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1 第五章蒸发 2 第一节概述 将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发 定义 蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液 直接作为成品或半成品 脱除溶剂 此过程常伴随有结晶过程去除杂质 一 基本概念 3 二 蒸发流程 稀溶液 料液 经过预热加入蒸发器 蒸发器的下部是由许多加热管组成的加热室 在管外用加热蒸汽加热管内的溶液 并使之沸腾汽化 经溶缩后的完成液从蒸发器底部排出 蒸发器的上部为蒸发室 汽化所产生的蒸汽在蒸发室及其顶部的除沫器中将其中夹带的液沫易于分离 然后送往冷凝器被冷凝而除去 4 加热溶液使溶剂汽化 蒸发器不断除去气化的蒸发溶剂 冷凝器 通常采用冷凝的方式将二次蒸汽排除 5 蒸发设备 辅助设备 蒸发器 用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器 蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化 并移去 由加热室和分离室两部分组成 冷凝器与蒸发器的分离室相通 其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去 6 按加热室的结构和操作时溶液的流动情况 分为两大类 循环型和单程型 不循环 一 蒸发器的型式与结构 特点 溶液在蒸发器中循环流动 溶液在蒸发器内停留时间长 溶液浓度接近于完成液浓度 一 循环型蒸发器 由于引起循环运动的原因不同 分为自然循环型和强制循环型两类 7 中央循环管式 标准式 蒸发器 加热蒸汽 加热室管束环隙内溶液 加热室管束及中央循环管内 受热时 由于中央循环管单位体积溶液受热面小 使得溶液形成由中央循环管下降 而由其余加热管上升的循环流动 料液 加热蒸汽 优点 溶液循环好 传热效率高 结构紧凑 制造方便 操作可靠缺点 循环速度低 溶液粘度大 沸点高 不易清洗适于处理结垢不严重 腐蚀性小的溶液 8 2 悬筐式蒸发器 加热室像个筐 悬挂在蒸发器壳体的下部 可由顶部取出 加热蒸汽由壳体上部进入加热室 在管间放热加热管内溶液使其上升 而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动 优点 溶液循环速度高 改善了管内结构情况传热速率较高缺点 设备费高占地面积大加热管内溶液滞留量大适于处理易结垢 有晶体析出的溶液 9 3 外热式蒸发器 优点 降低了整个蒸发器的高度 便于清洗和更换 循环速度较高 使得对流传热系数提高 结垢程度小 这种蒸发器将加热室与分离室分开 采用较长的加热管 适于处理易结垢 有晶体析出 处理量大的溶液 10 4 列文蒸发器 特点是在加热室上部设置沸腾室 加热室中的溶液因受到附加液柱的作用 必须上升到沸腾室才开始沸腾 这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体 优点 流动阻力小循环速度高传热效果好加热管内不易堵塞缺点 设备费高厂房高 耗用金属多适于处理有晶体析出或易结垢的溶液 11 5 强制循环型蒸发器 在加热室设置循环泵 使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动 优点 循环速度高晶体不易粘结在加热管壁对流传热系数高缺点 动力消耗大对泵的密封要求高加热面积小适于处理粘度大 易结垢 有晶体析出的溶液 12 二 单程型 膜式 蒸发器 溶液在蒸发器中的停留时间很短 因而特别适用于热敏性物料的蒸发 整个溶液的浓度 不象循环型那样总是接近于完成液的浓度 因而这种蒸发器的有效温差较大 溶液在蒸发器中只通过加热室一次 不作循环流动 溶液通过加热室时 在管壁上呈膜状流动 故习惯上又称为液膜式蒸发器 用于热敏性 高粘性 易结垢产品的浓缩 蒸馏或提纯 优点 13 适于处理蒸发量较大的稀溶液 热敏性和易生泡沫的溶液 不适于浓度高 粘度大 有晶体析出溶液的蒸发 1 升膜蒸发器 原理 溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入 进入加热管时立即受热沸腾汽化 溶液在高速上升的二次蒸汽带动下 沿管壁边呈膜状向上流动边蒸发 到达分离室后 完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出 14 2 降膜蒸发器 溶液预热后由加热室顶部加入 经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内 在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动 并进行蒸发 汽液混合物从管下端流出 在分离器内进行汽液分离后完成液由分离室底部排出 适于处理 浓度高 粘度较大 0 05 0 45Pa s 的溶液 不适于处理 易结晶 结垢的溶液 15 这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器 以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出 16 3 升 降膜式蒸发器 蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成 蒸发器的底部封头内有一隔板 将加热管束分成两部分 溶液由升膜管束底部进入 流向顶部 然后从降膜管束流下 进入分离室 得到完成液 适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液 厂房有限制的场合 预热室 升膜加热室 降膜加热室 17 4 刮板薄膜式蒸发器 溶液由蒸发器上部沿切线方向加入 在重力和旋转刮板带动下 在加热管内壁上形成旋转下降的液膜 在下降过程中通过接收加热管外加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发 底部得到完成液 二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷凝器 缺点 结构复杂 动力消耗大 传热面积小 处理能力低 适于处理易结晶 易结垢 高粘度的溶液 它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板 刮板端部与加热管内壁间隙固定在0 75 1 5mm之间 依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上 18 三 蒸发器的选型 选型时 一般考虑以下原则 溶液的粘度 蒸发过程中 溶液粘度变化的情况 是选型时很重要的因素 高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器 如强制循环型 降膜式 刮板搅拌薄膜式等 溶液的热稳定性 热稳定性差的物料 应选用滞料量少 停留时间短的蒸发器 如各种膜式蒸发器 有晶体析出的溶液 选用溶液流动速度大的蒸发器 以使晶体在加热管内停留时间短 不易堵塞加热管 如外热式 强制循环蒸发器 19 有腐蚀性的溶液 蒸发此种物料 加热管采用特殊材质制成 或内壁衬以耐腐蚀材料 若溶液不怕污染 也可采用浸没燃烧蒸发器 易发泡的溶液 泡沫的产生 不仅损失物料 而且污染蒸发器 应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器 以抑制或破碎泡沫 如外热式 强制循环式 升膜式等 条件允许时 也可将分离室加大 易结垢的溶液 蒸发器使用一段时间后 就会有污垢产生 垢层的导热系数小 从而使传热速率下降 应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器 如悬筐式 强制循环式 浸没燃烧式等 溶液的处理量 溶液的处理量也是选型时应考虑的因素 处理量小的 选用尺寸较大的单效蒸发 处理量大的 选用尺寸适宜的多效蒸发 常见蒸发器的性能见教材223页表5 1 20 4 蒸发器的改进与研究 1 研制开发新型高效蒸发器这方面工作主要从改进加热管表面形状等思路出发来提高传热效果 例如板式蒸发器等 它的优点是传热效率高 液体停留时间短 体积小 易于拆卸和清洗 同时加热面积还可根据需要而增减 又如表面多孔加热管 双面纵槽加热管 它们可使沸腾溶液侧的传热系数显著提高 改善蒸发器内液体的流动状况这方面的工作主要有 其一是设法提高蒸发器循环速度 其二是在蒸发器管内装入多种形式的湍流元件 前者的重要性在于它不仅能提高沸腾传热系数 同时还能降低单程气化率 从而减轻加热壁面的结构现象 后者的出发点 则是使液体增加湍动 以提高传热系数 还有资料报道向蒸发器管内通入适量不凝性气体 增加湍动 以提高传热系数 21 3 改进溶液的性质近年来 通过改进溶液性质来改善蒸发效果的研究报导也不少 例如 加入适量表面活性剂 消除或减少泡沫 以提高传热系数 也有报导 加入适量阻垢剂可以减少结垢 以提高传热效率和生产能力 在醋酸蒸发器溶液表面 喷入少量水 可提高生产能力和减少加热管的腐蚀 以及用磁场处理水溶液提高蒸发效率等 4 优化设计和操作许多研究者从节省投资 降低能耗等方面着眼 对蒸发装置优化设计进行了深入研究 他们分别考虑了蒸汽压力 冷凝器真空度 各效有效传热温差 冷凝水闪蒸 热损失以浓缩热等综合因素的影响 建立了多效蒸发系统优化设计的数学模型 应该指出 在装置中采用先进的计算机测控技术 这是使装置在优化条件下进行操作的重要措施 22 二 蒸发器的辅助设备 一 除沫器 汽液分离器 蒸发操作时产生的二次蒸汽 在分离室与液体分离后 仍夹带大量液滴 尤其是处理易产生泡沫的液体 夹带更为严重 为了防止产品损失或冷却水被污染 常在蒸发器内 或外 设除尘器 图中 a d 直接安装在蒸发器顶部 e g 安装在蒸发器外部 23 二 冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽 冷凝器有间壁式和直接接触式两种 倘若二次蒸汽为需回收的有价值物料或会严重污染水源 则应采用间壁式冷凝器 否则通常采用直接接触式冷凝器 后一种冷凝器一般均在负压下操作 这时为将混合冷凝后的水排出 冷凝器必须设置得足够高 冷凝器底部的长管称为大气腿 三 真空装置当蒸发器在负压下操作时 无论采用哪一种冷凝器 均需在冷凝器后安装真空装置 需要指出的是 蒸发器中的负压主要是由于二次蒸汽冷凝所致 而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气 物料及冷却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等 冷凝器后必须安真空装置才能维持蒸发操作的真空度 常用的真空装置有喷射泵 水环式真空泵 往复式或旋转式真空泵等 24 第三节单效蒸发的工艺计算 已知过程选定 加热蒸汽压强p 或温度T 冷凝器操作压强p 或温度T 计算内容 单位时间内水分蒸发量W kg h 和完成液的量 加热蒸汽用量D kg h 蒸发器的传热面积S m2 求解上述问题应用物料衡算方程 热量衡算方程和传热速率方程 已知条件 原料液流量F kg h 原料液浓度 o 质量分率 和温度to 完成液的浓度 1 质量分率 生产要求 25 一 蒸发水量 蒸发器的物料衡算 对溶质做物料衡算 如图以蒸发器为衡算范围 取1h为衡算基准 作物料衡算 26 式中 溶液的进料量 水份蒸发量 二次蒸汽的量 原料液中溶质的浓度 质量分率 完成液中溶质的浓度 质量分率 27 蒸发室 加热室 W T H F w0 t0 h0 D T H D T hc F W QL G w1 t1 h1 二 加热蒸汽的消耗量 蒸发器的热量衡算 以蒸发器为衡算范围 衡算基准为1h 对进出蒸发器的热量进行衡算 加热蒸汽消耗量 kg h 蒸发器的热负荷或传热速率 kJ h 完成液的焓 kJ kg 原料液的焓 kJ kg 二次蒸汽的焓 kJ kg 热损失 kJ kg 加热蒸汽的焓 kJ kg 28 三 蒸发器的传热面积 Q KS tm 据此计算蒸发器传热面积S 其中 tm K Q计算如下 一 平均温度差 tm 蒸发属两相均有相变的恒温传热过程 故传热的平均温度差为 tm T t1 当加热蒸汽选定时 蒸发计算需知道溶液的沸点t1 即可计算传热温度差 在一定压强下 溶液的沸点t1较纯水的沸点T 高 在实际生产中 已知的是加热蒸汽的温度T 或压强p 和冷凝器 或分离室 二次蒸汽的温度T 或压强p T T tT 称为理论传热温差 29 第四节节能与多效蒸发 一 蒸发器的生产能力与蒸汽的经济性 一 蒸发器的生产能力和生产强度 1 蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量表示 即蒸发量W kg h 2 蒸发器的生产强度U 简称蒸发强度 是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量 kg m2 h 沸点进料 且不计热损失 30 U的影响因素主要为总传热系数和传热温度差 操作条件下r 为常量 因此 提高蒸发器的生产强度的途径有二 31 3 提高蒸发器的生产强度的途径 1 提高传热温度差 tm 方法 2 增大总传热系数K 增大管内对流传热系数 i减少管内侧污垢热阻 提高热源的温度 如采用高温热源 降低溶液的沸点 如采用真空蒸发 32 二 加热蒸汽的经济性 加热蒸汽的经济性是指1kg加热蒸汽可蒸发的水量 若原料液在沸点下进入蒸发器 忽略热损失 则有 称为单位蒸汽消耗量 表示每蒸发1kg水所需消耗的加热蒸汽量 可用来说明加热蒸汽的利用率 为节约能源 降低能耗 需提高加热蒸汽的经济性 其中最主要的途径是采用多效蒸发 33 1 并流流程 又称为顺流加料加料流程 是工业上最常见的加料模式 一 多效蒸发流程 蒸汽流动方向 1 2 3溶液流动方向 1 2 3 料液可自动流入下一效 无需泵输送 溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽 传热推动力依次减小 K依次减小 34 优 缺点 料液需用泵送入下一效 传热推动力较为均匀 2 逆流流程 逆流多效蒸发 35 各效独立进料 传热状况均较好 物料停留时间较短 3 平流流程 平流流程优 缺点 适于 粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发 36 优 缺点 兼有并 逆流的优点 操作复杂 4 错流流程 本流程的特点是在各效间兼用并流和逆流加料法 适于 料液粘度随浓度显著增加的场合 溶液流向 3 1 2或2 3 1蒸汽流向 1 2 3 37 二 多效蒸发的经济性及效数限制 1 加热蒸汽的经济性 多效蒸发单位生蒸汽消耗量D W比单效蒸发小 操作费比单效蒸发小 说明蒸发同样数量的水分 采用多效蒸发时为小 可节省生蒸汽用量 提高生蒸汽的利用率 是不是效数越多越好 38 2 多效蒸发效数的限制 设备的费用是随着效数的增加而增加的 随着效数的增多 D W min下降的幅度不断减小 技术上的限制 注 必须对设备费和操作费进行权衡以决定合理的效数 效数不能随意增加 一般常见2 3效 39 三 提高加热蒸汽经济性的其他措施 蒸发的过程是一耗能较大的单元操作 而蒸发过程的主要热源为加热蒸汽 因此 如何提高加热蒸汽的经济效率 是蒸发操作节能的重要途径 1 二次蒸汽的部分利用 额外蒸汽的引出 将蒸发器蒸出的二次蒸汽引出作其他加热设备的热源 则此二次蒸汽称为额外蒸汽 40 2 冷凝水显热的利用 在多效蒸发操作中 因后一效的加热蒸汽是前一效的二次蒸汽 所以加热蒸汽的压力是逐效降低的 这样就可以利用前一效中冷凝水压力