1、第五章 蒸發(fā)第一節(jié)概述一、蒸發(fā)：使含有不 揮發(fā)物質的溶液沸 騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質濃度提高的 單元操作稱 為蒸發(fā)。所采用的設備稱為蒸發(fā)器。蒸發(fā)是在液、固相之間進行，化學工業(yè)中以蒸發(fā)水溶液 為主，蒸發(fā)以流體 輸送為基礎仍遵循傳熱基本規(guī)律。（蒸發(fā)效果是從溶液中分離出部分溶 劑傳質過 程；實質上是傳熱壁面一側的蒸汽冷凝與另一 側的溶液沸 騰間的傳熱過程傳熱。物理上的蒸 發(fā)：在溶液表面發(fā)生的氣化 現(xiàn)象。即在任何溫度下都能 進行氣化。）二、蒸發(fā)用途廣泛（化工，食品工業(yè)等）。立式1.化工：油脂工業(yè)中用于蒸烘油料的 設備 蒸 鍋帶有攪拌器攪拌，臥式類似夾套反應釜。2.食品工業(yè)：制糖，檸檬酸廠等。

2、3.制藥4.原子能工 業(yè)三、幾個基本概念：1.生蒸汽：即新鮮加熱蒸汽。2.二次蒸汽：蒸出的蒸汽。3.單效蒸發(fā)：將二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作。4.多效蒸 發(fā)：將二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，作為加熱蒸1/17汽以利用其冷凝 熱，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。5.生產(chǎn)能力：單位時間內蒸發(fā)的水分量，即蒸發(fā)量。6.生產(chǎn)強度：單位傳熱面積的蒸發(fā)量，即單位時間、單位傳熱面積蒸發(fā)的水份量 kg 2 。h m四、蒸發(fā)操作的類型1.加壓，2.常壓，3.減壓（真空蒸發(fā)）；減壓下，溶液的沸點下降，有利于處理熱敏性物料。第二節(jié)蒸發(fā)設備5.2.1 蒸發(fā)器的結構循環(huán)型（非膜式）蒸發(fā)器主要由 加熱室及分

3、離器 組成。加熱室單程型（膜式）一、循環(huán)型（非膜型）蒸發(fā)器。1.中央循環(huán)管式（標準式）；2.懸筐式蒸發(fā)器；3.外熱式蒸發(fā)器；4.列文蒸發(fā)器；5.強制循環(huán)蒸發(fā)器。二、膜式（單程型）蒸發(fā)量1.升膜蒸發(fā)器；2.降膜蒸發(fā)器；蒸汽在管外，原料液在管內，且二者流向一致，2/17原料液在 預熱器中加熱到沸點或接近沸點后引入加熱管內。3.升降膜蒸 發(fā)器。三、直接加熱蒸發(fā)器5.2.2 蒸發(fā)器的選型1.溶液的粘度： 因為 Redu是粘性力的特性參數(shù)。決定流體的流動狀態(tài)。如流體在光滑管內湍流流 動：b61.5d7Rb 層流（滯流內層）8e流體邊界層b ， 流動邊界層的厚度大于熱邊 界層的厚度t 。（在壁面附近存在著

4、 較大速度梯度的流體層流動邊界層，簡稱邊界層；在壁面附近存在溫度梯度的流體層熱邊 界層。）2.溶液的熱穩(wěn)定性3.有晶體析出：防堵；4.易發(fā)泡的溶液：防止損失物料；5.有腐蝕性溶液：防腐；6.易結垢溶液：便于清洗。7.溶液的處理量第三節(jié)單效蒸發(fā)5.3.1 溶液的沸點和溫度差 損失3/17一定壓強下溶液沸點比 純水高，（通常不揮發(fā)性溶質為固體，固體分子對水分子之 間的引力，大于水分子之 間的引力，所以汽化 時溫度就高）而沸騰是一種液體表面和內部同 時進行的汽化 現(xiàn)象，沸騰時飽和蒸汽 壓跟外部壓強相等。當液體在管內的 壓強增大時，沸點升高，壓強減小時沸點降低。A溶液沸點升高 計算式：tT 溶液的沸點

5、升高， ；t溶液沸點， ； T 與溶液 壓強相等時的沸點，即二次蒸汽 飽和溫度， 。tTt , tT T T , t T t, tTt(T T ) (T t ) t T B傳熱 溫度差 損失，即 tT t或 tt T; t 傳熱的有效溫差，；t T 理 論 上 的 傳 熱溫 度 差 ， 。 實際 上：tTt(TT )(Tt )tT C總溫度差損失為：一由于溶液蒸汽 壓下降而引起的溫度差 損失 1.實際測定：t AT t A 溶液蒸汽 壓下降后溶液的沸點（實驗測定）2.估算f aa 常 壓下由于溶液蒸汽 壓下降而引起的沸點升高；f校正系數(shù) f0.0162(T 273) 2；r 4/17r 操作

6、壓強下，二次蒸汽的汽化 熱，kJ/kg 。3.杜林規(guī)則計 算溶液沸點：kt At At0,ttktyyt wtW；當 wAAWm （ m 杜林線的截距 ）。斜率 k 與截距 ym 都是溶液 質量濃度 x 的函數(shù)。杜林規(guī)則：tT 當溶液濃度、操作壓強一定，t、T 都一定是常數(shù)，所以tT ；把所有不同的壓強下 t,T 點聯(lián)起來為一直線。二 因加熱管內液柱靜壓強而引起的溫度差損失mp gl2m 液 層中部的平均 壓強 Pa ；p 液面的 壓強，即二次蒸汽的壓強 Pa ；L 液 層深度 m ；密度；g重力加速度。為了簡便，常根據(jù)平均 壓強 pm 查出純水的相應沸點 t pm ，故因靜壓強而引起的溫度差

7、 損失為：t pm t p式中t pm 與平均 壓強 pm 相對應的純水的沸點，；t p 與二次蒸汽 壓強 p 相對應的水的沸點，。5.3.2單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)計算項目有：（1）單位時間內蒸出的水分量，即蒸 發(fā)量；(2) 加熱5/17蒸汽的消耗量；（3）蒸發(fā)器的傳熱面積。一蒸發(fā)量作溶質的衡算：進蒸發(fā)器的溶質總量出蒸 發(fā)器的溶質總量（1.衡算范圍方框 圖；2.衡算基準；3.衡算對象。范圍是蒸發(fā)設備、基準是單位時間、對象是溶質）?？偽锪虾馑闳苜|衡算FW(FW)Fx 0(F W ) x1或WF(1x0 )（1）x1F原料液的流量， kg / h ；W單位時間內蒸發(fā)的水分量， kg / h ；x0

8、 溶 質在原料液中 質量組成；x1 溶 質在完成液中的 質量組成。6/17二加熱蒸汽消耗量 D對某些溶液如 CaCl 2 , N a OH 稀釋放熱 。參 閱黃子卿 “物理化學 ”P84，“當一克分子溶 質溶解在 no 克分子溶 劑中時，所吸收的熱叫做積分溶解 熱，用 Q s 表示它。若分 別加兩種不同克分子溶劑在一克分子溶 質中，這兩個溶解熱的差叫做 積分沖淡熱（稀釋熱）這個沖淡熱等于(Qs ) no 2(Qs ) no1或H 2H 1 。（參見天大基本有機化學工程第 65 頁）(一) 溶液稀釋熱不可忽略蒸發(fā)過程中，溶液濃度發(fā)生顯著變化。溶液的濃縮需要提供 濃縮熱 ，下述計算已將此 項熱量作

9、為溶液熱焓的變化而計入。只要用有關溶液的 焓濃圖就可以求生蒸汽的消耗量。蒸發(fā)室加熱室DH FhoWH ( F W )h1Dhw QlWH (F W)h1 FhoQlDHhw7/17若加熱蒸汽的冷凝液在蒸汽的飽和溫度下排除；WH (F W )h1 Fho Ql則：wDHh r ,rD加 熱蒸汽的消耗量 kg / h ；H加 熱蒸汽的焓kJ/kg ；h0 原料液的 焓kJ/kg ；H 二次蒸汽的 焓kJ/kg ；hw 冷凝水的 焓kJ/kg ；Q L 加 熱蒸汽的氣化 熱kJ/kg ；r加 熱蒸汽的氣化 熱kJ/kg 。（都以0液態(tài)焓作基準，即令 0時液體焓為零，與0氣體焓為零。）(二) 溶液的稀

10、 釋熱可以忽略 時：H 2H 10 ， H 1H 2Q pC p tC p (t00)有些物質稀釋放熱，因此蒸發(fā)這些物質，應考慮供給和稀釋熱量相等的濃縮熱，即忽略濃縮熱一般以 0液體為基準態(tài)，令其焓為零。以零度氣態(tài)與液態(tài)為基準態(tài)：將ho C po (t o0) C po to , h1C p1 (t10)C p, 1t1 , hwC pw (T0)C pw T 代入總的熱量衡算式得：D(H CpwT )WH (TW)C tFCtoQlp1 1po最后經(jīng)整理得：8/17Q DrWr FC po (t1t o ) QlWr FC po (t1 t o )QlDr若原料液 預熱到沸點再 進入蒸發(fā)器，

11、且忽略熱損失，上式可簡化為：Wr Wr 或eDrr e單位蒸汽消耗量， kg/kg 。DWrrW(三) 傳熱面積 soQ Ko S0 t mQSoK t mt mT t（蒸發(fā)時，加熱面兩側流體處于恒溫相 變化狀態(tài)下。）11Ri1 b 1Ro11K o d oai did id mdoao doK o11 dodob do1RiRoai dididmao若加熱蒸汽的冷凝水在 飽和溫度下排除，忽略 熱損失，則蒸發(fā)量的熱負荷為 Q=Dr 。（四）管內沸騰傳熱系數(shù) ai 的關聯(lián)式5.3.3 蒸發(fā)器的生 產(chǎn)能力和生 產(chǎn)強度一蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力：單位時間內蒸發(fā)的水分量，即蒸發(fā)量，W kg h ；也可用蒸發(fā)器

12、的傳熱速率來衡量其生 產(chǎn)能力。單效蒸發(fā)時的傳熱速率為：QKS t或 QKS (Tt1 )二蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度：單位傳熱面積上、單位時間內蒸發(fā)的水分量，kg(m2 。h)9/17即 UW 若沸點進料，且忽略蒸發(fā)器的熱損失，則：QWr KS tSQK tUt是主要途徑，將以上三式整理得： Ur KSrK一般 aoai111RsiKi0定期清洗(1)Rsi則b（ ）加強循環(huán)、u2(3)加入晶種或微量阻垢劑第四節(jié) 多效蒸發(fā)在單效蒸發(fā)器中每蒸 發(fā) 1kg 的水需要消耗 1kg 多一些的加 熱蒸汽。在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸發(fā)大量的水分必需消耗大量的加熱蒸汽，為了減小加 熱蒸汽的消耗量，可采用多效蒸 發(fā)。當原料液在沸

13、點下 進入蒸發(fā)器，并忽略熱損失，各種溫度差損失以及不同壓強下汽化 熱的差別時，則理論上單效的 D1 ，雙效的D1 ，三效的WW2D1 .n 效的 D1 。W3W n5.4.1 多效蒸發(fā)的操作流程一、并流（順流）加料法的蒸發(fā)流程溶液和蒸汽的流向相同。優(yōu)點：1.由于后效蒸 發(fā)室的壓強比前效的低，故溶液在效 間的輸送可利用效間的壓強差，而不必另外用泵。10/172.后效溶液的沸點 較前較低，故前效的溶液進入后效時，會因過熱而自動蒸發(fā)（稱為自蒸或閃蒸），因而可以產(chǎn)生一部分二次蒸汽。缺點：傳熱系數(shù)逐漸下降。二、逆流加料法的蒸 發(fā)流程優(yōu)點：溶液的濃度、溫度均沿流動方向不斷上升，因次各效溶液的粘度較為接近，

14、使各效的傳熱系數(shù)也大致相同。缺點：效間溶液需要用 泵輸送，能量消耗較大，各效進料溫度均低于沸點（與并流加料法比較）產(chǎn)生的二次蒸汽量也 較少。不適合處理熱敏性物料。三平流加料法的蒸 發(fā)流程優(yōu)點：適用于處理蒸發(fā)過程中伴有 結晶析出的溶液。5.4.2多效蒸發(fā)的計算已知條件：原料液的流量，濃度和溫度；加熱蒸汽（生蒸汽）的壓強，冷凝器的真空度；未效完成液的 濃度等。設計的項目：生蒸汽的消耗量；各效的蒸發(fā)量；各效傳熱面積解決問題的方法：物料衡算、焓衡算、傳熱速率三個基本方程式。一、基本關系：1.多效蒸發(fā)的物料衡算：以整個蒸發(fā)系統(tǒng)作溶質衡算，得：Fx o ( F W ) xn 或 WF ( xn xo )F

15、 (1x0 )（）1xnxn11/17對任一效作溶 質的衡算，得：Fx o ( F W1 W2 . Wi ) xi ,i 2或 xiFx o（）2W1 W2 . WiF在多效蒸 發(fā)計算中，一般僅知道原料液和末效完成液的 濃度，而其它各效的濃度均為未知量，因此利用蒸 發(fā)系統(tǒng)的物料衡算只能求得 總蒸發(fā)量，至于各效蒸 發(fā)量和溶液 濃度，還可以結合焓衡算才能求得。多效蒸發(fā)的焓衡算（1）忽略蒸發(fā)系統(tǒng)的熱損失，對第一效進行焓衡算：Fho D1 (H 1 hw ) ( F W1 ) h1 W1H 1（3）若溶液的稀 釋熱可以忽略，此時溶液的焓可用比熱來計算，即hoC po t o , h1C p1t1 ；加

16、熱蒸汽冷凝液在 飽和溫度下排出，則 H 1hwr (生蒸汽的汽化熱 kJ kg)12/17這樣（3）可寫成FC po toD1r1(FW1 )C p1t1W1 H 1（4）將 (FW1 )C p1FC poW1C pwH 1C pw t1r1（第一效二次蒸汽的汽化熱）代入（4）整理得：Q1 D1 r1 FC po (t1 t o ) W1r1（5）提高原料液溫度進第一效蒸 發(fā)器生蒸汽、汽化潛熱產(chǎn)生第一效二次蒸汽由此可得：第 i 效 Q1D1r1( FC poW1C pwW2C pw.Wi 1C pw )(t it i 1 )Wi ri (6)由（6）可以得：ri( FC po W1C pw W

17、2 C pw . Wi 1C pw )(ti 1ti)WiDi （7）riri如焓衡算中要求 計入溶液的稀 釋熱以及蒸發(fā)系統(tǒng)的熱損失，但無焓濃數(shù)據(jù)時，可將（7）式右側乘以熱損失系數(shù) i 。一般可取 i 0.960.98。對于稀釋熱比較大的溶液， i 值還與溶液的 濃度有關，如對 N a OH 水溶液，可取i （0.980.7 x ），x 溶液的 質量濃度變化。3. 總有效溫度差t 及各效溶液的沸點n多效蒸發(fā)系統(tǒng)的總有效溫度差 計算式為t T1Tki 1 i ；T1 ,Tk 分別加熱蒸汽和冷凝器中的溫度， ；ni12.ii113/17n多效蒸發(fā)系統(tǒng)中溫度差 損失總和i ，任一效溫差損失之和為：i

18、 1iiii各效溶液沸點 為：t1T 1t2T2.tnTkn12有效溫度差在各效中的分配根據(jù)操作情況自 動調節(jié)，不能任意規(guī)定。以三效為例，說明溫差在各效的中分配情況：Q1Q2Q3（1）S1t 1S2t2S3t 3K 1K 2K 3寫成： Q1S1 t1Q 2S2 t 2Q3S3 t3K1K 2K 3（2）為了蒸發(fā)器的制造、安裝、操作方便，通常使各效傳熱面積相等，即：S1S2S3S以t 表示各效面 積相等時的溫度差。（）寫成2Q1S t1Q 2S t2Q3S t3K 1K 2K 3（3）比較（2）與（3），并整理得：14/17s1 t1s2 t 2s3t 3（4）t1t 2t3sss將（4）中三式相加得：tt1t 2t 3s1 t1 s2