蒸发化工原理

第7
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。
溶剂S
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。
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
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
（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
热系数提高； 结垢程度小。
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。
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。
用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。
（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。
（2）降膜蒸发器
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。
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。

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
（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：
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。
适于处理有晶体析出或易结垢的溶液
（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。
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。
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。
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 。
（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。
适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液
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
缺点：
设备费高 厂房高，耗用金属多
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。
7.2 蒸发设备
蒸发设备
蒸发器 辅助设备
加热室
分离室
除沫器（汽液分离器）
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。
7.1.2 蒸发流程
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
热源
水蒸气
蒸发产生蒸汽 水蒸气
加热蒸汽 二次蒸汽