天津大学化工原理课件第五章 蒸发 1

1、1 第六章 蒸发 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发 器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要 求和物料特性，合理选择蒸发器类型并确定适宜 操作流程和条件。 学习目的 与要求 2 6.1 概述 第六章 蒸发 3 蒸发 将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使 部分挥发性溶剂汽化并移除，从而获得浓缩溶 液或回收溶剂的操作称为蒸发。 蒸发操作的基本要点是向蒸发器连续提供 足够的热量并及时移除汽化的溶剂。 蒸发操作的基本要点 一蒸发的目的 4 蒸发操作的目的 （1）制取增浓的液体产品 如电解烧碱液的浓 缩，牛乳制奶粉生产中牛乳的浓缩、蔗糖水溶 液及各种果汁的浓缩等。 （2）纯净溶剂的制取 如海水淡

2、化等。 （3）同时制备浓溶液和回收溶剂 如中药生产 中酒精浸出液的蒸发。 一蒸发的目的 5 二蒸发的概念 图6-1 液体蒸发的简化流程 动画23 6 三蒸发过程分类 加压蒸发 常压蒸发 真空（减压）蒸发 操作压力 蒸发器进、出料状况 间歇蒸发 连续蒸发 7 单效蒸发 多效蒸发 二次蒸汽是否 用作另一蒸发 器的加热蒸汽 并流 逆流 平流 三蒸发过程分类 8 四蒸发操作的特点 1溶液的沸点升高 由于不挥发溶质的存在使溶液的沸点高于 纯溶剂的沸点。 对于垂直管式蒸发器，管内液柱的静压力 及蒸汽在管道内的流动阻力也会引起溶液的沸 点升高。 沸点升高使传热推动力降低。 9 2热能的综合利用 蒸发时需要消

3、耗大量加热蒸汽，而溶剂汽 化又产生相应量的二次蒸汽，因而强化与改善 蒸发器的传热效果，充分利用二次蒸汽的潜热， 应给予足够的重视。 四蒸发操作的特点 10 3溶液的工艺特性 蒸发过程中溶液的某些性质随着溶液的组 成而改变。有些物料在浓缩过程中可能析出结 晶、发泡、严重结垢、变性分解、黏度增高、 腐蚀性增大等。在选择蒸发工艺和设备时需要 认真考虑，尤其是蒸发器的防垢除垢技术，是 世界性的热门研究课题。 四蒸发操作的特点 11 第六章 蒸发 6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器 12 一、垂直短管型蒸发器 图6-2中央循环管蒸发器 1加热室；2中央循 环管；3蒸发室；4 外壳 动画24 13

4、 一、垂直短管型蒸发器 图6-3 悬筐式蒸发器 1加热蒸汽管；2加热 室；3除沫器；4液沫 回流管 14 二、垂直长管型蒸发器 图6-4外热式蒸发器 1加热室；2蒸发室； 3循环管 动画25 15 图6-5 列文式蒸发器 1加热室；2加热管；3循环 管；4蒸发室；5除沫器；6 挡板；7沸腾室 二、垂直长管型蒸发器 16 图6-6强制循环性蒸发器 1加热管；2循环泵； 3循环管；4蒸发室； 5除沫器 二、垂直长管型蒸发器 17 三、直接接触传热蒸发器 图6-7直接接触传热的蒸发器 1燃烧室；2点火管；3 测温管；4外壳 18 四循环型蒸发器的主要类型及其性 能比较 常用循环型蒸发器的结构特点及主

5、要性能汇 总于表6-1。 19 第六章 蒸发 6.2.2 单程型蒸发器 20 一升膜式蒸发器 图6-8升膜式蒸发器 1蒸发器；2分离室； 21 图6-9 降膜式蒸发器 1蒸发器；2分离室； 3布膜器 二降膜式蒸发器 动画26 22 三升降膜式蒸发器 图6-11 升降膜蒸发器 1预热器；2升膜加 热室；3降膜加热室； 4分离室 23 四刮板薄膜蒸发器 图6-12 刮板薄膜蒸发器 24 五单程型蒸发器性能的比较 单程型蒸发器的特点是溶液沿加热管壁呈 膜状流动而进行传热和蒸发，一次通过加热室 即达到所要求的组成。其突出优点是传热效率 高，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短， 特别适用于热敏性物料的

6、蒸发，因而在食品、 生物制品、制药等工业部门得到广泛应用。 几种单程型蒸发器的结构特点与操作性能 如表6-2所示。 25 第六章 蒸发 6.2.3 蒸发设备和蒸发技术的发展 26 一开发新型、高效蒸发器 新型高效蒸发器的研究开发有如下途径： （1）研制设备更加紧凑、提高液体速度、增加 液膜湍动、缩短料液在设备中停留时间的高效、 节能型蒸发器。 （2）通过改进加热表面形状来提高加热效果。 27 （3）在蒸发器中插入不同形式的湍流元件，可 使沸腾液体侧的对流传热系数大幅度提高。例 如，在自然循环蒸发器内加入铜制填料，可造 成液体的湍动，使沸腾传热系数提高50%以上。 （4）不同结构蒸发器的组合，如

7、长管降膜短 管自然循环组合式蒸发器，不但提高了传热速 率，而且减缓了结垢速率。 一开发新型、高效蒸发器 28 二蒸发与其它单元操作结合 将蒸发与其它化工单元操作结合，构成集成 式的工艺流程，如蒸发干燥、蒸发分馏、蒸发结 晶等。其中最具代表性的是强制循环蒸发结晶器 及奥斯陆（Oslo）型蒸发结晶器，可在一个系统 同时完成加热、蒸发及结晶等过程。 29 三、蒸发器传热的强化及防除垢技术 （1）在蒸发器内插入多种形式的湍流构件，通 过改变加热表面形状或其它增加液膜湍动措施 来强化传热，并减缓结垢。 （2）通过改变料液性质来提高传热效果，如加 入适当的表面活性剂可使总传热系数成倍提高； 加入适当阻垢剂

8、，则可抑制结垢。 （3）气液固三相流化床蒸发器在蒸发中的 防除垢及强化传热效果十分显著，具有高效、 多功能、易操作等一系列优点。 30 第六章 蒸发 6.2.4 蒸发器的选型 6.2.5 蒸发器的辅助设备（自学） 31 蒸发器的选型原则 对物料的工艺特性有良好的适应性，如热敏 性、腐蚀性、结晶、结垢、黏性、发泡性等。 其中黏度在蒸发过程中的增加程度及结垢情况 应给予特别注意。 满足生产工艺对完成液质和量的要求。 结构简单，操作可靠，造价和操作费用低廉， 经济合理，维修方便。 常用蒸发器的主要性能和适用场合列于表6-3中 32 第六章 蒸发 6.3 单效蒸发的计算 6.3.1 物料衡算与热量衡算

9、 33 一物料衡算 图6-14单效蒸发的物料衡算与热量衡算 34 11 () o FxFWxLx 0 1 (1) x WF x 完成液 的流量 00 1 FxFx x FWL 水分蒸发量 完成液的组成 一物料衡算 35 二热量衡算 01 () cL DHFhWHFW hDhQ 10 () () cL QD HhWHFW hFhQ 对蒸发器作热量衡算 蒸发器的热负荷 蒸发器的 热损失 36 1.溶液稀释热较大的情况 某些盐、碱的水溶液，在稀释时其放热效 应非常显著。 需通过实验测定焓值随组成和温度的变化。 图6-15是以0为基准温度的NaOH水溶液的 焓浓图。由此可见，溶液的焓和组成的关系是 高

10、度非线性的。 二热量衡算 37 图6-15 氢氧化钠的焓浓图 二热量衡算 38 10 () L WHFW hFhQ D r 10 () L QDrWHFW hFhQ 加热蒸汽消耗量 加热蒸汽的 冷凝潜热 蒸发器的热负荷 二热量衡算 39 2. 可忽略溶液稀释热的情况 大多数溶液在溶质含量不太高时，其稀释热 不显著常可忽略。对于这类溶液，其焓值可由比 热容近似计算。以0的溶液为基准，则 00 0 hc t 11 1 hc t 原料液 比热容 完成液的 比热容 二热量衡算 40 000 (1) WB ccxc x 水溶液的比热容可由水的比热容和溶质的 比热容近似按线性加和原则计算 111 (1)

11、WB ccxc x 溶质的比 热容 水的比 热容 二热量衡算 41 联立物料衡算和热量衡算式，可得 1010 ()() WL DrW Hc tFc ttQ 热损 失 使水在t1 下汽化成 二次蒸汽 将原料液 由t0升温 至沸点t1 加热 蒸汽 供热 二热量衡算 42 近似取 1 W Hc tr 水在t1的汽化热 则有 010 () L WrFc ttQ D r 若原料液在沸点下加入蒸发器并忽略热损失，则 单位蒸汽消耗量 Dr e Wr 二热量衡算 43 对于单效蒸发， 若忽略水的汽化热随压力的变化，理论上： 实际上由于热损失和浓缩的热效应等原因 1.1e 1e 二热量衡算 44 第六章 蒸发

12、6.3.2 蒸发器的传热面积 45 蒸发器的传热面积由传热速率方程计算，即 0 0m Q S Kt 由蒸发器 的热衡算 确定 大多取经 验数值 必须考虑溶 液沸点升高 46 一溶液的温度差损失 1m tTt 单效蒸发传热的有 效温度差 图6-16 NaOH 水溶液的杜林线图 单效蒸发传热的理论 总温度差 Tc tTt 47 总温度差损失 1Tmc tttt 引起蒸发中温差损失（沸点升高）的因素包括 如下三个方面： 溶液中不挥发溶质引起的饱和蒸汽压下降； 一溶液的温度差损失 48 垂直传热管中液柱静压力（膜式蒸发器除外） 使液面下的静压力高于液面上分离空间的静压 力； 二次蒸汽在管道内的流动阻力

13、和热损失。 所以 一溶液的温度差损失 49 二溶液沸点升高的计算 1溶质存在引起的沸点升高 B tT 与溶液压力 相等时水的 沸点 溶液的 沸点 50 溶液沸点： 与操作压力、溶液种类及其组成有关。 获取 查手册附录中 估算杜林规则（Duhrings rule） 二溶液沸点升高的计算 51 杜林规则（Duhrings rule） 一定组成的某种溶液的沸点与相同压力下标准液 体（一般以水为标准液体）的沸点呈线性关系。 BW tkty 杜林线 的截距 杜林线 的斜率 二溶液沸点升高的计算 52 图6-16 NaOH水溶液的杜林线图 二溶液沸点升高的计算 53 其他压力下溶液的沸点升高，在缺乏实验 数据时可用下面经验公式近似估算，即 a f 常压下(101.3kPa) 由于溶质存在引 起的沸点升高 操作压力下由 于溶质存在引 起的沸点升高 校正系数 2 273 0.0162 W T f r 二溶液沸点升高的计算 54 2液柱静压头引起的沸点升高 以液层中部点的压力和沸点代表整个液层的 平均压力和沸点 2 m m gL pp 液面处 压力 液层 平均 压力 mB tt 与压力pm对应 的溶液沸点 与压力p对应 的溶液沸点 二溶液沸点升高的计算 55 3流动阻力引