搜索
第五章蒸发本章将主要介绍①蒸发操作的原理、流程和特点；②常用蒸发设备的结构，工作原理和特点；③蒸发计算的基本关系式，单效蒸发的计算；④多效蒸发的流程、问题分析和计算方法。本章重点：①蒸发操作的特点；②以水为溶剂的溶液的单效蒸发计算；③多效蒸发和单效蒸发的比较。一、蒸发定义原理：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。给出了蒸发的定义，由此可看出，能符合用蒸发进行提纯的溶液一定具备这样的条件：是浓缩溶液的一种单元操作5.1概述溶液：溶剂必须具有挥发性溶质没有挥发性例，乙醇水溶液。溶液中溶剂为水具有挥发性，溶质为乙醇，它的挥发性更大；所以此溶液不能用蒸发来进行提纯乙醇，而用蒸馏的单元操作来提纯。例，水溶液。溶液中溶剂为水，具有挥发性的，而为溶质，一般情况下是没有挥发性的；所以它便可用蒸发来提纯。应用：按蒸发目的主要用于以下场合：①将溶液浓缩后,冷却结晶，获得固体产品（抗生素、烧碱、糖）；②获得纯净的溶剂产品（淡化海水）；③获得浓缩的溶液产品。二、蒸发流程和术语1、蒸发流程以硝酸铵水溶液的蒸发为例（如图5.5.1），该流程包括蒸发器和冷凝器。蒸发器由加热室和蒸发室组成，下部的加热室由多根加热管组成，管外通入加热蒸气，放出潜热，加热管内溶液，使之沸腾汽化；上部为蒸发室，用于除去溶剂蒸气中夹带的雾沫和液滴。稀硝酸铵溶液（料液）经预热后进入蒸发器，在加热室中被加热气化，浓缩后的溶液（常称为完成液）从蒸发器底部排出，产生的溶剂蒸气（称为二次蒸气）通过蒸发室及其顶部的除沫器，与所夹带的液沫分离，经冷凝器冷凝后排出。蒸发过程所用的加热介质通常为水蒸气（加热蒸气，也称为生蒸气），当溶液的沸点很高时，可采用联苯、融盐等其他的高温载热体作为热源。2、术语料液完成液二次蒸气生蒸气三、蒸发分类（1）按操作方式分：间歇式和连续式，大多数蒸发过程为连续操作的稳态过程。（2）按二次蒸气的利用情况分：为单效蒸发和多效蒸发（3）按操作压力分：常压、加压或减压（真空）蒸发。真空蒸发优点：在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温差；可以利用低压蒸气作为热源；对热敏性物质的蒸发也较为有利。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。5.2蒸发设备蒸发设备的作用：是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。蒸发的主体设备(图5.1.1)是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。5.2.1蒸发器的结构和特点由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：循环型蒸发器单程型蒸发器（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有a.中央循环管式蒸发器，b.悬筐式蒸发器c.外热式蒸发器，d.列文式蒸发器e.强制循环蒸发器。其中，前四种为自然循环蒸发器。1）循环型蒸发器a.中央循环管式蒸发器●结构和原理：如图5.2.1，●这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%～100%；加热管的高度一般为1～2m；加热管径多为25～75mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4～0.5m/s以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。●b.悬筐式蒸发器●b.悬筐式蒸发器特点：加热室像篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，加热蒸气由顶部引入；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。优点：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；热损失较小。缺点：结构复杂，单位传热面的金属消耗量较多。c.外热式蒸发器特点：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；优点：循环速度较大（可达1.5m/s）；加热室便于清洗和更换。d.列文式蒸发器◆结构特点：在加热室之上增设2.7～5米高的沸腾室。◆原理：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，另外，其循环管的截面积约为加热管总截面积的2～3倍，溶液流动阻力小，因而循环速度可达1.5～2.5m/s。◆优点：可显著减轻和避免加热管表面的结晶和结垢，较长时间不需要清洗，传热效果较好。◆缺点：由液柱静压力引起的温度差损失较大，要求加热蒸气有较高的压力；设备庞大，消耗材料多，需要高大的厂房。e.强制循环蒸发器◆结构：如图溶液循环需用输送设备完成。◆优点：循环速度大（2～3.5m/s），且可调节；可用于蒸发粘度大，易结晶结垢的物料；传热系数较大。◆缺点：输送设备能耗大，每平方米加热面积约需0.4-0.8kW。（2）单程型蒸发器特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。此类蒸发器主要有a.升膜式蒸发器，b.降膜式蒸发器，c.刮板式蒸发器。a.升膜式蒸发器结构：加热室由许多垂直长管组成，常用管径为25-50mm,管长与管径之比为100-150。原理：热的料液自蒸发器底部进入加热管内迅速气化，在蒸气的带动下，溶液沿管壁呈膜状迅速上升，并继续蒸发，当到达分离室和二次蒸气分离后即可得到完成液。限制：不适于较浓溶液、粘度很大的溶液和易结晶、结垢溶液的蒸发。b.降膜式蒸发器结构原理与升膜式类似。区别：料液在蒸发器顶部加入，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。b.刮板式蒸发器直接接触式蒸发器（浸没燃烧蒸发器）特点：结构简单，特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发；由于是直接接触传热，传热效果很好，热利用率高。目前在废酸处理和硫酸铵溶液的蒸发中已广为应用。但它不适用于不可被烟气污染物料的处理；由于烟气的存在，也限制了二次蒸气的利用。蒸发器的选型：需考虑多种因素：蒸发器的结构型式很多，实际选型时，除了要求设备结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等等外，首要的还是看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。5.2.2除沫器、冷凝器和真空装置(1)除沫器作用：进一步除去离开蒸发器的二次蒸气中夹带的液沫，避免造成产品损失、污染冷凝器和堵塞管道。结构：常见的几种除沫器如图5.2.11所示。其中，（a）-(e)装于蒸发室顶部；（f）-（h）则在蒸发室之外他们主要都是利用液体的惯性以达到气液的分离。(2)冷凝器和真空装置冷却水由顶部加入，依次经过各淋水板的小孔和溢流堰流下，在和底部进入并逆流上升的二次蒸气的接触过程中，使二次蒸气不断冷凝。水和冷凝液沿气压管（俗称大气腿）流至地沟排走。不凝性气体则由顶部抽出，并与夹带的液沫分离后去真空装置。