资源简介

(共44张PPT)
模块四 蒸发技术
01
任务一 认识蒸发装置
02
任务二 确定蒸发操作条件
03
任务三 选择蒸发设备与确定工艺参数
04
任务四 操作蒸发装置
05
06
综合案例
总结与归纳
工业中的应用糖厂的甘蔗原料先被破碎成片状或条状制成蔗料,然后送入压榨机压榨。压榨出的蔗汁经过亚硫酸清净、预灰和加热、硫熏中和、沉降和过滤等工序后得到清汁,此时清汁的浓度约为12%-14%,清汁必须经过多效蒸发浓缩为60%的糖浆,并经过硫熏、过滤制成清净糖浆,清净糖浆经煮糖、结晶、离心、干燥制成原糖。蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（通常为固体，如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化的部分，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作主要用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，广泛应用于化工、食品加工过程中的提浓、化学制药、造纸、制糖、海水淡化等工业中，例如硝铵、烧碱、制糖、橡胶防老剂RD等生产中将溶液加以浓缩，通过脱除溶液中的杂质以制取较纯溶剂；在植物油脂加工厂中，油脂浸出车间混合油的浓缩、油脂精炼车间磷脂的浓缩以及肥皂车间甘油水溶液的浓缩等，都是蒸发操作。蒸发单元过程的主要目的：（1）稀溶液的增浓，直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如：在化工生产中，用电解法制得的烧碱（NaOH溶液）的浓度一般只在10%左右，要得到42%左右的符合工艺要求的浓碱液则需通过蒸发操作。由于稀碱液中的溶质NaOH不具有挥发性，而溶剂水具有挥发性，因此生产上可将稀碱液加热至沸腾状态，使其中大量的水分发生汽化并除去，这样原碱液中的溶质NaOH的浓度就得到了提高。（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药提取过程中，酒精浸出液的减压蒸发、农药生产过程中甲苯溶剂的浓缩与回收等。01任务一 认识蒸发装置学习各类蒸发器的类型、基本结构、优缺点及其应用的范围等，能根据物料的基本特性和生产工艺的要求选择适合的蒸发装置。01任务一 认识蒸发装置子任务1认识蒸发设备了解蒸发器的分类;掌握自然循环、强制循环、膜式蒸发以及直接加热分类中典型蒸发设备的结构、原理、优缺点、附属设备以及适用的范围。能根据物料的性质、生产工艺要求选择适合的蒸发器类型和附属设备等。01任务一 认识蒸发装置蒸发过程是一个传热过程，蒸发时还需要不断地除去过程中所产生的二次蒸汽。因此，它除了需要传热的加热室之外，还需要有一个进行汽液分离的分离室，蒸发所用的主体设备蒸发器，就是由加热室和分离室这两个基本部分组成。由于加热室的结构形式和溶液在加热室中运动情况不同，因此蒸发器可采用多种形式，分为自然循环型蒸发器、强制循环型蒸发器、膜式蒸发器以及浸没燃烧蒸发器等。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置自然循环型蒸发器的特点为：溶液在加热室被加热的过程中而产生密度差，形成自然循环。其加热室有横卧式和竖式两种，竖式应用最广，它包括以下几种主要结构型式。一、自然循环型蒸发器01任务一 认识蒸发装置1.中央循环管式（标准式）蒸发器工业上应用最广泛，其结构如图所示，加热室如同列管式换热器一样，为1～2m长的竖式管束组成，称为沸腾管，但中间有一个直径较大的管子，称为中央循环管，它的截面积大约等于其余加热管总截面积的40%～100%，由于它的截面积较大，管内的液体量比小管中要多；而小管的传热面积相对较大，使小管内的液体的温度比大管中高，因而造成两种管内液体存在密度差，再加上二次蒸汽在上升时的抽吸作用，使得溶液从沸腾管上升，从中央循环管下降，构成一个自然对流的循环过程。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置中央循环管蒸发器单击编辑标题优点：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。缺点：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，一般仅在0.5m/s以下，传热系数小。它适用于粘度适中，结垢不严重，有少量的结晶析出，及腐蚀性不大的场合。01任务一 认识蒸发装置2.悬筐式蒸发器其结构如图所示，它的加热室像个篮筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，作用原理与中央循环管式相同，加热蒸汽从蒸发器的上部进入到加热管的管隙之间，溶液仍然从管内通过，并经外壳的内壁与悬筐外壁之间的环隙中循环，环隙截面积一般为加热管总面积的100%～150%。这种蒸发器的优点是溶液循环速度比中央循环管式要大（一般在1～1.5m/s），而且，加热器被液流所包围，热损失也比较小；此外，加热室可以由上方取出，清洗和检修比较方便。缺点是结构复杂，金属耗量大。它适用于容易结晶的溶液的蒸发，这时可增设析盐器，以利于析出的晶体与溶液分离。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置3.外加热式蒸发器其结构如图所示，它的特点是把管束较长的加热室装在蒸发器的外面，即将加热室与蒸发室分开。这样，一方面降低了整个设备的高度，另一方面循环管未被蒸汽加热，增大了循环管内与加热管内溶液的密度差，从而加快了溶液的自然循环速度，同时还便于检修和更换。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置如图是自然循环蒸发器中比较先进的一种型式，主要部件为加热室、沸腾室、循环管和分离室。它的主要特点是在加热室的上部有一段大管子，即在加热管的上面增加了一段液柱。这样，使加热管内的溶液所受的压力增大，因此溶液在加热管内不至达到沸腾状态。随着溶液的循环上升，溶液所受的压强逐步减小，通过工艺条件的控制，使溶液在脱离加热管时开始沸腾，这样，溶液的沸腾层移到了加热室外进行，从而减少了溶液在加热管壁上因沸腾浓缩而析出结晶或结垢的机会。由于列文蒸发器具有这种特点，所以又称为管外沸腾式蒸发器。4.列文蒸发器01任务一 认识蒸发装置列文蒸发器中循环管的截面积比一般自然循环蒸发器的截面积大，通常为加热管总截面积的2～3.5倍，这样，溶液循环时的阻力减小；加之加热管和循环管都相当长，通常可达7～8m，循环管不受热，因此，两个管段中溶液的温差较高，密度差较大，从而造成了比一般自然循环蒸发器要大的循环推动力，溶液的循环速度可以达到2～3m/s，整个蒸发器的传热系数可以接近于强制循环蒸发器的数值，而不必付出额外的动力。01任务一 认识蒸发装置二、强制循环蒸发器在一般自然循环蒸发器中，循环速度比较低，一般都小于1m/s，为了处理粘度大或容易析出结晶与结垢的溶液，必须加大溶液的循环速度，以提高传热系数，为此，采用了强制循环蒸发器，其结构如图所示。蒸发器内的溶液，依靠泵的作用，沿着一定的方向循环，其速度一般可达1.5～3.5m/s，因此，其传热速率和生产能力都较高。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置三、膜式蒸发器溶液在器内停留的时间都比较长，对于热敏性物料的蒸发，容易造成分解或变质。膜式蒸发器的特点是溶液仅通过加热管一次，不作循环，溶液在加热管壁上呈薄膜状，蒸发速度快（数秒至数十秒），传热效率高，对处理热敏性物料的蒸发特别适宜，对于粘度较大，容易产生泡沫的物料的蒸发也比较适用。膜式蒸发器的结构型式比较多，其中比较常用的有升膜式、降膜式和回转式薄膜蒸发器等。01任务一 认识蒸发装置1.升膜式蒸发器其结构如图所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常加热管径为25～50mm，管长与管径之比为100～150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管内，加热蒸汽在管外冷凝。当原料液受热后沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置设料液在低于其沸点时进入加热管，料液被加热，温度上升，料液因在管壁与中心受热程度不同而产生自然对流，此时尚未沸腾，溶液为如图(a)所示的单相流动；当温度升高至沸点时，溶液沸腾而产生大量气泡，气泡分散于连续的液相中，此时管内开始如图(b)所示的两相流动；随着气泡生成数量的增多，由许多气泡汇合而增大形成如图(c)所示的片状流；气泡进一步增大形成柱状流动或称气栓；由于气栓不稳定，继而被液体隔断，形成如图(d)所示的环状流动；随着气量的进一步增大，在管子中央形成稳定的蒸汽柱，上升的蒸汽柱将料液拉曳成如图(e)所示的一层液膜沿管壁迅速上升；随着上升气速进一步增大，对液膜产生强烈的冲刷作用，使液滴分散在气流中，在蒸汽柱内形成如图(f)所示的带有液体雾沫的喷雾流。01任务一 认识蒸发装置这种蒸发器需要精心设计与操作，即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度，并获较高的传热系数，使料液一次通过加热管即达到预定的浓缩要求。常压下，管上端出口处速度以保持20～50m/s为宜，减压操作时，速度可达100～160m/s。升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高黏度、有晶体析出和易结垢的溶液。01任务一 认识蒸发装置2.降膜式蒸发器降膜式蒸发器的加热室可以是单根套管，也可由管束及外壳组成，其结构如图所示。原料液是从加热室的顶部加入，在重力作用下沿管内壁成膜状下降并进行蒸发，浓缩后的液体从加热室的底部进入到分离器内，并从底部排出，二次蒸汽由顶部逸出。在该蒸发器中，每根加热管的顶部必须装有降膜分布器，以保证每根管子的内壁都能为料液所润湿，并不断有液体缓缓流过，否则，一部分管壁出现了干壁现象，不能达到最大生产能力，甚至不能保证产品质量。01任务一 认识蒸发装置降膜式蒸发器同样适用于热敏性物料，可用于蒸发粘度较大（0.05～0.45 Pa·s），浓度较高的溶液，但不适于处理易结晶和易结垢的溶液，这是因为这种溶液形成均匀液膜较困难，传热系数也不高。01任务一 认识蒸发装置3.回转式薄膜蒸发器回转式薄膜蒸发器具有一个装有加热夹套的壳体，在壳体内的转动轴上装有旋转的搅拌桨，搅拌桨的形式很多，常用的有刮板、甩盘等。刮板式蒸发器，其结构如图所示。刮板紧贴壳体内壁，其间隙只有0.5～1.5mm，原料液从蒸发器上部沿切线方向进入，在重力和旋转刮板的作用下，溶液在壳体内壁上形成旋转下降的薄膜，并不断被蒸发，在底部成为符合工艺要求的完成液。01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置01任务一 认识蒸发装置4.升-降膜式蒸发器结构如图所示，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，将加热管束均分为二。原料液在加热管1中达到或接近沸点后，引入升膜加热管束2的底部。气液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束3，然后转入分离器4，浓缩液内分离器底部排出。溶液在升膜管束和降膜管束内的布膜及操作情况分别句前述的升膜及降膜蒸发器内的情况完全相同。升—降摸式蒸发器一般用于浓缩过程中黏度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的场合。蒸发过程中溶液的黏度变化较大，推荐使用常压操作。01任务一 认识蒸发装置四、直接加热蒸发器工业上有时还采用直接加热蒸发器，浸没燃烧蒸发器就是直接加热的蒸发器。将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达1200～1800℃，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。01任务一 认识蒸发装置浸没燃烧蒸发器的结构简单如图，不需要固定的传热面，热利用率高，适用于易结垢、易结晶或有腐蚀性溶液的蒸发，但不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性物料的蒸发。目前广泛应用于废酸处理工业。01任务一 认识蒸发装置五、蒸发装置中的附属设备蒸发装置的附属设备主要有除尘器、冷凝器和真空泵。01任务一 认识蒸发装置1.除沫器（汽液分离器）蒸发操作中产生的二次蒸汽，在分离室和液体分离后，仍夹带有一定的液沫或液滴。为了防止液体产品的损失或冷凝液被污染，在蒸发器顶部蒸汽出口附近需要设置除沫器。除沫器的型式很多，列举了几种常见的除沫器，其（a）～（d）直接装在蒸发器内分离室的顶部，图（e）～（g）则要装在蒸发器的外部。01任务一 认识蒸发装置2.冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式和直接接触式两种，倘若二次蒸汽为需回收的有价值物料或会严重污染水源，则应采用间壁式冷凝器，否则通常采用直接接触式冷凝器。后一种冷凝器一般均在负压下操作，这时为将混合冷凝后的水排出，冷凝器必须设置得足够高，冷凝器底部的长管称为大气腿。01任务一 认识蒸发装置3.真空装置当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装真空装置。需要指出的是，蒸发器中的负压主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等，冷凝器后必须安真空装置才能维持蒸发操作的真空度。常用的真空装置有喷射泵、水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。01任务一 认识蒸发装置各种蒸发器的主要性能比较01任务一 认识蒸发装置蒸发设备在工业生产中应用广泛，以制药行业注射用水生产、环保领域高含盐废水处理以及中药提取物的浓缩为例，考虑物料的性质、处理量、生产工艺的要求以及节能等因素，采用了多效蒸发、减压蒸发以及膜式等蒸发设备和流程。子任务2认识蒸发技术的工业应用01任务一 认识蒸发装置一、注射用水的制备在药品生产过程中用的注射用水，就是利用多效蒸发的原理，采用多效蒸馏水机进行制备。01任务一 认识蒸发装置二、高含盐废水处理生活污水排放和食品加工厂、制药厂、化工厂及石油和天然气的采集加工过程中会产生大量的高含盐废水，这些废水中除了含有机污染物外，还含有大量的无机盐如Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等离子。这种高盐、高有机物废水不能直接排放，也不能简单地用生化处理，而且物化处理过程较复杂，处理费用较高，但是可以采用蒸发方法将高含盐废水进行处理，用三效蒸发器将高盐废水中盐分与废水的固液分离，实现高含盐废水处理。01任务一 认识蒸发装置三、蒸发在中药有效成分提取中的应用中药提取最为常用的方法就是溶剂提取法,工艺流程如图所示，中药一般采用溶剂提取2-3次，每次的煎煮液进行合并，溶剂要回收，通常采用蒸发的方法，采用减压的膜式蒸发设备，在真空的条件下，降低了溶剂的沸点，采用膜式蒸发可以降低加热的时间，采用这种工艺过程提高了中药提取液中热敏性、活性物质的稳定性以及药物的生物利用度具有重要的作用。

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