52蒸发的方式及流程

文库专用 1 第五章蒸发 5 1蒸发器5 2蒸发的方式及流程 文库专用 2 蒸发是分离液相均一系 溶液 的单元操作之一 这种操作是将溶液加热 使其中部分 或全部 溶剂气化并不断除去 以提高溶液中的溶质浓度 被蒸发的溶液由挥发性的溶剂和不挥发的溶质所组成 因此蒸发也是挥发性溶剂和不挥发溶质的分离过程 用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器 文库专用 3 5 1蒸发器5 1 1循环型 非膜式 蒸发器1 中央循环管式 标准式 蒸发器这种蒸发器的结构如图5 l所示 它是工业生产中广泛使用且历史悠久的大型蒸发器 至今在化工 轻工等行业中仍被广泛采用 文库专用 4 2 悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器结构如图5 2所示 它是中央循环管式蒸发器的一种改良 其加热管束可以取出 用备用的管束替换 以节约清理时间 1 加热室 分离室 除沫器 环形循环通道 文库专用 5 5 1 2单程型 膜式 蒸发器1 升膜式蒸发器 升膜式蒸发器又称长管蒸发器 结构如图5 3所示 其加热室由很长的加热管束组成 常用的加热管直径为25 50mm 管长和管径比一般约为100 150 管束装在壳体内 实际上就是一台立式的固定管板式换热器 加热蒸汽在管外 料液由蒸发器底部进入加热管 受热沸腾 迅速气化 蒸气在管内高速上升 料液则被上升的蒸气所带动 沿管壁成膜状上升 并在此过程中继续蒸发 汽液混合物在顶部分离室内分离 完成液由分离室底部排出 二次蒸汽由分离室顶部逸出 文库专用 6 料液在加热管内沸腾和流动情况对长管蒸发器的蒸发效果有很大的影响 现将其流动情况简述如下 图5 4在垂直加热管内汽 液两相的流动状态 文库专用 7 设料液在低于其沸点时进入加热管 料液被加热 温度上升 料液因在管壁与中心受热程度不同而产生自然对流 此时尚未沸腾 溶液为如图5 4 a 所示的单相流动 当温度升高至沸点时 溶液沸腾而产生大量气泡 如图5 4 b 所示 气泡分散于连续的液相中 此时管内开始两相流动 随着气泡生成数量的增多 由于许多气泡汇合而增大形成如图5 4 c 所示的片状流 气泡进一步增大形成如图5 4 d 所示的柱状流动或称气栓 继而柱栓破裂 而形成如图5 4 e 所示的环状流动体系 此后在管子中央形成蒸汽柱 上升的蒸汽柱将料液拉曳成如图5 4 f 所示的一层液膜沿管壁迅速上升 随着上升气速进一步增大 则由于雾沫夹带 在蒸汽柱内形成如图5 4 g h 所示的带有液体雾沫的喷雾流 在上述现象中 以柱状流动的传热系数最大 因此操作时希望使柱状流占整个管长的比例尽量增大 文库专用 8 2 降膜式蒸发器 降膜式蒸发器如图5 5所示 在降膜式蒸发器中 原料液由加热室顶部加入 在重力作用下沿管内壁成膜状下降 并在下降过程中被蒸发增浓的汽液混合物从底部进入分离室 完成液由分离室底部排出 文库专用 9 在每根加热管的顶部必须设置降膜分布器 以保证溶液呈膜状沿管内壁下降 降膜分布器的形式有多种 图5 6所示的三种较为常用 图5 6 a 的导流管为一有螺旋形沟槽的圆柱体 图5 6 b 的导流管下部是圆锥体 此锥体底面向内凹 以免沿锥体斜面流下的液体再向中央集中 在图5 6 c 所示的分布器中 液体通过齿缝沿加热管内壁成膜状下降 文库专用 10 在工业上还常把以上两种蒸发器联合使用 如升 降膜式蒸发器 其结构如图5 7所示 蒸发器底部封头内装置一块隔板 将加热管束分为两部分 形成类似于双管程换热器的结构 原料液经预热达到沸点或接近沸点后引入升膜加热管束 的底部 液体沿管壁向上呈膜状流动 汽 液混合物由顶部流入降膜加热管束 液体又呈膜状沿管壁向下流动 最后汽 液混合物进入分离室 进行分离 4 分离室5 冷凝水排出口 文库专用 11 3 刮板式薄膜蒸发器 刮板式薄膜蒸发器的结构如图5 8所示 文库专用 12 5 1 3除沫器除沫器的形式很多 常见的几种类型如图5 9所示 文库专用 13 5 2蒸发的方式及流程5 2 1单效蒸发及计算溶液在蒸发时 所产生的二次蒸汽不再利用或被用于蒸发器以外的操作 称为单效蒸发 单效蒸发是在一个蒸发器内进行蒸发的操作 如图5 10所示 对于稳定 连续的单效蒸发 在给定生产任务和确定了操作条件后 则可应用物料衡算式 热量衡算式和传热基本方程式计算确定蒸发操作的溶剂蒸发量 加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积 文库专用 14 1 溶剂的蒸发量在蒸发操作中 从溶液中蒸发出来的溶剂量可通过物料衡算来确定 现对图5 11所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算 进入和离开蒸发器的溶质量不变 文库专用 15 即 由此可求得溶剂的蒸发量为 完成液的浓度为 式中 F 溶液的进料量 kg h W 溶剂的蒸发量 kg h xw0 原料液中溶质的质量分率 xw1 完成液中溶质的质量分率 5 2 5 1 文库专用 16 2 加热蒸汽的消耗量蒸发操作中 加热蒸汽的消耗量可通过热量衡算来确定 现对图5 11所示的单效蒸发器作热量衡算 得由式5 4a可见 在蒸发操作中所消耗的热量 主要是供给二次蒸汽气化所需的潜热 此外还用于预热原料液和补偿蒸发器的热损失 3 蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积可依据传热基本方程式求得 即 式中 A 蒸发器的传热面积 m2 K 蒸发器的传热系数 W m2 tm 传热的平均温度差 Q 蒸发器的热负荷或传热速率 W 5 4a 5 7 文库专用 17 5 2 2真空 负压 蒸发蒸发操作在减压条件下进行 即蒸发器内的压强低于大气压的蒸发操作称为真空 负压 蒸发 溶液在真空下蒸发 可以降低溶液的沸点 真空蒸发就是利用降低蒸发压强的方法来达到降低蒸发温度的目的 1 真空蒸发装置在真空蒸发装置中 除了蒸发器以外 还应有冷凝器 真空泵等附属设备 2 真空蒸发的流程图5 12为单效真空蒸发流程示意图 文库专用 18 3 真空蒸发的优点 1 真空蒸发的温度低 适用于处理在高温下易分解 聚合 氧化或变性的热敏性物料 2 蒸发操作的热源可以采用低压蒸汽或废汽 提高了热能的利用率 3 在减压下溶液的沸点降低 使蒸发器的传热推动力增加 所以对一定的传热量 可以相应减小蒸发器的传热面积 4 真空蒸发的操作温度低 可减少蒸发器的热损失 4 真空蒸发的缺点 1 在减压下 溶液的沸点降低 其粘度则随之增大 从而导致蒸发器总传热系数的下降 2 需要有一套真空系统 并消耗一定的能量 以保持蒸发室的真空度 文库专用 19 5 2 3多效蒸发1 多效蒸发的概念将几个蒸发器顺次连接起来协同操作以实现二次蒸汽的再利用 从而提高加热蒸汽利用率的操作 称为多效蒸发 每一个蒸发器称为一效 通入加热蒸汽 生蒸汽 的蒸发器称为第一效 用第一效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第二效 用第二效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第三效 依此类推 2 多效蒸发的流程 1 顺流加料 2 逆流加料 3 平流加料 文库专用 20 1 顺流加料顺流加料 也称并流加料 法是工业生产中常用的加料法 其流程如图5 13所示 文库专用 21 2 逆流加料其流程如图5