学习-化工单元第九讲蒸发

化工单元过程及操作第九讲第五章蒸发第五章蒸发学习目标掌握单效蒸发过程及计算了解蒸发过程相关概念和多效蒸发了解蒸发器类型、特点及工业应用一蒸发的基本概念二单效蒸发过程及计算三多效蒸发及蒸发器分类第五章蒸发蒸发的基本概念第五章蒸发一蒸发的基本概念蒸发的定义：利用加热作用，使溶液中的溶剂和溶质部分分离的操作t<t沸自然蒸发t=t沸沸腾蒸发新鲜蒸汽——加热蒸汽(生蒸汽)蒸发出汽体——二次蒸汽一蒸发的基本概念蒸发的特点：1）为两侧恒温的传热过程

一侧蒸汽冷凝

一侧液体沸腾2）溶液浓度不断增大，其沸点不断上升蒸发的条件：1）必须不断供给热量2）二次蒸汽必须不断引出一蒸发的基本概念蒸发的目的：1）获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品；2）脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质；3）除杂质，获得纯净的溶剂。一蒸发的基本概念蒸发的分类：加压蒸发常压蒸发真空蒸发可使溶液沸点下降，传热温差大适用于热敏性物料温度低，但传热系数小单效蒸发：二次蒸汽不利用多效蒸发：二次蒸汽供下一效加热蒸汽按压力按蒸汽利用一蒸发的基本概念蒸发的流程：单效蒸发第五章蒸发二单效蒸发单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定的操作条件下，根据需求可能计算的内容包括：

1）水分的蒸发量；

2）热蒸汽(生蒸汽)消耗量；

3）蒸发器的传热面积。要解决以上问题，我们可根据物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程来解决。

物料恒算：假设溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即：则溶剂蒸发量为：二单效蒸发完成液的溶度：Q损A式二单效蒸发热量恒算：对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，则式中——加热蒸汽消耗量，kg/s；，——加料液与完成液的温度，℃；，，——加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg；，——二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。式中热损失可视具体条件来取加热蒸汽放热量的某一百分数。

B式二单效蒸发图为NaOH水溶液从0℃为基准温度的焓浓图。

浓缩热和溶液的焓浓图：二单效蒸发用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有代入B式得：

C式二单效蒸发为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即

式中——水的比热，kJ/kg；——溶质的比热，kJ/kg。结合A式得：

D式二单效蒸发1）忽略浓缩热时2）

忽略浓缩热且，将D式代入C式得：

r——表示潜热二单效蒸发3）假设沸点进料，，并忽略热损失和溶液浓度较低时，，则

或式中称为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。

二单效蒸发由传热速率方程得

式中——蒸发器传热面积，m2；——传热量，w；——传热系数，w/m2·K；——平均传热温差，K。蒸发器传热面积计算：由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，，且蒸发器的热负荷，所以有

例：常压下，水沸点100℃20%的NaOH水溶液沸点108.5℃如果用120℃的饱和蒸汽来加热对于纯水：温度差为120-100=20℃对于碱溶液：温度差为120-108.5=11.5℃则减少的温度差为20-11.5=8.5℃——温度差损失二单效蒸发蒸发中的温度差损失：溶液的沸点：液体的沸点是指其饱和蒸汽压等于外界压力时的温度。而溶液的饱和蒸汽压低于同温度下纯溶液的饱和蒸汽压，因此，同一外压下，溶液的沸点高于纯溶液的沸点。二单效蒸发温度差损失的原因：1）溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂高；2）蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管时产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。

3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失。如：二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因流动阻力使其压力降低，对应的饱和蒸汽温度也相应降低二单效蒸发例：用一单效蒸发器，欲将含量为20%、流量为4000kg/h的KCl水溶液蒸发浓缩至40%，加热蒸汽压强为415.6kPa，蒸发器内操作压力为57.9kPa，溶液沸点为393K，无水KCl比热容为0.679kJ/(kg.K)，水20℃时比热容为4.18kJ/(kg.K)。蒸发器的热损失不计。试求：原料液进料温度分别为303K、393K和423K时，加热蒸汽消耗量，并比较其经济性。蒸发器415.6kPa饱和水蒸气57.9kPa二次蒸汽4000kg/h20%KCl水溶液40%溶液解：首先画一个流程图表示进行的过程

用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。划定衡算的范围

选择衡算基准连续操作以单位时间为基准，本例以1小时为基准415.6kPa饱和冷凝水确定衡算对象和物料恒算由题意，需要求出蒸发的水量。因此，我们可以对溶质进行衡算得：能量恒算求加热蒸汽消耗量

进行能量恒算前，需要知道饱和水蒸汽的汽化潜热，此可根据查表获得：P=415.6kPar0=2133.9kJ/kgP=57.9kPar=2296.1kJ/kg1)原料液进料为303K时：2)原料液进料为393K时：3)原料液进料为423K时：多效蒸发第五章蒸发三多效蒸发在多效蒸发中，把第一效的加热蒸汽称为生蒸汽，蒸发后产生的蒸汽称为二次蒸汽，把二次蒸汽引入下一效作为加热蒸汽，这就要求下一效蒸发室的压强和溶液的沸点都较前一效低，则二次蒸发才可以起到加热作用，即后一效的加热室作为前一效二次蒸汽的冷凝器，这样一个个串联起来，只用一次生蒸汽，即可进行多次蒸发，提高了生蒸汽的利用率。如忽略热损失及温度差损失，且沸点进料，理论上讲，每一效1公斤蒸汽可蒸发1公斤水，但实际由于有热损失及温度差损失，不可能达到以上值，但总体上多效蒸发提高了生蒸汽的利用率。三多效蒸发多效蒸发蒸汽的经济性计算：第一效：

，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸气（）引入第二效又可蒸发1kg水，即第二效：，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量，所以依次类推：三效，……，n效忽略热损失及温度差损失三多效蒸发效数

单效

双效

三效

四效

五效

1.10.570.40.30.270.910.1752.53.333.70但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的的值大致如下：三多效蒸发多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有：并流：

溶液与蒸汽的流向相同，称并流逆流：

溶液与蒸汽的流向相反，称逆流错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流平流：

每一效都加入原料液的方法下面以三效为例加以说明：1）并流流程蒸汽流动方向：1→2→3

溶液流动方向：1→2→3特点(1)由于前效的压强较后效高，，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；(2)，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。(3)后一效比前一效浓度大，而温度更低，则料液粘度变大，传热系数变小，蒸发效果越来越差。因此，对粘度大的溶液，此方法不适合。2）逆流流程蒸汽流动方向：1→2→3溶液流动方向：3→2→11）因前一蒸发室较后效压力大，每效中间料液需加压2）料液因逆向流动，随浓度增大，而温度也升高，故粘度变化不大，所以K值变化不大，蒸发效果个效相差不多3）产生二次蒸汽较顺流少，因后效较前效温度低，料液进入前一效需吸收热量此法适合粘度随温度变化大的物料特点3）错流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1蒸汽流向：1→2→3特点：兼有逆流与并流的优点；操作较复杂。4）平流流程各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）蒸发设备第五章蒸发四蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。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。蒸发器加热室循环型分离室单程型四蒸发设备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，又分为自然循环型和强制型两类。

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）中央循环管式蒸发器特点：列管中央有一直径较大管子结构简单，投资小循环速度小，<0.5m/s加热室不易清洗（2）外加热式蒸发器特点：加热室和分离室分开，有一较长循环管，加热管便于清洗、更换循环管较长，且不断加热，因此循环速度大（3）强制循环蒸发器特点：加热室底部装有一循环泵，循环速度大u=1.5~3m/s，所以传热系数较大四蒸发设备2）液膜式蒸发器(单程型)循环型均有循环过程，停留时间长，对热敏性物料不适合因此为减少停留时间，发展了液膜式蒸发器液膜式蒸发器升膜式蒸发器降膜式蒸发器升-降模式蒸发器刮板搅拌降膜蒸发器（1）升膜式蒸发器特点：原料经预热，由底部进入，由管内向上，成膜状膜状蒸发，传热系数大有液柱静压作用，其沸点会升高适合于蒸发量较大，易生成泡沫及热敏性物料（2）降膜式蒸发器特点：原料经预热，由顶部进入，管内向下，成膜状静压小，需较好分布器适合粘度较大溶液的蒸发和热敏性物料四蒸发设备（3）升-降膜式蒸发器特点：将加热室分成两个部分，一侧为升膜式，一侧为降膜式（4）刮板搅拌降膜