根据蒸发器中溶液循环原理的分类及适用条件

5.3.2　根据蒸发器中溶液循环的原理分类

1.自然循环蒸发器

自然循环蒸发器指在加热时由于被加热的溶液内各部分的密度不同而产生的溶液循环。上文中所涉及的敞口夹套蒸发锅和夹套式真空浓缩釜均属于此类。常用的循环型蒸发器有：中央循环管式蒸发器、带搅拌的夹套釜式蒸发器、外加热式蒸发器等。此外，还有悬筐式蒸发器、管外沸腾式蒸发器等。

（1）中央循环管式蒸发器：又称标准式蒸发器（如图5-5所示），是在常压下由中央循环管产生的自然循环。具有构造简单、制造方便、投资较少、可操作性强等优点，适用于黏度较大及易结垢的料液浓缩。缺点是检修麻烦、溶液循环速度较低、传热系数较小，为了提高传热系数，宜用带搅拌的标准式蒸发器（如图5-6所示）。

图5-5　标准式蒸发器

（2）带搅拌的夹套釜式蒸发器：如图5-7所示为密闭间歇式蒸发器，可在常压或真空下操作，适用于浓物料和黏度大的料液浓缩，但传热面有限，料液受热时间较长，不适合热敏性物料的浓缩。

图5-6　带搅拌的标准式蒸发器

图5-7　带搅拌的夹套釜式蒸发器

（3）加热式自然循环式蒸发器：根据加热室与蒸发室的位置关系，加热式蒸发器（图5-8）可分为同轴内热式、双程加热式、外加热式蒸发器。其中，同轴内热式和双程加热式由于加热室在蒸发室内，浓缩效果不理想，且不易检修与清洗，不适用于天然药物提取液的浓缩。外加热式的加热室位于蒸发室外，便于清洗和更换，适用于易起泡、易结垢及热敏性物料的浓缩。

图5-8　加热式蒸发器

2.强制循环蒸发器

强制循环蒸发器主要依靠泵的外力作用，迫使溶液沿着一定的方向循环，以此来提高传热系数，加快循环速度。根据加热器的形式可分为立式单程、立式双程和卧式双程。主要用于黏度大、易结垢、易结晶或易产生气泡的料液浓缩。由于强制循环蒸发器的传热系数大于自然循环蒸发器的传热系数，一般多在真空条件下操作。

强制循环蒸发器（图5-9）的主要结构为加热室、蒸发室、泵、分离室、下降口等。操作时先抽真空，然后进料，启动泵，同时通入加热蒸气，料液在泵的作用下，快速流经蒸发室被气化，产生的二次蒸气在分离室分离，经冷凝除去。在这种蒸发器中，循环速度的大小可用调节泵的流量来控制，一般应控制在25m/s以上。缺点是能量消耗大，每1m²加热面积约需耗能0.4～0.8kW。

3.不循环蒸发器

不循环蒸发器主要指膜式蒸发器。薄膜蒸发是使料液在蒸发时形成薄膜，增加气化表面进行蒸发的方法，又称薄膜浓缩。其特点是：①溶液仅通过加热面一次，溶液不作循环；②溶液在加热管中呈薄膜形式，蒸发速度快，受热时间短，传热效率高；③不受料液静压和过热影响，有效成分不易被破坏；④溶剂能回收重复利用。

薄膜蒸发的进行方式有两种：一是使液膜快速流过加热面进行蒸发，可在短暂的时间内达到最大蒸发量，但蒸发速度与热量供应间的平衡不稳定，料液黏度增大，易黏附在加热面上，热阻变大，影响蒸发速度，如降膜式蒸发器、刮板式薄膜蒸发器。二是使药液剧烈地沸腾，产生大量泡沫，以泡沫的内外表面为蒸发面进行蒸发，如升膜式蒸发器。

根据料液在蒸发器内的流动方向和成膜方式不同，薄膜蒸发器可分为以下几种。

图5-9　强制循环蒸发

A.料液；B.二次蒸气；C.浓缩液；D.加热蒸气；E.冷凝液；F.不凝气体

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1.加热室；2.蒸发室；3.泵；4.分离室；5.排泄口；6.下降口

（1）升膜式蒸发器：如图5-10所示，类似于一台立式管壳换热器，其加热室的管束很长，约3～10m，而加热室中的液面维持较低，适用于蒸发量较大、有热敏性、黏度不大于0.05Pa・s，以及易产生泡沫的料液。料液气化，蒸气上升过程中，由于料液粘贴内壁拉拽成薄膜，除了要克服自身重量外，还要克服液膜运动的阻力，因此，不适合高黏度、有结晶析出或易结垢的料液的浓缩。可采用常压蒸发或减压蒸发，要有足够的传热温度差和传热强度，以保证料液在管壁上形成连续不断的爬膜，但不能过高，否则会出现“干壁”现象。经此种薄膜蒸发器处理后，料液一般可浓缩至相对密度1.05～1.10左右。

操作时，待浓缩液经输液管、流量计先进入预热器，预热后自预热器上部流出，经列管蒸发器底部进入蒸发室，加热气化后生成的泡沫及二次蒸气沿加热管高速上升，速度一般为20～50m/s，减压下可达100～160m/s或更高。在此过程中：①料液以泡沫的内外表面为蒸发面迅速蒸发；②泡沫与二次蒸气的混合物在气液分离器中分离，浓缩液经导管流入接受器中收集；③二次蒸气自导管进入预热器的夹层中预热料液；④多余的废气则进入混合冷凝器冷凝后，自冷凝水出口流出，未经冷凝的废气自废气出口排出。

图5-10　升膜式蒸发器

图5-11　降膜式蒸发器

（2）降膜式蒸发器：如图5-11所示，结构与升膜式蒸发器相似，不同之处是料液由蒸发器的顶部加入。料液在重力作用及蒸气的拉拽作用下，沿管内壁呈膜状下降，在此过程中被蒸发浓缩，气液混合物在分离器中进行分离，浓缩液由分离器底部放出。为保证料液呈膜状沿加热管内壁下降，在每根加热管顶部必须装设降膜分布器（如图5-12所示）。降膜式蒸发器适于浓度较高、黏度较大的料液，不适于易结晶或易结垢的料液。由于其没有静压强效应，沸腾传热系数与温度差无关，故更有利于热敏性料液的蒸发。此外，降膜式适用于蒸发量较小的生产，如某些二次蒸发设备，第一次采用升膜式，第二次采用降膜式。

图5-12　降膜式蒸发器液体分布装置

（3）刮板式薄膜蒸发器：如图5-13所示，是通过高速旋转的刮板转子，将料液分布成均匀的薄膜而进行蒸发的一种高效浓缩设备。其结构主要是蒸发器的外壳装有加热夹套，蒸发器内安装有快速旋转的刮板，转速一般为300r/min以上。刮板可分为固定式刮板（刮板固定于旋转轴上）及滑动式刮板（轴旋转时产生的离心力使刮板与加热面内壁接触）两种。

图5-13　刮板式薄膜蒸发器

刮板式薄膜蒸发器在真空条件下操作，具有传热系数高、料液停留时间短等优点，故适用于高黏度的热敏性物料蒸发浓缩。有的还采用了离心式滑动沟槽转子，故亦适用于易起泡沫、易结垢料液的浓缩。与升膜式或降膜式蒸发器同用，可使较稀的天然药物提取液浓缩至100Pa・s以上。其缺点是结构复杂，制造与安装要求高，动力消耗较大，单位体积的传热面小。

操作时：①料液由蒸发器上部流入器内；②在离心力、重力及旋转刮板刮动下，料液在筒体内壁形成旋转下降的薄膜，在下降过程中同时被蒸发浓缩；③浓缩液由底部排出收集；④二次蒸气经上部分离器排出。

图5-14　离心式薄膜蒸发器

（4）离心式薄膜蒸发器：如图5 14所示，是借高速旋转的离心力将料液分散成厚度为0.05～1mm的薄膜进行蒸发的一种综合了离心分离和薄膜蒸发两种原理的新型高效蒸发设备。其特点是液膜厚度薄，传热系数高，蒸发强度大，浓缩比高，物料受热时间短（约1秒），设备体积小，蒸发室便于拆洗等。适用于热敏性物料的蒸发浓缩，如天然药物提取液、脏器生化制品及食品等。其缺点是结构复杂，价格较高。不适宜黏度大、易结晶及易结垢的料液的蒸发浓缩。

如图5-15所示为离心薄膜蒸发器原理图，操作时，用泵将料液经进料管输送到锥形盘（定于转鼓并随空心轴旋转）的中央，利用离心力的作用，使料液由锥形盘的中心均匀地流至外沿，加热蒸发后的浓缩液经出料管排出。加热蒸气由底部进入蒸发器，经边缘的小孔进入锥形盘，冷凝水经边缘的小孔流出。二次蒸气在蒸发器的中部用水流喷射泵抽真空引入。

图5-15　离心式薄膜蒸发器原理图

1.冷凝水管；2.冷凝水槽；3.浓缩液汇集管；4.出料管；5.浓缩液出口；6.清洗水进口；7.物料进口；8.分配管；9.转鼓；10.二次蒸气出口；11.蒸气进口