1、第第5章章 蒸发蒸发5.0 概述概述5.1 蒸发设备蒸发设备5.2 单效蒸发单效蒸发5.3 多效蒸发多效蒸发11/16/202215章 蒸发5.0 概概 述述在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常为了得到符合标准的产品，常将含有不挥发溶质的将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。提高的单元操作称为蒸发。5.0.1 蒸发分离的依据蒸发分离的依
2、据利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。现分离。11/16/202225章 蒸发5.0.2 蒸发操作的目的蒸发操作的目的获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。去除杂质。11/16/202235章 蒸发5.0.3 蒸发操作的应用蒸发操作的应用在工业上，有三种情况：在工业上，有三种情况：(1)制取液体产品。烧碱生产，蒸发制取液体产品。烧碱生产，蒸发18%的的NaOH，到到32%，作为成品碱；，作为成品碱；(2)生产固体产品。将稀溶液浓
3、缩达到饱和状态，然生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制糖、制药等。例如，食盐精制、制糖、制药等。(3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。制取淡水等。本章仅讨论水溶液的蒸发。本章仅讨论水溶液的蒸发。11/16/202245章 蒸发用来进行蒸发的设备主要用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。流程如图
4、。蒸发器的作用是加热溶蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分由加热室和分离室两部分组成。组成。冷凝器与蒸发器的分离冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。的水蒸汽冷凝而除去。5.0.4 蒸发的流程蒸发的流程冷凝水加热蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷却水不凝性气体1.加热室 2.加热管3.中央循环管4.分离室 5.除沫器6.冷凝器11/16/202255章 蒸发蒸发操作时，溶液由分离室底蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通热室，在加热室垂直
5、管束内通过时与饱和蒸汽间接换热，被过时与饱和蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，汽相区别，产生的蒸汽称为二产生的蒸汽称为二次蒸汽次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。发器底部排出。冷凝水加热蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷却水不凝性气体1.加热室 2.加热管3.中央循环管4.分离室
6、 5.除沫器6.冷凝器11/16/202265章 蒸发5.0.5 蒸发的分类蒸发的分类按按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发真空蒸发的优点：真空蒸发的优点：1.减压下溶液沸点减压下溶液沸点t1降低，使蒸发器的传热推动力降低，使蒸发器的传热推动力t=T-t1增大，因而，对一定的传热量增大，因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传可节省蒸发器的传热面积热面积S。2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。耗。P,T,t一定，一定，Q不变不变3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变适于处理
7、热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。质的物料。4.减少蒸发器的热损失。减少蒸发器的热损失。真空操作的缺点：真空操作的缺点：1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。动力消耗大。因需要有造成减压的装置。11/16/202275章 蒸发按按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发q自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低汽
8、化速率低q沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发q单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作的操作q多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作以利用其冷凝热的串联操作本章讨论沸腾传热本章讨论沸腾传热11/16/202285章 蒸发5.0
9、.6 蒸发的特点蒸发的特点蒸发的实质是传热。蒸发器也是一种换热器。蒸发的实质是传热。蒸发器也是一种换热器。蒸发具有下述特点：蒸发具有下述特点：传热性质：传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。有相变化的恒温传热过程。溶液性质：溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质
10、将影响设备的结构。的结构。11/16/202295章 蒸发溶液沸点的改变溶液沸点的改变(升高升高)：含有不挥发溶质的溶液，：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液溶液浓度越高，温度差损失越大浓度越高，温度差损失越大泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量
11、泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。设备。能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。多潜热，应合理利用这部分潜热。11/16/2022105章 蒸发5.1 蒸发设备蒸发设备5.1.1 常用蒸发器的结构与特点常用蒸发器的结构与特点蒸发器组成：蒸发器组成：q加热室：加热溶液使之汽化加热室：加热溶液使之汽化q分离室：分离二次蒸汽和完成液分离室：分离二次蒸汽和完成液化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况
12、，分为两大类：构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：q循环型循环型(非膜式非膜式)q单程型单程型(膜式膜式)11/16/2022115章 蒸发5.1.1.1 循环型循环型(非膜式非膜式)蒸发器蒸发器循环型蒸发器的特点是循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的溶液在蒸发器内作连续的循环运动循环运动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。分为自然循环和强制循环型蒸发器。q自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热
13、程度不同，产生密度差而引起的循环运动受热程度不同，产生密度差而引起的循环运动q强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动循环运动 11/16/2022125章 蒸发1.中央循环管式中央循环管式(标准式标准式)蒸发器蒸发器 加热蒸汽：加热蒸汽：加热室管束环隙内加热室管束环隙内溶液：溶液：管内。管内。优点：优点：q溶液循环好溶液循环好q传热效率高传热效率高q结构紧凑、制造方便、操作可靠结构紧凑、制造方便、操作可靠缺点：缺点：q循环速度低循环速度低q溶液粘度大、沸点高溶液粘度大、沸点高q不易清洗不易清洗适于适于处理结垢不严重、腐蚀性小处理结垢不严重、腐蚀性小
14、的溶液的溶液11/16/2022135章 蒸发2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 加热蒸汽：加热蒸汽：管间管间溶液：溶液：管内管内优点：优点：q溶液循环速度高，改善溶液循环速度高，改善了管内结构情况了管内结构情况q传热速率较高传热速率较高缺点：缺点：q设备费高设备费高q占地面积大占地面积大q加热管内溶液滞留量大加热管内溶液滞留量大适于适于处理易结垢，有晶体处理易结垢，有晶体析出的溶液析出的溶液11/16/2022145章 蒸发3.外热式蒸发器外热式蒸发器 优点：优点：q降低了整个蒸发器的降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换高度，便于清洗和更换q循环速度较高循环速度较高，使得使得对流传热系数提高对流
15、传热系数提高q结垢程度小结垢程度小适于适于处理易结垢、有晶体处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液析出、处理量大的溶液 11/16/2022155章 蒸发4.列文蒸发器列文蒸发器 优点：优点：q流动阻力小流动阻力小q循环速度高循环速度高q传热效果好传热效果好q加热管内不易堵塞加热管内不易堵塞缺点：缺点：q设备费高设备费高q厂房高，耗用金属多厂房高，耗用金属多适于适于处理有晶体析出或易结垢处理有晶体析出或易结垢的溶液的溶液 11/16/2022165章 蒸发5.强制循环型蒸发器强制循环型蒸发器 优点：优点：q循环速度高循环速度高q晶体不易粘结在加热晶体不易粘结在加热管壁管壁q对流传热系数高对流传
16、热系数高缺点：缺点：q动力消耗大动力消耗大q对泵的密封要求高对泵的密封要求高q加热面积小加热面积小适于适于处理粘度大，易结垢、处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。有晶体析出的溶液。11/16/2022175章 蒸发5.1.1.2 单程型单程型(膜式膜式)蒸发器蒸发器单程型蒸发器的特点是单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次溶液只通过加热管一次蒸发蒸发即可达到要求的浓度。即可达到要求的浓度。特点：特点：q溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜状流动，状流动，q由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成，由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成，因此对设计和操作要求严格
17、。因此对设计和操作要求严格。适用于适用于：热敏性物料的蒸发。：热敏性物料的蒸发。11/16/2022185章 蒸发1.升膜蒸发器升膜蒸发器适于适于处理蒸发量较大的稀溶处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；液；不适于不适于浓度高、粘度大、有浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。晶体析出溶液的蒸发。11/16/2022195章 蒸发2.降膜蒸发器降膜蒸发器 需设置良好的液体分布器，以需设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。常用蒸汽从加热管顶部穿出。常用的膜分布器见的膜分布器见P299图图5-7。适于适于处
18、理浓度、粘度较大的溶处理浓度、粘度较大的溶液液不适于不适于处理易结晶、结垢的溶处理易结晶、结垢的溶液。液。11/16/2022205章 蒸发3.升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器适于适于处理浓缩过程中粘度变处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的化大的溶液、厂房有限制的场合。场合。11/16/2022215章 蒸发4.刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器 缺点：缺点：结构复杂，动力消耗大，结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。传热面积小，处理能力低。适于适于处理易结晶、易结垢、高粘处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液度的溶液11/16/2022225章 蒸发5.1.1.3 直接加热蒸发器直接加热蒸发
19、器优点：优点：结构简单，不需要结构简单，不需要固定的传热面，热利用率固定的传热面，热利用率高高适于适于处理易结垢、易结晶处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。或有腐蚀性的溶液。不适于不适于处理不能被燃烧气处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。污染及热敏性的溶液。11/16/2022235章 蒸发5.1.2 蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备主要包括除沫器和冷凝器。蒸发器的辅助设备主要包括除沫器和冷凝器。1.除沫器除沫器目的：目的：用于去除二次蒸气中的雾沫和液滴，防止有用于去除二次蒸气中的雾沫和液滴，防止有用产品的损失或冷凝液污染冷凝器。用产品的损失或冷凝液污染冷凝器。安装位置：安装位
20、置：分离室顶部或蒸发器外部。分离室顶部或蒸发器外部。11/16/2022245章 蒸发2.冷凝器和真空装置冷凝器和真空装置 冷凝器的作用：冷凝器的作用：将二次蒸汽冷凝成水后排出。将二次蒸汽冷凝成水后排出。冷凝器分类：冷凝器分类：间壁式和直接接触式两类。当二次蒸间壁式和直接接触式两类。当二次蒸气为有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水气为有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水时，应采用间壁式冷凝器；否则可采用直接接触式时，应采用间壁式冷凝器；否则可采用直接接触式冷凝器。冷凝器。真空装置作用：真空装置作用：将冷凝液中的不凝性气体抽出，维将冷凝液中的不凝性气体抽出，维持蒸发操作所需的真空度。持蒸
21、发操作所需的真空度。真空装置适于：真空装置适于：蒸发器采用减压操作；蒸发器采用减压操作；真空装置安装位置：真空装置安装位置：冷凝器后冷凝器后常用的真空装置：常用的真空装置：喷射泵、往复式真空泵以及水环喷射泵、往复式真空泵以及水环式真空泵等。式真空泵等。11/16/2022255章 蒸发5.1.3 蒸发器的选型蒸发器的选型蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选型时，的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选型时，一般考虑以下原则：一般考虑以下原则：溶液的粘度：溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情蒸发过程中，溶液粘度变
22、化的情况，是选型时很重要的因素。况，是选型时很重要的因素。高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；溶液的热稳定性：溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器发器11/16/2022265章 蒸发有晶体析出的溶液：有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如
23、外热式、强制循环蒸发器塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器易发泡的溶液：易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。有腐蚀性的溶液：有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器不怕污染，也
24、可采用浸没燃烧蒸发器11/16/2022275章 蒸发易结垢的溶液：易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等溶液的处理量：溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。虑的因素。处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。大的
25、，选用尺寸适宜的多效蒸发。不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性也不相同，见也不相同，见P302表表5-1。11/16/2022285章 蒸发5.2 单效蒸发单效蒸发5.2.1 溶液的沸点和温度差损失溶液的沸点和温度差损失1.溶液的沸点溶液的沸点含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称传热温度差要小
26、于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失溶液浓度越高，温度差损失越大越大蒸发溶液温度差：蒸发溶液温度差：t=T-t蒸发纯水温度差：蒸发纯水温度差：tT=T-T P一定时，一定时，t T t tT11/16/2022295章 蒸发2.温度差损失温度差损失造成温度差损失的主要原因是：造成温度差损失的主要原因是：(1)因因溶质存在溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差之差；(2)蒸发器操作时需维持一定液位，因蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液加热管内液柱静压强柱静压强而使沸点升高而使沸点升高；(3)二次蒸汽由蒸发
27、器分离室流动到冷凝器二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器(或下一或下一效蒸发器加热室效蒸发器加热室)时产生时产生压强降压强降，导致的温度差损，导致的温度差损失失(若若T指分离室温度时，指分离室温度时，=0)。总的温度差损失为三项之和，即总的温度差损失为三项之和，即=+11/16/2022305章 蒸发1).因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失 设设tA为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则的沸点，则=tA-T。值的大小与溶液的种类、值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常采用两种方法计算：浓度以及操作压强
28、有关，通常采用两种方法计算：(1).经验估算法经验估算法(吉辛科法吉辛科法)对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高a进进行修正用于操作压强下的温度差损失。行修正用于操作压强下的温度差损失。=fa 11/16/2022315章 蒸发=fa 式中：式中：a 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，沸点升高，a=tA-100；tA 常压下溶液的沸点，常压下溶液的沸点，其值可从，其值可从有关手册查得；有关手册查得；f 校正系数，无因次，校正系数，无因次，f=0.0162(T+273)2/r T，r 分别为实际操作压强下二次蒸分别为
29、实际操作压强下二次蒸汽温度，汽温度，和汽化潜热，和汽化潜热，kJ/kg。11/16/2022325章 蒸发(2).杜林规则杜林规则 法法(直线规则法直线规则法)杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系。液沸点之间呈线性关系。由于纯水在各种压强下的沸由于纯水在各种压强下的沸点容易获得，故一般选用纯点容易获得，故一般选用纯水为标准溶液，只要知道溶水为标准溶液，只要知道溶液和水在两个不同压强下的液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图中以溶沸点，在直角坐标图中以溶液沸点为纵标，以纯水沸点液沸点为纵标，以纯水沸点为横标，以溶液浓度为参数
30、，为横标，以溶液浓度为参数，即可得到一条直线。即可得到一条直线。由此直由此直线即可求得该溶液在其它压线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。强下的沸点。溶液沸点，tAtA纯水沸点，tWtWC%11/16/2022335章 蒸发溶液沸点，纯水沸点，C%求解方法有两种：求解方法有两种：查图法查图法已知已知pT tA =tA-T截距法截距法在图中杜林直线上任选两点在图中杜林直线上任选两点M、N，其对应压强分别为其对应压强分别为pM、pN，对应压强下溶液的沸点、对应压强下溶液的沸点、水的沸点分别为水的沸点分别为tA、tW、tA、tW，如图：如图：tATtAtAtWtWMN则则直线斜率为：直线斜率为：WWA
31、Attttk 11/16/2022345章 蒸发若某压强下水的沸点若某压强下水的沸点tW=0，则上式整理成截距计，则上式整理成截距计算式为：算式为：tA=tA-k tW=ym浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率k与与截距截距ym均为溶液质量浓度均为溶液质量浓度x，即：即：k=f(x)ym=g(x)如如NaOH水溶液：水溶液：k=1+0.142x ym=150.75x2-2.71x11/16/2022355章 蒸发计算过程：计算过程：q据质量浓度据质量浓度x计算计算k,ymq代入截距方程代入截距方程ym=tA-k tW解的解的tAq=tA-tW11/1
32、6/2022365章 蒸发例例7-2 在中央循环管蒸发器内将在中央循环管蒸发器内将NaOH水溶液由水溶液由10浓缩到浓缩到20，求：，求：(1)利用经验估算法计算利用经验估算法计算50kPa时时溶液的沸点溶液的沸点(2)利用杜林直线采用查图法计算利用杜林直线采用查图法计算50kPa时溶液的沸点时溶液的沸点(3)利用杜林直线采用截距法计算利用杜林直线采用截距法计算50kPa时溶液的沸点时溶液的沸点解解:(1)查查P358附录二十一得附录二十一得20NaOH水溶液在水溶液在101.33kPa下下沸点升高值为沸点升高值为a=8.5查查P338附录十得附录十得50kPa时水的饱和温度为时水的饱和温度为
33、T=81.2，水的水的汽化热汽化热r=2304.5kJ/kg8819.05.2304)2732.81(0162.0)273(0162.022 rTf=fa=0.88198.5=7.5 溶液沸点：溶液沸点：tA=+T=7.5+81.2=88.7 11/16/2022375章 蒸发(2)据据50kPa下水的沸点为下水的沸点为81.2，查，查P296“NaOH水溶液的杜林线图水溶液的杜林线图”的的20直线，得纵标，即溶直线，得纵标，即溶液沸点液沸点tA=88(3)NaOH水溶液杜林直线：水溶液杜林直线：k=1+0.142x=1+0.1420.2=1.028 ym=150.75x2-2.71x=150
34、.750.22-2.710.2=5.488ym=tA-k tW tA=ym+k tW=5.488+1.02881.288.96 11/16/2022385章 蒸发2).因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失管内液柱静压强而引起的温度差损失。11/16/2022395章 蒸发一
35、般计算时取液层中部平均压强一般计算时取液层中部平均压强pm下对应的沸点下对应的沸点tpm为依据。设分离室压强为为依据。设分离室压强为pPa，液面高度为液面高度为L m，则液层中部压强为：则液层中部压强为：对应的温度差损失：对应的温度差损失：=tpm-tp式中：式中：tpm 压强压强pm下水的沸点，下水的沸点，(因溶液沸点因溶液沸点难于查取，故取该压强下纯水沸点近似作为溶液难于查取，故取该压强下纯水沸点近似作为溶液沸点沸点)；tp与二次蒸汽压强与二次蒸汽压强p对应的水的沸点，对应的水的沸点，；液体密度，液体密度，kg/m3。2gLppm 11/16/2022405章 蒸发3).由于管路流动阻力而
36、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二次蒸汽由分离室流到冷凝器二次蒸汽由分离室流到冷凝器(或下一效加热室或下一效加热室)时，时，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度差损失即为度也相应下降，由此引起的温度差损失即为。因二次蒸汽因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：选取：单效蒸发：蒸发器单效蒸发：蒸发器冷凝器冷凝器=11.5。多效蒸发：蒸发器多效蒸发：蒸发器冷凝器冷凝器=11.5。多效蒸发：蒸发器多效
37、蒸发：蒸发器下一效加热室下一效加热室=1。在三种温差损失的计算中，以在三种温差损失的计算中，以为最大，为一主为最大，为一主要影响因素。要影响因素。11/16/2022415章 蒸发5.2.2 单效蒸发单效蒸发已知条件：已知条件：原料液流量原料液流量F(kg/h)，原料液浓度原料液浓度xo(质量质量分率分率)和温度和温度to()，完成液的浓度完成液的浓度x1(质量分率质量分率)(生产生产要求要求)过程选定：过程选定：加热蒸汽压强加热蒸汽压强p(或温度或温度T)，冷凝器操作压冷凝器操作压强强p(或温度或温度T)；计算内容：计算内容：单位时间内水分蒸发量单位时间内水分蒸发量W(kg/h)，加热蒸加热
38、蒸汽用量汽用量D(kg/h)，蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积S(m2)。求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程。传热速率方程。11/16/2022425章 蒸发5.2.2.1 蒸发量蒸发量W如图以蒸发器为衡算范围，如图以蒸发器为衡算范围，取取1h为衡算基准，作物料为衡算基准，作物料衡算：衡算：总物料：总物料：F=W+G溶质：溶质：Fx0=Gx1蒸发室加热室W,T,HF,x0,t0,h0D,T,HD,T,hwG,x1,t1,h1WFFxxxxFWFxxF 011010G1W完成液组成：完成液组成：完成液量：完成液量：得：水分蒸发量：
39、得：水分蒸发量：11/16/2022435章 蒸发5.2.2.2 加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量D以蒸发器为衡算范围，衡算基准为以蒸发器为衡算范围，衡算基准为1h，对进出蒸发对进出蒸发器的热量进行衡算：器的热量进行衡算：DH+Fh0=WH+(F-W)h1+Dhc+QL (7-1)蒸发室加热室W,T,HF,x0,t0,h0D,T,HD,T,hcF-WQLG,x1,t1,h1式中：式中：H、H、hc 加热蒸汽、二加热蒸汽、二次蒸汽和冷凝水焓值，次蒸汽和冷凝水焓值，kJ/kg；h0、h1 原料液、完成液焓原料液、完成液焓值，值，kJ/kg；QL 蒸发器的热损失，蒸发器的热损失，W。在具体计算时，根据溶
40、液特性分为两在具体计算时，根据溶液特性分为两种方法进行热量衡算求加热蒸汽用量。种方法进行热量衡算求加热蒸汽用量。11/16/2022445章 蒸发1.溶液的稀释热可以忽略溶液的稀释热可以忽略当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以值可用比热计算。以0的液体为基准，则：的液体为基准，则：q原料液：原料液：h0=C0(t0-0)q完成液：完成液：h1=C1(t1-0)q冷凝水：冷凝水：hc=CW(T-0)因此，式因此，式(7-1)热量衡算式热量衡算式可写为：可写为：D(H-CWT)=WH+(F-W)C1t1-FC0t0+QL (7-
41、2)式中两比热使用不便，改用原料液比热式中两比热使用不便，改用原料液比热C0代替完成代替完成液比热液比热C1。11/16/2022455章 蒸发溶液的比热可用以下经验公式计算：溶液的比热可用以下经验公式计算：C=Cw(1-x)+CBx其中：其中：Cw、CB分别为水和溶质的比热，分别为水和溶质的比热，kJ/kg。则：则：C0=Cw(1-x0)+CBx0=Cw+(CB-Cw)x0C1=Cw(1-x1)+CBx1=Cw+(CB-Cw)x1wwwWCFCCWFxxFWCCCCxx 01101010)()1(物料衡算：物料衡算：两式相比：两式相比：11/16/2022465章 蒸发LWWLWwQttFC
42、tCHWTCHDQtFCtCWFWHTCHDWCFCCWF )()()()()()(0101001101得：得：联立联立若冷凝液在饱和温度下排出，且忽略溶液浓度变化若冷凝液在饱和温度下排出，且忽略溶液浓度变化对焓值的影响，即：对焓值的影响，即：H-CWT=rH-CWt1=r 则：则：rQttFCWrDL )(010忽略稀释热时加热忽略稀释热时加热蒸汽消耗量计算式蒸汽消耗量计算式11/16/2022475章 蒸发说明说明(1)从上式可以看出加热蒸汽提供的热量从上式可以看出加热蒸汽提供的热量Dr用于：用于：将原料液由将原料液由t0升温到沸点升温到沸点t1：FC0(t1-t0)蒸发水分：蒸发水分：W
43、r 过程热损失：过程热损失：QLrQttFCWrDL )(01011/16/2022485章 蒸发(2)若原料液预热到沸点，即若原料液预热到沸点，即t0=t1，并略去热损失，并略去热损失，QL0，则有则有D/W=r/r1，即每蒸发即每蒸发1kg水分大约水分大约需要需要1kg加热蒸汽，实际过程有热损失，常在加热蒸汽，实际过程有热损失，常在1.1左左右。右。e=D/W称为称为单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量，为每蒸发单位质量，为每蒸发单位质量水分时，加热蒸汽的消耗量，水分时，加热蒸汽的消耗量，kg/kg。e值值是衡量蒸是衡量蒸发装置经济程度的指标发装置经济程度的指标。(3)当当x00.2时：时：C0=
44、Cw(1-x0)rQttFCWrDL )(01011/16/2022495章 蒸发例题例题5-2在在连续操作的蒸发器中，将连续操作的蒸发器中，将2000kg/h的某无机盐水溶液由的某无机盐水溶液由0.1浓缩到浓缩到0.3(均为质量分数均为质量分数)。蒸发器的操作压力为。蒸发器的操作压力为40kPa，相相应的溶液沸点为应的溶液沸点为80。加热蒸汽的压力为。加热蒸汽的压力为200kPa。已知原料已知原料液的比热为液的比热为3.77kJ/(kg)，蒸发器的热损失为蒸发器的热损失为12000W。设设溶液的稀释热可以忽略，试求溶液的稀释热可以忽略，试求1.水的蒸发量；水的蒸发量；2.原料液分别原料液分别
45、为为30、80、120时的加热蒸汽消耗量。时的加热蒸汽消耗量。解：解：23087kJ/kg2205kJ/kg80200kPaP4962.1333kg/h)0.30.1-2000(1)1(.110、分别为分别为潜热潜热的饱和水蒸汽的汽化的饱和水蒸汽的汽化、附录八：附录八：查查加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量水的蒸发量水的蒸发量 xxFW11/16/2022505章 蒸发，加加热热蒸蒸汽汽消消耗耗量量愈愈小小结结论论：原原料料液液温温度度愈愈高高。原原料料液液温温度度为为。原原料料液液温温度度为为。原原料料液液温温度度为为hkgrQttFCWrDhkgrQttFCWrDhkgrQttFCWrDaLLL
46、/128022051000/360012000)01280(77.3200023081333)(120.c/141722051000/360012000)8080(77.3200023081333)(80.b/158822051000/360012000)3080(77.3200023081333)(30.010010010 11/16/2022515章 蒸发2.溶液稀释热不可忽略溶液稀释热不可忽略对某些水溶液对某些水溶液(如如CaCl2、NaOH等等)在稀释时有显在稀释时有显著的放热效应，因而蒸发时除供给汽化水分所需著的放热效应，因而蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时，还需提供与稀释热相应的
47、浓缩热，汽化潜热时，还需提供与稀释热相应的浓缩热，且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响愈显著。且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响愈显著。因此式因此式(7-1)中的中的h0、h1应由相应的焓浓图查取，计应由相应的焓浓图查取，计算结果才准确。算结果才准确。11/16/2022525章 蒸发 据据(7-1)热量衡算式，得加热蒸汽用量：热量衡算式，得加热蒸汽用量：cLhHQFhhWFWHD 01)(若冷凝液在饱和温度下排出，若冷凝液在饱和温度下排出，(H-hc)=r为饱和蒸汽为饱和蒸汽冷凝潜热，冷凝潜热，kJ/kg。因此：因此：rQFhhWFWHDL 01)(11/16/2022535章 蒸发5.2.2
48、.3 传热面积传热面积S0Q=K0S0tm1.平均温度差平均温度差tm 蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差为均温度差为tm=T-t其中：其中：t=+TmtKQS0011/16/2022545章 蒸发2.总传热系数总传热系数K0公式计算：公式计算：选用经验值：选用经验值：P310表表5-2。现场测定现场测定osomoiosiiioRdbdddRddK 11011/16/2022555章 蒸发3.蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q条件不同，热负荷的计算也不同，若加热蒸汽在饱条件不同，热负荷的计算也不同，若加热蒸汽在饱和温度下排出：和温度下排
49、出：稀释热不可以忽略时：稀释热不可以忽略时：Q=Dr=WH+(F-W)h1-Fh0+QL ,W稀释热可以忽略时：稀释热可以忽略时：Q=Dr=Wr+FCp0(t1-t0)+QL ,W11/16/2022565章 蒸发例例5-3 将将10%的的NaOH水溶液蒸发到水溶液蒸发到45%，处理量为，处理量为1800kg/h，原料液温度原料液温度60，比热为，比热为3.4kJ/kg，加热蒸加热蒸汽和分离室压强分别为汽和分离室压强分别为400kPa和和50kPa，蒸发器内液面高蒸发器内液面高度为度为2m，溶液平均密度为溶液平均密度为1400kg/m3，总传热系数总传热系数Ko为为1500W/(m2)，若热损
50、失为传热量的若热损失为传热量的10%，忽略稀释热，忽略稀释热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。面积。解：查附表十：解：查附表十：p=400kPa下蒸汽下蒸汽T=143.4，r=2138.5kJ/kgp=50kPa下二次下二次蒸汽蒸汽T=81.2，r=2304.5kJ/kg(1)水分蒸发量水分蒸发量hkgxxF/140045.01.0118001W10 11/16/2022575章 蒸发(2)产品量产品量 G=(F-W)=1800-1400=400kg/h(3)加热蒸汽用量加热蒸汽用量Dr=Wr+FCp0(t1-t0)+Q
