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1、1,Faculty of Materials and Metallurgical EngineeringKunming University of Science and Technology,多媒体教学课程：冶金设备基础,昆明理工大学材料与冶金工程学院,任课教师：徐瑞东,掌握蒸发的概念，蒸发的必备条件以及蒸发的分类。掌握溶液沸点升高，引起溶液沸点升高的原因，溶液沸点升高的计算，蒸发器的生产能力。掌握多效蒸发的流程和特点以及降低蒸汽消耗方法。了解典型的自然对流蒸发器，强制循环蒸发器，液膜式蒸发器。了解结晶过程的基本概念、方法和典型的结晶设备。,第6章 蒸发与结晶,学习目的与要求,6.1基本概念
2、,(1)蒸发的定义 借加热作用使溶液中所含溶剂汽化以提高溶液浓度的物理操作。,(2)蒸发的分类,(3)蒸发操作的目的,(4)蒸发操作的特点,(5)典型的蒸发装置,1.蒸发器由蒸发室和加热室组成。2.加热室中装有加热管，热蒸汽在 加热管外流动，溶液在管内沸 腾、蒸发。,蒸发装置示意图,6.2蒸发器的生产能力及热力学数据,NaOH水溶液的沸点计算图,6.3 蒸发器的工作原理,单效蒸发的流程和原理,单效蒸发器仅利用一个蒸发器蒸发，二次蒸汽直接通入冷凝器除去，不利用其能量。单效蒸发器有常压和真空蒸发两种。真空蒸发比常压蒸发能耗高，但有下列优点：(1)加热蒸汽与沸腾液体间的温度差大，有利于传热；(2)可
3、以利用低压蒸汽或废蒸汽作为热源；(3)可以浓缩不耐高温的液体；(4)热损失小。,加热室,蒸发室,贮槽,冷凝水排除器,间壁冷凝器,冷凝液贮槽,真空泵,单效真空蒸发流程,多效蒸发的流程和原理,1.采用多效蒸发的原因：减少蒸气消耗,2.多效蒸发的原理：,二次蒸气循环再利用的过程，即前一效蒸发器产生的二次蒸汽继续作为下一效蒸发器的加热蒸气使用。,(1)并流法：溶液与蒸汽并流的方法(2)逆流法：溶液与蒸汽成逆流的方法(3)错流法：溶液与蒸汽在有些效间并流，在有些效间逆流的方法(4)平流法：每效都加入原料液的方法,3.多效蒸发的方法：,6.3.2.1 并流三效蒸发,特点：1.后一效蒸发室的压强较前一效低，
4、溶液在各效间流动不需要供液泵。2.前一效的溶液沸点较后一效为高，溶液由前一效进入后一效内呈过热状态而立即自行蒸发，可产生更多的二次蒸汽。,3.后一效的溶液浓度较前一效的大，而温度又低，粘度增加很大，因而传热系数小。不宜处理随浓缩而粘度迅速上升的物系,并流三效蒸发,逆流三效蒸发,6.3.2.2 逆流三效蒸发,特点：1.各效溶液粘度相差不大，对传热系数影响不会过大。,2.效与效之间需用泵输送，各效进料温度（末效除外）都较沸点为低，产生的二次蒸汽量小。可用于处理随浓缩而粘度上升的物系,6.3.2.3 平流三效蒸发,原料液同时进入各效，完成液同时自各效排出。,冷凝水,仅用于在蒸发操作进行的同时有晶体析
5、出情况。因为晶体不便于在效与效之间输送。,平流三效蒸发,6.3.2.4 错流三效蒸发,加料有时采用并流法有时采用逆流法。兼有并流法和逆流法优点，但操作复杂。,原料液,错流三效蒸发,依据溶液的性质及工艺条件确定蒸发的操作条件(蒸汽压强、冷凝 器压强等)及蒸发器的形式、流程和效数依据蒸发器物料衡算和焓衡算，计算加热蒸汽消耗量及蒸发量。求出各效的总传热系数、传热量和传热的有效温度差，从而算出各 效的传热面积根据传热面积选定加热管的直径和长度，计算加热管数；确定管心 距和排列方式，计算外径确定分离室的尺寸其它附属设备的计算或确定,4.多效蒸发器的计算,降低蒸汽消耗量的方法,1.多效蒸发2.冷凝水自蒸发
6、3.蒸汽再压缩,单效为1.10kg(蒸气)/1kg(水)双效为0.57kg(蒸气)/1kg(水)三效为0.40kg(蒸气)/1kg(水)四效为0.30kg(蒸气)/1kg(水)五效为0.27kg(蒸气)/1kg(水),将温度较高的冷凝水通过冷凝水自蒸发器的容器减压，可获得蒸汽，供下一效做加热蒸汽使用。,借压缩机的绝对压缩或蒸汽喷射泵的压缩作用，将二次蒸汽饱和温度提高，重新送回原来的蒸发器中，作为加热蒸汽使用。,6.4 蒸发设备,蒸发设备的基本常识 经济性：设备的经济程度-单位质量加热蒸汽所能蒸发的溶剂 量，表明加热蒸汽利用程度。操作性：设备的生产操作强度-单位传热面在单位时间内所能蒸 发的溶剂
7、量，表明设备的利用程度。工艺特点：根据溶液的特点考虑设备的情况。工艺要求：较大的传热系数；适合溶液特性；高效分离液沫；传热面上结垢速度慢；蒸发时产生的结晶能排出；方便清洗传热面；二次蒸汽有效利用。操作和经济要求：设备体积尽量小；容易制造；安装、检修方便；设备使用寿命长；生产可靠；热能利用充分，操作费用低。,中央循环管式蒸发器,中央循环管式蒸发器,细管内单位体积溶液受热面积大，汽化后的汽液两相混合物中含汽率高，平均密度小。,中央循环管内单位体积溶液受热面积小，汽化后的汽液两相混合物中含汽率低，平均密度大。,形成流体在中央循环管内向下，在细管内向上有组织的循环运动。,特点：结构紧凑，传热良好，能连
8、续操作，因而被广泛采用。,外加热式蒸发器,外加热式蒸发器,自然对流蒸发器加热室装在蒸发室外面。加热管长，l/D=50100循环管不再受热。循环速度小。加热表面生成结晶和沉淀。,循环管,蒸发室,加热室,强制循环蒸发器,依靠外加动力迫使液体沿一定方向循环。循环速度可达1.5 m/s至3.5 m/s，生产强度大，用于晶体析出。循环速度大，使生成的细小晶粒保持悬浮状态，不易沉积于加热面而生垢。缺点在于动力消耗较大。,圆锥形底,晶体过滤器,循环泵,蒸发室,加热室,循环管,强制循环蒸发器,(1)适合处理粘度较大的物料；(2)适合蒸发量小的场合；(3)降膜式蒸发器要设置分布器；(4)适合处理热敏溶液。(5)
9、不适合处理易结晶的溶液。,1.降膜式蒸发器,能充分保证蒸发器的管壁连续被湿润，即不发生偏析，又促进了传热。,降膜式蒸发器,6.4.4 液膜蒸发器,溶液在管内呈膜状流动，溶液只通过加热管一次，不做循环。没有静压强，故由静压强引起溶液沸点上升可忽略，又由于溶液和接热面接触时间短，溶液不易过热，结垢不易形成。,适合处理热敏性及易起泡的溶液；适合蒸发量大的场合，而不适合高粘度、易结晶、易结垢的溶液；不需要设置分布器；适合处理浓度较稀的溶液。,2.升膜式蒸发器,液体呈环状薄膜状态与汽体一同向上运动,升膜式蒸发器,3.旋转刮片式蒸发器,借外力强制使液体呈膜状向下流动。适合处理高粘度、易结晶、易结垢浓溶液；
10、3.缺点是结构复杂、制造要求高、加热面积小、动力消耗大。,旋转刮片式蒸发器,多级闪急蒸发器 原理：在加压状态下使被加热的液体进入减压空间而汽化。,卧式多级闪急蒸发器,6.5 结晶过程,结晶操作基本概念,结晶操作的定义：从液相（或气相）析出结晶性固体物质的工艺过程。结晶操作的条件：先使溶液达到过饱和，部分过剩的溶质才可呈固态结晶析出。,结晶操作的方法：,（1）移除一部分溶剂的结晶,（2）不移除溶剂的结晶,适用于溶解度随温度的下降而变化不大的物质的结晶如硫酸铜等,适用于溶解度随温度的下降而显著降低的物质的结晶如硝酸钠、硫酸镍等,6.5.2 几种典型的结晶设备,1.自然结晶槽,1-不锈钢管；2-铅条
11、；3-槽体；4-结晶体,自然结晶槽,操作周期较长过程不易控制产品的纯度差,2.蒸发式结晶器,溶液的过饱和的两种途径：第一种：通过溶液在常压或减压下的加热蒸发,采用蛇管式或夹套式蒸汽加热。第二种：通过溶液在常压 或减压下冷却获得。特点：蛇形管表面易形成垢层，清除困难，影响传热系数。,耐酸混凝土外壳,铅质内衬,蛇形铅质加热管,蒸发式结晶器,通常是先使溶液蒸发，等浓度达到所需值时停止，然后借向外界传递热量及在自由表面汽化蒸发完成冷却。,3.真空式结晶器,溶液因过饱而结晶是通过溶剂的绝热蒸发和冷却同时作用的结果。循环泵迫使溶液循环，促进混合，维持有利结晶条件。蒸汽喷射泵维持结晶器的真空状态。优点：结构
12、简单，无运动部件；蒸发与冷却同时进行，生产能力较大；不需要传热面，操作容易控制。缺点：设备保温要求较高，蒸汽喷射泵和冷凝器的耗能和耗水量较大。,真空式结晶器,4.机械搅拌冷却式结晶器,蒸发式结晶器进一步改造产物。溶液借蛇管冷却，管内通以冷却介质搅拌器加速传热，使溶液各处温度均匀，促进晶核产生和晶体的成长，获得颗粒较细且大小均匀的晶体。,冷水进口,冷水出口,进料口,出料口,搅拌装置,入孔,机械搅拌水冷式结晶器,机械搅拌冷却式结晶器的计算,工作的基本原理,适用范围 适用于溶质的溶解度随温度降低而明显下降的物料，如硫酸镍结晶。,加料速率加料温度冷却器中除去的热量循环速率晶核移除速率,控制参数,5.奥
13、斯陆（OSLO）结晶器,奥斯陆（OSLO）结晶器,6.真空蒸发悬浮结晶器,1.由真空蒸发装置和悬浮 结晶器组成。2.原料液在真空蒸发装置 中进行真空蒸发冷却达 到过饱合。3.过饱合溶液在悬浮结晶 器内除去过饱合。4.结晶器结晶机理与奥斯 陆结晶器相似。,本章小结,一、基本概念,(1)蒸发的定义,(2)蒸发操作的目的,(3)蒸发的分类,二、蒸发器的生产能力及热力学数据,三、蒸发器的工作原理,四、蒸发设备,五、结晶的设备,1.结晶操作基本概念,1.结晶操作的定义：从液相（或气相）析出结晶性固体物质的工 艺过程。2.结晶操作的条件：先使溶液达到过饱和，部分过剩的溶质才 可呈固态结晶析出。,3.结晶操作的方法：,移除一部分溶剂的结晶不移除溶剂的结晶,2.结晶设备的分类：,3.几种典型的结晶设备,自然结晶槽蒸发式结晶器真空式结晶器机械搅拌冷却式结晶器奥斯陆结晶器真空蒸发悬浮结晶器,多效蒸发的原理是什么？多效蒸发的加料有几种方法？简述每种方法的优缺点。蒸发过程中为节约蒸汽所采取的方法和原理？在冶金工业中常用的蒸发设备有哪些？简述结晶操作的方法和原理？,思考题,
