蒸发设备操作讲解课件.ppt

蒸发器的操作与控制,工艺流程的确定和主体设备的选择,将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。,蒸发,蒸发操作主要目的,1制取增浓的液体产品，如电解法制得的烧碱液的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等；2制取纯净的溶剂，如海水蒸发脱盐制取淡水；3同时制备浓缩溶液和回收溶剂，如中药生产中酒精浸出液的蒸发。（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。）,一、蒸发流程,稀溶液（料液）经过预热加入蒸发器。蒸发器的下部是由许多加热管组成的加热室，在管外用加热蒸汽加热管内的溶液，并使之沸腾汽化，经浓缩后的溶液（完成液）从蒸发器底部排出。蒸发器的上部为蒸发室，其作用是使汽化所产生的蒸汽与夹带的液体分离。为减少汽体夹带的液体量蒸发器顶部还装有除沫器，经过汽液分离的蒸汽被引至冷凝器冷凝成液体而除去。,加热溶液使溶剂汽化蒸发器,不断除去汽化的蒸发溶剂冷凝器,蒸发过程两个重要的组成部分：,两个小概念：生蒸汽蒸发过程所用的加热介质通常为水蒸气，被称为加热蒸汽或生蒸汽。二次蒸汽溶剂由于吸热沸腾汽化而生成的蒸汽被称为二次蒸汽。,一、蒸发流程,二、蒸发设备,辅助设备,蒸发器,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，由加热室和蒸发室两部分组成。冷凝器与蒸发器的蒸发室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。,二、蒸发设备,根据蒸发器中溶液的流动情况，把蒸发器分为循环型与非循环型（单程型）两类。（一）循环型蒸发器 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。,二、蒸发设备,1中央循环管式蒸发器 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，溶液密度较加热管内大，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。优点：结构紧凑、制造方便、投资较少、操作可靠。缺点：溶液的循环速度较低（一般在0.5m/s以下），传热系数较小，且清洗检修比较麻烦。,二、蒸发设备,2.悬筐式蒸发器 它的加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热蒸汽：由壳体上部经管道引入加热室在管束环隙内流动。溶液：在管内和加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间构成的环形通道内流动。因环形通道内溶液的受热程度较弱，因而使溶液形成沿环形通道下行、再由加热管上行的循环运动。优点：悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。溶液循环速度较高(约为11.5m/s)。缺点：结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。,二、蒸发设备,3.外热式蒸发器 特点：加热室与蒸发室分开。这种结构不仅便于清洗与检修，而且可以降低蒸发器的总高度。由于可以采用较长的加热管（管长与管径之比为50100），循环管又不被蒸汽加热，加大了溶液的密度差，因此溶液的循环速度较大，但一般不超过1.5m/s。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液。,二、蒸发设备,4.列文蒸发器 特点：在加热室上部设置沸腾室，加热室的溶液由于受到上方沸腾室液柱产生的压力作用，沸点升高使溶液不在加热管中沸腾，上升到沸腾室时才开始沸腾汽化。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。适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。,二、蒸发设备,特点：利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动，优点：循环速度高，其循环速度在2.5m/s以上。循环速度的大小可通过调节循环泵的流量来控制；对流传热系数高。缺点：动力消耗大，需添加循环泵。适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。,二、蒸发设备,（二）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。,传热效率高，蒸发速度快，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。,二、蒸发设备,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，沿管壁呈膜状向上流动并蒸发。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。适用：蒸发量较大（即稀溶液）、热敏性及易起泡沫的溶液。不适用：高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。,二、蒸发设备,2.降膜蒸发器 原理：溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内，在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动并进行蒸发，汽液混合物从管下端流出，进入分离室，汽、液分离后，完成液由分离室底部排出。适用：浓度高、粘度较大的溶液。不适用：易结晶、结垢的溶液。,二、蒸发设备,这类蒸发器操作良好的关键是使溶液呈均匀的膜状沿各管内壁向下流动，为此在每根加热管的顶部设置液体分布器。,降膜蒸发器的布膜器,二、蒸发设备,3.升降膜式蒸发器 原理：蒸发器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，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。适用：浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。,1-预热器；2-升膜加热室；3-降膜加热室；4-分离室；5-冷凝水,二、蒸发设备,4.刮板薄膜蒸发器原理：它的壳体外部装有加热蒸汽夹套，壳体内装有旋转刮片。料液由蒸发器上部沿切线方向加入后，在重力和旋转刮片刮带下，溶液在壳体内壁上形成旋转下降的液膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。适用：易结晶、易结垢、高粘度的溶液。缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。,二、蒸发设备,（三）蒸发器的选型选型时，一般考虑以下原则：溶液的粘度：高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等。溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器。有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器。,二、蒸发设备,易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式等。,二、蒸发设备,常见蒸发器的主要性能,二、蒸发设备,（四）蒸发器的辅助设备 1.除沫器 作用：将离开分离室的二次蒸汽中的液沫进一步分离。蒸汽中如果夹带着大量的液体，不仅会造成物料损失，还有可能腐蚀下一效加热室中的换热管，二次蒸汽中的液沫要尽可能地除去。,(a)(d)安装在蒸发器的顶部(e)(g)安装在蒸发器的外部,二、蒸发设备,2.冷凝器 作用：冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式冷凝器和直接接触式冷凝器（混合式冷凝器）两类。间壁式冷凝器可采用列管式换热器。除了二次蒸气是有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水的情况采用间壁式冷凝器外，大多采用气液直接接触的混合式冷凝器来冷凝二次蒸汽。,混合式冷凝器,二、蒸发设备,3.真空装置 当蒸发过程在减压下进行时，不凝气需用真空泵抽出，冷却水则需用气压管（也称大气腿）排出。气压管的结构为一水封装置，其下端插入水中。气压管应有足够高度，以保证冷凝器中的水能依靠高位自动流出，而外界的空气不会进入冷凝器内，一般气压管高度为1011m。,蒸发装置操作与控制,蒸发过程工艺参数的确定,工艺参数,单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液浓度物料衡算方程加热蒸汽用量D(kg/h)热量衡算方程蒸发器的传热面积S(m2)传热速率方程,一、水分蒸发量的计算,以蒸发器为系统进行溶质的质量衡算（以kg/h为基准)：,Fx0=(F-W)x1,水分蒸发量：,完成液浓度：,二、加热蒸汽的消耗量,以蒸发器为衡算范围，以kJ/h为单位对进出蒸发器的热量进行衡算（以0液态为温度与物态基准）：,Q=D(H-hc)=F(h1-h0)+W(H-h1)+QL,注：D-蒸汽消耗量，kg/h；H-加热蒸汽的焓，kJ/kg；H-二次蒸汽的焓，kJ/kg；h0原料液的焓，kJ/kg；h1完成液的焓，kJ/kg；hc冷凝水的焓，kJ/kg QL-蒸发器的热损失，J/h。,二、加热蒸汽的消耗量,讨论,.加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出,则H-hc为冷凝潜热r(kJ/kg),二、加热蒸汽的消耗量,.溶液的稀释热可以忽略,当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。,以0的液体为基准，则：,忽略原料液和完成液比热容的差异，即,近似取温度为t1时饱和蒸汽的焓，并忽略溶质浓度对比热容的影响,若溶液为沸点进料(tl=t0)，忽略蒸发器热损失 蒸汽的汽化潜热随压力变化不大(r r)，故D/W 1，蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。实际上 r 1，其值约为1.1或稍高。,二、加热蒸汽的消耗量,上式表明，加热蒸汽相变放出的热量用于：使原料液由t0升温至沸点t1；使水在tl温度下汽化生成二次蒸汽；一部分用于蒸发器的热损失。,三、蒸发器的传热面积,Q=KStm,由传热速率方程：,据此计算蒸发器传热面积S。其中tm、K、Q计算如下:,（一）蒸发器的热负荷Q 蒸发器的热负荷Q可以根据加热室的热量衡算求得。如果忽略加热室的热损失，则Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量：,Q=D（H-hC）=Dr,三、蒸发器的传热面积,(二)传热系数K1.传热系数原则上可按下式计算:,式中：o管间蒸汽冷凝时的对流传热系数，W/(m2K)；i管内溶液沸腾时的对流传热系数，W/(m2K)；Ro管外污垢热阻，(m2K)/W；Rw管壁热阻，(m2K)/W；Ri管内污垢热阻，(m2K)/W。,三、蒸发器的传热面积,2.选用经验值,3.现场测定 对已有的蒸发设备可用实验方法确定其K值，测定方法和换热器传热系数的测定方法相同。,不同类型蒸发器的传热系数的大致范围,三、蒸发器的传热面积,（三）平均温度差tm,蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差（亦称有效温度差）为,tm=T-t1,当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t1，即可计算传热温度差。在实际生产中，由于溶液的真实沸点不便于测量，常以二次蒸汽冷凝器进口附近处或分离室的压强所对应的饱和蒸汽温度T来代替。由于T比溶液的实际沸点t1要低，两者之差称为温差损失，亦称为溶液的沸点升高，用表示，即,t1=T+,三、蒸发器的传热面积,造成温度差损失（沸点升高）的主要原因是：因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差；蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高；二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器时产生压强降，导致的温度差损失（若T指分离室温度时，=0）。即,=+,三、蒸发器的传热面积,注：操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，K；a常压下由于溶质存在引起的沸点升高，K；一校正系数，其值可按下式计算。,1.由于不挥发溶质存在引起的沸点升高 经验公式算法,=a,注：T操作压力下二次蒸汽的温度，K；r操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。,三、蒸发器的传热面积,应用杜林规则估算溶液沸点,杜林规则：溶液的沸点与同压力下溶剂的沸点呈线性关系。在相同压力下分别以某种溶液的沸点为纵坐标，水的沸点为横坐标作图，可得一条直线。对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。,注：tB,tB压力为p和p下溶液的沸点，；tw,tw压力为p和p下水的沸点，；,三、蒸发器的传热面积,NaOH水溶液的杜林线如图示。图中每一条直线代表某一组成下该溶液在不同压力下的沸点与对应压力下水的沸点间的关系。由图可知，当溶液的组成较低时，各组成下杜林直线的斜率几乎平行，这表明在任何压力下，NaOH溶液的沸点升高基本上是相同的。,杜林规则可用公式表示为,tB=k tw+m,或,三、蒸发器的传热面积,2.加热管内液柱高度而引起的沸点升高,某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的沸点升高（温度差损失）。根据流体静力学方程，液层的平均压力为,注：Pm液柱的平均压力，Pa；p分离室内的压强，Pa；溶液的平均密度，kg/m3；L加热管内液柱高度，m。,三、蒸发器的传热面积,由于液柱高度而引起的沸点升高为,=t Pm-tp,式中：tPm压强Pm下水的沸点，；tp与二次蒸汽压强P对应的水的沸点，。,3.由于流动阻力引起的沸点升高二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，温度也相应下降，即蒸发器内蒸汽的冷凝温度高于冷凝器内的冷凝温度。由此造成的沸点升高以 表示。与二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为11.5。,蒸发装置操作与控制,三效并流蒸发器的操作与控制,三效并流蒸发器的操作与控制,蒸发岗位的主要任务是：调控蒸发器的温度、压力、液位、抽真空系统的真空度、各物料流量等工艺参数；对完成液进行浓度或密度分析，保证产品质量；发现并处理蒸发系统中的异常现象和事故；进行设备的日常维护填写生产记录报表。,一、蒸发的操作方法,1.按操作压强分：常压、加压、减压（真空）蒸发 常压蒸发：操作压强等于外界大气压，采用敞口设备，二次蒸汽直接排放到大气中。加压蒸发：加压蒸发的操作在高于大气压的情况下进行。减压蒸发：减压蒸发（或称真空蒸发）就是在低于大气压的条件下进行操作。化工生产中的蒸发操作大都采用减压蒸发。,（一）蒸发操作的分类,一、蒸发的操作方法,减压蒸发具有以下优点：降低了溶液的沸点低，可以增大传热温度差；当热负荷一定时，蒸发器的传热面积可以相应减小；适用于不耐高温热敏性物料的蒸发；因为溶液的沸点降低了，就可以利用低压蒸汽或废汽作为加热剂；操作温度低，热损失相应地减小了。减压蒸发也有一定的缺点:溶液的沸点降低，使得溶液粘度增大，导致总的传热系数下降；减压蒸发还要配置如真空泵、缓冲罐、汽液分离器等辅助设备，使设备投资和操作费用相应增加。,一、蒸发的操作方法,2.按操作过程是否连续分:间歇蒸发、连续蒸发 间歇蒸发：溶液的浓度和沸点随时间而改变，传热的温度差和传热系数也随时间而变，是一非稳态操作过程，适合小批量、多品种的场合使用。连续蒸发：连续蒸发时，料液连续加入蒸发器，完成液连续地从蒸发器放出。蒸发器内各处的浓度与温度不随时间而改变，是稳态操作过程，适合于大规模的生产。,一、蒸发的操作方法,3.按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发、多效蒸发 单效蒸发：将蒸发中汽化出来的二次蒸汽直接冷凝 排放，不再利用，这样的蒸发操作称为单效蒸发。多效蒸发：如果把汽化出来的二次蒸汽引到下一个蒸发器作为加热蒸汽使用，并将多个这样的蒸发器串联起来，这种蒸发操作称为多效蒸发。蒸发的效数由串联的蒸发器的个数划分，分为二效、三效、四效等。大规模的、连续性的生产一般都采用多效蒸发。,一、蒸发的操作方法,（二）蒸发过程的主要经济指标,1.能耗蒸发过程是能耗比较大的单元操作，所以能耗是蒸发过程的一个主 要操作指标。加热蒸汽的经济性：是指每蒸发1kg水需要的加热蒸汽量（kg)，亦称为单位蒸汽消耗量e，表示加热蒸气的利用程度，单位蒸气消耗量是构成蒸发过程能耗的主要部分。若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则,一、蒸发的操作方法,为了降低蒸发过程的能耗，可以采取以下方法：多效蒸发按物料与蒸气的相对流向的不同，多效蒸发有三种常见的加料流程，即并流流程（顺流）、逆流流程和平流流程。下面以三效蒸发为例进行说明。,a.并流（顺流）蒸发原理流程并流流程溶液与蒸气的流向相同，都是由第一效顺序流至末效。第一个蒸发器（称为第一效）蒸出的二次蒸气用作第二个蒸发器（第二效）的加热蒸气，第二个蒸发器蒸出的二次蒸气用作第三个蒸发器（第三效）的加热蒸气。,一、蒸发的操作方法,优点：后效蒸发室压力较前效低，故溶液在效间的输送可以利用效间压差流入后效，无需用泵输送；前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，由于过热而发生自蒸发(闪蒸)，可蒸发更多的溶液。,缺点：后效溶液浓度较前效大，而温度反而降低，故溶液粘度相对较大，使后效的传热系数较前效为小，在后两效中尤为严重。,不适用于粘度随温度和浓度变化较大的溶液,一、蒸发的操作方法,b.逆流蒸发原理流程 溶液的流向与蒸汽的流向相反，即加热蒸汽由第一效进入，而原料液由末效进入，由第一效排出。,一、蒸发的操作方法,优点：随着溶液浓度的逐效提高，溶液的温度也不断提高，因此因组成增高使粘度增大的影响大致与因温度升高使粘度降低的影响相抵，故各效溶液的粘度较为接近，各效的传热系数也大致相同。,缺点：溶液在效间的流动是由低压流向高压，效间溶液需用泵输送，能量消耗较大。各效（末效除外）均在低于沸点下进料，没有自蒸发，与并流法相比，所产生的二次蒸汽量较少。,适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液，但不适用于热敏性物料的蒸发。,一、蒸发的操作方法,c.平流蒸发原理流程平流法是指原料液平行加入各效，完成液分别由各效排出。蒸汽的流向仍由第一效流向末效。,适用于蒸发过程中容易析出结晶的物料(如食盐水在较低浓度下即达到饱和状态而有结晶析出)，可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液。,一、蒸发的操作方法,多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，操作费比单效蒸发小,不同效数时的单位蒸汽消耗量,蒸发同样数量的水分，采用多效蒸发时生蒸汽用量较少，提高了生蒸汽的利用率，但效数与蒸汽的减少不成正比，而设备费用始终正比于效数。效数选取原则：设备费用和操作费用总和最小，通常选取2-3效。,一、蒸发的操作方法,额外蒸气。将蒸发器蒸出的二次蒸气用作其他加热设备的热源时，该蒸气称为额外蒸气。热泵蒸发。将蒸发器蒸出的二次蒸气用压缩机压缩，提高它的压力，使它的饱和温度提高到溶液的沸点以上，然后送入蒸发器的加热室作为加热蒸气，这种方法称为热泵蒸发 冷凝水显热的利用。蒸发器加热室排出的冷凝水温度较高，可以用来预热料液或加热其他物料，也可以用减压闪蒸的方法产生部分蒸气与二次蒸气一起作为下一效蒸发器的加热蒸气。,热泵蒸发,一、蒸发的操作方法,2.蒸发器的生产能力和生产强度蒸发器的生产能力：单位时间内蒸发的水量，即蒸发量W(kg/h),蒸发器的生产强度：单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2h),注：r溶液中水的汽化热，kJ/kg tm蒸发器加热室的平均温度差,k。,一、蒸发的操作方法,生产强度是评价蒸发器在一定操作条件下性能优劣的重要指标。影响因素主要为总传热系数K和传热温度差tm,提高蒸发器的生产强度的途径:,提高传热温度差tm,增大总传热系数K,方法：,方法：,提高热源的温度：如采用高温热源降低溶液的沸点：如采用真空蒸发,增大管内对流传热系数i减少管内侧污垢热阻,二、三效蒸发仿真操作,二、三效蒸发仿真操作,二、三效蒸发仿真操作,1.冷态开车步骤,开车前准备开冷凝器冷凝水开真空泵控制压力0.20atm控制末效温度为负压开冷凝器气压管疏水阀开各蒸发器疏水阀冷物流进料开加料阀并控制流量10000kg/h控制各效液位1.2m热物流进料 控制蒸汽流量2063.4kg/h,二、三效蒸发仿真操作,2.正常操作参数,二、三效蒸发仿真操作,3.正常停车步骤,F101A停车F101B停车F101C停车停真空泵停冷却水关疏水阀,二、三效蒸发仿真操作,3.事故处理,冷物流进料调节阀卡原因：冷物流进料调节阀FV101卡现象：进料量减少，蒸发器液位下降，温度降低、压力减少处理:打开旁路阀V3，保持进料量至正常值。F101A液位超高原因：F101A液位超高现象：F101A液位LIC101超高，蒸发器压力升高、温度增加处理:调整LV101开度，使F101A液位稳定在1.2m,二、三效蒸发仿真操作,真空泵A故障原因：运行真空泵A停现象：画面真空泵A显示为开,但冷凝器E101和末效蒸发器F101C压力急剧上升处理:启动备用真空泵B。,