才能延申掌握其它的蒸发器类型的设计计算。单效蒸发器的基础计算，一般会涉及计算到浓缩液流量L，生蒸汽使用量S，二次蒸汽量V，换热量Q和需要的换热面积A等这几个参数。而要列出方程，计算出结果，主要是根据进出物料的质量平衡和进出物料的热量平衡列方程，计算。一般情况下，如果不是粗心大意或者单位没转化过来，都不会出什么差错的。下面是excel计算的例子，验证过，当然更加稳妥些。二、多效蒸发器的基础计算

下面套用《佩里化学工程师手册》里面关于多效蒸发器的说法，通俗的解释一下。由于多效蒸发器进料方式的多样性以及物料预热和冷凝水闪蒸等等的复杂性，做好多效蒸发器的设计的唯一确定的方法就是通过详细的热量平衡和物料平衡。下面是某篇论文的正向进料的三效蒸发浓缩系统的流程示意图：

这个流程，涉及的物料平衡和热量平衡，以及一般需要求解的一些数据，罗列出来，以备有兴趣的参详参详。这不像国内很多书籍说的，太多弯弯绕，不好消化。

一般来说，一个多效蒸发器可以根据迭代法或者试错法进行计算，这样可以加快得到最佳的结果。但是通常来说，真正的工业蒸发器都会相对复杂，有预热器、闪蒸罐等，而不是简单的几个效体就完整的。基本的设计计算步骤如下：1、考虑沸点升高的情况，预估蒸发器中的温度分布；

2、确定总蒸发量，并估算总的蒸汽消耗量；

3、通过第一效的进料情况，计算第一效的蒸发量。如此重复，计算后续效体的流量和蒸发量。并注意检查原先的假设情况；

4、如果计算结果和实际要求并不符合，则用新的蒸汽参数重新又从第一效开始计算；5、上述计算过程的同时，可以获得溶液浓度、沸点升高等数据，然后又可以根据热负荷、假定温差和传热系数，确定换热面积。如果换热面积的分布不符合要求，那么可能需要重新校正和计算；

6、如果经验和数据足够，在取传热系数的时候，会更准确，这样换热面积就调整得更准确。

现在有很多这方面的软件，已经可以使用像上图的Aspen plus来进行流程模拟和计算，省却了一些工作。但是，《佩里工程师手册》的编者担心其可能因为这些假设而出现一些错误的结果，而且蒸发器的优化设计，牵涉的太多，比如材料、面积分布成本、操作时间、开停机时间等等......所以，公司自己定制化的经验设计和考虑，就有了很多参考意义。三、MVR蒸发器的基础计算

在多数情况下，MVR蒸发器的流程只是比单效蒸发多一个机械热泵而已。所以，在计算的时候，和上面的单效蒸发的基础计算没有太大的不同，唯一的区别在于，分离器出来的二次蒸汽需要经过机械热泵的压缩，温度提升，压力提升而已。

整个计算过程，依然延续的是“物料平衡”和“热量平衡”的计算方程组，通过列出方程组，计算二次蒸汽质量，并找到对应压力下的蒸汽密度，这样就可以得到蒸汽的体积流量。然后，最好有2、3本机械热泵的产品手册，这样，对照着进行选型和实际工况的填充。

四、TVR蒸发器的基础计算

TVR蒸汽热泵在蒸发器系统里面，要么是和单效，要么是和多效一起配合使用，所以，掌握了单效或者多效的基础计算办法之后，就不再是什么太大的问题了。问题的关键，只不过是这个Thermocompressors的参数表现如何罢了。有很多文章介绍了这个喷射器怎么设计和制造，但这里，只需要懂得它的性能曲线。以某公司的TVR曲线为例，就可以很快知道抽气比情况，这样，对于下来的计算就不是什么难的事情了。十多年以前，老沙弥就看见天臻生物生化的技术老总给一个药厂做的一个TVR+2效的技术方案，很是膜拜，于是厚着脸皮拿了来学习，可惜，像很多人一样，只是拿来放在了抽屉，一直尘封到如今。这个方案好就好在流程清晰，数据严谨，一目了然。

上面的流程，相对于和市场客户当面交流，当然，还可以更美化一些，但，自用以设计计算，已经绰绰有余了。而可以像这样根据流程，严谨的进行计算校核的，选择最为经济合理的方案，简直就是鹤立鸡群的存在。

上面是excel的截图，截取的不是很完整，但胜在可以清晰的知道，蒸发器的设计，没有捷径可循，所以，现在回过头来看，为什么有很多人，遇到的蒸发器都不甚理想。重新设计一套蒸发器方案，会很劳神，甲乙双方，能吃透这个方案更少，最关键的是，一个简单的比价，让劣币驱逐了良币。

四、蒸发器的模拟

蒸发器的模拟计算，有好几个软件和办法，最有名的，就是Aspen Plus和Aspen Hysys了。老沙弥就试用了Aspen Plus，所以，下面以Aspen Plus为点展开。Aspen Plus具有工业上完备的物性数据库、50多种单元操作模块，可以对工艺过程进行严格的质量和能量平衡计算，预测物流的流量、组成以及性质，预测操作条件、设备尺寸等等。Aspen Plus里面没有单纯的蒸发器单元，要做成蒸发器，需要几个块组成，主要是闪蒸器、换热器、分配器等。老沙弥试着学习，照着做了几个例子，功能很强大，很值得深入学习。它有强大的数据库，有多年的运行计算经验累积，这就是工程AI的基础呀，看来我们是一时半会追不上了。