关于多效降膜式蒸发器的工作原理及应用要点

关于多效降膜式蒸发器的工作原理及应用要点蒸发（或称浓缩）是指将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进行蒸发浓缩的过程，主要是利用加热作用使溶液中一部分溶剂汽化而获得。蒸发工艺在制药生产中应用较多，如中药生产方面是将提取液进行蒸发浓缩而得到浓缩液或流浸膏，又如在抗生素生产中蒸发操作用于发酵滤液、树脂洗脱液以及各种提取液的浓缩。蒸发设备一般称为蒸发器，其构造与种类繁多，而且其发展历史久远。从操作方式可分为单效蒸发、多效蒸发和直接接触蒸发；按流体循环方式可分为不循环型蒸发、自然循环型蒸发、强制循环型蒸发、刮膜式蒸发及离心式薄膜蒸发。设计时针对不同的物料用不同的蒸发器。正确的应用不仅能提高产品的质量，又能节能降耗、降低生产成本、提高经济效益。其中，降膜式蒸发器是现代蒸发技术中常见的单元操作，本文将对多效降膜式蒸发器的特点及相关要点作一探讨。1降膜式蒸发器概述1.1降膜式蒸发器简介工作原理：物料由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。在管内被加热汽化，被汽化的蒸汽与液体一起由加热管下端引出，经气液分离后即得到浓缩液。在降膜式蒸发器的操作过程中，由于物料的停留时间很短（约5～10s），而传热系数很高，因此其较广泛地应用于热敏性物料，也可以用于蒸发粘度较大的物料，但不适宜处理易结晶的溶液。1.2降膜式蒸发器与升膜式蒸发器比较降膜式蒸发器与升膜式蒸发器的性能比较如表1所示。表1降膜式蒸发器与升膜式蒸发器的性能比较2多效降膜式蒸发器的结构多效降膜式蒸发器由蒸发器、分离器、预热器、冷凝器、凝水罐、循环泵等部件组成，其结构如图1所示。2.1蒸发器蒸发器为列管式换热器，管程通液体物料，壳程通加热蒸汽，液体物料从蒸发器的顶部进入，经过分布器进入加热管，液体物料沿加热管往下流，并被加热蒸发，直至加热器底部，浓缩的液体和蒸发产生的二次蒸汽进入分离器进行分离，其底部装有控制布水的液位开关。作用：对液体物料加热、蒸发。2.2分离器分离器为单层结构的罐，上部的二次蒸汽接口与冷凝器相通，下部的接口与蒸发器连通。作用：使加热后产生的二次蒸汽与浓缩液体汽液分离。2.3预热器预热器为卧式列管式换热器，管程通液体物料，壳程通蒸发产生的二次蒸汽。作用：（1）对进入蒸发器的液体物料进行预先加热；（2）将二次蒸汽进行冷却以便于对其进行回收利用。2.4冷凝器冷凝器为卧式列管式换热器，管程通冷却水，壳程连接预热器的壳程。作用：将二次蒸汽进行冷凝以便于对其进行回收利用。2.5凝水罐凝水罐为单层结构的罐，罐体装有控制液位的液位开关。作用：通过与出口处的泵连接，能实现自动排放罐内的冷凝液。3多效降膜式蒸发器的工作原理及特点3.1多效降膜式蒸发器的工作原理以三效为例，多效降膜式蒸发器的流程如图2所示。工作原理：物料稀溶液经原料泵进入第三效循环泵的吸入口，用泵升压后，经预热器进入第三效蒸发器顶部的进料室，再进入加热管加热蒸发后进入分离室，汽、液在此分离，溶液从底部流入泵吸入口，用泵送预热器、进料室、加热管、分离室进行循环流动与蒸发。蒸发出来的蒸汽由分离室侧面进入分离器进一步把蒸汽夹带的液滴分离出来，由分离器底部流回分离室，而洁净的二次蒸汽排出后进入冷凝器被全部冷凝。循环泵的出口有一支路把溶液送到第二效的泵吸入口，按照与第三效相同的方式进行工作，第二效的二次蒸汽送入第三效作为加热蒸汽。同样，第二效泵出口有一支路把溶液送入第一效泵吸入口。第一效操作与另二效基本相同，第一效的二次蒸汽送入第二效作为加热蒸汽。第一效的加热蒸汽则由锅炉直接供给，冷凝水返回锅炉房。此外，泵出口有一支路排放浓缩液，调节排放量以保持排放液的浓度。逆流操作时，浓溶液出料口在第一效，温度较其他各效高，可使溶液粘度有所下降，有利于浓度较高溶液的浓缩，可得到75%的浓缩液。各效蒸发器均装液位控制器，配合进口管路的控制阀保持各效液面恒定。锅炉供汽管路装有控制阀，根据第一效加热蒸汽压力的传感器及压力控制器来控制阀门达到加热蒸汽压力恒定的目的。各效所排放的冷凝水均汇集至凝水罐，罐侧面装有液位控制器，配合排液泵出口管的控制蒸发器液位至规定高度。3.2多效降膜式蒸发器的特点（1）结构紧凑、布局合理、占地面积小、安装操作方便；（2）生产效率高、蒸发量大；（3）节能效果显著，能耗仅为一般降膜式蒸发器浓缩生产时的1/3左右。QA/Q≤0.45，QB/Q≤8（Q为清水蒸发量，QA为蒸汽耗量，QB为冷却水耗量）；（4）系统可控制，系统采用PLC编程，设备工艺参数可设定、控制，原料液和冷却水均可自动控制。系统控制精度：温度±1℃，压力±0.01MPa，液位高度±10mm。4对多效降膜式蒸发器相关要点的探讨4.1加热蒸汽的利用蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而产生大量二次蒸汽的过程。从节能观点出发，多效降膜式蒸发器充分利用蒸发所产生的二次蒸汽作为其他效加热系统的热源，即要求蒸发装置能提供温度较高的二次蒸汽，这样既可减少锅炉生蒸汽的消耗量，又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽的利用率。一般所用的饱和蒸汽不超过180℃，若超过180℃，其相对压强就很高，这样会增加热设备与操作费用。多效降膜式蒸发器的蒸发旨在节省加热蒸汽。如果首效采用较高压力的加热蒸汽，则末效可以采用常压蒸发或低真空蒸发。此时，末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，其热能绝大部分被利用。4.2蒸发器的效数在多效蒸发中，将前一效的蒸汽作为后一效的加热蒸汽，所以多效蒸发能节省生蒸汽的消耗量。但不是效数越多越好，其效数受技术与经济上的限制。（1）多效蒸发随效数的增加，在总蒸发量相同时所需生蒸汽量则减少，操作费用降低。但效数越多，其设备费用也越高，且随着效数的增加，所节省的生蒸汽量则越来越少。（2）理论上效数过多，蒸发操作将难以进行。一般而言，多效蒸发的第一效加热蒸汽温度和冷凝器的操作温度都是受到限制的，多效蒸发理论传热总温度差（即上述二温度之差值）也是受到限制的。在具体操作条件下，当效数增多时，各效温度差损失之和随之增大，因而有效总温度差减小。当效数过多时，有效总温度差很小，分配到各效的有效总温度差将会小得无法保证各效正常的沸腾，蒸发操作难以进行。究竟效数多少？则要看被蒸发物料特性。经验告诉人们，一般电解质溶液，其沸点升高较快，可取2～3效；一般非电解质溶液，其沸点升高较慢，可取4～6效。4.3多效降膜式蒸发器的流程在多效降膜式蒸发器中，溶液的流程可以是并流、逆流、平流和错流，它们之间的比较，其选择主要根据物料特性、操作方式及经济性来决定。本文所探讨的三效降膜式蒸发器实例属逆流，其溶液与蒸气成逆流。在此实例中，料液由末效加入，依次用泵送入前一效。溶液从后一效进入前一效时，温度将低于该效的沸点。在这种流程中，溶液的浓度越大，蒸发温度也越高。因此，各效溶液的粘度不会相差太大，因而传热系数均匀。5结语本文从降膜式蒸发器的概述入手，阐述了多效降膜式蒸发器的结构，并对多效降膜式蒸发器的工作原理、流程及相关要点作了探讨。可以得出以下结论：（1）不管是降膜法还是升膜法，应根据被蒸发溶液特性而选择；（2）从节能角度出发，降膜式蒸发器应选择多效。但不是效数越多越好，应从技术与经济方面综合考虑。（3）多效降膜式蒸发器流程的确认，也应根据被蒸发溶液特性而定