第八章蒸发-制药工程原理与设备

8蒸发8.1概述8.2单效蒸发8.3多效蒸发8.4蒸发器的生产能力、生产强度及校数的限制8.5蒸发设备8.1概述（1）定义：利用溶质和溶剂挥发度的差异，将溶液加热至沸腾，使其中的部分溶剂汽化并被移出，而溶质则不挥发，以提高溶液中溶质浓度的操作。（2）蒸发操作的目的①获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。②脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。③除杂质，获得纯净的溶剂。8.1概述（3）蒸发操作的特点传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。②溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度、挥发性风味物质等。③沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。8.1概述（4）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。（5）分类①按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。②按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。8.1概述减压（真空）蒸发的特点1）溶液沸点降低，增大了传热温差；2）操作温度低，不易结焦，并减少热损失3）适用热敏性溶液；4）利用低压（废热）蒸汽。缺点：1）μ↗、α↙、K↙；2）减压装置、能耗。8.2单效蒸发7.2.1单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：①分的蒸发量；②热蒸汽消耗量；③发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。8.2单效蒸发1单效蒸发的流程8.2.1单效蒸发的计算（1）水分蒸发量单位时间内从溶液中蒸发出来的水分量，kg/s。溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即12()FwFWw12(1)wWFw12FwwFW水分蒸发量：完成液的浓度：8.2.1单效蒸发的计算（2）加热蒸汽消耗量当加热蒸汽所放出的热量主要用于三个方面：1)水分气化所需的潜热；2)溶液升温至沸点时所需的显热；3）蒸发器的热损失。1221pmLDrWrFCttQ式中——加热蒸汽消耗量，kg/s；t1、t2——原料液与完成液的温度，℃；——加热蒸汽和二次蒸汽的气化潜热，kJ/kg。Cpm——原料液的平均比热容，KJ/(kg.℃)式中热损失可视具体条件来取加热蒸汽放热量的某一百分数。D12rr，LQ（3）（2）单效蒸发的计算利用上式求取加热蒸汽的消耗量：若原料液在沸点下进料，QL忽略不计，则：2211pmLWrFCttQDr21WrDr单位蒸汽的消耗量：每蒸发1kg水分所消耗的蒸汽量，即：eDW沸点进料，e≈18.2.1单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算由传热速率方程得mQSKt式中——蒸发器传热面积，m2；——传热量，w；——传热系数，w/m2·K；——平均传热温差，K。SQKmt（3）蒸发器传热面积的计算由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，，且蒸发器的热负荷，所以有tTt0m1QDr2211pmLmmWrFCttQDrSKtKtosomiisiiaRddbddRddaK1110000蒸发器的总传热系数可用传热的知识计算，若以外表面为基准，则：垢层热阻值可按经验数值估算。管外侧的蒸气冷凝传热系数可按膜式冷凝传热系数公式计算，管内侧溶液沸腾传热系数则按管内沸腾传热系数关联式计算。8.2.2蒸发设备中的温度差损失在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，可近似按恒温传热处理。故在计算传热面积时，应按最小温差计算，即由完成液的沸点按下式计算：2mstTt式中Ts——加热蒸气的饱和温度，℃；t2——完成液的沸点，℃。例：在单效薄膜式蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到28%。番茄汁已预热到最高许可温度60℃后进料。采用表压为70kPa的饱和水蒸气加热。设蒸发器传热面积为0.4m2，传热系数1500W/(m2·K)。试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。解：表压为70kPa，则绝对压强为171.3kPa。在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度为114.5℃，汽化潜热为2210kJ/kg，由传热速率公式：Q＝S0K0Δt＝1500×0.4×(114.5-60)＝32700W则蒸汽消耗量为：D＝Q/r＝32700/(2210×103)＝0.0148kg/s＝53.3kg/h查得60℃下水的汽化潜热为2340kJ/kg，则蒸发量为：W＝Q/r′＝32700/(2340×103)＝0.014kg/s＝50.3kg/h原料液流量为：1250.388/1w/112/28WFkghw8.3多效蒸发8.3.1多效蒸发原理多效蒸发要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，仅第一效需要消耗生蒸汽。利用二次蒸汽的潜热提高了生蒸汽的利用率，即经济性。8.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）效数单效双效三效四效五效理论最小值11/21/31/41/5实际最小值1.10.570.40.30.27表1单位蒸气消耗量强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。8.3.2多效蒸发流程多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见有：并流：溶液与蒸汽的流向相同。逆流：溶液与蒸汽的流向相反。平流：原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。8.3.2多效蒸发流程（1）并流流程8.3.2多效蒸发流程缺点：料液浓度逐渐增高，而操作温度依次降低，易引起后效的溶液黏度偏高，传热效果降低。优点：在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。8.3.2多效蒸发流程（2）逆流流程8.3.2多效蒸发流程（2）逆流流程料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系数较大。各效进料温度均低于沸点，故产生的二次蒸汽量较少。缺点：（1）各效间需用泵输送；（2）无自蒸发；8.3.2多效蒸发流程（3）平流流程8.3.2多效蒸发流程（3）平流流程原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。8.3.3蒸发过程的节能措施（1）多效蒸发（2）冷凝水热量的利用（3）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（4）额外蒸汽8.4多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制（1）生产能力和生产强度蒸发器的生产能力可用单位时间内水分总蒸发量W来表示，生产强度为单位传热面积的蒸发量（），多效蒸发的总有效传热温差要低于单效蒸发的总有效传热温差，因此，生产能力低。而传热面积又为单效蒸发的n倍，因此，多效蒸发的生产强度通常为单效蒸发的1/n。AWu多效蒸发效数的限制（2）多效蒸发效数的限制效数增多，加热蒸汽经济性提高，而总有效传热温差将减小，设备的生产强度降低，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。8.5蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备8.5.1蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。（1）循环型蒸发器①中央循环管式蒸发器（1）循环型蒸发器②外热式蒸发器热式加热室与蒸发室分开（1）循环型蒸发器列文式蒸发器（2）单程型蒸发器①升膜式蒸发器（图7-5）适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。（2）单程型蒸发器②降膜式蒸发器（图7-6）适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，不高。（2）单程型蒸发器③刮片式蒸发器（图7-8）特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力8.5.2辅助设备蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。8.5.3蒸发器的选型蒸发器选型的基本原则：1)满足生产工艺要求，保证产品质量；2)生产能力大；3)结构简单，操作和维修方便；4)加热蒸汽消耗量小。此外，还应考虑物料的性质变化：1)物料的黏度；2)物料的结晶或结垢性能；3)物料的热敏性；4)物料的处理量；5)物料的腐蚀性、发泡性等。