蒸發操作技術

蒸發操作技術任務一：了解蒸發過程任務二：蒸發過程分析任務三：蒸發設備任務四：蒸發器操作情境三2024/4/5蒸發操作技術

一、蒸發操作過程案例二、蒸發過程分類

三、多效蒸發流程四、蒸發操作應掌握知識和內容

任務一

了解蒸發過程2024/4/5一、蒸發過程案例（一）蒸發過程在化工生產中的應用原理：蒸發是溶液濃縮的單元操作。它采用加熱的方法，使溶有不揮發性溶質的溶液沸騰，其中的部分溶劑被氣化除去，而溶液得到濃縮。1、獲得濃縮的溶液產品，如果汁、牛奶的濃縮等；2、將溶液蒸發增濃后，在進一步處理（如冷卻結晶），以獲得固體產品，如燒堿、抗生素、糖等；3、獲得純凈的溶劑產品，如海水蒸發脫鹽制取淡水等（二）蒸發操作特點1、蒸發目的是為了使溶劑汽化，因此被蒸發的溶液應具有揮發性的溶劑和不揮發性的溶質組成。2、蒸發操作是一個傳熱壁面兩側流體均有相變的傳熱過程，又是一個溶劑從液態轉變成氣態的傳質過程，但溶劑汽化速率主要取決于熱量傳遞速率，因此蒸發體現的主要還是傳熱規律。3、蒸發操作處理的是含有不揮發性溶質的溶液，在相同溫度下，溶液的蒸汽壓低于純溶劑的蒸汽壓，所有在相同壓力下，溶液的沸點高于純溶劑的沸點。4、蒸發操作不同于一般傳熱過程，溶液性質往往對蒸發器的設計提出特殊要求。5、蒸發操作中要將大量溶劑汽化，需要消耗大量的熱能，因此，蒸發操作的節能問題將比一般傳熱過程更為突出。（三）蒸發過程案例

圖7-1所示為水溶液全循環法生產尿素的流程示意圖。分離出的尿液在不同真空度下加熱蒸發，低壓分離器出口尿液濃度達99.7%（質量分數）以上，用熔融尿素泵16打入造粒塔17，經造粒噴頭成為尿粒，在塔底得到尿素成品。1、尿素的生產隔膜法生產燒堿的主要過程如圖7-2所示。從隔膜電解槽出來的電解液中NaOH的含量較低，因此生產上可將稀堿液蒸發，使其中大量的水分發生汽化并除去，這樣原堿液中的溶質NaOH的濃度就得到了提高。通過蒸發可以得到42%或50%左右符合工藝要求的濃堿液。2、燒堿的生產二、蒸發過程分類（一）按蒸發方式分：1、自然蒸發：即溶液在低于沸點溫度下蒸發，如海水曬鹽，這種情況下，因溶劑僅在溶液表面汽化，溶劑汽化速率低。2、沸騰蒸發：將溶液加熱至沸點，使之在沸騰狀態下蒸發。工業上的蒸發操作基本上皆是此類。（二）按加熱方式分：1、直接熱源加熱它是將燃料與空氣混合，使其燃燒產生的高溫火焰和煙氣經噴嘴直接噴入被蒸發的溶液中來加熱溶液、使溶劑汽化的蒸發過程。2、間接熱源加熱容器間壁傳給被蒸發的溶液。即在間壁式換熱器中進行的傳熱過程。

（三）按操作壓力分:

可分為常壓、加壓和減壓（真空）蒸發操作。很顯然，對于熱敏性物料，如抗生素溶液、果汁等應在減壓下進行。而高粘度物料就應采用加壓高溫熱源加熱（如導熱油、熔鹽等）進行蒸發（四）按效數分:可分為單效與多效蒸發。若蒸發產生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，稱為單效蒸發，若將二次蒸汽作為下一效加熱蒸汽，并將多個蒸發器串聯，此蒸發過程即為多效蒸發。三、多效蒸發操作流程1、并流流程

即加熱蒸氣和原料液均順次流經各效。這種加料的特點是前一效到后一效可自動加料，后一效中的物料會產生自蒸發，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度會隨效數的增加而增大，使傳熱系數逐效下降，所以并流加料不適宜處理隨濃度增加而增加較高的物料采用多效蒸發的目的是為了減少新鮮蒸氣用量，具體方法是將前一效的二次蒸氣作為后一效的加熱蒸氣。2、逆流流程

即加熱蒸氣走向與并流相同，而物料走向則與并流相反。這種加料的特點是各效中的傳熱系數較均勻，適于處理黏度隨溫度變化較大的物料。3、平流流程即加熱蒸氣走向與并流相同，但原料液和完成液則分別從各效中加入和排出。這種流程適用于處理易結晶物料。四、蒸發操作應掌握的知識和能力1、蒸發原理及流程2、單效蒸發的基本計算3、多效蒸發流程及其對節能的意義4、蒸發操作分析5、蒸發器結構特點、操作及維護蒸發操作技術

一、單效蒸發工藝計算二、蒸發器生產強度及影響因素三、蒸發過程經濟性與節能

任務二

蒸發過程分析2024/4/5一、單效蒸發設計計算（一）蒸發水量的計算蒸發操作中，由于溶質是不揮發物質，因此，蒸發前后其質量不變，對它作物料衡算，可得蒸發量，即

（二）加熱蒸氣消耗量的計算

加熱蒸氣用量由熱量衡算確定。若只利用加熱蒸氣的冷凝潛熱，則冷凝液在飽和溫度下排出，其用量為若溶液為沸點加熱，且不計熱損失，則為式中：D/W稱為單位蒸氣消耗量，r′為加熱蒸氣的冷凝潛熱；r為二次蒸氣的冷凝潛熱。（三）蒸發器傳熱面積的計算1、傳熱平均溫度差Δtm的確定在蒸發操作中傳熱的平均溫度差應為△tm=T-t1,稱為有效溫度差，式中T

為加熱蒸氣的溫度；t1為溶液的沸點，此值需通過計算獲得。若蒸發操作的熱源為飽和水蒸氣，則T可由水蒸氣表查得。溶液的沸點t1，通常是根據冷凝器的壓力p，查飽和水蒸氣表得二次蒸氣得冷凝溫度T’，再計算出各種溫度差損失后，用下式計算：

，

溫度差損失包括：A、溶液的沸點升高△’

式中T’和

r’

均指操作壓力下二次蒸氣的飽和溫度和汽化潛熱。B、液柱靜壓頭引起的溶液沸點升高△”△’常為溶液在常壓下因溶質存在而較純溶劑（水）的沸點升高值

液柱靜壓頭引起的溶液沸點升高，以△”表示△’’=tav-tb近似計算式中tav

、tb分別為pav

、p＇壓力水蒸氣的飽和溫度。C、管道阻力產生壓降引起的溫度差損失△’’’

該損失是二次蒸氣由分離室出口到冷凝器之間的壓降所造成的溫度差損失，通常取△’’’=1℃。

因此，蒸發過程中的總溫度差△損失為△=△’＋△’’＋△’’’

2、總傳熱系數K的確定蒸發器的總傳熱系數可按下式計算

通常總傳熱系數K仍主要靠現場實測確定，設計時也可查表取值估計。二、蒸發器的生產能力與生產強度（二）蒸發器的生產強度蒸發器的生產強度u簡稱蒸發強度，是指單位時間單位傳熱面積上所蒸發的水量，kg/(m2·h)

（一）蒸發器的生產能力蒸發器的生產能力可用單位時間內蒸發的水分量來表示。由于蒸發水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產能力也可表示為蒸發強度通常可用于評價蒸發器的優劣，對于一定的蒸發任務而言，若蒸發強度越大，則所需的傳熱面積越小，即設備的投資就越低。（三）提高蒸發強度的途徑提高傳熱溫度差1、真空蒸發2、高溫熱源3、提高蒸汽壓力提高總傳熱系數1、蒸發器的總傳熱系數主要取決于溶液的性質、沸騰狀況、操作條件以及蒸發器的結構等。2、實現良好的溶液循環流動，及時排除加熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發器（加熱室內管），均是提高和保持蒸發器在高強度下操作的重要措施。三、蒸發過程的經濟性和節能（一）蒸發過程的經濟性蒸發過程是一個能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評價其優劣的另一個重要評價指標，或稱為加熱蒸氣的經濟性，其定義為1kg蒸氣可蒸發的水分量，即E=W/D額外蒸氣的引出，供其它設備使用，可大大提高其經濟性，同時還降低了冷凝器的負荷，減少冷卻水量。

(二）多效蒸發效數的限制1、溶液的溫度差損失單效和多效蒸發過程中均存在溫度差損失,多效蒸發的溫度差損失較單效時的大。不難理解，效數越多，溫度差損失將越大。2、多效蒸發效數的限制隨著效數的增加，單位蒸汽的消耗量會減少，即操作費用降低，但是有效溫度差也會減少（即溫度差損失增大），使設備投資費用增大。因此必須合理選取蒸發效數，使操作費和設備費之和為最少。

（三）蒸發過程的節能措施1、二次蒸汽的部分利用：二次蒸汽從蒸發室出來，帶有大量的熱，可利用這部分潛熱作為其它加熱設備的熱源，即廢熱利用又可節約大量的冷卻水。

2、冷凝水的利用：從蒸發器的加熱室有大量的冷凝水排出，這部分冷凝水溫度高而且潔凈，完全可用它預熱原料或加熱其它物料。

3、熱泵蒸發：這種操作只需在蒸發開始時需加熱蒸汽，操作穩定后就不再需要加熱蒸汽。只需提供使二次蒸汽升壓的動力，即節省大量的加熱蒸汽又可節約冷卻水。但熱泵蒸發不適用沸點升高較大的溶液蒸發。蒸發操作技術

一、蒸發器類型二、蒸發器選型三、蒸發器附件

任務三

蒸發過程分析2024/4/5一、蒸發器類型1、中央循環管式蒸發器

它主要由加熱室、蒸發室、中央循環管和除沫器組成。中央循環管蒸發器的主要優點是：結構簡單、緊湊，制造方便，操作可靠，投資費用少。缺點是：清理和檢修麻煩，溶液循環速度較低，傳熱系數小。它適用于粘度適中，結垢不嚴重，有少量的結晶析出，及腐蝕性不大的場合。中央循環管式蒸發器在工業上的應用較為廣泛。（一）自然循環型蒸發器圖3-1中央循環管式蒸發器

2、懸筐式蒸發器：（1）結構：加熱室像個筐，懸掛在加熱室中（2）循環原理：溶液是沿加熱室與殼體所形成的環隙進行的，環隙截面積約為加熱管束總面積的100%-150%；（3）特點：①熱損小，因蒸發器外殼接觸的是溫度較低的料液；②易檢修，因加熱室可由蒸發器頂部取出，③循環速度較前者大；④結構復雜；（4）適用：在蒸發過程中易結晶、結垢的溶液。3、外加熱式蒸發器外加熱式蒸發器如圖3-2所示。其主要特點是把加熱器與分離室分開安裝，這樣不僅易于清洗、更換，同時還有利于降低蒸發器的總高度。這種蒸發器的加熱管較長（管長與管徑之比為50～100），且循環管又不被加熱，故溶液的循環速度可達1.5m/s，它既利于提高傳熱系數，也利于減輕結垢。圖3-2外加熱式蒸發器

（二）強制循環發生器

為提高循環速度，可用循環泵進行強制循環。這種蒸發器的循環速度可達1.5～5m/s。其優點是，傳熱系數大，利于處理粘度較大、易結垢、易結晶的物料。但該蒸發器的動力消耗較大，每平方米傳熱面積消耗的功率約為0.4～0.8kW。（三）單程型蒸發器

在單程型蒸發器中，物料沿加熱管壁成膜狀流動，一次通過加熱器即達濃縮要求，其停留時間僅數秒或十幾秒。另外，離開加熱器的物料又得到及時冷卻，因此特別適用于熱敏性物料的蒸發。但由于溶液一次通過加熱器就要達到濃縮要求，因此對設計和操作的要求較高。由于這類蒸發器的加熱管上的物料成膜狀流動，故又稱膜式蒸發器。

1、升膜式蒸發器如圖3-3所示，它的加熱室由一根或數根垂直長管組成。這種蒸發器需要精心設計與操作，即加熱管內的二次蒸汽應具有較高速度，并獲較高的傳熱系數，使料液一次通過加熱管即達到預定的濃縮要求。升膜蒸發器適宜處理蒸發量較大，熱敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不適于高粘度、有晶體析出和易結垢的溶液。圖3-3升膜式蒸發器

2、降膜式蒸發器降膜式蒸發器可用于蒸發粘度較大，濃度較高的溶液，但不適于處理易結晶和易結垢的溶液，這是因為這種溶液形成均勻液膜較困難，傳熱系數也不高。如圖3-4所示，原料液由加熱室頂端加入，經分布器分布后，沿管壁成膜狀向下流動，氣液混合物由加熱管底部排出進入分離室，完成液由分離室底部排出。設計和操作這種蒸發器的要點是：盡力使料液在加熱管內壁形成均勻液膜，并且不能讓二次蒸汽由管上端竄出。圖3-4降膜式蒸發器

3、刮板式蒸發器如圖3-5所示，它是一種適應性很強的新型蒸發器，例如對高粘度、熱敏性和易結晶、結垢的物料都適用。它主要由加熱夾套和刮板組成，夾套內通加熱蒸汽，刮板裝在可旋轉的軸上，刮板和加熱夾套內壁保持很小間隙，在某些場合下，這種蒸發器可將溶液蒸干，在底部直接得到固體產品。這類蒸發器的缺點是結構復雜（制造、安裝和維修工作量大）加熱面積不大，且動力消耗大。圖3-5刮板式薄膜蒸發器

二、蒸發器的選型蒸發器的結構形式較多，選用和設計時，要在滿足生產任務要求，保證產品質量的前提下，盡可能兼顧生產能力大，結構簡單，維修方便及經濟性好等因素。表3-1列出了常見蒸發器的一些重要性能，可供選型的參考。蒸發器型式總傳熱系數W/(m2·K)中央循環管式580～3000帶攪拌的中央循環管式1200～5800懸筐式580～3500自然循環1000～3000強制循環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、蒸發設備的附屬裝置（一）除沫器（汽液分離器）蒸發操作時產生的二次蒸汽，在分離室與液體分離后，仍夾帶大量液滴，尤其是處理易產生泡沫的液體，夾帶更為嚴重。為了防止產品損失或冷卻水被污染，常在蒸發器內（或外）設除塵器。圖3-6為幾種除塵器的結構示意圖。圖中（a）～（d）直接安裝在蒸發器頂部，（e）～（g）安裝在蒸發器外部。圖3-6幾種除沫器結構示意圖

（二）冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有間壁式和直接接觸式兩種，倘若二次蒸汽為需回收的有價值物料或會嚴重污染水源，則應采用間壁式冷凝器，否則通常采用直接接觸式冷凝器。后一種冷凝器一般均在負壓下操作，這時為將混合冷凝后的水排出，冷凝器必須設置得足夠高，冷凝器底部的長管稱為大氣腿。（三）真空裝置當蒸發器在負壓下操作時，無論采用哪一種冷凝器，均需在冷凝器后安裝真空裝置。需要指出的是，蒸發器中的負壓主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空裝置僅是抽吸蒸發系統泄漏的空氣、物料及冷卻水中溶解的不凝性氣體和冷卻水飽和溫度下的水蒸汽等，冷凝器后必須安真空裝置才能維持蒸發操作的真空度。常用的真空裝置有噴射泵、水環式真空泵、往復式或旋轉式真空泵等蒸發操作技術

一、蒸發器操作二、蒸發器維護三、蒸發系統常見故障及處理

任務四

蒸發器操作2024/4/5一、蒸發器操作（一）開車1、開車前腰準備好泵、儀表、蒸汽和冷凝水管路；2、根據物料、蒸發設備及所附帶的自控裝置不同，按照事先定好的程序，通過控制室依次按規定的順序開啟加料閥、蒸汽閥，并依次檢查各效分離罐液位顯示；3、當液位達到規定值時開啟相關輸送泵；4、設置有關儀表設定值，同時置其為自動狀態；5、對需要抽真空的裝置進行抽真空；6、檢測各效溫度，檢查蒸發情況；7、通過有關儀表觀測產品濃度，然后增大有關蒸汽閥門開度以提高蒸汽流量；8、當蒸汽流量達到期望值時，調節加料流量以控制濃縮液濃度。（二）蒸發過程正常操作要點1、料液液面高度對蒸發過程的影響蒸發器液面的正常與穩定對蒸發操作十分必要。液面過低，加熱室的加熱管上方易結鹽，影響料液的正常循環，降低加熱效率，甚至會引起加熱管局部或全部堵塞，以致無法正常作。對于強制循環蒸發器，過低的液面會使循環泵發生氣蝕和振動，危及泵的安全運行。液面過高，會導致較大的液面靜壓，使料液沸點上升，傳熱溫差變小，生產能力下降，液面過高還會使氣液分離空間過小，容易出現從二次蒸汽管中跑堿的事故。因而在各效蒸發器內液面高度應保持適宜。一般懸筐式、標準式一類自然循環蒸發器適宜液面定在加熱室以上0.5m處，列文式蒸發器在沸騰區上方0.3～0.5處。2、真空度對蒸發過程的影響真空度也是蒸發操作中的一個重要工藝條件。真空度過低，不但蒸發裝置的生產能力得不到充分發揮，而且還會增加蒸汽消耗量，因此蒸發系統采用較高的真空度，以增大末效及整個蒸發系統的傳熱溫差，從而提高裝置的生產能力。真空度增大，還可以降低蒸發系統的蒸汽消耗，同時，真空度增大，可使堿液沸點降低，堿液離開蒸發系統帶走的熱量減少，并可減少預熱所用蒸汽量。實際生產中應采用盡可能高的真空度，以達到高產低耗的目的。3、影響真空度的因素有如下幾方面。（1）不凝氣。蒸發過程中的不凝氣主要是空氣。由于真空設備單位時間排除不凝氣的能力有限，所以要盡量減少帶入系統的不凝氣量。不凝氣來自以下三個部分：二次蒸汽夾帶的不凝氣；冷卻水進入真空系統后釋放出其中溶解的不凝氣；真空系統管道和設備的各個連接位漏入的不凝氣。為提高蒸發裝置的真空度，必須提高管道和設備的密閉性能。（2）真空系統的阻力。真空系統內的蒸汽和不凝氣的流速很大，在流動過程中會有較大的阻力，引起真空度損失。（3）冷卻水量和溫度。末效蒸發器的真空度是通過冷凝蒸汽，并引除不凝氣而形成的。理論上最大真空度應是大氣壓與冷凝器排出冷卻水在此溫度下的飽和蒸汽壓之差。由于水的飽和蒸汽壓是隨水溫升高而增大的。所以，水溫越高可達到的真空度越低。蒸發系統生產能力一定時，冷凝的蒸汽量基本不變。因此，冷卻下水溫度高低取決于冷卻水的水溫和水量。

（三）停車

1、正常停車

（1）先關蒸汽閥。（2）關閉進料閥。（3）待蒸發器中料液放凈后，關閉出料閥。（4）向蒸發器中加進60度左右的沖洗水，把設備沖洗干凈。（5）停電機。（6）停循環水泵，停噴射泵，打開真空破壞閥，使系統處于常壓狀態。2、緊急停車

（1）下列情況要緊急停車A、突然停電或突然跳閘。B、蒸汽減壓閥失靈，壓力超過規定壓力。