蒸发就是用加热的方法,将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况,使部分溶剂汽化并被移除,从而提高溶剂中溶质浓度的单元操作。工业生产中应用蒸发操作有以下几种场合:
1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理(如冷却结晶)制取固体产品,例如电解烧碱液的浓缩,食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等;
2、同时浓缩溶液和回收溶剂,例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯,中药生产中酒精浸出液的蒸发等;
3、为了获得纯净的溶剂,例如海水淡化等。
总之,在化学工业、食品工业、制药等工业中,蒸发操作被广泛应用。 [1]
蒸发操作的分类编辑
1、按蒸发方式分:
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。
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。
2、按加热方式分:
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。
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。
3、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
4、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
蒸发器的特点
目前常用的间壁传热式蒸发器,按溶液在蒸发器中停留的情况,大致可分为循环型和单程型两大类。 [2]
循环性蒸发器
这一类型的蒸发器,溶液都在蒸发器中作循环流动。由于引起循环的原因不同,又可分为自然循环和强制循环两类。
1.循环管式蒸发器 这种蒸发器又称作标准式蒸发器。它的加热室由垂直管束组成,中间有一根直径很大的循环管,其余管径较小的加热管称为沸腾管。由于循环管较大,其单位体积溶液占有的传热面,比沸腾管内单位溶液所占有的要小,即循环管和其它加热管内溶液受热程度不同,从而沸腾管内的汽液混合物的密度要比循环管中溶液的密度小,加之上升蒸汽的向上的抽吸作用,会使蒸发器中的溶液形成由循环管下降、由沸腾管上升的循环流动。这种循环,主要是由溶液的密度差引起,故称为自然循环。这种作用有利于蒸发器内的传热效果的提高。
为了使溶液有良好的循环,循环管的截面积一般为其它加热管总截面积的40~100%;加热管高度一般为1~2m;加热管直径在25~75mm之间。这种蒸发器由于结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等优点,应用十分广泛。但是由于结构上的限制,循环速度不大。加上溶液在加热室中不断循环,使其浓度始终接近完成液的浓度,因而溶液的沸点高,有效温度差就减小。这是循环式蒸发器的共同缺点。此外,设备的清洗和维修也不够方便,所以这种蒸发器难以完全满足生产的要求。
2.悬筐式蒸发器 为了克服循环式蒸发器中蒸发液易结晶、易结垢且不易清洗等缺点,对标准式蒸发器结构进行了更合理的改进,这就是悬筐式蒸发器。加热室4象个篮筐,悬挂在蒸发器壳体的下部,并且以加热室外壁与蒸发器内壁之间的环形孔道代替循环管。溶液沿加热管上升,而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环。由于环隙面积约为加热管总截面积的100至150%,故溶液循环速度比标准式蒸发器为大,可达1.5m/s。此外,这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行检修或更换,而且热损失也较小。它的主要缺点是结构复杂,单位传热面积的金属消耗较多。
3.列文式蒸发器 上述的自然循环蒸发器,其循环速度不够大,一般均在1.5m/s以下。为使蒸发器更适用于蒸发粘度较大、易结晶或结垢严重的溶液,并提高溶液循环速度以延长操作周期和减少清洗次数。
其结构特点是在加热室上增设沸腾室。加热室中的溶液因受到沸腾室液柱附加的静压力的作用而并不在加热管内沸腾,直到上升至沸腾室内当其所受压力降低后才能开始沸腾,因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室,从而避免了结晶或污垢在加热管内的形成。另外,这种蒸发器的循环管的截面积约为加热管的总截面积的2~3倍,溶液循环速度可达2.5至3 m/s以上,故总传热系数亦较大。这种蒸发器的主要缺点是液柱静压头效应引起的温度差损失(意义详见6.3.1)较大,为了保持一定的有效温度差要求加热蒸汽有较高的压力。此外,设备庞大,消耗的材料多,需要高大的厂房等。 除了上述自然循环蒸发器外,在蒸发粘度大、易结晶和结垢的物料时,还采用强制循环蒸发器。在这种蒸发器中,溶液的循环主要依靠外加的动力,用泵迫使它沿一定方向流动而产生循环。循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制,一般在2.5m/s以上。强制循环蒸发器的传热系数也比一般自然循环的大。但它的明显缺点是能量消耗大,每平方米加热面积约需0.4~0.8kW。 [3]
高效旋转薄膜蒸发器,是一种通过旋转刮板强制成膜,可在真空条件下进行降膜蒸发的新型高效蒸发器,传热系数大、蒸发强度高、过流时间短,操作弹性大,尤其适用于热敏性物料、高粘度物料及易结晶颗粒物料的蒸发浓缩、脱溶、蒸馏等。所以在化工、医药、农药等行业得到广泛应用。
结构特点:
1.电机、减速机是转子旋转的驱动装置,转子的转速大小取决于刮板的形式、物料粘度和蒸发筒身内径,合适的线速度是保证蒸发器稳定可靠运行的重要参数之一。
2.分离筒 物料由分离筒下端加入口切向进入蒸发器,由布料器均匀连续地分布于蒸发筒身内壁,从蒸发筒身蒸发的二次蒸发上升至分离筒,由捕沫器除去液滴或泡沫,二次蒸汽从上端的出口引出蒸发器。
3.布料器 从切向进入蒸发器的物料,由旋转的布料器连续均匀地涂布成膜状。
4.捕沫器将上升的二次蒸汽可能挟带的液滴或泡沫捕集,并使之回落到蒸发面上。
5.蒸发筒身 它是被旋转刮板强制成膜的物料与夹套内加热介质进行热交换的蒸发面。蒸发筒身的内径由蒸发面积及适宜长径比确定。
6.转子安装在蒸发器内的转子由转轴与转架组成。转子由电机减速机驱动,并带动刮板作圆周运动。转架采用不锈钢精密铸件,其强度、几何尺寸、稳定性等均可保证。
7.刮板随着刮板的运动.将物料在蒸发面上刮成薄膜,以利于蒸发。根据物料特性,可选择不同刮板形式。
(1)滑动刮板 滑动刮板是一种基本、常见的刮板形式,刮板被安装在转子的四条刮导槽内,由于受转子旋转的离心力作用沿径向甩向蒸发筒内壁,同时随转子一起作圆周运动。使物料在蒸发壁面上呈膜状湍 流状态.极大提高了传热系数,防止物料的过热、干壁和结垢等现象。
通常刮板采用聚四氟乙烯材质,它适用于150°C以下,当蒸发温度高于150°C时,需用碳纤维材质。
(2)固定刮板 固定刮板多采用金属材料,与蒸发筒内壁间隙仅为1-2mm,加工与安装精度较高,它适用于高粘度及易起泡物料的蒸发浓缩、脱溶。
(3)铰链刮板 这种刮板适用于易在加热面上结垢的物料,刮板常采用金属材料,当转子转动时,由于离心力的作用,刮板被紧压在蒸发筒内壁.将物料刮成薄膜,且防止壁面结垢。
功能特点:
1.极小的压力损失 在高效旋转薄膜蒸发器中,物科”流”与二次蒸汽”流”是两个独立的通道.物料沿蒸发筒体内壁(强制成膜)降膜而下,二次蒸汽则从筒体的空间几乎毫无阻碍地离开蒸发器,所以压力损失是极小的。
2实现高真空条件操作 由于二次蒸汽从蒸发面到冷凝器的阻力极小,使整个蒸发筒体内壁的蒸发面维持较高真空度(可达-750mmHg)几乎等于真空系统出口的真空度。由于真空度的提高,有效降低了被处理物料的沸点。
3高传热系数,高蒸发强度沸点降低,增大了与热介质温度差.呈湍流状态的液膜,降低了热阻,同时抑制物科在壁内结焦、结垢,也提高了蒸发筒壁的分传热系数,所以高效旋转薄膜蒸发器的总传热系数可高达8000KJ/h.m2,因此蒸发强度高。
4.低温蒸发 由于蒸发筒体内能维持较高的真空度,被处理物料沸点大大降低,所以更适合于热敏性物料的低温蒸发。
5过流时间短 物科在蒸发器过流时间很短,约10秒钟左右.对常用的滑动刮板而言,其刮动物料的端面有导流的沟槽,斜度为45°,改变斜角角度.可改变物科过流时间,物科在刮板刮动下,呈旋转下降离开蒸发段,缩短过流时间;有效防止产品在蒸发过程中的分解、聚合和变质。
6.可利用低品位蒸汽 蒸汽是常用的加热介质,由于降低了物料沸点,在相同条件下,可利用低品位蒸汽,有利于能量的综合利用。
7.适用性强,操作方便
独特的结构设计,使该产品可处理一些常规蒸发器不易处理的高粘度、含颗粒、热敏性及易结晶的物料。旋转薄膜蒸发器操作弹性大、运行工况稳定、维护工作量小,维修方便
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