化工原理蒸发;

1、第4章 蒸发 (evaporation),4.1 概述 4.2 单效蒸发与真空蒸发 4.3 多效蒸发 4.4 蒸发设备 4.5 蒸发过程和设备的强化与展望,化工原理,4. 蒸发,1、掌握内容 单效蒸发过程与计算，如蒸发水量、加热蒸汽消耗量及传热面积计算；有并行温差及各种温度差损失的来由及计算。蒸发器的生产能力和生产强度及其影响因素。 2、熟悉内容 真空蒸发的特点及其应用；多效蒸发的流程及其计算要点；蒸发操作效数限制及蒸发过程的节能措施； 蒸发过程的强化。 3、了解的内容 蒸发操作的特点及其在工业生产中的应用；各种蒸发器的结构特点、性能及应用范围；蒸发器的选型原则。,4.1 概述,（1）蒸发操作

2、及其在工业中的应用 蒸发含有不挥发性溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸汽的操作。 蒸发操作的基本概念： 加热蒸汽(生蒸汽)、二次蒸汽、单效蒸发 、多效蒸发 、常压蒸发、加压蒸发、减压蒸发,4.1 概述,蒸发操作的工程目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 蒸发结晶联合操作以获得固体溶液 脱除杂质，制取纯净的溶剂。 （2）蒸发操作的特点 目的：物质的分离 实质：热量传递。 特点：含有不挥发溶液的沸腾传热。,4.1 概述,浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使k下降。(要求：蒸发器的结构应防止或减少结垢，且加热面易清洗。) 溶液的物性对蒸发器的设计提出特殊要求。比

3、如：,对热敏性溶质，要求高温下停留时间较短。,浓度增加粘度大大增大，要求特殊结构。,需大量汽化热（如何节能？应考虑的重要问题。） 对于水溶液的蒸发，加热蒸汽温位二次蒸汽的温位,在指定p下，溶质的存在造成溶液沸点高,4.1 概述,传热温差,主要原因,经济性及节能措施 经济性 每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量，w/d。 蒸发操作的经济性很大程度上取决于二次蒸汽的利用。,节能措施,(1)多效蒸发,(2)额外蒸汽的引出,(3)二次蒸汽的再压缩,(4)冷凝水热量利用,（3） 蒸发操作的分类,多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为

4、多效蒸发。,按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发,单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。,4.1 概述,按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发,常压蒸发：设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小批量的生产。,加压蒸发：可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加热蒸汽的压力较高。,4.1 概述,优点： 传热温度差tm ； 可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽 ； 可防止热敏性物料变质或分解 ； 沸点温度低，减少热损失。 缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备,减压蒸发：沸点低,适用于处理热敏性物

5、料。,4.1 概述,按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发,间歇蒸发 :一次加料最终x1出料或连续加料 维持液面，x1一次出料。 溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多品种的场合。 连续蒸发:稳定操作，适于大规模的生产过程。,4.1 概述,4.2 单效蒸发与真空蒸发,4.2.1 单效蒸发流程 4.2.2 单效蒸发设计计算 4.2.3 蒸发器的生产能力与生产强度,4.2.1 单效蒸发流程,4.2.1 单效蒸发设计计算,单效蒸发设计计算内容 确定水的蒸发量物料衡算 加热蒸汽消耗量热量衡算 蒸发器所需传热面积传热速率方程 1、蒸发水量的计算 因溶质蒸发过程不挥发，且蒸发过程是个定态

6、过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即,4.2.1 单效蒸发设计计算,水分蒸发量：,完成液的浓度：,完成液(f-w), x1, t1, cp0 , h0,冷凝液 d, ts, hc,4.2.2 单效蒸发设计计算,2、加热蒸汽消耗量的计算,或,若原料由预热器加热至沸点后进料，则,d/w称为单位蒸汽消耗量，它表示加热蒸汽的利用率，也称蒸汽的经济性。,if 不计热损失，则,单效蒸发的能耗很大，是很不经济的。,4.2.2 单效蒸发设计计算,3、传热面积的计算,其中,4.2.2 单效蒸发设计计算,（1）传热平均温度差,当加热蒸汽压强一定时，t=const，而t1=?,温差损失,溶液沸点升量,液柱静压

7、头,4.2.2 单效蒸发设计计算,管道阻力，取1,温度差损失的原因 ： 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂(水)在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂(水)高； 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。,溶液沸点升高,4.2.2 单效蒸发设计计算,常压下溶液沸点升高,不同浓度的溶液在大气压下的沸点可通过实验测定。比如naoh水溶液的沸点。,4.2.2 单效蒸发设计计算,在文献和手册中，可查得常压1(atm)下某些溶液在不同浓度时的沸点数据，但是，在蒸发操作中，蒸发室的压力往往不是高于就是低于常压，计算非常压强溶液的沸点的方法很多，最

8、常见的方法是按杜林规则计算。,4.2.2 单效蒸发设计计算,杜林(dubring)发现：在相当宽的压强范围内，溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系。或者说溶液在两种压力下的沸点之差( )与溶剂在相应的压力下沸点之差( )的比值为一常数。即：,4.2.2 单效蒸发设计计算,杜林(dubring)法则如右图 (1)在浓度不太高的范围内，可以认为溶液的沸点升高与压强无关，可取决大气压的数值。 (2)在高溶液范围内，只要已知两个压强溶液的沸点，则其它的压强下溶液的沸点可按水的沸点作线性内插(外插)。,4.2.2 单效蒸发设计计算,液柱静压关,蒸发操作须维持一定液位长加热管 液柱重量和溶液沿管内流动

9、阻力损失 溶液p沿管长变化 t沿管长变化 按液面下处l/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：,pav所对应的饱和蒸汽温度,p所对应的饱和蒸汽温度,4.2.2 单效蒸发设计计算,结论：,4.2.2 单效蒸发设计计算,（2）总传热系数,4.2.2 单效蒸发设计计算,例4-1 解：（1）水分蒸发量,4.2.2 单效蒸发设计计算,（2）加热蒸汽消耗量,4.2.2 单效蒸发设计计算,（3）传热面积 确定溶液沸点,绝压为51kpa下：,绝压为101.3kpa下：,由水的沸点100时48.3%naoh溶液得：,因二次蒸汽的真空度为51kpa，则,4.2.2 单效蒸发设计计算,查附录72kpa

10、得水的沸点为90.4,4.2.2 单效蒸发设计计算,1、蒸发器的生产能力,生产能力,4.2.3 蒸发器的生产能力和生产强度,2、生产强度 单位时间单位传热面积上蒸发的水量 将蒸发装置（包括冷凝器、泵等辅助设备）的总投资折算成单位传热面积的设备费表示。,生产强度,设q损=0，料液预热至沸点加入，则t0=t=tb,4.2.3 蒸发器的生产能力和生产强度,3、提高蒸发强度的措施 1、加大传热温差真空蒸发,受锅炉额定压强限制,真空蒸发,将二次蒸汽引入冷器冷凝,一般须用真空泵不断将不凝性气体抽除。,优点：,(2)适用于热敏性物料,(3)可利用中、低温位的水蒸汽作热源,缺点：,4.2.3 蒸发器的生产能力

11、和生产强度,2、提高蒸发器的传热系数k (1)合理设计蒸发器，使u循提高 (2)及时排除加热室中不凝性气体 (3)经常清除垢层等,4.2.3 蒸发器的生产能力和生产强度,4.3 多效蒸发,通常将每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量(w/d)称为蒸汽的经济性。 w/d增加加热蒸汽的利用率增大。 作为工程技术人员，必须设法尽量节省加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的利用率，那么采用什么措施才能过到此目的呢？ (1)利用二次蒸汽的潜热(最普通的方法是多效蒸发) (2)利用冷凝水的显热(如预热原料液) 1、多效蒸发 特点：二次蒸发的温位加热蒸汽的温位，操作压强p后p前,（1）并流加料

12、物料与二次蒸汽同方向相继通过各效。 优点：各效压强逐效降低，料液可藉此压差自动地流向后效。 末效负压操作，完成液t低，能量利用较为合理。,缺点：末效,4.3 多效蒸发,（2）逆流加料 物料与二次蒸汽流向相反。,优点： 所以，x和t对粘度的影响大致抵消，各效的k基本不变,缺点： p1p2p3，料液流动须泵输送。 各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。,4.3 多效蒸发,（3）平流加料 二次蒸汽多次被利用，料液每效单独进出，适合易结晶物料。 优点：多效蒸发总蒸发量w分配各效，但仅有第一效使用加热蒸汽w/d大大增加。,4.3 多效蒸发,2、额外蒸汽的引出 将有二次蒸汽移作它用

13、（如用作预热料液）能耗大大降低。 对于多效蒸发，末效多处于负压，二次蒸汽温位太低，难以再利用，可在前几效引出。,4.3 多效蒸发,说明：在相同w下，某效引出ei，必然要在第一效补加加热蒸汽 ，if ，额外蒸汽引出并无经济效益；而实际上， 在相同w下，经济性好， ，但是整个生产蒸汽利用率 ，因此，只要ei能被它用， ，加热蒸汽利用率 ，但是太后效引出的二次蒸汽没有用，因为 ，用途有限。,3、二次蒸汽的再压缩 特点：二次蒸汽绝热压缩t升高再次作加热剂用 须一定量的压缩功。,4.3 多效蒸发,压缩方法,机械压缩（轴流式离心式压缩机），如下图,蒸汽动力压缩（蒸汽喷射泵），如下图,4.3 多效蒸发,说明

14、： 妥善设计蒸汽再压缩，能量利用可胜过35效的多效蒸发。,经济效益上升,压缩比不能太大,所以，热泵蒸发不适用于沸点上升较大的情况。 压缩机的投资较大，且需维护保养。 4、冷凝水热量的利用 （1）热冷凝水可预热料液 （2）冷凝水减压自蒸发，汽化的蒸汽与二次蒸汽一起进入后一效。,4.3 多效蒸发,多效蒸发能提高蒸汽的利用率，即经济性好，减少加热蒸汽消耗量，但是多效蒸发是以牺牲设备生产强度来提高加热蒸汽的经济性。实际情况，效数增加w/d并非成倍增加（见下表），而设备费成倍增加，所以优化。,矛盾,4.3 多效蒸发,4.3 多效蒸发,是不是效数越多越好?,4.4 蒸发设备,4.4.1 蒸发器 4.4.2

15、 蒸发器的选型 4.4.3 蒸发装置的附属设备和机械,4.4.1 蒸发器,结构：加热室、流动（或循环）通道、汽液分离空间。 按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。 1、循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。 自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。,（1）垂直短管式（又称为中央循环管式），也称为标准式蒸发器 结构：外壳、加热室、中央循环管、蒸发室、除沫器 特点：,蒸汽走壳程，溶液走管程，d中d管，a中=(40100)%a横

16、总,细管中单位体积a大，含汽率高,中央循环管单位体积a小，含汽率低,有组织循环,4.4.1 蒸发器,（2）外加热式 特点： 加热管长，给热系数增大 循环管不再受热，密度差大强化循环,加热室,蒸发室,4.4.1 蒸发器,（3）强制循环蒸发器,加热室,蒸发室,4.4.1 蒸发器,2、单程蒸发器（适宜热敏性物料） 物料一次通过加热面即可完成浓缩要求，离开加热管的溶液及时加以冷却。 （1）升膜式 原理：热的料液自蒸发器底部进入加热管内迅速气化，在蒸气的带动下，溶液沿管壁呈膜状迅速上升，并继续蒸发，当到达分离室和二次蒸气分离后即可得到完成液。 不适宜粘度50mpa.s，易结晶， 结垢料液。,4.4.1

17、蒸发器,（2）降膜式 其结构原理与升膜式类似。区别在于：料液在蒸发器顶部加入，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。适宜粘度50450mpa.s。不易结晶的料液。,降膜式液体分布,4.4.1 蒸发器,（3）旋转刮板式蒸发器为高粘度溶液的蒸发而设计 间隙式刮板、转子式刮板 主要特点：籍外力强制料液膜状流动 缺点：结构复杂，制造要求高， 加热面积不大，且需消耗一定动力。,4.4.1 蒸发器,4.4.2 蒸发器的选型,选型时，一般考虑以下原则：,溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。 高粘度的溶液应选用对其适应

18、性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；,溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器,4.4.2 蒸发器的选型,有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器,易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大,4.4.2 蒸发器的选型,有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。,

19、易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。,溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。,常见蒸发器的性能见教材231页表4-3。,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。 1、除沫器（汽液分离器） 籍液滴运动的惯性撞击金属物或壁面而被捕获集，尽可能完全分离二次蒸汽夹带许多液沫。 丝网式除沫器的分离效果最好。,除沫器 丝网式除沫器的分离效果最好。,4

20、.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,2、冷凝器 因为二次蒸汽多为水蒸汽，所以一般情况下以使用混合式冷凝器居多。,逆流高位混合式冷凝器（常负压操作）,大气腿,真空泵：抽不凝性气体,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,3、真空装置 当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装真空装置。需要指出的是，蒸发器中的负压主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等，冷凝器后必须安真空装置才能维持蒸发操作的真空度。常用的真空装置有喷射泵、水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,4、疏水器 作用：防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。 形式： (1) 热动力式 (2) 钟形浮子式 (3) 脉冲式,1-冷凝水入口；2-冷凝水出口； 3-排出管；4-背压室； 5-滤网；6-阀片,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,(1) 热动力式,(2) 钟形浮子式,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,(3) 脉冲式,4.4.3 蒸发装置的辅助设备和机械,（1） 研制开发新型高效