蒸发浓缩所用设备工艺流程和工艺计算培训教材

离心式薄膜蒸发器1
过程——转鼓内设置多层由上、下碟片所构 成的空心夹层，夹套内通入加热蒸汽，原料 液由送料管经分配装置而喷洒到每一夹套的 上表面，夹套随转鼓旋转，离心作用使得料 液分布成0.1mm的薄层液膜，得以快速蒸发， 夹层内加热蒸汽释放潜热后冷凝水汇集到排 出管，而浓缩液由离心作用进入收集槽经浓 缩液排出，二次蒸汽汇集到外壳处的排气管 排出。
f ——温度校正系数。
——操作压强下二次蒸汽的温度， ℃；
——操作压强下二次蒸汽的气化潜 热，kj/kg。
溶液的蒸汽压下降引起的沸点 升高值 2
估算方法之二：杜林直线法。
与某种标准溶液沸点相比，溶液的沸点与 该标准溶液沸点呈直线关系。所以，已知 两者在两个操作压强下的各自沸点值，可 作出一条直线，以直线为准，当知道标准 溶液的特定操作压强下沸点值时，可以查 出同一压强时的溶液沸点。
一般以水为标准溶液。如下图。
温度差损失例题1
对20%NaOH水溶液，求下面各项。 1.查图求101.33kPa压强下该溶液的沸点
。 2.分别利用系数校正法和杜林直线法求
50kPa压强下因溶液蒸汽压下降而引起 的温度差损失。（ 50kPa下，水的沸点 为81.2℃，气化潜热为2304.5kj/kg） 。
蒸发基本概念2
根据蒸发流程中，二次蒸汽冷凝时释放 的热量是否再应用于蒸发流程，蒸发工 艺分为：
单效蒸发：二次蒸汽直接用冷凝器冷凝， 其热量不再应用于蒸发操作。
多效蒸发：多台（也称效）蒸发器串联操 作，前一台蒸发器的二次蒸汽被送入下一 台蒸发器的加热室，以作为下一台蒸发器 的热源。该法更节能、经济。
溶液的蒸汽压下降引起的沸点 升高值 1
蒸汽压下降：溶液中存在着不具挥发性 的溶质，与纯溶剂相比，溶液的挥发性 降低，在相同操作压强下，溶液沸点比 纯溶剂沸点要升高。
估算方法：
校正系数法：用公式
估算。
——操作压强下的沸点升高值；
——常压下的沸点升高值；
溶液的蒸汽压下降引起的沸点 升高值 2
疏水阀（疏水器）1
作用：阻汽排液（在蒸发操作中，阻止 加热蒸汽排出，而只排送冷凝水）。
类型：
机械式——依靠蒸汽疏水阀内凝结水液位 高度的变化而动作 。有：浮子式、浮球式 。
热静力型——依靠液体温度的变化而动作 。有：双金属片式、蒸汽压力式；
疏水阀（疏水器）类型2
热动力型——依靠液体的热动力学性质(指 流速和压强）的变化而动作。如：圆盘式 、脉冲式。
分。 加热室：完成对溶液的加热并使溶剂部分气化。 分离室：将二次蒸汽中夹带的液滴沉降分离。
蒸发基本概念1
加热蒸汽：蒸发器的热源蒸汽，由蒸汽 锅炉产生。也称新鲜蒸汽。
二次蒸汽：溶剂气化而形成的蒸汽。
该部分蒸汽必须不断地被移除出蒸发器， 以避免在蒸发器内形成气液平衡，导致蒸 发操作无法继续进行。所采用的移除方法 是：冷凝。
圆盘式：由于在相同的压力下，液体与气体的 流速不同，产生不同的动、静压力，驱使圆盘 阀片动作 。
蒸发器选用考虑因素（依溶液 性质）
粘度：首选考虑。 热敏性：膜式适用。 结晶：外热式、强制型、刮板薄膜式、列文
型。 易发泡：外热式、强制型、升膜式。 有腐蚀性：材质考虑。 易结垢：循环速度高或易清洗。 溶液处理量：刮板薄膜式传热面积10 m2以下
蒸发与一般传热的区别； 溶液浓度的升高,将导致其物理性质变化—腐蚀性增强,粘
度增大,易结晶结垢,有时产生泡沫,有些溶液有热敏性； 相对于纯溶剂，溶液中含有不挥发性的溶质，其蒸汽压要
更低，在一定操作压强下，沸点比纯溶液要更高。
节能：蒸发过程要消耗大量热能，但也产生温度较高的二次蒸汽 和冷凝水，合理回收二者能量有助于节能。
受液灌回收有机溶媒。 采用真空操作，浓缩时间短。
单程型(膜式)蒸发器
原理：采用传热效果最佳的薄膜流动传 热,溶液流经加热管只一次,且时间极短 （一般为几秒到十几秒），即达到浓缩 要求，故特别适合于热敏性物料的浓缩 。
常用类型：升膜、降膜、升-降膜、刮 板薄膜式、离心薄膜式。
升膜蒸发器
温度差损失例题3
在单效蒸发器中将某种水溶液从10%浓 缩到30%。加热蒸汽为105 ℃的饱和蒸 汽，冷凝器内温度为59℃。液层深度为 2m，溶液平均密度为1080 kg/m3 。已 知常压下溶液因蒸汽压下降而引起的温 度差损失为4 ℃ 。试求：⑴总温度差 损失；⑵有效温度差；⑶溶液沸点。
单效蒸发工艺计算1
原料预热至达到或接近沸点，在加热室内 膜状流动（传热效果最好）。
预热原因：使溶液一到达加热管即能产生 大量蒸汽，对溶液上升形成抽吸作用。
适用于：蒸发量大的稀或粘度低的溶液 ，有热敏性或易生泡的溶液；但：粘度 高，有晶体析出或结垢情况不适。
降膜蒸发器
适用于：粘度较大、但不是非常大的热 敏性物料；易结晶，结垢溶液不宜。
通过降膜分布器（三种常用）产生膜状 流动。
升-降膜蒸发器
同一加热室内一分为二——先升后降， 原料需预热。
适用于：粘度随浓度改变而变化较大的 溶液或厂房高度受限场合。
刮板薄膜蒸发器
原理：利用外在装置（刮板），外在动 力布膜。
适用于：粘度特高，易结晶，结垢的热 敏性物料。但传热量小，处理量小，需 额外耗能。
计算式：
上两式： ——液层中部压强下水的沸点 ；
——液面处的水的沸点，即二次蒸汽温 度。
温度差损失例题2
在中央循环管式蒸发器内，蒸发25% CaCl2水溶液，已测得二次蒸汽的绝对 压强为40kPa。加热管内液层深度为 2.3m，溶液平均密度为1200 kg/m3 。 试求因溶液液柱静压强引起的温度差损 失△’’ ，同时求算出溶液的沸点。
不可忽略。所以此时热量需要用专门的焓 -浓图得到。（如下页）
加热蒸汽消耗量D计算3
浓缩热可以忽略时，溶液的焓将只是其 温度和浓度的函数值，即：
加热蒸汽消耗量D计算4
将以上关系代入前述公式，并做适当简 化，得：
上式表明：蒸发热量被用于水分气化、加 热原料到沸点、热损失。
中央循环管式蒸发器1
加热室设置中央粗管和周围细管目的— 使溶液在两种管内因受热程度(最终为 汽化分率)出现差异,密度出现差异,形 成溶液内部的自然循环流动。
中央循环管式蒸发器2
任取一根管子考察单位体积溶液所具有 的传热面积S和溶液体积量V、管子内径 d的关系。
标准（中央循环管型）蒸发器3
减压蒸发：操作压强低于大气压下的蒸发操 作。也称减压浓缩、真空蒸发、真空浓缩。 效果：
溶液沸点低，适用于热敏性物料的浓缩，可用低 温热源（即低压蒸汽或废蒸汽）；采用高温热源 则可提高传热温度差。
但溶液粘度大，传热效果变差，且需增设真空泵 。
蒸发与一般传热的区别
虽然也为传热过程，但蒸发有别于一般传热，表现 为四点：
二次蒸汽流动阻力而引起的温 度差损失
二次蒸汽在流入到冷凝器的管道内流动 ，由于有流动阻力，使蒸汽压强降低， 从而使蒸汽温度降低，此温度降低值部 分为 。
一般依经验值估算，效间流动取为 =1℃ ，末效到冷凝器取： =1.5 ℃。
总温度差损失
综上，从冷凝器到蒸发器液层中部，总 温度差损失为：
单效蒸发流程说明
上图为单效蒸发流程。 过程：加热蒸汽被送入蒸发器加热室的
管间，溶液在管内流过，由加热管壁面 传热而使溶液沸腾，浓缩液连续不断从 蒸发器底部排出。二次蒸汽由真空管吸 入冷凝器冷凝，其中夹带的不凝性气体 经分离器、真空泵而排出。
蒸发基本概念3
蒸发操作可在加压、常压或减压下进行，最 常用的是减压蒸发。
。若需20 m2以上，则选用多效。
溶液的沸点升高及来源
沸点升高—指溶液和纯溶剂在相同操作压强 下的沸点差值。
与纯溶剂相比,在相同的操作压强下,溶液的沸点 将更高，又称温度差损失。将使传热平均温度差 下降。
来源于三个方面:
溶液的蒸汽压下降; 加热室液柱静压强； 蒸汽流动阻力。
计算已知条件:
加热蒸汽的温度T(或压强P)； 原料液的流量F、进料温度 和浓度 ； 浓缩液的出料温度 和浓度 。 蒸发器的操作压强 。
单效蒸发工艺计算2
工艺计算项:
水分蒸发量W—据物料衡算; 加热蒸汽消耗量D—据热量衡算; 蒸发器的传热面积S—据换热器传热速率.
易清洗。 适用于：蒸发时有少量晶体析出的溶液。
外热式
加热管较长，循环管内的溶液未受蒸汽 加热，其密度较加热管的大。循环速度 为1.5 m／s。
适用于有少量晶体析出的溶液蒸发。
列文式蒸发器1
结构特点：在加热室的上部设置了一段 2~3m长的空白圆筒，由此附加液柱高度 而形成的相对高压，使加热管内的溶液 虽然受热程度较高（温度较高），但并 不沸腾，溶液只有上升到空白圆筒段后 ，才达到沸腾状态，可避免易结晶溶液 的晶体在加热管表面析出而结垢。
适用：易结晶溶液的浓缩。
列文式蒸发器2
缺点：空白圆筒段设置增加了加热、沸 腾段的总体高度，也使循环管高度达到 了7~8m，虽使溶液的循环速度增至23m/s，但厂房需有足够的高度，且设备 庞大，耗材多，造价高。
强制循环型
利用外加动力（泵）形成溶液循环流动 ，循环速度为2~5 m／s。
中央循环管受热差，汽化率低，溶液密 度大，故溶液下降。周边细管受热好， 汽化率高，溶液密度小，故溶液上升。 中央循环管面积为加热管总截面积的 40%~ 100%，由此形成循环，速度为 0.4~0.5m／s。
蒸发器加热室不易清洗。 适用于处理结垢不严重，腐蚀性较小的溶
液。
悬筐式
对中央循环管型的改进，环隙截面积是 沸腾管的100%~150%，溶液循环速度为 1~ 1.5m／s。