第五章蒸發概述在化工、輕工、食品、醫藥等工業中，通過化學反應或物理性操作過程經常得到一些含溶質的稀溶液，為了得到符合標準的產品，常將含有不揮發溶質的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質濃度提高的單元操作稱為蒸發。5.1.1蒸發分離的依據利用溶劑具有揮發性而溶質不揮發的特性使兩者實現分離。7.1.2蒸發操作的目的獲得濃縮的溶液，直接作為成品或半成品脫除溶劑。此過程常伴隨有結晶過程去除雜質。蒸發操作的應用在工業上，有三種情況：(1)制取液體產品。例如電解食鹽水得到的NaOH稀溶液中，含有約18%的NaCl，通過蒸發方法在除去大部分水的同時，將NaCl結晶而分離除去，得到規定的液堿產品；(2)生產固體產品。將稀溶液濃縮達到飽和狀態，然后冷卻使溶質結晶與溶液分離，從而獲得固粒產品。例如，食鹽精制、制糖、制藥等。(3)制取純溶劑。采用蒸發方法使溶劑汽化并冷凝，使不揮發性雜質分離而得到純溶劑，例如海水淡化制取淡水等。蒸發的流程用來進行蒸發的設備主要是蒸發器和冷凝器。蒸發器的作用是加熱溶液使水沸騰汽化，并移去，由加熱室和分離室兩部分組成。

蒸發操作時，溶液由分離室底部加入，沿中央循環管流向加熱室，在加熱室垂直管束內通過時與飽和蒸汽間接換熱，被加熱至沸騰狀態，汽液混合物沿加熱管上升，達到分離室時蒸汽與溶液分離。為與加熱蒸汽相區別，產生的蒸汽稱為二次蒸汽，二次蒸汽進入冷凝器被除去。溶液仍在中央循環管與加熱管中進行循環，當達到濃度要求后稱為完成液，從蒸發器底部排出。冷凝水加熱蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷卻水不凝性氣體蒸發的分類按操作壓強分：加壓蒸發、常壓蒸發、真空蒸發真空蒸發的優點：1.減壓下溶液沸點t1降低，使蒸發器的傳熱推動力Δt=T-t1增大，因而，對一定的傳熱量Q，可節省蒸發器的傳熱面積S。2.蒸發操作的熱源可采用低壓蒸汽或廢熱蒸汽，節省能耗。P↓,T↓,Δt一定，Q不變3.適于處理熱敏性物料，即在高溫下易分解、聚合或變質的物料。4.減少蒸發器的熱損失。真空操作的缺點：1.溶液的沸點降低，使粘度增大，導致總傳熱系數下降2.動力消耗大。因需要有造成減壓的裝置。按蒸發方式分：自然蒸發、沸騰蒸發自然蒸發：溶液在低于溶液沸點的溫度條件下汽化。汽化只在溶液表面進行，汽化面積小，傳熱速率低，汽化速率低沸騰蒸發：溶液在沸騰條件下汽化。汽化發生在溶液的各個部位。汽化面積大，傳熱速率高，汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分：單效蒸發、多效蒸發單效蒸發：將二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作多效蒸發：將二次蒸汽引到下一蒸發器作為加熱蒸汽，以利用其冷凝熱的串聯操作蒸發的特點從蒸發的過程可以看出，蒸發操作總是從溶液中分離出部分溶劑，而過程的實質是傳熱壁面一側的蒸汽冷凝與另一側的溶液沸騰間的傳熱過程，溶劑的汽化速率由傳熱速率控制，故蒸發屬于熱量傳遞過程。同時，蒸發器也是一種換熱器。但蒸發操作和設備與一般的傳熱過程有所不同。蒸發具有下述特點：傳熱性質：傳熱壁面一側為加熱蒸汽進行冷凝，另一側為溶液進行沸騰，故屬于壁面兩側流體均有相變化的恒溫傳熱過程。溶液性質：有些溶液在蒸發過程中有晶體析出、易結垢和產生泡沫；溶液的粘度在蒸發過程中逐漸增大，腐蝕性逐漸加強。這些性質將影響設備的結構。溶液沸點的改變(升高)：含有不揮發溶質的溶液，其蒸汽壓較同溫度下純水的低，即在相同的壓強下，溶液的沸點高于純水的沸點，所以當加熱蒸汽一定時，蒸發溶液的傳熱溫度差要小于蒸發水的溫度差，兩者之差稱為溫度差損失，而且溶液濃度越高，溫度差損失越大蒸發溶液溫度差：Δt=T-t蒸發純水溫度差：ΔtT=T-T’∵P一定時，t>T’∴Δt<ΔtT泡沫挾帶：二次蒸汽中常挾帶大量泡沫，冷凝前必須設法除去。否則既損失物料，又污染冷凝設備。能源利用：蒸發時產生大量二次蒸汽，含有許多潛熱，應合理利用這部分潛熱。蒸發設備常用蒸發器的結構與特點蒸發器組成：加熱室：加熱溶液使之汽化分離室：分離二次蒸汽和完成液化工生產中常用的間接加熱蒸發器按加熱室的結構和操作時溶液的流動情況，分為兩大類：循環型(非膜式)單程型(膜式)循環型(非膜式)蒸發器循環型蒸發器的特點是溶液在蒸發器內作連續的循環運動，溶液在蒸發器內停留時間長，溶液濃度接近于完成液濃度。根據引起循環運動的原因，分為自然循環和強制循環型蒸發器。自然循環：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產生密度差而引起的循環運動強制循環：依靠外力迫使溶液沿一個方向作循環運動1中央循環管式(標準式)蒸發器優點：溶液循環好傳熱效率高結構緊湊、制造方便、操作可靠缺點：循環速度低溶液粘度大、沸點高不易清洗適于處理結垢不嚴重、腐蝕性小的溶液2懸筐式蒸發器加熱室像個筐，懸掛在蒸發器殼體的下部，可由頂部取出。加熱蒸汽由殼體上部進入加熱室，在管間放熱加熱管內溶液使其上升，而沿懸筐外壁與蒸發器內壁間環隙通道向下循環流動。優點：溶液循環速度高傳熱速率較高缺點：設備費高占地面積大;加熱管內溶液滯留量大適于處理易結垢，有晶體析出的溶液3外熱式蒸發器這種蒸發器將加熱室與分離室分開，采用較長的加熱管。優點：降低了整個蒸發器的高度，便于清洗和更換循環速度較高，使得對流傳熱系數提高結垢程度小適于處理易結垢、有晶體析出、處理量大的溶液4列文蒸發器特點是在加熱室上部設置沸騰室，加熱室中的溶液因受到附加液柱的作用，必須上升到沸騰室才開始沸騰，這樣避免了溶液在加熱管中結垢或析出晶體。優點：流動阻力小循環速度高傳熱效果好加熱管內不易堵塞缺點：設備費高廠房高，耗用金屬多適于處理有晶體析出或易結垢的溶液5強制循環型蒸發器在加熱室設置循環泵，使溶液沿加熱室方向以較高的速度循環流動。優點：循環速度高晶體不易粘結在加熱管壁對流傳熱系數高缺點：動力消耗大對泵的密封要求高加熱面積小適于處理粘度大，易結垢、有晶體析出的溶液。單程型(膜式)蒸發器1升膜蒸發器特點是加熱室內的加熱管細而長。溶液預熱到接近沸點時由蒸發器底部送入，進入加熱管時立即受熱沸騰汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽帶動下，沿管壁邊呈膜狀向上流動邊蒸發。到達分離室后，完成液與二次蒸汽分離后由分離室底部排出。適于處理蒸發量較大的稀溶液，熱敏性和易生泡沫的溶液；不適于濃度高、粘度大、有晶體析出溶液的蒸發。2降膜蒸發器它的加熱室與升膜式類似，但分離室設置在下部。溶液預熱后由加熱室頂部加入，經管端的液體分布器均勻分配在各加熱管內。這類蒸發器操作的關鍵是設置良好的液體分布器，以保證溶液均勻成膜和防止二次蒸汽從加熱管頂部穿出。常用的膜分布器見書。適于處理濃度、粘度較大的溶液不適于處理易結晶、結垢的溶液。3升－降膜式蒸發器蒸發器由升膜管束和降膜管束組合而成，蒸發器的底部封頭內有一隔板，將加熱管束分成兩部分。溶液由升膜管束底部進入，流向頂部，然后從降膜管束流下，進入分離室，得到完成液。適于處理濃縮過程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場合。4刮板薄膜蒸發器它是在加熱管內部安裝一可旋轉的攪拌刮板，刮板端部與加熱管內壁間隙固定在0.75～1.5mm之間，依靠刮板的作用使溶液成膜狀分布在加熱管內壁面上。溶液由蒸發器上部沿切線方向加入，在重力和旋轉刮板帶動下，在加熱管內壁上形成旋轉下降的液膜，在下降過程中通過接收加熱管外加熱蒸汽夾套中蒸汽冷凝熱量而被不斷蒸發，底部得到完成液，二次蒸汽上升至頂部經分離器后進入冷凝器。缺點：結構復雜，動力消耗大，傳熱面積小，處理能力低。適于處理易結晶、易結垢、高粘度的溶液直接加熱蒸發器將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴入溶液中，燃燒氣的溫度可高達1200～1800℃，由于氣、液間的溫度差大，且氣體對溶液產生強烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸發，蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。優點：結構簡單，不需要固定的傳熱面，熱利用率高適于處理易結垢、易結晶或有腐蝕性的溶液。不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。5.2.1蒸發設備中的溫度差損失

5.2單效蒸發

傳熱溫差損失溶液沸點有效傳熱溫差溫度差損失的原因：①溶液沸點的升高。這是由于溶液蒸汽壓較純溶劑（水）在同一溫度下的蒸汽壓為低，致使溶液的沸點比純溶劑（水）高；②

蒸發器中靜壓頭的影響，導致溶液沸點的上升。

③以及流體流過加熱管是產生的摩擦阻力，都導致溶液沸點的進一步上升。

（1）溶液的沸點升高和杜林規則在相當寬的壓強范圍內溶液的沸點與同壓強的下溶劑的沸點成線性關系：

不同濃度NaOH水溶液的沸點與對應壓強下純水的沸點的關系，由圖可以看出，當NaOH水溶液濃度為零時，它的沸點線為一條對角線，即水的沸點線，其它濃度下溶液的沸點線大致為一組平行直線。由該圖可以看出：①濃度不太高的范圍內，由于沸點線近似為一組平行直線，因此可以合理的認為沸點的升高與壓強無關，而可取大氣壓下的數值；②濃度范圍只需要知的兩個不同壓強下溶液的沸點，則其他壓強下的溶液沸點可按杜林規則進行計算。（2）液柱靜壓頭和加熱管內摩擦損失對溶液沸點的影響按液面下處L/2溶液的沸騰溫度來計算，液體在平均溫度下的飽和壓力：液柱靜壓強引起的溶液溫度升高：

所以沸騰液體的平均溫度為：5.2.2單效蒸發的計算（1）物料衡算溶質在蒸發過程中不揮發，且蒸發過程是個定態過程，單位時間進入和離開蒸發器的量相等，即水分蒸發量：

完成液的濃度：

F,x0,t0,h0D,T,HF-W,x1,t1,h1W,T’,H’D,T,hw（2）熱量衡算對蒸發器作熱量衡算，當加熱蒸汽在飽和溫度下排出時，

用以上兩個式子進行計算時，必須預知溶液在一定濃度和溫度下的焓。對于大多數物料的蒸發，可以不計溶液的濃縮熱，而由比熱求得其焓。習慣上取0℃為基準，即0℃時的焓為零，則有代入前面的兩式得：

為了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可以近似認為溶液的比熱容和所含溶質的濃度呈加和關系，即

可得加熱蒸汽的消耗量為：

如果沸點進料，且忽略熱損失，則單位蒸汽消耗量用來表示蒸汽利用的經濟程度（或生蒸汽的利用率）（3）蒸發器傳熱面積的計算由傳熱速率方程得

由于蒸發過程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱，，且蒸發器的熱負荷，所以有

5.3多效蒸發

①利用二次蒸汽的潛熱②利用冷凝水的顯熱（如預熱原料液)第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可產生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸汽（）引入第二效又可蒸發1kg水蒸氣。5.3.1多效蒸發蒸汽的經濟性（利用率）

第二效：，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發量，所以依次類推：三效，……，效效數

單效

雙效

三效

四效

五效

1.10.570.40.30.270.911.752.53.333.70但實際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達到如此經濟的程度，根據生產經驗，最大的的值大致如下：5.3.2多效蒸發流程并流：溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。逆流：溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯流：溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。

下面以三效為例加以說明：（1）并流（順流）流程蒸汽流動方向：1→2→3溶液流動方向：1→2→3（1）并流流程優點：①由于前效的壓強較后效高，料液可借此壓強差自動地流向后一效而無須泵送；②溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態會放出溶液的過熱量形成自蒸發，可產生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發量最大。缺點：后效溫度較低，組成較高，使傳熱系數逐漸降低。

（2）逆流流程蒸汽流動方向：3→2→1

溶液流動方向：1→2→3（3）錯流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1蒸汽流向：1→2→3優點：兼有逆流與并流的優點。缺點：操作較復雜。

（4）平流流程各效分別進料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對易結晶的物料較合適（因為結晶體不便在效與效之間輸送）。5.3.3蒸發操作的生產能力、蒸發強度和效數的限制

（1）蒸發器的生產能力和蒸發強度蒸發器的生產能力可用單位時間內水分總蒸發量W來表示，而生產強度為單位傳熱面積的蒸發量（），在三效蒸發