2.5 其他设备
2.5.1 蒸发设备
在化工生产过程中，蒸发是指将不挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使部分溶液汽化，以提高溶液浓度的单元操作。从蒸发的过程来看，它是一个热量传递的过程。它可以完成以下三方面的操作：使溶液增浓，制取浓溶液，如电解法制烧碱；回收固体溶质，制取固体产品，如蔗糖、食盐的精制；除去不挥发性物质，制取纯净溶剂，如海水的淡化（就是利用蒸发的方法，将海水中的不挥发性杂质分离出去，制成淡水）。进行蒸发的设备称为蒸发器。
2.5.1.1 蒸发器的基本结构
蒸发器是一种特殊类型的换热器，由加热室和分离室两部分组成，如图2-75所示。
图2-75 蒸发器的基本结构
1—外壳；2—直管加热室；3—中央循环管；4—分离室；5—除沫器
（1）加热室
加热室内装有直立的管束作为加热管，一般情况下用水蒸气作为加热介质，从壳程通过，在加热室外壁装有蒸汽入口管和冷凝水排出管。蒸汽中的不凝性气体应及时排除。当蒸汽压力高于大气压时，可间歇地将排气管与大气相通来排除不凝性气体；当蒸汽压力低于大气压时，可将排气管与分离室或真空装置相通来排除不凝性气体。
（2）分离室
分离室是蒸发器中溶液和蒸汽分离的空间。分离室的分离效率大小直接影响蒸发操作是否良好。若分离效率低，会造成产品损失，污染环境，堵塞通道。
2.5.1.2 蒸发器的类型
化工生产中常用的蒸发器的类型有以下几种。
（1）悬筐式蒸发器
如图2-76所示，加热室悬吊在蒸发器壳体下部中央，像一个吊着的筐。加热蒸汽从上部进入壳体内，并进入加热室的壳程。溶液在加热管内被加热后沸腾上升，出换热管后在除沫器部位进行气液分离，蒸汽从蒸发器顶部排出，溶液沿着加热室外壁与蒸发器壳体内壁之间的环行通道下降回流。由于蒸发器外壳接触的是循环溶液，其温度比加热蒸汽低，故外壳温度较低，热量损失较小。这种蒸发器检修方便，但装置复杂，金属消耗量较大，常用来处理易结晶的溶液。
图2-76 悬筐式蒸发器
1—除沫器；2—加热室
（2）外加热式蒸发器
如图2-77所示，它的特点是把管束较长的加热室与蒸发室分开，中间以管道连接，这样一方面降低了整个设备的高度，另一方面也加快了溶液的自然循环速度。
图2-77 外加热式蒸发器
1—加热室；2—分离室；3—循环管
（3）强制循环式蒸发器
强制循环式蒸发器的结构如图2-78所示。蒸发器内的溶液依靠泵的作用，沿着一定的方向强制循环，故溶液的循环速度大，传热效率高，生产强度大大提高。在生产任务相同的条件下，蒸发器的传热面积较小。这种蒸发器主要用于黏度较大或易析出结晶的溶液的处理，它的缺点是动力消耗较大。
图2-78 强制循环式蒸发器
1—分离室；2—加热室；3—电动机；4—泵；5—循环管
对于热敏性物料，上述蒸发器的使用效果不好，原因是溶液在设备内的停留时间过长，容易发生分解或变质。解决方法是加强加热蒸发效率，缩短热敏性溶液在蒸发器中的停留时间。经过多年研究开发和使用验证，目前国内外已广泛采用先进高效的膜式蒸发器，如升膜式、降膜式、刮板式等各种膜式蒸发器，其特点是溶液在加热管壁（或壳壁）上呈薄膜状，因此传热效率高，蒸发速度快（几秒至数十秒），溶液只需经过一次加热管，不用循环。
2.5.2 干燥设备
利用加热除去固体物料中水分或其他溶剂的单元操作，称为干燥。生产中所提到的干燥如不特别说明，即指固体干燥。干燥是化工生产中经常使用的一种去湿的单元操作，它的主要作用有：保证产品质量，固体产品的一项重要指标就是含水量，为达到这项指标，就要进行有效的干燥处理；有些工序要求物料干燥后方可加工，如染料工艺中的拼混工序，因而干燥为下一道工序提供符合要求的物料。
2.5.2.1 干燥设备的分类
按照加热方式的不同，干燥设备（又称为干燥器）可分为以下四类。
（1）对流干燥器
其特点是气流与物料直接接触加热，如厢式干燥器、气流干燥器、沸腾干燥器、喷雾干燥器、转筒干燥器等。
（2）传导干燥器
其特点是通过固体壁面加热，如真空耙式干燥器、滚筒干燥器等。
（3）辐射干燥器
其特点是以辐射方式将热量传给物料，如红外线干燥器。
（4）介电加热干燥器
其特点是物料在高频电场内被加热，如微波干燥器。
2.5.2.2 常用干燥器介绍
（1）厢式干燥器
厢式干燥器是常压间歇干燥操作经常使用的典型设备。通常，小型的称为烘厢，大型的称为烘房。厢式干燥器的结构如图2-79所示，在外壁绝热的干燥室1内有一个带多层支架的小车2，每层架上放料盘。空气从干燥室的右上角引入，在与空气预热器4相遇时被加热。空气按箭头方向从盘间和盘上流过，最后从右上角排出。空气预热器5、6的作用是在干燥过程中继续加热空气，使空气保持一定温度。为控制空气湿度，可将一部分吸湿的空气循环使用。
图2-79 厢式干燥器
1—干燥室；2—小车；3—送风机；4～6—空气预热器；7—蝶阀
厢式干燥器的优点是结构简单，制造容易，操作方便，适用范围广。由于物料在干燥过程中处于静止状态，特别适用于不允许破碎的脆性物料。缺点是间歇操作，干燥时间长，干燥不均匀，人工装卸料，劳动强度大。尽管如此，它仍是中、小型企业普遍使用的一种干燥器。
（2）沸腾床干燥器
沸腾床干燥器的工作原理是热气流以一定的速度从沸腾干燥器的多孔分布板底部送入，均匀地通过物料层，物料颗粒在气流中悬浮，上下翻动，形成沸腾状态，气固之间接触面积很大，传质和传热速率显著增大，使物料迅速、均匀地得到干燥。
沸腾床干燥器分为立式和卧式两类，立式又有单层和多层之分。现简单介绍较常用的卧式多室沸腾床干燥器（图2-80）。该干燥器外形为长方形，器内用挡板分隔成4～8室，挡板下端与多孔分布板之间有一定间隙，使物料可以逐室通过，最后越过出口堰板排出。由于热空气分别通到各室内，可以根据各室含水量的不同来调节需用的热空气量，使各室的干燥程度保持均衡。
图2-80 卧式多室沸腾床干燥器
1—多孔分布板；2—加料口；3—出料口；4—挡板；5—物料通道
沸腾床干燥器中的物料在干燥器内停留的时间较长，停留时间可以调节，热效率高，干燥快，干燥程度高；空气流速较小，物料磨损较轻；设备高度低，造价也较低。它主要适用于处理颗粒状物料（粒径0.003～6mm），对易黏结、成团的和含水量较高、流动性差的物料不适合。
（3）喷雾干燥器
当被干燥物料不是固体颗粒状湿物料，而是含水量（质量分数）为75%～80%的浆状物料或乳浊液时，就要采用喷雾干燥。喷雾干燥器（图2-81）用喷雾器将液状的稀物料喷成细雾滴分散在热气流中，使水分迅速蒸发来达到干燥的目的。操作时，高压的浆料从喷嘴呈雾状喷出，由于喷嘴随同十字管转动，雾状浆料较均匀地分布于干燥室中，热空气从干燥室的上端进入，把汽化的水分带走，经过滤器回收所带的粉状物料后，从废气排出管排出。干燥物料下降后由螺旋输送器（卸料器）送出。
图2-81 喷雾干燥器
1—操作室；2—旋转十字管；3—喷嘴；4，9—袋式过滤器；5，10—废气排出口；6—送风机；7—空气预蒸器；8—螺旋卸料器
喷雾干燥器的优点是干燥时间极短，特别适用于牛奶、蛋粉、洗涤剂、染料、抗菌素等热敏性物料，并可从料液中直接获得粉末状产品，省去了蒸发、结晶、分离等过程；其操作稳定，可连续生产，便于实现自动化。但此种设备容积较大，耗能大，热效率较低。
此外，真空耙式干燥器和滚筒干燥器也曾被广泛使用，但已逐步被各种新型干燥器所替代。
2.5.3 结晶设备
结晶是指使溶于液体中的固体溶质从溶液中析出的单元操作。它在化工生产中的应用主要是分离和提纯，它不仅能从溶液中提取固体溶质，而且能使溶质与杂质分离，提高纯度。结晶操作的主要设备是结晶器，常用的结晶器主要有以下几种。
（1）长槽搅拌连续式结晶器
长槽搅拌连续式结晶器也称带式结晶器，以半圆形底的长槽为主体，槽外装有夹套冷却装置，槽内装有低速带式搅拌器，如图2-82所示。热而浓的溶液由结晶槽进入并沿槽沟流动，在与夹套中的冷却水逆向流动过程中实现过饱和并析出结晶，最后由槽的另一端排出。该结晶槽生产能力大，占地面积小，但机械传动部分和搅拌部分结构繁琐，冷却面积受到限制，溶液过饱和度不易控制。它适于处理高黏度的液体。
图2-82 长槽搅拌连续式结晶器
（2）循环式蒸发结晶器
循环式蒸发结晶器能控制晶粒度的大小，循环式蒸发结晶器有多种，较常用的为真空蒸发-冷却型循环式结晶器。图2-83所示的循环式蒸发结晶器就是常用的一种类型，它具有蒸发与冷却同时作用的效果。原料液经外部换热器预热之后，在蒸发器内迅速被蒸发，溶剂被抽走，同时起到制冷作用，使溶液迅速进入亚稳区内而析出结晶。
图2-83 循环式蒸发结晶器
1—循环泵；2—加热室；3—回流管；4—蒸发室；5—网状分离器；6—晶体生长段
（3）真空结晶器
真空结晶器的原理是结晶器中热的饱和溶液在真空绝热条件下溶剂迅速蒸发，同时吸收溶液的热量使溶液的温度下降。这样，既除去了溶剂又使溶液冷却，很快达到过饱和而结晶。这种结晶器有间歇式和连续式两种，图2-84所示为连续式真空结晶器。料液从进料口连续加入，晶体与部分母液用泵连续排出，循环泵迫使溶液沿循环管均匀混合，并维持一定的过饱和度。蒸发后的溶剂自结晶器顶部抽出，在高位槽冷凝器中冷凝。双级蒸汽喷射泵的作用是使冷凝器和结晶器内处于真空状态。
图2-84 连续式真空结晶器
1—蒸汽喷射泵；2—冷凝器；3—双级蒸汽喷射泵；4—循环管；5—循环泵；6—卸料泵
（4）釜式结晶器
釜式结晶器的结构与搅拌反应釜几乎相同，可以说是将搅拌反应釜这种设备应用于结晶操作（其实搅拌反应釜还可以用于混合、溶解、蒸发等单元操作中）。