1、化工原理第六章 蒸发第一节 基本概念 蒸发操作可以在常压、加压或减压下进行。常压蒸发可用敞口设备，使二次蒸汽排入大气中。真空蒸发时溶液侧的操作压强低于大气压强，要依靠真空泵抽出不凝气体并维持系统的真空度。加压蒸发在加压下进行，因而溶液的沸点升高，产生的二次蒸汽的温度也高，就有可能利用二次蒸汽作为其他设备的加热剂。由上所述，蒸发过程的实质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，因此，蒸发器也是一种换热器。但蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性：第一节 基本概念 （1）溶液中含有不挥发性溶质，故其蒸汽压较同温度下溶剂（其纯水）的为低，换言之，在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的
2、沸点。相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小，溶液浓度越高这种现象越显著。因此，溶液的沸点升高是蒸发操作必须考虑的重要问题。（2）工业规模下，溶剂的蒸发量往往是很大的，需要耗用大量的加热蒸汽，同时产生大量的二次蒸汽，如何利用二次蒸汽的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题。（3）溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构，例如，某些溶液在蒸发时可能结垢或析出结晶，在蒸发器的结构设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于清洗。有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或选择适宜结构的蒸发器。第二节 单效蒸发 溶液在由单个蒸发器和附属
3、设备所组成的装置内蒸发，所产生的二次蒸汽不再利用的蒸发操作，称为单效蒸发。在生产规模不大的情况下，多采用单效蒸发。一、单效蒸发流程 最常见的单效蒸发为减压单效蒸发，前述的硝酸铵溶液的蒸发即为单效真空蒸发，其流程如图6-1所示。加热蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁传给沸腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发后的浓缩液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室及其顶部的除沫器中将夹带的液沫加以分离后送往冷凝器与冷却水相混而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体用真空泵抽走。第二节 单效蒸发 工业上的蒸发操作经常在减压下进行，减压操作具有下列特点：（1）减压下溶液的沸点下降
4、，有利于处理热敏性的物料，且可利用低压的蒸汽或废蒸汽作为加热剂。（2）溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高传热总温度差；但与此同时，溶液的黏度加大，使总传热系数下降。（3）真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的投资费和操作费提高。第二节 单效蒸发 D,T,hw(F-W)，w1,t1,h1 加热室D,T,HF,w0,t0,h0W,T,H蒸发室图6-2 单效蒸发示意图第二节 单效蒸发 二、单效蒸发的计算 单效蒸发计算的主要内容有：水分蒸发量；加热蒸气消耗量；蒸发器的传热面积。计算的依据是：物料衡算、热量衡算和传热速率方程。1水分蒸发量的计算 对
5、图6-2所示单效蒸发器作溶质的衡算，得 或 （6-1）10wWFFw)(10wwFW1第二节 单效蒸发 式中 原料液的流量，kg/h；单位时间从溶液中蒸发的水分量，即蒸 发量，kg/h；原料液中溶质的质量分数；完成液中溶质的质量分数。2加热蒸汽消耗量 加热蒸汽消耗量通过热量衡算求得。通常，加热蒸汽为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出，则加热蒸汽仅放出潜热用于蒸发。若料液在低于沸点温度下进料，对热量衡算式整理得：（6-2）损QWrttFcDrQp010)(第二节 单效蒸发 式中 Q蒸发器的热负荷或传热量，kJ/h；D加热蒸气消耗量，kg/h；Cp0原料液比热容，kJ/()；t0原料液的温度，；t
6、1溶液的沸点，；r 加热蒸汽的汽化潜热，kJ/;r二次蒸汽的汽化潜热，kJ/；Q损 蒸发器的热损失，kJ/h。第二节 单效蒸发 原料液的比热容可按下面的经验式计算 （6-3）式中 水的比热容，kJ/()；溶质的比热容，kJ/()。由式6-2得加热蒸汽消耗量为 (6-4)0001wcwccBppp水水pcBpcrQWrttFcD01p0损)(第二节 单效蒸发 若溶液为沸点进料，则 ，设蒸发器的热损失忽略不计，则式6-4可简化为 （6-5）或 （6-6）式中D/W为蒸发1水时的蒸汽消耗量，称为单位蒸汽消耗量。由于蒸汽的潜热随压力变化不大，即 ，故 。但实际上因蒸发器有热损失等的影响，D/W约为1.
7、1或稍高。01tt rWrDrrWDrr 1WD第二节 单效蒸发 3蒸发器的传热面积计算 根据传热基本方程，得出传热面积 为：（6-7）式中 换热器的传热面积，m2；蒸发器的热负荷，W；传热平均温差，；换热器的总传热系数，W/(m2)。A均tKQAQ均tKA第二节 单效蒸发 根据热量衡算，蒸发器的热负荷Q=Dr；蒸发过程为加热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热，t均=T-t1；值可按传热章提供的公式计算，由于管内沸腾对流传热系数，其值受溶液性质、蒸发器的结构及操作条件等诸多因素的影响，目前还缺乏可靠的计算方法，因此，蒸发器的总传热系数主要是通过实验测定或选用经验数值。三、溶液的沸点和温度差损失
8、1.溶液的沸点 溶液中溶质不挥发，在相同的条件下溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要低，因而相同压力下溶液的沸点总是比相同压力下水的沸点，即二次蒸汽的温度高。例如，常压下20%（质量分数）NaOH水溶液的沸点为108.5，而饱和水蒸汽的温度为100，溶液沸点升高8.5。第二节 单效蒸发 沸点升高对蒸发操作的传热推动力温度差不利，例如用120的饱和水蒸汽分别加热20%（质量分数）NaOH水溶液和纯水，并使之沸腾，有效温度差分别为20%（质量分数）NaOH水溶液 =120-108.5=11.5 纯水 =120-100=20 由于溶液的沸点升高，致使蒸发溶液的传热温度差较蒸发纯水的传热温度差下降了8.5，
9、下降的度数称为温度差损失，用 表示。由于 （6-8）t1tT TTTt TttTTTtt11T第二节 单效蒸发 即温度差损失在数值上与相同条件下的沸点升高值相同。因此，在蒸发的计算中，首先设法确定的值，进而求得溶液的沸点（t1=T+）和实际的传热温度差（t=tT-）。实际上还有其它因素使温度差损失，下面分别加以分析。2.温度差损失 蒸发操作时，温度差损失的原因可能有：因溶液沸点升高引起的温度差损失 ；因加热管内液柱静压力而引起的温度差损失；由于管路流动阻力而引起的温度差损失。总温度差损失为：（6-9）第二节 单效蒸发 若二次蒸汽的温度根据蒸发器分离室的压力（即不是冷凝器的压力）确定时，则 （6
10、-10）（1）因溶液沸点升高引起的温度差损失 值主要和溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关，其值由实验测定。在一般手册中，可以查得常压下某些溶液在不同浓度时的沸点升高数据。常压下，某些无机盐水溶液的沸点升高与浓度的关系见附录。蒸发操作有时在加压或减压下进行，必须求得各种浓度的溶液在不同压力下的温度差损失。当缺乏数据时，可由常压下溶液的温度差损失 用下式估算出 （6-11）（6-11）00f第二节 单效蒸发 式中 较正系数，无因次。由下式计算得到 （6-12）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热，kJ/。（2）因液柱静压力引起的温度差损失 某些蒸发器在工作时，器内溶液需要维持
11、一定的液位，因而蒸发器的加热管内溶液的压力均大于液面的压力，管内溶液的沸点高于液面溶液的沸点，两者之差即为因溶液静压力引起的温度差损失 。为简单起见，溶液内部的沸点按液面和底部的平均压力计算，根据静力学基本方程可得：（6-13）fTr.r273T01620f2 2ghpp0均第二节 单效蒸发 式中 蒸发器中溶液的平均压力，Pa；液面处的压力，即二次蒸汽压力，Pa；溶液的密度，m3；液层高度，m。根据上式计算得平均压力可以查得相应的溶液的沸点，因此可按下式计算 （6-14）式中 根据平均压力求得的水的沸点，；根据二次蒸汽压力求得的水的沸点，。均p0ph0pptt均 均pt0pt第二节 单效蒸发
12、（3）由于管路流动阻力引起的温度差损失 二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因有流动阻力使其压力降低，蒸汽的饱和温度也相应降低，由此引起的温度差损失即。值的大小与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有关。根据经验，一般取 为0.51.5，对于多效蒸发，在计算末效以前各效的温度差损失时，同样也要计算二次蒸汽由前一效蒸发室通往后一效加热室时，由于管道阻力引起的温度差损失 ，其值一般取为1。第三节 多效蒸发 一、多效蒸发的操作原理 由蒸发器的热量恒算可知，在单效蒸发器中每蒸发1的水需要消耗1多的生蒸汽。在大规模的工业生产中，水分蒸发量很大，需要消耗大量的生蒸汽。如果能将二次蒸汽用作另一蒸发器的加
13、热蒸汽，则可减少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的压力和温度低于生蒸汽的压力和温度，因此，二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是：该蒸发器的操作压力和溶液沸点应低于前一蒸发器。采用抽真空的方法可以很方便地降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。每一个蒸发器称为一效，这样，在第一效蒸发器中通入生蒸汽，产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器，第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸发器，以此类推，末效蒸发器的二次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空装置对系统抽真空。于是，从第一效到最末效，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此可以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
14、是多效蒸发的操作原理。第三节 多效蒸发 图6-3 并流加料三效蒸发流程示意图第三节 多效蒸发 二、多效蒸发的流程 在多数蒸发中，物料与二次蒸汽的流向不同，可以组合成不同的流程。以三效为例，常用的多效蒸发流程有以下几种。1并流（顺流）加料法的蒸发流程 料液与蒸汽的流向相同，如图6-3所示。料液和蒸汽都是由第一效依次流至末效。优点：（1）溶液的输送可以利用各效间的压力差，自动的从前一效进入后一效，因而各效间可省去输送泵；（2）前效的操作压力和温度高于后效，料液从前效进入后效时因过热而自蒸发，在各效间不必设预热器；第三节 多效蒸发 （3）辅助设备少，流程紧凑；因而热量损失少，操作方便，工艺条件稳定。
15、缺点：后效温度更低而溶液浓度更高，故溶液的黏度逐效增大，降低了传热系数，往往需要更多的传热面积。因此，黏度随浓度增加很快的料液不宜采用此法。2逆流加料法的蒸发流程 料液与蒸汽的流向相反，如图6-4所示。料液从末效加入，必须用泵送入前一效；而蒸汽从第一效加入，依次至末效。第三节 多效蒸发 图6-4 逆流加料法的蒸发流程示意图第三节 多效蒸发 优点：（1）蒸发的温度随溶液浓度的增大而增高，这样各效的黏度相差很小，传热系数大致相同；（2）完成液排出温度较高，可以在减压下进一步闪蒸增浓。缺点：（1）辅助设备多，各效间须设料液泵；（2）各效均在低于沸点温度下进料，须设预热器（否则二次蒸汽量减少），故能量
16、消耗增大。一般来说，逆流加料法宜于处理黏度随温度和浓度变化较大的料液蒸发，但不适用于热敏性物料的蒸发。第三节 多效蒸发 3平流加料法的蒸发流程 料液同时加入到各效，完成液同时从各效引出，蒸汽从第一效依次流至末效，如图6-5所示。此法用于蒸发过程中有结晶析出的场合；还可用于同时浓缩两种以上不同的料液，除此之外一般很少使用之。以上介绍的是几种基本的加料蒸发流程，在实际生产中，往往根据具体情况，将以上基本的加料流程加以变型或组合使用，以适应生产需要。第三节 多效蒸发 图6-5 平流加料法蒸发流程示意图第三节 多效蒸发 三、多效蒸发效数的限定 在工业生产中，采用多效蒸发提高了生蒸汽的利用率，消耗同样多
17、的生蒸汽，可以 蒸发比单效蒸发器多得多的水。如果料液在沸点下进入蒸发器，并忽略热损失、温度差损失和不同压力下汽化热的差别，理论上，单效蒸发器中，1生蒸汽可以汽化1的水；双效蒸发器中，1生蒸汽可以汽化2的水；三效蒸发器中，1生蒸汽可以汽化3的水。但实际上由于存在各种温差损失和热损失，多效蒸发根本达不到上述的经济性。表6-1列出了实际蒸发过程单位蒸汽消耗量的最小值。第三节 多效蒸发表6-1蒸发过程的单位蒸汽消耗量最小值（/水）由上表可见，随着效数的增加，所节省的生蒸汽量愈来愈少，但设备费则随效数增加而成正比增加。当增加一效的设备费和操作费之和不能小于所节省的加热蒸汽的收益时，就没有必要再增加效数了
18、，因此多效蒸发的效数是有一定限度的。即蒸发器的效数存在最佳值，须根据设备费和操作费之和最小来确定。通常，工业上使用的多效蒸发装置，其效数并不是很多的。一般对于电解质溶液，如NaOH等水溶液的蒸发，由于其沸点升高（即温度差损失）较大，故采用23效；对于非电解质溶液，如葡萄糖的水溶液或其他有机溶液的蒸发,由于其沸点升高较小所用效数可取46效。第四节 蒸发器 一、蒸发器的基本结构 蒸发设备与一般的传热设备并无本质上的区别，但蒸发时需要不断的除去所产生的二次蒸汽。所以蒸发器除了需要间壁传热的加热室外，还需要进行汽液分离的分离室，为使蒸汽和液沫能够得到比较彻底地分离，还设有除沫器。二、蒸发器的主要类型
19、由于生产和科研的发展和需要，促进了蒸发设备的不断改进，目前有多种结构型式。按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可以分为循环型和单程型两大类。下面简要介绍工业上常用的几种主要型式。第四节 蒸发器 图6-6 中央循环管式蒸发器1加热室分离室第四节 蒸发器 1循环型蒸发器 这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动，根据引起溶液循环的原因，又可分为自然循环和强制循环，前者是由于溶液因受热程度不同产生密度的差异而引起的，后者是采用机械的方法迫使溶液沿传热表面流动。（1）中央循环管式蒸发器（又称标准蒸发器）其结构如图6-6所示。加热是由(2575)mm的竖式管束组成，管长0.62m；管束中间有一直径较大的中
20、央循环管，此管截面积为加热管束总截面积的40%100%。由于中央循环管与管束内的溶液受热情况不同，产生密度差异。于是溶液在中央循环管内下降，由管束沸腾上升而不断地做循环运动，提高了传热效果。这种设备优点在于结构紧凑，制造方便，操作可靠。但缺点是清洗维修不便，溶液循环速度不高。一般适用于结垢不严重，有少量结晶析出和腐蚀性小的溶液蒸发。第四节 蒸发器 （2）悬筐式蒸发器 其结构如图6-7所示。加热室（悬挂在蒸发器内的筐子）取出后可清洗，以备用的加热室替换而不影响生产时间。此种设备的循环机理与标准式相同，但溶液是沿加热室外壁与蒸发器壳体内壁所形成的环隙通道下降，不断地作循环运动。这种设备优点在于可将
21、加热室取出检修，热损失较标准式小，循环速度较标准式大，但结构更复杂。一般适用于易结垢和易结晶溶液的蒸发。（3）外热式蒸发器 如图6-8所示，外热式蒸发器将加热室安装在分离室的外面。这种结构不仅便于清洗和维修，而且降低了蒸发器的总高度。由于可以采用较长的加热管，循环管又没有受到蒸汽加热，因此，溶液的循环速度较大，可达到1.5m/s。第四节 蒸发器 图6-8 外热式蒸发器1加热室；2分离室；3循环管图6-7 悬筐式蒸发器1外壳；加热蒸汽管；3除沫器；4加热室；5液沫回流管第四节 蒸发器 （4）列文式蒸发器 其结构如图6-9所示。其结构特点是在加热室的上方增设一段2.75m高的沸腾段，使加热室承受较
22、大的液柱静压，故加热室内的溶液不沸腾。待溶液上升至沸腾段时，因静压的降低开始沸腾汽化。这样避免了溶质在加热室析出结晶，减少了加热室的结垢或堵塞现象。为了减少循环阻力和提高循环速度，要求循环管截面积大于加热管束总面积，该设备内的循环速度可达2m/s左右。这种设备优点在于循环速度较大，结垢少，尤其适用于有晶体析出的溶液。但由于设备庞大，需要高大的厂房，因此使用受到了一定的限制。第四节 蒸发器 （5）强制循环型蒸发器 其结构如图6-10所示。其特点是溶液靠泵强制循环，循环速度可达25m/s。由于溶液的流速大，因此适用于有结晶析出或以结垢的溶液。但动力消耗大，每平方米传热面积消耗功率为0.40.8kW
23、。2单程型蒸发器 这类蒸发器的特点是溶液通过加热室一次即达到所需的浓度，且溶液沿加热管壁呈膜状流动，故又称为膜式蒸发器。这类蒸发器蒸发速度快，溶液受热时间短，因此特别适合处理热敏性溶液的蒸发。根据料液在蒸发器内的流动方向和成膜的原因，单程蒸发器又可分为以下几种。第四节 蒸发器 图6-9 列文式蒸发器1加热室；2加热管；3循环管；4分离室；5除沫器；6挡板；7沸腾室图6-10 强制循环式蒸发器1加热管；2循环泵；3循环管；4蒸发室；5除沫器第四节 蒸发器 （1）升膜式蒸发器 其结构如图6-11所示。结构与列管换热器类似，不同之处是它的加热管直径为2550mm，管长与管径比为100300。料液经预
24、热后由加热室底部进入，受热后迅速沸腾汽化，所产生的二次蒸汽在管内高速上升（高压下气速达2030m/s，减压下达80200m/s）。料液被上升的蒸汽所带动，沿管壁成膜状流动上升，在上升过程中逐渐被蒸浓。此种蒸发器一般适用于稀溶液、热敏性及易气泡溶液的蒸发，而对高黏度（大于50kPas）、易结晶、易结垢的溶液不适用。第四节 蒸发器 （2）降膜式蒸发器 其结构如图6-12所示。料液由加热室顶部加入，经液体分布器后均匀分布在每根加热管的内壁上，在重力作用下呈膜状下降，在底部得到浓缩液。二次蒸汽与浓缩液并流而下，液膜的下降还可以借助二次蒸汽的作用，因而可蒸发黏度大的溶液。为使每根加热管上能形成均匀的液膜
25、，又要能防止蒸汽上窜，必须在每根加热管入口处安装液体分布器。此种蒸发器不仅适用于热敏性料液的蒸发，还可以蒸发黏度较大（50450kPas）的溶液，但不易处理易结晶和易结垢的溶液。第四节 蒸发器 图6-11 升膜式蒸发器1加热室；2分离室图6-12 降膜式蒸发器1加热室；2分离室第四节 蒸发器 另外，单程蒸发器还有升-降膜式蒸发器和刮板式蒸发器。将升膜和降膜蒸发器装在一个外壳中即成升-降膜式蒸发器。料液先经升膜式蒸发器上升，然后由降膜式蒸发器下降，在分离室中和二次蒸汽分离即得完成液，这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液的黏度变化很大或厂房高度有一定限制的场合。刮板式蒸发器是借助外加动力成膜，特点是对物
26、料的适应性强，可用于高黏度和易结垢结晶的溶液的蒸发。第四节 蒸发器 三、蒸发器的辅助装置 蒸发器的辅助装置主要包括除沫器、冷凝器、真空装置、冷凝水排除器，简述如下。1.除沫器 在蒸发器的上部需有较大空间的分离室,该分离室可以使液滴借重力下降，使二次蒸汽夹带的液滴减少。但二次蒸汽中仍夹带有许多液沫，故在分离室的上部与二次蒸汽出口处要设除沫装置，作用是将雾沫中的溶液聚集并与二次蒸汽分离。几种常用的除沫器如图6-13所示，它们的原理都是利用液沫的惯性以实现汽液的分离。第四节 蒸发器 图6-13 除沫器的常用形式第四节 蒸发器 冷凝器和真空装置 二次蒸汽需要回收时应采用间壁是换热器，否则采用汽、液直接
27、触的混合式换热器。当蒸发减压操作时，无论用哪一种冷凝器，均需要在冷凝器后安装真空装置，不断抽出冷凝液中的不凝性气体，以维持蒸发操作所需的负压。常用的真空装置有喷射泵水环真空泵及往复式真空泵等。冷凝水排除器（又称疏水器）蒸发进行时要不断排出加热蒸汽冷凝后生成的冷凝水，以保证良好的传热效果。冷凝水排除器的作用是在排除冷凝水的同时，阻止蒸汽排出。常用冷凝水排除器有三种：浮杯式、膨胀式和热动力式。热动力式结构简单，操作性能好，因而在生产上使用较为广泛。第四节 蒸发器 图6-14 热动力式疏水器1-冷凝水入口；2-冷凝水出口；3-排出管；4-背压室；5-滤网；6-阀片 3第四节 蒸发器 热动力式疏水器结构如图6-14所示。温度较低的冷凝水在加热蒸汽压的推动下流入通道1，将阀片顶开，由排水孔2排出，当冷凝水排尽，温度较高的蒸汽将通过通道1并流入阀片背面的背压室，由于汽体的黏度小，流速高，使阀片与阀座间形成负压，因而使阀片上面的压力高于阀片下面的压力，加上阀片自生的重量，使阀片落在阀座上，切断了蒸汽的通道。经一段时间后，当疏水阀中积存了一定的冷凝水后，阀片又重新开启，从而实现周期性的排放冷凝水。
