第八章 蒸發(fā)-制藥工程原理與設(shè)備

1、8 蒸發(fā)蒸發(fā) 8.1 概述概述8.2 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) 8.3 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 8.4蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)強(qiáng)度及校數(shù)的限制蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)強(qiáng)度及校數(shù)的限制8.5 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備 8.1 概述概述（1）定義： 利用溶質(zhì)和溶劑揮發(fā)度的差異，將溶液加熱至沸騰，使其中的部分溶劑汽化并被移出，而溶質(zhì)則不揮發(fā)，以提高溶液中溶質(zhì)濃度的操作。 （2）蒸發(fā)操作的目的 獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。 脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)，隨后加 以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體溶質(zhì)。 除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。 8.1 概述概述（3）蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 傳熱性質(zhì)：屬于壁面兩側(cè)流

2、體均有相變化的恒溫傳熱過程。 溶液性質(zhì)：熱敏性、腐蝕性、結(jié)晶性、結(jié)垢性、泡沫、粘度、揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)等。 沸點(diǎn)升高：當(dāng)加熱蒸氣一定時(shí)，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)純水的溫度差。 泡沫挾帶：二次蒸氣中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設(shè)備污染。 能源利用：二次蒸氣的利用是蒸發(fā)操作中要考慮的關(guān)鍵問題之一。 8.1 概述概述（4）加熱蒸汽和二次蒸汽 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸氣。為了區(qū)別，將加熱的蒸汽稱為加熱蒸汽，而由溶液蒸發(fā)出來的蒸汽稱之為二次蒸汽。（5）分類 按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)

3、。 按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。 8.1概述概述減壓（真空）蒸發(fā)的特點(diǎn)減壓（真空）蒸發(fā)的特點(diǎn) 1） 溶液沸點(diǎn)降低 ，增大了傳熱溫差； 2）操作溫度低，不易結(jié)焦，并減少熱損失 3） 適用熱敏性溶液； 4）利用 低壓（廢熱）蒸汽。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1） 、 、K ； 2） 減壓裝置、能耗。8.2 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) 7.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算 對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后，通常需要計(jì)算以下的這些內(nèi)容： 分的蒸發(fā)量； 熱蒸汽消耗量； 發(fā)器的傳熱面積。 要解決以上問題，我們可應(yīng)用物料衡算方程，熱量衡算方程和傳熱速率方程來解決。 8.2 單效蒸發(fā)單效蒸

4、發(fā)1 單效蒸發(fā)的流程 8.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算（1）水分蒸發(fā)量 單位時(shí)間內(nèi)從溶液中蒸發(fā)出來的水分量，kg/s。 溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個(gè)定態(tài)過程，單位時(shí)間進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的量相等，即12()FwFW w12(1)wWFw12FwwFW水分蒸發(fā)量： 完成液的濃度： 8.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算（2）加熱蒸汽消耗量 當(dāng)加熱蒸汽所放出的熱量主要用于三個(gè)方面： 1)水分氣化所需的潛熱；2)溶液升溫至沸點(diǎn)時(shí)所需的顯熱；3）蒸發(fā)器的熱損失。1221pmLDrWrFCttQ式中 加熱蒸汽消耗量，kg/s； t1、t2 原料液與完成液的溫度，； 加熱蒸汽和二次蒸汽的氣

5、化潛熱，kJ/kg。 Cpm 原料液的平均比熱容，KJ/(kg.) 式中熱損失 可視具體條件來取加熱蒸汽放熱量的某一百分?jǐn)?shù)。 D12rr，LQ（3）（2） 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算利用上式求取加熱蒸汽的消耗量：若原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)料，QL忽略不計(jì)，則： 2211pmLWrFCttQDr21WrDr單位蒸汽的消耗量：每蒸發(fā)1kg水分所消耗的蒸汽量，即： eDW沸點(diǎn)進(jìn)料，e18.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算 由傳熱速率方程得 mQSK t式中 蒸發(fā)器傳熱面積，m2； 傳熱量，w； 傳熱系數(shù)，w/m2K； 平均傳熱溫差，K。 SQKmt（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算）

6、蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算 由于蒸發(fā)過程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱， ，且蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 ，所以有 tTt0m1QDr2211pmLmmWrFCttQDrSK tK tosomiisiiaRddbddRddaK1110000蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可用傳熱的知識(shí)計(jì)算，若以外表面為基準(zhǔn)，則：垢層熱阻值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值估算。管外側(cè)的蒸氣冷凝傳熱系數(shù)可按膜式冷凝傳熱系數(shù)公式計(jì)算，管內(nèi)側(cè)溶液沸騰傳熱系數(shù)則按管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。8.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失 在蒸發(fā)過程中，加熱兩側(cè)流體均處于恒溫、變相狀態(tài)下，可近似按恒溫傳熱處理。故在計(jì)算傳熱面積時(shí)，應(yīng)按最小溫差計(jì)算，即由完成

7、液的沸點(diǎn)按下式計(jì)算： 2mstTt式中 Ts加熱蒸氣的飽和溫度，； t2完成液的沸點(diǎn)，。 例：例：在單效薄膜式蒸發(fā)器內(nèi)，將番茄汁從固形物含量12%濃縮到28%。番茄汁已預(yù)熱到最高許可溫度60后進(jìn)料。采用表壓為70 kPa的飽和水蒸氣加熱。設(shè)蒸發(fā)器傳熱面積為0.4 m2，傳熱系數(shù)1500 W/(m2K)。試近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。解：解： 表壓為70 kPa，則絕對(duì)壓強(qiáng)為171.3kPa。在此絕對(duì)壓強(qiáng)下，查得加熱蒸汽飽和溫度為114.5，汽化潛熱為2210 kJ/kg，由傳熱速率公式： QS0K0t15000.4(114.5-60)32700 W則蒸汽消耗量為：DQ/r32700/(22

8、10103)0.0148 kg/s53.3 kg/h查得60下水的汽化潛熱為2340 kJ/kg，則蒸發(fā)量為：WQ/r32700/(2340103)0.014 kg/s50.3 kg/h原料液流量為： 1250.388/1w /1 12/ 28WFkg hw8.3 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 8 8.3.1 .3.1 多效蒸發(fā)原理多效蒸發(fā)原理 多效蒸發(fā)要求后效的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前效低，引入前效的二次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，僅第一效需要消耗生蒸汽。利利用二次蒸汽的潛熱用二次蒸汽的潛熱提高了生蒸汽的利用率，即經(jīng)濟(jì)性。 8.3.1多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）效數(shù) 單效

9、雙效 三效 四效 五效 理論最小值 1 1/2 1/3 1/4 1/5 實(shí)際最小值 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 表表1 單位蒸氣消耗量單位蒸氣消耗量 強(qiáng)調(diào)：蒸發(fā)量與傳熱量成正比，多效蒸發(fā)并沒有提高蒸發(fā)量，而只是節(jié)約了加熱蒸汽，其代價(jià)則是設(shè)備投資增加。8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程 多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見有：并流： 溶液與蒸汽的流向相同。逆流： 溶液與蒸汽的流向相反。平流： 原料液分別加入各效中，完成液也分別自各 效底部取出，蒸氣流向仍是由第一效流至末效。8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（1）并流流程）并流流程8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程缺

10、點(diǎn)：料液濃度逐漸增高，而操作溫度依次降低，易引起后效缺點(diǎn)：料液濃度逐漸增高，而操作溫度依次降低，易引起后效的溶液黏度偏高，傳熱效果降低。的溶液黏度偏高，傳熱效果降低。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 在操作過程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效在操作過程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效間流動(dòng)不需用泵；間流動(dòng)不需用泵； 料液的沸點(diǎn)依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時(shí)放出顯料液的沸點(diǎn)依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時(shí)放出顯熱，供一部分水汽化；熱，供一部分水汽化； 料液的濃度依效序遞增，高濃度料液在低溫下蒸發(fā)，料液的濃度依效序遞增，高濃度料液在低溫下蒸發(fā)，對(duì)熱敏性物料有利。對(duì)熱敏性物料有利。 8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效

11、蒸發(fā)流程（2）逆流流程）逆流流程8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（2）逆流流程）逆流流程 料液與蒸氣流動(dòng)方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸料液與蒸氣流動(dòng)方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由第一效順序至末效。第一效順序至末效。 優(yōu)點(diǎn)：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)，粘度不高，傳熱系優(yōu)點(diǎn)：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)，粘度不高，傳熱系 數(shù)較大。數(shù)較大。 各效進(jìn)料溫度均低于沸點(diǎn)，故產(chǎn)生的二次蒸汽量較少。各效進(jìn)料溫度均低于沸點(diǎn)，故產(chǎn)生的二次蒸汽量較少。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1 1）各效間需用泵輸

12、送；各效間需用泵輸送； （2 2）無自蒸發(fā)；無自蒸發(fā)； 8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（3）平流流程）平流流程8.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（3）平流流程）平流流程 原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，蒸氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)蒸氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發(fā)過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。 8.3.3 蒸發(fā)過程的節(jié)能措施蒸發(fā)過程的節(jié)能措施（1）多效蒸發(fā)（2）冷凝水熱量的利用（3）二次蒸汽的再壓縮（熱泵蒸發(fā)）（4）額外蒸汽8.4 多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)

13、強(qiáng)度和效數(shù)的限制多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強(qiáng)度和效數(shù)的限制 （1）生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時(shí)間內(nèi)水分總蒸發(fā)量W來表示， 生產(chǎn)強(qiáng)度為單位傳熱面積的蒸發(fā)量（ ）， 多效蒸發(fā)的總有效傳熱溫差要低于單效蒸發(fā)的總有效傳熱溫差，因此，生產(chǎn)能力低。 而傳熱面積又為單效蒸發(fā)的n倍，因此，多效蒸發(fā)的生產(chǎn)強(qiáng)度通常為單效蒸發(fā)的1/n。 AWu 多效蒸發(fā)效數(shù)的限制多效蒸發(fā)效數(shù)的限制（2）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制 效數(shù)增多，加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性提高，而總有效傳熱溫差將減小，設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度降低，因此，必須合理選擇效數(shù)以便設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最少。8.5 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備 蒸發(fā)設(shè)備中包括蒸發(fā)器和輔助設(shè)備 8.5.1蒸發(fā)

14、器蒸發(fā)器 蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式，以適應(yīng)各種生產(chǎn)工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運(yùn)動(dòng)的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。 （1）循環(huán)型蒸發(fā)器 特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng)，因而可以提高傳熱效果。由于 引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同。有分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán) 型兩類。 自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。 強(qiáng)制循環(huán)：用泵迫使溶液沿一定方向流動(dòng)。 （1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 外熱式蒸發(fā)器熱式加熱室與蒸發(fā)室分開（1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器列文式蒸發(fā)器（2）單程型蒸發(fā)器）單程型蒸發(fā)器 升膜式蒸發(fā)器（圖7-5）適用于：蒸發(fā)量大（較稀的溶液），熱敏 性及易起泡的溶液。不適用于：高粘度，易結(jié)晶、結(jié)垢的溶液。 （2）單程型蒸發(fā)器）單程型蒸發(fā)器 降膜式蒸發(fā)器（圖7-6）適用于：粘度大的物料；不適用于：易結(jié)晶的物料，固形成 均勻的液膜較難，不高。 （2）單程型蒸發(fā)器）單程型蒸發(fā)器 刮片式蒸發(fā)器（圖7-8）特點(diǎn)：借外力強(qiáng)制料液呈膜狀流動(dòng)，可 適應(yīng)高粘度，易結(jié)晶、結(jié)垢的濃 溶液蒸發(fā)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造要求高，加熱面 不大，且需要消耗一定的動(dòng)力 8