第八章 蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備

第八章蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

蒸發(fā)的定義將溶液加熱至沸騰，使溶劑汽化并不斷除去，溶質(zhì)濃度增加。結(jié)晶的定義

物質(zhì)自溶液中形成晶體析出的過程第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四充足的熱源溶劑蒸汽能迅速排除一定的換熱面積一、蒸發(fā)器的基本條件第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

二、蒸發(fā)方式分類1、按使用壓力分類

加壓、常壓、真空2、按蒸汽利用分類

單效、多效、熱泵3、按設(shè)備型式分類

中央循環(huán)管式、夾套式、盤管式、刮板式4、按物料啟動情況分類

自然循環(huán)、強制循環(huán)、薄膜式第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-01中央循環(huán)管蒸發(fā)器.swf設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\液體蒸發(fā)簡化流程.swf設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-02外加熱式蒸發(fā)器.swf設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-03強制循環(huán)蒸發(fā)器.swf第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

第一節(jié)

常壓與真空蒸發(fā)設(shè)備第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

蒸發(fā)設(shè)備

常壓蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備

第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

真空蒸發(fā)設(shè)備

真空蒸發(fā)定義

溶液在真空狀態(tài)，較低溫度下沸騰、溶劑汽化的過程。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四熱敏性物料特性及對蒸發(fā)的要求

熱敏性物料對熱過程敏感，受熱后會引起產(chǎn)物發(fā)生化學變化或物理變化而影響產(chǎn)品質(zhì)量的物料。

第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四薄膜式蒸發(fā)器

（一）分類管式薄膜蒸發(fā)器:升膜式、降膜式、升降膜式刮板式薄膜蒸發(fā)器離心薄膜蒸發(fā)第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四1.升膜式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu):加熱室由許多垂直長管組成加熱室由許多垂直長管組成，加熱管直徑為25-50mm，管長和管徑之比約為100-150。上部有汽液分離室。設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-04升膜式蒸發(fā)器.swf第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四特點:形成的液膜與蒸發(fā)的氣流的方向相同，由下而上的并流上升升膜式蒸發(fā)時膜的形成第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四升膜式蒸發(fā)時膜的形成C、液相因混有蒸汽氣泡，使液體靜壓頭下降，液體繼續(xù)受熱，溫度不斷升。氣泡增大，氣體上升的速度則加快。A、B溶液沸騰自然對流運動加熱階段:溫度升得越高對流越激烈，溶液便開始沸騰時，產(chǎn)生蒸汽氣泡分散于連續(xù)的液相中。由于蒸汽氣泡的密度小，故氣泡通過液體而上升。第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四E、液體下降較多時，大個柱狀汽泡則被液層截斷。D、當氣泡繼續(xù)增大形成柱狀，占據(jù)管子中部的大部分空間時，氣體以很大的速度上升，而液體受重力作用沿氣泡邊緣下滑.第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四f.溫度繼續(xù)上升，蒸發(fā)速度繼續(xù)增加，氣泡的上升速度激增，蒸汽的密度增大，由于重力作用，滑流下來的液體很快受熱蒸發(fā)，未蒸發(fā)的濃縮液體也被高速氣流拖帶上升，氣泡斷層不能形成，蒸氣占據(jù)了整個管子中部空間，液體只能分布于管壁，開始形成液膜，這時稱為“環(huán)形流”。g.變成帶有液體霧沫的噴霧環(huán)形流液體的上升是靠高速蒸汽氣流對液層的拖帶而形成，稱之為“爬膜”現(xiàn)象。這時液膜沿管壁上升不斷受熱蒸發(fā)，濃度不斷增大，最后與蒸汽一齊離開，管子越高則上升蒸發(fā)時間越長，溶液濃縮越大。gA操作控制在Ｆ和ｇ之間第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四g.變成帶有液體霧沫的噴霧環(huán)形流液體的上升是靠高速蒸汽氣流對液層的拖帶而形成，稱之為“爬膜”現(xiàn)象。這時液膜沿管壁上升不斷受熱蒸發(fā)，濃度不斷增大，最后與蒸汽一齊離開，管子越高則上升蒸發(fā)時間越長，溶液濃縮越大。第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四如果汽速進一步增加，霧沫夾帶進一步嚴重，使液膜上升的速度趕不上溶液蒸發(fā)速度，則加熱管上的液膜將會出現(xiàn)局部被干燥、結(jié)疤、結(jié)垢、結(jié)焦等現(xiàn)象?？梢姽苣な秸舭l(fā)的操作狀況最好是形成爬膜到出現(xiàn)噴霧流之間。

第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

升膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu):

這種蒸發(fā)器濃縮物料的時間很短，對熱敏性物料質(zhì)量很少影響，但不適用于粘度較大的和受熱后易產(chǎn)生積垢的，或濃縮后有結(jié)晶析出的物料。管徑一般在25～28毫米之間，管長與管徑之比一般為

100－150

。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四(4)升膜式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)

升膜式蒸發(fā)的傳熱系數(shù)是不穩(wěn)定的，它是隨操作狀況而變化。一條加熱管中出現(xiàn)成膜過程有幾個階段，各階段的傳熱系數(shù)各不相同。管子下部浸沒溶液的一段為加熱段，內(nèi)部液體只靠自然對流循環(huán)，故它的傳熱系數(shù)很低，加熱段的長度隨進料溫度和溫度差不同而變化。物料受熱后，沸騰傳熱系數(shù)也得到很大的提高，但傳熱系數(shù)是隨管子高度而變化的。第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

優(yōu)點：濃縮物料時間短，對熱敏性物料影響小。缺點：不適宜粘度大和受熱后易積垢及濃縮后產(chǎn)生結(jié)晶的物料。（5）優(yōu)缺點第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四2、降膜式蒸發(fā)器特點：形成的液膜與蒸發(fā)的汽流方向相同，物料自上面進下面出。結(jié)構(gòu)：與升膜式不同的關(guān)鍵部件是分配器設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-05降膜式蒸發(fā)器.swf第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四(3)分配器類型篩板型、鋸齒型、導流棒型、旋液導流型設(shè)備動畫\5蒸發(fā)器\5-06降膜式液體分布器.swf第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四齒形溢流口

在加熱管的上方管口周邊切成鋸齒形，以增加液體的溢流周邊。當液面稍高于管口時，則可以沿周邊均勻地溢流而下，由于加熱管管口高度一致，溢流周邊比較大，致使各管子間或管子的各向溢流量比較均勻。當液位稍有差別時，不致引起很大的溢流差別，但當液位差別比較大，液位高度有變化時，深液分布還是不夠均勻

第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四導流棒

在每根加熱管的上端管管口插入一根呈八字形的導流棒。棒底的寬邊與管壁成一定的均勻間距，液體在均勻環(huán)形間距中流入加熱管內(nèi)周邊，形成薄膜。這樣液體流過的通道不變，液體的流量只受管板上液面高度變化所影響，這樣分布比較均勻，但遇有物料帶顆粒時，則會造成堵塞的影響。

第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四3、旋液導流器液體沿管壁周邊旋轉(zhuǎn)向下，這樣可以減少管內(nèi)各向物料的不均勻性，同時又可以增加液體流動速度，減速薄加熱表面的邊界層，降低熱阻，提高傳熱系數(shù)。使液體旋轉(zhuǎn)進入加熱管的方法如下：

（1）螺紋導流管在加熱管口插入刻有螺旋形溝槽的導流管，當液體沿著溝槽下流時，則使液體形成一個旋轉(zhuǎn)的運動方向。第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四2）切線進料旋流器

旋流器插放在加熱管口上方，液體以切線方向進入而形成旋流，但是設(shè)計時要注意各切線進口的均勻分布，否則會互相影響而造成進料不均勻

第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四它是利用液體的自流作用進行分配的。在管板上方一定距離水平安裝一塊篩孔板，篩孔對準加熱管之間的管板，當篩板上面保持一定液層時，液體從篩孔淋灑到管板上，液體離各加熱管口距離相等，就沿管板均勻流散到各管子的邊沿，成薄膜狀沿管壁下流。為了保證液流的分布均勻，可采用二層或三層篩板，多次分配，這種分配設(shè)備雖然很簡單，但只是作稀薄液體的分配，對粘稠物料難以分配均勻。分配篩板第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

3.升膜、降膜式蒸發(fā)器的比較

升膜式蒸發(fā)器：成膜方便，不存在液體分配不勻的問題，但是不適合粘度大的液體濃縮降膜式蒸發(fā)器：成膜均勻度不如升膜式，適合粘度較高的物料濃縮。

第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四4.升降膜蒸發(fā)器易達到升膜。有利于液膜體均勻分布。有利于操作。兩個濃縮過程串聯(lián)，可提高產(chǎn)品的濃縮比，減低設(shè)備高度。

第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四5、刮板式蒸發(fā)器定義是通過旋轉(zhuǎn)的刮板使液料形成液膜的蒸發(fā)設(shè)備。第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四結(jié)構(gòu)：刮板、蒸發(fā)室、轉(zhuǎn)動軸、軸承、軸封、夾套加熱室、物料分配盤關(guān)鍵部件：刮板和內(nèi)圓筒操作液料從進料管以穩(wěn)定的流量進入隨軸旋轉(zhuǎn)的分配盤中，在離心力的作用下，通過盤壁小孔被拋向器壁，受重力作用沿器壁下流，同時被旋轉(zhuǎn)的刮板刮成薄膜，薄膜溶液在加熱區(qū)受熱，蒸發(fā)濃縮，同時受重力作用下流。

第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

操作過程物料進入蒸發(fā)器通過分配盤在離心力的作用下，被甩向器壁，沿壁下降，同時被旋轉(zhuǎn)的刮板刮成薄膜，邊濃縮邊下流，在此過程中被不同的刮板翻動下推，并不斷地形成新薄膜，直到料液離開蒸發(fā)器。二次蒸汽由蒸發(fā)器上面排出。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四刮板式蒸發(fā)器特點

這種蒸發(fā)器傳熱系數(shù)較高。結(jié)構(gòu)簡單。設(shè)備加工精度高。圓筒的直徑一般不大。一般選擇在300～500毫米為宜。蒸發(fā)器加熱室的圓筒內(nèi)表面必須經(jīng)過精加工。軸要有足夠的機械強度。蒸發(fā)器在離心力場的作用下具有很高傳熱系數(shù)。第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

優(yōu)點

利用旋轉(zhuǎn)的離心盤所產(chǎn)生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜。傳熱效率很高，蒸發(fā)強度很大，由于離心力的作用，霧沫夾帶現(xiàn)象很少，物料加熱時間很短，特別適合熱敏性物料的蒸發(fā)。第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四主要部件離心盤:為梯形碟片，上、下片之間形成夾套結(jié)構(gòu)。夾套間有一定間隙，形成加熱蒸發(fā)室6.離心式薄膜蒸發(fā)器操作物料從進料管2進入，由各個噴嘴5分別向各碟片組下表面即碟片7的外表面噴出，均勻分布于碟片錐頂?shù)谋砻嬉后w受離心力作用向周邊運動擴散成液膜，受熱蒸發(fā)濃縮，濃縮液到碟片周邊就沿套環(huán)的垂直通道15升到環(huán)形液槽4，由吸料管17抽出到濃縮液貯罐。從碟片表面蒸發(fā)出的二次蒸汽通過碟片中部大孔上升匯集進入冷凝器。加熱蒸汽由旋轉(zhuǎn)的軸14通入，并由小通道進入碟片組間隙加熱室，冷凝水受離心作用迅速離開冷凝表面，從小通道出落到轉(zhuǎn)鼓的取低位置，從固定的中心管13排出。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四原理:利用旋轉(zhuǎn)的離心盤所產(chǎn)生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜。特點:傳熱效率很高，蒸發(fā)強度很大，由于離心力的作用，霧沫夾帶現(xiàn)象很少，物料加熱時間很短，特別適合熱敏性物料的蒸發(fā)。

第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四（四）蒸發(fā)器的附屬設(shè)備

1、汽液分離器（捕沫器）使蒸汽的流動方向突變，從而分離了霧沫（1）裝于蒸發(fā)器頂蓋下面的分離器

（c）是用細金絲，塑料絲等編成網(wǎng)帶，分離效果好，壓強降較小，可以分離直徑小于10μm的液滴。（d）是蒸汽在分離器中作圓周運動，因離心作用將氣流中液滴分離第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四（2）裝于蒸發(fā)器外面的分離器

（a）是隔板式，（b）（c）（d）是旋風分離器，其分離效果較好。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四（二）冷凝與不凝氣體的排除裝置

在蒸發(fā)操作過程中，二次蒸汽若是有用物料，應采用間接式冷凝器回收；二次蒸汽不被利用時，必須冷凝成水方可排除，同時排除不凝性氣體。對于水蒸氣的冷凝，可采用汽、水直接接觸的混合式冷凝器。第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四四、蒸發(fā)器的選型選型時應考濾以下因素。1．溶液的粘度蒸發(fā)過程中溶液粘度變化的范圍，是選型首要考慮的因素2．溶液的熱穩(wěn)定性長時間受熱易分解、易聚合以及易結(jié)垢的溶液蒸發(fā)時，應采用滯料量少、停留時間短的蒸發(fā)器。3．有晶體析出的溶液對蒸發(fā)時有晶體析出的溶液應采用外加熱式蒸發(fā)器或強制循環(huán)蒸發(fā)器。4．易發(fā)泡的溶液易發(fā)泡的溶液在蒸發(fā)時會生成大量層層重疊不易破碎的泡沫，充滿了整個分離室后即隨二次蒸汽排出，不但損失物料，而且污染冷凝器。蒸發(fā)這種溶液宜采用外加熱式蒸發(fā)器、強制循環(huán)蒸發(fā)器或升膜式蒸發(fā)器。若將中央循環(huán)管蒸發(fā)器和懸筐蒸發(fā)器設(shè)計大一些，也可用于這種溶液的蒸發(fā)。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四5．有腐蝕性的溶液蒸發(fā)腐蝕性溶液時，加熱管應采用特殊材質(zhì)制成，或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用直接接觸式蒸發(fā)器。6．易結(jié)垢的溶液無論蒸發(fā)何種溶液，蒸發(fā)器長久使用后，傳熱面上總會有污垢生成。垢層的導熱系數(shù)小，因此對易結(jié)垢的溶液，應考慮選擇便于清洗和溶液循環(huán)速度大的蒸發(fā)器。7．溶液的處理量溶液的處理量也是選型應考慮的因素。要求傳熱面積大于10m2時，不宜選用刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器，要求傳熱面在20m2以上時，宜采用多效蒸發(fā)操作。第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

1、蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)（1）多效蒸發(fā)（2）二次蒸汽再壓縮（熱泵蒸發(fā)）

熱泵的形式：機械式熱泵：消耗電能將低壓蒸汽壓縮為較高壓力蒸汽。蒸汽噴射泵：利用高壓蒸汽壓縮低壓蒸汽，得到較高壓力的混合蒸汽（3）額外蒸汽

（4）冷凝水顯熱的利用

2、蒸發(fā)技術(shù)的應用

五、蒸發(fā)的應用與節(jié)能

第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

第二節(jié)

結(jié)晶設(shè)備第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四一、結(jié)晶理論結(jié)晶的基本概念結(jié)晶原理

利用溶質(zhì)之間溶解度的差異來進行分離純化

第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四過飽和溶液的臨界晶體半徑

過飽和溶液呈相平衡時的微小晶體半徑Rn

R＜Rn

的晶體C＞Cn，自動溶解

R＞Rn

的晶體C＜Cn，自動生長第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四結(jié)晶曲線飽和曲線溶質(zhì)在特定溶劑中溶解度與溫度的關(guān)系曲線過飽和曲線溶液過飽度與結(jié)晶的關(guān)系曲線第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

飽和曲線與過飽和曲線圖

濃度蒸發(fā)過飽和曲線不穩(wěn)區(qū)飽和曲線

冷卻介穩(wěn)區(qū)

E穩(wěn)定區(qū)

溫度

在穩(wěn)定區(qū)：溶解速度>結(jié)晶速度。不會發(fā)生結(jié)晶；在介穩(wěn)區(qū)：溶解速度=結(jié)晶速度。結(jié)晶不能自動進行，但如果在介穩(wěn)溶液中加入晶種，能誘導結(jié)晶產(chǎn)生，晶體能生長。在不穩(wěn)區(qū)：溶解速度<結(jié)晶速度。結(jié)晶能自動進行，是自發(fā)形成晶核區(qū)域。第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四晶核形成與長大

晶核形成

溶液中各質(zhì)點間的吸引力溶質(zhì)與溶質(zhì)溶質(zhì)與溶劑溶劑與溶劑

晶線→晶面→晶核第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

晶核長大速度擴散傳質(zhì)過程：待結(jié)晶的溶質(zhì)只能借擴散穿過境界膜，才能到達晶核表面。

晶核境界膜

質(zhì)點第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四

境界膜

處于晶核附近的不穩(wěn)定高能質(zhì)點，受到晶體質(zhì)點的引力，放出能量，排列到晶核上以后，晶體周圍的溶液就是一些溶質(zhì)質(zhì)點比較穩(wěn)定的溶液，這些溶液好象一層膜一樣包圍著晶核，通常稱這層膜為境界膜。

晶核境界膜溶質(zhì)質(zhì)點第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四表面反應過程

到達晶核表面的溶質(zhì)在適當?shù)木Ц裎恢瞄L入晶面，使晶核增大，同時放出結(jié)晶熱。晶核長大速度

dω/dt∝TΔс∕μr

Δс過飽和溶液的濃度差

T結(jié)晶時的溫度

μ溶液粘度

r境界膜厚度有關(guān)第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四生長速度關(guān)系式dω/dt∝TΔс∕μrΔс增加，dω/dt增加

r增加，dω/dt增加

T升高，μ下降，dω/dt增加

過飽和溶液的濃度差Δс、結(jié)晶時的溫度T、溶液粘度μ、境界膜厚度有關(guān)r

第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四二、起晶方法自然起晶

把溶液蒸發(fā)濃縮至過飽和區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），則有大量晶核自然形成。但晶核數(shù)量難以控制，晶粒小。

第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四刺激起晶把溶液蒸發(fā)至接近過飽和線后把溶液放出，使溶液突然冷卻，進入過飽和區(qū)形成大量晶核。當晶核達到一定數(shù)量后，回升溫度，使溶液進入介穩(wěn)區(qū)，停止晶核產(chǎn)生，然后再慢慢冷卻，同時攪拌，使晶核長大。

第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四晶種起晶將溶液濃縮到介穩(wěn)定區(qū)的飽和濃度后，加入一定大小和數(shù)量的晶種，同時均勻攪拌，使晶體長大。優(yōu)點：控制方便，產(chǎn)品晶體大小均勻。

第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四結(jié)晶設(shè)備類型蒸發(fā)濃縮結(jié)晶設(shè)備冷卻結(jié)晶設(shè)備等電點結(jié)晶設(shè)備

第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期四設(shè)備條件

攪拌速度：根據(jù)不同產(chǎn)品結(jié)晶性狀而定防堵塞：用流線型直通閥門防斷軸：安裝保險保溫層：保溫設(shè)備動畫\結(jié)晶\外循環(huán)式冷卻結(jié)晶器.swf第六十頁，共六十八頁