降膜式蒸发器已广泛用于制药、化工、食品、轻工等行业,其操作具有蒸发能力强、传热效率高、能量消耗低、运行费用低等诸多优点,同时设备在真空低温条件下进行连续操作,且能保证物料在蒸发过程中不变性,尤其适用于热敏性物料。在降膜蒸发器的设计中,传热系数的计算至关重要。但由于其内部流动和传热的复杂性,现有工程设计与应用仍然多靠经验值,因此对应的理论研究需要更加深入。首先,降膜蒸发器的传热传质过程涉及蒸发和沸腾,相对于无相变传热过程,理论支撑少,数值模拟所建数学模型简化过多,往往和真实情况相差较远,有必要对相变传热的基础理论深入研究;其次,蒸发沸腾过程不但与结构参数息息相关,而且与所用工质物理性质和操作参数联系紧密。因此有必要针对具体工质在实际操作条件下进行实验研究和数学建模,将理论、实验及数值模拟的研究成果结合计算机技术系统分析,有利于降膜蒸发器的应用与优化。本研究主要针对降膜蒸发器管内外液膜流动建立数学模型、传热模型分析传热机理,得到了总传热系数及传热量,并与实验进行对比分析,为蒸发器的传热性能预测与操作优化提供基础数据和理论指导。首先针对降膜蒸发器壳程饱和水蒸气加热管内饱和乙醇水液体的换热过程建立物理模型。针对管内外流体流动,建立传热数学模型。对管外凝液流动,得到了沿轴向不同位置处的液膜厚度及总凝液量,并采用Matlab和Mathematic软件进行数值模拟,得到了凝液的速度分布、温度分布等;考虑管内不同组成的混合液膜在流动过程中对传热的影响,通过数值模拟得到了管内液膜的平均厚度、速度分布、温度分布及组成分布等。同时本研究以自行设计、安装、调试的竖直管降膜蒸发器小试装置为研究对象,实验获取了不同管内压力、乙醇含量、进料流量及饱和水蒸汽量等操作条件下蒸发器管内外的相变量及其相应的温度,并测得管内蒸发气体中乙醇含量等数据。为适应工程应用,结合实验具体条件和原料的物理化学性质,拟合出了蒸发管内外相变给热系数的准数关联式,将其带入传热模型中,得到了降膜蒸发器总传热系数的数学模型。运用该模型分别对蒸发管内总传热系数及传热量进行计算,结果发现:蒸发管内进料流量及乙醇含量增大,设备的总传热系数明显升高,而管内外传热温差增大,总传热系数减小;增大进料流量、乙醇含量及管内外温差,设备的总传热量均逐渐增大;饱和水蒸气的改变对总传热系数及传热量均无明显影响。对比模型计算与实验中得到的总传热量,各操作变量下的变化趋势相近,误差范围均在18%以内。