蒸发流程的确定和主体设备的选择电子教案

1、项目9 蒸发及设备操作学习任务1蒸发流程的确定和主体设备的选择计划学时2职业能力目标专业能力社会能力方法能力掌握蒸发工艺基本流程掌握常见蒸发器的基本构造团队工作能力沟通能力小组成员的协作能力相应的信息收集能力制定工作计划能独立使用各种媒介完成学习任务工作结果的评价与反思学习情境描述接到车间主任指令：根据给定的蒸发任务，绘制工艺流程图，简述蒸发工艺过程，介绍流程中的主要工艺设备。组长接受任务后组织学员通过资讯、计划、决策、实施和检查、评估等过程完成学习任务。教学环境分析石油化工岗位操作技能实训中心、教材、辅导资料、化工工艺设计手册、化工单元操作学习光盘、学习软件、可以上网查阅资料的电脑、工作台、

2、拆装工具等教学方法采用角色扮演法交代任务；用引导文和小组讨论法完成决策和计划的制定，采用任务驱动法实施工作任务。教学组织分组，分工，协作共同完成，分成小组，每组56人要做好记录，由各小组长展示学习成果评议各小组展示的学习成果教师对每个小组及每个学生进行督导，做好记录，作为成绩评定的依据。实施步骤资讯1介绍蒸发操作在化工生产中的应用2介绍蒸发过程案例10min15min蒸发过程一、蒸发在工业生产中的应用将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。工业蒸发操作的主要目的是：1制取增浓的液体产品，如电解

3、法制得的烧碱液的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等；2制取纯净的溶剂，如海水蒸发脱盐制取淡水；3同时制备浓缩溶液和回收溶剂，如中药生产中酒精浸出液的蒸发。蒸发操作一般都是在溶液的沸点下进行。若在低于沸点下进行的蒸发汽化过程称为自然蒸发，例如海盐的晒制过程。因自然蒸发时，溶剂的汽化仅在溶液的表面进行，蒸发速率慢，生产效率低，工业上很少使用。而溶液处在沸腾状态时，汽化在溶液的表面和内部同时进行，蒸发速率大大提高，故工业生产中的蒸发几乎都是在沸腾状态下进行的。二、过程案例1尿素的生产当代尿素生产，不论是采用哪种流程，基本由六个工艺单元组成，即原料供应、尿素的高压合成、含尿素溶液的分离过

4、程、未反应氨和二氧化碳的回收、尿素溶液的浓缩、造粒与产品输送和工艺冷凝液处理。其基本过程如图3-1所示。原料CO2和NH3被加压送到高压合成器，反应生成尿素，二氧化碳转化率在50%75%范围，此过程被称为合成工序；分离过程与未反应物回收单元承担着把未转化为尿素的氨和二氧化碳从溶液中分离出来，并回收返回合成工序，因此这两个单元被统称为循环工序；最后在真空蒸发和造粒设备中把70%75%的尿素溶液经浓缩加工为固体产品，称为最终加工工序。尿素溶液的浓缩工艺冷凝液处理造粒与产品输送分离过程CO2压缩液NH3尿素合成反应合成反应液未反应物回收（生成甲铵液）含氨工艺冷凝液甲铵液回反应系统图3-1 尿素生产基

5、本流程2润滑油溶剂精制过程溶剂的回收在润滑油生产过程中，为了满足润滑油油的使用要求，必须除去一些非理想组分。目前除去非理性组分常用的方法就是溶剂精制。溶剂精制即把合适的溶剂加到生产润滑油的原料中，溶剂对非理想组分的溶解度较大，而对理性组分溶解度较小。这样非理想组分就会溶解在溶剂中而被除去。为了节约资源，溶剂需要回收循环利用。溶剂回收采用的就是蒸发的方法，把溶剂和非理想组分分开。溶剂回收所需能耗很大，所以各炼厂都把溶剂回收作为节能工作的重点，一般采用双效或三效蒸发，流程如图3-2所示。图3-2糠醛精制溶剂回收三效蒸发工艺流程1-低压蒸发塔；2一中压蒸发塔；3-高压蒸发塔；4-汽提塔；5-加热炉；

6、6-干燥塔；7-蒸汽发生器3氯碱生产氯碱系统是由电解，盐水，氯氢，液氯，冷冻，盐酸，漂液，蒸发，循环水组成的系统。其主要流程是盐水生产的精盐水经电解生成主要成分是NaoH，NaCl的电解液和氯气，氢气三种物质。电解液由蒸发经浓缩，并分离其中的NaCl，加水溶解后供盐水工序生产精盐水用。NaoH经冷却沉降后，送成品桶作为成品销售。其中蒸发部分工艺流程如图3-3所示电解液经两台串联的螺旋板式换热器预热至90100，进入效蒸发器，料液靠压差过料到效蒸发器强制循环浓缩，然后由效采盐泵送至效旋液分离器采盐，盐泥流入盐泥高位槽，效旋液分离器顶部清液，当过料时送至效，不过料时回流至效，碱液在效蒸发器中强制循

7、环浓缩至30%或42%，由效采盐泵送至旋液分离器采盐，盐泥入盐泥高位槽，顶部清液，当出料时送至出碱桶，当浓度不合格时回流入效蒸发器中。图3-3 氯碱生产蒸发部分流程第三节 蒸发原理与流程单效蒸发的基本原理是用饱和水蒸气通过蒸发器的加热管来加热料液，使料液保持在沸腾状态，将溶剂不断汽化排走，溶液的浓度逐渐提高，从而实现溶液增浓。蒸发过程的两个必要组成部分是用加热蒸气加热溶液使溶液加热汽化和不断除去汽化的水蒸气。 前者在蒸发器中进行，后一部分在冷凝器中完成。图3-4是单效蒸发过程的典型流程。图3-4 单效蒸发过程的典型流程 蒸发器实质上是一个换热器，它由加热室和分离室两部分组成。加热室中通常用饱和

8、水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室中与溶液分离后从蒸发器引出。为了防止液滴随蒸气带出，一般在蒸发器的顶部设有气液分离用的除沫装置。从蒸发器的二次蒸气进入冷凝器直接冷凝。冷却水从冷凝器顶加入，与上升的水蒸气直接接触，将它冷凝成水从下部排出。二次蒸气中含有的不凝气从冷凝器顶部排出。不凝气的来源有以下两方面：料液中溶解的空气和当系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。 料液在蒸发器中蒸浓达到要求的浓度后，称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发过程的产品。通过上面有关蒸发的介绍，同学们了解了蒸发操作在化工生产中的应用、单效蒸发操作的原理和流程，对蒸发操作有了大致的了解。那么不同类型蒸发器的构造如

9、何、蒸发操作各种参数如何确定、如何进行蒸发器的操作等问题还有待于我们进一步探讨。下面我们通过具体工作过程来解决上述问题。蒸发设备 蒸发过程是一个传热过程，但是，蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性。蒸发操作中，需要不断移除产生的二次蒸汽，并分离出由二次蒸汽夹带的一些溶液液滴。因此，它除了需要进行热交换的加热室外，还要有一个进行汽液分离的蒸发室。此外，蒸发设备还包括使液沫进一步分离的除沫器、将二次蒸汽冷凝的冷凝器以及真空蒸发中采用的真空泵等辅助设备。一、蒸发器为了适应不同蒸发物料的需求，发展了多种型式的蒸发器。根据蒸发器中溶液的流动情况，把蒸发器分为循环型与非循环型（单程型）两类。（一）循环

10、型蒸发器 循环蒸发器的特点是溶液在蒸发器内多次循环流动。根据引起循环的原因不同，又分为自然循环型蒸发器和强制循环型蒸发器。前者是由于蒸发器中各部分溶液受热程度不同，产生密度差而引起循环；后者是利用外加动力迫使溶液进行循环。目前常用的循环型蒸发器有以下几种。1中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器，也称标准式蒸发器，是目前应用比较广泛的一种蒸发器，其结构如3-1所示。它下部的加热室实质上是一个由直立的加热管（称为沸腾管）束组成的列管式换热器。与一般列管式换热器不同的是，管束中心是一根直径较大的管子，称为中央循环管，它的截面积一般为所有沸腾管总截面积的40%100%。由于加热管内单位体积溶液的传热面

11、积大于循环管内溶液的传热面积，加热管内溶液的受热程度较高，形成气液混合物的密度小于循环管内的气液混合物的密度，由于密度差，产生液体由中央循环管下降，由沸腾管上升的循环流动。溶液的循环速度取决于产生的密度差的大小以及管子的长度等，密度差越大，管子越长，则循环速度越大。由于受蒸发器总高的限制，加热器长度较短，一般为12m，其直径为2575mm，长径比为2040。中央循环管式蒸发器的优点是结构紧凑、制造方便、投资较少、操作可靠。缺点是溶液的循环速度较低（一般在0.5m/s以下），传热系数较小，且清洗检修比较麻烦。图3-1 中央循环管式蒸发器2. 悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器经中央循环管蒸发器改进而成，其

12、基本结构如图3-2所示。它的加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热蒸汽由壳体上部经管道引入加热室列管的管间，溶液在管内流动。在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间构成环形通道，通常环形截面积约为加热管总面积的100%150%。因环形通道内溶液的受热程度较弱，因而使溶液形成沿环形通道下行、再由沸腾加热管上行的循环运动。溶液循环速度较高(约为11.5m/s)。由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。它的缺点是结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。图3-2 悬筐式蒸发器3外加热式蒸发器 外加热式蒸

13、发器的特点是加热室与蒸发室分开，其结构如图3-3所示。这种结构不仅便于清洗与检修，而且可以降低蒸发器的总高度。由于可以采用较长的加热管（管长与管径之比为50100），循环管又不被蒸汽加热，加大了溶液的密度差，因此溶液的循环速度较大，但一般不超过1.5m/s。 图3-3 外加热式蒸发器4. 列文蒸发器 列文蒸发器是自然循环蒸发器中比较先进的一种型式，结构如图3-4所示。其主要结构特点是在加热室上部增设一个沸腾室。这样，加热室的溶液由于受到上方沸腾室液柱产生的压力作用，沸点升高使溶液不在加热管中沸腾，上升到沸腾室时才开始沸腾汽化。在沸腾室上方装有纵向隔板，其作用是防止气泡长大。由于沸腾移到了沸腾管

14、外，大大减小了溶液在加热管内因沸腾浓缩而析出结晶和结垢的机会。此外，因循环管不被加热，使溶液循环的推动力较大。循环管的高度一般为78m，其截面积约为加热管总截面积的200%350%，因而循环管内的流动阻力较小，循环速度可高达23m/s。 列文蒸发器的优点是循环速度大，传热效果好。其缺点是设备庞大，需要的厂房高。此外，由于管子较长，产生的静压力引起的温度差损失较大，故要求加热蒸汽有较高的压力。图3-4 列文蒸发器5. 强制循环蒸发器一般自然循环型蒸发器，液体的循环速度都比较低，不宜处理粘度大、易结垢及有大量结晶析出的溶液。对于这类溶液的蒸发，可采用图3-5所示的强制循环型蒸发器。它是利用外加动力

15、（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动，其循环速度在2.5m/s以上。循环速度的大小可通过调节循环泵的流量来控制。 这种蒸发器的优点是传热系数大，在相同的生产任务下，蒸发器的传热面积比较小，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较好。缺点是需要消耗动力和添加循环泵。 图3-5 强制循环蒸发器（二）单程型蒸发器1升膜式蒸发器升膜式蒸发器结构如图3-6所示。它也是一种将加热室和蒸发室分离开的蒸发器。其加热室实际上就是一个加热管很长的立式列管换热器，通常加热管直径为2550mm,管长与管径之比为100150。预热后的原料由蒸发器底部进入加热管，加热蒸汽在管外冷凝。当溶液受热沸腾后迅速汽化，所生成

16、的二次蒸汽在管内高速（常压下加热管出口处的二次蒸汽速度一般为2050m/s，减压操作时，二次蒸汽速度可达100160m/s或更高）上升，带动液体沿管内壁成膜状向上流动，上升的液膜因受热而继续蒸发。溶液自蒸发器底部上升至顶部的过程中逐渐被蒸浓，浓溶液进入分离室与二次蒸汽分离后由分离器底部排出。图3-6 升膜式蒸发器升膜蒸发器适用于蒸发量较大（即稀溶液）、热敏性及易起泡沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。2. 降膜式蒸发器降膜蒸发器降膜式蒸发器的结构如图3-7所示。它与升膜蒸发器的区别在于原料液由加热管的顶部加入。溶液在自身重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动，在向下流动的过程中被蒸发

17、浓缩。汽、液混合物由加热管底部进入分离室，经汽液分离后，二次蒸汽由分离室顶部逸出，完成液由分离器的底部排出。 图3-7 降膜式蒸发器这类蒸发器操作良好的关键是使溶液呈均匀的膜状沿各管内壁向下流动，为此在每根加热管的顶部设置液体分布器。图3-8 降膜蒸发器的布膜器降膜式蒸发器可以蒸发组成较高的溶液，对于粘度较大的物料也能适用。但对于易结晶或易结垢的溶液不适用。3. 升一降膜式蒸发器 图3-9 升一降膜式蒸发器1-预热器；2-升膜加热室；3-降膜加热室；4-分离室；5-冷凝水把升膜和降膜蒸发器装在一个体壳中，即构成升一降膜蒸发器，如图3-9所示。原料液经预热后，先由升膜加热管上升，然后由降膜加热管

18、下降，再在分离室中和二次蒸汽分离后排出完成液。这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液的粘度变化很大，水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。4. 刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器的结构如图3-10所示。它的壳体外部装有加热蒸汽夹套，壳体内装有旋转刮片。旋转刮片有固定的和活动的两种。前者与壳体内壁的缝隙为0.751.5mm，后者与器壁的间隙随搅拌轴的转数而变。料液由蒸发器上部沿切线方向加入后，在重力和旋转刮片刮带下，溶液在壳体内壁上形成旋转下降的液膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。图3-10 刮板薄膜蒸发器这种蒸发器的突出优点是对物料的适应性很强，例如对于高粘度、易结晶、结垢的物料都能适

19、用。在某些情况下，可将溶液蒸干而由底部直接获得固体产物。其缺点是结构复杂，动力消耗大，传热面积小，一般为34m2，最大不超过20m2，处理量较小。二、蒸发器性能的比较与选型蒸发器的结构型式很多，在选择蒸发器的型式时，除了要求结构简单、易于制造、清洗和维修方便外，更主要的是看它能否满足生产任务要求、保证产品质量。除此以外，还要对物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶和结垢性等因素进行全面综合考虑。表3-1列举了常见蒸发器的主要性能，供选型时参考。表3-1 常见蒸发器的主要性能蒸发器型式造价传热系数溶液在管流速/(m/s)停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量 能否适应物料工艺特性稀

20、溶液高粘度稀溶液高黏度易起泡易结垢热敏性析出结晶标准式最廉良好低长能良好一般适适适尚适尚适稍适悬筐式较高较好低1长能良好一般适适适适尚适适外热式廉高高较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适列文式高高良好1.5较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适强制循环高高高2.O3.O较长能较高大适好好适尚适适升膜式廉高良好1.O短较难高大适尚好尚适良好不适降膜式廉良好高1.O短尚能高大较适好适不适良好不适刮板式最高高高-短尚能高小较适好较适适适良好三、辅助设备蒸发装置的辅助设备主要有冷凝器和除沫器。1. 冷凝器和真空装置冷凝器的作用是使二次蒸汽冷凝成水而排出。冷凝器有间壁式冷凝器和直接接触式冷凝器（混合式冷凝

21、器）两类。间壁式冷凝器可采用列管式换热器。除了二次蒸汽是有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水的情况采用间壁式冷凝器外，大多采用汽液直接接触的混合式冷凝器来冷凝二次蒸汽。图3-11所示为混合式冷凝器的一种型式，称为逆流淋洒式。这种冷凝器内装有若干块钻有小孔的淋水板，冷却水从上而下沿淋水板往下淋洒，与自下而上的二次蒸汽逆流接触，蒸汽冷凝成水与冷却水一起从下部流出。不凝气从器顶排出，在气水分离器中分离除去带出的水滴后从气水分离器顶排出。图3-11 混合式冷凝器当蒸发过程在减压下进行时，不凝气需用真空泵抽出，冷却水则需用气压管（也称大气腿）排出。气压管的结构为一水封装置，其下端插入水中。气压管应有足够高度，以保证冷凝器中的水能依靠高位自动流出，而外界的空气不会进入冷凝器内，一般气压管高度为1011m。流程见图3-12。 图3-12 单效真空蒸发流程图1-加热室；2-分离室；3-混合冷凝器；4-分离器；5-缓冲罐；6-真空泵；7-大气腿当蒸发器采用减压