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1、蒸发使含有不挥发物质的溶液沸腾汽化并移出蒸气第五章 蒸发第一节 概述一、蒸发：使含有不挥发物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。 所采用的设备称为蒸发器。 蒸发 是在液、 固相之间进行， 化学工业中以蒸发水 溶液为主，蒸发以流体输送为基础仍遵循传热 基本规律。（蒸发效果是从溶液中分离出部分 溶剂传质过程；实质上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 传热。物理上的蒸发： 在溶液表面发生的气化 现象。即在任何温度下都能进行气化。 ）二、蒸发用途广泛（化工，食品工业等） 。1. 化工：油脂工业中用于蒸烘油料的设备 蒸锅 卧立式式 带有搅拌器
2、搅拌，类似夹套反应 卧式釜。2. 食品工业：制糖，柠檬酸厂等。3.制药4. 原子能工业三、几个基本概念：1. 生蒸汽：即新鲜加热蒸汽2. 二次蒸汽：蒸出的蒸汽。3单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利 用其冷凝热的操作。4. 多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热 蒸汽，作为加热蒸汽以利用其冷凝热，这种串联 蒸发操作称为多效蒸发。5. 生产能力：单位时间内蒸发的水分量，即 蒸发量。6. 生产强度：单位传热面积的蒸发量，即单位时间、单位传热面积蒸发的水份量严。h m四、蒸发操作的类型1. 加压，2.常压，3.减压（真空蒸发）；减压 下，溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料。第二节蒸发设备5.2
3、.1蒸发器的结构蒸发器主要由加热室及分离器组成。加热室循环型（非膜式）单程型（膜式）一、循环型（非膜型）蒸发器。1中央循环管式（标准式）；2. 悬筐式蒸发器；3. 外热式蒸发器；4列文蒸发器；5. 强制循环蒸发器:、膜式（单程型）蒸发量2. 降膜蒸发器；蒸汽在管外，原 料液在管内，且二者流向一致，原料液在预热 器中加热到沸点或接近沸点后引入加热管内。3. 升降膜蒸发器。三、直接加热蒸发器5.2.2蒸发器的选型1 .溶液的粘度：因为Re是粘性力的特性参数。决定流体的流动状态。如流体在光滑管内 湍流流动：b 61.5d R 7 b层流（滞流内层）Re8流体边界层b,流动边界层的厚度大于热边界层的厚
4、度t。（在壁面附近存在着较 大速度梯度的流体层-流动边界层，简称边界 层；在壁面附近存在温度梯度的流体层-热 边界层。）2.溶液的热稳定性3. 有晶体析出：防堵；4. 易发泡的溶液：防止损失物料；5. 有腐蚀性溶液：防腐；6. 易结垢溶液：便于清洗。7. 溶液的处理量第三节 单效蒸发5.3.1 溶液的沸点和温度差损失一定压强下溶液沸点比纯水高， (通常不挥发性溶 质为固体， 固体分子对水分子之间的引力， 大于水分 子之间的引力， 所以汽化时温度就高) 而沸腾是一种 液体表面和内部同时进行的汽化现象， 沸腾时饱和蒸 汽压跟外部压强相等。当液体在管内的压强增大时， 沸点升高，压强减小时沸点降低。A
5、 .溶液沸点升高计算式：t T溶液的沸点升高，c；t 溶液沸点，C；T 与溶液压强相等时的沸点，即二次蒸汽饱和温度，c。tTt, tTTT, tTt, tTt (TT)(T t) tTB .传热温度差损失， 即 tT t 或 t tT ; t 传热的有效温差，C；tT -理论上的传热温度差，C。实际上: tT t (T T) (T t) t TI11 111C 总温度差损失为：由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失1.实际测定：tA TtA 溶液蒸汽压下降后溶液的沸点(实验 测定)2估算faa 常压下由于溶液蒸汽压下降 而引起的沸点升高；f校正系数0.0162 仃273)2r 操作压强下，二次蒸
6、汽的汽化热，kJ/kg。3. 杜林规则计算溶液沸点：k 汁;当tw tWtw 0,tA tA ktW ym ( ym 杜林线的截距C)。 斜 率k与截距ym都是溶液质量浓度X的函数。杜林规则：t T当溶液浓度、操作压强一定，t、T都一定是常数，所以t T；把所 有不同的压强下t,T点联起来为一直线。因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失glm 液层中部的平均压强Pa；P液面的压强，即二次蒸汽的压强Pa；L 液层深度 m ；密度；g重力加速度。为了简便，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：t pm式 中tpm 与 平均 压强 pm 相 对应 的纯水
7、的沸点，C；tp 与 二次 蒸汽压 强 p 相 对应的 水的 沸 点，c。5.3.2 单效蒸发的计算单效蒸发计算项目有：（1）单位时间内蒸出的水分量，即蒸发量； （2） 加热蒸汽的消耗 量；（ 3）蒸发器的传热面积蒸发量作溶质的衡算：进蒸发器的溶质总量=出 蒸发器的溶质总量(1衡算范围一方框图；2. 衡算基准；3.衡算对象。范围是蒸发设备、基 准是单位时间、对象是溶质)。总物料衡算F W (F W)溶质衡算Fxo (F W)xi或W F(1 3( 1)F 原料液的流量，kg/h；W 单位时间内蒸发的水分量，kg/h；Xo 溶质在原料液中质量组成；xi 溶质在完成液中的质量组成。加热蒸汽消耗量D
8、对某些溶液如 CaCl2 ,NaOH 稀释 放热。参阅黄子卿“物理化学”P84, “当一克分子溶质溶解在 no 克分子溶剂中时， 所吸收 的热叫做积分溶解热，用Qs表示它。若分别加 两种不同克分子溶剂在一克分子溶质中, 这两 个溶解热的差叫做积分冲淡热 （稀释热）这个 冲 淡 热 等 于（Qs）no2 （Qs）no1 或H 2 H 1 。 （参见天大基本有机化学工程第 65 页）（一） 溶液稀释热不可忽略蒸发过程中， 溶液浓度发生显著变化。 溶 液的浓缩需要提供浓缩热， 下述计算已将此项 热量作为溶液热焓的变化而计入。 只要用有关 溶液的焓浓图就可以求生蒸汽的消耗量。DH Fho WH (F
9、W)h1 Dhw QlD WH (F W)hi Fho QiH hw若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除;则：Hhwr,D WH (F W)h1 Fho Q, rD 加热蒸汽的消耗量kg/h；H 加热蒸汽的焓kJ/kg;ho 原料液的焓kJ/kg;h 二次蒸汽的焓kJ/kg;完成液的焓kJ/kg;hw 冷凝水的焓kJ/kg;Ql 加热蒸汽的气化热kJ/kg;r 加热蒸汽的气化热kJ/kg。（都以0C液态焓作基准，即令0C时液体焓为零,与0C气体焓为零。）（二）溶液的稀释热可以忽略时:H 2 Hi 0H 1 H 2 Qp Cp t Cp(to 0)有些物质稀释放热，因此蒸发这些物质， 应考虑
10、供给和稀释热量相等的浓缩热，即忽略 浓缩热一般以0C液体为基准态，令其焓为 零。以零度气态与液态为基准态：ho C po (to 0) Cpoto,hi C pi (t1入总的热量衡算式得:D(H Cp”T) WH0) C p,1t1 , hw C pw 仃 0)C pwT 代(TW)C pit1FC pot。 Qi最后经整理得:WrQ DrWr FCpo (ti to) Qito) QiFC po （t1r若原料液预热到沸点再进入蒸发器, 上式可简化为：且忽略热损失,D WL r汽消耗量,（三）传热面积Sokg/kgQKoSotmWrrWSoQK tme-单位蒸tm T t （蒸发时，加热面
11、两侧流体 处于恒温相变化状态下。）丄丄R丄2丄Kd oai dididm1adKo11 do do b do1RiRoa di di dma。若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除， 忽略热损失，则蒸发量的热负荷为 Q=Dr（四）管内沸腾传热系数ai的关联式533蒸发器的生产能力和生产强度一. 蒸发器的生产能力：单位时间内蒸发的水分 量，即蒸发量，Wkgh；也可用蒸发器的传热 速率来衡量其生产能力。单效蒸发时的传热速率为：Q KSt或Q KS（T ti）二. 蒸发器的生产强度：单位传热面积上、单位时间内蒸发的水分量，kg（m2 h）即u ws若沸点进料，且忽略蒸发器的热损失，则：Q Wr KS t
12、将以上三式整理得：U乎3 U KtK是主要途Sr rK径，亠般aoaiRsi（1）定期清洗Rsi 则 b（2）加强循环、u（3）加入晶种或微量阻垢剂第四节多效蒸发在单效蒸发器中每蒸发1kg的水需要消 耗1kg多一些的加热蒸汽。在工业生产中， 蒸发大量的水分必需消耗大量的加热蒸汽，为 了减小加热蒸汽的消耗量，可采用多效蒸发。当原料液在沸点下进入蒸发器，并忽略热 损失，各种温度差损失以及不同压强下汽化热 的差别时，则理论上单效的DW 1，双效的 dw 2，三效的dw 3.n效的dw ;5.4.1多效蒸发的操作流程一、并流（顺流）加料法的蒸发流程溶液和蒸汽的流向相同。优点：1. 由于后效蒸发室的压强
13、比前效的低，故溶液在效间的输送可利用效间的压强差，而不必另外用泵。2. 后效溶液的沸点较前较低，故前效的溶液进入后效时，会因过热而自动蒸发（称为自蒸或闪蒸） 13/21因而可以产生一部分二次蒸汽。缺点：传热系数逐渐下降。二、逆流加料法的蒸发流程优点：溶液的浓度、温度均沿流动方向不断上升，因 次各效溶液的粘度较为接近，使各效的传热系 数也大致相同。缺点：效间溶液需要用泵输送，能量消耗较大，各效 进料温度均低于沸点（与并流加料法比较）产 生的二次蒸汽量也较少。不适合处理热敏性物 料。三 平流加料法的蒸发流程 优点：适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。5.4.2 多效蒸发的计算 已知条件：原料液
14、的流量， 浓度和温度； 加热蒸 汽（生蒸汽）的压强，冷凝器的真空度；未效完成液 的浓度等。设计的项目： 生蒸汽的消耗量； 各效的蒸 发量；各效传热面积解决问题的方法： 物料衡 算、焓衡算、传热速率三个基本方程式。一、基本关系：1.多效蒸发的物料衡算： 以整个蒸发系统作溶质衡算，得：亠 F(Xn X。)X0FXo(F W)x n 或 Wn_。F(1-)XnXn(1)对任一效作溶质的衡算，得:Fxo (F W1 W2. Wi)xi,i2或xiFx。F Wi W2Wi(2)TzT.T.在多效蒸发计算中，一般仅知道原料液和 末效完成液的浓度，而其它各效的浓度均为未 知量，因此利用蒸发系统的物料衡算只能求得 总蒸发量，至于各效蒸发量和溶液浓度，还可 以结合焓衡算才能求得。2.多效蒸发的焓衡算(1)忽略蒸发系统的热损失，对第一效进行焓衡算:Fho Di(Hi hw) (F Wi)hi WiH；( 3)若溶液的稀释热可以忽略，此时溶液的焓可用比热来计算，即h。Cp
