蒸发操作技术

蒸发操作技术任务一：了解蒸发过程任务二：蒸发过程分析任务三：蒸发设备任务四：蒸发器操作情境三2024/4/5蒸发操作技术

一、蒸发操作过程案例二、蒸发过程分类

三、多效蒸发流程四、蒸发操作应掌握知识和内容

任务一

了解蒸发过程2024/4/5一、蒸发过程案例（一）蒸发过程在化工生产中的应用原理：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。1、获得浓缩的溶液产品，如果汁、牛奶的浓缩等；2、将溶液蒸发增浓后，在进一步处理（如冷却结晶），以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等；3、获得纯净的溶剂产品，如海水蒸发脱盐制取淡水等（二）蒸发操作特点1、蒸发目的是为了使溶剂汽化，因此被蒸发的溶液应具有挥发性的溶剂和不挥发性的溶质组成。2、蒸发操作是一个传热壁面两侧流体均有相变的传热过程，又是一个溶剂从液态转变成气态的传质过程，但溶剂汽化速率主要取决于热量传递速率，因此蒸发体现的主要还是传热规律。3、蒸发操作处理的是含有不挥发性溶质的溶液，在相同温度下，溶液的蒸汽压低于纯溶剂的蒸汽压，所有在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。4、蒸发操作不同于一般传热过程，溶液性质往往对蒸发器的设计提出特殊要求。5、蒸发操作中要将大量溶剂汽化，需要消耗大量的热能，因此，蒸发操作的节能问题将比一般传热过程更为突出。（三）蒸发过程案例

图7-1所示为水溶液全循环法生产尿素的流程示意图。分离出的尿液在不同真空度下加热蒸发，低压分离器出口尿液浓度达99.7%（质量分数）以上，用熔融尿素泵16打入造粒塔17，经造粒喷头成为尿粒，在塔底得到尿素成品。1、尿素的生产隔膜法生产烧碱的主要过程如图7-2所示。从隔膜电解槽出来的电解液中NaOH的含量较低，因此生产上可将稀碱液蒸发，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。通过蒸发可以得到42%或50%左右符合工艺要求的浓碱液。2、烧碱的生产二、蒸发过程分类（一）按蒸发方式分：1、自然蒸发：即溶液在低于沸点温度下蒸发，如海水晒盐，这种情况下，因溶剂仅在溶液表面汽化，溶剂汽化速率低。2、沸腾蒸发：将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。工业上的蒸发操作基本上皆是此类。（二）按加热方式分：1、直接热源加热它是将燃料与空气混合，使其燃烧产生的高温火焰和烟气经喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中来加热溶液、使溶剂汽化的蒸发过程。2、间接热源加热容器间壁传给被蒸发的溶液。即在间壁式换热器中进行的传热过程。

（三）按操作压力分:

可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发（四）按效数分:可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发，若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串联，此蒸发过程即为多效蒸发。三、多效蒸发操作流程1、并流流程

即加热蒸气和原料液均顺次流经各效。这种加料的特点是前一效到后一效可自动加料，后一效中的物料会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度会随效数的增加而增大，使传热系数逐效下降，所以并流加料不适宜处理随浓度增加而增加较高的物料采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。2、逆流流程

即加热蒸气走向与并流相同，而物料走向则与并流相反。这种加料的特点是各效中的传热系数较均匀，适于处理黏度随温度变化较大的物料。3、平流流程即加热蒸气走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效中加入和排出。这种流程适用于处理易结晶物料。四、蒸发操作应掌握的知识和能力1、蒸发原理及流程2、单效蒸发的基本计算3、多效蒸发流程及其对节能的意义4、蒸发操作分析5、蒸发器结构特点、操作及维护蒸发操作技术

一、单效蒸发工艺计算二、蒸发器生产强度及影响因素三、蒸发过程经济性与节能

任务二

蒸发过程分析2024/4/5一、单效蒸发设计计算（一）蒸发水量的计算蒸发操作中，由于溶质是不挥发物质，因此，蒸发前后其质量不变，对它作物料衡算，可得蒸发量，即

（二）加热蒸气消耗量的计算

加热蒸气用量由热量衡算确定。若只利用加热蒸气的冷凝潜热，则冷凝液在饱和温度下排出，其用量为若溶液为沸点加热，且不计热损失，则为式中：D/W称为单位蒸气消耗量，r´为加热蒸气的冷凝潜热；r为二次蒸气的冷凝潜热。（三）蒸发器传热面积的计算1、传热平均温度差Δtm的确定在蒸发操作中传热的平均温度差应为△tm=T-t1,称为有效温度差，式中T

为加热蒸气的温度；t1为溶液的沸点，此值需通过计算获得。若蒸发操作的热源为饱和水蒸气，则T可由水蒸气表查得。溶液的沸点t1，通常是根据冷凝器的压力p，查饱和水蒸气表得二次蒸气得冷凝温度T’，再计算出各种温度差损失后，用下式计算：

，

温度差损失包括：A、溶液的沸点升高△’

式中T’和

r’

均指操作压力下二次蒸气的饱和温度和汽化潜热。B、液柱静压头引起的溶液沸点升高△”△’常为溶液在常压下因溶质存在而较纯溶剂（水）的沸点升高值

液柱静压头引起的溶液沸点升高，以△”表示△’’=tav-tb近似计算式中tav

、tb分别为pav

、p＇压力水蒸气的饱和温度。C、管道阻力产生压降引起的温度差损失△’’’

该损失是二次蒸气由分离室出口到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失，通常取△’’’=1℃。

因此，蒸发过程中的总温度差△损失为△=△’＋△’’＋△’’’

2、总传热系数K的确定蒸发器的总传热系数可按下式计算

通常总传热系数K仍主要靠现场实测确定，设计时也可查表取值估计。二、蒸发器的生产能力与生产强度（二）蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度u简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2·h)

（一）蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为蒸发强度通常可用于评价蒸发器的优劣，对于一定的蒸发任务而言，若蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，即设备的投资就越低。（三）提高蒸发强度的途径提高传热温度差1、真空蒸发2、高温热源3、提高蒸汽压力提高总传热系数1、蒸发器的总传热系数主要取决于溶液的性质、沸腾状况、操作条件以及蒸发器的结构等。2、实现良好的溶液循环流动，及时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管），均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。三、蒸发过程的经济性和节能（一）蒸发过程的经济性蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸气的经济性，其定义为1kg蒸气可蒸发的水分量，即E=W/D额外蒸气的引出，供其它设备使用，可大大提高其经济性，同时还降低了冷凝器的负荷，减少冷却水量。

(二）多效蒸发效数的限制1、溶液的温度差损失单效和多效蒸发过程中均存在温度差损失,多效蒸发的温度差损失较单效时的大。不难理解，效数越多，温度差损失将越大。2、多效蒸发效数的限制随着效数的增加，单位蒸汽的消耗量会减少，即操作费用降低，但是有效温度差也会减少（即温度差损失增大），使设备投资费用增大。因此必须合理选取蒸发效数，使操作费和设备费之和为最少。

（三）蒸发过程的节能措施1、二次蒸汽的部分利用：二次蒸汽从蒸发室出来，带有大量的热，可利用这部分潜热作为其它加热设备的热源，即废热利用又可节约大量的冷却水。

2、冷凝水的利用：从蒸发器的加热室有大量的冷凝水排出，这部分冷凝水温度高而且洁净，完全可用它预热原料或加热其它物料。

3、热泵蒸发：这种操作只需在蒸发开始时需加热蒸汽，操作稳定后就不再需要加热蒸汽。只需提供使二次蒸汽升压的动力，即节省大量的加热蒸汽又可节约冷却水。但热泵蒸发不适用沸点升高较大的溶液蒸发。蒸发操作技术

一、蒸发器类型二、蒸发器选型三、蒸发器附件

任务三

蒸发过程分析2024/4/5一、蒸发器类型1、中央循环管式蒸发器

它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。中央循环管蒸发器的主要优点是：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。缺点是：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，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。中央循环管式蒸发器在工业上的应用较为广泛。（一）自然循环型蒸发器图3-1中央循环管式蒸发器

2、悬筐式蒸发器：（1）结构：加热室像个筐，悬挂在加热室中（2）循环原理：溶液是沿加热室与壳体所形成的环隙进行的，环隙截面积约为加热管束总面积的100%-150%；（3）特点：①热损小，因蒸发器外壳接触的是温度较低的料液；②易检修，因加热室可由蒸发器顶部取出，③循环速度较前者大；④结构复杂；（4）适用：在蒸发过程中易结晶、结垢的溶液。3、外加热式蒸发器外加热式蒸发器如图3-2所示。其主要特点是把加热器与分离室分开安装，这样不仅易于清洗、更换，同时还有利于降低蒸发器的总高度。这种蒸发器的加热管较长（管长与管径之比为50～100），且循环管又不被加热，故溶液的循环速度可达1.5m/s，它既利于提高传热系数，也利于减轻结垢。图3-2外加热式蒸发器

（二）强制循环发生器

为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环。这种蒸发器的循环速度可达1.5～5m/s。其优点是，传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为0.4～0.8kW。（三）单程型蒸发器

在单程型蒸发器中，物料沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热器即达浓缩要求，其停留时间仅数秒或十几秒。另外，离开加热器的物料又得到及时冷却，因此特别适用于热敏性物料的蒸发。但由于溶液一次通过加热器就要达到浓缩要求，因此对设计和操作的要求较高。由于这类蒸发器的加热管上的物料成膜状流动，故又称膜式蒸发器。

1、升膜式蒸发器如图3-3所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。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。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，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。图3-3升膜式蒸发器

2、降膜式蒸发器降膜式蒸发器可用于蒸发粘度较大，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。如图3-4所示，原料液由加热室顶端加入，经分布器分布后，沿管壁成膜状向下流动，气液混合物由加热管底部排出进入分离室，完成液由分离室底部排出。设计和操作这种蒸发器的要点是：尽力使料液在加热管内壁形成均匀液膜，并且不能让二次蒸汽由管上端窜出。图3-4降膜式蒸发器

3、刮板式蒸发器如图3-5所示，它是一种适应性很强的新型蒸发器，例如对高粘度、热敏性和易结晶、结垢的物料都适用。它主要由加热夹套和刮板组成，夹套内通加热蒸汽，刮板装在可旋转的轴上，刮板和加热夹套内壁保持很小间隙，在某些场合下，这种蒸发器可将溶液蒸干，在底部直接得到固体产品。这类蒸发器的缺点是结构复杂（制造、安装和维修工作量大）加热面积不大，且动力消耗大。图3-5刮板式薄膜蒸发器

二、蒸发器的选型蒸发器的结构形式较多，选用和设计时，要在满足生产任务要求，保证产品质量的前提下，尽可能兼顾生产能力大，结构简单，维修方便及经济性好等因素。表3-1列出了常见蒸发器的一些重要性能，可供选型的参考。蒸发器型式总传热系数W/(m2·K)中央循环管式580～3000带搅拌的中央循环管式1200～5800悬筐式580～3500自然循环1000～3000强制循环1200～3000升膜式580～5800降膜式1200～3500刮膜式，粘度1mPa·s2000刮膜式，粘度100～100,00mPa·s200～1200三、蒸发设备的附属装置（一）除沫器（汽液分离器）蒸发操作时产生的二次蒸汽，在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴，尤其是处理易产生泡沫的液体，夹带更为严重。为了防止产品损失或冷却水被污染，常在蒸发器内（或外）设除尘器。图3-6为几种除尘器的结构示意图。图中（a）～（d）直接安装在蒸发器顶部，（e）～（g）安装在蒸发器外部。图3-6几种除沫器结构示意图

（二）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。（三）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蒸发操作技术

一、蒸发器操作二、蒸发器维护三、蒸发系统常见故障及处理

任务四

蒸发器操作2024/4/5一、蒸发器操作（一）开车1、开车前腰准备好泵、仪表、蒸汽和冷凝水管路；2、根据物料、蒸发设备及所附带的自控装置不同，按照事先定好的程序，通过控制室依次按规定的顺序开启加料阀、蒸汽阀，并依次检查各效分离罐液位显示；3、当液位达到规定值时开启相关输送泵；4、设置有关仪表设定值，同时置其为自动状态；5、对需要抽真空的装置进行抽真空；6、检测各效温度，检查蒸发情况；7、通过有关仪表观测产品浓度，然后增大有关蒸汽阀门开度以提高蒸汽流量；8、当蒸汽流量达到期望值时，调节加料流量以控制浓缩液浓度。（二）蒸发过程正常操作要点1、料液液面高度对蒸发过程的影响蒸发器液面的正常与稳定对蒸发操作十分必要。液面过低，加热室的加热管上方易结盐，影响料液的正常循环，降低加热效率，甚至会引起加热管局部或全部堵塞，以致无法正常作。对于强制循环蒸发器，过低的液面会使循环泵发生气蚀和振动，危及泵的安全运行。液面过高，会导致较大的液面静压，使料液沸点上升，传热温差变小，生产能力下降，液面过高还会使气液分离空间过小，容易出现从二次蒸汽管中跑碱的事故。因而在各效蒸发器内液面高度应保持适宜。一般悬筐式、标准式一类自然循环蒸发器适宜液面定在加热室以上0.5m处，列文式蒸发器在沸腾区上方0.3～0.5处。2、真空度对蒸发过程的影响真空度也是蒸发操作中的一个重要工艺条件。真空度过低，不但蒸发装置的生产能力得不到充分发挥，而且还会增加蒸汽消耗量，因此蒸发系统采用较高的真空度，以增大末效及整个蒸发系统的传热温差，从而提高装置的生产能力。真空度增大，还可以降低蒸发系统的蒸汽消耗，同时，真空度增大，可使碱液沸点降低，碱液离开蒸发系统带走的热量减少，并可减少预热所用蒸汽量。实际生产中应采用尽可能高的真空度，以达到高产低耗的目的。3、影响真空度的因素有如下几方面。（1）不凝气。蒸发过程中的不凝气主要是空气。由于真空设备单位时间排除不凝气的能力有限，所以要尽量减少带入系统的不凝气量。不凝气来自以下三个部分：二次蒸汽夹带的不凝气；冷却水进入真空系统后释放出其中溶解的不凝气；真空系统管道和设备的各个连接位漏入的不凝气。为提高蒸发装置的真空度，必须提高管道和设备的密闭性能。（2）真空系统的阻力。真空系统内的蒸汽和不凝气的流速很大，在流动过程中会有较大的阻力，引起真空度损失。（3）冷却水量和温度。末效蒸发器的真空度是通过冷凝蒸汽，并引除不凝气而形成的。理论上最大真空度应是大气压与冷凝器排出冷却水在此温度下的饱和蒸汽压之差。由于水的饱和蒸汽压是随水温升高而增大的。所以，水温越高可达到的真空度越低。蒸发系统生产能力一定时，冷凝的蒸汽量基本不变。因此，冷却下水温度高低取决于冷却水的水温和水量。

（三）停车

1、正常停车

（1）先关蒸汽阀。（2）关闭进料阀。（3）待蒸发器中料液放净后，关闭出料阀。（4）向蒸发器中加进60度左右的冲洗水，把设备冲洗干净。（5）停电机。（6）停循环水泵，停喷射泵，打开真空破坏阀，使系统处于常压状态。2、紧急停车

（1）下列情况要紧急停车A、突然停电或突然跳闸。B、蒸汽减压阀失灵，压力超过规定压力。