制药化工原理 蒸发 ——陈岚 上海理工大学医疗器械与食品学院.

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1 制药化工原理 蒸发 ——陈岚 上海理工大学医疗器械与食品学院

2 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度和效数的限制
第六章 蒸 发 本 章 要 求 第一节 概 述 第二节 单效蒸发 第三节 温度差损失与总传热系数 第四节 多效蒸发 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度和效数的限制 第六节 蒸发过程的其他节能方法 第七节 蒸发设备 本 章 小 结

3 1.了解蒸发器的结构及选型； 2.了解多效蒸发流程； 3.掌握多效蒸发与单效蒸发的比较；
本 章 要 求 1.了解蒸发器的结构及选型； 2.了解多效蒸发流程； 3.掌握多效蒸发与单效蒸发的比较；

4 第一节 概 述 使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。 一、蒸发过程的特点 1、沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于 蒸 发纯水的温度差。 2、溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度 等。 3、泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷 凝设备污染。

5 第一节 概 述 4、能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。 5、传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的 恒温 传热过程。
第一节 概 述 4、能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。 5、传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的 恒温 传热过程。 加热蒸气和二次蒸气 蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。 为了易于区别，前者称为加热蒸气或生蒸气，后者称为二次蒸气。加热蒸汽的温度相对较高，二次蒸汽的温度相对较低。

6 第一节 概 述 二、蒸发的分类 按操作方式：间歇蒸发、连续蒸发； 按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发；
第一节 概 述 二、蒸发的分类 按操作方式：间歇蒸发、连续蒸发； 按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发； 按操作压力：常压蒸发、加压蒸发、减压蒸发（真空蒸发）； 真空蒸发：根据溶液沸点随操作压强的减小而下降的特性来降低蒸发操作的温度，从而在加热蒸汽一定的条件下，增大管壁两侧的传热温度差，减少系统的热损失。 优点：提高传热温差、利用低压蒸汽作为热源、对热敏性物料的蒸发有利。

7 第二节 单效蒸发 一、单效蒸发流程 1-加热管； 5 2-加热室； 4 3-中央循环管； 3 4-蒸发室； 2 5-除沫器； 6-冷凝器 1
第二节 单效蒸发 一、单效蒸发流程 3-中央循环管； 不凝性气体 冷却水 二次蒸汽 料液 加热蒸汽 冷凝水 完成液 水 硝酸铵水溶液蒸发流程 1 2 3 4 5 1-加热管； 2-加热室； 4-蒸发室； 5-除沫器； 6-冷凝器

8 第二节 单效蒸发 二、单效蒸发的计算 D,Ts,hc 单效蒸发的计算项目有： 通常生产任务中已知的项目有： （1）溶剂蒸发量；
第二节 单效蒸发 二、单效蒸发的计算 加热蒸汽 D,Ts,H 原料 F,w0, t0 ,c0 ,h0 二次蒸汽 W,T’,H’ 冷凝液 D,Ts,hc 完成液（F-W),w1,t1,c1,h1 加热室 单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图 单效蒸发的计算项目有： （1）溶剂蒸发量； （2）加热蒸气消耗量； （3）蒸发器的传热面积。 通常生产任务中已知的项目有： （1）原料液流量、组成与温度； （2）完成液组成； （3）加热蒸气压强或温度； （4）冷凝器的压强或温度。

9 第二节 单效蒸发 1、 蒸发量w 对单效蒸发器作溶质衡算，得 式中 F—原料液流量 W—蒸发量 w0—原料液中溶质质量分率
第二节 单效蒸发 1、 蒸发量w 对单效蒸发器作溶质衡算，得 式中 F—原料液流量 W—蒸发量 w0—原料液中溶质质量分率 w1—完成液溶质质量分率

10 第二节 单效蒸发 2 加热蒸气消耗量D 蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。 若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出

11 第二节 单效蒸发 忽略溶液浓缩热，溶液焓可用比热计算，取0℃为基准：

12 第二节 单效蒸发 溶液的焓浓图和浓缩热 氢氧化钠、氯化钙等水溶液 在蒸发浓缩时，除提供水分 蒸发所需的汽化潜热外，还
第二节 单效蒸发 溶液的焓浓图和浓缩热 氢氧化钠、氯化钙等水溶液 在蒸发浓缩时，除提供水分 蒸发所需的汽化潜热外，还 需提供溶液的浓缩热。若浓 缩热较大时，溶液的焓不能 用比热计算式计算。需查焓 浓图。

13 第二节 单效蒸发 （6-15） 3、传热面积S0 蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即： 式中 S0——蒸发器的传热面积，m2
第二节 单效蒸发 3、传热面积S0 蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即： （6-15） 式中 S0——蒸发器的传热面积，m2 K0——基于外面积的总传热系数；kw/(m2•℃) Δtm ——平均温度差，℃ Q——蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。

14 第三节 温度差损失与总传热系数 一、蒸发过程中引起温度差损失的原因有： 总温度差损失为： （6-16）
（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失 ； （2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 ； （3）因管路流体阻力而引起的温度差损失 。 总温度差损失为： （6-16）

15 第三节 温度差损失与总传热系数 （6-17） （6-18） 1、溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失 式中：
tA——溶液沸点，℃，主要与溶液的类别、浓度及操作压强 有关。 T′——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，℃ 2 、液柱静压强引起的温度差损失 液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。 简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点tAm为准，中部的压强为： （6-18）

16 第三节 温度差损失与总传热系数 常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温度差损失为：
Δ″=tpm-tp′ （6-19） 式中 tpm ——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃ tp′——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃ 影响Δ″的因素： （1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大； （2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压 强增高。

17 第三节 温度差损失与总传热系数 （5-29） 二、蒸发器的总传热系数 3、 因管路流体阻力而引起的温度差损失
3、 因管路流体阻力而引起的温度差损失 采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.5~1.5℃。 二、蒸发器的总传热系数 （5-29） 式中 a——对流传热系数，W/(m2•℃) d——管径，m Ri——垢层热阻，m2•℃/W b——管壁厚度，m λ——管材的导热系数，W/(m•℃) 下标i表示管内侧、o表示外侧、m表示平均。

18 第四节 多效蒸发 一、多效蒸发原理 效数 单效 双效 三效 四效 五效 1 1/2 1/3 1/4 1/5 1.1 0.57 0.4 0.3
第四节 多效蒸发 一、多效蒸发原理 多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。 一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。 表 单位蒸气消耗量 效数 单效 双效 三效 四效 五效 理论最小值 1 1/2 1/3 1/4 1/5 实际最小值 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 错误观点：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。

19 第四节 多效蒸发 二、多效蒸发流程 1、并流法 优点：
第四节 多效蒸发 强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。 二、多效蒸发流程 1、并流法 蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。 优点： 在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间 流动不需用泵； 料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热， 供部分水汽化； 料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对 热敏性物料有利。

20 第四节 多效蒸发 缺点： 并流加料法的三效蒸法： 1 2 3 并流加料法的三效蒸发装置流程示意图
第四节 多效蒸发 沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使 传热系数下降，在后 二效中尤为严重。 缺点： 并流加料法的三效蒸法： 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水 并流加料法的三效蒸发装置流程示意图

21 第四节 多效蒸发 2 、逆流法 浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系数较大。 优点： （1）各效间需用泵输送； 缺点：
第四节 多效蒸发 2 、逆流法 料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。 浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系数较大。 优点： （1）各效间需用泵输送； （2）无自蒸发； （3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。 缺点：

22 第四节 多效蒸发 逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水

23 第四节 多效蒸发 3、平流法 原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。 平流加料法的三效蒸发装置流程示意图 原料液 加热蒸汽 至冷凝器 完成液 1 2 3 冷凝水

24 第四节 多效蒸发 4、混流法 效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。
第四节 多效蒸发 4、混流法 效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。 混流加料法的三效蒸发装置流程示意图

25 第四节 多效蒸发 三、多效蒸发的计算 W = W1 + W2 + W3 Fx0=L1x1=L2x2=L3x3 F=L1+W1
第四节 多效蒸发 三、多效蒸发的计算 1、总物料衡算： 溶剂总蒸发量W： W = W1 + W2 + W3 Fx0=L1x1=L2x2=L3x3 2、每一效物料衡算： W1 W2 W3 F=L1+W1 L1=L2+W2 L2=L3+W3 F x0 D L3 x3 L1 x1 L2 x2 1 2 3

26 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度 一 、蒸发器的生产能力
蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。 根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为： Q=KSΔt 或Q=KS(T-t1) （6-59） 进料状况影响蒸发器的生产能力： (1) 低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至沸点，因而 降低了生产能力； 沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水分，其生产 能力有所增加； 高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发，使生产能力 有所增加。

27 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度 二、蒸发器的生产强度
蒸发器的生产强度是指单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，单位为kg/(m2·h)，常采用生产强度U作为衡量蒸发器性能的标准。 若为沸点进料，且忽略热损失，则： （6-60 ） 由上式可以看出，欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温度差。

28 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度 1、 传热温度差主要取决于加热蒸气和冷凝器中二次蒸气的 压强。
传热温度差的提高是有一定限度的，原因如下： 加热蒸气的压强越高，其饱和温度也越高，但是加热蒸气常受工厂的 供汽条件所限。一般为300~500kPa，有时可高达600~800 kPa。 提高冷凝器的真空度，使溶液的沸点降低，也可以加大温度差，但 是这样不仅增加真空泵的功率消耗，而且因溶液的沸点降低，使粘 度增高，导致沸腾传热系数下降，因此一般冷凝器中的压强不低于 10~20 kPa。 为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，也不宜采用过高的传热温度差。

29 第五节 蒸发器的生产能力、生产强度 2、一般来说，增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要 途径。
总传热系数K值取决于对流传热系数和污垢热阻。 蒸气冷凝传热系数通常比溶液沸腾传热系数大，即传热总热阻 中，蒸气冷凝侧的热阻较小。 在蒸发器的设计和操作中，必须考虑及时排除蒸气中的不凝气， 否则，其热阻将大大增加，使总传热系数下降。

30 第六节 蒸发过程的其他节能方法 一、额外蒸汽的引出： 若沸点进料，Ql = 0 , D/W=1 则 W1=D W2=W1-E1=D-E1
t1 t2 t3 W1 W2 W3 若沸点进料，Ql = 0 , D/W=1 则 W1=D W2=W1-E1=D-E1 W3=W2-E2=D-E1-E2 水蒸发总量：W= W1 + W2 + W3=3D-2E1-E2 推广至n效： D

31 第六节 蒸发过程的其他节能方法 二、热泵蒸发器： 通过压缩机提高二次蒸汽的压力，使饱和温度提高至原来的压力时，重新送回蒸发器加热室。

32 第六节 蒸发过程的其他节能方法 三、冷凝水自蒸发的利用：
前一效温度较高的冷凝水通过自蒸发器被减压至下一效加热室的压力时，放出热量，少量冷凝水自蒸发产生蒸汽，作为下一效加热蒸汽，提高生蒸汽的经济程度。

33 第七节 蒸发设备 * 根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。 一、蒸发器的结构和特点 蒸发器的结构：加热室、分离器等.
按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分： 循环型（非膜式） 单程型（膜式） 一、蒸发器的结构和特点 1 、循环型蒸发器 特点： 溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同， 接近于完成液的浓度，操作稳定。 * 根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。

34 第七节 蒸发设备 自然循环蒸发器： （1）、中央循环管式蒸发器： 优点：结构紧凑 缺点：循环速度在0.4~0.5m/s以下 制造方便
完成液 二次蒸气 料液 加热蒸气 冷凝水 1 2 3 4 5 （1）、中央循环管式蒸发器： 优点：结构紧凑 制造方便 传热较好 操作可靠 1-外壳 2-加热室 3-中央循环管 4-蒸发室 5-除沫器 缺点：循环速度在0.4~0.5m/s以下 清洗和维修不方便

35 第七节 蒸发设备 （2）、悬筐式蒸发器 优点：循环速度可稍大 缺点：结构复杂 适用：易结晶 易于检修 热损失较小 单位传热面的金 属消耗量大
结垢溶液的蒸发 1－外壳 2－加热蒸气管 3－除沫器 4－加热室 5－液沫回流罐

36 第七节 蒸发设备 （3）、列文式蒸发器 优点：气化在沸腾室进行、循环速度大，有利于减轻或避免加热管表面的结晶和结垢、传热效果好。
二次蒸汽 加热 蒸汽 冷凝水 料液 完 液 1 2 3 7 6 5 4 1-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室 5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室 成 （3）、列文式蒸发器 优点：气化在沸腾室进行、循环速度大，有利于减轻或避免加热管表面的结晶和结垢、传热效果好。 缺点：温差损失大、设备庞大、消耗材料多、需要高大厂房。

37 第七节 蒸发设备 （4）、 外热式蒸发器 优点： 缺点： 蒸发室 降低了蒸发器的高度 便于清洗和更换 完成液 循环速度较大 热损失较高
加热蒸汽 加热室 料液 循环管 蒸发室 完成液 （4）、 外热式蒸发器 优点： 降低了蒸发器的高度 便于清洗和更换 循环速度较大 缺点： 热损失较高

38 第七节 蒸发设备 （5）、强制循环式蒸发器： 优点： 缺点： 适用于粘度大 易结晶 易结垢物料的蒸发循 环速度大小可调节 传热系数较大
加热 蒸气 冷凝水 完成液 1 2 3 4 5 1-加热室 2-循环泵 3-循环管 4-蒸发室 5-除沫器 二次蒸气 （5）、强制循环式蒸发器： 优点： 适用于粘度大 易结晶 易结垢物料的蒸发循 环速度大小可调节 传热系数较大 缺点： 能量消耗大

39 第七节 蒸发设备 2 、 单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
2 、 单程型蒸发器    特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小，表面传热系数较大。   缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降； 不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。

40 第七节 蒸发设备 （1）、升膜式蒸发器 *说明：不适于较浓溶液 粘度大 易结晶 易结垢物料的蒸发。

41 第七节 蒸发设备 （2）、降膜式蒸发器 优点： 传热系数较高，与升膜相比，可以蒸发浓度较高的溶液，对粘度较大的物料也能适用。
缺点：结构较复杂。

42 第七节 蒸发设备 （3）、直接接触传热蒸发器 优点： 结构简单，适用于易结晶、易结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。传热效果好，热利用率高。 缺点：
气汽混合物 燃料气 空气 出料 进料 1 4 2 3 1-外壳 2-燃烧室 3-点火口 4-测温管 优点： 结构简单，适用于易结晶、易结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。传热效果好，热利用率高。 缺点： 不适用于不可被烟气污染物料的处理，且二次蒸汽利用受到限制。

43 第七节 蒸发设备 （4） 刮 板 式 冷 凝 器 1—刮板 2—夹套

44 第七节 蒸发设备 3、蒸发器的附属设备 （1）除沫器 作用：利用液体的惯性使气液分离，以除去液沫。 型 式

45 第七节 蒸发设备 （2）冷凝器和真空装置 冷凝器： 真空装置： 冷凝二次蒸汽。多采用气液直接接触的混合式冷凝器，如逆流高位冷凝器。
排除少量不凝性气体，维持蒸发所需要的真空度。 水环式真空泵 喷射泵 往复式真空泵 真空装置：

46 第七节 蒸发设备 二、蒸发器的选型 （1）料液的粘度 （2）料液的腐蚀度 （3）料液的热敏度 （4）料液是否容易起泡
（5）料液是否容易结晶或结垢

47 本 章 小 结 蒸发特点。 单效蒸发计算（物料衡算、能量衡算）。 产生传热温度差损失的原因。 多效蒸发流程及其特点。
本 章 小 结 蒸发特点。 单效蒸发计算（物料衡算、能量衡算）。 产生传热温度差损失的原因。 多效蒸发流程及其特点。 提高生蒸汽热能利用程度的措施。 限制效数的原因。 典型的蒸发设备及特点。

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