第六章 以热量传递为 特征的单元操作,蒸发,,第一节 概 述,蒸发的目的,* 溶液浓缩,* 溶质分离,* 纯净溶剂制取,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器(加热室、蒸发室)除沫器冷凝器真空装置,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1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发,2、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发,单效蒸发：将二次蒸气不再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传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程溶液性质：热敏性、腐蚀性、结垢性、泡沫、粘度等沸点升高：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。
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，无机盐溶液较大第二节 单效蒸发,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，℃,传热温度差损失：在一定操作压强条件下溶液的沸点升高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—传热的有效温度差， ℃,ΔtT —理论上的传热温度差， ℃,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 ℃则其最大传热温度差，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。
Δ,溶液的沸点t （=T+ Δ ）,有效传热温度差Δt （=ΔtT- Δ ）,（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′；(浓度 效应沸点升高),（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：,蒸发过程中引起温度差损失的原因有：,,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表6-1-1 不同浓度蔗糖沸点升高)非常压下的溶液沸点则需计算，估算方法有两种1 溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失,吉辛科公式 杜林法则,非电解质溶液的沸点升高远小于电解质溶液,式中 —常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值(或查表)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：,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/kg1)吉辛科公式,例6-1-1 已知蒸发器中的蔗糖溶液质量浓度为50%,蒸发的操作压强(绝对)为0.7105Pa,相应的水的沸点(二次蒸汽温度)为90℃。
问该溶液浓度效应的沸点升高是多少？,解：由饱和水蒸气性质表，查得在压强为0.7×105Pa时，水的汽化热r为2283kJ/kg，则校正系数f为,由表6-1-1，得1个大气压下，50%的蔗糖溶液的浓度效应沸点升高值为2℃，则,(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,tA 、tw—分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，℃ tA′、tw′—分别为压强pM 下溶液的沸点与纯水的沸点，℃,常用水作为标准液体 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液层内的溶液的沸点高于液面的沸点，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，Pa p′——液面的压强，即二次蒸气的压强，PaH——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：,2 液柱静压强引起的温度差损失,常根据平均压强pm查出纯水的相应沸点tm′ ，故因静压强而引起的温度差损失为：Δ″=tm′ -tp′,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。
对上式，如果总液层高度H为沸腾液层高度，则相应的液体密度ρ应为汽液混合物的平均密度 对于水溶液，可以用下式计算静压效应的沸点升高值,以上各式的pm的计算均需要知道操作压强p，如果不知道操作压强，而只知道该压强下的饱和水蒸气温度t ′，则可由下式计算水蒸气的饱和压强p,[例] 用连续真空蒸发器将桃浆从含固形物11％浓缩至含固形物40％蒸发器内真空度为93.3kPa，液层深度2m，采用100℃蒸汽加热，桃浆的密度为1180kg／m3求温差损失及蒸发器的有效温差若忽略温差损失，则传热温差的相对误差为几何? [解] (1)93.3kPa真空度下，水蒸气的饱和温度为41.6℃，在该温度下水的汽化潜热r ′＝2400kJ／kg，参考糖液的数据，常压下沸点的升高△0 ′为10℃由吉辛柯公式（2）液体平均压强,,,查水的物性表 tm＝59.6℃,（3）有效温差,,,（4）相对误差,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℃3 管路流体阻力而引起的温度差损失,,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。
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,1 蒸发量w,,加热室,,蒸发室,,,,,,F,x0,t0,h0,D,T,H,W,T’,H’,D,T,hw,(F-W),x1,t1,h1,,QL,,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,2.1 溶液稀释热不可忽略时,对单效蒸发器作物料的热量衡算，得,,式中 D——加热蒸气的消耗量,kg/hH——加热蒸气的焓,kJ/kg h0——原料液的焓, kJ/kgH’——二次蒸气的焓, kJ/kg h1——完成液的焓, kJ/kghw——冷凝水的焓,kJ/kg QL——热损失, kJ/h,若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除,,r,加热蒸气的汽化热，kJ/kg,,2.2 溶液的稀释热可以忽略时,计算溶液比热的经验公式为： Cp=cpw(1-x)+cpBx,当x<0.2时，上式简化为： Cp=cpw(1-x),Cp—溶液的比热,kJ/(kg• ℃);Cpw—纯水的比热, kJ/(kg• ℃);CpB—溶质的比热, kJ/(kg• ℃).,Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0 Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1 =cpw-(cpw-cpB)x1,(cp0-cpw)x1= (cp1-cpw)x0,,计算原料液及完成液的比热可分别写成,Fx0=(F-W)x1,,(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw,即为完成液比热与原料液比热间的关系式,(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw,,r —加热蒸气的汽化热，kJ/kg；r′—二次蒸气的汽化热，kJ/kg。
r,,r′,,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若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失,,,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；1）温度差的损失的存在；2）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,,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：,蒸发器的热负荷只是用于将水分汽化Q=Dr,3.1 蒸发器的热负荷Q,,,K值约为600~6000W/m2K,,P,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 >TP,△ =t -T-----传热温度差损失,Ts——加热蒸气的温度，℃； t——操作条件下溶液的沸点，℃3.2 传热面积A,蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：,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19.6 kN/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：,294 kN/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℃,19.6 kN/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·℃,(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+29.6,F=0.56kg/s W=0.34kg/s,,,W=0.6F,(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·k,D(H-cpwT)=WH′+(F-W)cp1t1-Fcp0to+QL,。