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1、第五章 蒸发,蒸发设备 单效蒸发 多效蒸发,概述,将含有不挥发性溶质的稀溶液中部分溶剂汽化、除去的单元操作，称为蒸发。,蒸发操作的目的 （1）获得浓缩的溶液 （2）获得固体溶质 （3）除去杂质,什么是蒸发?,蒸发操作的流程：,蒸发操作的分类,蒸发操作的特点：,传质传热 能耗大 从进口到出口传热温差逐渐减小（浓度，沸点） 易结垢、粘度逐渐变大而使传热条件恶化,第一节 蒸发设备,一、结构与特点,1循环型蒸发器,1）中央循环管式蒸发器（自然循环型）,应用广泛，适用于处理量大、结垢不严重的物系。,优点：结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等，应用十分广泛。 缺点： （1）循环速度较低，管内流速0.5
2、m/s； （2）溶液在加热室中不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液粘度大、沸点高，有效温度差小。 （3）设备的清洗和维修也不够方便。,2）悬框式蒸发器（自然循环型）,溶液沿加热管中央上升，而后循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内壁间的环隙向下流动而构成循环。溶液循环速度比标准式蒸发器大，可达1.5m/s。 优点：这种蒸发器的加热室可由顶部取出进行清洗、检修或更换，而且热损失也较小。 缺点：结构复杂，单位传热面积的金属消耗较多。,3）列文式蒸发器（外循环式）,加热室中的溶液不沸腾，在沸腾室内才开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室，从而避免了加热管内结晶或污垢的形成。
3、 溶液循环速度可达2.5至3 m/s以上，故总传热系数亦较大。,缺点： 液柱静压头效应引起的温度差损失 较大，要求加热蒸汽有较高的压力。 设备庞大，消耗的材料多，需要高大 的厂房。,4）外热式蒸发器,加热室单独放置，好处之一是可以降低整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；好处之二是可将加热管做得长些，循环管不受热，从而加速液体循环。循环速度可达1.5m/s。,对循环型蒸发器，除了上述自然循环外，还可以采用强制循环，循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般在2.5m/s以上。,5）强制循环型,升膜式蒸发器-价廉 降膜式蒸发器-价廉 刮板式蒸发器 升-降膜式蒸发器,溶液在蒸发器中只通过加热室一次，
4、不作循环流动。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。 用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。,溶液不循环带来好处有： （1）溶液在蒸发器中的停留时间很短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发； （2）整个溶液的浓度，不象循环型那样总是接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器的有效温差较大。,间壁式蒸发器,2、单程型蒸发器,料液在加热管内受热汽化，生成的蒸汽在加热管内高速上升（常压下汽速为2050m/s，减压下汽速可达100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升并继续蒸发，汽、液混合物在分离器内分离。,1）升膜式蒸发器,优点： 溶液在蒸发器
5、中不循环，停留时间很短， 因而特别适用于热敏性物料的蒸发； 整个溶液的浓度，不象循环型那样总是 接近于完成液的浓度，因而这种蒸发器 的有效温差较大。 由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系 数较大。 缺点： 对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜，此时，对流传热系数将明显下降。,适用场合： 适用于黏度较小的（小于0.05Pas）、蒸发量较大、易受热分解的热敏性溶液者；不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物料的蒸发。,2）降膜式蒸发器,料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部 得到浓缩液。 降膜式蒸发器可以 蒸发浓度较高、粘度 较大（0.0
6、50.45 Pas） 、蒸发量较小、热敏 性的物料。但因液膜 在管内分布不易均匀， 传热系数比升膜式蒸 发器的较小，仍不适 用易结晶或易结垢的 物料。,3）刮板式蒸发器,适用于黏度较大（大于110Pas及以上者）。,简称薄膜蒸发器，是一种利用外加动力成膜的单程型蒸发器。 优点：热阻影响小，传热系数大，停留时间短，一般为数秒或几十秒，故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等）和易结晶、结垢、含固体、热敏性的物料。 缺点：结构复杂，动力消耗大，处理量很小且制造安装要求高。,4）升、降膜式蒸发器,升降膜式蒸发器将升膜和降膜蒸发器装在了一起，料液先经升膜蒸发器上升，然后由降膜蒸发器下降。 适用于：蒸发过程中溶
7、液黏度变化很大、蒸发量不大场合。,3、直接接触式蒸发器,优点： 因是直接触接传热，故它的传热效果很好，热利用率高。由于不需要固定的传热壁面，故结构简单，特别适用于易结晶、结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。 缺点： 若蒸发的料液不允许被烟气所污染，则该类蒸发器一般不适用。而且由于有大量烟气的存在，限制了二次蒸气的利用。此外喷嘴由于浸没在高温液体中，较易损坏。,浸没燃烧蒸发器,三、蒸发器附件,液体分布器,冷凝器,第二节 单效蒸发,一、溶液的沸点和温度差损失,一定压力下，溶液的沸点较纯水的高，两者沸点之差，称为溶液的沸点升高。因此使得传热有效温度差减小，称为温度差损失。, = t -T-传热温度差损失,（
8、1） 溶液沸点升高（与同压力下纯溶剂相比） -杜林规则 溶液含有不挥发的溶质，在相同条件下，其蒸汽压比纯水的低，所以溶液的沸点就比纯水的高，两者之差称为因溶液的蒸汽压下降引起的沸点升高。溶液的沸点升高主要与溶液类别、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。 查图步骤：P水的沸点由杜林线查得某一浓度下的溶液沸点。,引起传热温差损失的原因：,非常压操作时可以用下面的吉辛柯公式先估算，即：,式中 常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差损失），；,操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，； 校正系数，无因次。其经验计算式为： 式中 操作压强下二次蒸汽的温度， 操作压强下二次蒸汽的汽化潜热
9、，J/kg。,（2）蒸发室内液层深度引起的，设备结构有关， 设液面上方的压强为p0，溶液液层高度为h，溶液密度为，则溶液中层的压强，亦即溶液内部的平均压强为：,（3）二次蒸汽的阻力损失引起的此项影响很小，通常取 1 左右。,设对应于 和 的沸点分别为 和 ，则由液层静压引起的温度差损失为：,二、单效蒸发器的计算,已知：F、x0、t0、x 计算内容： L、 W、加热蒸汽量D、加热面积,1、物料衡算,2、能量衡算,-查焓浓图,a. 无明显浓缩热的体系,假定： Hs-hs =R（加热蒸汽汽化潜热）； h h0； H-h r（二次蒸汽汽化潜热）； Ql 0,汽化1kg水所消耗的蒸汽量，其值约为1。实际
10、上D/W=1.1,3、加热面积A的计算,K值约为6006000W/m2K,t 取决于： 冷凝器压力P、溶液浓度、蒸发室内液层深度，因此，t T。, =t -T-传热温度差损失,第三节 多效蒸发,一、多效蒸发及其流程,多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效的为低，因此可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，这就是多效蒸发的操作原理。,1、并流流程：,并流流程优、缺点： 料液可自动流入下一效，无需泵输送 溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽； 传热推动力依次减小； K依次减小；,优、缺点： 料液需用泵送入下一效； 传热推动力较为均
11、匀；,2、逆流流程：,优、缺点： 兼有并、逆流的优点； 操作复杂；,3、错流流程：,平流流程优、 缺点： 各效独立进料，传热状况均较好； 物料停留时间 较短,4、平流流程：,生产能力：单位时间的传热量或蒸发的水分量，用Q或 W表示。,生产强度：单位时间、单位面积的传热量或蒸发的水分量，用q或 W/A表示。,二、多效蒸发与单效蒸发的比较 多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，操作费比单效蒸发小； 多效蒸发比单效蒸发温差损失大； 多效蒸发生产能力比单效蒸发小， 生产强度比单效蒸发小，故设备费比单效蒸发大。,证明： 多效与单效相比， 单位生蒸汽消耗量小。,假设属理想情况，每一效D/W=1,注意： 操作费减小的幅度并不与效数成正比，效数越多，操作费减小的幅度成下降趋势。,证明： 多效与单效相比，生产能力低、生产强度小。,P,故相同生产能力下，AA。 因此，多效蒸发的设备费大。 而且，效数越多，设备费增大的幅度越大。,因为,效数不可过多，应在6效以下，一般取2-3效。,三、多效蒸发的效数限制和最佳效数,采用多效 额外蒸汽的引出 采用热泵蒸发流程 冷凝水的自蒸发,四、提高生蒸汽热能利用程度的措施,
