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1、第九章 蒸发与结晶设备计 划授课时间 4学时单元目标与要求熟悉常压蒸发的原理与设备结构及基本计算， 掌握结晶原理及方法和设备的操作控制过程。授课内容常压与真空蒸发设备，结晶设备。 重点和难点结晶原理及方法和设备计算，结晶操作控制过 程。n蒸发的定义将溶液加热至沸腾，使溶剂汽 化并不断除去，溶质浓度增加。n结晶的定义物质自溶液中形成晶体析出的 过程n充足的热源n溶剂蒸汽能迅速排除n一定的换热面积一、蒸发器的基本条件二、蒸发方式分类1、按使用压力分类加压、常压、真空 2、按蒸汽利用分类单效、多效、热泵 3、按设备型式分类中央循环管式、夹套式、盘管式、刮 板式 4、按物料启动情况分类 自然循环、强制
2、循环、薄膜式n设备动画5蒸发器5-01中央循环管蒸发器.swfn设备动画5蒸发器液体蒸发简化流程.swfn设备动画5蒸发器5-02外加热式蒸发器.swfn设备动画5蒸发器5-03强制循环蒸发器.swf第一节常压与真空蒸发设备蒸发设备常压蒸发设备真空蒸发设备真空蒸发设备真空蒸发定义溶液在真空状态，较低温度 下沸腾、溶剂汽化的过程。热敏性物料特性及对蒸发的要求n热敏性物料 n对热过程敏感，受热后会引起产物发生化学变 化或物理变化而影响产品质量的物料。薄膜式蒸发器（一）分类n管式薄膜蒸发 器:升膜式、降 膜式、升降膜式 n刮板式薄膜蒸发器 n离心薄膜蒸发1. 升膜式蒸发器n结构:加热室由许多垂直 长
3、管组成加热室由许多垂直长管 组成，加热管直径为25-50mm，管长和管径之比约为100 -150。上部有汽液分离室。n设备动画5蒸发器5-04升膜式蒸发器 .swfn特点:形成的液膜与蒸发的气流的方向 相同，由下而上的并流上升 n升膜式蒸发时膜的形成升膜式蒸发时膜的形成C、液相因混有蒸汽气泡，使 液体静压头下降，液体继续受 热，温度不断升。气泡增大， 气体上升的速度则加快。A、B溶液沸腾自然对流运动加 热阶段:温度升得越高对流越激 烈，溶液便开始沸腾时，产生 蒸汽气泡分散于连续的液相中 。由于蒸汽气泡的密度小，故 气泡通过液体而上升。E、液体下降较多时，大个柱 状汽泡则被液层截断。D、当气泡继
4、续增大形成柱状 ，占据管子中部的大部分空间 时，气体以很大的速度上升， 而液体受重力作用沿气泡边缘 下滑.f.温度继续上升，蒸发速度继续增加 ，气泡的上升速度激增，蒸汽的密度 增大，由于重力作用，滑流下来的液 体很快受热蒸发，未蒸发的浓缩液体 也被高速气流拖带上升，气泡断层不 能形成，蒸气占据了整个管子中部空 间，液体只能分布于管壁，开始形成 液膜，这时称为“环形流”。g.变成带有液体雾沫的喷雾环形 流液体的上升是靠高速蒸汽气 流对液层的拖带而形成，称之 为“爬膜”现象。这时液膜沿 管壁上升不断受热蒸发，浓度 不断增大，最后与蒸汽一齐离 开，管子越高则上升蒸发时间 越长，溶液浓缩越大。gA操作
5、控制在和之间g.变成带有液体雾沫的喷雾 环形流液体的上升是靠高 速蒸汽气流对液层的拖带 而形成，称之为“爬膜” 现象。这时液膜沿管壁上 升不断受热蒸发，浓度不 断增大，最后与蒸汽一齐 离开，管子越高则上升蒸 发时间越长，溶液浓缩越 大。如果汽速进一步增 加，雾沫夹带进一步 严重，使液膜上升的 速度赶不上溶液蒸发 速度，则加热管上的 液膜将会出现局部被 干燥、结疤、结垢、 结焦等现象。可见管 膜式蒸发的操作状况 最好是形成爬膜到出 现喷雾流之间。 升膜式蒸发器的结构 :这种蒸发器浓缩 物料的时间很短，对 热敏性物料质量很少 影响，但不适用于粘度 较大的和受热后易产 生积垢的，或浓缩后 有结晶析出
6、的物料。管径一般在25 28毫米之间，管长与 管径之比一般为 100 150 。(4)升膜式蒸发器的传热系数升膜式蒸发的传热系数是不稳定的 ，它是随操作状况而变化。一条加热管 中出现成膜过程有几个阶段，各阶段的 传热系数各不相同。管子下部浸没溶液 的一段为加热段，内部液体只靠自然对 流循环，故它的传热系数很低，加热段 的长度随进料温度和温度差不同而变化 。物料受热后，沸腾传热系数也得到很 大的提高，但传热系数是随管子高度而 变化的。 n优点：浓缩物料时间短，对热敏 性物料影响小。n缺点：不适宜粘度大和受热后易 积垢及浓缩后产生结晶的物料。（5）优缺点2、降膜式蒸发器n特点：形成的液膜与蒸发的汽
7、流方向相同 ，物料自上面进下面出。n结构：与升膜式不同的关键部件是分配器设备动画5蒸发器5-05降膜式蒸发器.swf(3)分配器类型筛板型、锯齿型、导流棒型、旋液导 流型设备动画5蒸发器5-06降膜式液体分布器.swf齿形溢流口 在加热管的上方管口周 边切成锯齿形，以增加液体 的溢流周边。当液面稍高于 管口时，则可以沿周边均匀 地溢流而下，由于加热管管 口高度一致，溢流周边比较 大，致使各管子间或管子的 各向溢流量比较均匀。当液 位稍有差别时，不致引起很 大的溢流差别，但当液位差 别比较大，液位高度有变化 时，深液分布还是不够均匀 导流棒 在每根加热管的上端管管 口插入一根呈八字形的导流 棒。
8、棒底的宽边与管壁成一 定的均匀间距，液体在均匀 环形间距中流入加热管内周 边，形成薄膜。这样液体流 过的通道不变，液体的流量 只受管板上液面高度变化所 影响，这样分布比较均匀， 但遇有物料带颗粒时，则会 造成堵塞的影响。 3、旋液导流器 液体沿管壁 周边旋转向 下，这样可 以减少管内 各向物料的 不均匀性， 同时又可以 增加液体流 动速度，减 速薄加热表 面的边界层 ，降低热阻 ，提高传热 系数。使液 体旋转进入 加热管的方 法如下： （1）螺纹导流 管 在加热管 口插入刻有 螺旋形沟槽 的导流管， 当液体沿着 沟槽下流时 ，则使液体 形成一个旋 转的运动方 向。2）切线进料旋流器 旋流器插放
9、在加热 管口上方，液体以 切线方向进入而形 成旋流，但是设计 时要注意各切线进 口的均匀分布，否 则会互相影响而造 成进料不均匀 它是利用液体的自流作用进行分配的。在 管板上方一定距离水平安装一块筛孔板，筛孔 对准加热管之间的管板，当筛板上面保持一定 液层时，液体从筛孔淋洒到管板上，液体离各 加热管口距离相等，就沿管板均匀流散到各管 子的边沿，成薄膜状沿管壁下流。为了保证液 流的分布均匀，可采用二层或三层筛板，多次 分配，这种分配设备虽然很简单，但只是作稀 薄液体的分配，对粘稠物料难以分配均匀。 分配筛板3.升膜、降膜式蒸发器的比较n升膜式蒸发器：成膜方便，不存在液体分配 不匀的问题，但是不适
10、合粘度大的液体浓缩n降膜式蒸发器：成膜均匀度不如升膜式，适 合粘度较高的物料浓缩。 4.升降膜蒸发器n易达到升膜。n有利于液膜体 均匀分布 。n有利于操作。n两个浓缩过程串联，可 提高产品的浓缩比，减 低设备高度。 5、刮板式蒸发器n定义是通过旋转的刮板使液料形成液 膜的蒸发设备。n结构：刮板、蒸发室、转动 轴、轴承、轴封、夹套加热 室、物料分配盘n关键部件：刮板和内圆筒n操作液料从进料管以稳定的 流量进入随轴旋转的分配盘 中，在离心力的作用下，通 过盘壁小孔被抛向器壁，受 重力作用沿器壁下流，同时 被旋转的刮板刮成薄膜，薄 膜溶液在加热区受热，蒸发 浓缩，同时受重力作用下流 。 操作过程n物
11、料进入蒸发器通过分配盘在离心力的 作用下，被甩向器壁，沿壁下降，同时 被旋转的刮板刮成薄膜，边浓缩边下流 ，在此过程中被不同的刮板翻动下推， 并不断地形成新薄膜，直到料液离开蒸 发器。二次蒸汽由蒸发器上面排出。n刮板式蒸发器特点 n这种蒸发器传热系数较高。n结构简单。设备加工精度高。n圆筒的直径一般不大。一般选择在300 500毫米为宜。n蒸发器加热室的圆筒内表面必须经过精 加工。n轴要有足够的机械强度。n蒸发器在离心力场的作用下具有很高传 热系数。优 点利用旋转的离心盘所产生的离心力 对溶液的周边分布作用而形成薄膜。 传热效率很高，蒸发强度很大，由于 离心力的作用，雾沫夹带现象很少， 物料加
12、热时间很短，特别适合热敏性 物料的蒸发。主要部件 离心盘:为梯形碟片，上、下 片之间形成夹套结构。夹套间 有一定间隙，形成加热蒸发室6.离心式薄膜蒸发器操作 物料从进料管2进入，由各个喷嘴5分 别向各碟片组下表面即碟片7的外表面 喷出，均匀分布于碟片锥顶的表面液 体受离心力作用向周边运动扩散成液 膜，受热蒸发浓缩，浓缩液到碟片周 边就沿套环的垂直通道15升到环形液 槽4，由吸料管17抽出到浓缩液贮罐。 从碟片表面蒸发出的二次蒸汽通过碟 片中部大孔上升汇集进入冷凝器。加 热蒸汽由旋转的轴14通入，并由小通 道进入碟片组间隙加热室，冷凝水受 离心作用迅速离开冷凝表面，从小通 道 出落到转鼓的取低位
13、置，从固定的 中心管13排出。原理:利用旋转的离心盘所产生的离心 力对溶液的周边分布作用而形成薄膜 。特点:传热效率很高，蒸发强度很大， 由于离心力的作用，雾沫夹带现象很 少，物料加热时间很短，特别适合热 敏性物料的蒸发。 （四）蒸发器的附属设备 1、汽液分离器（捕沫器）使蒸汽的流动方向突变，从而分离了雾 沫（1）装于蒸发器顶盖下面的分离器 （c）是用细金丝，塑料丝等编成网带，分离效果好，压强降较小，可以分离直径小 于10m的液滴。（d）是蒸汽在分离器中作圆周运动，因离心作用将气流中液滴分离（2）装于蒸发器外面的分离器（a）是隔板式，（b）（c）（d）是旋风分离器，其分离效果较好。（二）冷凝与
14、不凝气体的排除装置n在蒸发操作过程中，二 次蒸汽若是有用物料， 应采用间接式冷凝器回 收；二次蒸汽不被利用 时，必须冷凝成水方可 排除，同时排除不凝性 气体。对于水蒸气的冷 凝，可采用汽、水直接 接触的混合式冷凝器。四、蒸发器的选型选型时应考滤以下因素。 1溶液的粘度蒸发过程中溶液粘度变化的范围，是选型首要考虑的因素 2溶液的热稳定性长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采 用滞料量少、停留时间短的蒸发器。 3有晶体析出的溶液对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外加热式蒸发器或强制循 环蒸发器。 4易发泡的溶液易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫 ，充满了整个分离室后即随
15、二次蒸汽排出，不但损失物料， 而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外加热式蒸发器、强 制循环蒸发器或升膜式蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬 筐蒸发器设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。5有腐蚀性的溶液蒸发腐蚀性溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或内壁 衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用直接接触式 蒸发器。 6易结垢的溶液无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有 污垢生成。垢层的导热系数小，因此对易结垢的溶液，应 考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。 7溶液的处理量溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面积大于 10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20 m
16、2以上时，宜采用多效蒸发操作。1、蒸发系统的节能技术 （1）多效蒸发 （2）二次蒸汽再压缩（热泵蒸发） 热泵的形式： 机械式热泵：消耗电能将低压蒸汽压缩为较高压力蒸汽。 蒸汽喷射泵：利用高压蒸汽压缩低压蒸汽，得到较高压力的 混合蒸汽 （3）额外蒸汽 （4）冷凝水显热的利用2、蒸发技术的应用五、蒸发的应用与节能第二节 结晶设备一、结晶理论结晶的基本概念结晶原理利用溶质之间溶解度的差异来 进行分离纯化过饱和溶液的临界晶体半径过饱和溶液呈相平衡时的微小晶体半径RnRRn 的晶体CCn，自动溶解R Rn 的晶体CCn，自动生长结晶曲线n饱和曲线溶质在特定溶剂中溶解度与温度 的关系曲线 n过饱和曲线溶液过饱度与结晶的关系曲线饱和曲线与过饱和曲线图 浓度 蒸发过饱和曲线不稳区 饱和曲线 冷却 介稳区E稳定区 温度
