1、第第7 7章章 蒸发蒸发Evaporation第7章 蒸发2023-2-1227.1概概 述述利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性，利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性，将含将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而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提高的单元操作称为使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发蒸发。7.1.1 蒸发的目的蒸发的目的蒸发操作的目的：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。被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其
2、它溶液，被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水而工业上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。溶液的蒸发。溶剂溶剂S溶质溶质A（不挥发）不挥发）溶剂溶剂S加热加热第7章 蒸发2023-2-1237.1.2 蒸发流程蒸发流程加热溶液使溶剂汽化加热溶液使溶剂汽化蒸发器蒸发器不断除去气化的蒸发溶剂不断除去气化的蒸发溶剂冷凝器冷凝器蒸发流程的两个必要的组成部分：蒸发流程的两个必要的组成部分：二次蒸汽二次蒸汽水蒸气水蒸气热源热源水蒸气水蒸气蒸发产生蒸发产生蒸汽蒸汽二次蒸二次蒸汽汽加热蒸汽加热蒸汽水蒸气水蒸气热源热源第7章 蒸发2023-2
3、-1247.1.3 蒸发操作的特点蒸发操作的特点溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温传热温度差的降低度差的降低。能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸气。因此需要考虑热量的利用的问题。气。因此需要
4、考虑热量的利用的问题。溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。第7章 蒸发2023-2-1257.1.4 蒸发操作的分类蒸发操作的分类多效蒸发多效蒸发（multi-effect evaporation）：若将二次蒸气通到另一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
5、气（再生蒸气）压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（再生蒸气）的利用率，这种蒸发操作称为多效蒸发。的利用率，这种蒸发操作称为多效蒸发。1.按二次蒸气的利用情况分：按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发单效蒸发和多效蒸发单效蒸发（单效蒸发（single-effect evaporation）：将二次蒸气不再利用而将二次蒸气不再利用而直接送到冷凝器冷凝除去的蒸发操作。直接送到冷凝器冷凝除去的蒸发操作。第7章 蒸发2023-2-1262.按操作室压力分：按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发常压、加压、减压（真空）蒸发常压蒸发常压蒸发：设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽
6、设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽 可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小批量的生产。批量的生产。加压蒸发加压蒸发：可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加热蒸汽的压力较高。但要求加热蒸汽的压力较高。优点：优点：(1)传热温度差传热温度差tm；(2)可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽；(3)可防止热敏性物料变质或分解可防止热敏性物料变质或分解；(4)沸点低，减少热损失。沸点低，减少热损失。缺点：缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备
7、真空装置，需消耗动力和增加设备适用于处理热敏性物料。适用于处理热敏性物料。减压蒸发减压蒸发：沸点低沸点低第7章 蒸发2023-2-1273.按操作过程是否连续分按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发间歇蒸发，连续蒸发 间歇蒸发间歇蒸发:一次加料一次加料最终出料或连续加料最终出料或连续加料 维持液面，一次出料。维持液面，一次出料。溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多品种的场合。品种的场合。连续蒸发连续蒸发:连续进料，连续出料。稳定操作，适于大规模的生产过连续进料，连续出料。稳定操作，适于大规模的生产过程。程。第7章 蒸发2
8、023-2-1287.2蒸发设备蒸发设备辅助设备辅助设备蒸发器蒸发器加热室加热室 分离室分离室 除沫器（汽液分离器）除沫器（汽液分离器）冷凝器冷凝器 疏水器疏水器真空装置真空装置 蒸发设备蒸发设备用来进行蒸发的设备主要是用来进行蒸发的设备主要是蒸发器蒸发器和和冷凝器冷凝器蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。由加热室和分离室两部分组成。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。第7章 蒸发2023-2-129按加热室的结构和操作时溶液的
9、流动情况，分为两大类：按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循环型循环型和和单程型单程型(不循环不循环)。7.2.1 蒸发器蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。液浓度接近于完成液浓度。1 1 循环型蒸发器循环型蒸发器由于引起循环运动的原因不同，分为由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型自然循环型和和强制循环型强制循环型两类。两类。自然循环型自然循环型：强制循环型强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动。由于溶液受热程度不同产生
10、密度差引起。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。第7章 蒸发2023-2-1210（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n加热蒸汽：加热蒸汽：加热室管束环隙内加热室管束环隙内n溶液：溶液：加热室管束及中央循环管内，加热室管束及中央循环管内，受热时，由于中央循环管单位体积受热时，由于中央循环管单位体积溶液受热面小，使得溶液形成由中溶液受热面小，使得溶液形成由中央循环管下降，而由其余加热管上央循环管下降，而由其余加热管上升的循环流动。升的循环流动。中央循环管中央循环管料液料液加热蒸汽加热蒸汽优点：优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠溶液循环好；传热效率高
11、；结构紧凑、制造方便、操作可靠缺点：缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液第7章 蒸发2023-2-1211（2）悬筐式蒸发器）悬筐式蒸发器 n加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室，由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室，在管间放热加热管内溶液使其上升，而沿悬筐在管间放热加热管内溶液使其上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。n优点：优点：溶
12、液循环速度高，改善了管内结垢情况溶液循环速度高，改善了管内结垢情况传热速率较高传热速率较高n缺点：缺点：设备费高设备费高占地面积大占地面积大加热管内溶液滞留量大加热管内溶液滞留量大n适于适于处理易结垢，有晶体析出的溶液处理易结垢，有晶体析出的溶液第7章 蒸发2023-2-1212（3）外热式蒸发器）外热式蒸发器 优点：优点：降低了整个蒸发器的高度，降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传循环速度较高，使得对流传热系数提高；热系数提高；结垢程度小。结垢程度小。这种蒸发器将加热室与分这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管。离室分开，采用较长的加热管
13、。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液 蒸发室蒸发室循环循环管管加加热热室室第7章 蒸发2023-2-1213（4）列文蒸发器列文蒸发器 n特点特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。在加热管中结垢或析出晶体。n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n缺点：缺点：q设备费高设备费
14、高q厂房高，耗用金属多厂房高，耗用金属多n适于适于处理有晶体析出或易结垢的溶液处理有晶体析出或易结垢的溶液 第7章 蒸发2023-2-1214（5）强制循环型蒸发器）强制循环型蒸发器n在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动。向以较高的速度循环流动。n优点：优点：循环速度高循环速度高晶体不易粘结在加热管壁晶体不易粘结在加热管壁对流传热系数高对流传热系数高n缺点：缺点：动力消耗大动力消耗大对泵的密封要求高对泵的密封要求高加热面积小加热面积小n适于适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。溶液。第7章 蒸发202
15、3-2-12152 单程型单程型(膜式膜式)蒸发器蒸发器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；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，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。因而这种蒸发器的有效温差较大。溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通溶液在蒸发器中只通过加热室一次，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。发器。用于热敏性、高粘性、易结垢产
16、品的浓缩、蒸馏或提纯。用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。优点：优点：第7章 蒸发2023-2-1216 适于处理蒸发量较大的稀溶适于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；液，热敏性和易生泡沫的溶液；不适于浓度高、粘度大、有晶不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。体析出溶液的蒸发。（1）升膜蒸发器升膜蒸发器原理：原理：溶液预热到接近沸点时由溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入，进入加热管时蒸发器底部送入，进入加热管时立即受热沸腾汽化，溶液在高速立即受热沸腾汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽带动下，沿管壁上升的二次蒸汽带动下，沿管壁边呈膜状向上流动边蒸发。到达边呈膜状向
17、上流动边蒸发。到达分离室后，完成液与二次蒸汽分分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。离后由分离室底部排出。第7章 蒸发2023-2-1217（2 2）降膜蒸发器）降膜蒸发器溶液预热后由加热室顶部溶液预热后由加热室顶部加入，经管端的液体分布器均加入，经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内，在重力匀分配在各加热管内，在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流作用下沿管内壁呈膜状向下流动，并进行蒸发。汽液混合物动，并进行蒸发。汽液混合物从管下端流出，在分离器内进从管下端流出，在分离器内进行汽液分离后完成液由分离室行汽液分离后完成液由分离室底部排出。底部排出。z适于适于处理：浓度高处理：浓度高、粘度
18、较大粘度较大（0.050.45 Pas）的溶液。的溶液。z不适于不适于处理：易结晶、结垢的溶液。处理：易结晶、结垢的溶液。第7章 蒸发2023-2-1218（3）升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器n蒸发器由升膜管束和降膜管束组蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。入分离室，得到完成液。n适于适于处理浓缩过程中粘度变化大处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场
19、合的溶液、厂房有限制的场合预热室预热室升膜加升膜加热室热室降膜加降膜加热室热室第7章 蒸发2023-2-1219（4）刮板薄膜式蒸发器）刮板薄膜式蒸发器 n溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转下降旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转下降的液膜，在下降过程中通过接收加热管外加热蒸的液膜，在下降过程中通过接收加热管外加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发，底部得到汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发，底部得到完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷凝器。凝器。z缺点：缺点：结
20、构复杂，动力消耗大，传热面积小，结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。处理能力低。z适于适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液z它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板，刮板端部与加热管内壁间隙固定在，刮板端部与加热管内壁间隙固定在0.750.751.5mm1.5mm之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上。布在加热管内壁面上。第7章 蒸发2023-2-1220（1）直接加热蒸发器（浸没燃烧式）直接加热蒸发器（浸没燃烧式）n优点：优点：结构简单，不需要固定的传热面，结构简单，
21、不需要固定的传热面，热利用率高热利用率高n适于适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。溶液。n不适于不适于处理能被燃烧气污染及热敏性的处理能被燃烧气污染及热敏性的溶液。溶液。3 其它蒸发器其它蒸发器 将一定比例的燃烧气与空气直接喷入将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达溶液中，燃烧气的温度可高达12001800，由于气、液间的温度差大，且气，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。顶部排出。第7章 蒸发2
22、023-2-1221（2）螺旋管蒸发器）螺旋管蒸发器 在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪切力。为产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪切力。为此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施加在沿管轴的流动上，这此作用可促进湍流并加在沿管轴的流动上，这此作用可促进
23、湍流并强化高粘情况下的热传递。强化高粘情况下的热传递。适用适用于达到高浓度和高粘度。为获得高的蒸发于达到高浓度和高粘度。为获得高的蒸发比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。第7章 蒸发2023-2-12227.2.2 蒸发器的选型蒸发器的选型选型时，一般考虑以下原则：选型时，一般考虑以下原则：z溶液的粘度溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。要的因素。z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
24、等；膜式、刮板搅拌薄膜式等；z溶液的热稳定性溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器z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发器，以使晶体在：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，不易堵塞加热管，如外热式、加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器强制循环蒸发器第7章 蒸发2023-2-1223n有腐蚀性的溶液有腐蚀性的溶液：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬：蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐
25、腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。z易发泡的溶液：易发泡的溶液：泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应泡沫的产生，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发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强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、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。易结垢的溶液易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的：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，从而使传热速率下降。应选用便于
26、清洗和溶液循环速度导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。z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虑的因素。处理量小：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。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。蒸发。第7章 蒸发2023-2-1224 （1）蒸发器的热阻分析）蒸发器的热阻分析 蒸发器的传热热阻可由下式计算蒸发器的传热热阻可由下式计算 管外蒸汽冷凝热阻管外蒸汽冷凝热阻 一般很小，
27、但须注意及时排除加热室中不一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加；增加；管壁热阻管壁热阻 一般可以忽略；一般可以忽略；12111iRK117.2.3 蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数第7章 蒸发2023-2-1225 管内壁液一侧的垢层热阻管内壁液一侧的垢层热阻Ri取决于溶液的性质及管内液体的运取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢
28、层；在处理有结晶析出的物料时度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出；上析出；管内沸腾给热阻管内沸腾给热阻 主要决定于沸腾液体的流动情况。主要决定于沸腾液体的流动情况。（2）管内汽液两相流动形式）管内汽液两相流动形式（3）管内沸腾给热）管内沸腾给热21第7章 蒸发2023-2-1226常用蒸发器传热系数常用蒸发器传热系数K的经验值的经验值蒸发器的型式蒸发器的型式总传热系数总传热系数K,W/(m2K)标准式（自然循环）标准式（自然循环）6003000标
29、准式（强制循环）标准式（强制循环）12006000悬筐式悬筐式6003000升膜式升膜式12006000降膜式降膜式12003500第7章 蒸发2023-2-12277.2.4 蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备1 除沫器（汽液分离器）除沫器（汽液分离器）蒸发操作时产生的二次蒸发操作时产生的二次蒸汽，在分离室与液体分离蒸汽，在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴，尤其后，仍夹带大量液滴，尤其是处理易产生泡沫的液体，是处理易产生泡沫的液体，夹带更为严重。为了防止产夹带更为严重。为了防止产品损失或冷却水被污染，常品损失或冷却水被污染，常在蒸发器内（或外）设除沫在蒸发器内（或外）设除沫器。器。图中（图中
30、（a a）（）（d d）直直接安装在蒸发器顶部，（接安装在蒸发器顶部，（e e）（）（g g）安装在蒸发器外安装在蒸发器外部。部。第7章 蒸发2023-2-12282 冷凝器冷凝器 冷凝器的冷凝器的作用作用是冷凝二次蒸汽。冷是冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式和直接接触式两种。凝器有间壁式和直接接触式两种。3 疏水器疏水器将冷凝水及时排走，防止蒸汽由排出将冷凝水及时排走，防止蒸汽由排出管逃逸管逃逸 机械式、热膨胀式、热动力式机械式、热膨胀式、热动力式4 真空装置真空装置 当蒸发器在负压下操作时，无论采当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装真
31、空装置。常用的真空装置有喷射泵、真空装置。常用的真空装置有喷射泵、水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。等。冷却水 料液加热蒸汽 冷凝水 水 完成液 单效蒸发器第7章 蒸发2023-2-12297.3单效蒸发单效蒸发z已知过程选定：已知过程选定：加热蒸汽压强加热蒸汽压强p(或温度或温度T)，冷凝器操作压强冷凝器操作压强p(或或温度温度t0)；z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)和完成液的量；和完成液的量；加热蒸汽用量加热蒸汽用量D(kg/h)；蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积A(m2)。求解上述问题应用物料衡算方程、热量
32、衡算方程和传热速率方程。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。z已知已知条件：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o(质量分率质量分率)和温度和温度to()，完成液的浓度完成液的浓度(质量分率质量分率)(生产要求生产要求)；第7章 蒸发2023-2-12307.3.1 7.3.1 蒸发量蒸发量蒸发器的物料衡算蒸发器的物料衡算对溶质做物料衡算：对溶质做物料衡算：000W1wFwwFWFwFwwFW得：水分蒸发量：完成液量：完成液组成：式中：式中：溶液的进料量；溶液的进料量；水份蒸发量（二次蒸汽的量）；水份蒸发量（二次蒸汽的量）；原料液中溶质的浓度，质
33、量分率；原料液中溶质的浓度，质量分率；完成液中溶质的浓度，质量分率。完成液中溶质的浓度，质量分率。F1kg hW1hkg0ww0FwFW w蒸发室加热室W,t0,IF,w0,t0,i0D,T0,I0D,T0,IcQLF-Ww,t,iT第7章 蒸发2023-2-12317.3.2 加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量蒸发器的热量衡算蒸发器的热量衡算对进出蒸发器的热量进行衡算：对进出蒸发器的热量进行衡算：00()()LF iiW IiQDr00L()DrFiF W i WIQ1.溶液的浓缩热显著的溶液溶液的浓缩热显著的溶液蒸发室加热室W,t0,IF,w0,t0,i0D,T0,I0D,T0,IcQLF-
34、Ww,t,iTD加热蒸汽消耗量，加热蒸汽消耗量，kg/s；T0,t加料液与完成液的温度，加料液与完成液的温度，；i0,i加料液，完成液热焓，加料液，完成液热焓，kJ/kg；I,Ic 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。式中热损失式中热损失QL 可视具体条件来取加热蒸汽放热量（可视具体条件来取加热蒸汽放热量（Dr0 ）的的 某一百分数。某一百分数。第7章 蒸发2023-2-1232.溶液的浓缩热可以忽略溶液的浓缩热可以忽略当溶液的浓缩热不大，溶液的焓值可用比热计算。当溶液的浓缩热不大，溶液的焓值可用比热计算。以以0的液体为基准，则：的液体为基准，则：00 0ic t0
35、ic t00L0()Fc ttWrQDr00()()LF iiW IiQDr第7章 蒸发2023-2-1233例例7-1 在连续操作的蒸发器中，将在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浓缩浓缩到到0.3(均为质量分数均为质量分数)。蒸发器的操作压强为。蒸发器的操作压强为40kPa，相应的溶液沸点为相应的溶液沸点为80。加热蒸汽的压强为。加热蒸汽的压强为200kPa。已知原料液的比热为已知原料液的比热为3.77kJ/(kg)，蒸发器的热损失为蒸发器的热损失为12000W。设溶液的稀释热可以忽略，试求设溶液的稀释热可以忽略，试求:1.水的蒸发量；水的蒸发
36、量；2.原料液分别为原料液分别为30、80、120时的加热蒸汽消耗量。时的加热蒸汽消耗量。解：解：查查附录附录200kPa200kPa和和8080的饱和水蒸汽的汽化潜热分别为的饱和水蒸汽的汽化潜热分别为2205kJ/kg2205kJ/kg、2308kJ/kg2308kJ/kg.加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量.水的蒸发量水的蒸发量00.1(1)2000(1)1333/0.3wWFkghw第7章 蒸发2023-2-1234a.原料温度为原料温度为30000()DLWrFc ttQrhkg/158822051000/360012000)3080(77.3200023081330b.原料温度为原料温度为
37、80000()DLWrFc ttQrhkg/141722051000/360012000)8080(77.3200023081330000()DLWrFc ttQrhkg/128022051000/360012000)12080(77.3200023081330c.原料温度为原料温度为120结论：原料温度越高，加热蒸汽消耗越小。结论：原料温度越高，加热蒸汽消耗越小。第7章 蒸发2023-2-12357.3.3 蒸发速率与传热温度差蒸发速率与传热温度差 Q=KAtm据此计算蒸发器传热面积据此计算蒸发器传热面积A。其中。其中tm 计算如下计算如下:mQAK t1 平均温度差平均温度差tm蒸发属两相
38、均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差为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 tm=T0-t当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点当加热蒸汽选定时，蒸发计算需知道溶液的沸点t，即可计算传，即可计算传热温度差，在一定压强下，溶液的沸点热温度差，在一定压强下，溶液的沸点t较纯水的沸点高。较纯水的沸点高。在实际生产中，已知的是加热蒸汽的温度在实际生产中，已知的是加热蒸汽的温度T0和冷凝器和冷凝器(或分离室或分离室)二次蒸汽的温度二次蒸汽的温度t0。(T0-t0)=tT，称为理论传热温差称为理论传热温差。第7章 蒸发2023-2-1236由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传
39、热温差由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差(T0-t)较理论传较理论传热温差要小，其差值称为温度差损失热温差要小，其差值称为温度差损失：(1)因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差；(2)蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸蒸发器操作时需维持一定液位，因加热管内液柱静压强而使沸点点 升高升高；(3)二次蒸汽由蒸发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(或下一效蒸发器加热室或下一效蒸发器加热室)时产生压强降，导致的温度差损失时产生压强降，导致的温度差损失(若若t0指分离室温度时，指分离室温度时，=0)。造
40、成温度差损失的主要原因造成温度差损失的主要原因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=+第7章 蒸发2023-2-1237（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的沸点，则为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则=tA-t0。值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常采用经验法则计算：采用经验法则计算：.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进行修正用
41、于操作进行修正用于操作压强下的温度差损失。压强下的温度差损失。=fa 式中：式中：a 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，a=tA-100；tA 常压下溶液的沸点，常压下溶液的沸点，其值可从有关手册查得；，其值可从有关手册查得；f 校正系数，无因次，校正系数，无因次，f=0.0162(t0)2/r t0，r 分别为实际操作压强下水的沸点分别为实际操作压强下水的沸点(K)和汽和汽化潜热化潜热(kJ/kg)。第7章 蒸发2023-2-1238溶液沸点tAtA纯水沸点tWtWC%.杜林规则法杜林规则法(Duhrings rule)杜林规则：杜林规则：溶
42、液的沸点和相同溶液的沸点和相同压强下溶剂的沸点之间呈线性关系。压强下溶剂的沸点之间呈线性关系。因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，因此，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由再查出相同压强下对应水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。第7章 蒸发2023-2-12395mgLpp 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
43、沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即受更大的压强，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管内液柱静压强而引起的温度差损失为因加热管内液柱静压强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）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 一般认为沸腾时发生在液面下一般认为沸腾时发生在液面下1/5处处取液层下取液层下1/5处压强处压强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p，Pa，液面高度为，液面高度为L则液层下则液层下1/5处压强为：处压强为：溶液的平均密度，溶液的平均密度，kg/m2；L液层高度，液层高度，m。第7章 蒸发2
44、023-2-1240tpm 压强压强pm下水的沸点，下水的沸点，(因溶液沸点难于查取，故取该压强下纯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沸点水沸点近似作为溶液沸点)；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，；对应的温度差损失：对应的温度差损失：mpptt 第7章 蒸发2023-2-1241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，为主要影响因素。为最大，为主要影响因素。（3）由于管路流动阻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 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，
45、因管道流动时，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差损失即为 。因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布置情况而异，。因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：其计算较繁。通常根据生产经验值选取：=1单效蒸发：二次蒸汽单效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器=11.5 多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器。冷凝器。多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器下一效加热室下一效加热室=11.5 第7章 蒸发2023-2-12422
46、 单效蒸发计算示例单效蒸发计算示例00.1W11800 11440/0.5wFkg hw例例7-2 将将10%的的NaOH水溶液蒸发到水溶液蒸发到50%，处理量为，处理量为1800kg/h，原料液原料液温度温度60，比热为，比热为3.4kJ/kg，加热蒸汽和分离室压强分别为加热蒸汽和分离室压强分别为400kPa和和50kPa，蒸发器内液面高度为蒸发器内液面高度为2m，溶液平均密度为溶液平均密度为1400kg/m3，总总传热系数传热系数K为为1500W/(m2)，若热损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，产品量及所需传热面积。试计算加热
47、蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。解：查附表：解：查附表：p=400kPa下蒸汽下蒸汽T0=143.4，r0=2138.5kJ/kg p=50kPa下二次蒸汽下二次蒸汽t0=81.2，r=2304.5kJ/kg(1)水蒸发量水蒸发量(2)产品量产品量 F-W=1800-1440=360kg/h第7章 蒸发2023-2-1243(3)加热蒸汽用量加热蒸汽用量Dr0=Wr+FC0(t-t0)+QL QL=0.1Dr0 D=1.1Wr+FC0(t-t0)/r0 其中：其中：t=t0+=81.2+的计算采用杜林规则的计算采用杜林规则因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取因溶液在蒸发器中循环接
48、近完成液，故取w=0.50查表：水的沸点在查表：水的沸点在81.2,50%NaOH的沸点为的沸点为121.1 =tA-tW=121.1-81.2=39.9 第7章 蒸发2023-2-12441400 9.81 25055.4952 1000mgLppkPa211103700:39.6()1500(143.4 124.8)oQAmK Tt传热面积的计算：的计算：查得：查得：pm=55.49kPa下水沸点下水沸点tpm=83.7 =tpm-tp=83.7-81.2=2.5取取=1.2 t=81.2+39.9+2.5+1.2=124.8 故：故：D=1.114402304.5+18003.4(124
49、.8-60)/2138.5=1911kg/h(4)传热面积传热面积传热量传热量:Q=Dr0=19112138.5/3600=1135.2 kW第7章 蒸发2023-2-12457.4蒸发操作的经济性与蒸发操作的经济性与多效蒸发多效蒸发7.4.1 7.4.1 蒸发的经济性评价蒸发的经济性评价1 蒸发器的生产能力和生产强度蒸发器的生产能力和生产强度蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力：单位时间内蒸发的水量：单位时间内蒸发的水量W(kg/h)：QWr蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度U：指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2h)WUA沸点进料，且不计热损失
50、沸点进料，且不计热损失 m0QKA tDrWr1WQUKtAA rr第7章 蒸发2023-2-12462.2.提高蒸发器生产强度的途径提高蒸发器生产强度的途径(1)提高传热温度差提高传热温度差tm方法：方法：（2）增大总传热系数）增大总传热系数K提高热源的温度提高热源的温度：如采用高温热源：如采用高温热源mtTt降低溶液的沸点降低溶液的沸点：如采用真空蒸发：如采用真空蒸发 增大管内对流传热系数增大管内对流传热系数i i减少管内侧污垢热阻减少管内侧污垢热阻第7章 蒸发2023-2-12473 3 加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性是指是指1kg1kg加热蒸汽可蒸发的
