第八章蒸发-制药工程原理与设备

1、8 蒸发蒸发 8.1 概述概述8.2 单效蒸发单效蒸发 8.3 多效蒸发多效蒸发 8.4蒸发器的生产能力、生产强度及校数的限制蒸发器的生产能力、生产强度及校数的限制8.5 蒸发设备蒸发设备 8.1 概述概述（1）定义： 利用溶质和溶剂挥发度的差异，将溶液加热至沸腾，使其中的部分溶剂汽化并被移出，而溶质则不挥发，以提高溶液中溶质浓度的操作。 （2）蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加 以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。 除杂质，获得纯净的溶剂。 8.1 概述概述（3）蒸发操作的特点 传热性质：属于壁面两侧流

2、体均有相变化的恒温传热过程。 溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度、挥发性风味物质等。 沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。 泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。 能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。 8.1 概述概述（4）加热蒸汽和二次蒸汽 蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。（5）分类 按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发

3、。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。 8.1概述概述减压（真空）蒸发的特点减压（真空）蒸发的特点 1） 溶液沸点降低 ，增大了传热温差； 2）操作温度低，不易结焦，并减少热损失 3） 适用热敏性溶液； 4）利用 低压（废热）蒸汽。 缺点：缺点： 1） 、 、K ； 2） 减压装置、能耗。8.2 单效蒸发单效蒸发 7.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算 对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容： 分的蒸发量； 热蒸汽消耗量； 发器的传热面积。 要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。 8.2 单效蒸发单效蒸

4、发1 单效蒸发的流程 8.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算（1）水分蒸发量 单位时间内从溶液中蒸发出来的水分量，kg/s。 溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即12()FwFW w12(1)wWFw12FwwFW水分蒸发量： 完成液的浓度： 8.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算（2）加热蒸汽消耗量 当加热蒸汽所放出的热量主要用于三个方面： 1)水分气化所需的潜热；2)溶液升温至沸点时所需的显热；3）蒸发器的热损失。1221pmLDrWrFCttQ式中 加热蒸汽消耗量，kg/s； t1、t2 原料液与完成液的温度，； 加热蒸汽和二次蒸汽的气

5、化潜热，kJ/kg。 Cpm 原料液的平均比热容，KJ/(kg.) 式中热损失 可视具体条件来取加热蒸汽放热量的某一百分数。 D12rr，LQ（3）（2） 单效蒸发的计算单效蒸发的计算利用上式求取加热蒸汽的消耗量：若原料液在沸点下进料，QL忽略不计，则： 2211pmLWrFCttQDr21WrDr单位蒸汽的消耗量：每蒸发1kg水分所消耗的蒸汽量，即： eDW沸点进料，e18.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得 mQSK t式中 蒸发器传热面积，m2； 传热量，w； 传热系数，w/m2K； 平均传热温差，K。 SQKmt（3）蒸发器传热面积的计算）

6、蒸发器传热面积的计算 由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热， ，且蒸发器的热负荷 ，所以有 tTt0m1QDr2211pmLmmWrFCttQDrSK tK tosomiisiiaRddbddRddaK1110000蒸发器的总传热系数可用传热的知识计算，若以外表面为基准，则：垢层热阻值可按经验数值估算。管外侧的蒸气冷凝传热系数可按膜式冷凝传热系数公式计算，管内侧溶液沸腾传热系数则按管内沸腾传热系数关联式计算。8.2.2 蒸发设备中的温度差损失蒸发设备中的温度差损失 在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，可近似按恒温传热处理。故在计算传热面积时，应按最小温差计算，即由完成

7、液的沸点按下式计算： 2mstTt式中 Ts加热蒸气的饱和温度，； t2完成液的沸点，。 例：例：在单效薄膜式蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到28%。番茄汁已预热到最高许可温度60后进料。采用表压为70 kPa的饱和水蒸气加热。设蒸发器传热面积为0.4 m2，传热系数1500 W/(m2K)。试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。解：解： 表压为70 kPa，则绝对压强为171.3kPa。在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度为114.5，汽化潜热为2210 kJ/kg，由传热速率公式： QS0K0t15000.4(114.5-60)32700 W则蒸汽消耗量为：DQ/r32700/(22

8、10103)0.0148 kg/s53.3 kg/h查得60下水的汽化潜热为2340 kJ/kg，则蒸发量为：WQ/r32700/(2340103)0.014 kg/s50.3 kg/h原料液流量为： 1250.388/1w /1 12/ 28WFkg hw8.3 多效蒸发多效蒸发 8 8.3.1 .3.1 多效蒸发原理多效蒸发原理 多效蒸发要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，仅第一效需要消耗生蒸汽。利利用二次蒸汽的潜热用二次蒸汽的潜热提高了生蒸汽的利用率，即经济性。 8.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）效数 单效

9、双效 三效 四效 五效 理论最小值 1 1/2 1/3 1/4 1/5 实际最小值 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 表表1 单位蒸气消耗量单位蒸气消耗量 强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程 多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见有：并流： 溶液与蒸汽的流向相同。逆流： 溶液与蒸汽的流向相反。平流： 原料液分别加入各效中，完成液也分别自各 效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（1）并流流程）并流流程8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程缺

10、点：料液浓度逐渐增高，而操作温度依次降低，易引起后效缺点：料液浓度逐渐增高，而操作温度依次降低，易引起后效的溶液黏度偏高，传热效果降低。的溶液黏度偏高，传热效果降低。 优点：优点： 在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；间流动不需用泵； 料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；热，供一部分水汽化； 料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。对热敏性物料有利。 8.3.2 多效蒸发流程多效

11、蒸发流程（2）逆流流程）逆流流程8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（2）逆流流程）逆流流程 料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。第一效顺序至末效。 优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系 数较大。数较大。 各效进料温度均低于沸点，故产生的二次蒸汽量较少。各效进料温度均低于沸点，故产生的二次蒸汽量较少。缺点：缺点：（1 1）各效间需用泵输

12、送；各效间需用泵输送； （2 2）无自蒸发；无自蒸发； 8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（3）平流流程）平流流程8.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（3）平流流程）平流流程 原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。过程中伴有结晶析出的溶液。 8.3.3 蒸发过程的节能措施蒸发过程的节能措施（1）多效蒸发（2）冷凝水热量的利用（3）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（4）额外蒸汽8.4 多效蒸发的生产能力、蒸发

13、强度和效数的限制多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制 （1）生产能力和生产强度 蒸发器的生产能力可用单位时间内水分总蒸发量W来表示， 生产强度为单位传热面积的蒸发量（ ）， 多效蒸发的总有效传热温差要低于单效蒸发的总有效传热温差，因此，生产能力低。 而传热面积又为单效蒸发的n倍，因此，多效蒸发的生产强度通常为单效蒸发的1/n。 AWu 多效蒸发效数的限制多效蒸发效数的限制（2）多效蒸发效数的限制 效数增多，加热蒸汽经济性提高，而总有效传热温差将减小，设备的生产强度降低，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。8.5 蒸发设备蒸发设备 蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备 8.5.1蒸发

14、器蒸发器 蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。 （1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于 引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环 型两类。 自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。 （1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 中央循环管式蒸发器（1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 外热式蒸发器热式加热室与蒸发室分开（1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器列文式蒸发器（2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 升膜式蒸发器（图7-5）适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏 性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。 （2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 降膜式蒸发器（图7-6）适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成 均匀的液膜较难，不高。 （2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 刮片式蒸发器（图7-8）特点：借外力强制料液呈膜状流动，可 适应高粘度，易结晶、结垢的浓 溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面 不大，且需要消耗一定的动力 8