第12章 蒸发与结晶设备

第12章蒸发与结晶设备第1节蒸发设备一、蒸发概述1、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）浓缩溶液至饱和状态，用于结晶操作以获得固体溶质。（3）除杂质，获得纯净的溶剂。2、分类（1）按蒸发操作压力分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。（2）按二次蒸汽利用情况分为：单效蒸发和多效蒸发。单效蒸发：将所产生的二次蒸汽不再利用，而直接送冷凝器冷凝以除去的蒸发操作产生的蒸汽。多效蒸发：将多个蒸发器串联，将产生的二次蒸汽通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。3、多效蒸发流程并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。并流流程逆流流程二、蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。（一）蒸发器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；操作稳定。1、循环型蒸发器根据引起循环运动的原因不同，可分为自然循环型和强制循环型两类。（1）中央循环管式（垂直短管式）结构：如图所示。1、循环型蒸发器工作原理：中央粗管内溶液受热慢，密度大，下行；周围细管内溶液受热快，密度小，上行；循环流动的速度可达0.1～0.5m/s。（2）外热式蒸发器结构：如图所示。其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比50～100），且液体下降管（又称循环管）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。优点：循环速度大（2～3.5m/s），；可用于蒸发粘度大，易结晶结垢的物料；传热系数较大。缺点：能耗大。（3）强制循环式蒸发器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。形成的液膜与蒸汽流的方向相同，由下而上的并流上升。适用于蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液；不适用于较浓溶液、高粘度、易结晶、结垢的溶液。（1）升膜式蒸发器（2）降膜式蒸发器形成的液膜与蒸汽流的方向相同，由上而下的并流下降。由蒸发器、分离器、液体分布器组成。适用于浓度较高，粘度较大的物料；不适用于易结晶的物料。（3）刮板式薄膜蒸发器①结构如图所示。②工作原理：料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。二次蒸汽从上端抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。③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。④应用：适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发。3、二效升降膜式蒸发器结构：主要由升膜蒸发器、降膜蒸发器、分离器及高位计量罐、预热器等组成。应用：可用于多泡沫性料液的浓缩。（二）辅助设备蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。1、除沫器（1）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、污染冷凝液和堵塞管道。（2）类型常用的除沫器有两类：①蒸发器内除沫器：直接安装在蒸发器顶部。由于结构形式不同而有折流板式、球形、离心式、丝网除沫器四种。②蒸发器外除沫器：安装在蒸发器的外部。其形式有：隔板式除沫器、旋风式除沫器。第2节结晶设备一、结晶的过程和基本原理1、结晶的过程溶质从溶液中结晶出来，要经历两个步骤：晶核形成：首先要产生微观的晶粒作为结晶的核心，这个核心称为晶核。晶体成长：晶核形成后，晶核长大，成为宏观的晶体，这个过程称为晶体成长。2、结晶的动力成核过程和晶体成长过程，都以溶液的过饱和度作为推动力。3、成核形式成核可分为三种形式：初级均相成核、初级非均相成核及二次成核。二次成核：在溶液中含被结晶物质晶体的条件下出现的成核。二次成核主要是接触成核，在工业结晶器中的成核大都属于接触成核。4、工业结晶方法（1）不移除溶剂的结晶法亦称冷却结晶法。适用于溶解度随温度降低而显著下降的物系。（2）移除部分溶剂的结晶法又分为蒸发结晶法和真空冷却结晶法。适用于溶解度随温度变化不大的物系。（3）盐析结晶法（改变溶质溶解度结晶法）是通过物系中加入某些物质达到降低溶质溶解度的目的，从而使溶质结晶析出的方法。二、常用结晶设备（一）不移除溶剂的结晶器——冷却式结晶器1、搅拌式结晶器在敞槽或结晶釜中安装搅拌器，使结晶器内温度比较均匀，晶体虽小但粒度较均匀，可缩短冷却周期，提高生产能力。按照料液循环形式分为内循环式和外循环式。1-电动机；2-进料口；3-冷却夹套；4-挡板；5-减速器；6-搅拌轴；7-搅拌器2、长槽搅拌式连续结晶器（1）结构主体是一敞口或闭式的长槽，底部半圆形。槽外装有水夹套，槽内则装有长螺距低速螺带搅拌器。全槽常由2～3个单元组成。1—结晶槽；2—水槽（冷却水夹套）3—搅拌器；4，5—接管（2）工作原理热而浓的溶液由结晶器的一端进入，并沿槽流动，夹套中的冷却水与之作逆流流动。由于冷却作用，若控制得当，溶液在进口处附近即开始产生晶核，这些晶核随着溶液流动而成长为晶体，最后由槽的另一端流出。（3）特点结构较简单，节省地面和材料，可以连续操作，生产能力大，体力劳动少；产生的晶体粒度均匀，大小可调节。适用于葡萄糖、谷氨酸钠等卫生条件较高、产量较大的结晶。3、直接接触冷却结晶器（1）特点：冷却剂与晶浆直接接触，避免冷却表面结垢及结垢导致的换热器效率下降。（2）常用的冷却介质：惰性的液态烃类，如乙烯、氟里昂等。（3）类型：釜式、回转式、湿壁塔式（4）回转式直接接触冷却结晶器①结构：如图所示。它的主体是一回转圆筒，略呈倾斜，筒内装有挡板。其他部件有电动机、减速器、风机、连续离心机、排气筒等。②工作原理：待结晶的溶液与冷空气在筒内逆向流过，在筒内挡板作用下升举并淋洒于冷空气中，以扩展冷却表面，从而降温结晶，冷却后的晶浆在离心机作用下分离出晶体。（二）移除部分溶剂的结晶器1、真空冷却结晶器（1）工作原理真空冷却结晶器是将热的饱和溶液加入一与外界绝热的结晶器中，由于器内维持高真空，故其内部滞留的溶液的沸点低于加入溶液的温度。这样，当溶液进入结晶器后，经绝热闪蒸过程冷却到与器内压力相对应的平衡温度。（2）连续式真空结晶器①结构：如图。主要包括蒸发锅、冷凝器、循环管、进料循环泵、出料泵、蒸汽喷射泵等。②特点——优点：构造简单，生产能力大，操作控制较容易。——缺点：必须使用蒸汽，冷凝耗水量较大，操作费用和能耗较高。