第七章蒸发与结晶设备

第七章蒸发与结晶设备本章内容：蒸发操作设备：化工领域重要操作单元之一，在生物工业中广泛应用。结晶操作设备：获得纯净固体物质的重要方法之一。谷氨酸钠、柠檬酸、葡萄糖、核苷酸等。掌握内容：蒸发操作的基本原理；典型蒸发器的构造、特点、适用范围；单效蒸发的流程与工艺。第一节蒸发设备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。定义：蒸发操作目的：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。一、基本概念利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。第一节蒸发设备蒸发在工业生产中主要作用：（４）同时制取浓缩液和回收溶剂。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。（１）制取液体产品；（２）生产固体产品；（３）制取纯溶剂；(一)蒸发方式分类：1、按使用压力分类加压、常压、真空2、按蒸汽利用分类单效、多效、热泵3、按设备型式分类中央循环管式、夹套式、盘管式、刮板式4、按物料启动情况分类自然循环、强制循环、薄膜式第一节蒸发设备第一节蒸发设备（４）蒸发器的热损失减少。（１）沸点降低，加大传热温度差，增加传热推动力，过程强化；（２）适于热敏性溶液和不耐高温的溶液，减少或防止物质分解；（３）可利用二次蒸汽作为加热热源；采用减压或真空蒸发的优点：第一节蒸发设备蒸发设备的组成：蒸发器、冷凝设备、气-液分布器（又称除沫器）、真空系统等组成。第一节蒸发设备蒸发器是核心常见蒸发器的一些主要性能蒸发器形式制造价格传热系数溶液在管内的速度停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量能否适应物料的工艺特性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易产生泡沫易结垢有结晶析出热敏性水平管式最廉良好低-长能良好一般适适适不适不适不适中央循环管式最廉良好低0.1--0.5长能良一般适适适尚适稍适尚适外热式(自然循环)廉高良好0.4--1.5较长能良好较大适尚适较好尚适稍适尚适列文式高高良好1.5--2.5较长能良好较大适尚适较好尚适稍适尚适强制循环高高高2.0--3.5-能较高大适好好适适尚适升膜式廉高良好0.4--1.0短较难高大适尚适好尚适不适良好蒸发器形式制造价格传热系数溶液在管内的速度停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量能否适应物料的工艺特性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易产生泡沫易结垢有结晶析出热敏性降膜式廉良好高0.4--1.0短尚能高大较适好适不适不适良好刮板式最高高良好-短尚能高小较适好适适良好旋风式最廉高良好1.5--2.0短较难较高小适适适尚适适良好板式高高良好-较短尚能良好较小适尚适适不适不适尚适浸没燃烧廉高高-短能良好较小适适适适不适蒸发操作特点：第一节蒸发设备第一节蒸发设备二、常用蒸发设备循环式（非膜式）蒸发器单程型（膜式）蒸发器第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（1）单程型蒸发器---单流式蒸发器特点：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。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（1）单程型蒸发器①升膜式蒸发器1-蒸发器；2-分离器；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。料液低于沸点温度，进入加热管，管外通入蒸汽，加热料液，使其温度上升，传热方式为自然对流，不发生相变。料液温度升到沸腾时大量气泡产生，并分散在连续的液相中。两相流动开始，当气泡生成更多时，气泡碰撞汇合增大，而形成块状流。气泡进一步增大形成柱栓。柱栓被冲破而形成环状流动体系。管中央形成蒸汽柱，上升的蒸汽将料液在管壁四周啦拽成一层液膜，沿着管迅速上升。上升气速进一步增大，冲刷管壁上的液膜，而形成了雾沫夹带，在蒸汽柱内形成带有液体雾沫的喷雾流。热流量和蒸汽上升速度继续增加，环状液膜被进一步蒸发而变薄，甚至部分消失，会导致产生局部干壁现象。传热系数最大，工作状态最佳第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（1）单程型蒸发器②降膜式蒸发器1-蒸发器；2-分离器；3-液体分布器；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（0.05～0.45Pa·s）的溶液。不适于处理：易结晶、结垢的溶液。这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。升膜、降膜式蒸发器的比较升膜式蒸发器：成膜方便，不存在液体分配不匀的问题，但是不适合粘度大的液体浓缩降膜式蒸发器：成膜均匀度不如升膜式，适合粘度较高的物料浓缩。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（1）单程型蒸发器③升-降膜蒸发器预热室升膜加热室降膜加热室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、厂房有限制的场合第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度，操作稳定。根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器①中央循环管式蒸发器完成液二次蒸气料液冷凝水123451-外壳；2-加热室；3-中央循环管；4-蒸发室；5-除沫器加热蒸汽优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠；缺点：循环速度在0.4~0.5m/s以下、清洗和维修不方便。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器②悬筐式蒸发器1－外壳2－加热蒸气管3－除沫器4－加热室5－液沫回流罐优点：循环速度可稍大、易于检修、热损失小；缺点：结构复杂、单位传热面的金属消耗量大；适用：易结晶、结垢溶液的蒸发。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器③外加热式蒸发器1－加热室2－蒸发室3－循环管优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循环速度较快。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器④列文式蒸发器1-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室；5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室优点：气化在沸腾室进行、循环速度大，有利于减轻或避免加热管表面的结晶和结垢、传热效果好。缺点：温差损失大、设备庞大、消耗材料多、需要高大厂房。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备（2）循环型蒸发器④列文式蒸发器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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列文式蒸发器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。强制循环式蒸发器：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。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备3.刮板式蒸发器定义：是通过旋转的刮板使液料形成液膜的蒸发设备。结构：刮板、蒸发室、转动轴、轴承、轴封、夹套加热室、物料分配盘关键部件：刮板和内圆筒操作液料从进料管以稳定的流量进入随轴旋转的分配盘中，在离心力的作用下，通过盘壁小孔被抛向器壁，受重力作用沿器壁下流，同时被旋转的刮板刮成薄膜，薄膜溶液在加热区受热，蒸发浓缩，同时受重力作用下流。(a)固定刮板式（b)转子式1-夹套2-刮板图11-11刮板式蒸发器加热蒸汽加热蒸汽蒸汽完成液(a)料液二次蒸汽冷凝水完成液(b)1冷凝水冷凝水2料液二次蒸汽料液操作过程：物料进入蒸发器通过分配盘在离心力的作用下，被甩向器壁，沿壁下降，同时被旋转的刮板刮成薄膜，边浓缩边下流，在此过程中被不同的刮板翻动下推，并不断地形成新薄膜，直到料液离开蒸发器。二次蒸汽由蒸发器上面排出。刮板式蒸发器特点：这种蒸发器传热系数较高。结构简单。设备加工精度高。圆筒的直径一般不大。一般选择在300～500毫米为宜。蒸发器加热室的圆筒内表面必须经过精加工。轴要有足够的机械强度。蒸发器在离心力场的作用下具有很高传热系数。第一节蒸发设备二、常用蒸发设备4.离心式薄膜蒸发器第一节蒸发设备二、常用蒸发设备直接接触传热蒸发器直接接触传热(浸没燃烧)蒸发器气汽混合物燃料气空气出料进料14231-外壳2-燃烧室3-点火口4-测温管优点：结构简单，适用于易结晶、易结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。传热效果好，热利用率高。缺点：不适用于不可被烟气污染物料的处理，且二次蒸汽利用受到限制。第一节蒸发设备三、蒸发器附属设备（1）汽液分离器：第一节蒸发设备三、蒸发器附属设备(a)折流板式（b）球形捕沫器（c）丝网捕沫器（d）离心式分离器图11-13汽液分离器（c）是用细金丝，塑料丝等编成网带，分离效果好，压强降较小，可以分离直径小于10μm的液滴。（d）是蒸汽在分离器中作圆周运动，因离心作用将气流中液滴分离（a）是隔板式，（b）（c）（d）是旋风分离器，其分离效果较好。(a)(c)(b)(d)图11-14汽液分离器第一节蒸发设备三、蒸发器附属设备（2）冷凝与不凝气体的排除装置冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用气液直接接触的混合式冷凝器，如逆流高位冷凝器。真空装置：排除少量不凝性气体，维持蒸发所需要的真空度。水环式真空泵、喷射泵、往复式真空泵。第一节蒸发设备三、蒸发器的选型选型时应考滤以下因素：1．溶液的粘度蒸发过程中溶液粘度变化的范围，是选型首要考虑的因素2．溶液的热稳定性长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。3．有晶体析出的溶液对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外加热式蒸发器或强制循环蒸发器。第一节蒸发设备三、蒸发器的选型选型时应考滤以下因素：4．易发泡的溶液易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外加热式蒸发器、强制循环蒸发器或升膜式蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬筐蒸发器设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。5．有腐蚀性的溶液蒸发腐蚀性溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用直接接触式蒸发器。第一节蒸发设备三、蒸发器的选型选型时应考滤以下因素：6．易结垢的溶液无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有污垢生成。垢层的导热系数小，因此对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。7．溶液的处理量溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面积大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。第一节蒸发设备四、蒸发的应用与节能1、蒸发系统的节能技术（1）多效蒸发第一节蒸发设备四、蒸发的应用与节能1、蒸发系统的节能技术（2）二次蒸汽再压缩（热泵蒸发）热泵的形式：机械式热泵：消耗电能将低压蒸汽压缩为较高压力蒸汽。蒸汽喷射泵：利用高压蒸汽压缩低压蒸汽，得到较高压力的混合蒸汽第一节蒸发设备四、蒸发的应用与节能1、蒸发系统的节能技术（3）提高热量传递率第一节蒸发设备四、蒸发的应用与节能1、蒸发系统的节能技术（4）第一节蒸发设备五、多效蒸发123321123第一节蒸发设备六、蒸发设备设计计算1、单效蒸发的设计计算对于单效蒸发，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水分的蒸发量；②加热蒸汽消耗量；③蒸发器的传热面积。