第七章 蒸发

1、中央循环管式蒸发器
➢ 原理：加热管（汽液混 合物密度小）与中央循 环管（汽液混合物混合 物密度大）内形成的汽 液混合物存在密度差。
➢ 优点：溶液循环好，传 热效率高等。
➢ 缺点：循环速度慢，溶 液黏度大，沸点高，不 易清洗。
2、悬筐式蒸发器
➢ 中央循环管蒸发器的改进， 垂直短管型蒸发器；
➢ 加热室悬挂在蒸发器壳体的 下部，可由顶部取出，便于 清洗与更换；
由吉辛柯公式：
100
f 0.0162(T 273)2 0.0162(812. 273)2 0.8819
r
2304.5
50
因此：Δ fΔa 0.88198.5 7.496o C
因此，50 kPa时溶液沸点为：
tA' = 81.2 + 7.496 = 88.7 oC 溶液温度差损失随压力变化不大。
0 0 50 100 150 200 boiling point of H O / oC
2
（2）利用右图求50 kPa时溶液的沸点 50 kPa时，水的沸点为81.2 oC，因此
根据20% NaOH杜林线图可得到，溶液沸 点为88 oC。
（3）利用经验公式计算50 kPa时溶液的 沸点。 杜林直线斜率为：
体沸腾间的传热； ➢ 溶液的沸点升高
（1）由于不挥发溶质的存在使溶液的沸点高于纯溶 剂的沸点。
（2）对于垂直管式蒸发器，管内液柱的静压力及蒸 汽在管道内的流动阻力也会引起溶液的沸点升高。
沸点升高使传热推动力降低。
4 蒸发操作的特点
➢ 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。强化与改善蒸发器的传热效果；重视热量的利用 的问题——二次蒸汽潜热的利用。 ➢ 物料特性
加热蒸汽
均分为二;
➢ 原理：预热器加热 升膜
加热管束的底部 汽液混
1
合物上升至管束顶部 下 降至降膜加热管束 分离 原料液
二次蒸汽
4
器 ➢ 适用场合：黏度变化大的溶
液，或厂房高度有一定限制
完成液
1-预热器 2-升膜加热管束 3-降膜加热管束 4-分离器
的场合。
升降膜蒸发器
4、刮板搅拌薄膜蒸发器
➢ 结构：加热管、加热夹套、 刮片（可旋转）
结晶，结垢；热敏性；粘度；腐蚀性。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。 ➢ 泡沫夹带
加消泡剂，用除沫器
7.1 蒸发设备
7.1.1 蒸发器的结构
蒸 发 器
接触 方式
间接 组成 加热式
直接 加热式
循环型 加热室 (非膜式) 加热室 结构
单程型 (膜式) 分离室
蒸发的基本流程
一、循环型（非膜式）蒸发器
三、直接接触传热蒸发器
➢ 一定比例的燃烧气和空气 直接喷入溶液中；
➢ 气、液两相温度差大及鼓泡 作用，水分蒸发快；
➢ 热利用率高； ➢ 适用于易结垢、结晶或腐蚀
性溶液蒸发； ➢ 不适用于热敏性物料蒸发。 1―燃烧室；2―点火管；ຫໍສະໝຸດ Baidu―测温管；
4―外壳 浸没燃烧蒸发器
5
常 见 蒸 发 器 的 一 些 主 要 性 能
➢ 原理：利用外加动力成膜 的单程蒸发器，
➢ 适用场合：对料液的适应 性强，高黏度、易结晶、 易结垢或热敏性溶液
➢ 缺点： 结构复杂（制造、 安装和维修工作量大）， 传热面积小，动力消耗大， 处理能力小 。
料液 加热蒸汽
二次蒸汽 料液 2
加热蒸汽
冷凝水 1
蒸汽
冷凝水 冷凝水
完成液
1.加热夹套 2.刮板
溶液的较小；无机溶液的较大；稀溶液的不大，但随浓度增高 温度升高较大。 ➢ 有效温度差
水（沸点） 20 % NaOH（沸点）
温度（℃）
100
108.5
溶液沸点升高（℃） 108.5 -100 = 8.5
加热蒸气 120 ——
有效温度差（℃） 温度差损失（℃）
加热蒸气与溶液 120 - 108.5 = 11.5
tA = ktW + ym
杜林线的斜率
溶液的沸点 标准溶液沸点 当某压强下水的沸点tw = 0时
tA tA ktw ym
NaOH 水溶液的杜林线图
杜林规则（Duhring’s rule） 不同组成的杜林直线是不
平行的，斜率k与截距ym 均为溶液质量组成x的函 数。
对NaOH水溶液有：
k 1 0.142x
➢ 溶液循环速度较高，改善了 加热管内结垢情况，并提高 了传热速率；
➢ 适用于蒸发结垢不严重或有 晶体析出的溶液
➢ 设备耗材量大、占地面积大、 加热管内的溶液滞留量大。
原料液 冷凝水
二次蒸汽 加热蒸汽
完成液
1-加热室 2-分离室 3-除沫器 4-环形循环通道
悬筐蒸发器
3、外热式蒸发器
➢ 加热管较长，垂直长管型蒸 发器；
➢ 蒸发操作的基本要点：向蒸发器连续提供足够的热量并及 时移除汽化的溶剂。
➢ 蒸发操作的对象：液体均相混合物
蒸发操作在生物工程领域应用广泛。
2 蒸发操作的目的
➢ 获得浓缩后的液体产品(酶工程，抗生素等的浓 缩）。
➢ 提高制品浓度，增加制品的贮藏性（酶制剂：酶 在浓溶液中比在稀溶液中稳定）。
➢ 经常用作干燥（如喷雾干燥、冷冻干燥）、完全 脱除溶剂或结晶操作的预处理过程。如：酶制剂 的工业生产。
【操例作7压-1力】（在kP中a）央水循沸环点管（蒸℃）发器水内汽化将热Na（OkHJ 水/kg溶）液20由% 1N0a%OH浓沸缩点至升2高0%（，℃）试求
（1011）.3分3 离室的绝1对00压力为101.33 kPa及50 kPa时8，.5利用附录中的数据计算溶 液的沸点；（2）利用右图求50 kPa时溶液的沸点；（3）利用经验公式计算
➢ 蒸发操作的特点
➢ 实质为传热过程；
➢ 物料特性；
➢ 溶液的沸点升高；
➢ 泡沫夹带。
➢ 能耗较大；
内容回顾
➢ 蒸发器的分类
➢常用蒸发器的工作原理
7.2 单效蒸发
7.2.1 溶液的沸点和温度差损失
1、溶液的沸点
➢ 沸点升高（相对于纯溶剂）：不挥发性溶质; ➢ 影响沸点升高的主要因素为溶液的性质及其浓度。一般，有机
➢ 加热室与分离室分开，便于 清洗；
1―加热室；2―蒸发室；3―循环管 外热式蒸发器
3、外热式蒸发器
➢ 工作原理：循环管 内的溶液未受蒸汽 加热，其密度较加 热管内的大，循环 速度高，可达1.5 m/s；
➢ 设备较高。
4、强制循环蒸发器
➢ 垂直长管型蒸发器； ➢ 循环泵：外加动力。
1―加热管；2―循环泵；3―循环管； 4―蒸发室；5―除沫器 强制循环性蒸发器
k 1 0.142x 11.0420.2 1.028
杜林直线截距为：
ym 150.75x2 2.71x 150.75 0.22 2.71 0.2 5.488
当某压强下水的沸点tw = 0时
t A tA ktw ym tA ym ktw 5.4881.02881.2 88.96o C
在单程型蒸发器中，物料沿加热管壁成膜状流动，一次 通过加热器即达浓缩要求，其停留时间仅数秒或十几秒。另 外，离开加热器的物料又得到及时冷却，因此特别适用于热 敏性物料的蒸发。
由于这类蒸发器的加热管上的物料成膜状流动，故又称 膜式蒸发器。
1、升膜蒸发器
➢ 加热室由长垂直管束组成； ➢ 原料预热至沸点或接近沸点。
四、蒸发器的改进
1、开发新型蒸发器:离心式薄膜蒸发器(对于热敏性要求 极高的产品，和受热蒸发时发泡性强的物料，如抗生素 发酵液，血液制品及蛋白水溶液等的蒸发。） 2、提高蒸发器的传热系数：改善蒸发器内液体的流动状 况 3、控制和减少蒸发器结垢：改进液体的性质
7.1.2 蒸发器的辅助装置
蒸发器的辅助装置主要包括除沫器、 冷凝器和形成真空的装置。
1、除沫器 为了防止产品损失或冷却水被污染。
2、冷凝器 冷凝二次蒸汽 。
3、真空装置 维持蒸发操作的真空度 。
内容回顾
➢ 蒸发操作原理及基本要点
➢ 蒸发 利用加热的方法，将溶液中挥发性溶剂与不
挥发性溶质得到分离的一种单元操作。
➢ 蒸发操作的基本要点：向蒸发器连续提供足够的热量
并及时移除汽化的溶剂。
3 蒸发操作的分类
➢ 按蒸发操作空间的压力
加压蒸发：提高二次蒸汽的温度以提高传热效率
常压蒸发：采用敞口设备，二次蒸发直接排到大气
中，所用的设备和工艺条件都最为简单
减压蒸发（真空蒸发）：工业上应用广泛
➢ 按蒸发操作过程模式（蒸发器进、出料状况）
间歇蒸发
连续蒸发
4 蒸发操作的特点
➢ 实质 传热过程，蒸发是间壁两侧分别为蒸气冷凝和液
2、降膜蒸发器
➢ 重力作用； ➢ 液体分布器：均匀成膜； ➢用于蒸发黏度较大
（ 0.05-0.45Pa·s ） ， 浓 度较高的溶液；不适于 处理易结晶和易结垢的 溶液。 ➢ 真空低温操作。
液体分布器
3、升-降膜蒸发器
2
3
➢ 结构：由升膜管束和降膜管
束组合而成，蒸发器底部封 头内有一隔板，将加热管束
特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热 效果、缓和溶液结垢情况。
溶液在加热室不同位置上的受热程
自然循环：度不同，产生了密度差而引起的循
分类：
环运动。
强制循环： 依靠外加动力迫使溶液沿一个方向 循环流动。
1、中央循环管式蒸发器
➢ 垂直短管型蒸发器 ➢ 加热室
垂直管束（1 – 2 m）组成：加 热管束（沸腾管）、中央循环管 （降液管，40-100%加热管束）
升膜式蒸发器 1―蒸发器；2―分离室；
1、升膜蒸发器
➢ 工作原理：高速二次蒸 汽带动原料液沿管壁呈 膜状流动、蒸发。
➢ 常压下，加热管出口处 速 度 以 保 持 20-50m/s 为 宜，减压操作时，速度 可达100-160m/s。
➢ 适宜处理蒸发量较大， 热敏性，黏度不大及易 起沫的溶液;
➢ 不适于高黏度、有晶体 析出和易结垢的溶液。
因此，总温度差损失为：
（2）溶液沸点升高的计算 ➢ 溶质存在引起的沸点升高Δ′ 与溶液压力相等时水的沸点
溶液的沸点 与操作压力、溶液种类及其组成有关。
获取
查手册——附录中 估 算——杜林规则（Duhring’s rule）
杜林规则（Duhring’s rule）
一定组成的溶液的沸点和 相同压力下标准溶液（一 般以水为标准液体）沸点 成线性关系。 杜林线的截距
加热蒸气与水
120 – 100 = 20
20 -11.5 = 8.5（与溶液沸点升高值相等）
2、温度差损失
（1）引起蒸发中温差损失（沸点升高）的因素
➢ 溶液中不挥发溶质引起的饱和蒸汽压下降Δ'；
➢ 垂直传热管中液柱静压力（膜式蒸发器除外）使液面下的静
压力高于液面上分离空间的静压力Δ"; ➢ 二次蒸汽在管道内的流动阻力和热损失Δ'"。
4、强制循环蒸发器
➢ 特点：利用外加 动力使溶液沿一 个方向以2-5 m/s 的速度通过加热 管。
➢ 适用于处理黏度 大、易结垢或易 结晶的溶液。
➢ 缺点是：动力消 耗大，加热面积 受到限制。
二、膜式（单程型）蒸发器
循环型蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使 物料在高温下停留时间长，不利于处理热敏性物料。
ym 150 .75 x2 2.71x
NaOH 水溶液的杜林线图
其他压力下溶液的沸点升高，在缺乏实验数据时可用下面经 验公式（吉辛柯公式）近似估算，即
操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高 常压下(101.3kPa)由于溶质存在引起的沸点升高
校正系数
T'—— 操作压力下二次蒸汽的温度，℃； r' —— 操作压力下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg。
第七章 蒸发与结晶
主要内容
7.1 蒸发设备 7.2 单效蒸发 7.3 多效蒸发 7.4 蒸发器的工艺设计 7.5 结晶
本节重点
蒸发器的结构，单效蒸发的计算，结晶原理。
7.0 概述
1 蒸发
➢ 蒸发 是将含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽， 从而使溶液中溶质组成提高的单元操作，所用的设备称为 蒸发器。利用加热的方法，使溶液中挥发性溶剂与不挥发 性溶质得到分离的一种单元操作。
➢ 制取纯净溶剂或回收溶剂。如：制药中回收溶剂。
3 蒸发操作的分类
加热蒸汽和二次蒸汽 ➢ 加热蒸汽（生蒸汽）：蒸发操作中所采用的热源，一般为
饱和水蒸气。 ➢ 二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。
➢ 按二次蒸汽的利用情况 单效蒸发：未对二次蒸汽的冷凝热加以利用； 多效蒸发：二次蒸汽作为下一蒸发器的加热蒸汽，其 冷凝热得以利用；
5050kPa时溶液的沸8点1.2。
2304.5
解：蒸发器内溶液组成接近完成液组成。
250
boiling point of solution / oC
由附录：
（1）利用附录中的数据计算溶液的沸点
200
101.33 kPa时，溶液沸点为
tA = 100 + 8.5 = 108.5 oC
150
50 kPa时，温度差损失为 fa