设备管理_蒸发浓缩所用设备工艺流程和工艺计算培训教材

蒸发设备图例 蒸发浓缩所用设备 工艺流程和工艺计算 蒸发概念 蒸发 溶液的浓缩 将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾使溶剂气化 并将形成的蒸汽不断移除 从而提高溶液浓度的工艺过程 蒸发器 实现蒸发操作的设备 有直接加热式和间接加热式 后者常用 间接加热蒸发器组成包括 加热室和分离室两部分 加热室 完成对溶液的加热并使溶剂部分气化 分离室 将二次蒸汽中夹带的液滴沉降分离 蒸发基本概念1 加热蒸汽 蒸发器的热源蒸汽 由蒸汽锅炉产生 也称新鲜蒸汽 二次蒸汽 溶剂气化而形成的蒸汽 该部分蒸汽必须不断地被移除出蒸发器 以避免在蒸发器内形成气液平衡 导致蒸发操作无法继续进行 所采用的移除方法是 冷凝 蒸发基本概念2 根据蒸发流程中 二次蒸汽冷凝时释放的热量是否再应用于蒸发流程 蒸发工艺分为 单效蒸发 二次蒸汽直接用冷凝器冷凝 其热量不再应用于蒸发操作 多效蒸发 多台 也称效 蒸发器串联操作 前一台蒸发器的二次蒸汽被送入下一台蒸发器的加热室 以作为下一台蒸发器的热源 该法更节能 经济 单效蒸发流程说明 上图为单效蒸发流程 过程 加热蒸汽被送入蒸发器加热室的管间 溶液在管内流过 由加热管壁面传热而使溶液沸腾 浓缩液连续不断从蒸发器底部排出 二次蒸汽由真空管吸入冷凝器冷凝 其中夹带的不凝性气体经分离器 真空泵而排出 蒸发基本概念3 蒸发操作可在加压 常压或减压下进行 最常用的是减压蒸发 减压蒸发 操作压强低于大气压下的蒸发操作 也称减压浓缩 真空蒸发 真空浓缩 效果 溶液沸点低 适用于热敏性物料的浓缩 可用低温热源 即低压蒸汽或废蒸汽 采用高温热源则可提高传热温度差 但溶液粘度大 传热效果变差 且需增设真空泵 蒸发与一般传热的区别 虽然也为传热过程 但蒸发有别于一般传热 表现为四点 蒸发与一般传热的区别 溶液浓度的升高 将导致其物理性质变化 腐蚀性增强 粘度增大 易结晶结垢 有时产生泡沫 有些溶液有热敏性 相对于纯溶剂 溶液中含有不挥发性的溶质 其蒸汽压要更低 在一定操作压强下 沸点比纯溶液要更高 节能 蒸发过程要消耗大量热能 但也产生温度较高的二次蒸汽和冷凝水 合理回收二者能量有助于节能 蒸发设备类型和基本结构 蒸发器的两个基本组成部分 加热室 使溶液受热 达到沸腾状态 分离室 二次蒸汽脱离液面后 使其内夹带的液滴被分离 用重力沉降 根据溶液的循环情况 蒸发设备分 循环型蒸发器 也称非膜式 溶液在加热室内循环流动 自然循环或强制循环 单程型蒸发器 也称膜式 溶液只流经加热室一次 中央循环管式蒸发器1 加热室设置中央粗管和周围细管目的 使溶液在两种管内因受热程度 最终为汽化分率 出现差异 密度出现差异 形成溶液内部的自然循环流动 中央循环管式蒸发器2 任取一根管子考察单位体积溶液所具有的传热面积S和溶液体积量V 管子内径d的关系 标准 中央循环管型 蒸发器3 中央循环管受热差 汽化率低 溶液密度大 故溶液下降 周边细管受热好 汽化率高 溶液密度小 故溶液上升 中央循环管面积为加热管总截面积的40 100 由此形成循环 速度为0 4 0 5m s 蒸发器加热室不易清洗 适用于处理结垢不严重 腐蚀性较小的溶液 悬筐式 对中央循环管型的改进 环隙截面积是沸腾管的100 150 溶液循环速度为1 1 5m s 易清洗 适用于 蒸发时有少量晶体析出的溶液 外热式 加热管较长 循环管内的溶液未受蒸汽加热 其密度较加热管的大 循环速度为1 5m s 适用于有少量晶体析出的溶液蒸发 列文式蒸发器1 结构特点 在加热室的上部设置了一段2 3m长的空白圆筒 由此附加液柱高度而形成的相对高压 使加热管内的溶液虽然受热程度较高 温度较高 但并不沸腾 溶液只有上升到空白圆筒段后 才达到沸腾状态 可避免易结晶溶液的晶体在加热管表面析出而结垢 适用 易结晶溶液的浓缩 列文式蒸发器2 缺点 空白圆筒段设置增加了加热 沸腾段的总体高度 也使循环管高度达到了7 8m 虽使溶液的循环速度增至2 3m s 但厂房需有足够的高度 且设备庞大 耗材多 造价高 强制循环型 利用外加动力 泵 形成溶液循环流动 循环速度为2 5m s 适用于 易结晶 易结垢或粘度大的溶液 但动力消耗较大 通常为0 4 0 8kW m2 球形浓缩罐 补充 球形浓缩罐说明 制药 食品 化工行业进行间歇蒸发操作 广泛使用球形浓缩罐 不再采用加热管式加热 而应用夹套加热 分离器在于将二次蒸汽所夹带液滴经分离后 返回罐内 避免物料损失 受液灌回收有机溶媒 采用真空操作 浓缩时间短 单程型 膜式 蒸发器 原理 采用传热效果最佳的薄膜流动传热 溶液流经加热管只一次 且时间极短 一般为几秒到十几秒 即达到浓缩要求 故特别适合于热敏性物料的浓缩 常用类型 升膜 降膜 升 降膜 刮板薄膜式 离心薄膜式 升膜蒸发器 原料预热至达到或接近沸点 在加热室内膜状流动 传热效果最好 预热原因 使溶液一到达加热管即能产生大量蒸汽 对溶液上升形成抽吸作用 适用于 蒸发量大的稀或粘度低的溶液 有热敏性或易生泡的溶液 但 粘度高 有晶体析出或结垢情况不适 降膜蒸发器 适用于 粘度较大 但不是非常大的热敏性物料 易结晶 结垢溶液不宜 通过降膜分布器 三种常用 产生膜状流动 升 降膜蒸发器 同一加热室内一分为二 先升后降 原料需预热 适用于 粘度随浓度改变而变化较大的溶液或厂房高度受限场合 刮板薄膜蒸发器 原理 利用外在装置 刮板 外在动力布膜 适用于 粘度特高 易结晶 结垢的热敏性物料 但传热量小 处理量小 需额外耗能 离心式薄膜蒸发器1 过程 转鼓内设置多层由上 下碟片所构成的空心夹层 夹套内通入加热蒸汽 原料液由送料管经分配装置而喷洒到每一夹套的上表面 夹套随转鼓旋转 离心作用使得料液分布成0 1mm的薄层液膜 得以快速蒸发 夹层内加热蒸汽释放潜热后冷凝水汇集到排出管 而浓缩液由离心作用进入收集槽经浓缩液排出 二次蒸汽汇集到外壳处的排气管排出 离心式薄膜蒸发器2 特点 传热系数大 浓缩比高 受热时间短 不易起泡和结垢 兼具离心分离和薄膜浓缩的双重特点 蒸发器的附属设备 除沫器 将二次蒸汽夹带的液沫继续除尽 安装于蒸发器顶部或二次蒸汽管道 冷凝器 将二次蒸汽冷凝而成为冷凝水 可以为直接冷凝器 也可以为间接冷凝器 疏水阀 疏水阀 疏水器 1 作用 阻汽排液 在蒸发操作中 阻止加热蒸汽排出 而只排送冷凝水 类型 机械式 依靠蒸汽疏水阀内凝结水液位高度的变化而动作 有 浮子式 浮球式 热静力型 依靠液体温度的变化而动作 有 双金属片式 蒸汽压力式 疏水阀 疏水器 类型2 热动力型 依靠液体的热动力学性质 指流速和压强 的变化而动作 如 圆盘式 脉冲式 圆盘式 由于在相同的压力下 液体与气体的流速不同 产生不同的动 静压力 驱使圆盘阀片动作 蒸发器选用考虑因素 依溶液性质 粘度 首选考虑 热敏性 膜式适用 结晶 外热式 强制型 刮板薄膜式 列文型 易发泡 外热式 强制型 升膜式 有腐蚀性 材质考虑 易结垢 循环速度高或易清洗 溶液处理量 刮板薄膜式传热面积10m2以下 若需20m2以上 则选用多效 溶液的沸点升高及来源 沸点升高 指溶液和纯溶剂在相同操作压强下的沸点差值 与纯溶剂相比 在相同的操作压强下 溶液的沸点将更高 又称温度差损失 将使传热平均温度差下降 来源于三个方面 溶液的蒸汽压下降 加热室液柱静压强 蒸汽流动阻力 溶液的蒸汽压下降引起的沸点升高值1 蒸汽压下降 溶液中存在着不具挥发性的溶质 与纯溶剂相比 溶液的挥发性降低 在相同操作压强下 溶液沸点比纯溶剂沸点要升高 估算方法 校正系数法 用公式估算 操作压强下的沸点升高值 常压下的沸点升高值 溶液的蒸汽压下降引起的沸点升高值2 f 温度校正系数 操作压强下二次蒸汽的温度 操作压强下二次蒸汽的气化潜热 kj kg 溶液的蒸汽压下降引起的沸点升高值2 估算方法之二 杜林直线法 与某种标准溶液沸点相比 溶液的沸点与该标准溶液沸点呈直线关系 所以 已知两者在两个操作压强下的各自沸点值 可作出一条直线 以直线为准 当知道标准溶液的特定操作压强下沸点值时 可以查出同一压强时的溶液沸点 一般以水为标准溶液 如下图 温度差损失例题1 对20 NaOH水溶液 求下面各项 1 查图求101 33kPa压强下该溶液的沸点 2 分别利用系数校正法和杜林直线法求50kPa压强下因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失 50kPa下 水的沸点为81 2 气化潜热为2304 5kj kg 液柱附加压强而产生的沸点升高1 在循环型蒸发器中 加热室内液层有一定的高度 此附加液柱导致液层内的液体操作压强比液面处操作压强高 因此 液层内的沸点比液面处沸点高 此高出的沸点值即为 但该部分沸点升高值一般以液层中间位置的沸点值求出 且溶液中溶剂一般以水来论 液柱附加压强而产生的沸点升高2 计算式 上两式 液层中部压强下水的沸点 液面处的水的沸点 即二次蒸汽温度 温度差损失例题2 在中央循环管式蒸发器内 蒸发25 CaCl2水溶液 已测得二次蒸汽的绝对压强为40kPa 加热管内液层深度为2 3m 溶液平均密度为1200kg m3 试求因溶液液柱静压强引起的温度差损失 同时求算出溶液的沸点 二次蒸汽流动阻力而引起的温度差损失 二次蒸汽在流入到冷凝器的管道内流动 由于有流动阻力 使蒸汽压强降低 从而使蒸汽温度降低 此温度降低值部分为 一般依经验值估算 效间流动取为 1 末效到冷凝器取 1 5 总温度差损失 综上 从冷凝器到蒸发器液层中部 总温度差损失为 温度差损失例题3 在单效蒸发器中将某种水溶液从10 浓缩到30 加热蒸汽为105 的饱和蒸汽 冷凝器内温度为59 液层深度为2m 溶液平均密度为1080kg m3 已知常压下溶液因蒸汽压下降而引起的温度差损失为4 试求 总温度差损失 有效温度差 溶液沸点 单效蒸发工艺计算1 计算已知条件 加热蒸汽的温度T 或压强P 原料液的流量F 进料温度和浓度 浓缩液的出料温度和浓度 蒸发器的操作压强 单效蒸发工艺计算2 工艺计算项 水分蒸发量W 据物料衡算 加热蒸汽消耗量D 据热量衡算 蒸发器的传热面积S 据换热器传热速率 水分蒸发量W计算 在蒸发器中 对溶质做物料衡算 得 单位 kg h 加热蒸汽消耗量D计算1 对蒸发器做能量衡算 有 即 加热蒸汽消耗量D计算2 上式中 原料液的焓和完成液的焓的获得 分两种情况 溶液浓缩热不可以忽略时 有些溶液在稀释时释放过多的稀释热 所以在被浓缩时 将额外吸收较多的浓缩热 此部分热量不可忽略 所以此时热量需要用专门的焓 浓图得到 如下页 加热蒸汽消耗量D计算3 浓缩热可以忽略时 溶液的焓将只是其温度和浓度的函数值 即 加热蒸汽消耗量D计算4 将以上关系代入前述公式 并做适当简化 得 上式表明 蒸发热量被用于水分气化 加热原料到沸点 热损失 单位蒸汽耗量e 定义 每获得1kg的二次蒸汽所消耗的加热蒸汽质量 为蒸发操作的技术指标 显然 该数值越小 相同生产任务下 耗能越少 经济程度越高 最小的e值为 原料液预热到沸点 且无热损失 此时 基本为1 蒸发器的传热面积S 计算公式 Q Dr K一般用经验是数值 而 理论计算面积须加20 左右的安全考虑 单效蒸发计算例题1 在单效蒸发器中 每小时将5400kg 20 NaOH水溶液浓缩到50 原料液的温度为60 比热为3 4kJ kg 加热蒸汽与二次蒸汽的绝对压强分别为400KPa及50KPa 操作条件下溶液的沸点为126 总传热系数为1560w m2 加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除 热损失可以忽略不计 试求 续上 1 考虑浓缩热时 加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗量 传热面积 2 忽略浓缩热时 加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗量 若原料液的温度改为30 及126 分别求 项 上例所需数据 据查 由焓 浓图知 原料液焓 210kj kg 浓缩液焓 620kj kg 加热蒸汽数据 温度 143 4 蒸汽的焓 2742 1kj kg 汽化热 2138 5kj kg 冷凝水的焓 603 61kj kg 二次蒸汽数据 温度 81 2 蒸汽的焓 2644 3kj kg 汽化热 2304 5kj kg 减小蒸发器传热面积的方法1 据传热速率公式 知减小蒸发器传热面积的方法可从以下途径考虑 减小热负荷 增大传热温度差 提高总传热系数 热负荷由生产任务所确定 不能随意改变 增大传热温度差受企业蒸汽锅炉气压和冷凝器的真空条件所限 减小蒸发器传热面积的方法2 提高总传热系数是重点考察的方法 一般蒸汽冷凝侧的对流传热系数较大且污垢热阻较小 在能及时将冷凝水排出情况下 该侧传热系数提高有限 主要的热阻来源于溶液沸腾侧的对流传热热阻和污垢热阻 因此一般应尽量增大溶液的循环速度和及时 定期进行除垢 另外此侧对流传热系数随传热管内溶液被蒸发时的情况而变化 有提高的余地 减小蒸发器传热面积的方法3 为加大沸腾传热系数 就应造成良好的流体动力条件 使沸腾区尽可能扩大 尤其是第5段的膜状区 预热区和饱和区应尽量缩小 因此原料应预热到沸点或接近沸点而送入蒸发器 多效蒸发流程 多效蒸发与单效蒸发相比 更经济 更节能 前效二次蒸汽能作为后效的加热蒸汽 原因是 前效的操作压强 溶液沸点比后效高 基本流程有 并流加料 逆流加料 平流加料等流程 多效蒸发经济性数据 单位蒸汽耗量值1 多效蒸发经济性数据 单位蒸汽耗量值2 上表说明 效数越多 单位蒸汽耗量数值越小 生产相同量的二次蒸汽 所消耗的加热蒸汽越少 可见 设备操作费用越低 效数越多 单位蒸汽耗量数值降低幅度越小 而设备台数却相应增加 设备投资费增长 效数应有合理数值 并非越多越好 多效蒸发流程1 并流加料法 原料液和加热蒸汽都送入首效 所获得的中间浓缩液和二次蒸汽顺次由首效经二效 三效 而到末效 完成液只从末效取出 末效二次蒸汽直接送入冷凝器经冷凝排除 蒸汽和溶液流向相同 多效蒸发流程2 并流加料法特点 溶液从高压效流向低压效 效间输送 可自行流动 无需用泵 溶液从高沸点效流向低沸点效 在后效处于过热状态 可自蒸发而多产生一部分二次蒸汽 溶液效间流动时 浓度越来越高 粘度逐效增大 而温度越来越低 粘度也逐效增大 所以 溶液粘度升高 致使总传热系数逐效降低 传热效果变差 上图说明 温州南大轻工机械有限公司SJN系列三效浓缩器 采用负压外加热自然循环 外热式 蒸发操作 根据需要 可单效 二效或三效操作 蒸发器外面均有保温层 与单效相比 年节约蒸汽3500吨 节约用水9万吨 节约用电8万度 折人民币10 15万元 多效蒸发流程3 逆流加料法 加热蒸汽送入首效 二次蒸汽流向为 首效顺次流入二效 三效 直到末效 原料液送入末效 每效所获中间浓缩液用泵顺次由末效逐效流至首效 完成液从首效底部取出 二者流向相反 多效蒸发流程4 逆流加料法的特点 溶液从低压效流向高压效 效间输送 需用泵 溶液从低沸点效流向高沸点效 到达前效时处于低于沸点温度状态 须多消耗热量 以使其升温到沸点 溶液效间流动时 浓度越来越高 粘度逐效增大 而温度越来越高 粘度则逐效降低 由于抵消效应 所以 溶液粘度在各效基本不变 各效总传热系数大致相同 多效蒸发流程5 平流加料法 蒸汽流向仍为首效顺次流向末效 原料液经泵送后 同时送入各效 完成液从每效底部取出 适用的是 蒸发过程中有大量晶体析出的溶液浓缩 因为此时浓缩液若在效间输送将赌塞管路 多效蒸发工艺计算1 已知项目 原料液的流量 浓度 温度和浓缩液的浓度 加热蒸汽的温度或操作压强 冷凝器内蒸汽的温度或压强 蒸发操作的效数 有时也由设计者选定 多效蒸发工艺计算2 计算项目 1 水分蒸发总量和各级蒸发量 2 加热蒸汽消耗量 3 各级蒸发器传热面积 计算基本原