蒸发系统的工艺设计及应用

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河南科技2011.03下

蒸发系统的工艺设计及应用

黎明化工研究院 王生辉 黄晓宇 王 波 张惠平

在化工生产中常采用蒸发操作来获得浓缩溶液或脱除杂质，以制取纯净的溶剂及产品。蒸发操作可连续或间歇进行，工业上大量物料的蒸发通常是连续的定态过程。本文，笔者着重介绍连续的蒸发过程。典型的蒸发装置常采用的溶液浓缩系统流程如图1所示。

图 1　溶液浓缩系统流程

一、蒸发操作的特点

化工生产中采用蒸发操作的目的有：获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品；借蒸发以脱除溶剂，通过结晶的联合操作以获得固体溶质；脱除杂质，制取纯净的溶剂。

尽管蒸发操作的目的是分离物质，但其过程的实质是热量传递而不是物质传递，溶剂汽化的速率取决于热传递速率，蒸发操作仍属于传热过程。但是，蒸发操作是含有不挥发溶质的溶液的沸腾传热，它具有某些不同一般换热过程的特殊性。

浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质形成垢层，使传热过程恶化； 溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊要求。例如，当蒸发物料的溶质是热敏性物料或蒸发物料的溶剂是易燃易爆、有毒物质时，在高温下停留时间过长会引起溶质变质或增加溶剂散发至周围环境中引发爆炸、中毒的危险，应设法减少物料在蒸发器中的停留时间或通过降低蒸发操作压力来降低蒸发温度。某些溶液增浓后黏度大为增加，会使沸腾传热的条件恶化，应使用特殊结构的蒸发器。 溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此节能是蒸发操作需要考虑的重要问题。

二、蒸发设备及其设计选型

1.蒸发设备。蒸发器有多种结构形式，均由加热室、流动（或循环）通道、气液分离空间3部分组成。蒸发器按操作方式可分为单效蒸发器、多效蒸发器、蒸汽压缩蒸发器、闪蒸蒸发器和直接接触蒸发器等；按流体循环方式可分为不循环型、自然循环型、强制循环型和刮膜式蒸发器等。

2.蒸发器的设计和选型要点。

（1）管壳式蒸发器。管壳式蒸发器是最早的结构型式，包括垂直短管、垂直长管、倾斜管和强制循环等，用于100 MPa·s以下的低黏度液体以及蒸发污垢不多的液体，通常在大于6.7kPa的压力下操作。立式外部加热强制循环蒸发器适用于黏度较高且污垢附着少的发泡性液体，管内流速约为3m/s，泵功率为37~74W/m 2传

热面，其总传热系数约为4 200~21 000KJ/(m 2·h·℃)。升膜蒸发器可按立式热虹吸式再沸器进行计算。其蒸发时间短，适用于热敏性高的液体，不适宜于处理黏度大于50 MPa·s、易结晶、结垢的溶液。降膜式蒸发器应在管内形成均匀膜，形成均匀膜的条件是液体的Re数在2 000以上，可以用于蒸发黏度较大的物料（50~450 MPa·s），但不适宜处理易结晶的溶液。

（2）刮膜式蒸发器。刮膜蒸发器包括垂直型和水平型，比管壳式的投资大，可处理100 Pa·s的液体，停留时间只有几秒，操作压力为40~10 000Pa（表压），适于热敏性料液、浓缩固体悬浊液、发泡性液体及易生成污垢的液体，但刮膜蒸发器结构复杂，制造要求高，且需消耗一定的动力，其传热系数为2 000~3 500W/(m 2

·K)。

（3）离心薄膜式蒸发器。离心薄膜式蒸发器离心力可为重力的2 000倍左右，可形成0.1mm的薄膜，停留时间在1s左右，特别适于蒸发热敏性物料，但被蒸发物料的黏度被限制在200cP以下，可以在超低压下（0.13~1.3 Pa）操作，其传热系数和刮膜式相同。

（4）多效蒸发。多效蒸发的目的是为了改善蒸发操作的经济性，多效蒸发可分为并流、逆流、平流3种。

并流加料蒸发过程如图2所示。此时物料与二次蒸汽同方向相继通过各效，由于前效压强较后效高，料液可藉此压强差自动流向后一效而无需泵输送。在多效蒸发中，最后一效常处于负压下操作，完成液的温度较低，系统的能量利用较为合理。但对于并流加料，末效溶液浓度高、温度低、黏度大，传热条件较差，往往需要较前几效更大的传热面。

图 2 并流加料三效蒸发流程

逆流加料蒸发过程如图3所示。此时料液与二次蒸汽流向相反，各效的浓度和温度对液体黏度的影响大致相消，各效的传热条件大致相同，逆流加料时溶液在各效之间的流动必须用泵输送。

图 3

逆流加料三效蒸发流程

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平流加料蒸发过程如图4所示，此时二次蒸汽多次利用，但料液每效单独进出，此种加料方式对易结晶的物料较为适合。在多效蒸发中，由生产任务规定的总蒸发量分配于各个蒸发器，但只有第一效才使用加热蒸汽，故加热蒸汽的经济性大为提高。

图 4　平流加料三效蒸发流程

3.蒸发器的设计选型步骤。

（1）选用蒸发器型式。蒸发器的型式应综合考虑蒸发物料的特性，如黏度、沸点、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢或盐析、泡沫、黏附或胶体型等，并结合工艺要求确定蒸发器型式。

（2）确定蒸发工艺流程。首先应明确蒸发操作目的，是溶液的浓缩、溶液增浓至饱和结晶析出固体产物或脱除杂质获得纯净的溶剂，化工装置中通常采用真空蒸发降低溶液的沸点，提高传热温差，还可使热敏性物质免遭破坏，但是溶液沸点的降低使黏度增大，传热系数有所降低，真空操作需添加真空设备费用和一定的动力费，也是它的缺点。蒸发流程应考虑设备费用、操作维护费用、能量消耗等因素确定。图1所示为碱液在真空条件下的浓缩工艺流程。

（3）单效蒸发计算。连续定态单效蒸发过程如图5所示。

图 5　单效蒸发计算

物料衡算：因溶质在蒸发过程中不挥发，单位时间进入和离开蒸发器的数量相等，即

F·X 0＝（F-W）·X

F—溶液的加料量，kg/s；W—溶剂蒸发量，k g/s；

X 0、X—料液与完成液（产物）的浓度，质量分率。溶剂蒸发量：

W＝F·（1－X 0/ X）。

热量衡算：对蒸发器做热量衡算，可得：D·r 0＝F·C 0·（t 0－t）+W·r＋Q 损。

r 0、r—蒸汽与溶剂的蒸发潜热（kJ/kg）；t 0、t—加料液与完成液的温度（℃）；

D、T 0—加热蒸汽的蒸汽量与蒸汽温度（kg/s，℃）；C 0—料液的比热容（kJ /kg·℃）；

蒸发器的热负荷为： Q＝D·r 0＝K·A·(T 0－t)。蒸发面积为： A＝Q /(T 0－t)/ K。t—加料液沸点（℃）。

总传热系数K可按经验值取值，常用蒸发器传热系数的经验值见表1。

表 1　常用蒸发器传热系数的经验值

蒸发器型式

传热系数K（W/m 2·K）垂直短管型

中央循环管式、悬框式

800~2 500水平管式800~2 000垂直长管型

自然循环

1 000~3 000强制循环

2 000~10 000旋转刮板式

液体黏度 1 MPa·s

2 000

液体黏度 100 MPa·s

1 500

液体黏度 10 000 MPa·s

600

（4）设备及管道布置。蒸发在真空下操作时，为了使浓缩液和溶剂凝液顺利地排出，排出管内的液柱高度应足以克服大气压力与冷凝器内残压之间的压差以及管内的流动阻力。通常排液管的高度大于或等于10m。一般蒸发系统布置在多层框架内，应将蒸发器和溶剂冷凝器布置在框架的最上层，其高度大于或等于13m；浓缩液接收槽和溶剂接收槽布置在框架的最下层，且宜在浓缩液冷却器和溶剂冷凝器的正下方。

为保证蒸发器顶部的真空度，溶剂冷凝器的排液管（俗称大气退）宜由溶剂冷凝器出来直接垂直进入溶剂接收槽，尽量少拐弯，若必需拐弯时宜选用45弯头，避免使用90弯头。

三、工程实例

在某化工装置中，需将K 2CO 3溶液由20%增浓至40%，流量为1 094.741kg/h，进料温度49℃，设计中采用垂直短管式蒸发器真空蒸发，蒸发温度在80℃左右，采用0.2MPa、133℃的蒸汽加热，经物料及热量衡算后，蒸出的水蒸气437.71 kg/h，蒸发器热负荷323.9kW，热损失按10 kW计，加热蒸汽消耗量504.7 kg/h。

该蒸发系统已投入多套生产装置，均能够稳定运行，满足各项设计指标。

四、结论

在蒸发系统的工艺设计过程中，应根据蒸发的工艺要求和蒸发物料的特点确定蒸发器的形式，合理设计工艺流程，不断对比优化方案，总结完善设计，使其更加合理，为装置的安全稳定运行提供保障。

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