在医药、化工、轻工和食品等工业中,常常需要将含有固体溶质的溶液进行浓缩,以获得固体产品或制取溶剂,工业上常用的浓缩方法一般是将稀溶液加热沸腾,使部分溶剂汽化并不断移除,从而提高溶液中溶质的浓度,这种过程称为蒸发.蒸发操作的任务就是将不挥发性的溶质和挥发性的溶剂进行分离.
蒸发器主要由加热室及分离室组成,下部是加热室,上部为分离室,加热室是由许多换热管构成的换热器,管间通入蒸汽作为加热热源,管内为溶液的逗留空间,分离室用来进行气液分离.稀硝酸按溶液(称为料液)经预热器预热后加人蒸发器,在加热室的换热管内受热沸腾汽化,经浓缩后的硝酸按溶液(称为完成液),从蒸发器的底部排出,汽化产生的水蒸气经气液分离后送往冷凝器,冷凝而除去.
蒸发操作主要采用饱和水蒸气加热,而被蒸发的物料大多是水溶液,故蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气.为了区别,前者称为加热蒸汽(如果来自锅炉,又称生蒸汽),后者称为二次蒸汽.在操作中一般用冷凝的方法将二次蒸汽不断地移出,否则蒸汽与沸腾溶液趋于平衡,使蒸发过程无法进行.若将二次蒸汽直接冷凝,而不利用其冷凝热的操作称为单效蒸发.若将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽,以利用其冷凝热,这种串联蒸发操作称为多效蒸发.
蒸发操作可以在常压、加压或减压下进行.常压蒸发可用敞口设备,使二次蒸汽排人大气中.真空蒸发时溶液侧的操作压强低于大气压强,要依靠真空泵抽出不凝气体并维持系统的真空度.加压蒸发在加压下进行,因而溶液的沸点升高.产生的二次蒸汽的温度也高,就有可能利用二次蒸汽作为其他设备的加热剂.
由上所述,蒸发过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程,因此,蒸发器也是一种换热器.但蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性.
①溶液中含有不挥发性溶质,故其蒸气压较同温度下溶剂(其纯水)的低,换言之,在相同的压强下,溶液的沸点高于纯水的沸点.相同条件下,蒸发溶液的传热温差就比蒸发发纯溶剂的传热温差小,溶液浓度越高这种现象越显着.因此,溶液的沸点升高是蒸发操作必须考虑的重要问题.
②工业规模下,溶剂的蒸发量往往是很大的,需要耗用大量的加热蒸汽,同时产生大量的二次蒸汽,如何利用二次蒸汽的潜热,是蒸发操作中要考虑的关键问题.
③溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构,例如,某些溶液在蒸发时可能结垢或析出结晶,在蒸发器的结构设计上应设法防止或减少垢层的生成,并应使加热面易于清洗.有些物料具有热敏性,有些则具有较大的粘度或具有较强的腐蚀性等,需要根据物料的这些特性,设计或选择适宜结构的蒸发器.
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