第九章蒸發(fā)和結(jié)晶

1、一、蒸發(fā)及應(yīng)用一、蒸發(fā)及應(yīng)用1、蒸發(fā)的概念、蒸發(fā)的概念 利用加熱的方法，使溶液中的溶劑部分汽化揮發(fā)從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥、食品等許多工業(yè)中。2、蒸發(fā)操作的目的、蒸發(fā)操作的目的（1）稀溶液的增濃直接制取液體產(chǎn)品，或者將濃縮的溶液再經(jīng)進(jìn)一步處理（如冷卻結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品，如青霉素、慶大霉素等提取液濃縮、以及各種果汁、牛奶的濃縮等等；（2）純凈溶劑的制取，此時(shí)蒸出的溶劑是產(chǎn)品，例如海水蒸發(fā)脫鹽制取淡水。（3）同時(shí)制備濃溶液和回收溶劑，例如中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)。單效蒸發(fā)流程：單效蒸發(fā)流程：3-中央循環(huán)管；不凝性氣體冷卻水二次蒸汽料液加熱蒸汽冷凝水完成液水

2、 硝酸銨水溶液蒸發(fā)流程 蒸發(fā)流程123451-加熱管；2-加熱室；4-蒸發(fā)室；5-除沫器；6-冷凝器二、蒸發(fā)操作的特點(diǎn)二、蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 蒸發(fā)操作是從溶液中分離出部分溶劑，而溶液中所含溶質(zhì)的數(shù)量不變，蒸發(fā)操作是從溶液中分離出部分溶劑，而溶液中所含溶質(zhì)的數(shù)量不變，因此蒸發(fā)是一個(gè)熱量傳遞過程，其傳熱速率是蒸發(fā)過程的控制因素。蒸發(fā)所因此蒸發(fā)是一個(gè)熱量傳遞過程，其傳熱速率是蒸發(fā)過程的控制因素。蒸發(fā)所用的設(shè)備屬于熱交換設(shè)備。用的設(shè)備屬于熱交換設(shè)備。 但與一般的傳熱過程比較，蒸發(fā)過程又具有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)但與一般的傳熱過程比較，蒸發(fā)過程又具有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：在：（1）溶液沸點(diǎn)升高）溶液沸點(diǎn)

3、升高 被蒸發(fā)的料液是含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，由拉烏爾被蒸發(fā)的料液是含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，由拉烏爾定律可知，在相同的溫度下，溶液的蒸汽壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮?。換言之，定律可知，在相同的溫度下，溶液的蒸汽壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮骸Q言之，在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。因此，當(dāng)加熱蒸汽溫度一定，在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。因此，當(dāng)加熱蒸汽溫度一定，蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)溶劑時(shí)的溫度差。溶液的濃度越高，這蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)溶劑時(shí)的溫度差。溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。在進(jìn)行蒸發(fā)設(shè)備的計(jì)算時(shí)，必須考慮溶液沸點(diǎn)上升的這種種影響也越顯著。在進(jìn)行蒸發(fā)設(shè)備的計(jì)算

4、時(shí)，必須考慮溶液沸點(diǎn)上升的這種影響。影響。（2）物料的工藝特性）物料的工藝特性 蒸發(fā)過程中，溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的濃縮蒸發(fā)過程中，溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的濃縮而改變。有些物料在濃縮過程中可能結(jié)垢、析出結(jié)晶或產(chǎn)生泡沫；有而改變。有些物料在濃縮過程中可能結(jié)垢、析出結(jié)晶或產(chǎn)生泡沫；有些物料是熱敏性的，在高溫下易變性或分解；有些些物料是熱敏性的，在高溫下易變性或分解；有些 物料具有較大的腐物料具有較大的腐蝕性或較高的粘度等等。因此，在選擇蒸發(fā)的方法和設(shè)備時(shí)，必須考蝕性或較高的粘度等等。因此，在選擇蒸發(fā)的方法和設(shè)備時(shí)，必須考慮物料的這些工藝特性。慮物料的這些工藝特性。（3）能量利用與回收）能量利用與回

5、收 蒸發(fā)時(shí)需消耗大量的加熱蒸汽，而溶液汽化又蒸發(fā)時(shí)需消耗大量的加熱蒸汽，而溶液汽化又產(chǎn)生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潛熱，提高加熱蒸汽產(chǎn)生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潛熱，提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度，也是蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中的重要問題。的經(jīng)濟(jì)程度，也是蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中的重要問題。幾個(gè)概念幾個(gè)概念 * 加熱蒸汽加熱蒸汽(生蒸汽生蒸汽)：蒸發(fā)過程所用的加熱蒸汽； * 完成液：完成液：濃縮后的溶液； * 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) ：產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出； * 多效蒸發(fā)：多效蒸發(fā)：二次蒸汽作為串聯(lián)使用的下一個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽。 三、蒸發(fā)操作的分類三、蒸發(fā)操作的分類按操作方式：按操作方式：間

6、歇式、連續(xù)式；按二次蒸汽的利用情況：按二次蒸汽的利用情況：單效蒸發(fā)、多效蒸發(fā)；按操作壓力：按操作壓力：常壓、加壓、減壓（真空）；真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：提高傳熱溫差、利用低壓蒸汽作為熱源、對熱敏性物料的蒸發(fā)有利。第二節(jié)第二節(jié) 單效蒸發(fā)與真空蒸發(fā)單效蒸發(fā)與真空蒸發(fā)一、單效蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算一、單效蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算確定水的蒸發(fā)量；加熱蒸汽消耗量；蒸發(fā)器所需傳熱面積1、蒸發(fā)水量的計(jì)算、蒸發(fā)水量的計(jì)算加熱蒸汽加熱蒸汽D,Ts,H原料原料F,w0,t0 ,c0 ,h0二次蒸汽二次蒸汽W,T,H冷凝液冷凝液D,Ts,hc完成液（完成液（F-W),w1,t1,c1,h1加熱室單效蒸發(fā)的物料衡算，熱量衡算示意圖

7、對蒸發(fā)器進(jìn)行溶質(zhì)物料衡算對蒸發(fā)器進(jìn)行溶質(zhì)物料衡算110)(LwwWFFw得水的蒸發(fā)量：得水的蒸發(fā)量：)1 (10 xxFW完成液濃度：完成液濃度：WFFxx012、但在確定 卻有不同于一般換熱器的計(jì)算方法mtKQAmtmt3、真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：、真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)： 降低溶液沸點(diǎn)，增大傳熱推動力，提高蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)度；真空操作，溶液沸點(diǎn)降低，可減少或防止熱敏性物料分解；降低對熱源的要求。缺點(diǎn)：溶液沸點(diǎn)降低，其粘性會增加，使得總傳熱系數(shù)下降；真空設(shè)備增加動力消耗。第三節(jié)第三節(jié) 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 采用多效蒸發(fā)的目的是為了減少新鮮蒸氣用量，具體方法是將前一效的二次蒸氣作為后一效的加熱蒸氣。 如前所述，若把蒸

8、發(fā)產(chǎn)生的二次蒸氣引至另一操作壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，并把若干個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。根據(jù)溶液與二次蒸氣的流向，可有不同的加料方法與相應(yīng)的流程。以三效為例，可以四種流程：一、多效蒸發(fā)一、多效蒸發(fā)不凝性氣體第一效第二效第三效第一效二次蒸汽第二效二次蒸汽第三效二次蒸汽料液加熱蒸氣完成液水冷卻水并流加料蒸發(fā)流程即加熱蒸氣和原料液均順次流經(jīng)各效。這種加料的特點(diǎn)是前一效到后一效可自動加料，后一效中的物料會產(chǎn)生自蒸發(fā)，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度會隨效數(shù)的增加而增大，使傳熱系數(shù)逐效下降，所以并流加料不適宜處理隨濃度增加而增加較高的物料。逆流加料流程逆流加料流程逆流加料蒸發(fā)流程完成

9、液加熱蒸氣料液冷卻水水不凝性氣體 即加熱蒸氣走向與并流相同，而物料走向則與并流相反。這種加料的特點(diǎn)是各效中的傳熱系數(shù)較均勻，適于處理黏度隨溫度變化較大的物料。 水冷卻水不凝性氣體料液加熱蒸氣 平流加料蒸發(fā)流程平流加料流程平流加料流程即加熱蒸氣走向與并流相同，但原料液和完成液則分別從各效中加入和排出。這種流程適用于處理易結(jié)晶物料。提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性的措施提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性的措施(1) 額外蒸汽的引出額外蒸汽的引出額外蒸氣：額外蒸氣：在多效蒸發(fā)中，可在前幾效引出部分二次蒸氣，作為其 它加熱設(shè)備的熱源。說明：說明：引出額外蒸氣時(shí)，生蒸氣的消耗量增加，但所增加的生蒸氣量小于引出的額外蒸氣總量，從總體來

10、看，生蒸氣的經(jīng)濟(jì)性提高了。料液加熱蒸氣完成液水冷卻水不凝性氣體引出額外蒸氣的蒸發(fā)流程說明：說明：上一效的冷凝水溫度較高，可將其通過閃蒸器減壓至下一效加熱室的壓力，則冷凝水由于過熱將閃蒸，產(chǎn)生部分蒸氣。將它和上一效的二次蒸氣一起作為下一效的加熱蒸氣，就相當(dāng)于提高了生蒸氣的經(jīng)濟(jì)性。 (2) 冷凝水的閃蒸冷凝水的閃蒸加熱蒸氣進(jìn)料二次蒸氣冷凝水12二次蒸氣冷凝水完成液ABA,B-蒸發(fā)器；1-冷凝水排出器； 2-冷凝水閃蒸器 冷凝水的閃蒸單效蒸發(fā)時(shí)，可將二次蒸氣絕熱壓縮以提高其溫度，然后送回加熱室作為加熱蒸氣重新利用。熱泵蒸發(fā)的節(jié)能效果一般可相當(dāng)于35效的多效蒸發(fā)。說明：說明：該方法不適用于沸點(diǎn)升高較大

11、物料的蒸發(fā)。另外，壓縮機(jī)的投資費(fèi)用較高等，限制了它的應(yīng)用。（3）熱泵蒸發(fā)）熱泵蒸發(fā)： 蒸發(fā)設(shè)備的作用是使進(jìn)入蒸發(fā)器的原料液被加熱，部分氣化，得到濃縮的完成液，同時(shí)需要排出二次蒸氣，并使之與所夾帶的液滴和霧沫相分離。 蒸發(fā)的主體設(shè)備是蒸發(fā)器蒸發(fā)器，它主要由加熱室和蒸發(fā)加熱室和蒸發(fā)室室組成。 蒸發(fā)的輔助設(shè)備輔助設(shè)備包括：使液沫進(jìn)一步分離的除沫器除沫器，和使二次蒸氣全部冷凝的冷凝器冷凝器。減壓操作時(shí)還需真空真空裝置裝置。 由于生產(chǎn)要求的不同，蒸發(fā)設(shè)備有多種不同的結(jié)構(gòu)型式。對常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動情況，大致可分為以下兩大類：（1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器（2）非循環(huán)型（單程型

12、）蒸發(fā)器）非循環(huán)型（單程型）蒸發(fā)器 這類蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作循環(huán)流動。根據(jù)造成液體循環(huán)的原理的不同，又可將其分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種類型。前者是藉助在加熱室不同位置上溶 液的受熱程度不同，使溶液產(chǎn)生密度差而引起的自然循環(huán)；后者是依靠外加動力使溶液進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。目前常用的循環(huán)型蒸發(fā)器有以下幾種： a.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，b.懸筐式蒸發(fā)器c.外熱式蒸發(fā)器，d.列文式蒸發(fā)器e.強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。其中，前四種為自然循環(huán)蒸發(fā)器。 懸筐式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示于圖片，它是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。其加熱室像個(gè)懸筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，可由頂部取出，便于清洗與更換。加熱介質(zhì)由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室，而在加

13、熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內(nèi)壁之間有環(huán)隙通道，其作用類似于中央循環(huán)管。操作時(shí)，溶液沿環(huán)隙下降而沿加熱管上升，形成自然 循環(huán)。一般環(huán)隙截面積約為加熱管總面積的100150%，因而溶液循環(huán)速度較高（約為11.5m/s）。由于與蒸發(fā)器外殼接觸的是溫度較低的沸騰液 體，故其熱損失較小。懸筐式蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)蒸發(fā)易結(jié)垢或有晶體析出的溶液易結(jié)垢或有晶體析出的溶液。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位單位傳熱面需要的設(shè)備材料量較大傳熱面需要的設(shè)備材料量較大。外熱式蒸發(fā)器 外熱式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示于圖片。這種蒸發(fā)器的特點(diǎn)是加熱室與分離室分開，這樣不僅便于清洗與更換，而且可以降低蒸發(fā)器的總高度。因其加熱管較長 （管長與管徑

14、之比為50100），同時(shí)由于循環(huán)管內(nèi)的溶液不被加熱，故溶液的循環(huán)速度大，可達(dá)1.5m/s。 列文蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖片所示。這種蒸發(fā)器的特點(diǎn)是在加熱室的上部增設(shè)一沸騰室。這樣，加熱室內(nèi)的溶液由于受到這一段附加液柱的作用，只有上升到沸騰室時(shí)才能汽化。在沸騰室上方裝有縱向隔板，其作用是防止氣泡長大。此外，因循環(huán)管不被加熱，使溶液循環(huán)的推動力較大。循環(huán)管的高度一般為78m，其截面積約為加熱管總截面積的200350%。因而循環(huán)管內(nèi)的流動阻力較小，循環(huán)速度可高達(dá)2 3m/s。 列文蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)速度大，傳熱效果好，由于溶液在加熱管中不沸騰，可以避免在加熱管中析出晶體，故適用于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液

15、。其缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，需要的廠房高。此外，由于液層靜壓力大，故要求加熱蒸汽的壓力較高。 上述各種蒸發(fā)器均為自然循環(huán)型蒸發(fā)器，即靠加熱管與循環(huán)管內(nèi)溶液的密度差引起溶液的循環(huán)，這種循環(huán)速度一般都比較低，不宜處理粘度大、易結(jié)垢及有大量析出 結(jié)晶的溶液。對于這類溶液的蒸發(fā)，可采用圖片所示的強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器是利用外加動力（循環(huán)泵）使溶液沿一定方向作高速循環(huán)流動。循環(huán)速度的大小可通過調(diào)節(jié)泵的流量來控制。一般循環(huán)速度在2.5m/s以上。 這種蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，對于粘度較大或易結(jié)晶、結(jié)垢的物料，適應(yīng)性較好，但其動力消耗較大。 特點(diǎn)特點(diǎn)：溶液以液膜的形式一次通過加熱室，不進(jìn)行循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：溶液停留時(shí)間短，故特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。 此類蒸發(fā)器主要有 a.升膜式蒸發(fā)器， b.降膜式蒸發(fā)器， c.刮板式蒸發(fā)器。 第五節(jié)第五節(jié) 傳熱過程和設(shè)備的強(qiáng)化與展望傳熱過程和設(shè)備的強(qiáng)化與展望1、研制開發(fā)新型高效蒸發(fā)器、研制開發(fā)新型高效蒸發(fā)器主要從改變加熱管表面形狀著手主要從改變加熱管表面形狀著手2、改善蒸發(fā)器內(nèi)流體的流動