认识蒸发装置

1、药品生产技术专业教学资源库-制药单元操作技术教学设计教 师 姓 名授课班级授课形式讲授授 课 日 期 授课时数2授课内容情景4 蒸发器选择及操作任务1 认识蒸发装置教学目的知 识目 标了解各种蒸发器的基本结构、类型及其应用的范围能 力目 标能根据物料的基本特性来选择适合于生产的蒸发装置思 想目 标热爱化工专业教 学 重 点典型及新型的蒸发设备结构及用途教 学 难 点典型及新型的蒸发设备结构及用途更新、补充、删 节 内 容使 用 教 具多媒体课 外 作 业课 后 体 会授课主要内容及课堂教学设计教学环节 课 程 内 容 设 计教学方法时间min组织复习引入新课小结作业提问：生活中的蒸发的例子？任

2、务1认识蒸发装置在蒸发(Evaporation)是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（通常为固体，如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化的部分，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作主要用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，广泛应用于化工、食品加工过程中的提浓、化学制药、造纸、制糖、海水淡化等工业中，例如硝铵、烧碱、制糖、橡胶防老剂RD等生产中将溶液加以浓缩，通过脱除溶液中的杂质以制取较纯溶剂；在植物油脂加工厂中，油脂浸出车间混合油的浓缩、油脂精炼车间磷脂的浓缩以及肥皂车间甘油水溶液的浓缩等，都是蒸发操作。蒸发单元过程的主要目的包括：（1）稀溶液的增浓，直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理

3、（如冷却结晶）制取固体产品，例如：在化工生产中，用电解法制得的烧碱（NaOH溶液）的浓度一般只在10%左右，要得到42%左右的符合工艺要求的浓碱液则需通过蒸发操作。由于稀碱液中的溶质NaOH不具有挥发性，而溶剂水具有挥发性，因此生产上可将稀碱液加热至沸腾状态，使其中大量的水分发生汽化并除去，这样原碱液中的溶质NaOH的浓度就得到了提高。又如：食品工业中利用蒸发操作将一些果汁加热，使一部分水分汽化并除去，以得到浓缩的果汁产品；（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药提取过程中，酒精浸出液的减压蒸发、农药生产过程中甲苯溶剂的浓缩

4、与回收等。子任务1 认识蒸发设备蒸发过程是一个传热过程，蒸发时还需要不断地除去过程中所产生的二次蒸汽。因此，它除了需要传热的加热室之外，还需要有一个进行汽液分离的分离室，蒸发所用的主体设备蒸发器（Evaporator），就是由加热室和分离室这两个基本部分组成。由于加热室的结构形式和溶液在加热室中运动情况不同，因此蒸发器可采用多种形式，分为自然循环型蒸发器、强制循环型蒸发器、膜式蒸发器以及浸没燃烧蒸发器等。此外，蒸发设备还包括使液沫进一步分离的除沫器，排除二次蒸汽的冷凝器，以及减压蒸发时采用的真空泵等辅助装置。一、自然循环型蒸发器自然循环型蒸发器(Natural circulation evap

5、orator)的特点为：溶液在加热室被加热的过程中而产生密度差，形成自然循环。其加热室有横卧式和竖式两种，竖式应用最广，它包括以下几种主要结构型式。1.中央循环管式（标准式）蒸发器(Central circulating tube type evaporator) 现今在工业上应用最广泛，其结构如图4-1所示，加热室如同列管式换热器一样，为12m长的竖式管束组成，称为沸腾管，但中间有一个直径较大的管子，称为中央循环管，它的截面积大约等于其余加热管总截面积的40%100%，由于它的截面积较大，管内的液体量比小管中要多；而小管的传热面积相对较大，使小管内的液体的温度比大管中高，因而造成两种管内液体

6、存在密度差，再加上二次蒸汽在上升时的抽吸作用，使得溶液从沸腾管上升，从中央循环管下降，构成一个自然对流的循环过程。蒸发器的上部为分离室，也称蒸发室。加热室内沸腾溶液所产生的蒸汽带有大量的液沫，到了蒸发室的较大空间内，液沫相互碰撞结成较大的液滴而落回到加热室的列管内，这样，二次蒸汽和液沫分开，蒸汽从蒸发器上部排出，经浓缩以后的完成液从下部排出。中央循环管蒸发器的主要优点是：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。缺点是：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，一般仅在/s以下，传热系数小。它适用于粘度适中，结垢不严重，有少量的结晶析出及腐蚀性不大的场合。中央循环管式蒸发器在工业上的应用较为广泛

7、。图4-1 中央循环管式蒸发器1加热室；2中央循环管；3蒸发室；4外壳2.悬筐式蒸发器(Basket type evaporator) 其结构如图4-2所示，它的加热室像个篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，作用原理与中央循环管式相同，加热蒸汽从蒸发器的上部进入到加热管的管隙之间，溶液仍然从管内通过，并经外壳的内壁与悬筐外壁之间的环隙中循环，环隙截面积一般为加热管总面积的100%150%。这种蒸发器的优点是溶液循环速度比中央循环管式要大（一般在11.5m/s），而且，加热器被液流所包围，热损失也比较小；此外，加热室可以由上方取出，清洗和检修比较方便。缺点是结构复杂，金属耗量大。它适用于容易结晶的溶液

8、的蒸发，这时可增设析盐器，以利于析出的晶体与溶液分离。 图4-2 悬筐式蒸发器1加热蒸汽管；2加热室；3除沫器；4液沫回流管3.外加热式蒸发器(Outside-heated evaporator) 其结构如图4-3所示，它的特点是把管束较长的加热室装在蒸发器的外面，即将加热室与蒸发室分开。这样，一方面降低了整个设备的高度，另一方面循环管未被蒸汽加热，增大了循环管内与加热管内溶液的密度差，从而加快了溶液的自然循环速度，同时还便于检修和更换。 图4-3 外加热式蒸发器1加热室；2蒸发室；3循环管4.列文蒸发器 列文蒸发器（Levin evaporator）如图4-4是自然循环蒸发器中比较先进的一种

9、型式，主要部件为加热室、沸腾室、循环管和分离室。它的主要特点是在加热室的上部有一段大管子，即在加热管的上面增加了一段液柱。这样，使加热管内的溶液所受的压力增大，因此溶液在加热管内不至达到沸腾状态。随着溶液的循环上升，溶液所受的压强逐步减小，通过工艺条件的控制，使溶液在脱离加热管时开始沸腾，这样，溶液的沸腾层移到了加热室外进行，从而减少了溶液在加热管壁上因沸腾浓缩而析出结晶或结垢的机会。由于列文蒸发器具有这种特点，所以又称为管外沸腾式蒸发器。 图4-4 列文蒸发器1加热室；2沸腾室；3分离室；4循环管；5完成液出口；6加料口列文蒸发器中循环管的截面积比一般自然循环蒸发器的截面积大，通常为加热管总

10、截面积的23.5倍，这样，溶液循环时的阻力减小；加之加热管和循环管都相当长，通常可达78m，循环管不受热，因此，两个管段中溶液的温差较高，密度差较大，从而造成了比一般自然循环蒸发器要大的循环推动力，溶液的循环速度可以达到23m/s，整个蒸发器的传热系数可以接近于强制循环蒸发器的数值，而不必付出额外的动力。因此，这种蒸发器在国内化工企业中，特别是一些大中型电化厂的烧碱生产中应用较广。列文蒸发器的主要缺点是设备相当庞大，金属消耗量大，需要高大的厂房；另外，为了保证较高的溶液循环速度，要求有较大的温度差，因而要使用压力较高的加热蒸汽等。二、强制循环蒸发器（Forced circulation eva

11、porator）在一般自然循环蒸发器中，循环速度比较低，一般都小于1m/s，为了处理粘度大或容易析出结晶与结垢的溶液，必须加大溶液的循环速度，以提高传热系数，为此，采用了强制循环蒸发器，其结构如图4-5所示。蒸发器内的溶液，依靠泵的作用，沿着一定的方向循环，其速度一般可达1.53.5m/s，因此，其传热速率和生产能力都较高。溶液的循环过程是这样进行的：溶液由泵自下而上地送入加热室内，并在此流动过程中因受热而沸腾，沸腾的汽液混合物以较高的速度进入蒸发室内，室内的除沫器（挡板）促使其进行汽液分离，蒸汽自上部排出，液体沿循环管下降被泵再次送入加热室而循环。图4-5 强制循环蒸发器1加热管；2循环泵；

12、3循环管；4蒸发室；5除沫器 这种蒸发器的传热系数比一般自然循环蒸发器大得多，因此，在相同的生产任务下，蒸发器的传热面积比较小。缺点是动力消耗比较大，每平方米加热面积大约需要0.40.8kW。三、膜式蒸发器(Film evaporator)上述几种蒸发器，溶液在器内停留的时间都比较长，对于热敏性物料的蒸发，容易造成分解或变质。膜式蒸发器的特点是溶液仅通过加热管一次，不作循环，溶液在加热管壁上呈薄膜状，蒸发速度快（数秒至数十秒），传热效率高，对处理热敏性物料的蒸发特别适宜，对于粘度较大，容易产生泡沫的物料的蒸发也比较适用。目前已成为国内外广泛应用的先进蒸发设备。膜式蒸发器的结构型式比较多，其中比

13、较常用的有升膜式、降膜式和回转式薄膜蒸发器等。1.升膜式蒸发器(Climbing-film evaporator) 其结构如图4-6所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常加热管径为2550mm，管长与管径之比为100150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管内，加热蒸汽在管外冷凝。当原料液受热后沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。这种蒸发器需要精心设计与操作，即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度，并获较高的传热系数，使料液一次通过加热管即达到预定的浓缩要求。常压下，

14、管上端出口处速度以保持2050m/s为宜，减压操作时，速度可达100160m/s。升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高黏度、有晶体析出和易结垢的溶液。图4-6 升膜式蒸发器1 蒸发器；2分离器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4-7在垂直加热管内汽、液两相的流动状态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4-7(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，气泡分散于连续的液相中，此时管内开始如图4-7

15、 (b)所示的两相流动；随着气泡生成数量的增多，由许多气泡汇合而增大形成如图4-7 (c)所示的片状流；气泡进一步增大形成柱状流动或称气栓；由于气栓不稳定，继而被液体隔断，形成如图4-7(d)所示的环状流动；随着气量的进一步增大，在管子中央形成稳定的蒸汽柱，上升的蒸汽柱将料液拉曳成如图4-7(e)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，对液膜产生强烈的冲刷作用，使液滴分散在气流中，在蒸汽柱内形成如图4-7(f)所示的带有液体雾沫的喷雾流。2.降膜式蒸发器(Falling-film evaporator) 降膜式蒸发器的加热室可以是单根套管，也可由管束及外壳组成，其结构如图4-8所

16、示。原料液是从加热室的顶部加入，在重力作用下沿管内壁成膜状下降并进行蒸发，浓缩后的液体从加热室的底部进入到分离器内，并从底部排出，二次蒸汽由顶部逸出。在该蒸发器中，每根加热管的顶部必须装有降膜分布器，以保证每根管子的内壁都能为料液所润湿，并不断有液体缓缓流过，否则，一部分管壁出现了干壁现象，不能达到最大生产能力，甚至不能保证产品质量。 图4-8 降膜式蒸发器1-蒸发器；2-分离器；3-液体分布器降膜式蒸发器同样适用于热敏性物料，可用于蒸发粘度较大（0.050.45 Pa·s），浓度较高的溶液，但不适于处理易结晶和易结垢的溶液，这是因为这种溶液形成均匀液膜较困难，传热系数也不高。三种常

17、用的液体分布器如图4-9所示。图4-9 三种液体分布器3.回转式薄膜蒸发器( Agitated-film evaporator) 回转式薄膜蒸发器具有一个装有加热夹套的壳体，在壳体内的转动轴上装有旋转的搅拌桨，搅拌桨的形式很多，常用的有刮板、甩盘等。刮板式蒸发器，其结构如图4-10所示。刮板紧贴壳体内壁，其间隙只有0.51.5mm，原料液从蒸发器上部沿切线方向进入，在重力和旋转刮板的作用下，溶液在壳体内壁上形成旋转下降的薄膜，并不断被蒸发，在底部成为符合工艺要求的完成液。 图4-10 刮板式蒸发器结构示意图及模型1夹套 2刮板这种蒸发器的突出优点在于对物料的适应性强，对容易结晶、结垢的物料以及

18、高粘度的热敏性物料都能适用。其缺点是结构比较复杂，动力消耗大，因受夹套加热面积的限制（一般为34m2，最大也不超过20m2），只能用在处理量较小的场合。从上述的介绍可以看出，蒸发器的结构型式是很多的，实际选型时，除了要求结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等因素外，更主要的还是看它能否适用于所蒸发物料的工艺特性，包括物料的黏性、热敏性、腐蚀性、结晶或结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。式蒸发器(Lifting film evaporator) 升降膜式蒸发器的结构如图4-11所示，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，将加热管束均分为二。原料液在加热管1

19、中达到或接近沸点后，引入升膜加热管束2的底部。气液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束3，然后转入分离器4，浓缩液内分离器底部排出。溶液在升膜管束和降膜管束内的布膜及操作情况分别句前述的升膜及降膜蒸发器内的情况完全相同。升降摸式蒸发器一般用于浓缩过程中黏度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的场合。蒸发过程中溶液的黏度变化较入，推荐使用常压操作。图 4-11 升降膜蒸发器1预热器；2升膜加热室；3降膜加热室；4分离室四、直接加热蒸发器(Direct heating evaporator)上述所阐述的各种蒸发器都是间接加热的，工业上有时还采用直接加热蒸发器，浸没燃烧蒸发器就是直接加热的蒸发器。将一定

20、比例的燃烧气与空气直接喷人溶液中，燃烧气的温度可高达12001800，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。浸没燃烧蒸发器(Submerged combustion evaporator)的结构简单如图4-12，不需要固定的传热面，热利用率高，适用于易结垢、易结晶或有腐蚀性溶液的蒸发，但不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性物料的蒸发。目前广泛应用于废酸处理工业。蒸发操作广泛用于各种工业中，对这类应用量大且面广的设备，如能作某些改进以提高蒸发强度，则对社会的经济影响是很显著的。不论是间接加热的非膜式还是膜式蒸发器，其主要元件都

21、是加热管束。所以对蒸发器的加热管束加以改造，是提高蒸发器传热强度的可行途径。由蒸发器的发展历程也可以看出，最初采用的是蛇管和横管蒸发器，后来发展为垂直管蒸发器，再进展为膜式蒸发器。要提高蒸发器的传热强度往往用减薄管子两侧液膜或增加膜内湍动程度的方法来实现。图4-12 浸没燃烧蒸发器1燃烧室；2点火管；3测温管；4外壳五、蒸发装置中的附属设备蒸发装置的附属设备主要有除尘器、冷凝器和真空泵。1.除沫器（汽液分离器）蒸发操作中产生的二次蒸汽，在分离室和液体分离后，仍夹带有一定的液沫或液滴。为了防止液体产品的损失或冷凝液被污染，在蒸发器顶部蒸汽出口附近需要设置除沫器。除沫器的型式很多，图4-13列举了

22、几种常见的除沫器，其（a）（d）直接装在蒸发器内分离室的顶部，图（e）（g）则要装在蒸发器的外部。图4-13 除沫装置（a）折流式除沫器；（b）球型除沫器；（c）金属丝网除沫器；（d） 离心式除沫器；（e）冲击式除沫器；（f）旋风式除沫器；（g）离心式除沫器。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。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

23、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。子任务2 认识蒸发技术的工业应用列举一些在生产过程中涉及的蒸发单元过程的案例。一、注射用水的制备在药品生产过程中用的注射用水，就是利用多效蒸发的原理，采用多效蒸馏水机进行制备。图4-13 多效蒸馏水器示意图多效蒸馏水器是近年发展起来的制备注射用水的主要设备，具有产量高、耗能低、质量优及自动化程度高等特点。多效蒸馏水器见图4-1

24、3所示，由圆柱形蒸馏塔、冷凝器及控制元件组成，其蒸发器的个数多为3-5个，个数不同的蒸馏水器工作原理相同，即纯化水先进入冷凝器预热后，再依次进入各级塔内，最后进入第1蒸发塔，此时进料水温度已达130以上，第1蒸发塔内进料水经高压蒸汽加热而蒸发，蒸汽经隔膜装置作为热源进入第2蒸发塔加热室，第2蒸发塔内进料水再次被蒸发，而蒸汽在其底部冷凝为蒸馏水，同样的方法供给第3蒸发塔、第4蒸发塔。由第2蒸发塔、第3蒸发塔、第4蒸发塔生成的蒸馏水和第4蒸发塔的蒸汽被冷凝后生成的蒸馏水，汇集于蒸馏水收集器而成为质量符合要求的蒸馏水。进料水经蒸发后所聚集的含有杂质的浓缩水从最后的蒸发器底部排出，废气则自排气管排出。多效蒸馏水器的工作性能主要取决于加热蒸汽的压力和个数，一般塔个数越多，热利用率越高，压力越大则产量越高，因此应选用4个蒸发塔以上的蒸馏水器。多效蒸馏水器的性能取决于加热蒸汽的压力和蒸发器个数，压力越大，产量越大；蒸发塔数越多，热的利用率越高。从出水质量、能源消耗、占地面积、维修能力等因素考虑，常选用四效以上蒸馏水器。多效蒸馏水器的主