關於多效降膜式蒸發器的工作原理及應用要點

蒸發    時間:2014-03-13 03:03:45
關於多效降膜式蒸發器的工作原理及應用要點簡介
    蒸發(或稱濃縮)是指將含有非揮發性溶質和揮發性溶劑組成的溶液進行蒸發濃縮的過程,主要是利用加熱作用使溶液中一部分溶劑汽化而獲得。蒸發工藝在製藥生產中應用……
關於多效降膜式蒸發器的工作原理及應用要點正文

 蒸發(或稱濃縮)是指將含有非揮發性溶質和揮發性溶劑組成的溶液進行蒸發濃縮的過程,主要是利用加熱作用使溶液中一部分溶劑汽化而獲得。蒸發工藝在製藥生產中應用較多,如中藥生產方面是將提取液進行蒸發濃縮而得到濃縮液或流浸膏,又如在抗生素生產中蒸發操作用於發酵濾液、樹脂洗脫液以及各種提取液的濃縮。
蒸發設備一般稱為蒸發器,其構造與種類繁多,而且其發展歷史久遠。從操作方式可分為單效蒸發、多效蒸發和直接接觸蒸發;按流體循環方式可分為不循環型蒸發、自然循環型蒸發、強制循環型蒸發、刮膜式蒸發及離心式薄膜蒸發。設計時針對不同的物料用不同的蒸發器。正確的應用不僅能提高產品的質量,又能節能降耗、降低生產成本、提高經濟效益。其中,降膜式蒸發器是現代蒸發技術中常見的單元操作,本文將對多效降膜式蒸發器的特點及相關要點作一探討。
1降膜式蒸發器概述
1.1降膜式蒸發器簡介
工作原理:物料由加熱室頂部加入,經液體分佈器分佈后呈膜狀向下流動。在管內被加熱汽化,被汽化的蒸汽與液體一起由加熱管下端引出,經氣液分離后即得到濃縮液。
在降膜式蒸發器的操作過程中,由於物料的停留時間很短(約5~10s),而傳熱係數很高,因此其較廣泛地應用於熱敏性物料,也可以用於蒸發粘度較大的物料,但不適宜處理易結晶的溶液。
1.2降膜式蒸發器與升膜式蒸發器比較
降膜式蒸發器與升膜式蒸發器的性能比較如表1所示。
表1降膜式蒸發器與升膜式蒸發器的性能比較

2多效降膜式蒸發器的結構
多效降膜式蒸發器由蒸發器、分離器、預熱器、冷凝器、凝水罐、循環泵等部件組成,其結構如圖1所示。

2.1蒸發器
蒸發器為列管式換熱器,管程通液體物料,殼程通加熱蒸汽,液體物料從蒸發器的頂部進入,經過分佈器進入加熱管,液體物料沿加熱管往下流,並被加熱蒸發,直至加熱器底部,濃縮的液體和蒸發產生的二次蒸汽進入分離器進行分離,其底部裝有控制布水的液位開關。
作用:對液體物料加熱、蒸發。
2.2分離器
分離器為單層結構的罐,上部的二次蒸汽介面與冷凝器相通,下部的介面與蒸發器連通。
作用:使加熱后產生的二次蒸汽與濃縮液體汽液分離。
2.3預熱器
預熱器為卧式列管式換熱器,管程通液體物料,殼程通蒸發產生的二次蒸汽。
作用:(1)對進入蒸發器的液體物料進行預先加熱;(2)將二次蒸汽進行冷卻以便於對其進行回收利用。
2.4冷凝器
冷凝器為卧式列管式換熱器,管程通冷卻水,殼程連接預熱器的殼程。
作用:將二次蒸汽進行冷凝以便於對其進行回收利用。
2.5凝水罐
凝水罐為單層結構的罐,罐體裝有控制液位的液位開關。
作用:通過與出口處的泵連接,能實現自動排放罐內的冷凝液。
3多效降膜式蒸發器的工作原理及特點
3.1多效降膜式蒸發器的工作原理

以三效為例,多效降膜式蒸發器的流程如圖2所示。
工作原理:物料稀溶液經原料泵進入第三效循環泵的吸入口,用泵升壓后,經預熱器進入第三效蒸發器頂部的進料室,再進入加熱管加熱蒸發後進入分離室,汽、液在此分離,溶液從底部流入泵吸入口,用泵送預熱器、進料室、加熱管、分離室進行循環流動與蒸發。蒸發出來的蒸汽由分離室側面進入分離器進一步把蒸汽夾帶的液滴分離出來,由分離器底部流回分離室,而潔凈的二次蒸汽排出後進入冷凝器被全部冷凝。循環泵的出口有一支路把溶液送到第二效的泵吸入口,按照與第三效相同的方式進行工作,第二效的二次蒸汽送入第三效作為加熱蒸汽。同樣,第二效泵出口有一支路把溶液送入第一效泵吸入口。第一效操作與另二效基本相同,第一效的二次蒸汽送入第二效作為加熱蒸汽。第一效的加熱蒸汽則由鍋爐直接供給,冷凝水返回鍋爐房。此外,泵出口有一支路排放濃縮液,調節排放量以保持排放液的濃度。
逆流操作時,濃溶液出料口在第一效,溫度較其他各效高,可使溶液粘度有所下降,有利於濃度較高溶液的濃縮,可得到75%的濃縮液。
各效蒸發器均裝液位控制器,配合進口管路的控制閥保持各效液面恆定。鍋爐供汽管路裝有控制閥,根據第一效加熱蒸汽壓力的感測器及壓力控制器來控制閥門達到加熱蒸汽壓力恆定的目的。各效所排放的冷凝水均彙集至凝水罐,罐側面裝有液位控制器,配合排液泵出口管的控制蒸發器液位至規定高度。
3.2多效降膜式蒸發器的特點
(1)結構緊湊、布局合理、佔地面積小、安裝操作方便;
(2)生產效率高、蒸發量大;
(3)節能效果顯著,能耗僅為一般降膜式蒸發器濃縮生產時的1/3左右。QA/Q≤0.45,QB/Q≤8(Q為清水蒸發量,QA為蒸汽耗量,QB為冷卻水耗量);
(4)系統可控制,系統採用PLC編程,設備工藝參數可設定、控制,原料液和冷卻水均可自動控制。系統控制精度:溫度±1℃,壓力±0.01MPa,液位高度±10mm。
4對多效降膜式蒸發器相關要點的探討
4.1加熱蒸汽的利用
蒸發是一個消耗大量加熱蒸汽而產生大量二次蒸汽的過程。從節能觀點出發,多效降膜式蒸發器充分利用蒸發所產生的二次蒸汽作為其他效加熱系統的熱源,即要求蒸發裝置能提供溫度較高的二次蒸汽,這樣既可減少鍋爐生蒸汽的消耗量,又可減少末效進入冷凝器的二次蒸汽量,提高蒸汽的利用率。一般所用的飽和蒸汽不超過180℃,若超過180℃,其相對壓強就很高,這樣會增加熱設備與操作費用。多效降膜式蒸發器的蒸發旨在節省加熱蒸汽。
如果首效採用較高壓力的加熱蒸汽,則末效可以採用常壓蒸發或低真空蒸發。此時,末效產生的二次蒸汽具有較高的溫度,其熱能絕大部分被利用。
4.2蒸發器的效數
在多效蒸發中,將前一效的蒸汽作為後一效的加熱蒸汽,所以多效蒸發能節省生蒸汽的消耗量。但不是效數越多越好,其效數受技術與經濟上的限制。
(1)多效蒸發隨效數的增加,在總蒸發量相同時所需生蒸汽量則減少,操作費用降低。但效數越多,其設備費用也越高,且隨著效數的增加,所節省的生蒸汽量則越來越少。
(2)理論上效數過多,蒸發操作將難以進行。一般而言,多效蒸發的第一效加熱蒸汽溫度和冷凝器的操作溫度都是受到限制的,多效蒸發理論傳熱總溫度差(即上述二溫度之差值)也是受到限制的。在具體操作條件下,當效數增多時,各效溫度差損失之和隨之增大,因而有效總溫度差減小。當效數過多時,有效總溫度差很小,分配到各效的有效總溫度差將會小得無法保證各效正常的沸騰,蒸發操作難以進行。
究竟效數多少?則要看被蒸發物料特性。經驗告訴人們,一般電解質溶液,其沸點升高較快,可取2~3效;一般非電解質溶液,其沸點升高較慢,可取4~6效。
4.3多效降膜式蒸發器的流程
在多效降膜式蒸發器中,溶液的流程可以是併流、逆流、平流和錯流,它們之間的比較如表2所示,其選擇主要根據物料特性、操作方式及經濟性來決定。
表2併流、逆流、平流和錯流的比較

併流逆流平流錯流
溶液與蒸氣成併流溶液與蒸氣成逆流每效都加入原料液溶液與蒸氣在有些效成併流,而在有些效間則成逆流
不需泵,成本低。但對粘度隨濃度迅速增加的溶液不適宜適用於粘度隨濃度變化較大的溶液,但熱敏性溶液應有相應措施適用於蒸發過程中伴有結晶析出場合操作複雜,實際很少應用

   本文所探討的三效降膜式蒸發器實例屬逆流,其溶液與蒸氣成逆流。在此實例中,料液由末效加入,依次用泵送入前一效。溶液從后一效進入前一效時,溫度將低於該效的沸點。在這種流程中,溶液的濃度越大,蒸發溫度也越高。因此,各效溶液的粘度不會相差太大,因而傳熱係數均勻。
5結語
本文從降膜式蒸發器的概述入手,闡述了多效降膜式蒸發器的結構,並對多效降膜式蒸發器的工作原理、流程及相關要點作了探討。可以得出以下結論:
(1)不管是降膜法還是升膜法,應根據被蒸發溶液特性而選擇;
(2)從節能角度出發,降膜式蒸發器應選擇多效。但不是效數越多越好,應從技術與經濟方面綜合考慮。
(3)多效降膜式蒸發器流程的確認,也應根據被蒸發溶液特性而定。   

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