《化工原理》第5章_蒸发

1、第5章 蒸发15.1 概述5.2 蒸发器及辅助设备5.3 蒸发的方式及流程第5章 蒸发2 蒸发是分离液相均一系（溶液）的单元操作之一。这种操作是将溶液加热，使其中部分（或全部）溶剂气化并不断除去，以提高溶液中的溶质浓度。被蒸发的溶液由挥发性的溶剂和不挥发的溶质所组成，因此蒸发也是挥发性溶剂和不挥发溶质的分离过程。用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器。5.1 概述第5章 蒸发3 蒸发按操作温度可分为自然蒸发和沸腾蒸发。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点时汽化，溶剂的汽化仅发生在溶液的表面，自然蒸发速率缓慢。沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时汽化，在汽化过程中，溶液呈沸腾状态，溶剂的汽化不仅发生在溶液表面

2、，而且发生在溶液内部，因此，沸腾蒸发的速率远大于自然蒸发的速率。工业上的蒸发操作大多采用沸腾蒸发。 5.1.1 蒸发的分类第5章 蒸发4 蒸发按操作压强可分为加压蒸发、常压蒸发和减压（真空）蒸发。为了保持产品生产过程的系统压强（例如丙烷脱沥青），则蒸发需在加压状态下操作。对于热敏性物料（例如抗生素溶液、果汁、食用油脂），为了保证其产品质量，必须在较低温度下蒸发浓缩，则需采用真空操作以降低溶液的沸点。但由于沸点降低，溶液的黏度也相应增大，而且造成真空需要增加设备和动力。因此，一般无特殊要求的溶液，则采用常压蒸发。 此外，按操作方式，可将蒸发分为间歇蒸发和连续蒸发；按蒸发操作产生的二次蒸汽是否再作

3、为蒸发器的热源利用，可将蒸发分为单效蒸发和多效蒸发等。 第5章 蒸发5 蒸发操作总是从溶液中分离出部分（或全部）溶剂。常见的蒸发过程实际上是通过传热壁面的传热，使一侧的蒸汽冷凝而另一侧的溶液沸腾，溶剂的汽化速率由传热速率控制，所以蒸发属于传热过程。但蒸发又有别于一般的传热过程，具有下述特点：(1)传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，所以属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。(2)溶液性质：在蒸发过程中溶液的黏度逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢、易产生泡沫，在高温下易分解或聚合。(3)溶液沸点的改变：含有不挥发溶质的溶液，其蒸气压较同温度下

4、溶剂的蒸气压低。换句话说，在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，所以当加热蒸汽的压强一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液浓度越高这种现象越显著。(4)泡沫夹带：溶剂蒸气中夹带大量泡沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且污染冷凝设备。(5)能源利用：蒸发时产生大量溶剂蒸气，如何利用溶剂的汽化热，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。 5.1.2 蒸发过程的特点第5章 蒸发6 蒸发是化工、食品、医药、海水淡化等生产领域中广泛使用的一种单元操作，例如硝铵、烧碱、制糖等生产中将溶液加以浓缩，通过脱除溶液中的杂质以制取较纯溶剂。在植物油脂加工厂中，油脂浸出车间混合油的浓缩、

5、油脂精炼车间磷脂的浓缩以及肥皂车间甘油水溶液的浓缩等，都是蒸发操作。 5.1.3 蒸发过程的特点第5章 蒸发7 这种蒸发器的结构如图5-l所示。它是工业生产中广泛使用且历史悠久的大型蒸发器，至今在化工、轻工等行业中仍被广泛采用。5.2 蒸发器及辅助设备5.2.1 循环型（非膜式）蒸发器1. 1. 中央循环管式（标准式）蒸发器中央循环管式（标准式）蒸发器1.加热室；2.分离室（蒸发室）图5-1中央循环管式蒸发器第5章 蒸发82.2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 悬筐式蒸发器结构如图5-2所示，它是中央循环管式蒸发器的一种改良，其加热管束可以取出，用备用的管束替换，以节约清理时间。 1.加热室 .分离

6、室 .除沫器 .环形循环通道 图5-2悬筐式蒸发器第5章 蒸发95.2.2 单程型（膜式）蒸发器1.1.升膜式蒸发器升膜式蒸发器升膜式蒸发器又称长管蒸发器，结构如图5-3所示。其加热室由很长的加热管束组成，常用的加热管直径为2550mm，管长和管径比一般约为100150。管束装在壳体内，实际上就是一台立式的固定管板式换热器。加热蒸汽在管外，料液由蒸发器底部进入加热管，受热沸腾，迅速气化。蒸气在管内高速上升，料液则被上升的蒸气所带动，沿管壁成膜状上升，并在此过程中继续蒸发。汽液混合物在顶部分离室内分离，完成液由分离室底部排出，二次蒸汽由分离室顶部溢出。图5-3升膜式蒸发器1.蒸发室；2.分离室第

7、5章 蒸发10 料液在加热管内沸腾和流动情况对长管蒸发器的蒸发效果有很大的影响。现将其流动情况简述如下：图5-4在垂直加热管内汽、液两相的流动状态 第5章 蒸发11 设料液在低于其沸点时进入加热管，料液被加热，温度上升，料液因在管壁与中心受热程度不同而产生自然对流，此时尚未沸腾，溶液为如图5-4(a)所示的单相流动；当温度升高至沸点时，溶液沸腾而产生大量气泡，气泡分散于连续的液相中，此时管内开始如图5-4(b)所示的两相流动；随着气泡生成数量的增多，由许多气泡汇合而增大形成如图5-4(c)所示的片状流；气泡进一步增大形成柱状流动或称气栓；由于气栓不稳定，继而被液体隔断，形成如图5-4(d)所示

8、的环状流动；随着气量的进一步增大，在管子中央形成稳定的蒸汽柱，上升的蒸汽柱将料液拉曳成如图5-4(e)所示的一层液膜沿管壁迅速上升；随着上升气速进一步增大，对液膜产生强烈的冲刷作用，使液滴分散在气流中，在蒸汽柱内形成如图5-4(f)所示的带有液体雾沫的喷雾流。第5章 蒸发122.2.降膜式蒸发器降膜式蒸发器 降膜式蒸发器如图5-5所示。在降膜式蒸发器中，原料液由加热室顶部加入，在重力作用下沿管内壁成膜状下降，并在下降过程中被蒸发增浓的汽液混合物从底部进入分离室，完成液由分离室底部排出。1.蒸发器 2.分离室 3.液体分布器图5-5降膜式蒸发器第5章 蒸发13在每根加热管的顶部必须设置降膜分布器

9、，以保证溶液呈膜状沿管内壁下降。降膜分布器的形式有多种，图5-6所示的三种较为常用。图5-6(a)的导流管为一有螺旋形沟槽的圆柱体；图5-6(b)的导流管下部是圆锥体，此锥体底面向内凹，以免沿锥体斜面流下的液体再向中央集中；在图5-6(c)所示的分布器中，液体通过齿缝沿加热管内壁成膜状下降。图5-6降膜蒸发器的降膜分布器第5章 蒸发14 在工业上还常把以上两种蒸发器联合使用，如升-降膜式蒸发器。其结构如图5-7所示，蒸发器底部封头内装置一块隔板，将加热管束分为两部分，形成类似于双管程换热器的结构。原料液经预热达到沸点或接近沸点后引入升膜加热管束的底部，液体沿管壁向上呈膜状流动，汽、液混合物由顶

10、部流入降膜加热管束，液体又呈膜状沿管壁向下流动，最后汽、液混合物进入分离室进行分离。1.预热器 2.升膜加热室 3.降膜加热室4.分离室 5.冷凝水排出口图5-7升降膜式蒸发器第5章 蒸发153.3.刮板式薄膜蒸发器刮板式薄膜蒸发器刮板式薄膜蒸发器的结构如图5-8所示。图5-8刮板式薄膜蒸发器第5章 蒸发165.2.3 除沫器除沫器的形式很多，常见的几种类型如图5-9所示。图5-9 除沫器第5章 蒸发175.3 蒸发的方式及流程5.3.1 单效蒸发及计算 溶液在蒸发时，所产生的二次蒸汽不再利用或被用于蒸发器以外的操作，称为单效蒸发。单效蒸发是在一个蒸发器内进行蒸发的操作。如图5-10所示。 对

11、于稳定、连续的单效蒸发，在给定生产任务和确定了操作条件后，则可应用物料衡算式、热量衡算式和传热基本方程式计算确定蒸发操作的溶剂蒸发量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。1.加热器（室） 2.分离器（室） 3.冷凝器图5-10 单效蒸发流程第5章 蒸发181.1.溶剂的蒸发量溶剂的蒸发量在蒸发操作中，从溶液中蒸发出来的溶剂量可通过物料衡算来确定。现对图5-11所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算。进入和离开蒸发器的溶质量不变，即图5-11单效蒸发的物料衡算及热量衡算示意图第5章 蒸发19 由此可求得溶剂的蒸发量为： 完成液的浓度为 式中 F溶液的进料量，kg/h； W溶剂的蒸发量，kg/h； xw0

12、原料液中溶质的质量分率； xw1完成液中溶质的质量分率。10WWxWFFx101WWxxFWWFFxxWW01(5-2)(5-1)第5章 蒸发202.2.加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量 蒸发操作中，加热蒸汽的消耗量可通过热量衡算来确定。现对图5-11所示的单效蒸发器作热量衡算。得 由式5-4a可见，在蒸发操作中所消耗的热量，主要是供给二次蒸汽气化所需的潜热，此外还用于预热原料液和补偿蒸发器的热损失。rQttFcrWDLp01(5-4a)第5章 蒸发21式中 A蒸发器的传热面积，m2； K蒸发器的传热系数，W/m2； tm传热的平均温度差，； Q蒸发器的热负荷或传热速率，W。mtKQA(5-7

13、)3.3.蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积 蒸发器的传热面积可依据传热基本方程式求得，即第5章 蒸发225.3.2 真空（负压）蒸发 蒸发操作在减压条件下进行，即蒸发器内的压强低于大气压的蒸发操作称为真空（负压）蒸发。溶液在真空下蒸发，可以降低溶液的沸点，真空蒸发就是利用降低蒸发压强的方法来达到降低蒸发温度的目的。1.1.真空蒸发装置真空蒸发装置在真空蒸发装置中，除了蒸发器以外，还应有冷凝器、真空泵等附属设备。2.2.真空蒸发的流程真空蒸发的流程图5-12为单效真空蒸发流程示意图。1.蒸发器 2、4.分离器 3.混合冷凝器 5.缓冲罐 6.真空泵 7.真空贮存罐图5-12 单效真空蒸发流程示意

14、图第5章 蒸发233.3.真空蒸发的优点真空蒸发的优点（1）真空蒸发的温度低，适用于处理在高温下易分解、聚合、氧化或变性的热敏性物料。（2）蒸发操作的热源可以采用低压蒸汽或废汽，提高了热能的利用率。（3）在减压下溶液的沸点降低，使蒸发器的传热推动力增加，所以对一定的传热量，可以相应减小蒸发器的传热面积。（4）真空蒸发的操作温度低，可减少蒸发器的热损失。4.4.真空蒸发的缺点真空蒸发的缺点（1）在减压下，溶液的沸点降低，其粘度则随之增大，从而导致蒸发器总传热系数的下降。（2）需要有一套真空系统，并消耗一定的能量，以保持蒸发室的真空度。第5章 蒸发245.3.3 多效蒸发1.1.多效蒸发的概念多效蒸发的概念 将几个蒸发器顺次连接起来协同操作以实现二次蒸汽的再利用，从而提高加热蒸汽利用率的操作，称为多效蒸发。每一个蒸发器称为一效。通入加热蒸汽(生蒸汽)的蒸发器称为第一效。用第一效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第二效，用第二效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第三效，依此类推。2.2.多效蒸发的流程多效蒸发的流程（1）顺流加料（2）逆流加料（3）平流加料第5章 蒸发25（1）顺流加料 顺流加料（也称并流加料）法是工业生产中常用的加料法，其流程如图5-13所示。图5