第八章蒸发设备

《化工设备操作与维护》第八章蒸发设备第八章蒸发设备1蒸发基本原理2蒸发设备3蒸发设备操作条件的选择及优化4蒸发设备操作与管理蒸发设备的安全运行5目录第一节蒸发基本原理一、蒸发基本原理在化工过程中，蒸发是浓缩溶液的单元操作。这种操作是将溶液加热，使其中部分溶剂气化并不断除去，以提高溶液中溶质浓度。例如，烧碱液的增浓、稀盐水液的浓缩、淡水制备等。用来进行蒸发的设备称为蒸发器。蒸发的方式有自然蒸发和沸腾蒸发。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点下气化。沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时气化，在气化过程中，溶液呈沸腾状态，溶剂的气化不仅发生在溶液表面，而且发生在溶液内部，几乎在溶液各个部分都同时发生气化现象，因此沸腾蒸发的速率远超过自然蒸发速率。工业上的蒸发大多是采用沸腾蒸发。图8-1蒸发裝置示意图1-加热室2-加热管3-中心降液管4-蒸发室5-捕汁器6-冷凝器第一节蒸发基本原理第一节蒸发基本原理蒸发过程尚有以下特点：1.蒸发的物料是溶有不挥发性溶质的溶液。依拉乌尔定律p=p*nA/（nA+nB)可知，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。所以，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温度差要比蒸发纯溶剂时为小，溶液的浓度越大，这种影响越显著。2.蒸发时要汽化大量的溶剂，因此需消耗大量的加热蒸汽。3.被蒸发的溶液本身，常具有某些特性，例如，有些物料在浓缩时可能结垢或析出结晶，有些热敏性物料在高温下易分解变质，有些溶液则有较大的粘度或较强的腐蚀性等。第一节蒸发基本原理二、蒸发系统1.单效蒸发系统2.多效蒸发系统：（1）并流法（2）逆流法（3）平流法第一节蒸发基本原理图8-2并流加料三效蒸发装置的流程图8-3逆流加料三效蒸发装置的流程第一节蒸发基本原理图8-4平流加料三效蒸发装置的流程第一节蒸发基本原理三、多效蒸发中效数的限制多效蒸法可以提高加热蒸汽的利用率，所以多效蒸发的操作费用是随着效数的增加而减少。但从表8-1可知，虽然(D/W)是随着效数的增加而不断减小，但所节省的加热蒸汽量亦随之减小，例如由单效改为双效，可节省加热蒸汽量约为50％，而从四效增为五效，可节省加热蒸汽量就己降为10％。另一方面，增加效数就需要增加设备费，而当增加一效的设备费用不能与所节省的加热蒸汽的收益相抵时，就没有必要再增加效数，所以多效蒸发的效数是有一定限度的。图8-5有额外蒸汽引出的并流加料三效蒸发装置的流程图8-6五效真空蒸发方案（数据/%）第一节蒸发基本原理第一节蒸发基本原理四、蒸发热力方案选择的原则热力方案的选择首先应满足工艺的要求，即保证供应足够浓度的浓缩汁和车间各用汽工序足够的蒸汽及规定的蒸汽参数，并做到热力利用的合理经济。在不影响操作稳定的情况下，最大限度地抽取额外蒸汽，做到全面利用，使进入冷凝器的汁汽降到最低限度以及利用冷凝水自然蒸发等，使热力方案具有较高的技术经济指标，同时又保证蒸发操作的稳定性和灵活性，即一方面是尽可能使实际抽取的汁汽量与设计时的抽取量相一致，另一方面是注意生产波动时调节的可能性。设计时还必须考虑到蒸发罐的真空度应有调节的可能性，或者采用浓缩罐。对于设备的投资费用等方面也应予以适当的考虑。第二节蒸发设备一、蒸发设备基本构造1.标准式蒸发器(中央循环管式蒸发器)标准式蒸发器结构紧凑，传热条件良好，投资少，但存在循环速度小、检修不方便等缺点。该类蒸发器在国内糖厂和小型氯碱企业应用较多。图8-7标准式蒸发罐1-罐底封头；2-进液管；3-加热室；4-蒸发室；5-捕集器；6-罐顶封头；7-二次蒸汽出口；8-管板；9-中央降液管；10-加热管；11-加热室外壳；12-蒸汽入口；13-凝结水出口；14-浓缩液出口第二节蒸发设备2.悬筐式蒸发器其加热室像篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，加热蒸汽由顶部引入，在管间加热管内的溶液。其原理和中央循环管式相同，但溶液沿悬筐外壁和外壳体内壁所形成的环隙向下做循环流动，循环速度略大。其加热管束可取出后清理，用备用管束替换，以节约清洗时间。加热蒸汽从位于中央的一根多孔管进入，均匀吹入各加热管间。加热管束和管内壁形成的的环形通道是循环料液的下流通道。其传热面积一般在100m2以下，总传热系数为600～3500W/(m2·K)2.悬筐式蒸发器（1）优点：悬框式蒸发器实际上是标准式蒸发器的改进形式。它把加热室改进成可整体装拆悬吊在蒸发器中，便于检修；循环通道比标准式大，可以产生较大的循环速度和传热系数，同时由于循环通道在外周，因此热损失小。加热室可由顶部取出，便于检修和更换，适用于易结晶、结垢溶液的蒸发。（2）缺点：悬框式蒸发器存在结构复杂、单位传热面的金属消耗量较多而制造费用较大。第二节蒸发设备第二节蒸发设备3.盘管式蒸发器盘管式蒸发器适用于牛奶、果汁、蔬菜汁、豆浆、葡萄糖溶液等热敏性物料在真空条件下进行低温浓缩，也可供医药、化工等部门浓缩物料之用。盘管式蒸发器具有以下优点：①蒸发强度高，每平方米传热面积蒸发量可达100kg/小时以上，其原因是传热温度差较高；②操作方便，容易掌握；③易损件少，维护简单；④每批的产品质量均匀一致；⑤设备制造工艺简单，使用钢材少。缺点：①间歇操作，生产效率低；物料受热时间长，影响产品质量；③料液循环差，传热系数低；④由于是单效、间歇操作，蒸汽消耗量大，蒸发1kg水耗蒸汽在1.1kg以上；⑤冷却水用量大；⑥盘管表面易结垢，且洗涮不方便；⑦二次蒸汽未能很好利用，仅适用于中小型工厂。盘管式蒸发器按锅体结构可分为有加热夹套式和无加热夹套式。我国从日本引进的盘管式蒸发器在锅体下侧有加热夹套，以增大传热面积。国产的盘管蒸发器皆为无加热夹套。基本结构见图8-9。第二节蒸发设备第二节蒸发设备图8-8悬框式蒸发器1-壳体2-蒸汽接管3-分离室4-悬框加热室5-溢流管图8-9盘管式蒸发器1-气液分离器2-仪表箱3-总汽阀4-蒸发室5-加热盘管6-汽包7-分汽阀8-疏水阀9-加热室10-取样旋塞11-出料旋塞第二节蒸发设备4.外加热室式蒸发器外加热室式蒸发器的加热室装于蒸发室之外，采用了长加热管（管长与管径之比为50～100），液体下降管（也称循环管）不再受热，基本结构如图8-10。它是将加热室移至蒸发器体外的一种外热式自然循环蒸发器，由列管加热器、蒸发室、循环管三个部分组成。若蒸发时产生结晶，应在循环管下口加液固分离器。料液在蒸发器内循环速度小于1m/s,循环的动力是循环管和加热管内液体的重度差。这种蒸发器传热面积常为数百平方米甚至上千平方米。一个蒸发室可配有1～4个加热室。加热管较长，其长径比L/D=60～110，总传热系数为1400～3500W/(m2·K)。这种设备的缺点是设备较高，由于料液在管内液柱较高，提高了下部液体的沸点，故要求加热温差大，因而限制了多效使用。（1）优点：蒸发室通过导管和循环管与加热室相连接，使得循环速度较大（可达1.5m/s）；加热室便于清洗、检修和更换。（2）缺点:结构比较复杂，散热损失较大。图8-10外加热室式蒸发器1-加热室2-蒸发室3-循环管第二节蒸发设备图8-10外加热室式蒸发器1-加热室2-蒸发室3-循环管第二节蒸发设备5.列文蒸发器列文式蒸发器属于加热管外沸腾的自然循环型蒸发器，是50年代前苏联PEnebnh提出的，其结构见图8-11。其特点是在加热室的上部加一段2.7～5m高的直管作为沸腾室。由于沸腾室内液柱静压力的作用，加热管内的溶液只升温不沸腾，升温后的溶液上升至沸腾室时，压力降低，沸腾气化。这样，就将溶液的沸腾气化由加热室转移到没有传热面的沸腾室，沸腾室内装有隔板以防止汽泡增大，并可达到较大的流速。列文式蒸发器可避免在加热管中析出晶体，可用于有晶体析出的溶液的蒸发。图8-11列文蒸发器加热室循环管蒸发室第二节蒸发设备列文蒸发器第二节蒸发设备第二节蒸发设备6.结晶式蒸发器结晶式蒸发器也称改进的列文式蒸发器，结构如图8-12。它除保持了原列文式蒸发器的一些特点外，还在循环管与加热室之间增加了一个有利于结晶析出及分离的结晶罐，从而减少固体盐垢对加热室的传热影响，延长了洗罐周期。目前我国氯碱厂较普遍采用列文式及其改进型蒸发器。7.强制外循环蒸发器上述各种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加热管与循环管内溶液的密度差引起溶液的循环，这种循环速度一般都比较低，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，可采用强制循环型蒸发器。8.强制内循环蒸发器强制内循环蒸发器用于避免在加热面上沸腾的产品而形成结垢或产生结晶，为此，管中的流动速度必须高。当循环液体流过热交换器时被加热，然后在分离器中压力降低时部分蒸发，从而将液体冷却至对应压力下的沸点温度。由于循环泵的原因，蒸发器的操作与温差基本无关，物料的再循环速度可以精确调节，蒸发速率设定在一定的范围内，在结晶应用中，晶体可以通过调节循环流动速度和采用特殊的分离器设计从循环晶体泥浆中分离出来。第二节蒸发设备第二节蒸发设备图8-13强制外循环蒸发器1-液沫捕集器2-分离器3-循环管4-循环泵5-加热管6-旋流板图8-14强制内循环蒸发器1-分布器2-加热室3-上升通道4-轴流泵5-下降通道图8-12结晶式蒸发器1-循环管；2-蒸发室；3-加热器；4-结晶罐二次蒸汽洗涤水二次蒸汽加热蒸汽冷凝水料液出口料液第二节蒸发设备9．升膜式蒸发器（1）基本结构升膜式蒸发器主要由蒸发室（或称分离器）、加热器及循环管道、止逆阀、水力喷射器、水箱、离心出料泵、水泵及操作台等所组成。它是自然循环蒸发器的一种，结构如图8-15所示。（2）工作原理升膜式蒸发器又称爬升膜蒸发器，它依据虹吸泵原理操作，根据在沸腾过程中产生的蒸汽气泡的升力，液体和蒸汽并流向上流动，同时，产生的蒸汽量增加，从而在管壁上产生流动的膜，即液体向上“爬”。并流向上运动有助于在液体中产生高度的湍流。料液由加热管底部进入，加热蒸汽在管外将热量传给管内料液。优点：①占地面积小，空间高度低，结构紧凑，造价低，投资少；②常为连续操作，亦可间歇操作；③清洗方便，劳动强度低，并可用清洗液循环清洗；④物料循环较好，正常操作时不易结焦。缺点：①不适宜于高粘度物料的浓缩，如甜炼乳的浓缩；也不适宜于终点浓度要求严格的物料浓缩，如淡炼乳的浓缩；②操作要求较高，应严格控制料位，出料系统及加热器底部密封要求高，操作中不宜随意停车，否则易结焦；③在连续出料操作中，会有少量料液长期在蒸发器内循环，影响产品质量。第二节蒸发设备第二节蒸发设备图8-15升膜式蒸发器图86降膜式蒸发器第二节蒸发设备10.降膜式蒸发器（1）基本结构它的结构与升膜式蒸发器大致相同，如图8-16。降膜蒸发器由布液装置、蒸发器体、分离器、预热器、闪蒸罐、热压泵以及真空形成装置与冷凝器组成。①布液装置其作用是将料液均匀分配于各管并呈膜状下降,常见三种类型沟槽型分布器、扩尾型分布器和齿缝型分布器见图8-17。②蒸发器体它在结构上如同普通立式列管换热器，唯管子长度较长，目前国外最长可达18m。为提高降膜蒸发器管内物料的周边流量，除对物料进行外循环外，常把蒸发器体分隔成两部分或更多。已在工业中得到广泛应用。（2）工作原理图8-16中，在降膜蒸发器中，液体和蒸汽向下并流流动，需浓缩的液体预热至沸腾温度，均匀的液膜通过蒸发器顶上的液体分布装置进入加热管，在沸腾温度下向下流动并部分蒸发，往下运动引入的重力因并流的蒸汽流不断加强。降膜蒸发器的优点:①物料一次通过，受热时间短，可防止热分解，如乳液蒸发提高奶粉复原性，宜于热敏性物料；②连续操作，设备有效时间利用率高；③蒸发与预热都在小温差下进行，因而不易结焦，易于清洗，也宜于二次蒸汽再压缩和多效流程操作；④由于可多效操作及二次蒸汽再压缩等原因，热能消耗少；⑤冷却水消耗量少；⑥传热系数高，传热性能好；⑦无液柱静压强引起的温差损失，固形物引起的沸点升高小；⑧可用于固形物含量与粘度较高的物料；⑨可进行就地清洗；⑩易于调节、控制，操作稳定可靠、方便，易实现自动化。缺点：①设备较高，要求高层厂房；②要求工作蒸汽压力较高且稳定；③设备投资较高。由于降膜蒸发器的众多优点第二节蒸发设备第二节蒸发设