掌握蒸发浓缩的操作原理

掌握蒸发浓缩的操作原理第1页，共64页，2023年，2月20日，星期六7.1.1蒸发的定义

7.1.2加热蒸气和二次蒸气

使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。

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，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为加热蒸气或生蒸气，后者称为二次蒸气。7.1

概述第2页，共64页，2023年，2月20日，星期六7.1.3蒸发分类(1)按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。(2)按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发第3页，共64页，2023年，2月20日，星期六7.1.4蒸发操作的特点

1)传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温

传热过程。2)溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。3)沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。4)泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。5)能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。第4页，共64页，2023年，2月20日，星期六(1)溶液的沸点升高一定压强下，溶液的沸点较纯水高，两者之差，称为溶液的沸点升高。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小，无机盐溶液较大。对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。7.2

单效蒸发7.2.1溶液的沸点升高和温度差损失第5页，共64页，2023年，2月20日，星期六溶液沸点升高的计算公式：式中

Δ——溶液的沸点升高，℃

t——溶液的沸点，℃

T/——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的

饱和温度，℃

（5-1）第6页，共64页，2023年，2月20日，星期六(2)传热温度差损失式中

Δt——传热的有效温度差，

℃

ΔtT

——理论上的传热温度差，

℃

t——溶液的沸点，

℃

T——纯水在操作沸点，

℃

Ts——加热蒸气的温度，

℃计算公式为：

Δt=Ts-tΔtT

=Ts-T

Δ=ΔtT-Δt

（5-2）

在一定操作压强条件下溶液的沸点升高。第7页，共64页，2023年，2月20日，星期六例：用476kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽（Ts=150℃），蒸发室内压力为1atm，蒸发30%的NaOH溶液，沸点为t=115℃，其最大传热温度差，用ΔtT来表示：

ΔtT=Ts-T=150-100=50℃有效温度差为：

Δt=Ts-t=150-115=35℃则温度差损失为：

Δ=ΔtT-Δt=（

Ts-T）-（

Ts-t）=t-T=15℃

即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。只有求得Δ，才可求得溶液的沸点t（=T+Δ

）和有效传热温度差Δt（=ΔtT-Δ

）。第8页，共64页，2023年，2月20日，星期六1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′；3）因管路流体阻力而引起的温度差损失

。

2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″；

总温度差损失为：

（5-3）

蒸发过程中引起温度差损失的原因有：第9页，共64页，2023年，2月20日，星期六（5-4）式中

tA——溶液沸点，℃，主要与溶液的类别、浓度及操

作压强有关。

T′——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的

饱和温度，℃

在文献和手册中，可以查到常压（1atm）下某些溶液在不同浓度时的沸点数据。非常压下的溶液沸点则需计算，估算方法有两种。溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失第10页，共64页，2023年，2月20日，星期六式中

——常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值

求得，℃；

Δ′——操作条件下溶液的沸点升高，℃；

f——校正系数，无因次。其经验计算式为：

式中

T′——操作压强下二次蒸气的温度，℃；

r′——操作压强下二次蒸气的汽化热，kJ/kg。1)（5-5）（5-6）第11页，共64页，2023年，2月20日，星期六2)杜林规则

该规则认为：某溶液（或液体）在两种不同压力下两沸点之差与另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，即

式中

tA

、tw—分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，℃

tA′、tw′—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃

一定浓度下溶液的沸点与相同压强下水的沸点呈直线关系，可以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。（5-7）第12页，共64页，2023年，2月20日，星期六当某压强下水的沸点tw=0时，则上式变为：

式中

ym——杜林线的截距，℃

注意：不同浓度的杜林线是不平行的，斜率k与截距ym都是溶液质量浓度x的函数。（5-8）第13页，共64页，2023年，2月20日，星期六

液层内的溶液的沸点高于液面的，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。式中

pm——液层中部的平均压强，Pap′——液面的压强，即二次蒸气的压强，Pal——液层深度，m

简化处理：计算时以液层中部的平均压强pm及相应的沸点tAm为准，中部的压强为：

（5-10）液柱静压强引起的温度差损失第14页，共64页，2023年，2月20日，星期六

常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tpm，故因静压强而引起的温度差损失为：

Δ″=tpm-tp′

（5-11）式中

tpm

——与平均压强pm相对应纯水的沸点，℃

tp′——与二次蒸气压强p′相对应的水的沸点，℃

影响Δ″的因素：1）沸腾时液层内混有气泡，液层的实际密度较计算公式所用的纯液体密度要小，使得算出的Δ″值偏大；2）当溶液在加热管内的循环速度较大时，就会因流体阻力使平均压强增高。第15页，共64页，2023年，2月20日，星期六

采用多效蒸发时，二次蒸气在离开前一效蒸发室流往后一效加热室的过程中要克服管道的流动阻力，从而导致蒸汽温度下降。此项温度差损失与蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有关，一般取0.5~1.5℃。第16页，共64页，2023年，2月20日，星期六单效蒸发的计算项目有：

1）蒸发量；

2）加热蒸气消耗量；

3）蒸发器的传热面积通常生产任务中已知的项目有：

1）原料液流量、组成与温度；

2）完成液组成；

3）加热蒸气压强或温度；

4）冷凝器的压强或温度。7.2.2单效蒸发的计算第17页，共64页，2023年，2月20日，星期六加热室蒸发室F,x0,t0,h0

D,T,HW,T’,H’

D,T,hw

(F-W),x1

t1,h1

QL第18页，共64页，2023年，2月20日，星期六式中

F—原料液流量

W—蒸发量

x0—原料液的质量组成

x1—完成液的组成对单效蒸发器作溶质衡算，得（5-12）(1)蒸发量w第19页，共64页，2023年，2月20日，星期六

蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。

对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。(2)加热蒸气消耗量D第20页，共64页，2023年，2月20日，星期六式中

D——加热蒸气的消耗量,kg/h

H——加热蒸气的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kg

H’——二次蒸气的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kg

hw——冷凝水的焓,kJ/kgQL——热损失,kJ/h（5-13）

对单效蒸发器作物料的热量衡算，得（5-14）1)溶液稀释热不可忽略时第21页，共64页，2023年，2月20日，星期六若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则

式中

r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg稀释热不可忽略时，溶液的焓可由专用的焓浓图查得。则上式变为（5-14a）H-hw=r第22页，共64页，2023年，2月20日，星期六溶液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热算出，即

h0=cp0(t-0)=cp0t0

（5-15）

h1=cp1(t-0)=cp1t1

（5-16）

hw=cpw(t-0)=cpwtw（5-17）代入蒸发器物料的热量衡算式中，则有

D(H-cpwT)=WH’+(F-W)cp1t1-Fcp0t0+QL

（5-18）

2)溶液的稀释热可以忽略时第23页，共64页，2023年，2月20日，星期六计算溶液比热的经验公式为：

Cp=cpw(1-x)+cpBx

（5-19）

式中

Cp——溶液的比热,kJ/(kg•℃);

Cpw——纯水的比热,kJ/(kg•℃);

CpB——溶质的比热,kJ/(kg•℃).当x<0.2时，上式简化为：

Cp=cpw(1-x)

（5-19a）

第24页，共64页，2023年，2月20日，星期六为简化计算，上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。联立上两式，得

(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0

（5-20）

计算原料液及完成液的比热可分别写成：

Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1

第25页，共64页，2023年，2月20日，星期六上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。Fx0=(F-W)x1

(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0

(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw

（5-21）将式5-21代入5-18，并整理得：

（5-22）第26页，共64页，2023年，2月20日，星期六由于

H-cpwT≈r(5-23)

H΄-cpwt1≈r′(5-24)

式中

r——加热蒸气的汽化热，kJ/kg；

r′——二次蒸气的汽化热，kJ/kg。

将上两式代入式5-22，并简化得：

上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及向周围的热损失。

Q=Dr=Wr′+Fcp0(t1-t0)+QL

（5-25）

第27页，共64页，2023年，2月20日，星期六

若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式简化为：

（5-25a）

（5-26）

式中

e——蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量，kg/kg。

第28页，共64页，2023年，2月20日，星期六单效蒸发操作中e≈1，每蒸发1kg的水分约消耗1kg的加热蒸气（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即r≈r′）

；实际蒸发操作中e值约为1.1或更大；温度差的损失的存在；二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。

e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。3)单位蒸气消耗量第29页，共64页，2023年，2月20日，星期六蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：式中

S0——蒸发器的传热面积，m2

K0——基于外面积的总传热系数；kw/(m2•℃)

Δtm——平均温度差，℃

Q——蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。

注意：若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，则s0可根据式5-27直接算出，否则应分段计算。下面按前者情况进行讨论。（5-27）(3)传热面积S0第30页，共64页，2023年，2月20日，星期六

在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：

Δtm=T-t

（5-28）

式中

T——加热蒸气的温度，℃；

t——操作条件下溶液的沸点，℃。1)平均温度差Δtm第31页，共64页，2023年，2月20日，星期六

垢层热阻值可按经验数值估算。管外侧的蒸气冷凝传热系数可按膜式冷凝传热系数公式计算，管内侧溶液沸腾传热系数则按管内沸腾传热系数关联式计算。

式中

a——对流传热系数，W/(m2•℃)

d——管径，m

Ri——垢层热阻，m2•℃/W

b——管壁厚度，m

λ——管材的导热系数，W/(m•℃)

下标i表示管内侧、o表示外侧、m表示平均。

（5-29）2)基于传热外面积的总传热系数K0第32页，共64页，2023年，2月20日，星期六

若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则蒸发器的热负荷为：

上面算出的传热面积，应视具体情况选用适当的安全系数加以校正。Q=Dr

(5-30)（4）蒸发器的热负荷Q第33页，共64页，2023年，2月20日，星期六例题

有一传热面积为30m2的单效蒸发器，将35℃，浓度为20%（质量）的NaOH溶液浓缩至50%（质量）。已知加热用饱和水蒸气的压力为294kN/m2（绝压），蒸发室内压力为19.6kN/m2（绝压），溶液的沸点为100℃，又蒸发器的总传热系数为1000W/m2•k,热损失可取为传热量的3%，试计算加热蒸气消耗量D和料液处理量F。解：根据加热蒸气压力和二次蒸气压力，由蒸气表查得：

294kN/m2（绝压）时：蒸气焓H=2728kJ/kg

冷凝水的焓hw=556.5kJ/kg

汽化热r=2171.5kJ/kg

温度T=132.9℃第34页，共64页，2023年，2月20日，星期六19.6kN/m2（绝压）时：蒸气的焓H*=2605kJ/kg饱和温度T′=59.7℃二次蒸气的焓

H′=2605+1.88×(100-59.7)=2681kJ/kg,(1.88为水蒸气的比热,kJ/kg·k)(1)加热蒸气消耗量D

由传热速率方程得：

Q=KA(T-t)=1000×30×(132.9-100)=9.87×105w/m2·℃第35页，共64页，2023年，2月20日，星期六(2)

料液流量F

DH+Fh0=WH′+(F-W)h1+Dhw+QL

式中是D、H、H′、hw已知量，根据料液、完成液的温度和浓度查图得，原料液的焓h0=120kJ/kg，完成液的焓h1=540kJ/kg又QL=0.03Q=0.03×9.87×105=29.6kw代入已知数据0.445×2728+120F=2681W+540(F-W)+0.455×556.5+29.6F=0.56kg/sW=0.34kg/s整理后，得420F+2141W=958.4第36页，共64页，2023年，2月20日，星期六(3)

不考虑溶液的浓缩热时，求料液流量。已知溶质的比热CB=2.01kJ/kg·kD(H-cpwT)=WH′+(F-W)cp1t1-Fcp0to+QL

Cp0=4.187×(1-0.2)+2.01×0.2=3.75kJ/kg·kCp1=4.187×(1-0.5)+2.01×0.5=3.1kJ/kg·k则有0.455×(2728-556.5)=(F-W)×3.1×100+2681W+29.6-F×3.75×35178.7F+2371W=958.4将W=0.6F代入，解得

F=0.6kg/sW=0.36kg/s第37页，共64页，2023年，2月20日，星期六

此例的2、3两项计算结果表明，蒸发面积相同时，不考虑浓缩热所得料液处理量要比实际情况约高6%。注意：如果缺乏溶液在不同温度和浓度下焓的数据，对于有明显浓缩热的物料，可先按一般物料来处理，即先不考虑浓缩热的影响进行计算后，再校正。第38页，共64页，2023年，2月20日，星期六

蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。

根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：

Q=KSΔt

或

Q=KS(T-t1)

（5-31）7.2.3蒸发器的生产能力和生产强度（1）蒸发器的生产能力第39页，共64页，2023年，2月20日，星期六进料状况影响蒸发器的生产能力：1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至沸点，因而降低了生产能力；2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水分，其生产能力有所增加；3)高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发，使生产能力有所增加。

第40页，共64页，2023年，2月20日，星期六

蒸发器的生产强度是指单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，单位为kg/(m2·h)，常采用生产强度U作为衡量蒸发器性能的标准。若为沸点进料，且忽略热损失，则：

由上式可以看出，欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温度差。（5-32）（2）蒸发器的生产强度第41页，共64页，2023年，2月20日，星期六

传热温度差主要取决于加热蒸气和冷凝器中二次蒸气的压强。传热温度差的提高是有一定限度的，原因如下：

加热蒸气的压强越高，其饱和温度也越高，但是加热蒸气常受工厂的供汽条件所限。一般为300~500kPa，有时可高达600~800kPa。提高冷凝器的真空度，使溶液的沸点降低，也可以加大温度差，但是这样不仅增加真空泵的功率消耗，而且因溶液的沸点降低，使粘度增高，导致沸腾传热系数下降，因此一般冷凝器中的压强不低于10~20kPa。为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，也不宜采用过高的传热温度差。第42页，共64页，2023年，2月20日，星期六

一般来说，增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要途径。

总传热系数K值取决于对流传热系数和污垢热阻。蒸气冷凝传热系数通常比溶液沸腾传热系数大，即传热总热阻中，蒸气冷凝侧的热阻较小。在蒸发器的设计和操作中，必须考虑及时排除蒸气中的不凝气，否则，其热阻将大大增加，使总传热系数下降。第43页，共64页，2023年，2月20日，星期六

多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低，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。

一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。7.3

多效蒸发7.3.1多效蒸发原理第44页，共64页，2023年，2月20日，星期六效数

单效

双效

三效

四效

五效理论最小值11/21/31/41/5实际最小值1.10.570.40.30.27表

单位蒸气消耗量

强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。错误观点：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。第45页，共64页，2023年，2月20日，星期六(1)

顺流法

蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。

缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在

后二效中尤为严重。优点：在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。7.3.2多效蒸发流程第46页，共64页，2023年，2月20日，星期六原料液加热蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水

并流加料法的三效蒸发装置流程示意图并流加料法的三效蒸发

第47页，共64页，2023年，2月20日，星期六

料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系

数较大。缺点：（1）各效间需用泵输送；

（2）无自蒸发；

（3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。(2)逆流法第48页，共64页，2023年，2月20日，星期六原料液加热蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图第49页，共64页，2023年，2月20日，星期六

效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。

(3)平流法

原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。(4)混流法

第50页，共64页，2023年，2月20日，星期六原料液加热蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水

完成液

完成液平流加料法的三效蒸发装置流程示意图第51页，共64页，2023年，2月20日，星期六特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、

缓和溶液结垢情况。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分：循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。7.4.1循环型（非膜式）蒸发器

分类（引起循环运动的原因）：自然循环和强制循环自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。7.4

蒸发设备蒸发器的结构：加热室、分离器等第52页，共64页，2023年，2月20日，星期六加热室由垂直管束组成，管束中央有一直径较大的管子。

循环产生的原因：粗管——降液管或中央循环管，其截面积为加热管总截面积40—100％细管——沸腾管或加热管，直径Ф25—75mm，长径比20—40

细管内单位体积液体受热面大，受热良好，致使细管内汽液混和物比粗管内小，密度差促使溶液循环。(1)中央循环管式（或标准式）蒸发器

第53页，共64页，2023年，2月20日，星期六优点：中央循环管式蒸发器适于处理结垢不严重，腐蚀性小的溶液。

缺点：（1）溶液循环好，传热效率高；（2）结构紧凑，制造方便，操作可靠，应用广泛，有“标准蒸发器”之称。（1）完成液粘度大，沸点高；（2）加热室不易清洗；第54页，共64页，2023年，2月20日，星期六

此蒸发器为中央循环管蒸发器的改进。加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加热室悬挂在器内，可取出，便于清洗及更换，循环通道由加热室与蒸发器外壳壁面内的环隙组成。优点：（1）溶液循环速度较高，约在1—1.5m/s之间；

（2）改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。缺点：设备耗材量大，占地面大，加热管内溶液滞留量大。该蒸发器适用蒸发有晶体析出的溶液。(2)悬筐式蒸发器第55页，共64页，2023年，2月20日，星期六结构特点：

由于循环管内的溶液未受蒸汽加热，其密度较加热管内大，因此形成溶液沿循环管下降而沿加热管上升的循环运动，循环速度可达1.5m/s。加热室较长，其长径比为50—100；加热室和分离室分开。

物料的运动：(3)外热式蒸发器第56页，共64页，2023年，2月20日，星期六结构特点：加热室上端有一段2.7—5m的圆形筒作沸腾室，致使加热管内要承受较大的液柱静压力，溶液只有上升到沸腾室内才能沸腾汽化，可以避免加热管内有晶体析出或结垢；优点：循环速度（2—3m/s），传热效果好，不会有晶体堵

塞，适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。沸腾室上方有纵向平行隔板，可限制汽泡长大。缺点：循环管必须保持一定高度（7—8m），要求厂房高，同时耗材较多；蒸发器的液柱静压大，要求较高压强的蒸汽才能维持一定的温度差。(4)列文蒸发器第57