[科普中国]-真空蒸发

简介目的

生产硫酸铜产出的母液经一次脱铜后还含有相当数量的铜和镍，此溶液直接送去脱铜除砷、锑由于液量大是不经济的，同时，此液镍离子浓度低，冷却法生产粗硫酸镍结晶率低，所以要把一次脱铜后液进行浓缩。经过浓缩后，酸和镍的浓度提高了，在经过二次脱铜达到生产粗硫酸镍的技术条件，可提高冷冻结晶粗硫酸镍的结晶率，增加镍的直收率。

有的厂家通过真空蒸发过程生产硫酸镍，其法为高酸结晶法，其生产过程主要有：真空蒸发、粗硫酸铜水冷结晶、离心过滤、粗硫酸铜重新溶解、精硫酸铜水冷结晶和离心过滤等。

采用高酸结晶法不需要加入其他原料，进入真空蒸发器的溶液除电解液外，还有硫酸铜冲洗水、结晶母液等，与电解液按比例混合后均可进入真空蒸发器浓缩，蒸发后液生产硫酸铜。

优点真空蒸发可以降低溶液沸点，故具有以下优点：①可处理高温下易分解的热敏性物料，如牛奶、果汁、蜂蜜和抗生素等。②增大传热推动力，提高蒸发器单位传热面积的蒸发量。③可利用低温热源，降低能耗。多效蒸发装置中的最后几效都是在真空下操作的。然而，溶液降温会使粘度增大，导致传热系数减小。

流程在真空蒸发流程中（见图），末效的二次蒸汽通常在混合式冷凝器中冷凝。为了使处于真空下的冷却水能自动排出，冷凝器的安装高度一般高于10m。蒸发器的真空度由二次蒸汽的冷凝温度决定。由于溶液中溶解的气体受热释出，蒸发器和管路亦有空气漏入，为维持真空，须用真空泵（见流体输送机械）不断地排除这些不凝性气体。

原理真空蒸发器为外加热自然循环式，采用板式加热器-真空蒸发器组结构，如图所示。

以前列管加热器多为石墨制作，因其质脆，结垢不易处理，加热效率低，现一般改为钛材制作。真空蒸发器材质通常是由不锈钢制成的，有的厂家蒸发室用钛材制造，但由于蒸发室溶液界面区域存在汽液相界面腐蚀，在界面部分需用硬铅制作。

真空蒸发依据的原理是一个物理过程。溶液中溶剂的挥发速度与外界阻力有关，在真空条件下溶液的沸点降低，溶剂分子逸出液面的阻力也随之降低。同时，利用真空泵或水流喷射泵使蒸发器内部空间造成的负压与蒸发器底部压力之差作为动力使溶液自动循环，从而提高蒸发速度，即真空蒸发的特点是：在低压下溶液的沸点降低，用较少的蒸汽蒸发大量的水分。

用真空泵达到抽吸真空的目的，或用水喷射真空泵代替液环式真空泵抽吸真空，通过水泵把具有一定压力的水，输入到喷射泵的水室里，然后，水通过对称而均匀排列的多个喷嘴，形成流速很高的水束，经过一定的距离后，各水束聚集于喉管中心线上，由于水束的吸附作用，在其周围形成负压，起到抽吸真空的作用。水束与空气的相互摩擦，冲击旋涡挟带及混合压缩作用，再经过一段较长的尾管抽吸，可获得较高的真空。

因此，在真空条件下，当溶液被换热器加热后，从换热器上部的管道进入蒸发器，蒸发器中的溶液因蒸发水分带走了热量，而使温度下降，凉的溶液从蒸发器的底部流入换热器。进入蒸发器中的溶液在蒸发器和换热器中循环，蒸发掉大量的水分。蒸发出的水蒸气夹带一部分酸雾，影响水的排放质量，水蒸气进入冷凝器前要通过雾沫分离器分离捕集酸雾，分离出的水蒸气随真空被带到冷凝器冷凝成水，流入水封槽巾循环或排放。1

应用结晶盐真空制盐技术自20世纪80年代投入使用以来，发展十分迅速，目前该技术已经成功运用于地区性地层水处理和农药等行业。具有能获得高纯度的产品水、操作与维护简单的优点。蒸发是真空制盐的主要过程。地层水由于蒸汽的加热而在蒸发罐内沸腾，一部分水被汽化，氯化钠则因水分的不断蒸发而从溶液中结晶析出。蒸发是一热过程，它必须靠热能的不断供给和二次蒸汽的不断排除(冷凝)才能进行。

真空制盐主要原理是向多效蒸发罐的首效加热室壳程内加入一定压力的饱和蒸汽，饱和蒸汽与管程内自下而上的卤水按对流——传导——对流方式进行热交换。饱和蒸汽释放潜热冷凝成水，卤水吸收热量温度升高。在轴流泵的作用下，卤水强制循环至蒸发室内蒸发、结晶，产生的二次蒸汽进入下一效加热室作为加热蒸汽，依次类推。末效卤水蒸发产生的二次蒸汽引入混合冷凝器，用冷却循环水冷凝后排出系统，其中的不凝汽用真空泵抽出，维持其负压(真空)状态。这样一来，各效的蒸汽压力和温度自动分配并逐效降低，卤水的沸点亦逐效降低，从而使卤水在不同的温度条件下蒸发、结晶。蒸发罐效与效之间形成的温差，即是多效蒸发的传热推动力。2

镀膜真空蒸发镀膜属于物理气相沉积法，是制备薄膜的一般方法。这种制作方法是把装有基片的真空室抽成10-2Pa以下的真空，然后再加热镀料，使表面原子或者分子发生气化反应，逸出并形成蒸汽流，入射到基片的表面，凝结形成固态的薄膜。真空蒸发镀膜设备主要由两大部分组成，即真空镀膜室和真空抽气系统。真空镀膜室内有蒸发源、基片、被蒸镀材料和基片支架等，其原理如图所示。制备质量较好的外延薄膜，可以在制备过程中，通过调整蒸发速度，改变加热电流来实现。通过改变蒸发轴与基地表面直接的夹角可以制备不同形状的薄膜，如沉积均匀薄膜时需使夹角为90°，沉积楔形薄膜时需使夹角成一定的角度。实现真空蒸发法镀膜，必须具备三个条件：冷的基片，以便于气体镀料凝结成为薄膜；真空环境，方便于气相镀料向基片的运输；热的蒸发源，使镀料蒸发。

真空蒸发镀膜法的优点为：(1)制备的薄膜纯度高、质量好，可较准确地控制薄膜的厚度；(2)薄膜的生长机理较为单纯；(3)设备简单、操作容易方便；(4)成膜效率高、速率快，用掩膜可以获得比较清晰的图形等。

真空蒸发镀膜法的缺点为：(1)制备的镀膜使用寿命较短；(2)薄膜的均匀性比较难控制；(3)制备的薄膜结晶质量较差；(4)工艺重复性不够好；(5)不能蒸发高熔点的材料等。3