化工原理 蒸发

1、 7 蒸 发7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 单效蒸发计算单效蒸发计算7.3 7.3 蒸发操作的经济性和操作方式蒸发操作的经济性和操作方式 7.4 7.4 蒸发设备蒸发设备7.1 概述（1）蒸发操作的目的（2）蒸发的流程（3）加热蒸汽和二次蒸汽（4）分类（5）蒸发操作的特点 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。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，随后加脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加 以冷却，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。

2、质。 除杂质，获得纯净的溶剂。除杂质，获得纯净的溶剂。7.1 概述 蒸发蒸发含有不挥发性溶液在沸含有不挥发性溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸汽的操作。汽的操作。二、蒸发的流程二、蒸发的流程 加热蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁传给沸腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发后的浓缩液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室及其顶部的除沫器中将夹带的液沫加以分离后送往冷凝器与冷却水相混而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体用真空泵抽走。 图 液体蒸发的简化流程（2）蒸发的流程 7.1 概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽 加热蒸汽：用于加

3、热的蒸汽加热蒸汽：用于加热的蒸汽 二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽（4）分类 按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者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。减压（真空）蒸发。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。发。 7.1 概述（5）蒸发操作的特点 沸点升高沸点升高 溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的腐蚀性等等，需要根

4、据物料的这些特性，设计或选择适宜结腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或选择适宜结构的蒸发器。构的蒸发器。 溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。 浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使传热过程恶化。设计上应设法防止或减少垢层的成垢层，使传热过程恶化。设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于清洗。生成，并应使加热面易于清洗。7.2 单效蒸发 7.2.1 单效蒸发的计算 （1

5、）物料衡算 （2）热量衡算 （3）蒸发器传热面积的计算 （4）浓缩热和溶液的焓浓图 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 （2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 （3）单效蒸发过程的计算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：后，通常需要计算以下的这些内容： 水分的蒸发量；水分的蒸发量； 加热蒸汽消耗量；加热蒸汽消耗量； 蒸发器的传热面积。蒸发器的传热面积。 要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程、热量衡算要解决以上问题，我们可应用物料衡

6、算方程、热量衡算方程和传热速率方程来解决。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，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，即单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即F, x0, t0, h0 加料加料D, Ts, Hs加热蒸汽加热蒸汽蒸发室蒸发室二次蒸汽二次蒸汽W, H, T加热加热D, Ts, hs(F - W), x, t,h, c完成液完成液式中式中 x0，x分别为料液、完成液的质量分数。分别为料液、完成液的质量分数。xWFFx)(0 )1(0 xxFW 水分蒸发量水分蒸

7、发量： （1） WFFxx 0完成液的浓度完成液的浓度： （2）7.2.1 单效蒸发的计算式中式中 D 加热蒸汽消耗量，加热蒸汽消耗量，kg/s； t0，t 加料液与完成液的温度，加料液与完成液的温度，； h0，h，hs 加料液，完成液和冷凝水的热焓，加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg； H，Hs 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。 式中热损失式中热损失Ql可视具体条件来取可视具体条件来取加热蒸汽放热量加热蒸汽放热量（DR）的某一百分数。的某一百分数。 lsQDhWHhWFFhDH )(0s（3）lssQhHWhhFhHD )()()(0（4） （2）热量衡

8、算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，时， 7.2.1 单效蒸发的计算（2）热量衡算 焓值的计算焓值的计算：习惯上取：习惯上取0为基准，即为基准，即0时的焓为零，则时的焓为零，则有有ssTch*000000tctchctcth0代入前面的两式得代入前面的两式得： lssQctHWtcctFhHD)()()(00式中式中 c0 、c料液和完成液的比热，料液和完成液的比热，kJ/kgK。7.2.1 单效蒸发的计算（2）热量衡算式中式中 水的比热，水的比热，kJ/kg K ； 溶质的比热，溶质的比热，kJ/kg K 。 *cBc 为了避免

9、使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即0B0*0)1 (xcxccxcxccB*)1 (7.2.1 单效蒸发的计算（2）热量衡算 由式（由式（3）或式（）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：）可得加热蒸汽的消耗量为： sslhHQhHWhhFD)()(0sslhHQctHWtcctFD)()(00 忽略浓缩热忽略浓缩热时时RQWrtcctFDl)(00rctHRhHss 忽略浓缩热且忽略浓缩热且7.2.1 单效蒸发的计算（2）热量衡算 沸点进料，沸点进料，t0 = t，并

10、忽略热损失和溶液浓度较低时，并忽略热损失和溶液浓度较低时， c = c0 ，则，则 式中称式中称D/W为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。度（或生蒸汽的利用率）。 1RrRctHWD或或RWrRctHWD)(7.2.1 单效蒸发的计算 （3）蒸发器传热面积的计算 由于蒸发过程的由于蒸发过程的蒸汽冷凝蒸汽冷凝和和溶液沸腾溶液沸腾之间的恒温差传热，之间的恒温差传热，tm=Ts - t，且蒸发器的，且蒸发器的热负荷热负荷Q = DR，所以有，所以有)()(tTKDRtTKQAss 式中式中 A 蒸发器传热面积，蒸发器传热面积，m

11、2； Q 传热量，传热量，W； K传热系数，传热系数，W/m2K； tm平均传热温差，平均传热温差，K。 mtKQA由传热速率方程得由传热速率方程得7.2.1 单效蒸发的计算 （4）浓缩热和溶液的焓浓图 如图如图7-3为为NaOH水溶液以水溶液以0为基准温度的焓浓图。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：蒸发器中的传热温差： tm =（Ts - t） 加热蒸汽的温度：加热蒸汽的温度： Ts（若为（若为150 ） 蒸发室的压力为蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水：而蒸发的又是水： t = T =100 此时的传热温差最大，用此时的传热温差最大，用tT表示

12、：表示： 50100150TTTts 如果蒸发的是如果蒸发的是30%的的NaOH水溶液，在常压下其沸点是水溶液，在常压下其沸点是高于高于100。若其沸点。若其沸点t = 117，则有效传热温差，则有效传热温差，33117150tTts t 比比tT所减小的值，称为传热温度差损失，简称所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度温度差损失差损失，用，用表示表示 =50-33=177.2.2 蒸发设备中的温度差损失TttTTTtt)()(00T传热温差损失：传热温差损失：TtTtt溶液沸点：溶液沸点：有效传热温差：有效传热温差：温度差损失的原因温度差损失的原因 ： 蒸发操作时，温度差损失的原因可能有：

13、因溶液沸点蒸发操作时，温度差损失的原因可能有：因溶液沸点升高引起的温度差损失升高引起的温度差损失 ；因加热管内液柱静压力而引；因加热管内液柱静压力而引起的温度差损失起的温度差损失 ”；由于管路流动阻力而引起的温度差；由于管路流动阻力而引起的温度差损失损失 。总温度差损失为：。总温度差损失为： 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：的沸点成线性关系： Ktttt0ww0AA)(0ww0AAttKtt式中式中 tA， 某种溶液在两种不同压力下的沸点；某种溶液在

14、两种不同压力下的沸点； tw， 溶剂在相应压力下的沸点。溶剂在相应压力下的沸点。 0At0wt7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （1）溶液的沸点升高和杜林规则 如图如图7-4为不同浓度为不同浓度NaOH水溶液的沸点与水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出的关系，由图可以看出，当，当NaOH水溶液浓度水溶液浓度为零时，它的沸点线为为零时，它的沸点线为一条一条 对角线，即水对角线，即水的沸点线，其它浓度下的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一溶液的沸点线大致为一组平行直线。组平行直线。 457.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （1）溶液的沸点升高和杜林规则由

15、该图可以看出：由该图可以看出： 浓度不太高的范围浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下强无关，而可取大气压下的数值；的数值； 在高浓度范围内只在高浓度范围内只要已知两个不同压强下溶要已知两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则的溶液沸点可按杜林规则进行计算。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 按液面下处按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温溶液的沸腾

16、温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：度下的饱和压力：式中式中 p 液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器 压强代替），压强代替），Pa； L 蒸发器内的液面高度，蒸发器内的液面高度，m。 gLpp21m所以沸腾液体的平均温度为所以沸腾液体的平均温度为 ： )(ptt液柱静压强引起的溶液温度升高液柱静压强引起的溶液温度升高： )()2/( pgLptt 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失（3）单效蒸发过程的计算 设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。的蒸发器。 已知：已知：F，x0 ，t0

17、， x 设计条件：设计条件：p0， pk 计算目的：根据选用的蒸发器形式确定计算目的：根据选用的蒸发器形式确定K，计算所需加，计算所需加热面积热面积A及加热蒸汽用量及加热蒸汽用量D。 操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积 给定条件：给定条件：A，K， x0，t0 ，x， p0， pk 计算目的：核算蒸发器的处理能力计算目的：核算蒸发器的处理能力F和加热蒸汽用量和加热蒸汽用量D。 或已知：或已知： A ，F ， x0，t0 ，x ， p0， pk 计算目的：反算蒸发器的计算目的：反算蒸发器的K并求并求D。 7.3 蒸发操作的经济性 7.3.1 加热

18、蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性 7.3.2 多效蒸发流程多效蒸发流程7.3.1加热蒸汽的经济性 蒸汽的经济性：每蒸汽的经济性：每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量（加热蒸汽所能蒸发的水量（W/D） （或用溶液中蒸发出（或用溶液中蒸发出1kg 水所需消耗的生蒸汽的量水所需消耗的生蒸汽的量 D/W表示蒸表示蒸汽的利用率）。若物料的水溶液先预热至汽的利用率）。若物料的水溶液先预热至沸点沸点后加入蒸发器，后加入蒸发器，忽略忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异汽化潜热的差异，不计热损失不计热损失，则每则每1kg加热蒸汽可汽化加热蒸汽可汽化1kg水，即水，即W/D =1。实际上，由于

19、有。实际上，由于有热损失等原因，热损失等原因，W/D 1。 怎样才能节省加热蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率怎样才能节省加热蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率呢？呢？7.3.1加热蒸汽的经济性为了提高加热蒸汽的经济性，为了提高加热蒸汽的经济性，可采用的措施：可采用的措施：1多效蒸发多效蒸发2额外蒸汽的采出额外蒸汽的采出3热泵蒸发热泵蒸发4冷凝水热量的利用冷凝水热量的利用 图 蒸汽热泵蒸发流程7.3.2 多效蒸发 一、多效蒸发的操作原理 由蒸发器的热量恒算可知，在单效蒸发器中每蒸发1的水需要消耗1多的生蒸汽。在大规模的工业生产中，水分蒸发量很大，需要消耗大量的生蒸汽。如果能将二次蒸汽用作另一蒸发器

20、的加热蒸汽，则可减少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的压力和温度低于生蒸汽的压力和温度，因此，二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是：该蒸发器的操作压力和溶液沸点应低于前一蒸发器。采用抽真空的方法可以很方便地降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。每一个蒸发器称为一效，这样，在第一效蒸发器中通入生蒸汽，产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器，第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸发器，以此类推，末效蒸发器的二次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空装置对系统抽真空。于是，从第一效到最末效，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，

21、这就是多效蒸发的操作原理。 7.3.2 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：多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有： 并流并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。 逆流逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。 错流错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。流。 平流平流： 每一效都加入原料液的方法。每一效都加入原料液的方法。 1.并流优点：1利用各效间压差自动进料，可省去输液泵。2前效温度高于后效，进料呈过热状态，产生自蒸发，各效间可不设预热器。3

22、辅助设备少，装置紧凑，温差损失少。4操作简便，工艺稳定。 缺点：后效温度低，组成高，料液黏度增大，降低了传热系数。2.逆流优点：1.随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效传热系数相差不大，可充分发挥设备潜力。2.完成液排出温度较高，可利用显热在减压下闪蒸增浓，提高完成液组成。缺点：1.辅助设备多，动力消耗大；2.不适于处理热敏性溶液；3.操作复杂，工艺不易稳定 3.错流优点：1兼有并、逆流优点。2供料方式可调整。 缺点：操作复杂，需有完善的自动仪表控制系统来保证实现稳定操作 4.平流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）。多效

23、蒸发效数的限制多效蒸发效数的限制 效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性提高，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和提高，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。这是一个优化问题。最少。这是一个优化问题。 7.3.2 多效蒸发 实际由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量实际由于热损失，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。不可能达到如此经济的程度。7.4 蒸发设备 蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。7.4.1 蒸发器 结构：加热室、流动（或循环）通道、汽液分离空间。热室

24、、流动（或循环）通道、汽液分离空间。 按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环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。型和单程型（不循环）两类。（1 1）循环型蒸发器）循环型蒸发器 特点特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果：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。由于引起循环运动的原因不同，又分为自然循环型自然循环型和和强制循强制循环型环型两类。两类。 自然循环自然循环 ：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环强制循环 ：用泵迫使溶液沿一定方向流动

25、。：用泵迫使溶液沿一定方向流动。 垂直短管式垂直短管式7.4.1 蒸发器（1）循环型蒸发器 外加外加热式热式（加热室与蒸发室分开）（加热室与蒸发室分开）特点：特点：(1)加热管长，给热系数增加热管长，给热系数增大大(2)循环管不再受热，密度循环管不再受热，密度差大差大强化循环强化循环 强制循环蒸发器强制循环蒸发器(forced circulation (forced circulation evaporator) evaporator) 二、单程蒸发器（适宜热敏性物料）二、单程蒸发器（适宜热敏性物料） 物料一次通过加热面即可完成浓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缩要求，离开加热管的溶液及时加以冷却。冷却。1、升膜式升膜式 原理：热的料液自蒸发器底部进入原理：热的料液自蒸发器底部进入加热管内