【正文】 with control points to draw out the flow chart, see attached. Keywords: evaporator, threeway downstream, caustic soda evaporation 3 述 蒸發(fā)是采用加熱的方法，使含有不揮發(fā)性雜質(zhì)（如鹽類）的溶液沸騰，除去其中被汽化單位部分雜質(zhì)，使溶液得以濃縮的單元操作過程。 蒸發(fā)操作廣泛用于濃縮各種不揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中較為常見的單元操作?；どa(chǎn)中蒸發(fā)主要用于以下幾種目的： (1)獲得濃縮的溶液產(chǎn)品； (2)將溶液蒸發(fā)增濃后，冷卻結(jié)晶，用以獲得固體產(chǎn)品，如燒堿、抗生素、糖等產(chǎn)品； (3)脫除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑或半成品，如海水淡化。進行蒸發(fā)操作的設備叫做蒸發(fā)器。 蒸發(fā)器內(nèi)要有足夠的加熱面積，使溶液受熱沸騰。溶液在蒸發(fā)器內(nèi)因各處密度的差異而形成某種循環(huán)流動，被濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器外。蒸發(fā)器內(nèi)備有足夠的分離空間，以除去汽化的蒸汽夾帶的霧沫和液滴，或裝有適當形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，應將其在冷凝器中加以 冷凝。 蒸發(fā)過程中經(jīng)常采用飽和蒸汽間壁加熱的方法，通常把作熱源用的蒸汽稱做一次蒸汽，從溶液蒸發(fā)出來的蒸汽叫做二次蒸汽。 按操作的方式可以分為間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)蒸發(fā)過程為連續(xù)穩(wěn)定操作的過程。 按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，若產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接經(jīng)冷凝器冷凝后排出，這種操作稱為單效蒸發(fā)。若把二次蒸汽引至另一操作壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，并把若干個蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)中，二次蒸汽的潛熱得到了較為充分的利用，提高了加熱蒸汽的利用率 。 按操作壓力可以分為常壓、加壓或真空蒸發(fā)。真空蒸發(fā)有許多優(yōu)點： （ 1）、在低壓下操作，溶液沸點較低，有利于提高蒸發(fā)的傳熱溫度差，減小蒸發(fā)器的傳熱面積； （ 2）、可以利用低壓蒸氣作為加熱劑； （ 3）、有利于對熱敏性物料的蒸發(fā)； （ 4）、操作溫度低，熱損失較小。 在加壓蒸發(fā)中，所得到的二次蒸氣溫度較高，可作為下一效的加熱蒸氣加以利用。因此，單效蒸發(fā)多為真空蒸發(fā)；多效蒸發(fā)的前效為加壓或常壓操作，而后效則在真空下操作。 4 蒸發(fā)時間壁兩側(cè)分別為蒸氣冷凝和液體沸騰的傳熱過程，蒸發(fā)器也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過程相比，蒸發(fā)操作又有如下特點 : (1)沸點升高 蒸發(fā)的溶液中含有不揮發(fā)性的溶質(zhì)，在壓力下溶液的蒸氣壓較同溫度下純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?，使溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c，這種現(xiàn)象稱為溶液沸點的升高。在加熱蒸氣溫度一定的情況下，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差必定小于加熱純?nèi)軇┑臒釡夭?，而且溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。 （ 2）物料的工藝特性 蒸發(fā)的溶液本身具有某些特性，例 如有些物料在濃縮時可能析出晶體，或易于結(jié)垢；有些則具有較大的黏度或較強的腐蝕性等。如何根據(jù)物料的特性和工藝要求，選擇適宜的蒸發(fā)流程和設備是蒸發(fā)操作彼此必須要考慮的問題。 （ 3）節(jié)約能源 蒸發(fā)時汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸氣。如何充分利用熱量，提高加熱蒸氣的利用率是蒸發(fā)操作要考慮的另一個問題。 蒸發(fā)設備 蒸發(fā)設備的作用是使進入蒸發(fā)器的原料液被加熱，部分氣化，得到濃縮的完成液，同時需要排出二次蒸氣，并使之與所夾帶的液滴和霧沫相分離。 蒸發(fā)設備主要包括蒸發(fā)器，冷凝器和除沫器，工業(yè)上需要蒸發(fā)的物料有多種，它們的物性各不相同，為了適應不同物料的加工要求，形成了多種形式的蒸發(fā)器。 蒸發(fā)器是由加熱室和分離室兩部分構(gòu)成。加熱室中通常用飽和水蒸氣加熱，從溶液中蒸發(fā)出的二次蒸汽在分離室中與溶液分離后引出。蒸發(fā)器頂部設有除沫器，用以分離被氣流夾帶的液滴。二次蒸汽進入冷凝器冷凝后直接排除。 蒸發(fā)操作有單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)兩種方式。若對產(chǎn)生的二次蒸汽不再利用，而是直接送往冷凝器被除去，為單效蒸發(fā)；若把在高壓下的蒸發(fā)器內(nèi)的二次蒸汽直接送往另一壓力較低的蒸發(fā)器中作 為加熱蒸汽，如此類推，把多個操作壓力大小不同，并按順序排列的蒸發(fā)器連接起來，可組成多效蒸發(fā)。本設計采用的是三效并流蒸發(fā)。 由于生產(chǎn)要求的不同，蒸發(fā)設備有多種不同的結(jié)構(gòu)型式。對常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運動情況，大致可分為以下兩大類 [1]： （ 1）循環(huán)型蒸發(fā)器 特點：溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同，接近于完成液的濃度。操作穩(wěn)定。此類蒸發(fā)器主要有 ： 也是標準式蒸發(fā)器， 它的加熱室由垂直管束組成，中間有一根直徑很大的中央循環(huán)管，其余管徑較小 的加熱管稱為沸騰管。由于中央循環(huán)管較大，其單位體積溶液占有的傳熱面，比沸騰管內(nèi)單位溶液所占有的要小，即中央循環(huán)管和其它加熱管內(nèi)溶液受熱程度不同，從而沸騰管內(nèi)的汽液混合物的密度要比中央循環(huán)管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，會使蒸發(fā)器中的溶液形成由中央循環(huán)管下降、由沸騰管上升的循環(huán)流動。這種循環(huán)，主要是由溶液的密度差引起，故稱為自然循環(huán)。這種作用有利于蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱效果的提高。 為了使溶液有良好的循環(huán)，中央循環(huán)管的截面積一般為其它加熱管總 5 截面積的 40～ 100%；加熱管高度一般為 1～ 2m；加熱管直徑在 25～ 75mm之間。這種蒸發(fā)器由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等優(yōu)點，應用十分廣泛。但是由于結(jié)構(gòu)上的限制，循環(huán)速度不大。加上溶液在加熱室中不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點高，有效溫度差就減小。這是循環(huán)式蒸發(fā)器的共同缺點。此外，設備的清洗和維修也不夠方便，所以這種蒸發(fā)器難以完全滿足生產(chǎn)的要求。 ： 為了克服循環(huán)式蒸發(fā)器中蒸發(fā)液易結(jié)晶、易結(jié)垢且不易清洗等缺點，對標準式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進行了更合理的改進，這就是懸筐式蒸發(fā)器。加熱室懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，并且以加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)形孔道代替中央循環(huán)管。溶液沿加熱管中央上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動而構(gòu)成循環(huán)。由于環(huán)隙面積約為加熱管總截面積的 100 至 150%，故溶液循環(huán)速度比標準式蒸發(fā)器為大，可達 。此外，這種蒸發(fā)器的加熱室可由頂部取出進行檢修或更換，而且熱損失也較小。它的主要缺點是結(jié)構(gòu)復雜，單位傳熱面積的金屬消 耗較多。 ： 上述的自然循環(huán)蒸發(fā)器，其循環(huán)速度不夠大，一般均在 。為使蒸發(fā)器更適用于蒸發(fā)粘度較大、易結(jié)晶或結(jié)垢嚴重的溶液，并提高溶液循環(huán)速度以延長操作周期和減少清洗次數(shù)。 其結(jié)構(gòu)特點是在加熱室上增設沸騰室。加熱室中的溶液因受到沸騰室液柱附加的靜壓力的作用而并不在加熱管內(nèi)沸騰，直到上升至沸騰室內(nèi)當其所受壓力降低后才能開始沸騰，因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室，從而避免了結(jié)晶或污垢在加熱管內(nèi)的形成。另外，這種蒸發(fā)器的循環(huán)管的截面積約為加熱管的總截面積的 2～ 3 倍 ，溶液循環(huán)速度可達 至 3 m/s 以上，故總傳熱系數(shù)亦較大。這種蒸發(fā)器的主要缺點是液柱靜壓頭效應引起的溫度差損失較大，為了保持一定的有效溫度差要求加熱蒸汽有較高的壓力。此外，設備龐大，消耗的材料多，需要高大的廠房等。 除了上述自然循環(huán)蒸發(fā)器外，在蒸發(fā)粘度大、易結(jié)晶和結(jié)垢的物料時，還采用強制循環(huán)蒸發(fā)器。在這種蒸發(fā)器中，溶液的循環(huán)主要依靠外加的動力，用泵迫使它沿一定方向流動而產(chǎn)生循環(huán)。循環(huán)速度的大小可通過泵的流量調(diào)節(jié)來控制，一般在。強制循環(huán)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)也比一般自然循環(huán)的大。但它的明顯缺點是 能量消耗大，每平方米加熱面積約需 ～ 。 （ 2）單程型蒸發(fā)器 特點：溶液以液膜的形式一次通過加熱室，不進行循環(huán)。 優(yōu)點：溶液停留時間短，故特別適用于熱敏性物料的 蒸發(fā)；溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 缺點：設計或操作不當時不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。此類蒸發(fā)器主要有 a. 升膜式蒸發(fā)器： 其加熱室由許多豎直長管組成。常用的加熱管直徑為 25～ 50mm，管長和管徑之比約為 100～ 150。料液經(jīng)預熱后由蒸發(fā)器底部引入，在加熱管內(nèi)受熱沸騰并迅速汽化，生成的蒸汽在加熱管內(nèi)高速上升，一般常壓下操作時適宜的出口汽速為 20～ 50m/s，減壓下操作時汽速可達 100 至 160m/s 或更大些。溶液則被上升的蒸汽所帶動，沿管壁成膜狀上升并繼續(xù)蒸發(fā)，汽、 6 液混合物在分離器內(nèi)分離，完成液由分離器底部排出，二次蒸汽則在頂部導出。須注意的是，如果從料液中蒸發(fā)的水量不多，就難以達到上述要求的汽速，即升膜式蒸發(fā)器不適用于較濃溶液的蒸發(fā)它對粘度很大，易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料也不適用。 b. 降膜式蒸發(fā)器 ： 降膜式蒸發(fā)器和升膜式蒸發(fā)器的區(qū)別在于，料液是從蒸發(fā)器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過程中蒸發(fā)增濃，在其底部得到濃縮液。由于成膜機理不同于升膜式蒸發(fā)器，故降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高、粘度較大（例如在 ～ ）、熱敏性的物料。但因液 膜在管內(nèi)分布不易均勻，傳熱系數(shù)比升膜式蒸發(fā)器的較小，仍不適用易結(jié)晶或易結(jié)垢的物料。 由于溶液在單程型蒸發(fā)器中呈膜狀流動，因而對流傳熱系數(shù)大為提高，使得溶液能在加熱室中一次通過不再循環(huán)就達到要求的濃度，因此比循環(huán)型蒸發(fā)器具有更大的優(yōu)點。溶液不循環(huán)帶來好處有：（ 1）溶液在蒸發(fā)器中的停留時間很短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；（ 2）整個溶液的濃度，不象循環(huán)型那樣總是接近于完成液的濃度，因而這種蒸發(fā)器的有效溫差較大。其主要缺點是：對進料負荷的波動相當敏感，當設計或操作不適當時不易成膜，此時，對流傳熱系數(shù)將明顯下降 。 c. 刮板式蒸發(fā)器 ： 蒸發(fā)器外殼內(nèi)帶有加熱蒸汽夾套，其內(nèi)裝有可旋轉(zhuǎn)的葉片即刮板。刮板有固定式和轉(zhuǎn)子式兩種，前者與殼體內(nèi)壁的間隙為 ～ ，后者與器壁的間隙隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)而變。料液由蒸發(fā)器上部沿切線方向加入（亦有加至與刮板同軸的甩料盤上的）。由于重力、離心力和旋轉(zhuǎn)刮板刮帶作用，溶液在器內(nèi)壁形成下旋的薄膜，并在此過程中被蒸發(fā)濃縮，完成液在底部排出。這種蒸發(fā)器是一種利用外加動力成膜的單程型蒸發(fā)器，其突出優(yōu)點是對物料的適應性很強，且停留時間短，一般為數(shù)秒或幾十秒，故可適應于高粘度（如栲膠、蜂蜜等）和 易結(jié)晶、結(jié)垢、熱敏性的物料。但其結(jié)構(gòu)復雜，動力消耗大，每平方米傳熱面約需 ～ 3kW。此外，其處理量很小且制造安裝要求高 7 選定工藝流程 電解堿液蒸發(fā)常在多效蒸發(fā)裝置中進行，采用多效蒸發(fā)器的目的，是為了減少加熱蒸汽的耗量。在多效蒸發(fā)器中，要求后一效的操作壓強和溶液的沸點較前一效低，因此引入前一效的二次蒸汽作為加熱介質(zhì)，這樣僅第一效需要消耗生蒸汽。這就是多效蒸發(fā)的操作原理。 假設原料液在沸點下進入蒸發(fā)室，并忽略熱損失、各種溫度差損失，以及不同壓強下汽化潛熱的差別時，則理論上，在多效蒸發(fā)裝置中，每蒸發(fā) 1 公斤水需要 1/n 公斤的加熱蒸汽 [2]。但在實際蒸發(fā)內(nèi)由于存在上述因素，則多效蒸發(fā)時，便達不到上述的經(jīng)濟性。隨著效數(shù)的增加，所節(jié)省的生蒸汽量 不斷減小，同時各效所分配到的有效溫差，隨著效數(shù)的增加而減小，生產(chǎn)能力和強度也不斷降低。因此最佳效數(shù)要通過經(jīng)濟衡算決定。單位生產(chǎn)能力的總費用為最低時的效數(shù)，即為最佳效數(shù)。 溫度差損失是限制效數(shù)的主要因素。蒸發(fā)裝置中效數(shù)越多，溫度差損失越大，當出現(xiàn)總溫度差損失等于或大于有效總溫度差時，蒸發(fā)操作就無法進行了。若增加有效總溫差，就需要壓力較高的蒸汽，因此效數(shù)也是由所供蒸汽的壓力來決定的。 電解堿液蒸發(fā)，由于起沸點升高較大，一般取 3— 4 效。從基建投資、能耗以及維修等綜合比較，裝置規(guī)模在日產(chǎn)燒堿 450 噸以上時才采用四效 。 選擇合適的蒸汽壓力與經(jīng)濟效數(shù)，可以達到較好的經(jīng)濟效果。 堿液蒸發(fā)工藝過程。按堿液和蒸汽走向的相互關系，可分為順流，逆流和錯流流程。 生產(chǎn) 30%液堿，大多采用雙效順流，以及三效順流流程。 生產(chǎn) 42%液堿，也大多采用雙效順流、三效四體兩段以及三效順流部分強制循環(huán)的流程。 生產(chǎn) 42%液堿，不宜采用三效逆流，由于一效需要采鹽，一效蒸發(fā)器是正壓操作罐，高溫高濃度堿，對泵的材質(zhì)及密封要求較高；若一效不采鹽，閃蒸效出料的結(jié)晶量就要超過 12%，會引起管道的嚴重堵塞。 生產(chǎn) 50%液堿，一般采用三效或四效逆流或錯流 流程， Swenson 和 Zaremba 是液堿蒸發(fā)的兩大類蒸發(fā)技術，它們各有特點 [3]。 逆流加料流程的主要優(yōu)點是 ： 隨著溶液的濃度逐效提高，溶液的溫度也在不斷