第五章 蒸发与蒸发器

1、制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件第五章第五章 蒸发与蒸发器蒸发与蒸发器5.1 概述概述5.2 单效蒸发单效蒸发 5.3 多效蒸发多效蒸发 5.4 蒸发设备蒸发设备 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.1 概述概述（1）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。（2）蒸发的流程 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件6.1 概述概述（3）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

2、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。（4）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。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.1 概述概述（5）蒸发操作的特点 沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影

3、响就越显著。 节约能源 物料的工艺特性 本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中分离夹带液沫的问题。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件6.2 单效蒸发单效蒸发 6.2.1 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。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算（1）物料衡算 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

4、间进入和离开蒸发器的量相等，即wWFFw)(0)1 (0wwFWWFFww0水分蒸发量： 完成液的浓度： 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.2.1 单效蒸发的计算单效蒸发的计算（2）热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时， 损QDiWIiWFFiDIs)(0s损QiIWiiFiIDss)()()(0式中 加热蒸汽消耗量，kg/s； ， 加料液与完成液的温度，； ， ， 加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg； ， 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，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。 D0tt0iisiIsI损Q0D

5、r（3）（4）制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）热量衡算）热量衡算 用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取0为基准，即0时的焓为零，则有 0*Tcis000000tctcictcti0代入前面的两式得： 损QctIWtccFiIDtss)()()(00制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）热量衡算）热量衡算 为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即 0B0*0)1 (wcwccwcwccB*)1 (式中 水的比

6、热，kJ/kg； 溶质的比热，kJ/kg。 *cBc制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）热量衡算）热量衡算由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为： ssiIQiIWiiFD损)()(0ssiIQctIWtcctFD损)()(00 忽略浓缩热时 浓缩热且 ，rctI0riIss000)(rQWrtcctFD损制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）热量衡算）热量衡算 沸点进料， ，并忽略热损失和溶液浓度较低时， ，则 tt 00cc 00)(rWrrctIWD100rrrctIWD或 式中称 为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用

7、率）。 WD/制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.2.1 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 mtKQA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。 AQKmt制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（3）蒸发器传热面积的计算）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 tTt0m0DrQ )()(000tTKDrtTKQA制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.2.2 蒸发设备中的温度差损失蒸发设备中的温度

8、差损失 蒸发器中的传热温差等于 ，当加热蒸汽的温度 一定（如用47k kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽， ），若蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水（其沸点 ）而不是溶液，此时的传热温差最大，用 表示： mt)(0tT 0T1500T100TTt501001500TTTt 如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100。若其沸点 ，则有效传热温差 ， 比 所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用 表示 120t301201500tTttTt制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.2.2 蒸发设备中的温度差损失蒸发设备中的温度差损失TttTTTtt

9、)()(00T传热温差损失TtTtt溶液沸点有效传热温差温度差损失的原因 ： 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高； 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。 因蒸汽流动阻力引起的温度差损失 。制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系： KttttwwA00A)(0ww0AttKttA 式中 和 代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下的沸点， 和 代表溶剂在相应压力下的沸点。

10、 At0Atwt0wt制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件溶液的沸点升高和杜林规则溶液的沸点升高和杜林规则 如图为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条 对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。 45制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件由该图可以看出： 浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值； 浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。制药工程原

11、理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：gLpp51m式中 液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器 压强代替），Pa； 蒸发器内的液面高度，m。 pL制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件液柱静压强引起的溶液温度升高： )()51( ptgLpt所以沸腾液体的平均温度为 ： )(ptt 在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱底部压力的平均值，即 GLpp21m)()51( ptgLpt制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（3）因

12、蒸汽流动阻力引起的温度差损失 在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为 。 总的温度差损失 蒸发过程的传热温度差（有效温度差）： )(00ptTtTt注意注意： 中 为前一效蒸汽到下一效时由于阻力损失而引起的温度差损失。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3 多效蒸发多效蒸发 利用二次蒸汽的潜热 利用冷凝水的显热（如预热原料液)6.3.1 6.3.1 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） 第一效： ，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1

13、kg二次蒸（ ）引入第二效又可蒸发1kg水，即 11WD1WD 1W第二效： ，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量 ， 所以依次类推： 三效 ， 效 DWW12DWWW2213DWnnDW2DW制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.1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）minWDmaxDW效数 单效 双效 三效 四效 五效 1.10.570.910.1752.53.333.70 但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的 的值大致如下：DW /制药工程原理与设备电子课件制药工

14、程原理与设备电子课件5.3.2 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，常见的有：并流： 溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流： 溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流： 溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流： 每一效都加入原料液的方法。 下面以三效为例加以说明： （1）并流流程 蒸汽流动方向： 123 溶液流动方向： 123 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（1）并流流程 优点： 由于前效的压强较后效高， ，料液可借此压 强差自动地流向后一效而无须泵送； ，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会 放出溶

15、液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽， 因此第三效的蒸发量最大。 缺点：溶液浓度， ， ， ，便使得 溶液温度， ， ， ，便使得 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（2）逆流流程图 蒸汽流动方向： 321 溶液流动方向： 123 优点： ， ， ， ， ， ， 、 对 的影响大致抵消，各效的 基本不变。 缺点： 由于前效压强较后效高， ，料液从后效往前一 效要用泵输送。 各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所 需要热量大。 321wwww321321tttt321wtK321ppp制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与

16、设备电子课件5.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程（3）错流流程溶液流向： 312或231 蒸汽流向： 123优点：兼有逆流与并流的优点。 缺点：操作较复杂。 （4）平流流程图 各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.3 多效蒸发的生产能力、蒸发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）蒸发器的生产能力和蒸发强度 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，而生产强度为单位传热面积的蒸发量（ ），在三效蒸发器中，蒸发器的生产强度为 AWu 3213

17、32211321321AAArQrQrQAAAWWWAWu总总总制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度）蒸发器的生产能力和蒸发强度 假设各效传热面积相等，即 ，不考虑温差损失及浓缩热等，且各效蒸发器的传热面积系数相等， ，由前面学过的我们可以知道， 、 、 相差不大，可近似认为相等，即 则 AAAA321KKKK3211r2r3rWrDrQ0rtKArtKAArtAKtAKtAKArQQQuTT3333333222111321总制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度）蒸发器的生产能力和蒸发强度 真空蒸发

18、：提高生产强度（ ）的途径之一是增大传热温差 ，提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加 。加热蒸汽的温度（及相应压强）受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下，需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。tKAQutt 缺点：但是，溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，此外，为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力费，这也是它的缺点。 提高 ： 提高 的另一措施是提高 ，而 的主要取决于蒸发器的结构，操作方式和溶液的物理性质。合理的设计蒸发器结构以建立良好的溶液循环流动及时排除加热室中不凝性气体，经常清除污垢等均可提高 。 KKKK制药工程原理与设

19、备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.3 多效蒸发的生产能力、蒸发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 由于 可以看出，蒸发设备的生产强度取决于 和 ，因此要提高 ，必须提高 和 。 （2）多效蒸发效数的限制 前面我们讲过，效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性提高，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。这是一个优化问题。 （3）多效蒸发计算 描述多效蒸发过程的参数很多，但各类参数之间受到一些基本方程的约束，这些基本方程可分为：物料衡算式，热量衡算式，传热速率式及物性函数式（如水蒸气性质，物料热焓及沸点上升等）。 rtKArQuKKtt制药工程原理

20、与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（3 3）多效蒸发计算）多效蒸发计算对于设计型计算，一般给定： 原料状态： ， ， 完成液浓度： 冷凝器温度与加热蒸汽温度： ， 各效蒸发器的传热系数： 要求加热蒸汽用量： 每效传热面积： F0t0wnwTnTjKDjA制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施提高加热蒸汽经济程度的其他措施 （1）额外蒸汽的方法 不考虑同压力下蒸发潜热的差别，自蒸发的影响和热损失等次要因素，并假设进料是在沸点下进入，则可认为每1kg加热蒸汽的蒸发1kg水。以三效蒸发器为例，可推出制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与

21、设备电子课件（1）额外蒸汽的方法）额外蒸汽的方法水的总蒸发量： 或 推广至 效：DW 11112EDEWW21223EEDEWW2132123EEDWWWW2131323EEWDn1211.21nEnEnnEnnnWD由上可以看出： 无额外蒸汽引出时， nWD 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1）额外蒸汽的方法）额外蒸汽的方法 由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量： 而引出的蒸汽总量为： 比较上面两式：可知， ，即引出额外蒸汽作为其它加热设备的热源所需补充的生蒸汽量等于引出的额外蒸汽的总量，这比从锅炉内引出生蒸汽作为其他设备的加热热源合算。 ， ， ，只要二次蒸汽的温度能满

22、足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效引出的二次蒸汽没有用，因为 ， ， ，用途有限。11niiEDiEnin inin DiipiT121121nEnEnnEnnD11121niniEEEE制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施提高加热蒸汽经济程度的其他措施（2）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（3）冷凝水热量的利用制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.4 蒸发设备蒸发设备 蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备 5.4.1蒸发器蒸发器 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

23、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。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 垂直短管式 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 热式加热室与蒸发室分开制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（1 1）循环型蒸发器）

24、循环型蒸发器 循环蒸发器制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 升膜式蒸发器适用于：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。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 降膜式蒸发器适用于：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。 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件（2）单程型蒸发器）单程型蒸发器 刮片式蒸发器特点：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 制药工程原理与设备电子课件制药工程原理与设备电子课件5.4.2 蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数 （1）