《蒸发化工原理》PPT课件

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2 单程型(膜式)蒸发器 溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通
过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸 发器。
优点： •溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料 的蒸发； •整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度， 因而这种蒸发器的有效温差较大。
优点：结构简单，不需要固定的传热面， 热利用率高
适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的 溶液。
不适于处理能被燃烧气污染及热敏性的 溶液。
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（2）螺旋管蒸发器
在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部 流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由 于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中 可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中 产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪切力。为 此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施 加在沿管轴的流动上，这此作用可促进湍流并 强化高粘情况下的热传递。
适用于达到高浓度和高粘度。为获得高的蒸发 比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。
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7.2.2 蒸发器的选型
选型时，一般考虑以下原则： 溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重 要的因素。 高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降 膜式、刮板搅拌薄膜式等；
③溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸 点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需 要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。
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7.1.4 蒸发操作的分类
1.按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发
单效蒸发（single-effect evaporation）：将二次蒸气不再利用而直接 送到冷凝器冷凝除去的蒸发操作。 多效蒸发（multi-effect evaporation）：若将二次蒸气通到另一压力 较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（再生蒸气）的利 用率，这种蒸发操作称为多效蒸发。
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7.2.3 蒸发器的传热系数
（1）蒸发器的热阻分析 蒸发器的传热热阻可由下式计算
1 1
1
K
1
Ri
2
① 管外蒸汽冷凝热阻 1 一般很小，但须注意及时排除加热室中不 凝性气体，否则不凝性气体1在加热室内不断积累，将使此项热阻明显
增加； ② 管壁热阻 一般可以忽略；
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2.按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发
常压蒸发：设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽 可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小 批量的生产。
加压蒸发：可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用， 但要求加热蒸汽的压力较高。
减压蒸发： 沸点低 优点： (1) 传热温度差Δtm ↑； (2) 可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽 ； (3)可防止热敏性物料变质或分解 ； (4)沸点低，减少热损失。 缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备 适用于处理热敏性物料。
第7章 蒸发
Evaporation
7.1 概 述
7.1.1 蒸发的目的
利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性，将含 有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而 使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。
蒸发操作的目的： ➢获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品。
➢脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程
➢去除杂质。
（2）管内汽液两相流动形式
（3）管内沸腾给热
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常用蒸发器传热系数K的经验值
蒸发器的型式
总传热系数K, W / (m2K)
标准式（自然循环）
600～3000
标准式（强制循环）
1200～6000
悬筐式
600～3000
升膜式
1200～6000
降膜式
1200～3500
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降膜加 热室
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（4）刮板薄膜式蒸发器
它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板 ， 刮 板 端 部 与 加 热 管 内 壁 间 隙 固 定 在 0.75 ～ 1.5mm之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分 布在加热管内壁面上。
溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和 旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转下降 的液膜，在下降过程中通过接收加热管外加热蒸 汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发，底部得到 完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷 凝器。
缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小， 处理能力低。 适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液
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3 其它蒸发器
（1）直接加热蒸发器（浸没燃烧式）
将一定比例的燃烧气与空气直接喷入 溶液中，燃烧气的温度可高达1200～ 1800℃，由于气、液间的温度差大，且气 体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅 速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由 顶部排出。
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7.2.4 蒸发器的辅助设备
1 除沫器（汽液分离器）
蒸发操作时产生的二次 蒸汽，在分离室与液体分离 后，仍夹带大量液滴，尤其 是处理易产生泡沫的液体， 夹带更为严重。为了防止产 品损失或冷却水被污染，常 在蒸发器内（或外）设除沫 器。
图中（a）～（d）直 接安装在蒸发器顶部，（e ）～（g）安装在蒸发器外 部。
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③ 管内壁液一侧的垢层热阻Ri取决于溶液的性质及管内液体的运动 状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度， 或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入 少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出；
1
④ 管内沸腾给热阻 2 主要决定于沸腾液体的流动情况。
缺点：
设备费高 厂房高，耗用金属多
适于处理有晶体析出或易结垢的溶液
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（5）强制循环型蒸发器
在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方 向以较高的速度循环流动。 优点：
✓循环速度高 ✓晶体不易粘结在加热管壁 ✓对流传热系数高
缺点：
动力消耗大 对泵的密封要求高 加热面积小
适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的 溶液。
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2 冷凝器 冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷
凝器有间壁式和直接接触式两种。 3 疏水器 将冷凝水及时排走，防止蒸汽由排出
管逃逸 机械式、热膨胀式、热动力式
4 真空装置 当蒸发器在负压下操作时，无论采
用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装 真空装置。常用的真空装置有喷射泵、 水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵 等。
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（3） 升－降膜式蒸发器
蒸发器由升膜管束和降膜管束组 合而成，蒸发器的底部封头内有 一隔板，将加热管束分成两部分。 溶液由升膜管束底部进入，流向 顶部，然后从降膜管束流下，进 入分离室，得到完成液。
适于处理浓缩过程中粘度变化大 的溶液、厂房有限制的场合
升膜加 热室
预热室
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（2）降膜蒸发器
溶液预热后由加热室顶部 加入，经管端的液体分布器均 匀分配在各加热管内，在重力 作用下沿管内壁呈膜状向下流 动，并进行蒸发。汽液混合物 从管下端流出，在分离器内进 行汽液分离后完成液由分离室 底部排出。
适于处理：浓度高、粘度较大（0.05～0.45 Pa·s）的溶液。 不适于处理：易结晶、结垢的溶液。
热源
水蒸气
蒸发产生蒸汽 水蒸气
加热蒸汽 二次蒸汽
3
7.1.3 蒸发操作的特点
①溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度 下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸 点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温 度差的降低。
②能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸气。 因此需要考虑热量的利用的问题。
溶剂S
溶剂S 溶质A（不挥发）
加热
被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而 工业上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液 的蒸发。
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7.1.2 蒸发流程
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蒸发流程的两个必要的组成部分：
➢加热溶液使溶剂汽化—蒸发器 ➢不断除去气化的蒸发溶剂—冷凝器
二次蒸汽
料液 加热蒸汽
中央循环管
优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠 缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗 适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液
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（2）悬筐式蒸发器
加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可 由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室， 在管间放热加热管内溶液使其上升，而沿悬筐外 壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。 优点：
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3.按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发
间歇蒸发 :一次加料→最终出料或连续加料 维持液面，一次出料。 溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多
品种的场合。 连续蒸发:连续进料，连续出料。稳定操作，适于大规模的生产过程。
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7.2 蒸发设备
热系数提高； ✓ 结垢程度小。
适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液
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蒸发室
加
热
循环
室
管
（4）列文蒸发器
特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室 中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上 升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液 在加热管中结垢或析出晶体。 优点：
流动阻力小 循环速度高 传热效果好 加热管内不易堵塞
有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬 以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。
易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的 导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度 大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。
溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。处理量小 的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸 发。
由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型和强制循环型两类。
自然循环型：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动 。
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（1）中央循环管式(标准式)蒸发器
加热蒸汽：加热室管束环隙内 溶液：加热室管束及中央循环管内， 受热时，由于中央循环管单位体积 溶液受热面小，使得溶液形成由中 央循环管下降，而由其余加热管上 升的循环流动。
用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。
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（1） 升膜蒸发器
原理：溶液预热到接近沸点时由 蒸发器底部送入，进入加热管时 立即受热沸腾汽化，溶液在高速 上升的二次蒸汽带动下，沿管壁 边呈膜状向上流动边蒸发。到达 分离室后，完成液与二次蒸汽分 离后由分离室底部排出。
✓ 适于处理蒸发量较大的稀溶 液，热敏性和易生泡沫的溶液； 不适于浓度高、粘度大、有晶 体析出溶液的蒸发。
溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时 间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器
有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在 加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、 强制循环蒸发器
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易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应 选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强 制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。
蒸发设备
ห้องสมุดไป่ตู้
蒸发器 辅助设备
加热室
分离室
除沫器（汽液分离器）
冷凝器
疏水器 真空装置
用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器
蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去， 由加热室和分离室两部分组成。
冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。
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7.2.1 蒸发器
按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循环型和 单程型(不循环)。 1 循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶 液浓度接近于完成液浓度。
➢溶液循环速度高，改善了管内结垢情况 ➢传热速率较高
缺点：
➢设备费高 ➢占地面积大 ➢加热管内溶液滞留量大
适于处理易结垢，有晶体析出的溶液
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（3）外热式蒸发器 这种蒸发器将加热室与分
离室分开，采用较长的加热管。
优点： ✓ 降低了整个蒸发器的高度，
便于清洗和更换； ✓ 循环速度较高，使得对流传