1、第五章第五章 蒸發蒸發第一節第一節 概述概述 一、基本概念 （1）蒸發概念 將溶液加熱，使其中部分溶劑汽化并不斷除去，以提高溶液中溶質濃度的操作。 （2）蒸發的方式 自然蒸發 溶液中的溶劑在低于沸點下汽化，溶劑的汽化僅發生在溶液表面，蒸發速率慢。 沸騰蒸發 溶液中的溶劑在沸點下汽化，溶液的各個部分幾乎都同時發生汽化，蒸發速率快。工業上大多采用沸騰蒸發。 （3）蒸發操作的必要條件 不斷供熱使溶劑汽化； 汽化后的溶劑要及時地移除。 二、蒸發在工業生產中的應用 （1）濃縮稀溶液，制取產品或半成品 （2）制取純凈的溶劑作為產品 （3）同時制取濃縮液和回收溶劑 三、蒸發操作的特點 蒸發是間壁兩側均發生相

2、變化的傳熱過程，蒸發速率取決于傳熱速率，工程上常把它歸類為傳熱過程，但和一般傳熱過程相比有以下特點。 蒸發的物料是溶有不揮發性溶質的溶液，在進行蒸發設備的計算時，必須考慮溶液沸點的升高。 被蒸發的溶液本身常具有某些特性，在選擇蒸發方法和設備時，必須考慮物料的特性，如熱敏性、腐蝕性、結垢、結晶或產生泡沫等。 蒸發時需要大量的加熱蒸汽，節能問題比一般傳熱過程更為突出。 四、蒸發操作的分類 1.按操作壓強分 （1）常壓蒸發 蒸發在常壓下進行，可用敞口設備，二次蒸汽直接排到大氣中。 （2）減壓蒸發 也叫真空蒸發，操作壓強低于外界大氣壓，在密閉的設備內進行。二次蒸汽在冷凝器中冷凝，并用真空泵抽取其中的不

3、凝性氣體，以造成設備的真空。 減壓蒸發的優點是： 降低了溶液的沸點，在加熱蒸汽溫度一定時，蒸發器的傳熱溫度差增大，可減少蒸發器的傳熱面積； 由于溶液沸點降低，可以利用低壓蒸汽或廢熱蒸汽作為加熱蒸汽，以充分利用能源； 溶液沸點低，可防止熱敏性物料變性或分解，適用于一些熱敏性物料的蒸發； 由于操作溫度低，可減少設備的熱損失。 減壓蒸發的缺點： 由于溫度降低，溶液的黏度增大，使蒸發器的傳熱系數減小，同時，減壓蒸發時，造成真空需要增加設備和動力。 （3）加壓蒸發 操作壓強高于外界大氣壓，在密閉的設備內進行。在加壓下進行操作，提高了二次蒸汽的溫度，就有可能利用二次蒸汽作為其他設備（如預熱器）的加熱劑，以

4、提高熱能的利用率。同時，溶液的沸點升高，使溶液的流動性能曾強，有利于提高傳熱效果。 2.按二次蒸汽的利用情況分 （1）單效蒸發 溶液在蒸發器內蒸發時，所產生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸發器以外的操作，稱為單放蒸發。 （2）多效蒸發 將二次蒸汽引至另一壓強較低的蒸發器的加熱室，作為加熱蒸汽來使用，以提高加熱蒸汽的利用率，這種將多個蒸發器串聯，使二次蒸汽在蒸發過程中，得到再利用的蒸發操作稱為多效蒸發。 3.按操作方式分 （1）間歇蒸發 它又可分為一次進料、一次出料和連續進料、一次出料兩種形式。間歇蒸發的特點是蒸發過程中，溶液的濃度和沸點隨時間改變，所以是不穩定操作，適合于小規模、多品種的場合。

5、（2）連續蒸發 連續進料，完成液連續排出，蒸發為穩定操作，適合于大規模的生產過程。第二節第二節 單效蒸發單效蒸發 一、單效蒸發流程 圖5-1為單效真空蒸發的基本流程。其中蒸發器為主體設備，由加熱室和蒸發室構成。 二、單效蒸發的計算 單效蒸發是在一個蒸發器內進行蒸發操作，對于單效蒸發，在給定生產任務和確定了操作條件后，則可應用物料衡算、熱量衡算和傳熱基本方程式，計算蒸發操作中水分蒸發量、加熱蒸汽消耗量和蒸發器的傳熱面積。 1水分蒸發量的計算 對圖5-2所示的單效蒸發器作溶質的物料衡算，在穩定連續操作中，單位時間進入和離開蒸發器的溶質數量應相等，即 w0=()w1 由物料衡算式可得水分蒸發量為 （

6、5-1） 完成液的濃度 （5-2） 完成液量 （5-3）)1 (10wwFWWFFww0110wFwWF 2加熱蒸汽消耗量的計算 對圖5-2所示的單效蒸發器作熱量衡算。當加熱蒸汽為飽和蒸汽，冷凝液在飽和溫度下排出時，單位時間內加熱蒸汽放出的熱量為 Q =Dr （5-4） 加熱蒸汽放出的熱量主要用于以下三個方面： （1）將原料液由進料溫度t0升溫到沸點t沸，所需的熱量為Q1 Q1=Fc(t沸-t0) （5-5） （2）使水在t沸溫度下汽化成二次蒸汽，所需的熱量為Q2 Q2=Wr （5-6） （3）補償蒸發器的熱損失Q損。 根據熱量衡算原則，有 Q =Q1+Q2+Q損 即 Dr=Fc(t沸-t0)

7、+W r+Q損 所以 （5-7）rrWttFcD損0沸)(QQ 若原料液在沸點下進入蒸發器，并同時忽略熱損失，由式（5-7）可得單位蒸汽消耗量為 或 (5-8) 式中，稱為單位蒸汽消耗量，即蒸發1kg水時的蒸汽消耗量，常用以表示蒸汽的經濟程度。由于蒸汽的潛熱隨溫度的變化不大，即rr則，即蒸發kg的水需要1kg的加熱蒸汽。但實際上，由于熱損失等因素，的數值約為1.1或更大。rrWDrrWD 3蒸發器傳熱面積的計算 蒸發器的傳熱面積可依傳熱基本方程式求得，即 （5-9） 式中的熱負荷依熱量衡算求取，若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排出，且忽略熱損失，則蒸發器的熱負荷為=r。由于蒸發過程為蒸汽冷凝和溶

8、液沸騰之間的恒溫傳熱，tm=T-t沸，故有： （5-10） 傳熱系數值大多根據實測數據或經驗值來選定。表5-1列出了幾種常用蒸發器K值的大致范圍，可供參考。mtKAQ)(沸tTKrDA第三節第三節 多效蒸發多效蒸發 多效蒸發的操作原理： 利用減壓的方法使后一個蒸發器的操作壓強和溶液的沸點均較前一個蒸發器的為低，以使前一個蒸發器引出的二次蒸汽作為后一個蒸發器的加熱蒸汽，且后一個蒸發器的加熱室為前一個蒸發器的冷凝器。按此原則將幾個蒸發器順次連接起來協同操作。每一個蒸發器稱為一效。 多效蒸發對節能的意義： 蒸發操作費用主要是汽化溶劑（如水）所需消耗的蒸汽動力費。單效蒸發時，單位蒸汽消耗量大于1，采用

9、多效蒸發時，隨著效數的增加，單位蒸汽消耗量減小，相應的操作費用降低。由表5-2可知，效數越多，單位蒸汽消耗量越少，操作費用越低，所以在蒸發大量水分時，廣泛采用多效蒸發。效 數單 效雙 效三 效 四 效五 效（D/W）最小1.10.570.40.30.27表5-2 最小單位蒸汽消耗量 一、多效蒸流程 1并流法 并流加料法是工業中常用的加料法。如圖5-3所示，溶液流向與蒸汽相同，即由第一效順序流至末效。 并流加料的優點為： 由于后一效蒸發室的壓強較前一效為低，故溶液在效間的輸送不需用泵，就能自動從前效進入后效。 由于后一效溶液的沸點較前一效為低，故前一效的溶液進入后一效時，會因過熱而自行蒸發,因而

10、可產生較多的二次蒸汽。 由末效引出完成液，因其沸點最低，故帶走的熱量最少，減少了熱量損失。 并流加料的缺點是： 由于后一效溶液的濃度較前一效為大，且溫度又較低，所以料液黏度沿流動方向逐效增大，致使后效的傳熱系數降低。故對黏度隨濃度的增加而迅速增大的溶液，不宜采用并流法進行多效蒸發。 2逆流法 如圖5-4所示，原料液由末效加入，用泵送入前一效，完成液由第一效底部排出，而加熱蒸汽仍是加入第一效加熱室，與并流法蒸汽流向相同。 逆流法的優點在于隨著溶液濃度的增大，溫度也隨著升高，因而各效溶液的黏度較為接近，使各效的傳熱系數也大致相同。 其缺點是效間溶液需用泵輸送，增加設備和能量消耗；又除末效外各效進料

11、溫度都低于沸點，故無自蒸發現象，與并流法相比較，所產生的二次蒸汽量較少。 此法宜用于處理黏度隨溫度和濃度變化較大的溶液，而不適宜于處理熱敏性物料。 3平流法 此法是按各效分別加料并分別出料的方式進行操作。而加熱蒸汽仍是加入第一效的加熱室，其流向與并流相同，如圖5-5所示。 平流法適用于在蒸發過程中同時有結晶析出的場合，因其可避免結晶體在效間輸送時堵塞管道，或用于對稀溶液稍加濃縮的場合。 此法缺點是每效皆處于最大濃度下進行蒸發，所以溶液黏度大，使傳熱系數較小。 二、多效蒸發中效數的限制 多效蒸發可以提高加熱蒸汽的利用率，所以多效蒸發的操作費用是隨著效數的增加而減少。但從表5-2可知，雖然（/）最

12、小是隨著效數的增加而不斷減小，但所節省的加熱蒸汽量亦隨之減小，例如由單效改為雙效，可節省加熱蒸汽量約為50，而從四效增為五效，可節省加熱蒸汽量就已降為10。另一方面，增加效數就需要增加設備費用，而當增加一效的設備費用不能與所節省的加熱蒸汽的收益相抵時，就沒有必要再增加效數，所以多效蒸發的效數是有一定限度的，必須對設備費和操作費進行權衡以決定最適宜的效數。第四節第四節 蒸蒸 發發 設設 備備 由上述可知，蒸發實屬于傳熱過程，因此蒸發器也是一種換熱器。但蒸發時需要不斷地除去汽化所產生的二次蒸汽，所以，蒸發設備除了用來進行加熱及汽、液分離的蒸發器這一主體設備外，還有使二次蒸汽中液沫得以進一步分離的除

13、沫裝置和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。真空蒸發時還需抽真空裝置。 一、蒸發器 蒸發器有多種型式，但它們均由加熱室和分離室兩部分組成。 1循環型蒸發器 由于引起循環的原因不同，又分為自然循環和強制循環兩類。 （1）中央循環管式蒸發器 這種蒸發器的結構如圖5-6所示。 中央循環管式蒸發器的優點是：構造簡單，傳熱效果好，操作可靠。應用十分廣泛，有所謂“標準式蒸發器”之稱。 但由于循環速度較低，一般在0.5m/s以下，且因溶液在加熱室中不斷循環，操作中蒸發器內溶液總是處于接近于完成液濃度，因而溶液的沸點高、黏度大影響了傳熱效果。此外，蒸發器的加熱室不易清洗。 中央循環管式蒸發器適用于蒸發結垢不嚴重，有少

14、量結晶析出和腐蝕性較小的溶液。 （2）外熱式蒸發器 這種蒸發器如圖5-7所示。其加熱室安裝在蒸發器外面，因此不僅可以便于加熱室的清洗和更換，而且可以降低蒸發器的高度。它的加熱管束較長，而循環管內的溶液又沒有受到蒸汽的加熱，因此溶液的循環速度較大。可達 1.5m/s。 （3）強制循環蒸發器 上述兩種蒸發器都屬于自然循環蒸發器，溶液的循環速度都較低。圖5-8所示為強制循環蒸發器，溶液的循環是借外力的作用，在循環通道中裝置一臺循環泵，迫使溶液沿一定方向流動而產生循環，循環速度一般為25m/s。強制循環蒸發器的傳熱系數較自然循環蒸發器的為大，但是其動力消耗較大，它適用于高黏度和易生泡沫溶液的蒸發。 2

15、單程型蒸發器 這一類型蒸發器的主要特點是溶液通過加熱室一次，不作循環流動即達到所需要的濃度而排出，而停留時間僅數秒鐘，且溶液沿加熱管呈膜狀流動，故習慣上又稱為液膜式蒸發器。 （1）升膜式蒸發器 如圖5-9所示。 它適用于處理蒸發量較大的稀溶液，熱敏性及易生泡沫的溶液，不適用于高黏度、有晶體析出或易結垢溶液的蒸發。 （2）降膜式蒸發器 如圖5-10所示。 它與升膜式蒸發器的區別是料液從蒸發器的加熱室頂部加入，在重力作用下沿管壁呈膜狀下降，并在此過程中不斷被蒸發而增濃，汽液混合物流至底部進入分離器，完成液由分離器底部排出。 降膜式蒸發器可以蒸發濃度、黏度較大的溶液（例如黏度在0.050.45PaS

16、范圍內），但也不適用于結晶析出或易結垢的溶液。 圖5-11列出幾種常見的液體分布器。 （3）刮板式攪拌薄膜蒸發器 這是一種利用外加動力成膜的單程型蒸發器，其結構如圖5-12所示。 這種蒸發器適用于處理易結晶、易結垢、高黏度的溶液。在某些情況下可將溶液蒸干而由底部直接獲得固體產物。 其缺點是結構復雜，動力消耗較大，處理量較小。 二、蒸發器的輔助裝置 1除沫器 常見的如圖5-13所示。圖中由（a）到（c）直接安裝在蒸發器內頂部；（d）為旋風式分離器則安裝在蒸發器的外面。它們主要是利用液沫的慣性以達到汽液的分離。 2冷凝器和真空裝置 在蒸發操作中，當二次蒸氣是有價值的產品，需要加以回收，或著它會嚴重

17、污染冷卻水時，則應采用間壁式冷凝器；否則可采用氣液直接接觸的混合式冷凝器。常用的干式逆流高位冷凝器見第四章內容中圖4-2所示。 當蒸發器采用減壓操作時，無論用哪一種冷凝器，均需要在冷凝器后安裝真空裝置，排除不凝性氣體，以維持蒸發操作所要求的真空度。常用的真空度裝置有噴射泵、水環式真空泵及往復式真空泵等。 三、提高蒸發器生產強度的途徑 1.蒸發器的生產強度 蒸發器的生產強度簡稱蒸發強度，是指單位傳熱面積上每單位時間內所蒸發的水分量，用U表示，其單位為kg/（m2h），即 （5-11） 蒸發強度是評價蒸發器優劣的重要指標。對于給定的蒸發量來說，蒸發強度越大，所需的傳熱面積越小，因而蒸發設備的投資費用越小。 若溶液在沸點下進料，并忽略蒸發器的熱損失，將式(5