1、7 蒸发7.1 概述7.2 单效蒸发 7.3 多效蒸发 7.4 蒸发设备 7.1 概述（1）蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 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。除杂质，获得纯净的溶剂。（2）蒸发的流程 7.1 概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。（4）分类按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。按二次蒸汽的利用
2、情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。7.1 概述（5）蒸发操作的特点 沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影响就越显著。 节约能源 物料的工艺特性 本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中分离夹带液沫的问题。 7.2 单效蒸发7.2.1 单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：分的蒸发量；热蒸汽消耗量；发器的传热面积。 要解决以上问题，我
3、们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。 7.2.1 单效蒸发的计算（1）物料衡算 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，即水分蒸发量： 完成液的浓度： 7.2.1 单效蒸发的计算（2）热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时， 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。（3）（4）（2）热量衡算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
4、。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，则有代入前面的两式得： （2）热量衡算 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。（2）热量衡算由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为： 忽略浓缩热时浓缩热且，（2）热量衡算 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）。 7.2.1 单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得 式中蒸发器传热面积，
5、m2；传热量，w；传热系数，w/m2K；平均传热温差，K。（3）蒸发器传热面积的计算 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 7.2.1 单效蒸发的计算（4）浓缩热和溶液的焓浓图 如图7-21为NaOH水溶液从0为基准温度的焓浓图。7.2.2 蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差等于，当加热蒸汽的温度一定（如用47kkN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽，），若蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水（其沸点）而不是溶液，此时的传热温差最大，用表示： 如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100。若其沸点 ，则有效传热温差 ， 比 所
6、减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用 表示 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失传热温差损失溶液沸点有效传热温差温度差损失的原因 ：溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高； 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失（1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系： 式中 和 代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下的沸点， 和 代表溶剂在相应压力下的沸点。 （1）溶液的沸点升高和杜林规则如图7
7、-22为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。（1）溶液的沸点升高和杜林规则由该图可以看出：浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值；浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。7.2.2 蒸发设备中的温度差损失（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：式中液面上方二次
8、蒸汽的压强（通常可以用冷凝器压强代替），Pa；蒸发器内的液面高度，m。（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响液柱静压强引起的溶液温度升高： 所以沸腾液体的平均温度为 ： 在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱底部压力的平均值，即 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失 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，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为 。 总的温度差损失 蒸发过程的传热温度差（有效温度差）： 注意： 中 为前一效蒸汽到下一效时由于阻力损失而引起的温度差损失。若单效
9、蒸发，已知入口蒸汽（生蒸汽）的温度，则时要计入 吗？ 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失（4）效蒸发过程的计算 设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。 给定条件：料液流量，浓度，温度以及完成液浓度； 设计条件：加热蒸汽的压强以及冷凝器的操作压强主要由可供使用的冷却水温度来决定； 计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数 ，计算所需供热 面积 及加热蒸汽用量 。 （4）效蒸发过程的计算 操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积 给定条件：蒸发器的传热面积与给热系数，料液的进口状态与，完成液的浓度要求，加热蒸汽与冷凝器内的压强。计算目的：核算蒸发器的处理能力 和加热蒸汽用量。或
10、： 已知条件：，。加热蒸汽与冷凝器内的压强； 计算目的：反算蒸发器的并求； 7.3 多效蒸发 利用二次蒸汽的潜热 利用冷凝水的显热（如预热原料液)7.3.1 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率） 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（）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，效7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）效数 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
11、验，最大的的值大致如下：7.3.2 多效蒸发流程 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（图7-14）蒸汽流动方向： 123 溶液流动方向： 123 7.3.2 多效蒸发流程（1）并流流程 优点： 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； ，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
12、发量最大。缺点：溶液浓度，便使得 溶液温度， ， ， ，便使得 7.3.2 多效蒸发流程（2）逆流流程图7-15蒸汽流动方向：321溶液流动方向：123优点：，、对的影响大致抵消，各效的基本不变。缺点：由于前效压强较后效高，料液从后效往前一效要用泵输送。各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。7.3.2 多效蒸发流程（3）错流流程溶液流向： 312或231 蒸汽流向： 123优点：兼有逆流与并流的优点。 缺点：操作较复杂。 （4）平流流程图7-16 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）。 7.3.3 多效蒸发的生
13、产能力、蒸发强度和效数的限制（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度蒸发器的生产能力可用单位时间内水分总蒸发量W来表示，而生产强度为单位传热面积的蒸发量（），在三效蒸发器中，蒸发器的生产强度为 （1）蒸发器的生产能力和蒸发强度假设各效传热面积相等，即，不考虑温差损失及浓缩热等，且各效蒸发器的传热面积系数相等，由前面学过的我们可以知道，、相差不大，可近似认为相等，即 则 （1）蒸发器的生产能力和蒸发强度真空蒸发：提高生产强度（）的途径之一是增大传热温差，提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加。加热蒸汽的温度（及相应压强）受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下，需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，
14、并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。缺点：但是，溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，此外，为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力费，这也是它的缺点。 提高 ： 提高 的另一措施是提高 ，而 的主要取决于蒸发器的结构，操作方式和溶液的物理性质。合理的设计蒸发器结构以建立良好的溶液循环流动及时排除加热室中不凝性气体，经常清除污垢等均可提高 。 7.3.3 多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制 由于 可以看出，蒸发设备的生产强度取决于 和 ，因此要提高 ，必须提高 和 。（2）多效蒸发效数的限制前面我们讲过，效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性提高，因此，必须合理选择效
15、数以便设备费和操作费之和最少。这是一个优化问题。（3）多效蒸发计算 描述多效蒸发过程的参数很多，但各类参数之间受到一些基本方程的约束，这些基本方程可分为：物料衡算式，热量衡算式，传热速率式及物性函数式（如水蒸气性质，物料热焓及沸点上升等）。 （3）多效蒸发计算对于设计型计算，一般给定：原料状态：， 完成液浓度：冷凝器温度与加热蒸汽温度：，各效蒸发器的传热系数：要求加热蒸汽用量： 每效传热面积： 7.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施（1）额外蒸汽的方法 不考虑同压力下蒸发潜热的差别，自蒸发的影响和热损失等次要因素，并假设进料是在沸点下进入，则可认为每1kg加热蒸汽的蒸发1kg水。以三效蒸发
16、器为例，可推出（见图7-17）（1）额外蒸汽的方法水的总蒸发量：或 推广至 效：由上可以看出： 无额外蒸汽引出时， （1）额外蒸汽的方法 由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量：而引出的蒸汽总量为：比较上面两式：可知，即引出额外蒸汽作为其它加热设备的热源所需补充的生蒸汽量等于引出的额外蒸汽的总量，这比从锅炉内引出生蒸汽作为其他设备的加热热源合算。，只要二次蒸汽的温度能满足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效引出的二次蒸汽没有用，因为，用途有限。7.3.4 提高加热蒸汽经济程度的其他措施（2）二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）（3）冷凝水热量的利用（图7-19 ）7.4 蒸发设备蒸发设备中包括
17、蒸发器和辅助设备 7.4.1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。 （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。有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。 （1）循环型蒸发器 垂直短管式（图7-2） （1）循环型蒸发器 热式加热室与蒸发室分开（图7-3） （1）循环型蒸发器 循环蒸发器（图7-4） （2）单程型蒸发器 升膜式蒸发器（
18、图7-5）适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。 （2）单程型蒸发器 降膜式蒸发器（图7-6）适用于：粘度大的物料；不适用于：易结晶的物料，固形成 均匀的液膜较难，不高。 （2）单程型蒸发器 刮片式蒸发器（图7-8）特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面 不大，且需要消耗一定的动力 7.4.2 蒸发器的传热系数（1）蒸发器的热阻分析蒸发器的传热热阻可由下式计算 管外蒸汽冷凝热阻一般很小，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； 管壁热阻 一般可以忽略； 7.4.2 蒸发器的传热系数 管内壁液一侧的垢层热阻取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出； 管内沸腾给热阻主要决定于沸腾液体的流动情况。（2）管内汽液两相流动形式（3）管内沸腾给热7.4.3辅助设备 蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。具体的结构与设计可自己看书或是查阅相关资料，在课程设计中还会详细用到。
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