化工原理蒸发

第五章蒸发第一节概述将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。定义：蒸发操作的目的：获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品。脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。一、基本概念

利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。二、蒸发流程稀溶液（料液）经过预热加入蒸发器。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，并使之沸腾汽化，经溶缩后的完成液从蒸发器底部排出。蒸发器的上部为蒸发室，汽化所产生的蒸汽在蒸发室及其顶部的除沫器中将其中夹带的液沫易于分离，然后送往冷凝器被冷凝而除去。加热溶液使溶剂汽化—蒸发器不断除去气化的蒸发溶剂—冷凝器通常采用冷凝的方式将二次蒸汽排除。水蒸气热源水蒸气蒸发时蒸汽加热蒸汽二次蒸汽蒸发流程的两个必要的组成部分：二次蒸汽溶剂S溶质A（不挥发）溶剂S加热蒸发设备辅助设备蒸发器加热室分离室除沫器（汽液分离器）冷凝器真空装置蒸发设备用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。

按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循环型和单程型(不循环)。一、蒸发器的型式与结构特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。（一）循环型蒸发器由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环型：强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。１.中央循环管式(标准式)蒸发器加热蒸汽：加热室管束环隙内溶液：加热室管束及中央循环管内，受热时，由于中央循环管单位体积溶液受热面小，使得溶液形成由中央循环管下降，而由其余加热管上升的循环流动。中央循环管料液加热蒸汽优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液2.悬筐式蒸发器

加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室，在管间放热加热管内溶液使其上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。优点：溶液循环速度高，改善了管内结构情况传热速率较高缺点：设备费高占地面积大加热管内溶液滞留量大适于处理易结垢，有晶体析出的溶液3.外热式蒸发器

优点：降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传热系数提高；结垢程度小。这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液

4.列文蒸发器

特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。优点：流动阻力小循环速度高传热效果好加热管内不易堵塞缺点：设备费高厂房高，耗用金属多适于处理有晶体析出或易结垢的溶液

5.强制循环型蒸发器在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动。优点：循环速度高晶体不易粘结在加热管壁对流传热系数高缺点：动力消耗大对泵的密封要求高加热面积小适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。（二）单程型(膜式)蒸发器溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发；整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。优点：

适于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。

1.升膜蒸发器原理：溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入，进入加热管时立即受热沸腾汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽带动下，沿管壁边呈膜状向上流动边蒸发。到达分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。2.降膜蒸发器溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内，在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动，并进行蒸发。汽液混合物从管下端流出，在分离器内进行汽液分离后完成液由分离室底部排出。适于处理：浓度高、粘度较大（0.05～0.45Pa·s）的溶液。不适于处理：易结晶、结垢的溶液。

这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。3.升－降膜式蒸发器蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合预热室升膜加热室降膜加热室4.刮板薄膜式蒸发器

溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转下降的液膜，在下降过程中通过接收加热管外加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发，底部得到完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷凝器。缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。

适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板，刮板端部与加热管内壁间隙固定在0.75～1.5mm之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上。（三）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。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。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223页表5-1。4.蒸发器的改进与研究（1）研制开发新型高效蒸发器这方面工作主要从改进加热管表面形状等思路出发来提高传热效果，例如板式蒸发器等，它的优点是传热效率高、液体停留时间短、体积小、易于拆卸和清洗，同时加热面积还可根据需要而增减。又如表面多孔加热管，双面纵槽加热管，它们可使沸腾溶液侧的传热系数显著提高。（２）改善蒸发器内液体的流动状况这方面的工作主要有：其一是设法提高蒸发器循环速度，其二是在蒸发器管内装入多种形式的湍流元件。前者的重要性在于它不仅能提高沸腾传热系数，同时还能降低单程气化率，从而减轻加热壁面的结构现象。后者的出发点，则是使液体增加湍动，以提高传热系数。还有资料报道向蒸发器管内通入适量不凝性气体，增加湍动，以提高传热系数。（3）剑改进界溶液的较性质近年来缩慧，通过部改进溶脉液性质掀来改善研蒸发效绘果的研闸究报导谜也不少宪。例如孔，加入箩适量表范面活性洞剂，消畜除或减宜少泡沫臂，以提僻高传热桐系数；史也有报择导，加项入适量锋阻垢剂撑可以减遥少结垢禽，以提赢高传热李效率和哑生产能廊力；在众醋酸蒸帮发器溶汉液表面变，喷入橡少量水却，可提叠高生产斯能力和绞减少加跨热管的冻腐蚀，昂以及用陈磁场处谊理水溶角液提高枯蒸发效读率等。（4）译优化烘设计和狼操作许多研究闯者从节省辅投资、降邀低能耗等别方面着眼仆，对蒸发贝装置优化私设计进行稳了深入研轨究，他们注分别考虑叼了蒸汽压苗力，冷凝启器真空度心，各效有票效传热温陆差，冷凝蒜水闪蒸，恼热损失以肆浓缩热等割综合因素太的影响，幅建立了多织效蒸发系恶统优化设枕计的数学赌模型。应茶该指出，耍在装置中扇采用先进右的计算机高测控技术负，这是使们装置在优访化条件下默进行操作干的重要措姑施。二、蒸疑发器的女辅助设餐备（一）馅除沫器屯（汽液森分离器先）蒸发操作伟时产生的部二次蒸汽澡，在分离抛室与液体特分离后，应仍夹带大势量液滴，梁尤其是处适理易产生进泡沫的液纯体，夹带滤更为严重峡。为了防膛止产品损谢失或冷却欣水被污染爆，常在蒸赛发器内（屋或外）设裤除尘器。图中（赤a）～抚（d）裳直接安锅装在蒸裤发器顶宇部，（核e）～锈（g）折安装在舅蒸发器切外部。（二）冷袜凝器冷凝器的作用是冷凝二席次蒸汽。矿冷凝器有地间壁式和废直接接触醉式两种，满倘若二次陡蒸汽为需离回收的有屿价值物料少或会严重芦污染水源成，则应采霞用间壁式古冷凝器，掀否则通常纳采用直接雨接触式冷知凝器。后为一种冷凝份器一般均亭在负压下费操作，这草时为将混摩合冷凝后悠的水排出倘，冷凝器育必须设置跳得足够高臂，冷凝器之底部的长碎管称为大胶气腿。（三）菌真空装置当蒸发具器在负液压下操赢作时，躺无论采遇用哪一走种冷凝装器，均颜需在冷榨凝器后窃安装真班空装置粮。需要凝指出的闷是，蒸屠发器中斑的负压叶主要是慢由于二罩次蒸汽述冷凝所辩致，而缎真空装厨置仅是偏抽吸蒸秒发系统拖泄漏的队空气、三物料及昨冷却水盯中溶解律的不凝银性气体卵和冷却雀水饱和劈燕温度下太的水蒸族汽等，止冷凝器良后必须召安真空编装置才按能维持下蒸发操淋作的真糊空度。碗常用的健真空装因置有喷重射泵、叼水环式沿真空泵从、往复哄式或旋注转式真川空泵等边。第三节单寄效蒸发的按工艺计算已知过车程选定嚼：加热蒸搞汽压强p(或温度T)，冷凝器扶操作压强p′(或景温度T′)；计算内蛮容：①单位时纵间内水路分蒸发惕量W(荷kg/已h)和掏完成液及的量；②加热蒸汽辆用量D(苏kg/h允)；③蒸发器挡的传热旨面积S袖(m2)。求解上述牢问题应用胁物料衡算局方程、热强量衡算方浊程和传热妄速率方程歇。已知条件：原料液熟流量F(k纠g/h拳)，原料液猴浓度ｗo(质量分笨率)和温度to(℃)，完成版液的浓鹿度ｗ1(质量分率)(生产要桥求)；一、蒸发咬水量（蒸发器汤的物料衡阵算）对溶质坊做物料不衡算：如图以如蒸发器尾为衡算李范围，章取1h为衡算基温准，作物北料衡算：F,w0,t0,h0D,T,hcF-W,w1,t1,h1式中：——溶液的进料量；——水份蒸发量（二次蒸汽的量）；——原料液中溶质的浓度，质量分率；——完成液中溶质的浓度，质量分率。蒸发室加热室W,T’,H’F,w0,t0,h0D,T,讨HD,T,林hcF-WQLG,w1,t1,h1二、邮加热蒸弓汽的消甘耗量（蒸发器的汗热量衡算寸）以蒸发已器为衡疾算范围闪，衡算恋基准为1h，对进出廊蒸发器的像热量进行辆衡算：—加热蒸汽消耗量，kg/h；—蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h；—完成液的焓，kJ/kg；—原料液的焓，kJ/kg；—二次蒸汽的焓，kJ/kg；—热损失，kJ/kg—加热蒸汽的焓，kJ/kg；三、蒸发器增的传热孝面积Q=K索SΔtm据此计算仅蒸发器传京热面积S灭。其中Δ货tm、K柿、Q矛计算如恩下:（一）绿平均温度册差Δtm蒸发属两富相均有相姻变的恒温麦传热过程冲，故传热克的平均温榴度差为丈Δtm=T-何t1当加热蒸匪汽选定时刷，蒸发计朝算需知道破溶液的沸祖点t1，即可计灿算传热温缩慧度差，在嗓一定压强浆下，溶液泻的沸点t1较纯水追的沸点耳T′高欲。在实际浅生产中中，已知器的是加捞热蒸汽侦的温度翠T(或落压强p尾)和冷奔凝器(仔或分离予室)二两次蒸汽盖的温度咱T′(静或压强豆p′)续。(T戒-T′颜)=Δ怪tT，称为史理论传串热温差逆。第四节采节能与雷多效蒸壁发一、蒸求发器的励生产能喘力与蒸蚂汽的经匙济性（一）蒸拒发器的生峰产能力和量生产强度覆1、蒸发器的颤生产能力用单位时蛋间内蒸发许的水分量丸表示，即兰蒸发量W顷(kg/淡h)：2、蒸编发器的坦生产强邮度U简称蒸半发强度车，是指技单位时闷间单位严传热面陶积上所睛蒸发的勒水量，哄kg/懒(m2·h)沸点进料，且不计热损失U的影股响因素主要为总传热系己数和传热温度遭差。U是评价蒸发器在一定操作条件下性能优劣的重要指标。∵操作条袭件下r’为常量常数因此，避提高蒸惜发器的千生产强拣度的途杰径有二催：3.提高拔蒸发器的否生产强度童的途径(1)肉提高传幻玉热温度艇差Δtm方法：（2）增迹大总传热抵系数K增大管内押对流传热直系数αi减少管份内侧污顽垢热阻提高热源上的温度瓦：如采用滑高温热源降低溶盯液的沸既点：格如采用敬真空蒸零发（二）加召热蒸汽的乐经济性加热蒸赵汽的经付济性是指1文kg加应热蒸汽哈可蒸发龄的水量吗。若原料奥液在沸锤点下进妇入蒸发亚器，忽纵略热损蛇失，则蚁有：

称为单位蒸汽消耗量，表示每蒸发1kg水所需消耗的加热蒸汽量，可用来说明加热蒸汽的利用率。为节约能千源，降低阳能耗，需创提高加热低蒸汽的经史济性。其蕉中最主要饼的途径是采用多掀效蒸发。1.并流殃流程又称为轮顺流加爸料加料闹流程，稼是工业咱上最常喷见的加伏料模式蕉。（一）多权效蒸发流秩程蒸汽流动筒方向：1→2→3溶液流带动方向井：1→2→3①料么液可自粘动流入帅下一效罪，无需龄泵输送需；②溶液会垂发生闪蒸矩而产生更星多的蒸汽双；③传热失推动力屯依次减嘱小；④K依证次减小；并流多效蒸发优、缺冬点：①料液节需用泵送偏入下一效着；②传热推有动力较为足均匀；2.逆流莫流程：逆流多偏效蒸发P123①各烛效独立德进料，穗传热状挖况均较例好；②物料端停留时冈间较短3.平裕流流程烘：平流流拉程优、解缺点：适于：粘度担随温度棉和浓度诵变化较负大的溶播液蒸发优、缺羡点：①兼有眉并、逆流控的优点；②操作复梁杂；4.错流可流程：P二次蒸汽123本流程钉的特点服是在各薄效间兼抛用并流副和逆流客加料法仍。适于：料液粘度椒随浓度显台著增加的恢场合。溶液流向恶：3→1→2或2→3→1蒸汽流替向：躺1→崖2→3（二）多桑效蒸发的铃经济性及追效数限制1.加啄热蒸汽晴的经济筹性效数单效双效三效四效五效（D/W）min的理论值10.50.330.250.2（D/W）min的实测值1.10.570.40.30.27多效蒸发行单位生蒸演汽消耗量D/W比单效啊蒸发小菜，操作费比企单效蒸发鲁小；说明蒸发传同样数量傍的水分，议采用多效插蒸发时为定小，可节俘省生蒸汽炎用量，提叼高生蒸汽查的利用率。是不是蒜效数越饺多越好坐?2.多稳效蒸发服效数的径限制设备的季费用是随着围效数的娃增加而杀增加的苦；随着效肿数的增塘多，（D/W）mi诊n下降刊的幅度守不断减鹊小；技术上嫩的限制注：必须对糠设备费脂和操作晃费进行败权衡以怜决定合逗理的效均数。效数不垂能随意锦增加，齐一般常敢见2~梳3效。三、提高飘加热蒸汽胃经济性的腐其他措施蒸发的过顷程是一耗丹能较大的丧单元操作钻，而蒸发成过程的主等要热源为林加热蒸汽宪，因此，箩如何提高财加热蒸汽投的经济效秧率，是蒸载发操作节荐能的重要惊途径。1.二烧次蒸汽蔬的部分烧利用（额外蒸种汽的引凉出）将蒸发器彩蒸出的二亲次蒸汽引羊出作其他锅加热设