hgyl-第六章-蒸发解读课件

第六章蒸发

Evaporation

化工原理陈玉琴12/30/20221第六章蒸发

Evaporation

§6-1

概述

蒸发是工业上常用的浓缩方法。

一、蒸发概念1、蒸发：使含有不挥发物质的溶液沸腾汽化，并移出蒸汽，从而使溶液中的溶质浓度提高的单元操作，称为蒸发。2、蒸发的目的：①将溶液浓缩后,冷却结晶，获得固体产品；②获得纯净的溶剂产品；③获得浓缩的溶液产品。

12/30/20222

§6-1概述

蒸发是工业上常用的浓3、蒸发的必备条件：被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其他溶剂的溶液。本章只讨论水溶液的蒸发。

加热蒸汽：工业上采用的热源为水蒸气，称为加热蒸气,又称生蒸汽。

二次蒸汽：蒸发时产生的蒸汽称为二次蒸汽。蒸发的必备条件：（1）热能（加热蒸汽）的不断供给；（2）二次蒸汽的不断排除。

12/30/202233、蒸发的必备条件：12/26/20223二、蒸发的分类

1、按操作空间的压力分：常压蒸发，加压蒸发及减压蒸发。减压蒸发又称真空蒸发。真空蒸发的特点：（1）减压下，溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源；（2）溶液的沸点随所处的压强的减小而减小，故对相同压强的加热蒸气，当溶液处于减压时，可以提高传热总温度差；但同时，溶液的粘度会加大，又使总传热系数减小；（3）真空蒸发系统要求有造成减压的设备，如真空泵，这样会使系统的投资和操作费用提高。这是不利的一面。12/30/20224二、蒸发的分类12/26/202242、按二次蒸汽的利用情况分：（1）单效蒸发：将所产生的二次蒸汽不再利用，而直接送往冷凝器冷凝以除去的蒸发，称为单效蒸发。（2）多效蒸发：将多个蒸发器串连，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。动画12/30/202252、按二次蒸汽的利用情况分：12/26/20225

三、蒸发流程

下图所示为硝酸铵水溶液蒸发的简化流程图。该流程包括蒸发器和冷凝器。稀硝酸铵水溶液（料液）经预热后加入蒸发器。

蒸发器的下部是由许多加热管组成的加热室，在管外用加热蒸汽加热管内的溶液，并使之沸腾气化。经浓缩后的硝酸铵水溶液（完成液）从蒸发器底部排出。

蒸发器的上部为分离室（蒸发室），汽化产生的蒸汽在分离室及其顶部的除沫器中将其携带的液沫予以分离，然后送往冷凝器被冷凝而除去。12/30/20226三、蒸发流程12/26/20226动画三效动画12/30/20227动画三效动画12/26/20227中央循环管式蒸发器1－加热室；2－中央循环管；3－分离室；4－外壳中央循环管式蒸发器：加热室由管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。细管内单位体积溶液受热面大于粗管的，因此细管内汽液混合物的密度比粗管内的小。这种密度差促使溶液作沿粗管下降而由细管上升的连续规则的自然循环运动。粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。12/30/20228中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器：12/26/20228四、蒸发操作的特点1、传热性质：传热壁面的一侧为加热蒸气进行冷凝，另一侧为溶液的沸腾，所以蒸发过程属于间壁两侧流体均有相变化的恒温传热过程；

2、溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出，或易结垢、易生成泡沫等，还有些溶液高温下易分解或聚合。此外，在蒸发过程中，随着溶液的浓缩，其粘度不断增大，腐蚀性也逐渐加强。所有这些性质的不同或变化，在蒸发时都要考虑到，且要根据不同物料的特性和工艺条件的要求，选择适宜的蒸发方法和蒸发设备。

12/30/20229四、蒸发操作的特点12/26/20229

3、溶液的沸点升高：蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂（水）的沸点。所以，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温差就会比蒸发纯溶剂时的传热温差小，而且，溶液的浓度越大，这种影响越显著。4、能量利用与回收：如何充分利用加热蒸气，使单位质量的加热蒸气能除去较多的水分，亦即如何提高加热蒸气的经济程度，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。5、泡沫夹带：二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且还会污染冷凝设备。12/30/2022103、溶液的沸点升高：蒸发的物料是溶有不挥发溶质的§6-2

蒸发设备－蒸发器

蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。

蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和分离室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。12/30/202211§6-2蒸发设备－蒸发器蒸发设备的一、蒸发器的分类在蒸发操作时，根据两流体之间的接触方式不同，可将蒸发器分为间接加热式蒸发器和直接加热式（P306）蒸发器。间接加热式蒸发器主要由加热室及分离室组成。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常见的间接加热蒸发器分为循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。（膜式蒸发器）(自然循环蒸发器、强制循环蒸发器)（P306）12/30/202212一、蒸发器的分类在蒸发操作时，根据两二、蒸发器（一）循环型（非膜式）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12/30/202213二、蒸发器（一）循环型（非膜式）蒸发器12/26/202211.中央循环管式蒸发器加热室由管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。细管内单位体积溶液受热面大于粗管的，即细管内的溶液受热好，溶液气化的多，因此细管内汽液混合物的密度比粗管内的小。这种密度差促使溶液作沿粗管下降而由细管上升的连续规则的自然循环运动。粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。1－加热室；2－中央循环管；3－分离室；4－外壳动画12/30/2022141.中央循环管式蒸发器1－加热室；2－中央循环管；3－分

中央循环管式蒸发器具有溶液循环好，传热效率高的优点，而且结构紧凑，制造方便，操作可靠，所以应用非常广泛，有“标准蒸发器”之称。为了溶液有良好的循环，中央循环管截面积一般为加热管总截面积的40～100％。管束高度为1～2m，加热管直径在25～75mm之间，长径比一般为20～40。由于结构限制，循环速度一般在0.4～0.5m/s以下，故溶液粘度大、沸点高。中央循环管式蒸发器适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。12/30/202215中央循环管式蒸发器具有溶液循环好，传热效率高的优点，

2.外热式蒸发器外热式蒸发器的加热管较长，其长径比为50～100。由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内的大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5m/s。1－加热室；2－分离室；3－循环管动画12/30/2022162.外热式蒸发器1－加热室；2－分离室；3－循环管动画3.

强制循环蒸发器

自然循环蒸发器共同缺点就是溶液的循环速度较慢，传热效果较差。对于粘度大，易结垢或易结晶的溶液，可采用强制循环蒸发器，这种蒸发器内的溶液是利用外加动力（泵）进行循环的，循环速度可达2～5m/s。泵迫使溶液沿一个方向通过加热管。但是动力消耗大：0.4～0.8kW/(m2传热面积）。1－加热室；2－循环泵；3－循环管；4－分离室；5－除沫器动画12/30/2022173.强制循环蒸发器1－加热室；2－循环泵；3－循环管；4－

循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。

而在单程型（膜式）蒸发器中，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，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。12/30/202218循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大（膜式蒸发器）12/30/202219（膜式蒸发器）12/26/202219

在各种流动状态下，以膜状流动效果最好，故溶液应先预热到沸点或接近沸点后在进入蒸发器。

1、升膜式蒸发器动画12/30/202220在各种流动状态下，以膜状流动效果最好，故溶液2、降膜式蒸发器P305图5－63、刮板搅拌薄膜式蒸发器P306图5－9（三）直接加热蒸发器P306图5－1012/30/2022212、降膜式蒸发器12/26/202221

三、蒸发器的选型

蒸发器的结构型式很多，实际选型时，除了要求结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等等外，首要的还是看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。12/30/202222三、蒸发器的选型12/26/202222

1、溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度的变化的范围，是选型首要考虑的因素。to2、溶液的热稳定性：长时间受热易分解，易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少，停留时间短的蒸发器。如膜式蒸发器。to3、有晶体析出的溶液：对蒸发时有晶体析出的溶液，应采用外热式蒸发器或强制循环式蒸发器。to4、易发泡的溶液：这类溶液在蒸发时会生成层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这类溶液宜采用外热式蒸发器、强制循环式蒸发器或升膜式蒸发器。to12/30/2022231、溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度的变化的范围，是选型5、有腐蚀性的溶液：蒸发腐蚀性的溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或者内壁衬以耐腐蚀材料。6、易结垢的溶液：对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度较大的蒸发器。To7、溶液的处理量：当要求传热面积大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器（P306图5－9），要求传热面积在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。12/30/2022245、有腐蚀性的溶液：蒸发腐蚀性的溶液时，加热管应采用特殊材toTo12/30/202225to12/26/202225§6-3单效蒸发§6-3-1溶液的沸点升高和温度差损失一、溶液的沸点升高

在一定的压强与液层深度条件下，溶液的沸点较纯溶剂（水）的高，高出的度数称为溶液的沸点升高，例如，常压下20%（质量百分数），若不特别指明，本章溶液的组成都是指质量百分数。NaOH水溶液的沸点为108.5℃，而水的为100℃，此时溶液沸点升高8.5℃。12/30/202226§6-3单效蒸发§6-3-1溶液的沸点升高和温

一般稀溶液和有机溶液的沸点升高值较小，而无机盐溶液的沸点升高值较大，有时可高达数十度。沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差不利，例如用120℃饱和水蒸汽分别加热20%的NaOH水溶液和纯水，并使之沸腾，有效温度差分别为120-108.5=11.5℃和120-100=20℃。由于有沸点升高现象，使同条件下蒸发溶液的有效温度差下降8.5℃。12/30/202227一般稀溶液和有机溶液的沸点升高值较小，而无机盐溶液的温度差损失不仅仅是因为溶液中含有了不挥发性溶质引起的，蒸发器内的操作压力高于冷凝器以克服二次蒸汽从蒸发器流到冷凝器的阻力损失、蒸发器的操作需维持一定的液面等因素都会造成温度差损失。Δ=Δ′+Δ"+Δ"′

二、蒸发设备中的温度差损失12/30/202228温度差损失不仅仅是因为溶液中含有了不挥发性溶

（1）由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失

由于溶液中溶有不挥发性溶质，使得溶液的蒸汽压比同条件下纯水的要低，因此溶液的沸点比同条件下纯水的高，两者之差称为由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失（沸点升高），或称为因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失（沸点升高），以’表示。

该温度差损失与溶液种类、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。12/30/202229（1）由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失12/26

（2）由加热管内液柱静压强引起的温度差损失某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液层，液层内部各截面上的压强大于液层表面的压强，因此液层内部的沸点高于液面的沸点，液层内部的沸点与液层表面沸点之差称为因液柱静压强引起的温度差损失，用’’表示。

（3）由于管路中流动阻力而引起的温度差损失多效蒸发中二次蒸汽由前效送至下一效时，因流动阻力使二次蒸汽压强略有下降，温度也相应降低，致使有效温度差略有损失，这种损失称为因流动阻力而引起的温度差损失，用’’’表示。一般取经验值1C～1.5C。12/30/202230（2）由加热管内液柱静压强引起的温度差损失（3）由§6-3-2生产能力及生产强度

一、蒸发器的生产能力

蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量来表示，又称蒸发量，用W表示，[kg/h]。可用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力。二、蒸发器的生产强度1、概念：蒸发器的生产强度是指单位时间内在单位传热面积上所蒸发的水分量，用U表示，[kg/m2.h]。

蒸发器的生产强度是衡量蒸发器性能好坏的标准。12/30/202231§6-3-2生产能力及生产强度一、蒸发器的生产能力12、提高蒸发器的生产强度的途径：若为沸点进料，忽略蒸发器的热损失：r’－操作压强下，二次蒸汽的气化潜热，kJ/kg.12/30/2022322、提高蒸发器的生产强度的途径：12/26/202232

（1）提高tm:tm=T-t

传热温差取决于加热蒸汽的压强以及冷凝器中二次蒸汽的压强。加热蒸汽的压强：300～500kPa，特例：600～800kPa冷凝器的真空度:要求残压（绝压）10～20kPa（2）增大总传热系数K：

总传热系数K取决于两侧的对流传热分系数及污垢热阻。一般：o>>i。考虑增大i为主。管内侧的污垢热阻也是影响总传热系数K的重要因素。12/30/202233（1）提高tm:tm=T-t§6－4多效蒸发

节约能源，提高加热蒸汽的经济程度，使单位质量的加热蒸汽能够除去较多的水分，是蒸发操作中要解决的关键问题之一。多效蒸发就是最有效的措施之一。12/30/202234§6－4多效蒸发节约能源，提高加热蒸汽一、多效蒸发的操作原理

将二次蒸汽作为另一蒸发器的加热蒸汽，只要该蒸发器蒸发室的压强和溶液沸点，均比原蒸发器中的低，则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用，此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器。

将多个蒸发器这样连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发器。每一个蒸发器称为一效，通入生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效的二次蒸汽以加热的称为第二效，依此类推。12/30/202235一、多效蒸发的操作原理12/26/202235W－蒸发量，单位时间内蒸发的水分量,kg/h；D－加热蒸汽的消耗量,kg/h。D/W－单位蒸汽耗量，蒸发单位质量的水分所消耗的加热蒸汽,无量纲。效数：单效双效三效四效五效D/W：1.10.570.40.30.27

to

To

多效蒸发可以节省大量的生蒸汽。在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发。常用的多效蒸发：双效、三效、四效，有的多达六效。

12/30/202236W－蒸发量，单位时间内蒸发的水分量,kg/h；12/26/2二、多效蒸发流程根据溶液与二次蒸气的流向，可有不同的加料方法与相应的流程。加热蒸汽的流向都是由第一效顺序流至末效。以三效为例，可以有三种流程：1、并流加料流程

（1）流程：如下图所示。在这种流程中，溶液的流向和蒸气的流向相同，从第1效顺序到第3效，压力逐效降低，溶液浓度逐效升高。12/30/202237二、多效蒸发流程12/26/202237动画12/30/202238动画12/26/202238（2）特点：a.溶液的输送可以利用各效间的压力差进行。b.溶液由前一效进入后一效时，由于减压，存在自蒸发现象，故后一效产生的二次蒸气略多。自蒸发现象：在并流流程中，由于后一效的压力较前一效的低，所以，当溶液由前一效进入后一效时，往往由于过热而自行蒸发，常称为自蒸发或闪蒸，这就使后一效可以产生稍多一些的二次蒸气。12/30/202239（2）特点：12/26/202239c.传热系数逐效减小，最末一、二效尤为显著。传热系数逐效减小：并流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的浓度不断升高，而其温度却不断降低，溶液的粘度增加很大，使得后一效蒸发器的传热系数常较前一效的为小，这在最末一、二效更为严重。因此，并流加料时，第1效的传热系数往往比末效的大得多。12/30/202240c.传热系数逐效减小，最末一、二效尤为显著。12/26/202、逆流加料流程

（1）流程：如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序到第3效，而溶液的流向和蒸气的流向相反。从第1效到第3效，压力逐效降低，溶液浓度逐效降低。动画12/30/2022412、逆流加料流程

（1）流程：如下图所示。蒸汽还是从第1

（2）特点：与并流加料流程相反。a.逆流加料时，各效之间溶液的输送要用泵来完成。b.由于多效蒸发时，前一效压力总是比后一效的为高，所以，当溶液由后一效逆流进入前一效时，不仅没有自蒸发，还需多消耗部分热量将溶液加热至沸点。所以与并流进料比，产生的二次蒸汽量较少。

12/30/202242（2）特点：与并流加料流程相反。12/26/202242

c.在逆流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的浓度不断升高，其温度也不断上升，所以，各效溶液的粘度比较接近，从而各效的传热系数不会像并流加料时那样相差悬殊，而是差不多大。当完成液由第1效排出时，其温度也较其余各效的为高。逆流加料适用于粘度随浓度和温度变化较大的溶液，而不适于热敏性物料的蒸发。12/30/202243c.在逆流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的3、平流加料流程

如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序到第3效，料液由各效分别加入，完成液也分别由各效排出。该流程主要应用于蒸发过程中容易析出结晶的场合。动画12/30/2022443、平流加料流程

如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序三、多效蒸发与单效蒸发的比较前提：多效蒸发与单效蒸发的操作条件相同，即（1）多效蒸发的第一效的加热蒸汽与单效蒸发的加热蒸汽相同；（2）单效蒸发的冷凝器与多效蒸发末效的冷凝器相同。1、温度差损失和有效温度差

（1）当完成液浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发；

（2）当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温度差之和小于单效蒸发。12/30/202245三、多效蒸发与单效蒸发的比较12/26/202245

多效蒸发中每一效都存在温度差损失。假定完成液的浓度相同，则多效蒸发中末效的温度差损失接近于单效蒸发的温度差损失，因此，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发。由此可知，当理论传热温度差一定时，多效蒸发的有效传热温度差之和小于单效蒸发。随总效数增加，有效传热温度差减小。同时，由于总有效传热温度差以某种方式分配于各效，因此，多效蒸发中每一效的有效传热温度差远小于单效。12/30/202246多效蒸发中每一效都存在温度差损失。假定完成液如下图为单效、二效和三效蒸发装置中温度差损失示意，图中三种情况有着相同的操作条件。其中图形总高度代表加热蒸汽温度130℃和冷凝器中蒸汽温度50℃间的总温度差（即130-50=80℃），阴影部分代表由于各种原因引起的温度差损失，空白部分代表有效温度差，即传热的推动力。由图可见，多效蒸发较单效蒸发的温度差损失大。显然，效数越多，温度差损失越大。12/30/202247如下图为单效、二效和三效蒸发装置中温度差损失示单效两效三效单效蒸发及多效蒸发温度差损失和有效温度差12/30/202248单效两效5050507070707090100110120130130130110100100602020单效1010双效三效温度/℃单效、双效、三效蒸发装置中的温度差损失12/30/202249505050707070709010011012013013

2、经济性

由于多效蒸发提高了生蒸汽的经济性，完成一定的蒸发任务W所需要的生蒸汽量大为减少，显著降低了操作费用，因此，在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发。to

3、生产能力和生产强度

（1）生产能力（W）：单位时间内蒸发的水分量。单效和多效蒸发的生产能力可分别由总传热速率方程式表示：单效：Q=KStt＝T－t三效:Q1=K1S1t1Q2=K2S2t2Q3=K3S3t3

12/30/2022502、经济性

由于多效蒸发提高了生蒸汽的经济性

设多效蒸发中，各效的传热面积S和总传热系数K相等，并等于单效的，又设两者理论传热温度差相同。三效总传热速率：Q＝Q1＋

Q2＋

Q3＝KStt＝t1＋t2＋t3＝T－t在各效S、K与单效相同时，若不考虑操作过程中的温度差损失，多效蒸发与单效蒸发的传热速率相同，所以二者的生产能力相同。但由于蒸发过程中不可避免的存在温度差损失，而且多效蒸发的温度差损失较大，所以其生产能力小于单效蒸发。12/30/202251设多效蒸发中，各效的传热面积S和总传热系数K（2）生产强度（U）：单位时间内单位传热面积上蒸发的水分量。这是衡量蒸发器性能的重要指标之一。为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积是单效蒸发的n倍，所以多效蒸发的生产强度是单效蒸发的1/n；

多效蒸发提高了经济性，但却降低了生产强度。多效蒸发经济性的提高是以增加设备费用为代价的。12/30/202252（2）生产强度（U）：单位时间内单位传热面积上蒸发的水分量。四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数1、传热温度差的限制实际生产中加热蒸气压力和冷凝器的真空度都有一定的限制，因此理论传热温度差也有一定限制。而随效数增加，各效传热温度差损失之和增大。如果效数过多，则会出现总温度差损失等于或大于总有效温度差，蒸发操作无法完成。对沸点升高较大的溶液，效数对有效传热温度差的影响尤其显著。12/30/202253四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数12/26/202、设备费用的限制

多效蒸发中，对一定的蒸发任务W，随着效数的增加，单位蒸汽耗量减少，使操作费用降低；但是效数越多，设备费用的增加很大。而由前面表(To）可知，生蒸气经济性提高的幅度随效数增加而减小。如果在设备的折旧年限内，再增加一效后节约的蒸气费用不足以抵消其设备投资时，则不能再增加效数，实际的多效蒸发过程，效数不是很多。由单效改为双效：

由四效改为五效：12/30/2022542、设备费用的限制

多效蒸发中，对一定的蒸发任务W，

从传热的角度考虑，为使维持溶液的沸腾传热好，在确定效数时，应注意使各效分配到的有效温度差不小于5～7℃。

最佳效数选择：原则上应使单位生产能力的设备费与操作费之和为最小。近年来，为了更充分的利用热能，已出现了适当增加效数的趋势。一般来说，对于电解质溶液，如NaOH等水溶液的蒸发，由于其沸点升高较大，故通常为2～3效；对于非电解质溶液，如糖的水溶液或其它有机溶液的蒸发，其沸点升高较小，可取4～6效；对海水淡化的蒸发装置，效数可多达20～30效。12/30/202255从传热的角度考虑，为使维持溶液的沸腾传热好，本章小结

1、什么是蒸发？蒸发的必备条件是什么？2、什么是多效蒸发？与单效蒸发比，多效蒸发有什么优缺点？3、蒸发操作有哪些特点？4、什么是溶液的沸点升高？什么是溶液的温度差损失？造成溶液的温度差损失的原因是什么？5、真空蒸发有什么优点？6、多效蒸发是否效数越多越好？为什么？12/30/202256本章小结1、什么是蒸发？蒸发的必备条件是什么？12

7、什么是蒸发器的生产能力及生产强度？怎样提高蒸发器的生产强度？

8、熟悉单效蒸发及多效蒸发的流程。9、在多效蒸发中，并流加料流程与逆流加料流程各有什么优缺点？10、平流加料流程适用于何类溶液？12/30/2022577、什么是蒸发器的生产能力及生产强度？怎样提高蒸发器的生第六章蒸发

Evaporation

化工原理陈玉琴12/30/202258第六章蒸发

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§6-1

概述

蒸发是工业上常用的浓缩方法。

一、蒸发概念1、蒸发：使含有不挥发物质的溶液沸腾汽化，并移出蒸汽，从而使溶液中的溶质浓度提高的单元操作，称为蒸发。2、蒸发的目的：①将溶液浓缩后,冷却结晶，获得固体产品；②获得纯净的溶剂产品；③获得浓缩的溶液产品。

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§6-1概述

蒸发是工业上常用的浓3、蒸发的必备条件：被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其他溶剂的溶液。本章只讨论水溶液的蒸发。

加热蒸汽：工业上采用的热源为水蒸气，称为加热蒸气,又称生蒸汽。

二次蒸汽：蒸发时产生的蒸汽称为二次蒸汽。蒸发的必备条件：（1）热能（加热蒸汽）的不断供给；（2）二次蒸汽的不断排除。

12/30/2022603、蒸发的必备条件：12/26/20223二、蒸发的分类

1、按操作空间的压力分：常压蒸发，加压蒸发及减压蒸发。减压蒸发又称真空蒸发。真空蒸发的特点：（1）减压下，溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源；（2）溶液的沸点随所处的压强的减小而减小，故对相同压强的加热蒸气，当溶液处于减压时，可以提高传热总温度差；但同时，溶液的粘度会加大，又使总传热系数减小；（3）真空蒸发系统要求有造成减压的设备，如真空泵，这样会使系统的投资和操作费用提高。这是不利的一面。12/30/202261二、蒸发的分类12/26/202242、按二次蒸汽的利用情况分：（1）单效蒸发：将所产生的二次蒸汽不再利用，而直接送往冷凝器冷凝以除去的蒸发，称为单效蒸发。（2）多效蒸发：将多个蒸发器串连，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。动画12/30/2022622、按二次蒸汽的利用情况分：12/26/20225

三、蒸发流程

下图所示为硝酸铵水溶液蒸发的简化流程图。该流程包括蒸发器和冷凝器。稀硝酸铵水溶液（料液）经预热后加入蒸发器。

蒸发器的下部是由许多加热管组成的加热室，在管外用加热蒸汽加热管内的溶液，并使之沸腾气化。经浓缩后的硝酸铵水溶液（完成液）从蒸发器底部排出。

蒸发器的上部为分离室（蒸发室），汽化产生的蒸汽在分离室及其顶部的除沫器中将其携带的液沫予以分离，然后送往冷凝器被冷凝而除去。12/30/202263三、蒸发流程12/26/20226动画三效动画12/30/202264动画三效动画12/26/20227中央循环管式蒸发器1－加热室；2－中央循环管；3－分离室；4－外壳中央循环管式蒸发器：加热室由管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。细管内单位体积溶液受热面大于粗管的，因此细管内汽液混合物的密度比粗管内的小。这种密度差促使溶液作沿粗管下降而由细管上升的连续规则的自然循环运动。粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。12/30/202265中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器：12/26/20228四、蒸发操作的特点1、传热性质：传热壁面的一侧为加热蒸气进行冷凝，另一侧为溶液的沸腾，所以蒸发过程属于间壁两侧流体均有相变化的恒温传热过程；

2、溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出，或易结垢、易生成泡沫等，还有些溶液高温下易分解或聚合。此外，在蒸发过程中，随着溶液的浓缩，其粘度不断增大，腐蚀性也逐渐加强。所有这些性质的不同或变化，在蒸发时都要考虑到，且要根据不同物料的特性和工艺条件的要求，选择适宜的蒸发方法和蒸发设备。

12/30/202266四、蒸发操作的特点12/26/20229

3、溶液的沸点升高：蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂（水）的沸点。所以，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温差就会比蒸发纯溶剂时的传热温差小，而且，溶液的浓度越大，这种影响越显著。4、能量利用与回收：如何充分利用加热蒸气，使单位质量的加热蒸气能除去较多的水分，亦即如何提高加热蒸气的经济程度，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。5、泡沫夹带：二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且还会污染冷凝设备。12/30/2022673、溶液的沸点升高：蒸发的物料是溶有不挥发溶质的§6-2

蒸发设备－蒸发器

蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。

蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和分离室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。12/30/202268§6-2蒸发设备－蒸发器蒸发设备的一、蒸发器的分类在蒸发操作时，根据两流体之间的接触方式不同，可将蒸发器分为间接加热式蒸发器和直接加热式（P306）蒸发器。间接加热式蒸发器主要由加热室及分离室组成。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常见的间接加热蒸发器分为循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。（膜式蒸发器）(自然循环蒸发器、强制循环蒸发器)（P306）12/30/202269一、蒸发器的分类在蒸发操作时，根据两二、蒸发器（一）循环型（非膜式）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12/30/202270二、蒸发器（一）循环型（非膜式）蒸发器12/26/202211.中央循环管式蒸发器加热室由管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子。细管内单位体积溶液受热面大于粗管的，即细管内的溶液受热好，溶液气化的多，因此细管内汽液混合物的密度比粗管内的小。这种密度差促使溶液作沿粗管下降而由细管上升的连续规则的自然循环运动。粗管称为降液管或中央循环管，细管称为沸腾管或加热管。1－加热室；2－中央循环管；3－分离室；4－外壳动画12/30/2022711.中央循环管式蒸发器1－加热室；2－中央循环管；3－分

中央循环管式蒸发器具有溶液循环好，传热效率高的优点，而且结构紧凑，制造方便，操作可靠，所以应用非常广泛，有“标准蒸发器”之称。为了溶液有良好的循环，中央循环管截面积一般为加热管总截面积的40～100％。管束高度为1～2m，加热管直径在25～75mm之间，长径比一般为20～40。由于结构限制，循环速度一般在0.4～0.5m/s以下，故溶液粘度大、沸点高。中央循环管式蒸发器适用于处理结垢不严重、腐蚀性较小的溶液。12/30/202272中央循环管式蒸发器具有溶液循环好，传热效率高的优点，

2.外热式蒸发器外热式蒸发器的加热管较长，其长径比为50～100。由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内的大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5m/s。1－加热室；2－分离室；3－循环管动画12/30/2022732.外热式蒸发器1－加热室；2－分离室；3－循环管动画3.

强制循环蒸发器

自然循环蒸发器共同缺点就是溶液的循环速度较慢，传热效果较差。对于粘度大，易结垢或易结晶的溶液，可采用强制循环蒸发器，这种蒸发器内的溶液是利用外加动力（泵）进行循环的，循环速度可达2～5m/s。泵迫使溶液沿一个方向通过加热管。但是动力消耗大：0.4～0.8kW/(m2传热面积）。1－加热室；2－循环泵；3－循环管；4－分离室；5－除沫器动画12/30/2022743.强制循环蒸发器1－加热室；2－循环泵；3－循环管；4－

循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。

而在单程型（膜式）蒸发器中，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，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。12/30/202275循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大（膜式蒸发器）12/30/202276（膜式蒸发器）12/26/202219

在各种流动状态下，以膜状流动效果最好，故溶液应先预热到沸点或接近沸点后在进入蒸发器。

1、升膜式蒸发器动画12/30/202277在各种流动状态下，以膜状流动效果最好，故溶液2、降膜式蒸发器P305图5－63、刮板搅拌薄膜式蒸发器P306图5－9（三）直接加热蒸发器P306图5－1012/30/2022782、降膜式蒸发器12/26/202221

三、蒸发器的选型

蒸发器的结构型式很多，实际选型时，除了要求结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等等外，首要的还是看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。12/30/202279三、蒸发器的选型12/26/202222

1、溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度的变化的范围，是选型首要考虑的因素。to2、溶液的热稳定性：长时间受热易分解，易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少，停留时间短的蒸发器。如膜式蒸发器。to3、有晶体析出的溶液：对蒸发时有晶体析出的溶液，应采用外热式蒸发器或强制循环式蒸发器。to4、易发泡的溶液：这类溶液在蒸发时会生成层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这类溶液宜采用外热式蒸发器、强制循环式蒸发器或升膜式蒸发器。to12/30/2022801、溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度的变化的范围，是选型5、有腐蚀性的溶液：蒸发腐蚀性的溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或者内壁衬以耐腐蚀材料。6、易结垢的溶液：对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度较大的蒸发器。To7、溶液的处理量：当要求传热面积大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器（P306图5－9），要求传热面积在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。12/30/2022815、有腐蚀性的溶液：蒸发腐蚀性的溶液时，加热管应采用特殊材toTo12/30/202282to12/26/202225§6-3单效蒸发§6-3-1溶液的沸点升高和温度差损失一、溶液的沸点升高

在一定的压强与液层深度条件下，溶液的沸点较纯溶剂（水）的高，高出的度数称为溶液的沸点升高，例如，常压下20%（质量百分数），若不特别指明，本章溶液的组成都是指质量百分数。NaOH水溶液的沸点为108.5℃，而水的为100℃，此时溶液沸点升高8.5℃。12/30/202283§6-3单效蒸发§6-3-1溶液的沸点升高和温

一般稀溶液和有机溶液的沸点升高值较小，而无机盐溶液的沸点升高值较大，有时可高达数十度。沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差不利，例如用120℃饱和水蒸汽分别加热20%的NaOH水溶液和纯水，并使之沸腾，有效温度差分别为120-108.5=11.5℃和120-100=20℃。由于有沸点升高现象，使同条件下蒸发溶液的有效温度差下降8.5℃。12/30/202284一般稀溶液和有机溶液的沸点升高值较小，而无机盐溶液的温度差损失不仅仅是因为溶液中含有了不挥发性溶质引起的，蒸发器内的操作压力高于冷凝器以克服二次蒸汽从蒸发器流到冷凝器的阻力损失、蒸发器的操作需维持一定的液面等因素都会造成温度差损失。Δ=Δ′+Δ"+Δ"′

二、蒸发设备中的温度差损失12/30/202285温度差损失不仅仅是因为溶液中含有了不挥发性溶

（1）由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失

由于溶液中溶有不挥发性溶质，使得溶液的蒸汽压比同条件下纯水的要低，因此溶液的沸点比同条件下纯水的高，两者之差称为由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失（沸点升高），或称为因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失（沸点升高），以’表示。

该温度差损失与溶液种类、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。12/30/202286（1）由于溶液中溶质存在而引起的温度差损失12/26

（2）由加热管内液柱静压强引起的温度差损失某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液层，液层内部各截面上的压强大于液层表面的压强，因此液层内部的沸点高于液面的沸点，液层内部的沸点与液层表面沸点之差称为因液柱静压强引起的温度差损失，用’’表示。

（3）由于管路中流动阻力而引起的温度差损失多效蒸发中二次蒸汽由前效送至下一效时，因流动阻力使二次蒸汽压强略有下降，温度也相应降低，致使有效温度差略有损失，这种损失称为因流动阻力而引起的温度差损失，用’’’表示。一般取经验值1C～1.5C。12/30/202287（2）由加热管内液柱静压强引起的温度差损失（3）由§6-3-2生产能力及生产强度

一、蒸发器的生产能力

蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量来表示，又称蒸发量，用W表示，[kg/h]。可用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力。二、蒸发器的生产强度1、概念：蒸发器的生产强度是指单位时间内在单位传热面积上所蒸发的水分量，用U表示，[kg/m2.h]。

蒸发器的生产强度是衡量蒸发器性能好坏的标准。12/30/202288§6-3-2生产能力及生产强度一、蒸发器的生产能力12、提高蒸发器的生产强度的途径：若为沸点进料，忽略蒸发器的热损失：r’－操作压强下，二次蒸汽的气化潜热，kJ/kg.12/30/2022892、提高蒸发器的生产强度的途径：12/26/202232

（1）提高tm:tm=T-t

传热温差取决于加热蒸汽的压强以及冷凝器中二次蒸汽的压强。加热蒸汽的压强：300～500kPa，特例：600～800kPa冷凝器的真空度:要求残压（绝压）10～20kPa（2）增大总传热系数K：

总传热系数K取决于两侧的对流传热分系数及污垢热阻。一般：o>>i。考虑增大i为主。管内侧的污垢热阻也是影响总传热系数K的重要因素。12/30/202290（1）提高tm:tm=T-t§6－4多效蒸发

节约能源，提高加热蒸汽的经济程度，使单位质量的加热蒸汽能够除去较多的水分，是蒸发操作中要解决的关键问题之一。多效蒸发就是最有效的措施之一。12/30/202291§6－4多效蒸发节约能源，提高加热蒸汽一、多效蒸发的操作原理

将二次蒸汽作为另一蒸发器的加热蒸汽，只要该蒸发器蒸发室的压强和溶液沸点，均比原蒸发器中的低，则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用，此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器。

将多个蒸发器这样连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发器。每一个蒸发器称为一效，通入生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效的二次蒸汽以加热的称为第二效，依此类推。12/30/202292一、多效蒸发的操作原理12/26/202235W－蒸发量，单位时间内蒸发的水分量,kg/h；D－加热蒸汽的消耗量,kg/h。D/W－单位蒸汽耗量，蒸发单位质量的水分所消耗的加热蒸汽,无量纲。效数：单效双效三效四效五效D/W：1.10.570.40.30.27

to

To

多效蒸发可以节省大量的生蒸汽。在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发。常用的多效蒸发：双效、三效、四效，有的多达六效。

12/30/202293W－蒸发量，单位时间内蒸发的水分量,kg/h；12/26/2二、多效蒸发流程根据溶液与二次蒸气的流向，可有不同的加料方法与相应的流程。加热蒸汽的流向都是由第一效顺序流至末效。以三效为例，可以有三种流程：1、并流加料流程

（1）流程：如下图所示。在这种流程中，溶液的流向和蒸气的流向相同，从第1效顺序到第3效，压力逐效降低，溶液浓度逐效升高。12/30/202294二、多效蒸发流程12/26/202237动画12/30/202295动画12/26/202238（2）特点：a.溶液的输送可以利用各效间的压力差进行。b.溶液由前一效进入后一效时，由于减压，存在自蒸发现象，故后一效产生的二次蒸气略多。自蒸发现象：在并流流程中，由于后一效的压力较前一效的低，所以，当溶液由前一效进入后一效时，往往由于过热而自行蒸发，常称为自蒸发或闪蒸，这就使后一效可以产生稍多一些的二次蒸气。12/30/202296（2）特点：12/26/202239c.传热系数逐效减小，最末一、二效尤为显著。传热系数逐效减小：并流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的浓度不断升高，而其温度却不断降低，溶液的粘度增加很大，使得后一效蒸发器的传热系数常较前一效的为小，这在最末一、二效更为严重。因此，并流加料时，第1效的传热系数往往比末效的大得多。12/30/202297c.传热系数逐效减小，最末一、二效尤为显著。12/26/202、逆流加料流程

（1）流程：如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序到第3效，而溶液的流向和蒸气的流向相反。从第1效到第3效，压力逐效降低，溶液浓度逐效降低。动画12/30/2022982、逆流加料流程

（1）流程：如下图所示。蒸汽还是从第1

（2）特点：与并流加料流程相反。a.逆流加料时，各效之间溶液的输送要用泵来完成。b.由于多效蒸发时，前一效压力总是比后一效的为高，所以，当溶液由后一效逆流进入前一效时，不仅没有自蒸发，还需多消耗部分热量将溶液加热至沸点。所以与并流进料比，产生的二次蒸汽量较少。

12/30/202299（2）特点：与并流加料流程相反。12/26/202242

c.在逆流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的浓度不断升高，其温度也不断上升，所以，各效溶液的粘度比较接近，从而各效的传热系数不会像并流加料时那样相差悬殊，而是差不多大。当完成液由第1效排出时，其温度也较其余各效的为高。逆流加料适用于粘度随浓度和温度变化较大的溶液，而不适于热敏性物料的蒸发。12/30/2022100c.在逆流加料时，沿着溶液的流动方向，溶液的3、平流加料流程

如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序到第3效，料液由各效分别加入，完成液也分别由各效排出。该流程主要应用于蒸发过程中容易析出结晶的场合。动画12/30/20221013、平流加料流程

如下图所示。蒸汽还是从第1效顺序三、多效蒸发与单效蒸发的比较前提：多效蒸发与单效蒸发的操作条件相同，即（1）多效蒸发的第一效的加热蒸汽与单效蒸发的加热蒸汽相同；（2）单效蒸发的冷凝器与多效蒸发末效的冷凝器相同。1、温度差损失和有效温度差

（1）当完成液浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发；

（2）当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温度差之和小于单效蒸发。12/30/2022102三、多效蒸发与单效蒸发的比较12/26/202245

多效蒸发中每一效都存在温度差损失。假定完成液的浓度相同，则多效蒸发中末效的温度差损失接近于单效蒸发的温度差损失，因此，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发。由此可知，当理论传热温度差一定时，多效蒸发的有效传热温度差之和小于单效蒸发。随总效数增加，有效传热温度差减小。同时，由于总有效传热温度差以某种方式分配于各效，因此，多效蒸发中每一效的有效传热温度差远小于单效。12/30/2022103多效蒸发中每一效都存在温度差损失。假定完成液如下图为单效、二效和三效蒸发装置中温度差损失示意，图中三种情况有着相同的操作条件。其中图形总高度代表加热蒸汽温度130℃和冷凝器中蒸汽温度50℃间的总温度差（即130-50=80℃），阴影部分代表由于各种原因