化工原理 蒸发

1、第第 五五 章章 蒸蒸 发发5.1 概述概述5.2 蒸发设备蒸发设备5.3 单效蒸发单效蒸发5.4 多效蒸发多效蒸发 5.1 概述概述 将含有不挥发性溶质的稀溶液中部分溶剂加热沸腾汽化、将含有不挥发性溶质的稀溶液中部分溶剂加热沸腾汽化、并移出汽化蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。并移出汽化蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。1、什么是蒸发？、什么是蒸发？2、本质与特点：、本质与特点： 间壁式间壁式换热器两侧均有相变换热器两侧均有相变(蒸汽冷凝和液体沸腾蒸汽冷凝和液体沸腾)的的传热传热过程过程。溶剂的汽化速率由传热速率控制。溶剂的汽化速率由传热速率控制。生生 蒸蒸 汽汽：饱和水蒸气

2、（加热剂）。：饱和水蒸气（加热剂）。二次蒸汽二次蒸汽：从溶液中蒸出的蒸汽。：从溶液中蒸出的蒸汽。单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的操作。单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的操作。多效蒸发：将二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用多效蒸发：将二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用 其冷凝热的操作。其冷凝热的操作。推动力推动力=T生生t溶液溶液。4、蒸发操作的用途：蒸发操作的用途：（1）获得浓缩的溶液（烧碱溶液等）获得浓缩的溶液（烧碱溶液等）（2）制取纯溶剂）制取纯溶剂（3）同时制取浓溶液和纯溶剂）同时制取浓溶液和纯溶剂（4）结晶操作的前一步骤（三大民生产业：制盐

3、、制糖和制碱）结晶操作的前一步骤（三大民生产业：制盐、制糖和制碱）3、蒸发操作的类型：蒸发操作的类型：（1）连续式连续式、间歇式。、间歇式。（2）加压、常压、）加压、常压、减压。减压。一般减压：优点：一般减压：优点：有利于处理热敏性物质；有利于处理热敏性物质；推动力大。推动力大。 缺点：缺点：K；设备投资大。设备投资大。（3）间壁式间壁式、直接接触式。、直接接触式。 冷却水 料液加热蒸汽 冷凝水 水 完成液 单效蒸发器除沫器除沫器二次蒸汽二次蒸汽不凝性气体不凝性气体（生蒸汽）（生蒸汽）冷凝器冷凝器5.2 5.2 蒸发设备蒸发设备一、主要构造一、主要构造 蒸发器蒸发器(加热室加热室,分离室分离室

4、) 除沫器除沫器 冷凝器冷凝器 真空装置真空装置辅助装置辅助装置二、蒸发器类型二、蒸发器类型 连续式、连续式、间歇式间歇式 常压式、常压式、减压式、减压式、加压式加压式间壁式蒸发器：间壁式蒸发器：* 直接接触式蒸发器：浸没燃烧蒸发器直接接触式蒸发器：浸没燃烧蒸发器特点：特点：溶液在蒸发器中作良溶液在蒸发器中作良好的循环流动，以提高传热好的循环流动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。效果、缓和溶液结垢情况。特点：特点：溶液在蒸发器中只溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环通过加热室一次，不作循环流动，停留时间短，适宜热流动，停留时间短，适宜热敏性物质。敏性物质。 溶液通过加热室时，溶液通过加热

5、室时，在管壁上呈膜状流动，该流在管壁上呈膜状流动，该流动传热效果最佳，故习惯上动传热效果最佳，故习惯上又称为液膜式蒸发器。又称为液膜式蒸发器。 强强制制循循环环式式自自然然循循环环式式： 单单程程式式（膜膜式式）循循环环式式中央循环管式中央循环管式悬框式悬框式外热式外热式升膜式蒸发器升膜式蒸发器降膜式蒸发器降膜式蒸发器刮板式蒸发器刮板式蒸发器升升-降膜式蒸发器降膜式蒸发器-优点：优点：结构紧凑、制造方便、传热结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等，应用十分广泛。较好及操作可靠等，应用十分广泛。缺点：缺点：（1）循环速度较低，管内流速）循环速度较低，管内流速 二次蒸汽饱和温度二次蒸汽饱和温度

6、Tt）：沸点升高（温度差损失引起沸点升高的原因引起沸点升高的原因a a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低； 溶液沸点溶液沸点 相同压力下水沸点相同压力下水沸点b b）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升；）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升； 即：液柱静压头引起沸点升高即：液柱静压头引起沸点升高1、溶液沸点、溶液沸点 t ( tb )T推动力推动力=T生生t溶液溶液。有效传热温差有效传热温差=T生生t溶液溶液。说明：说明：如果采用蒸发器中的二次蒸气饱和温度如果采用蒸发器中的二次蒸气饱和温度 ，则则溶液的沸点：溶液的沸点： Tt 如果采用冷凝器中的二次蒸

7、气温度如果采用冷凝器中的二次蒸气温度 ，则：，则： Tt 为由于流动阻力引起的温度差损失。为由于流动阻力引起的温度差损失。T T溶液蒸汽压降低引起的沸点升高溶液蒸汽压降低引起的沸点升高 液柱静压头引起的沸点升高液柱静压头引起的沸点升高2022-2-252、溶液沸点升高的计算、溶液沸点升高的计算 溶液蒸汽压降低引起的沸点升高溶液蒸汽压降低引起的沸点升高 方法方法1：实验测定溶液的沸点：实验测定溶液的沸点 tb， 由二次蒸汽压力确定其饱和温度由二次蒸汽压力确定其饱和温度T。Ttb 方法方法2：用杜林规则求溶液的沸点。用杜林规则求溶液的沸点。 杜林规则杜林规则 ：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下纯溶

8、剂的：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下纯溶剂的 沸点呈线性关系，即有：沸点呈线性关系，即有： mkttwb式式中中， tw：水的沸点；：水的沸点； k、m：与溶液种类、浓度有关。：与溶液种类、浓度有关。杜林规则也可用图形表示杜林规则也可用图形表示说明：由图可见，各线近似平行，说明压力对说明：由图可见，各线近似平行，说明压力对影响不大；影响不大； 溶质浓度越大，溶质浓度越大，越大。越大。rTffa/0162.02：校校正正系系数数a-为常压下的值为常压下的值( (查附录表获取查附录表获取) ) 方法方法3： 也可按下式估算：也可按下式估算： 液柱静压头引起的沸点升高液柱静压头引起的沸点升高 溶液

9、内部沸点，按平均压力计算：溶液内部沸点，按平均压力计算： gLppm21ppmtt 则： 二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高 用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。 按经验数值选取：按经验数值选取：C5 . 11 在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为。相应的降低，由此引起的温度差损失为。 二、二、 单效蒸发的计算单效蒸发的计

10、算加热蒸汽加热蒸汽D, T, H原料液原料液F, x0,t0, cp0, h0二次蒸汽二次蒸汽W, T,H完成液完成液F-W, x1, t1,cp1,h1蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水D, T,hw加热室 单效蒸发计算示意图单效蒸发计算示意图 已知项：已知项： 原料液组成、流量、温度原料液组成、流量、温度 完成液组成完成液组成 加热蒸汽的温度加热蒸汽的温度 蒸发室压强或冷凝器的温度蒸发室压强或冷凝器的温度 待求项待求项 蒸发量蒸发量-物料衡算物料衡算 生蒸汽消耗量生蒸汽消耗量-热量衡算热量衡算 蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积-传热计算传热计算 1、物料衡算、物料衡算 对溶质衡算对溶质衡算定态蒸发过定态

11、蒸发过程，单位时间进入和离开蒸发程，单位时间进入和离开蒸发器的溶质量相等，即器的溶质量相等，即10)(xWFFx)1 (10 xxFWWFFxx01水分蒸发量：水分蒸发量： 完成液的浓度：完成液的浓度： 加热蒸汽加热蒸汽 D原料液原料液F, x0二次蒸汽二次蒸汽W完成液完成液L (F-W), x1蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水 D 加热室 物料衡算示意图物料衡算示意图 二 次 蒸 汽 W ， T ， H 料 液 分 离 室 F, t0, h0,cp0 D, Ts ,Hs 加 热 室 完 成 液 L， t1， h1, cp1 D, Ts ,hw 2、热量衡算、热量衡算lwsQDhhWFWHFhDH10ws

12、lhHQhHWhhFD101 txfh, -查焓浓图查焓浓图无明显浓缩热的体系：无明显浓缩热的体系：lQWrhhFDr01lpQWrttFCDr010 xCxCCpBpwp)1 (溶液的恒压比热容：溶液的恒压比热容： 工业上，加热蒸汽一般是相变给热工业上，加热蒸汽一般是相变给热lQ沸点进料时：沸点进料时：若忽略热损失：若忽略热损失： Ql 0，则：，则：实际：实际：e 值约为值约为1.1， -衡量蒸发器经济性的指标。衡量蒸发器经济性的指标。WrDr rrWDe1单位蒸汽耗量：汽化单位蒸汽耗量：汽化1kg水所消水所消耗的蒸汽量，其值约为耗的蒸汽量，其值约为1。lpQWrttFCDr010lQWr

13、Dr节能节能考虑热损失：考虑热损失：具体数据；具体数据； 总蒸汽消耗量的总蒸汽消耗量的20%或蒸发器热负荷的或蒸发器热负荷的20%； 总传热量的总传热量的20%。 3、加热面积、加热面积A的计算（的计算（基于加热管外壁面基于加热管外壁面）mtAKQ00DrQ 冷却水 料液加热蒸汽 冷凝水 水 完成液 单效蒸发器K值约为值约为6006000W/m2KtTtsm Pt 取决于：取决于： 蒸发室压强、溶液浓度、蒸蒸发室压强、溶液浓度、蒸发室内液层深度。发室内液层深度。tTrTDs,iiiimddddRdbdRK00000011 P 4、的计算关联式的计算关联式三、蒸发器的生产能力和生产强度三、蒸发器

14、的生产能力和生产强度 生产能力：生产能力：单位时间的蒸发量，用单位时间的蒸发量，用W W 表示，表示，Kg/h。 （或用单位时间的传热量来表示）（或用单位时间的传热量来表示） 传热速率与蒸发量的关系受进料情况影响：传热速率与蒸发量的关系受进料情况影响： 沸点进料沸点进料 低于沸点进料低于沸点进料 高于沸点进料高于沸点进料 生产强度：生产强度：单位时间、单位面积的蒸发量。单位时间、单位面积的蒸发量。U=W/AU=W/A。 -评价蒸发器优劣的重要指标评价蒸发器优劣的重要指标沸点进料，不计热损失：沸点进料，不计热损失：Q=Wr= KAt U=Kt / r强化？强化？ 特点：特点：热阻有三个方面造成，

15、主要在管内垢层及管内沸腾热阻有三个方面造成，主要在管内垢层及管内沸腾给热一方。给热一方。但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加。性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加。 提高传热系数的措施：提高传热系数的措施： 1、定期清理垢层；、定期清理垢层； 2、减缓垢层形成；、减缓垢层形成； 加热微量阻垢剂；加热微量阻垢剂； 在处理有结晶物析出的物料时，可加入少量晶种在处理有结晶物析出的物料时，可加入少量晶种（结晶颗（结晶颗粒），使结晶尽可能在溶液主体中进行，而不是在加热面进行；粒），使结晶尽可能在溶

16、液主体中进行，而不是在加热面进行； 添加表面活性剂：添加表面活性剂：表面活性剂降低了相界面之间的张力，表面活性剂降低了相界面之间的张力，从而产生了润湿、抗再黏附作用。从而产生了润湿、抗再黏附作用。既增大了沸腾给热系数、又可既增大了沸腾给热系数、又可使沸腾侧的加热面不易结垢层使沸腾侧的加热面不易结垢层。 3、加快管内流体的循环速度（、加快管内流体的循环速度（ 、减缓结垢）：自然循环减缓结垢）：自然循环强制循环；扩大管内沸腾环状流动区；降低单程汽化率，避免局强制循环；扩大管内沸腾环状流动区；降低单程汽化率，避免局部浓度过高等。部浓度过高等。提高传热系数的方法提高传热系数的方法一、多效蒸发及其流程一

17、、多效蒸发及其流程平流流程错流流程逆流流程并流流程向分为按料液与二次蒸汽的走5.4 多效蒸发多效蒸发1T 冷却水料液加热蒸汽 冷凝水 水完成液 并流多效蒸发器P二次蒸汽二次蒸汽 1232T3T1、并流流程优、缺点：、并流流程优、缺点： 料液可自动流入下一效，料液可自动流入下一效，无需泵输送；无需泵输送； 溶液会发生闪蒸而产生更溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽；多的蒸汽； 传热推动力依次减小传热推动力依次减小； K依次减小；依次减小；特点：节省生蒸汽的用量，提高经济效益。特点：节省生蒸汽的用量，提高经济效益。 冷却水 料液 加热 蒸汽 冷凝水 水完成液 逆流多效蒸发器P1T二次蒸汽二次蒸汽 123

18、2T3T逆流流程优、缺点：逆流流程优、缺点： 料液需用泵送入下一效；料液需用泵送入下一效； 传热推动力较为均匀传热推动力较为均匀。2 2、逆流流程：逆流流程：一般这种流程只有在一般这种流程只有在溶液粘度随温度变化较溶液粘度随温度变化较大的场合才被采用。大的场合才被采用。 料液 冷却水 加热 蒸汽 冷凝水 水 完成液 错流多效蒸发器（231） P1T二次蒸汽二次蒸汽 1232T3T错流流程优、缺点：错流流程优、缺点： 兼有并、逆流的优点；兼有并、逆流的优点； 操作复杂操作复杂。3 3、错流流程：错流流程： 料液 冷却水 加热 蒸汽 冷凝水 水完成液 平流多效蒸发器P1T 1232T3T平流流程优、缺点：平流流程优、缺点： 各效独立进料，传热各效独立进料，传热状况均较好；状况均较好； 物料停留时间较短物料停留时间较短。4 4、平流流程：平流流程：这种流程适用于处理这种流程适用于处理易结晶物料，例如食盐易结晶物料，例如食盐水溶液等的蒸发。水溶液等的蒸发。二、多效蒸发与单效蒸发的比较二、多效蒸发与单效蒸发的比较 多效蒸发多效蒸发单位生蒸汽消耗量单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，提高了生蒸汽比单效蒸发小，提高了生蒸汽的利用率，操作费比单效蒸发小；的利用率，操作费比单效蒸发小； 多效