第五章蒸发PPT课件

1、第五章第五章 蒸发蒸发5.1 概概 述述 在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，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。从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。5.1.1 5.1.1 蒸发分离的依据蒸发分离的依据 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。利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分

2、离。5.1.2 5.1.2 蒸发操作的目的蒸发操作的目的获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品获得浓缩的溶液，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脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。去除杂质。5.1.3 蒸发操作的应用蒸发操作的应用 在工业上，有三种情况：在工业上，有三种情况：(1)(1)制取液体产品制取液体产品。例如电解食盐水得到的。例如电解食盐水得到的NaOHNaOH稀溶液中，含有稀溶液中，含有约约18%18%的的NaClNaCl，通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将，通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将NaClNaCl结结晶而分离除去，得到规定的液碱产品；晶而分离除去

3、，得到规定的液碱产品；(2)(2)生产固体产品生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制糖、制药等。糖、制药等。(3)(3)制取纯溶剂制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处理的溶液大多为水

4、溶液，上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。所以本章仅讨论水溶液的蒸发。 蒸发的设备主要是蒸发器蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。和冷凝器，基本流程如图。蒸发器的作用是加热溶液使蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。室和分离室两部分组成。 加热室由传热管组成，中加热室由传热管组成，中央设置一循环管，加热用饱和央设置一循环管，加热用饱和水蒸汽加热；水蒸汽加热； 分离室在加热室上部，为分离室在加热室上部，为一圆筒结构，使受热上升的溶一圆筒结构，使受热上升的溶液在此汽化并将汽液分离。液在此汽化并将汽液分离。冷凝器

5、与蒸发器的分离室相冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。冷凝而除去。 5.1.4 蒸发的流程蒸发的流程冷凝水冷凝水加热蒸汽加热蒸汽料液料液二次蒸汽二次蒸汽完成液完成液水水冷却水冷却水不凝性气体不凝性气体1.1.加热室加热室 2.2.加热管加热管3.3.中央循环管中央循环管4.4.分离室分离室 5.5.除沫器除沫器6.6.冷凝器冷凝器 蒸发器的操作蒸发器的操作 蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热

6、，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。部排出。 5.1.5 蒸发的分类蒸发的分类按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发真空蒸发的优点：真

7、空蒸发的优点：1.1.减压下溶液沸点减压下溶液沸点t t1 1降低，使蒸发器的传热推动力降低，使蒸发器的传热推动力t=T-tt=T-t1 1增大，因而，对一定的传热量增大，因而，对一定的传热量Q Q，可节省蒸发器的传热面积，可节省蒸发器的传热面积S S。2.2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。P,T ,tP,T ,t一定，一定，Q Q不变不变3.3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。物料。4.4.减少蒸发器的热损失。减少蒸发器的热损失。真空操作的缺点：真空

8、操作的缺点：1.1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降。溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降。2.2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。动力消耗大。因需要有造成减压的装置。按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发q自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低。只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低。q沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率

9、高，汽化速率高。个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高。按二次蒸汽是否被利用分：单效蒸发、多效蒸发按二次蒸汽是否被利用分：单效蒸发、多效蒸发q单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作。作。q多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作。利用其冷凝热的串联操作。 本章讨论沸腾传热本章讨论沸腾传热5.1.6 蒸发的特点蒸发的特点 从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分溶剂，而溶剂，而过程的实

10、质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和设备与一般的传热过程有所不同。设备与一般的传热过程有所不同。蒸发具有下述特点：蒸发具有下述特点：传热性质：传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。进行沸腾，故属于壁面两侧流体均

11、有相变化的恒温传热过程。溶液性质：溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。些性质将影响设备的结构。溶液沸点的改变溶液沸点的改变( (升高升高) )：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸沸点，所以当加热蒸汽一定

12、时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高，溶液浓度越高，温度差损失越大。温度差损失越大。蒸发溶液温度差：蒸发溶液温度差：t=T-tt=T-t蒸发纯水温度差：蒸发纯水温度差：ttT T=T-T=T-T P P一定时，一定时， t T t T t tT T泡沫挟带泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。否则既损失物料，又污染冷凝设备。能源利用能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理：蒸发时产生大量二次蒸

13、汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。利用这部分潜热。5.2 蒸发设备蒸发设备5.2.1 5.2.1 常用蒸发器的结构与特点常用蒸发器的结构与特点蒸发器组成：蒸发器组成：q加热室：加热溶液使之汽化加热室：加热溶液使之汽化q分离室：分离二次蒸汽和完成液分离室：分离二次蒸汽和完成液 化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：溶液的流动情况，分为两大类：q循环型循环型( (非膜式非膜式) )q单程型单程型( (膜式膜式) )5.2.1.1 5.2.1.1 循环型循环型( (非膜式非膜式) )蒸发器蒸发器 循环

14、型蒸发器的特点是循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动溶液在蒸发器内作连续的循环运动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。q自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不 同，产生密度差而引起的循环运动同，产生密度差而引起的循环运动q强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动 1 1中央循环管式中央循环管式

15、( (标准式标准式) )蒸发器蒸发器 中央循环管的截面积为其余加热管总中央循环管的截面积为其余加热管总截面积的截面积的40%40%100%100%，如图。，如图。加热蒸汽：加热蒸汽：加热室管束环隙内加热室管束环隙内溶液：溶液：溶液形成由中央循环管下降，而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。由其余加热管上升的循环流动。优点：优点：q溶液循环好溶液循环好q传热效率高传热效率高q结构紧凑、制造方便、操作可靠结构紧凑、制造方便、操作可靠缺点：缺点：q循环速度低循环速度低q溶液粘度大、沸点高溶液粘度大、沸点高q不易清洗不易清洗适宜适宜处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液处理结垢不严重、腐蚀

16、性小的溶液2 2悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 加热室悬挂在蒸发器壳体的加热室悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热蒸汽下部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室管间，加由壳体上部进入加热室管间，加热管内溶液上升，而沿悬筐外壁热管内溶液上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。环流动。优点：优点：q溶液循环速度高，改善了溶液循环速度高，改善了管内结构情况管内结构情况q传热速率较高传热速率较高缺点：缺点：q设备费高设备费高q占地面积大占地面积大q加热管内溶液滞留量大加热管内溶液滞留量大适于适于处理易结垢，有晶体析出的处理易结垢，有晶体析出的溶液溶液3

17、3外热式蒸发器外热式蒸发器 这种蒸发器将加热室与分离这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管，如室分开，采用较长的加热管，如图示。图示。优点：优点：q降低了整个蒸发器的高度，降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换便于清洗和更换q循环速度较高，使得对流传循环速度较高，使得对流传热系数提高热系数提高q结垢程度小结垢程度小适于适于处理易结垢、有晶体析出、处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液处理量大的溶液 4 4列文蒸发器列文蒸发器 特点是在加热室上部设置沸腾室，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，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，

18、这样避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。免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。优点：优点：q流动阻力小流动阻力小q循环速度高循环速度高q传热效果好传热效果好q加热管内不易堵塞加热管内不易堵塞缺点：缺点：q设备费高设备费高q厂房高，耗用金属多厂房高，耗用金属多适于适于处理有晶体析出或易结垢的溶液处理有晶体析出或易结垢的溶液 5强制循环型蒸发器强制循环型蒸发器 在加热室设置循环泵，使溶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液沿加热室方向以较高的速度循环流动。环流动。优点：优点：q循环速度高循环速度高q晶体不易粘结在加热管壁晶体不易粘结在加热管壁q对流传热

19、系数高对流传热系数高缺点：缺点：q动力消耗大动力消耗大q对泵的密封要求高对泵的密封要求高q加热面积小加热面积小适于适于处理粘度大，易结垢、有晶处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。体析出的溶液。5.2.1.2 单程型单程型(膜式膜式)蒸发器蒸发器 单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次蒸发即可达到要求的浓度。溶液停留时间一次蒸发即可达到要求的浓度。溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜状流动，适用于热短，操作时沿加热管壁呈膜状流动，适用于热敏性物料的蒸发。敏性物料的蒸发。1 1升膜蒸发器升膜蒸发器 溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部溶液预热到接近沸点时由蒸发器

20、底部送入，进入加热管时立即受热沸腾汽化，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并蒸发。到达分离室壁边呈膜状向上流动并蒸发。到达分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。部排出。适于适于处理蒸发量较大的稀溶液，处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；热敏性和易生泡沫的溶液； 不适于不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。液的蒸发。 2降膜蒸发器降膜蒸发器 它的加热室与升膜式类似，但分离它的加热室与升膜式类似，但分离室设置在下部

21、，见图室设置在下部，见图5-95-9。溶液预热后。溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布由加热室顶部加入，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器内进行汽液分离后完成液由分离室底部排出。部排出。 这类蒸发器操作的关键是设置良好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。常用防止二次蒸汽从加热管

22、顶部穿出。常用的膜分布器见的膜分布器见P299P299。适于适于处理浓度、粘度较大的溶液处理浓度、粘度较大的溶液不适于不适于处理易结晶、结垢的溶液。处理易结晶、结垢的溶液。 3 升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器 蒸发器由升膜管束和蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得束流下，进入分离室，得到完成液。到完成液。适于适于处理浓缩过程中粘度处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有

23、限变化大的溶液、厂房有限制的场合。制的场合。4刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器 它是在加热管内部安装一可旋转的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搅拌刮板，刮板端部与加热管内壁间隙固定在固定在0.750.751.5mm1.5mm之间，依靠刮板的之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上。上。 溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，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，在下降过程壁上形成旋转下降的液膜，在下降过程中被不断蒸发，底部得到完成液，二次中被

24、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。蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷凝器。 缺点：缺点：结构复杂，动力消耗大，传结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。热面积小，处理能力低。 适于处理易结晶、易结垢、高粘度适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液。的溶液。5.2.1.3 直接加热蒸发器直接加热蒸发器 将一定比例的燃烧气与空气将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达可高达1200120018001800，由于气、，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅产生强烈的鼓泡作

25、用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。气一同由顶部排出。优点：优点：结构简单，不需要固定的结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高。传热面，热利用率高。 适于适于处理易结垢、易结晶或处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。有腐蚀性的溶液。 不适于不适于处理不能被燃烧气污处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。染及热敏性的溶液。5.2.2 蒸发器的选型蒸发器的选型 蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选择适宜的蒸发器型式。选型时，一般考虑以下原则：选型时，一般考虑

26、以下原则：溶液的粘度：溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。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、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；降膜式、刮板搅拌薄膜式等；溶液的热稳定性：溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器有晶体析出的溶液：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

27、间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器蒸发器易发泡的溶液：易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，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。式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。有腐蚀性的溶液：有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，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

28、没燃烧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。蒸发器。易结垢的溶液：易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，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蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧溶液循环速度大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。式等。溶液的处理量：溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。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，选处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理

29、量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。用尺寸适宜的多效蒸发。 总之，不同类型的蒸发器，各有其特点，它们对不同的溶总之，不同类型的蒸发器，各有其特点，它们对不同的溶液的适应性也不相同。液的适应性也不相同。P294P294表表5-15-1列出了蒸发器的一些主要性列出了蒸发器的一些主要性能。应视具体情况，选用适宜的蒸发器。能。应视具体情况，选用适宜的蒸发器。5.3 单效蒸发单效蒸发 已知条件：已知条件：原料液流量原料液流量F(kg/h)F(kg/h)，原料液浓度，原料液浓度x xo o( (质量分质量分率率) )和温度和温度t to o( () )，完成液的浓度完成液的浓度x x1 1( (质量分率质量分

30、率)()(生产要求生产要求) ) 过程选定：过程选定：加热蒸汽压强加热蒸汽压强p(p(或温度或温度T)T)，冷凝器操作压强，冷凝器操作压强p p( (或温度或温度T T) )； 计算内容：计算内容：单位时间内水分蒸发量单位时间内水分蒸发量W(kg/h)W(kg/h)，加热蒸汽用，加热蒸汽用量量D(kg/h)D(kg/h)，蒸发器的传热面积，蒸发器的传热面积S(mS(m2 2) )。 求解上述问题求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程。速率方程。5.3.1 物料与热量衡算方程物料与热量衡算方程5.3.1.1 5.3.1.1 物料衡算物料衡算

31、如图以蒸发器为衡算范围，如图以蒸发器为衡算范围，取取1h1h为衡算基准，作物料衡算：为衡算基准，作物料衡算：总物料：总物料：F=W+GF=W+G溶质：溶质： FxFx0 0=Gx=Gx1 1蒸发室加热室W,T,HF,x0,t0,h0D,T,HD,T,hwG,x1,t1,h1WFFxxxxFWFGxx1FW011010完成液组成：完成液量：得：水分蒸发量：5.3.1.2 热量衡算热量衡算 以蒸发器为衡算范围，衡算基准为以蒸发器为衡算范围，衡算基准为1h1h，对进出蒸发器的热，对进出蒸发器的热量进行衡算：量进行衡算： DH+FhDH+Fh0 0=WH=WH+(F-W)h+(F-W)h1 1+Dh+

32、Dhc c+Q+QL L (5-1)(5-1)蒸发室加热室W,T,HF,x0,t0,h0D,T,HD,T,hcF-WQLG,x1,t1,h1式中：式中： H H、H H、h hc c 分别为加热蒸分别为加热蒸汽、二次蒸汽和冷凝水焓值，汽、二次蒸汽和冷凝水焓值，kJ/kgkJ/kg； h h0 0、h h1 1 分别为原料液、完成分别为原料液、完成液焓值，液焓值，kJ/kgkJ/kg； Q QL L 蒸发器的热损失，蒸发器的热损失，W W，通常，通常取传热量的百分数加以计算。取传热量的百分数加以计算。 在具体计算时，根据溶液特性分在具体计算时，根据溶液特性分为两种方法进行热量衡算求加热蒸汽为两种

33、方法进行热量衡算求加热蒸汽用量。用量。 1.溶液的稀释热可以忽略溶液的稀释热可以忽略 当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以热计算。以00的液体为基准，则：的液体为基准，则：q原料液：原料液：h h0 0=C=C0 0(t(t0 0-0)-0)q完成液：完成液：h h1 1=C=C1 1(t(t1 1-0)-0)q冷凝水：冷凝水：h hc c=C=CW W(T-0)(T-0) 因此，式因此，式(7-1)(7-1)热量衡算式热量衡算式可写为：可写为： D(H- D(H- C CW WT T)=WH)=WH+(F-W)C+

34、(F-W)C1 1t t1 1-FC-FC0 0t t0 0+Q+QL L (5-2)(5-2)式中两比热使用不便，改用原料液比热式中两比热使用不便，改用原料液比热C C0 0代替完成液比热代替完成液比热C C1 1，溶，溶液的比热可用以下经验公式计算：液的比热可用以下经验公式计算： C= CC= Cw w(1-x) + C(1-x) + CB Bx x其中：其中： CwCw 、 C CB B分别为水和溶质的比热，分别为水和溶质的比热，kJ/kgkJ/kg。则：则：C0= Cw(1-x0) + CBx0=Cw+(CB-Cw)x0C1= Cw(1-x1) + CBx1=Cw+(CB-Cw)x1w

35、0110w1w010WCFCC)WF()xx-F(1WCCCCxx物料衡算：两式相比： 将上式代入式将上式代入式(5-2) (5-2) D(H- D(H- C CW WT T)=WH)=WH+(F-W)C+(F-W)C1 1t t1 1-FC-FC0 0t t0 0+Q+QL L中，中，得：得： D(H- D(H- C CW WT T)=W(H)=W(H-C-Cw wt t1 1) )+FC+FC0 0(t(t1- 1- t t0 0)+Q)+QL L 若冷凝液在饱和温度下排出，且忽略溶液浓度变化对焓值若冷凝液在饱和温度下排出，且忽略溶液浓度变化对焓值的影响，即：的影响，即：H- H- C C

36、W WT=rT=rH H-C-Cw wt t1 1= r = r 则：则：说明说明(1)(1)从上式可以看出加热蒸汽提供的热量从上式可以看出加热蒸汽提供的热量DrDr用于：用于：将原料液由将原料液由t t0 0升温到沸点升温到沸点t t1 1：FCFC0 0(t(t1- 1- t t0 0) )蒸发水分：蒸发水分： WrWr 过程热损失：过程热损失：Q QL L(2)(2)若原料液预热到沸点，即若原料液预热到沸点，即t t0 0=t=t1 1，并略去热损失，并略去热损失，Q QL L00，则，则有有D/W=rD/W=r/r1/r1，即每蒸发，即每蒸发1kg1kg水分大约需要水分大约需要1kg1

37、kg加热蒸汽，实加热蒸汽，实际过程有热损失，且常在际过程有热损失，且常在1.11.1左右。左右。 e=D/We=D/W称为称为单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量，为每蒸发单位质量水分时，加，为每蒸发单位质量水分时，加热蒸汽的消耗量，热蒸汽的消耗量，kg/kgkg/kg。e e值值是衡量蒸发装置经济程度的指标是衡量蒸发装置经济程度的指标。(3)(3)当当x x0 00.20.2时：时：C C0 0=C=Cw w(1-x(1-x0 0) ) rQ)tt (FCWrDL010忽略稀释热时加热忽略稀释热时加热蒸汽消耗量计算式蒸汽消耗量计算式23087kJ/kg2205kJ/kg80200kPaP4962.1

38、333kg/h)0.30.1-2000(1)xx-F(1W. 110、分别为潜热的饱和水蒸汽的汽化、附录八：查加热蒸汽消耗量水的蒸发量例例5 51 1：在连续操作的蒸发器中，将在连续操作的蒸发器中，将2000kg/h2000kg/h的某无机盐水溶的某无机盐水溶液由液由0.10.1浓缩到浓缩到0.3(0.3(均为质量分数均为质量分数) )。蒸发器的操作压力为。蒸发器的操作压力为40kPa40kPa，相应的溶液沸点为相应的溶液沸点为8080。加热蒸汽的压力为。加热蒸汽的压力为200kPa200kPa。已知原料。已知原料液的比热为液的比热为3.77kJ/(kg3.77kJ/(kg)，蒸发器的热损失为

39、，蒸发器的热损失为12000W12000W。设溶液。设溶液的稀释热可以忽略，试求的稀释热可以忽略，试求(1)(1)水的蒸发量；水的蒸发量；(2)(2)原料液分别为原料液分别为3030、8080、120120时的加热蒸汽消耗量。时的加热蒸汽消耗量。解：解：，加热蒸汽消耗量愈小结论：原料液温度愈高。原料液温度为。原料液温度为。原料液温度为h/kg128022051000/360012000)01280(77. 3200023081333rQ)tt (FCWrD120. ch/kg141722051000/360012000)8080(77. 3200023081333rQ)tt (FCWrD80.

40、 bh/kg158822051000/360012000)3080(77. 3200023081333rQ)tt (FCWrD30. aL010L010L0102.溶液稀释热不可忽略溶液稀释热不可忽略 对某些水溶液对某些水溶液( (如如CaClCaCl2 2、NaOHNaOH等等) )在稀释时有显著的放热效在稀释时有显著的放热效应，因而蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时，还需提供与应，因而蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时，还需提供与稀释热相应的浓缩热，且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响稀释热相应的浓缩热，且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响愈显著。因此式愈显著。因此式(7-1)(7-1)中的中

41、的h h0 0、h h1 1应由相应的焓浓图查取，计算应由相应的焓浓图查取，计算结果才准确。结果才准确。 据据(5-1)(5-1)热量衡算式，得加热蒸汽用量：热量衡算式，得加热蒸汽用量：cL01hHQFhh)WF(WHD 若冷凝液在饱和温度下排出，若冷凝液在饱和温度下排出，(H-h(H-hc c)=r)=r为饱和蒸汽冷凝潜热，为饱和蒸汽冷凝潜热，kJ/kgkJ/kg。因此：。因此：rQFhh)WF(WHDL015.3.2 传热速率方程传热速率方程 Q=KAtQ=KAtm m 据此计算蒸发器传热面积据此计算蒸发器传热面积A A。其中。其中ttm m 、K K 、 Q Q计算如下。计算如下。5.3

42、.2.1 5.3.2.1 平均温度差平均温度差ttm m 蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差为为 ttm m=T-t=T-t1 1 当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t t1 1，即可计，即可计算传热温度差，在一定压强下，溶液的沸点算传热温度差，在一定压强下，溶液的沸点t t1 1较纯水的沸点较纯水的沸点T T高。高。 在实际生产中，已知的是加热蒸汽的温度在实际生产中，已知的是加热蒸汽的温度T(T(或压强或压强p)p)和冷凝和冷凝器器( (或分离室或分离室) )二次蒸汽的温度

43、二次蒸汽的温度T T( (或压强或压强p p) )。(T-T(T-T)=)=t tT T称称为理论传热温差。为理论传热温差。 由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差(T-t(T-t1 1) )较较理论传热温差要小，其差值称为温度差损失理论传热温差要小，其差值称为温度差损失：= =t tT T- -t t=(T-T=(T-T)-(T-t)-(T-t1 1)=t)=t1 1-T-T 因此实际传热温差因此实际传热温差t=tt=tT T-，即只要已知温度差损失，即只要已知温度差损失就可得到实际传热温度差。就可得到实际传热温度差。 造成温度差损失的主要原

44、因是：造成温度差损失的主要原因是：(1)(1)因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差 ；(2)(2)蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点升高沸点升高；(3)(3)二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器( (或下一效蒸发器加或下一效蒸发器加热室热室) )时产生压强降，导致的温度差损失时产生压强降，导致的温度差损失( (若若T T指分离指分离室温度时，室温度时，=0)=0)。 总的温度差损失为三项之和，即总的温度差损失为三项之和，即= + + +

45、+1.因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失 设设t tA A为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则则=t=tA A-T-T。值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常采用两种方法计算：有关，通常采用两种方法计算：(1).(1).经验估算法经验估算法( (吉辛科法吉辛科法) ) 对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高a a进行修正进行修正用于操作压强下的温度差损失。用于操作压强下的温度差损失。 =f=fa a 式中：式中：

46、a a-常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高， a a=t=tA A-100-100； t tA A- -常压下溶液的沸点，常压下溶液的沸点，其值可从有关手册查得；，其值可从有关手册查得； f-f-校正系数，无因次，校正系数，无因次，f=0.0162(Tf=0.0162(T+273)+273)2 2/r/r TT，r-r-分别为实际操作压强下二次蒸汽温度，分别为实际操作压强下二次蒸汽温度，和汽化和汽化潜热，潜热，kJ/kgkJ/kg。 (2).杜林规则杜林规则 (Duhrings rule)法法(直线规则法直线规则法) 杜林规则：说明溶液的沸点和相

47、同压强下标准溶液沸点杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系。之间呈线性关系。 由于纯水在各种压强下的沸由于纯水在各种压强下的沸点容易获得，故一般选用纯水为点容易获得，故一般选用纯水为标准溶液，只要知道溶液和水在标准溶液，只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角两个不同压强下的沸点，在直角坐标图中以溶液沸点为纵标，以坐标图中以溶液沸点为纵标，以纯水沸点为横标，以溶液浓度为纯水沸点为横标，以溶液浓度为参数，即可得到一条直线。参数，即可得到一条直线。 因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压

48、强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。溶溶液液沸沸点点，tAtA纯水沸点，纯水沸点，tWtWC%溶溶液液沸沸点点，纯水沸点，纯水沸点，C%求解方法有两种：求解方法有两种：查图法查图法已知已知pT tpT tA A =t=tA A-T-T 截距法截距法在图中杜林直线上任选两点在图中杜林直线上任选两点M M、N N，其，其对应压强分别为对应压强分别为p pM M、p pN N，对应压强下，对应压强下溶液的沸点、水的沸点分别为溶液的沸点、水

49、的沸点分别为t tA A 、 t tW W 、t tA A、t tW W，如图：，如图：tATtAtAtWtWMN则直线斜率为：则直线斜率为：WWAAttttk 若某压强下水的沸点若某压强下水的沸点t tW W =0 =0，则上式整理成截距计算式为：，则上式整理成截距计算式为：t tA A =t =tA A- k t- k tW W=y=ym m 浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率k k与截距与截距y ym m均均为溶液质量浓度为溶液质量浓度x x，即：，即： k=f(x)k=f(x) y ym m=g(x)=g(x)如如NaOHNaOH水溶液：水

50、溶液： k=1+0.142xk=1+0.142x y ym m=150.75x=150.75x2 2-2.71x-2.71x计算过程：计算过程：q据质量浓度据质量浓度x x计算计算k,yk,ym mq代入截距方程代入截距方程y ym m = t = tA A- k t- k tW W解的解的t tA Aq=t=tA A-T-T例例5-25-2 在中央循环管蒸发器内将在中央循环管蒸发器内将NaOHNaOH水溶液由水溶液由1010浓缩到浓缩到2020，求：求：(1)(1)采用经验估算法计算采用经验估算法计算50kPa50kPa时溶液的沸点时溶液的沸点(2)(2)利用杜林直线采用查图法计算利用杜林直

51、线采用查图法计算50kPa50kPa时溶液的沸点时溶液的沸点(3)(3)利用杜林直线采用截距法计算利用杜林直线采用截距法计算50kPa50kPa时溶液的沸点时溶液的沸点解解:(1:(1) )查查P P358358附录二十一得附录二十一得2020NaOHNaOH水溶液在水溶液在101.33kPa101.33kPa下沸点下沸点升高值为升高值为a a=8.5=8.5 查查P P338338附录十得附录十得50kPa50kPa时水的饱和温度为时水的饱和温度为T T=81.2=81.2，水的，水的汽化热汽化热r r=2304.5kJ/kg=2304.5kJ/kg8819. 05 .2304)2732 .

52、81(0162. 0 r)273T(0162. 0f22=f=fa a=0.8819=0.88198.5=7.5 8.5=7.5 溶液沸点：溶液沸点：t tA A= =+T T=7.5+81.2=88.7 =7.5+81.2=88.7 (2)(2)据据50kPa50kPa下水的沸点为下水的沸点为81.281.2，查，查P304“NaOHP304“NaOH水溶液的杜林水溶液的杜林线图线图”的的2020直线，得纵标，即溶液沸点直线，得纵标，即溶液沸点t tA A=88=88(3)NaOH(3)NaOH水溶液杜林直线：水溶液杜林直线： k=1+0.142x=1+0.142k=1+0.142x=1+0

53、.1420.2=1.0280.2=1.028 y ym m=150.75x=150.75x2 2-2.71x=150.75-2.71x=150.750.20.22 2-2.71-2.710.2=5.4880.2=5.488yym m = t = tA A- k t- k tW W t tA A= y= ym m+ + k tk tW W=5.488+1.028=5.488+1.02881.281.288.96 88.96 2.因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，

54、使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失。一般计算时取液层中部平均压强一般计算时取液层中部平均压强p pm m下对应的沸点下对应的沸点t tpmpm为依据。设分为依据。设分离室压强为离室压强为p pPaPa，液面高度为，液面高度为L mL m，则液层中部压强为：，则液层中部压强为： 对应的温度差损失：对应的温度差损失：=t=tpmpm-t-tp p式中：式中： t tpmpm 压强压强p pm m下水的沸点，下水

55、的沸点，(因溶液沸点难于查取，故因溶液沸点难于查取，故取该压强下纯水沸点近似作为溶液沸点取该压强下纯水沸点近似作为溶液沸点) )； t tp p 与二次蒸汽压强与二次蒸汽压强p p对应的水的沸点，对应的水的沸点，； 液体密度，液体密度，kg/mkg/m3 3。2gL ppm3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失由于管路流动阻力而引起的温度差损失 二次蒸汽由分离室流到冷凝器二次蒸汽由分离室流到冷凝器( (或下一效加热室或下一效加热室) )时，因管时，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度差损失即为此引起的温度差

56、损失即为。因二次蒸汽。因二次蒸汽产生的压强降，产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：取：单效蒸发：二次蒸汽单效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器 = =1 11.51.5。多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器 = =1 11.51.5。多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器下一效加热室下一效加热室 = =1 1。 在三种温差损失的计算中，以在三种温差损失的计算中，以为最大，为一主要影响为最大，为一主要影响因素。因素。 5.3.2.2 总传热系数总传热系数K公式计算

57、：公式计算：选用经验值选用经验值现场查定现场查定5.3.2.3 5.3.2.3 蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q Q 条件不同，热负荷的计算也不同，若加热蒸汽在饱和温度条件不同，热负荷的计算也不同，若加热蒸汽在饱和温度下排出下排出稀释热不可以忽略时：稀释热不可以忽略时：Q=Dr= Q=Dr= WHWH+(F-W)h+(F-W)h1 1- Fh- Fh0 0 +Q +QL L ,W,W稀释热可以忽略时：稀释热可以忽略时：Q=Dr= Q=Dr= WrWr+ FC+ FCp0p0(t(t1- 1- t t0 0) +Q) +QL L ,W,W5.3.2.4 5.3.2.4 传热面积传热面积A A1os

58、omoiosiiio1RdbdddRddKmtKQA例例5-35-3 将将10%10%的的NaOHNaOH水溶液蒸发到水溶液蒸发到45%45%，处理量为，处理量为1800kg/h1800kg/h，原，原料液温度料液温度6060，比热为，比热为3.4kJ/kg3.4kJ/kg，加热蒸汽和分离室压强分，加热蒸汽和分离室压强分别为别为400kPa400kPa和和50kPa50kPa，蒸发器内液面高度为，蒸发器内液面高度为2m2m，溶液平均密度为，溶液平均密度为1400kg/m1400kg/m3 3，总传热系数，总传热系数K Ko o为为1500W/(m1500W/(m2 2) )，若热损失为传热量，

59、若热损失为传热量的的10%10%，忽略稀释热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产，忽略稀释热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。品量及所需传热面积。解：查附表十：解：查附表十：p=400kPap=400kPa下蒸汽下蒸汽T=143.4T=143.4，r=2138.5kJ/kgr=2138.5kJ/kgp p=50kPa=50kPa下二次蒸汽下二次蒸汽T T=81.2=81.2，r r=2304.5kJ/kg=2304.5kJ/kg(1)(1)水分蒸发量水分蒸发量(2)(2)产品量产品量 G=G=(F-W)=1800-1400=400kg/h(F-W)=1800-1400

60、=400kg/hh/kg140045. 01 . 011800 xx1FW10 (3)(3)加热蒸汽用量加热蒸汽用量Dr=WrDr=Wr+FC+FCp0p0(t(t1 1-t-t0 0)+Q)+QL LQQL L=0.1Dr Dr=1.1Wr=0.1Dr Dr=1.1Wr+ FC+ FCp0p0(t(t1 1-t-t0 0)/r )/r 其中：其中：t t1 1=T=T+ +=81.2+=81.2+ +的计算采用杜林规则的截距法：的计算采用杜林规则的截距法：因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取x=0.45x=0.45k=1+0.142x=1+0.142k=1