項(xiàng)目二　升膜式蒸發(fā)器的操作與養(yǎng)護(hù)

一、操作前準(zhǔn)備知識(shí)

（一）結(jié)構(gòu)

升膜式蒸發(fā)器主要由加熱室、除沫器、分離室等部件組成。蒸發(fā)室是一組列管式換熱器，結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。列管直徑為25～50mm。管長(zhǎng)3～10m，管徑比為100～150，無中央循環(huán)管設(shè)置。加熱蒸汽與原料液進(jìn)口均設(shè)置在蒸發(fā)室下部，濃縮液出口設(shè)置在分離室的下部。

（二）工作原理

原料液預(yù)熱至沸點(diǎn)或接近沸點(diǎn)后，從蒸發(fā)器底部通入，進(jìn)入列管受熱后迅速沸騰汽化，生成的蒸汽快速上升，同時(shí)帶動(dòng)原料液沿管內(nèi)壁呈膜狀上升，并在上升過程中不斷汽化為蒸汽。蒸汽和部分料液經(jīng)過除沫器除沫后，進(jìn)入分離室并分離成二次蒸汽和濃縮液，二次蒸汽從頂部導(dǎo)出，濃縮液從底部排出。

特點(diǎn)：蒸發(fā)量大，適用于較稀溶液的濃縮，不適用于黏度大、易結(jié)晶或易結(jié)垢物料的蒸發(fā)。

二、標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程

（一）操作前的準(zhǔn)備工作

（1）檢查蒸發(fā)器外表面、接口、焊縫等部位有無裂縫、過熱變形及泄漏等，必要時(shí)對(duì)上述部位進(jìn)行無損探傷檢查。

（2）檢查蒸發(fā)器本體與相鄰管道和構(gòu)件之間有無接觸，以防運(yùn)行中因震動(dòng)造成磨損和噪聲。

（3）檢查安全附件和接地線是否完好、支座螺栓是否緊固、視鏡是否完好。

（4）檢查保溫層是否完好，無破損、脫落與潮濕現(xiàn)象。

（5）檢查捕沫裝置及其附件固定完好，無變形。

（6）檢查分布器、導(dǎo)流筒的固定和變形情況，檢查熱電偶套管是否完好、器內(nèi)壁表面和加熱管的腐蝕情況。

（7）檢查液體箱或沉降室內(nèi)表面的腐蝕情況及加熱室關(guān)閉與加熱管的腐蝕泄漏情況。

（8）確認(rèn)所有閥門和儀表動(dòng)作靈活可靠、指示準(zhǔn)確，泵完好待用。

（9）對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，對(duì)需要抽真空的裝置進(jìn)行抽真空。

（10）用自來水或清潔的工業(yè)用水清洗系統(tǒng)和各單體設(shè)備，放凈余水；對(duì)不易用水洗凈的管道和設(shè)備，應(yīng)采用壓縮空氣或氮?dú)獯祪簟?/p>

（11）對(duì)系統(tǒng)通水進(jìn)行水循環(huán)試車，以打通流程，檢查工藝缺陷和設(shè)備、儀表的性能。水循環(huán)結(jié)束后，放凈存水，用壓縮空氣吹干。

（12）通入操作壓力≤0.3 MPa（表壓）的蒸汽對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，打開惰性氣體排空閥放空惰性氣體。

（二）開車操作

（1）根據(jù)不同物料的蒸發(fā)、不同蒸發(fā)設(shè)備及所附帶的不同自控裝置，按照事先設(shè)定的程序，開啟真空閥、加料閥、冷卻水閥。

（2）緩緩開啟蒸汽閥門，并打開加熱器的旁通閥，將不凝性氣體排出口關(guān)閉，調(diào)節(jié)蒸汽壓力保持穩(wěn)定加熱。

（3）調(diào)節(jié)進(jìn)料閥門的開啟度，控制物料在加熱管內(nèi)穩(wěn)定成膜。

（4）查看分離室的液位顯示，當(dāng)液位達(dá)到規(guī)定值時(shí)再開啟相關(guān)輸送泵。

（5）監(jiān)測(cè)蒸發(fā)室溫度，檢查其蒸發(fā)情況，檢查產(chǎn)品濃度。調(diào)整裝置處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

（6）設(shè)備進(jìn)入正常操作后，要注意保持“三個(gè)穩(wěn)定”即蒸汽壓力穩(wěn)定、進(jìn)料流量穩(wěn)定、初始料液含量穩(wěn)定，從而確保獲得穩(wěn)定、合格的濃縮成品。

（三）停車操作

（1）通告系統(tǒng)前后工序或崗位準(zhǔn)備停車。

（2）關(guān)閉蒸汽閥，停止加料。

（3）當(dāng)蒸發(fā)停止后，停真空泵并關(guān)閉所有閥門。

（4）停冷凝液泵和所有生產(chǎn)用泵，停止向冷凝器和冷卻水器供水，關(guān)閉冷凝器管路、工藝管路和生產(chǎn)用管路的所有閥門。保持密封和沖洗水流動(dòng)。

（5）如裝置內(nèi)部檢修，應(yīng)用水沖洗，以去掉裝置內(nèi)殘留液體。一般應(yīng)保持密封和沖洗水至少流動(dòng)1h。如裝置不需要沖洗，應(yīng)保持密封沖洗水流動(dòng)數(shù)小時(shí)，以避免造成密封損壞。

三、安全操作注意事項(xiàng)

（1）開車前，要認(rèn)真檢查蒸發(fā)室是否有水，避免在通入蒸汽時(shí)劇熱或水擊引起蒸發(fā)器的整體劇震。

（2）進(jìn)口物料流量應(yīng)隨具體情況靈活選擇，當(dāng)出料黏度過高時(shí)，可相應(yīng)增加料液進(jìn)口的流量，反之則可相應(yīng)降低流量。

（3）操作過程不應(yīng)有缺料或流量過小等不正常現(xiàn)象發(fā)生，以免蒸發(fā)器內(nèi)壁產(chǎn)生結(jié)焦，影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）按規(guī)定時(shí)間檢查控制室儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀表讀數(shù)，如超出規(guī)定，應(yīng)迅速查找原因。

（5）經(jīng)常對(duì)設(shè)備和管路進(jìn)行嚴(yán)格檢查、探傷，特別是視鏡玻璃要經(jīng)常檢查、適時(shí)更換，以防因腐蝕造成事故。

（6）當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，首先用最快的方式切斷蒸汽，以避免料液溫度繼續(xù)升高，再停止進(jìn)料，打開真空器的開關(guān)，停止蒸發(fā)操作。

（7）檢修蒸發(fā)器前，要泄壓、泄料，并用水沖洗降溫，再用冷水進(jìn)行冒頂洗出處理，去除設(shè)備內(nèi)殘存腐蝕性液體；同時(shí)要檢查有關(guān)閥門是否能關(guān)死，否則加盲板，以防檢修過程中物料竄出傷人；拆卸法蘭螺栓時(shí)應(yīng)對(duì)角拆卸，確認(rèn)無液體時(shí)再卸下，以免液體噴出，并且注意管口下面不能有人。操作、檢修人員應(yīng)穿戴好防護(hù)衣物，避免熱液、熱蒸汽傷害；檢修時(shí)外面需有人監(jiān)護(hù)，便于發(fā)生意外時(shí)及時(shí)搶救。

四、維護(hù)與保養(yǎng)

（1）嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，操作人員必須按規(guī)定的時(shí)間間隔檢查該裝置的調(diào)整運(yùn)行情況，并如實(shí)、準(zhǔn)時(shí)填寫運(yùn)轉(zhuǎn)記錄單。

（2）在蒸發(fā)容易析出結(jié)晶的物料時(shí)，易發(fā)生管路、加熱室、閥門等的結(jié)垢堵塞現(xiàn)象。因此需定期用水沖洗保持暢通，或采用真空抽拉等措施補(bǔ)救。

（3）蒸發(fā)器的溫度計(jì)、壓力表、真空表及安全閥等都必須定期校驗(yàn)，要求準(zhǔn)確可靠，確保蒸發(fā)器的正確操作控制及安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）經(jīng)常觀察各臺(tái)加料泵、過料泵、強(qiáng)制循環(huán)泵的運(yùn)行電流及工況。

（5）蒸發(fā)器周圍環(huán)境要保持清潔無雜物，設(shè)備外部的保溫層要完好，如有損壞，應(yīng)及時(shí)維護(hù)，以減少熱損失。

（6）嚴(yán)格執(zhí)行大、中、小修計(jì)劃，定期進(jìn)行拆卸檢查修理，并做好記錄。

五、常見故障及處理方法

升膜式蒸發(fā)器的常見故障及處理方法見表4-3。

六、相關(guān)知識(shí)鏈接

（一）蒸發(fā)概述

藥材經(jīng)過浸提與分離后得到的大量濃度較低的浸出液，既不能直接應(yīng)用也不利于制備其他劑型，因此常通過蒸發(fā)與干燥等過程，獲得體積較小的濃縮液或固體產(chǎn)物。蒸發(fā)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：藥液的濃縮、回收浸出操作的有機(jī)溶劑和制取飽和溶液，為溶質(zhì)析出結(jié)晶創(chuàng)造條件。

1.蒸發(fā)的操作條件

進(jìn)行蒸發(fā)操作的適用條件：在單元操作中，通過液體的汽化作用來分離混在一起的兩種物質(zhì)。

適用于蒸發(fā)操作的必要條件：①工作對(duì)象是溶液，溶劑是揮發(fā)性物質(zhì)，加熱后可汽化；②溶質(zhì)為不揮發(fā)性物質(zhì)，即加熱后也不能汽化。如果溶質(zhì)和溶劑均為揮發(fā)性物質(zhì)，且揮發(fā)度不同，則可用蒸餾的方法分離，如固體與附于其上的液體分離可采用干燥操作。

2.蒸發(fā)的種類

（1）按加熱方式分　可分為直接加熱蒸發(fā)與間接加熱蒸發(fā)。直接加熱蒸發(fā)是將熱載體直接通入溶液之中，使溶劑汽化；間接加熱蒸發(fā)是熱能通過間壁傳給溶液。

（2）按操作壓強(qiáng)大小分　可分為常壓蒸發(fā)、加壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)。

常壓蒸發(fā)是指蒸發(fā)操作在大氣壓力下進(jìn)行，設(shè)備不一定密封，所產(chǎn)生的二次蒸汽自然排空；加壓蒸發(fā)是指蒸發(fā)操作在一定壓強(qiáng)下進(jìn)行，此時(shí)設(shè)備密封，溶液上方壓強(qiáng)高，溶液沸點(diǎn)也升高，所產(chǎn)生的二次蒸汽可用來作為熱源重新利用；減壓蒸發(fā)是指蒸發(fā)在真空中進(jìn)行，溶液上方是負(fù)壓，溶液沸點(diǎn)降低，這就加大了加熱蒸汽與溶液的溫差，傳熱速率提高，很適合于熱敏性溶液的濃縮。

（3）按蒸發(fā)的效數(shù)分　可分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)是指二次蒸汽不再用作加熱溶液的熱源；多效蒸發(fā)是指二次蒸汽用作另一蒸發(fā)器的熱源。

單效蒸發(fā)的流程：料液進(jìn)入蒸發(fā)器的蒸發(fā)室，接受加熱蒸汽的熱量并開始沸騰，從而產(chǎn)生二次蒸汽，經(jīng)蒸發(fā)室上方除沫器，二次蒸汽與所夾帶的霧沫進(jìn)行分離，此后進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成液體，不凝氣經(jīng)真空泵排出。

3.蒸發(fā)的設(shè)備

蒸發(fā)設(shè)備基本上由加熱室、分離室和除沫室三部分組成。

（1）加熱室　可分為夾套式、蛇管式、管殼式三種。目前多用管殼式。加熱蒸汽走管間、料液走管內(nèi)。

（2）分離室　也稱蒸發(fā)室，作用是將加熱室產(chǎn)生的夾有霧沫的二次蒸汽與霧滴分開，多位于加熱室上方的一個(gè)較大的空間。

（3）除沫室　分內(nèi)置、外置兩種，作用是阻止細(xì)小液滴隨二次蒸汽溢出。從結(jié)構(gòu)上除沫室可分為離心式、擋板式和絲網(wǎng)式等。

（二）循環(huán)式蒸發(fā)器

1.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器

中央循環(huán)管式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖4-7所示，加熱室為一管殼式換熱器，換熱器中央裝一管徑比列管大得多的中央循環(huán)管，由于管徑大，管內(nèi)橫截面積大，單位體積溶液的傳熱面積小得多，接受熱量小，溫度相對(duì)較低，中央管內(nèi)的液體密度相對(duì)列管中的液體要大，形成液體從各管上升、從中央管下降的自然循環(huán)，流速可達(dá)0.5 m/s左右。

優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，設(shè)備緊湊，便于清理檢修，適用于黏度較大的物料。由于應(yīng)用廣泛，中央循環(huán)管式蒸發(fā)器又稱為標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器。

2.懸筐式蒸發(fā)器

懸筐式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖4-8所示，加熱室中的列管制成一體，懸掛在蒸發(fā)室的下方。加熱蒸汽通過中央的管子進(jìn)入加熱室的管間。不設(shè)較粗的中央循環(huán)管，而在加熱室和殼體之間形成一橫截面積較大的環(huán)隙。液體由列管向上再向四周環(huán)隙向下循環(huán)流動(dòng)。

特點(diǎn)：循環(huán)效果比中央循環(huán)管好，但構(gòu)造較復(fù)雜，價(jià)格較昂貴，適用于易結(jié)垢或有結(jié)晶析出的溶液。

3.外加熱式蒸發(fā)器

外加熱式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。加熱室和蒸發(fā)室分為兩個(gè)設(shè)備。受熱后沸騰溶液從加熱室上升至蒸發(fā)室，分離出的液體部分經(jīng)循環(huán)管返回加熱室。因循環(huán)管內(nèi)液體不受熱，使此處料液密度比加熱室料液大很多，故而加快了循環(huán)速率。有較高的傳熱速率，還能降低整個(gè)蒸發(fā)器的高度，適應(yīng)能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)不緊湊，熱效率較低。

4.強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器

強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器中液體流動(dòng)靠泵的外加動(dòng)力。蒸發(fā)速率較高，料液能很好地循環(huán)，適用于黏度大，以及易出結(jié)晶、泡沫和污垢的料液。缺點(diǎn)是增加了動(dòng)力設(shè)備和動(dòng)力消耗。

（三）單程式蒸發(fā)器

在藥劑生產(chǎn)中，有些料液在較高溫度下或持續(xù)受熱時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)破壞藥物中的有效成分，從而降低藥效，我們稱這種物料為熱敏性物料。對(duì)于熱敏性物料，采用循環(huán)式蒸發(fā)器不合適（不斷循環(huán)加熱），需要采用一種物料受熱時(shí)間至幾秒鐘就能達(dá)到濃縮要求的蒸發(fā)設(shè)備。單程式蒸發(fā)器主要分為升膜式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器和回轉(zhuǎn)式薄膜蒸發(fā)器等。

1.升膜式蒸發(fā)器

升膜式蒸發(fā)器中形成的液膜與蒸發(fā)的二次蒸汽氣流方向相同，由下而上并流上升。受熱時(shí)間很短，對(duì)熱敏性物料的影響相對(duì)較小，對(duì)于發(fā)泡性強(qiáng)、黏度較小的熱敏性物料較為適用。

2.降膜式蒸發(fā)器

降膜式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與升膜式蒸發(fā)器大致相同，區(qū)別在于管板的上方裝有液體分布板或分布頭。蒸發(fā)器的料液由頂部進(jìn)入，通過分布板或分配頭均勻進(jìn)入每根換熱管，并沿管壁呈膜狀下降，液體的運(yùn)動(dòng)是靠本身的重力和二次蒸汽運(yùn)動(dòng)的拖帶力作用，下降速率比較快，成膜的二次蒸汽流速可以較小，對(duì)黏度較高的液體也較易成膜。停留時(shí)間短，適用于熱敏性物料的蒸發(fā)，也適用于黏度較大的料液的濃縮。

3.回轉(zhuǎn)式薄膜蒸發(fā)器

回轉(zhuǎn)式薄膜蒸發(fā)器是通過旋轉(zhuǎn)的刮板使液料形成液膜的蒸發(fā)設(shè)備。液料從進(jìn)料管以穩(wěn)定的流量進(jìn)入隨軸旋轉(zhuǎn)的分配盤中，在離心力的作用下，通過盤壁小孔被拋向器壁，受重力作用沿器壁下流，同時(shí)被旋轉(zhuǎn)的刮板刮成薄膜，薄膜在加熱區(qū)受熱，蒸發(fā)濃縮，同時(shí)受重力作用下流，瞬間另一塊刮板將濃縮液料翻動(dòng)下推，并更新薄膜，這樣物料不斷形成新液膜蒸發(fā)濃縮，直至液料離開加熱室流到蒸發(fā)器底部，完成濃縮過程。濃縮過程產(chǎn)生的二次蒸汽可與濃縮液并流進(jìn)入氣液分離器排除，或以逆流形式向上到蒸發(fā)器頂部，由旋轉(zhuǎn)的帶孔葉板把二次蒸汽所夾帶的液沫甩向加熱板，除沫后的二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出。

回轉(zhuǎn)式薄膜蒸發(fā)器適用于易結(jié)晶、結(jié)垢和高黏度的熱敏性物料，但是設(shè)備加工精度高、消耗動(dòng)力較大、傳熱面積小、蒸發(fā)量小。

（四）蒸發(fā)相關(guān)計(jì)算

1.單效蒸發(fā)的物料衡算

對(duì)連續(xù)穩(wěn)定的單效蒸發(fā)器（物料及熱量衡算示意見圖4-10），單位時(shí)間內(nèi)所得完成液的質(zhì)量R與二次蒸汽的質(zhì)量W之和等于進(jìn)料液的質(zhì)量F，即：

F=W+R

在蒸發(fā)操作中溶質(zhì)始終存在于料液中，既不增加也沒減少，則在單位時(shí)間內(nèi)有：

FXw0=RXw1=（F-W）Xw1

則水分蒸發(fā)量為：

W=F（1-Xw0/Xw1）

完成液的濃度為：

Xw1=FXw0/（F-W）

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往采取一近似的檢測(cè)方法來確定是否達(dá)到要求的蒸發(fā)量，即測(cè)量完成液的密度ρ1，然后用下式計(jì)算：

W=

式中　  　F ——料液量，kg/h；

　　 　　W ——水分蒸發(fā)量，kg/h；

　Xw0，Xw1——料液和完成液的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；

      　ρ1，ρ0——料液和完成液的密度，kg/m3。

2.單效蒸發(fā)的熱量衡算

對(duì)連續(xù)穩(wěn)定操作的蒸發(fā)器進(jìn)行熱量衡算，衡算基準(zhǔn)為1h。衡算式為Q入=Q出， 式中的Q入與Q出分別代表1h內(nèi)帶入和帶出蒸發(fā)器的總熱量。

帶入蒸發(fā)器的熱量有如下幾種。

原料液帶入的熱量：　　　　Q1=FCmT0

加熱蒸汽帶入的熱量： 　   　Q2=Di

帶出蒸發(fā)器的熱量有如下幾種。

完成液帶走的熱量： 　 　  　Q3=RCmT1=（F-W）CmT1

二次蒸汽帶走的熱量： 　 　  Q4=Wi'

加熱蒸汽冷凝水帶走的熱量：Q5=DC水T

設(shè)備散失的熱量：　　　　　Q6=q損

將以上各式代入衡算式，得：

Di+FCmT0=Wi'+（F-W）CmT1+DC水T+q損

整理得：

D（i-C水T）=W（i'-CmT1）+FCm（T1-T0）+q損

式中　　D——加熱蒸汽消耗量，kg/h；

    　　i，i'——加熱蒸汽與二次蒸汽的熱焓量，kJ/kg；

T，T0，T1——加熱蒸汽、進(jìn)料液與完成液的溫度，K；

   Cm，C水——料液與水的平均比熱容，kJ/（kg·K）；

　　  　q損——單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)器散失的熱量，W。

i-C水T=γ

i'-CmT1=γ'

式中　γ，γ'為加熱蒸汽與二次蒸汽的汽化潛熱。

Dγ=Wγ'+FCm（T1-T0）+q損

加熱蒸汽消耗量為：

D=[ Wγ'+FCm（T1-T0）+q損]/ γ

若物料為沸點(diǎn)進(jìn)料，則T0=T1

D=（Wγ'+q損）/γ

若忽略蒸發(fā)器的熱損失，則：

D=Wγ'/γ

在估算蒸發(fā)器的加熱蒸汽用量時(shí)，可用加熱蒸汽與二次蒸汽的汽化潛熱之比，計(jì)算更加方便快捷。在單效蒸發(fā)器中γ'/γ的值總是大于1，即1kg加熱蒸汽產(chǎn)生不了1kg二次蒸汽。

3.蒸發(fā)器傳熱面積

蒸發(fā)系傳熱性質(zhì)的操作過程，其工作效率取決于傳熱速率，計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱速率就可以用總傳熱速率方程q=KAΔTm來計(jì)算，傳熱面積為A=q/KΔTm。

式中，q用加熱蒸汽傳熱量Dγ計(jì)；總傳熱系數(shù)K計(jì)算參照換熱設(shè)備相關(guān)計(jì)算；ΔTm為加熱蒸汽的飽和溫度與溶液的溫度之差，由于進(jìn)料液濃度與完成液有較大差別，故溶液的沸點(diǎn)只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。