化工原理蒸发1

自然循环蒸发器： ① 中央循环管式蒸发器
二次蒸气 5
料液
4 3 1-外壳； 2-加热室； 3-中央循环管； 4-蒸发室； 5-除沫器 冷凝水
加热蒸气
1 2
完成液
中央循环管式蒸发器
优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠； 缺点：循环速度在0.4~0.5m/s以下，清洗和维修不方便。 ② 悬筐式蒸发器
优点：气化在沸腾室进行，循环速度
7 加热 蒸汽 1 2 冷凝水 完 成 液 3
大，有利于减轻或避免加热管表面的
结晶和结垢，传热效果好。 缺点：温差损失大，设备庞大，消耗 材料多，需要高大厂房。
1-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室 5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室
列文式蒸发器
强制循环式蒸发器：
qm, v
qm, w r r0

q m, w
生蒸汽的经济性（经济程度）qmw/qmv * 蒸发操作重要经济指标之一，反映蒸发操作能耗的大小; * 实际由于沸点升高和热损失，单效蒸发 qmw/qmv ≈0.9 。
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(3) 焓浓图
溶解热、稀释热不能忽略时,用平均比热计算误差很大，此 时，生蒸汽消耗量可用焓浓图计算。
对热敏性物料的蒸发有利。
5.1.3 蒸发操作的特点
（1）蒸发器实质是一种两侧流体发生相变的换热器； （2）溶液的沸点升高 生蒸汽温度一定时，传热温差小于加热纯溶剂时的传热温差。 （3）溶剂汽化时消耗大量能量
为减小能耗必须提高加热蒸汽利用率。
（4）根据物料本身特性(如粘度、结晶性、热敏性等)
合理选择设备和操作流程。
* 完成液：浓缩后的溶液； * 单效蒸发 ：产生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出；
* 多效蒸发：二次蒸汽作为串联使用的下一个蒸发器的加热蒸汽。
5.1.2 分类
按操作方式：间歇式、连续式； 按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发； 按操作压力：常压、加压、减压（真空）；
真空蒸发的优点：提高传热温差、利用低压蒸汽作为热源、
优点：循环速度可稍大、
易于检修、热损失较小；
缺点：结构复杂、单位传
1－外壳
热面的金属消耗量大；
适用：易结晶、结垢溶液 的蒸发。
2－加热蒸气管
3－除沫器 4－加热室 5－液沫回流罐
③ 外热式蒸发器
外热式蒸发器
优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循环速度较大。
④ 列文式蒸发器
5
二次蒸汽
6
4 料液
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t ft 0 f (t 0 273 ) 校正系数： f 0.0162 T 2 / r
② 液柱静压头引起的沸点升高 t
溶液内部沸点，按平均压力计算：
1 pm p gL 2
则：
t " tpm tp
③ 二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高 t 用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。
沸点升高： t t t T
① 引起沸点升高的原因
a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；
溶液沸点 ＞ 相同压力下水沸点 t 。
b）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升； 即：液柱静压头引起沸点升高 t 。 c）二次蒸汽从蒸发室流向冷凝器时，由于存在阻力而压力降低 使冷凝器中二次蒸汽温度低于室中二次蒸汽的温度 t 。
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料液
加热 蒸汽 冷凝水 完成液
单效蒸发流程：
不凝性气体
蒸发流程
二次蒸汽
冷却水
料液
加热蒸汽
5 4 3 2
冷凝水
1-加热管； 2-加热室； 3-中央循环管； 4-蒸发室； 5-除沫器； 6-冷凝器
1
完成液
水
硝酸铵水溶液蒸发流程
(3) 几个概念
* 加热蒸汽(生蒸汽)：蒸发过程所用的加热蒸汽；
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5.2 蒸发设备
主体设备：蒸发器-----主要由加热室和蒸发室组成。
辅助设备：除沫器、冷凝器。减压操作时还需真空装置。
5.2.1 蒸发器的结构和特点
按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：
（1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本 相同，接近于完成液的浓度，操作稳定。 根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。
qm, v ( H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w ( H h) ΦL
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5.3.3 蒸发器的传热面积
由蒸发器的传热方程得：
Φ A K t m
(1) 传热度温差 在蒸发器中，管外为蒸气冷凝，温度恒定为T，管内为溶液
沸腾，温度也多为定值，可视为恒温差传热，故
Φ qm,v r0 qm,0c p,0 (t t0 ) qm,w r L
加热蒸汽消耗量：
q m, v qm,0 c p ,0 (t t 0 ) qm, w r ΦL r0
若沸点进料，忽略热损失时，
t0 t
q m, v r 1 r
ΦL 0
5
二次蒸气 4
1-加热室
2-循环泵
加热 蒸气 1 完成液 3
3-循环管 4-蒸发室 5-除沫器
冷凝水
2
强制循环蒸发器
优点：适用于粘度大、易结晶、易结垢物料的蒸发，循环速度大 小可调节，传热系数较大。
缺点：能量消耗大。
（2）单程型蒸发器
特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小，表面传热系数较大。 缺点：设计或操作不当时不易成膜， 热流量将明显下降；不适用于易结晶、
c p,0 c p,w (1 w0 ) c p,b w0 c p,w (c p,w c p,b )w0
代入热流量公式得：
qm,v r0 qm,0c p,0 (t t0 ) qm,w r L
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r 生蒸汽冷凝热J/kg
r 二次蒸汽冷凝热J/kg
第5章 蒸 发
5.1 概述 5.1.1 蒸发及应用
(1) 蒸发：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方 法，使
溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化 除去，而溶液得到浓缩 。 设备：蒸发器，冷凝器 。
二次蒸汽
（2）应用：
① 将溶液浓缩后，冷却结晶，获得固体产品；
② 浓缩溶液，获得纯净的溶剂产品； ③ 获得浓缩的溶液产品。
说明：如果采用冷凝器中的二次蒸气温度，则：
t t t t
t ' "
'"
如果采用蒸发器中的二次蒸气温度，则：
t t t ' t "
（2）溶液的沸点升高的计算
① 溶液蒸汽压降低引起的沸点升高 t
方法1：实验测定溶液的沸点 tb， 由二次蒸汽压力确定其饱和温度T′。
t ' tb T '
方法2：用杜林规则求溶液的沸点。
杜林规则 ：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下标准液体的
沸点呈线性关系，即有：
t b kt w m
式中， tw：标准液体(一般取水)的沸点；
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k、m：与溶液种类、浓度有关。
杜林规则也可用图形表示
说明：由图可见，低浓度下，压力对Δt′影响不大。 Δt′也可按下式估算：
冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用
气液直接接触的混合式冷凝器， 如逆流高位冷凝器。 真空装置：排除少量不凝性气体， 维持蒸发所需要的真空度。 水环式真空泵、喷射泵、往复式
真空泵。
5.3 单效蒸发 5.3.1 物料衡算
目的：计算蒸发水量和完成液浓度
二次蒸汽 qmwT’,H’
对溶质：
qm,0w0 (qm,0 qm, w )w
结垢物料的蒸发。
① 升膜式蒸发器 说明：不适于较浓溶液、粘度大、 易结晶、易结垢物料的蒸发。
② 降膜式蒸发器
优点：传热系数较高，与升膜相比，可以蒸发浓度较高的溶液， 对粘度较大的物料也能适用。
缺点：结构较复杂。
（3）直接接触传热蒸发器
气汽混合物 燃料气
优点：结构简单，适用于易结晶、
空气 3 2 出料 4 进料 1 1-外壳 2-燃烧室
Φ qm, v ( H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w ( H h) ΦL
(2) 热量衡算式的简化
忽略溶解热、稀释热时，溶液的热焓和比热容取质量平均， 以0C为热焓基准，则有：
h cpt
h0 c p,0 t0
c p c p,w (1 w) c p,b w c p,w (c p,w c p,b )w
5.3.2 热量衡算
目的：计算生蒸汽消耗量 (1) 热量衡算式
qm, v H qm,0h0 qm, v hw (qm,0 qm, w )h qm,w H ΦL
或：Φ qm, v ( H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w ( H h) ΦL
w0 qm,0 (1 ) w
料液 qm0,w0, t0 ,c0 ,h0
加热室
完成液 qm0-qmw,w, t,c,h
蒸发水量：
qm, w
加热蒸汽 qmv,T,H
蒸汽冷凝水 qmv,T,hw
完成液浓度：
w
q m,0w0 qm,0 qm, w
单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图
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0.25
v l

核状沸腾区： Nu
0 0.225cs Rev .69 P 1 v