化工原理(第五部分蒸发和冷冻)
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化工原理-蒸发(第五章1)
33
二、加热蒸汽消耗量D
稀释热不可忽略时，溶液的焓由专用的焓 浓图查得，图5-14为NaOH水溶液的焓浓图。
8
第5章 蒸发
5.1 蒸发设备 5.1.1 蒸发器的结构
9
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-1 中央循环管式蒸发器 1-加热室 2-分离室
动画11
10
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-2 悬筐蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-除沫器
4-环形循环通道
11
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-3 外热式蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-循环管
第5章 蒸发
学习目的 与要求 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发
器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要 求和物料特性，合理选择蒸发器的类型并确定适宜 操作的流程和条件。
1
概述
蒸发 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出
蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作 称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。
Q D(H hw ) WH' (F W )h1 Fh0 QL
蒸发器的 热损失
32
二、加热蒸汽消耗量D
加热蒸汽的消耗量
D WH' (F W )h1 Fh0 QL H hw
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除， 则
D WH' (F W 来自h1 Fh0 QL r加热蒸汽 的汽化热
二、温度差损失
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失Δ'''
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效 作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压 强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。
Δ'''的计算相当繁琐，一般取效间二次蒸汽
二、加热蒸汽消耗量D
稀释热不可忽略时，溶液的焓由专用的焓 浓图查得，图5-14为NaOH水溶液的焓浓图。
8
第5章 蒸发
5.1 蒸发设备 5.1.1 蒸发器的结构
9
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-1 中央循环管式蒸发器 1-加热室 2-分离室
动画11
10
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-2 悬筐蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-除沫器
4-环形循环通道
11
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-3 外热式蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-循环管
第5章 蒸发
学习目的 与要求 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发
器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要 求和物料特性，合理选择蒸发器的类型并确定适宜 操作的流程和条件。
1
概述
蒸发 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出
蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作 称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。
Q D(H hw ) WH' (F W )h1 Fh0 QL
蒸发器的 热损失
32
二、加热蒸汽消耗量D
加热蒸汽的消耗量
D WH' (F W )h1 Fh0 QL H hw
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除， 则
D WH' (F W 来自h1 Fh0 QL r加热蒸汽 的汽化热
二、温度差损失
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失Δ'''
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效 作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压 强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。
Δ'''的计算相当繁琐，一般取效间二次蒸汽
化工原理蒸发第五章
用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一 定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可 以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上 取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有
h0 c0t0 0 c0t0
h1 c1t1 0 c1t1
hw cwT 0 cwT
代入前面的两式得：
• 自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产 生密度差而引起的循环运动 • 强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动
•1
中央循环管式(标准式)
•优点： • 溶液循环好 • 传热效率高 • 结构紧凑、制造方便、操作 可靠 •缺点： • 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
•直接加热蒸发器
•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1200～1800℃，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 分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽 与烟道气一同由顶部排出。
•优点：结构简单，不需要固定 的传热面，热利用率高
•适于处理易结垢、易结晶或有 腐蚀性的溶液。 •不适于处理不能被燃烧气污染 及热敏性的溶液。
（1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压 强的下溶剂的沸点成线性关系：
tA t K tw t
0 A 0 w
t A t K (t w t )
0 A 0 w
不同浓度NaOH水溶液的 沸点与对应压强下纯水的 沸点的关系，由图可以看 出，当NaOH水溶液浓度 为零时，它的沸点线为一 条 45 对角线，即水的沸点 线，其它浓度下溶液的沸 点线大致为一组平行直线。
冷凝水
化工原理第五章
（5）溶剂的汽化需要吸收能量，热源耗量很大，如何 利用二次蒸气，节能降耗，是蒸发操作的关键。
第一节 概 述
二、 蒸发操作的分类
（1）按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压 （即真空）蒸发。常压操作时，一般采用敞口设备，二次 蒸发直接排到大气中，所用的设备和工艺条件都较为简单。 采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高传 热的利用率。同时，可使溶液黏度降低，改善传热效果。 另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相 匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9 MPa下进行，宜 采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器 后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。
第一节 概 述
图5-1 1.加热室 2.分离室 3.混合冷凝室 4.分离器
第二节 单效蒸发及其计算
一、 溶液的沸点和温度差损失
前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其
传热的平均温度差Δt为加热蒸气的温度T与溶液的沸点t之间的
差值，即
Δt=T-t
(5-1)
Δt称为有效温度差，二次蒸气的温度T′往往小于溶液的
温度差损失）， ℃；
Δ′——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高， ℃；
F——校正系数，无因次，其经验计算式为
式中 T′——操作压强下二次蒸气的温度， ℃； r′——操作压力下水的汽化热，kJ/kg。
第二节 单效蒸发及其计算
2. 按杜林规则计算
杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关 系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为 标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，以溶液沸 点为纵坐标，以水的沸点为横坐标，在直角坐标图上标绘相对应的 沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此直线就可求得该 溶液在其他压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的 NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意 压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点。
第一节 概 述
二、 蒸发操作的分类
（1）按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压 （即真空）蒸发。常压操作时，一般采用敞口设备，二次 蒸发直接排到大气中，所用的设备和工艺条件都较为简单。 采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高传 热的利用率。同时，可使溶液黏度降低，改善传热效果。 另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相 匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9 MPa下进行，宜 采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器 后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。
第一节 概 述
图5-1 1.加热室 2.分离室 3.混合冷凝室 4.分离器
第二节 单效蒸发及其计算
一、 溶液的沸点和温度差损失
前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其
传热的平均温度差Δt为加热蒸气的温度T与溶液的沸点t之间的
差值，即
Δt=T-t
(5-1)
Δt称为有效温度差，二次蒸气的温度T′往往小于溶液的
温度差损失）， ℃；
Δ′——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高， ℃；
F——校正系数，无因次，其经验计算式为
式中 T′——操作压强下二次蒸气的温度， ℃； r′——操作压力下水的汽化热，kJ/kg。
第二节 单效蒸发及其计算
2. 按杜林规则计算
杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关 系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为 标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，以溶液沸 点为纵坐标，以水的沸点为横坐标，在直角坐标图上标绘相对应的 沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此直线就可求得该 溶液在其他压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的 NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意 压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点。
[12(2)-18-2009]工科-化工原理(第五章 蒸发)
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二次蒸汽
二次蒸汽
至冷凝器
一 加热蒸汽 效
二 效
N 效 完成液
原料液
问题一：原料液为何从蒸发器中部进入？ 问题二：原料液的最佳进料高度？
特点：优点： PN 1 PN PN 1 中间不用泵
TN 1 TN TN 1 前效对后效为过热，则 可部分闪蒸
缺： CN 1 CN CN 1 N 1 N N 1
（2）溶液沸点 常压下不同浓度溶液沸点可查图（杜林线），然后再校正为操 作压力下的沸点。 三.传热速率方程：目的求传热面积 因间壁总传热速率方程为
Q K 0 S 0 t , Q为蒸发器的热负荷或传 热速率m 2 K 0基于传热外表面的总传 热系数W /(m 2 C )
S 0 传热外表面面积 2 , t平均传热温度差 C m
生产强度：Q单 KS t单 Q
（2）双效：生产能力： 双 Q1 Q2 K1S1t1 K 2 S 2 t 2 Q 若K取平均值，各效 相等，则Q双 KS t双 S
生产强度 KS t双 2S K t双 2
F W h WH Fh D
1
0
QL
H hW
D为加热蒸汽消耗量 / h, H为加热蒸汽的焓 / kg kg kJ h0, h1分别为原料液和完成液 的焓kJ / kg, H 为二次蒸汽的焓 / kg kJ hW 为冷凝水的焓kJ / kg, QL为蒸发器的热损失
若加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，
(3)比较： t双 t单 双效生产能力比单效低 且双效生产强度达不到 单效的50%
(4)说明：取操作费和设备 费最低的效数
四.提高加热蒸汽经济性的具体措施 1.抽出额外蒸汽 额外蒸汽：从 蒸发设备中抽出的部分用于其它换热设备的二次 蒸汽 提高蒸汽经济性的原因：料尽其用；蒸发器的冷凝器负荷降低 2.充分利用冷凝水的显热 加热各种需加热的物料 闪蒸法使其减压下部分汽化，作为加热热载体 3.用热泵蒸发 （1）定义：用压缩机使二次蒸汽的压力增加，使其的饱和温 度超过溶液的沸点，再送回蒸发器加热室，作为加热蒸汽， 该法为 （2）优点：节省生蒸汽，节省冷凝器
化工原理上第5章5 蒸发
效数选择：
生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终 正比于效数。 选取原则：设备费用和操作费用总和最小，
通常选取2-3效。
5.4.4 提高加热蒸汽经济性的措施
(1) 额外蒸汽的引出 (2) 冷凝水的闪蒸 (3) 多效变级闪蒸 (4) 热泵蒸发
(1) 额外蒸汽的引出
在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸气，称为额外蒸气,作为 其它加热设备的热源。引出额外蒸气时，生蒸气的消耗量增加，但 所增加的生蒸气量小于引出的额外蒸气总量，从总体来看，生蒸气 的经济性提高了.
(2) 蒸发器的传热面积计算和有效温差分配
各效有：
Ai
Qi K i ti
t1
: t2
: t3
Q1 K1 A1
:
Q2 K2 A2
:
Q3 K3 A3
一般取： A1 A2 A.3 ...An
得：
t1
:
t2
:
t3
Q1 K1
:
Q2 K2
: Q3 K3
t1
Q1
/ K1 Qi
已知： F, x0 , t0 , x, p, p
求： W，D，A （ 以平流流程为例）
(1) 物料衡算和热量衡算
1) 物料衡算
W
n
Wi
总溶质：
Fx0
i 1
(F
W )xn
W
F (1
x0
)
xn
任一效溶质：Fx0 (F W1...Wi )xi
xi
(F
Fx0 W1...Wi )
蒸发室
加热室
完成液 Fq-mW0,-xqmw,w, t,tc,,ch,,h
化工原理第五章讲稿
冷凝液在蒸汽饱和温度下排出时：
c
pw
D Wr ' r
上面公式可以简化为：
hwcpw(Tw0)
2019/9/14
③ 沸点进料，t0 = t1，并忽略热损失和溶液浓度较低时， c p1= cp0 ，则
UWS Kr'tm
或
Q SO KOtm
式中称D/W为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济 程度（或生蒸汽的利用率）。
有
Hhw r
D (H cpTw )W '(F H W )cp1t1Fp0t0 cQ l
h0cp0(t00)cp0t0
代入前面的两式得：
c
pw
式中 cp0 、cp1——料液和完成液的比热，kJ/kg·K。
2019/9/14
为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液 的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即
由于引起循环运动的原因不同，又分为自然循环型和强制循环 型两类。
自然循环(natural circulation) ：由于溶液受热程度不同产 生密度差引起。
强制循环(forced circulation) ：用泵迫使溶液沿一定方向 流动。
2019/9/14
① 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。
2019/9/14
• 5.2.2 单效蒸发的计算
• 对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操 作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：
•
① 水分的蒸发量；
•
② 加热蒸汽消耗量；
•
③ 蒸发器的传热面积。
•
要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程、
c
pw
D Wr ' r
上面公式可以简化为：
hwcpw(Tw0)
2019/9/14
③ 沸点进料，t0 = t1，并忽略热损失和溶液浓度较低时， c p1= cp0 ，则
UWS Kr'tm
或
Q SO KOtm
式中称D/W为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济 程度（或生蒸汽的利用率）。
有
Hhw r
D (H cpTw )W '(F H W )cp1t1Fp0t0 cQ l
h0cp0(t00)cp0t0
代入前面的两式得：
c
pw
式中 cp0 、cp1——料液和完成液的比热，kJ/kg·K。
2019/9/14
为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液 的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即
由于引起循环运动的原因不同，又分为自然循环型和强制循环 型两类。
自然循环(natural circulation) ：由于溶液受热程度不同产 生密度差引起。
强制循环(forced circulation) ：用泵迫使溶液沿一定方向 流动。
2019/9/14
① 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。
2019/9/14
• 5.2.2 单效蒸发的计算
• 对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操 作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：
•
① 水分的蒸发量；
•
② 加热蒸汽消耗量；
•
③ 蒸发器的传热面积。
•
要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程、
《化工原理》第5章 蒸发
1.真空蒸发装置
在真空蒸发装置中，除了蒸发器以 外，还应有冷凝器、真空泵等附属 设备。
2.真空蒸发的流程
图5-12为单效真空蒸发流程示意图。
1.蒸发器 2、4.分离器 3.混合冷凝器 5.缓冲罐 6.真空泵 7.真空贮存罐 图5-12 单效真空蒸发流程示意图
22
第5章 蒸发
3.真空蒸发的优点 （1）真空蒸发的温度低，适用于处理在高温下易分解、聚 合、氧化或变性的热敏性物料。 （2）蒸发操作的热源可以采用低压蒸汽或废汽，提高了热 能的利用率。 （3）在减压下溶液的沸点降低，使蒸发器的传热推动力增 3 加，所以对一定的传热量，可以相应减小蒸发器的传热面积。 （4）真空蒸发的操作温度低，可减少蒸发器的热损失。 4.真空蒸发的缺点 （1）在减压下，溶液的沸点降低，其粘度则随之增大，从 而导致蒸发器总传热系数的下降。 （2）需要有一套真空系统，并消耗一定的能量，以保持蒸 发室的真空度。
4
第5章 蒸发
5.1.2 蒸发过程的特点
蒸发操作总是从溶液中分离出部分（或全部）溶剂。常见的蒸发过程实际上 是通过传热壁面的传热，使一侧的蒸汽冷凝而另一侧的溶液沸腾，溶剂的汽化速 率由传热速率控制，所以蒸发属于传热过程。但蒸发又有别于一般的传热过程， 具有下述特点： (1)传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，所以属于壁面 两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 (2)溶液性质：在蒸发过程中溶液的黏度逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。有些溶液在 蒸发过程中有晶体析出、易结垢、易产生泡沫，在高温下易分解或聚合。 (3)溶液沸点的改变：含有不挥发溶质的溶液，其蒸气压较同温度下溶剂的蒸气压 低。换句话说，在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，所以当加热蒸汽 的压强一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液浓度越 高这种现象越显著。 (4)泡沫夹带：溶剂蒸气中夹带大量泡沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物 料，而且污染冷凝设备。 (5)能源利用：蒸发时产生大量溶剂蒸气，如何利用溶剂的汽化热，是蒸发操作中 要考虑的关键问题之一。
化工原理-蒸发(第五章2)
来衡量其生产能力。
Q KS T t1
2
二、蒸发器的生产强度
生产强度 单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，用
U表示，其单位为kg/（m2∙h），即
U W S
生产强度是评价蒸发器优劣的重要指标。 对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所 需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越省。
3
二、蒸发器的生产强度
图5-16 并流加料的三效蒸发装置流程示意图
9
一、并流(顺流)加料法的蒸发流程
优点 后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液
在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必 另外用泵。
后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶 液进入后效时，会因过热而自动蒸发(称为自蒸 发或闪蒸)，因而可以多产生一部分二次蒸汽。
10
多效蒸发的效数应有一定的限制： ①随着效数增加，温度差损失加大；
②随着效数的增加，虽然(D/W)min不断减小，
但所节省的蒸汽消耗量也越来越少； ③随着效数增加，蒸发强度不断降低，设
备投资费用增大。 最佳效数要通过经济权衡决定，单位生产
能力的总费用最低时的效数即为最佳效数。
20
第5章 蒸发
5.3 多效蒸发 5.3.1 多效蒸发的操作流程 5.3.2 多效蒸发的计算（自学） 5.3.3 多效蒸发和单效蒸发的比较 5.3.4 提高加热蒸汽经济性的其他措施
18
三、蒸发器的生产能力和生产强度
三效蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相 同，因此生产能力也大致相同。
但生产强度不相同，即三效蒸发时的生产 强度(单位传热面积的蒸发量)约为单效蒸发时 的三分之一。
多效蒸发中，加热蒸汽经济性的提高是以 降低蒸发强度为代价换得的。
19
四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数
Q KS T t1
2
二、蒸发器的生产强度
生产强度 单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，用
U表示，其单位为kg/（m2∙h），即
U W S
生产强度是评价蒸发器优劣的重要指标。 对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所 需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越省。
3
二、蒸发器的生产强度
图5-16 并流加料的三效蒸发装置流程示意图
9
一、并流(顺流)加料法的蒸发流程
优点 后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液
在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必 另外用泵。
后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶 液进入后效时，会因过热而自动蒸发(称为自蒸 发或闪蒸)，因而可以多产生一部分二次蒸汽。
10
多效蒸发的效数应有一定的限制： ①随着效数增加，温度差损失加大；
②随着效数的增加，虽然(D/W)min不断减小，
但所节省的蒸汽消耗量也越来越少； ③随着效数增加，蒸发强度不断降低，设
备投资费用增大。 最佳效数要通过经济权衡决定，单位生产
能力的总费用最低时的效数即为最佳效数。
20
第5章 蒸发
5.3 多效蒸发 5.3.1 多效蒸发的操作流程 5.3.2 多效蒸发的计算（自学） 5.3.3 多效蒸发和单效蒸发的比较 5.3.4 提高加热蒸汽经济性的其他措施
18
三、蒸发器的生产能力和生产强度
三效蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相 同，因此生产能力也大致相同。
但生产强度不相同，即三效蒸发时的生产 强度(单位传热面积的蒸发量)约为单效蒸发时 的三分之一。
多效蒸发中，加热蒸汽经济性的提高是以 降低蒸发强度为代价换得的。
19
四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数
化工原理课件(天大版)第五章 蒸发
液层静压引起的温度差损失为：
t m t o
（3）二次蒸汽的阻力损失引起的此项影响很小， 通常取 1 ℃左右。
二、单效蒸发器的计算
已知：F、x0、t0、x 计算内容： L、 W、加热蒸汽量D、加热面积
1、物料衡算
L F W Lx Fx 0
x0 W F1 x
2）降膜式蒸发器
料液是从蒸发器的顶部加入，在重力 作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中 蒸发增浓，在其底部 得到浓缩液。 降膜式蒸发器可以 蒸发浓度较高、粘度 较大（0.05～0.45 Pa· s） 、蒸发量较小、热敏 性的物料。但因液膜 在管内分布不易均匀， 传热系数比升膜式蒸 发器的较小，仍不适 用易结晶或易结垢的 物料。
加热管直径约 为25～50mm， 管长和管径之 比约为100～ 150
分离器
合物在分离器内分离。
优点： 溶液在蒸发器中不循环，停留时间很短， 因而特别适用于热敏性物料的蒸发； 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，因而这种蒸发器 的有效温差较大。 由于溶液呈膜状流动，因而对流传热系 数较大。 缺点： 对进料负荷的波动相当敏感，当设计或操作不适当时不易成膜， 此时，对流传热系数将明显下降。 适用场合： 适用于黏度较小的（小于0.05Pa· s）、蒸发量较大、易受热 分解的热敏性溶液者；不适用于粘度很大，易结晶或易结垢的物 料的蒸发。
2、单程型蒸发器
间壁 循环式 式蒸 发器
升膜式蒸发器-----价廉 降膜式蒸发器-----价廉 单程式（膜式）： 刮板式蒸发器 升-降膜式蒸发器 溶液不循环带来好处有： （1）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； （2）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。
化工原理上第5章蒸发小结
qm,wi )
i 1
qm,0w0 (qm,0 qm,w )wn i 1,2,n 1 j n
（2）加热蒸汽消耗量
单
双
qm,w 1
2
qm,v 0.91
1.75
三效仿
3 2.5
四效
4 3.33
二、蒸发过程的沸点升高和传热温差损失 1、沸点升高 （1）溶质的存在，溶液的饱和蒸气压下降，沸点上升 （2）溶液的静压头，引起沸点升高。 （3）蒸汽流动过程中的阻力损失，造成的沸点升高。
t0 ) qm,wr L r0
若沸点进料，忽略热损失时， t0 t L 0
qm,v
qm,wr r0
qm,w r 1 qm,v r
即蒸发多少水分，则消耗多少蒸汽。
2、多效蒸发过程
（1）总蒸发水量 qm,w qm,wi
qm,w
qm,0 (1
x0 xn
适用于粘度随流体温度和浓度变化较大的物料，不适于 热敏性物料。
3、平流加料流程（料液并行加入各蒸发器）
适用于易析出结晶的物料。
若二次蒸汽温度由蒸发室压力查取时，则没有 ' ' '
2、传热温差损失 溶液沸点升高，对蒸发过程的影响表现为减少了蒸发过
程的传热温差。 三、多效蒸发的流程 1、并流流程 （1）料液输送利用各效压力差，不必设泵； （2）后一效沸点比前效低，过热，产生自蒸发（闪蒸） （3）各效传热系数相差较大，前几效大，后几效小。 2、逆流加料流程 （1）料液输送，各效间用泵（低压至高压） （2）无自蒸发，且多消耗部分热（料液升温） （3）各效传热系数较为均匀。
第5章 蒸发
一、单效蒸发和多效蒸发
i 1
qm,0w0 (qm,0 qm,w )wn i 1,2,n 1 j n
（2）加热蒸汽消耗量
单
双
qm,w 1
2
qm,v 0.91
1.75
三效仿
3 2.5
四效
4 3.33
二、蒸发过程的沸点升高和传热温差损失 1、沸点升高 （1）溶质的存在，溶液的饱和蒸气压下降，沸点上升 （2）溶液的静压头，引起沸点升高。 （3）蒸汽流动过程中的阻力损失，造成的沸点升高。
t0 ) qm,wr L r0
若沸点进料，忽略热损失时， t0 t L 0
qm,v
qm,wr r0
qm,w r 1 qm,v r
即蒸发多少水分，则消耗多少蒸汽。
2、多效蒸发过程
（1）总蒸发水量 qm,w qm,wi
qm,w
qm,0 (1
x0 xn
适用于粘度随流体温度和浓度变化较大的物料，不适于 热敏性物料。
3、平流加料流程（料液并行加入各蒸发器）
适用于易析出结晶的物料。
若二次蒸汽温度由蒸发室压力查取时，则没有 ' ' '
2、传热温差损失 溶液沸点升高，对蒸发过程的影响表现为减少了蒸发过
程的传热温差。 三、多效蒸发的流程 1、并流流程 （1）料液输送利用各效压力差，不必设泵； （2）后一效沸点比前效低，过热，产生自蒸发（闪蒸） （3）各效传热系数相差较大，前几效大，后几效小。 2、逆流加料流程 （1）料液输送，各效间用泵（低压至高压） （2）无自蒸发，且多消耗部分热（料液升温） （3）各效传热系数较为均匀。
第5章 蒸发
一、单效蒸发和多效蒸发
化工原理 第五章 蒸发
第五章蒸发evaporationξ5－1 蒸发过程概述31．蒸发的概念 2．蒸发操作的目的．蒸发流程4．蒸发过程的分类5．蒸发操作的特点ξ5－2 蒸发设备一.常用蒸发器的结构与特点．直接接触传热的蒸发器 2．单程型蒸发器 1．循环型蒸发器3蒸发器的选型二.、蒸发器性能的比较与选型1、蒸发器改进与发展2ξ5－1 蒸发过程概述(summarize of evaporation process）1．蒸发的概念将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。
蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。
2．蒸发操作的目的(purpose of evaporation manipulation）工业蒸发操作的主要目的是：（1）稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如稀烧碱溶液（电解液）的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等等；（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。
（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。
1工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。
原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。
3．蒸发流程 (evaporation flow path）按照分子运动学说，当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。
当一些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子便会从液体表面逸出而成为自由分子，此即分子的汽化。
因此溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能，以维持分子的连续汽化；另一方面，液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。
【播放动画】液体蒸发过程5-1液体蒸发的简化流程如图片5-1所示，其主体设备—蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质（通常为饱和水蒸汽）加热管内的溶液，使之沸腾汽化。
化工原理 第五章 蒸发
第五章蒸发evaporationξ5－1 蒸发过程概述1．蒸发的概念2．蒸发操作的目的3．蒸发流程4．蒸发过程的分类5．蒸发操作的特点ξ5－2 蒸发设备一.常用蒸发器的结构与特点1．循环型蒸发器2．单程型蒸发器3．直接接触传热的蒸发器二.蒸发器的选型1、蒸发器改进与发展2、蒸发器性能的比较与选型ξ5－1 蒸发过程概述(summarize of evaporation process）1．蒸发的概念将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。
蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。
2．蒸发操作的目的(purpose of evaporation manipulation）工业蒸发操作的主要目的是：（1）稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如稀烧碱溶液（电解液）的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等等；（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。
（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。
工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。
原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。
3．蒸发流程 (evaporation flow path）按照分子运动学说，当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。
当一些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子便会从液体表面逸出而成为自由分子，此即分子的汽化。
因此溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能，以维持分子的连续汽化；另一方面，液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。
【播放动画】液体蒸发过程5-1液体蒸发的简化流程如图片5-1所示，其主体设备—蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质（通常为饱和水蒸汽）加热管内的溶液，使之沸腾汽化。
化工原理 第五章 蒸发
加热室 D, Ts ,hs
完成液 L，t，h, c
按教材上的符号写： 忽略c p 0，c p1差别，且H ′ − c p1t1 ≈ r ′ D= FcP 0 ( t1 − t0 ) + wr ′ + QL r
三、加热面积A的计算 加热面积 的计算
bdo do do 1 1 = + RO + + Ri + Ko αo λdm di αidi
理论上： 理论上： 一效1kg蒸汽→1kg水 蒸汽→ 一效 蒸汽 水
一、多效蒸发流程
并流流程 逆流流程 按料液与二次蒸汽的走 向分为 错流流程 平流流程
并流流程： 并流流程：
思考： 大小顺序？ 思考：P1、 P2、 P3大小顺序？
P1 > P2 > P3 T1 > T2 > T3
完成液
逆流多效蒸发器
∆tm = Ts − t = Ts − T − ∆
冷却水
证明： 证明：
多效与单效相比，生产能力低、生产强度小。 多效与单效相比，生产能力低、生产强度小。 料液
T
P
单效： 单效：Q = KA∆t m
三效： 三效：Q1 = K1 A ∆t m 1 3 A Q2 = K 2 ∆t m 2 3 A Q3 = K 3 ∆t m 3 3
冷凝水 水 完成液 单效蒸发器
5、蒸发过程总结 、 1）、实质是传热过程 ） 2）、沸点升高，传热温差小于蒸发纯 ） 沸点升高， 溶剂 3）、重视体系特性 ） 结垢、 结垢、结晶 热敏物质 粘度与腐蚀性等
二、单效蒸发器的计算 物料衡算 热量衡算 传热速率方程 沸点升高关系式
单效蒸发器的计算
已知： 已知：F、x0、t0、x 计算内容： 计算内容： L、 W、加热蒸汽量 、加热面积 、加热蒸汽量D、
《化工原理》课件—05蒸发
也可以用同压强 下水蒸汽的温度 直接查图求得不 同浓度下溶液得 沸点。
图【5-8】
2-2 液柱静压头引起的沸点变化
以前在计算沸点时均不考虑液柱深度的 影响。但在长管蒸发器中，液柱很高。 液体内部所受的压力大于液面所受的压 力，因此在计算沸点时应考虑这种影响 因素。
随着液柱高度的变化，液体内部的压强 在改变。通常取液柱中点的压强计算溶 液的沸点。
W F (1 xo ) 10000(1 68) 2440kg / h
x1
90
6atm的加热蒸汽的温度和潜热分别为
T=159°C, r=2091kJ/kg
0.2atm的二次蒸汽的潜热为
r´=2355kJ/kg
对于沸点进料，由式【5-9】得
D Wr 2440 2355 2748kg / h
2-1 溶质引起的沸点改变
一、经验公式计算 溶质引起的沸点改变值Δ΄主要与溶液的种类、溶 液中溶质的浓度和蒸发压力有关。
设操作压下溶液的沸点为tA和二次蒸汽温度为 T´，则
Δ΄ =tA- T´ =f Δ΄a 【5-1】
式中： f 为校正系数，无因次 Δ΄a可从手册中查取
Δ΄a是常压下溶液的沸点与纯水的沸点 的差值。
3-1 物料衡算
W,T´,I´
由于蒸发过程中，只有溶剂 蒸发而溶质不挥发。所以对 于稳态过程，对溶质作物料 衡算。图【5-9】
Fxo (F W )x1
【5-5】
因此，可求得蒸发水量W
W F (1 xo ) x1
【5-6】
F,xo,io 蒸发室
D,T,I 加热器
F-W,x1,i1
D,T,i
图【5-9】
1-3-2 降膜蒸发器
若蒸发浓度或粘度较 大的溶液，可用降膜 式蒸发器。原料液由 加热室的顶部进入， 通过分布器均匀地流 入加热管并在重力的 作用下形成下降的膜，
图【5-8】
2-2 液柱静压头引起的沸点变化
以前在计算沸点时均不考虑液柱深度的 影响。但在长管蒸发器中，液柱很高。 液体内部所受的压力大于液面所受的压 力，因此在计算沸点时应考虑这种影响 因素。
随着液柱高度的变化，液体内部的压强 在改变。通常取液柱中点的压强计算溶 液的沸点。
W F (1 xo ) 10000(1 68) 2440kg / h
x1
90
6atm的加热蒸汽的温度和潜热分别为
T=159°C, r=2091kJ/kg
0.2atm的二次蒸汽的潜热为
r´=2355kJ/kg
对于沸点进料，由式【5-9】得
D Wr 2440 2355 2748kg / h
2-1 溶质引起的沸点改变
一、经验公式计算 溶质引起的沸点改变值Δ΄主要与溶液的种类、溶 液中溶质的浓度和蒸发压力有关。
设操作压下溶液的沸点为tA和二次蒸汽温度为 T´，则
Δ΄ =tA- T´ =f Δ΄a 【5-1】
式中： f 为校正系数，无因次 Δ΄a可从手册中查取
Δ΄a是常压下溶液的沸点与纯水的沸点 的差值。
3-1 物料衡算
W,T´,I´
由于蒸发过程中，只有溶剂 蒸发而溶质不挥发。所以对 于稳态过程，对溶质作物料 衡算。图【5-9】
Fxo (F W )x1
【5-5】
因此，可求得蒸发水量W
W F (1 xo ) x1
【5-6】
F,xo,io 蒸发室
D,T,I 加热器
F-W,x1,i1
D,T,i
图【5-9】
1-3-2 降膜蒸发器
若蒸发浓度或粘度较 大的溶液，可用降膜 式蒸发器。原料液由 加热室的顶部进入， 通过分布器均匀地流 入加热管并在重力的 作用下形成下降的膜，
化工原理(管国锋主编 第三版)课后习题答案5 蒸发
第5章 蒸发1）在单效蒸发器内，将NaOH 稀溶液浓缩至50%，蒸发器内液面高度为2.0m,溶液密度为1500kg/m 3，加热蒸汽绝对压强为300kPa,冷凝器真空度为90kPa ，问蒸发器的有效传热温度差为多少？若冷凝器真空度降为30kpa ，其它条件不变，有效传热温度差有何变化？ [32℃]解:①冷90kPa绝对压强：101.3-90=11.3kPa,该压强下二次蒸汽温度3.47=K T ℃ 加热蒸汽绝压300kPa,对应温度T=133.3℃查NaOH 溶液杜林图，50%NaOH 溶液在11.3kPa 下沸点84℃7.363.4784'=-=∆℃ 0.26281.91500213.1121=⨯⨯⨯+=+=gl p p m ρkPa 查9.63=pm t ℃6.163.479.63=-=-=∆''p pm t t ℃取1=∆'''℃3.5416.167.36=++=∆'''+∆''+∆'=∆℃6.1013.543.47=+=∆+=K T t ℃7.316.1013.133=-=-=∆t T t ℃②冷凝器真空度为30kPa ，绝压101.3-30=71.3kPa ，对应二次蒸汽温度3.90=K T ℃ 查50%NaOH 溶液在71.3kPa 下沸点131℃7.403.90131=-=∆'℃kPa gl p p m 86281.91500213.7121=⨯⨯⨯+=+=ρ查1.95=pm t ℃8.43.901.95=-=∆''℃5.4618.47.40=++=∆'''+∆''+∆'=∆℃3.1338.1365.463.90=>=+=∆+=T T t K ℃所以传热无法进行。
2）一常压蒸发器，每小时处理2700kg 浓度为7%的水溶液，溶液的沸点为103℃，加料温度为15℃，加热蒸汽的表压为196kpa,蒸发器的传热面积为50m 2，传热系数为930 W/(m 2·℃)。
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逆流
优点： 1.随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效传热系数相差不 大，可充分发挥设备潜力。 2.完成液排出温度较高，可利用显热在减压下闪蒸增浓，提高完成液组成。 缺点： 1.辅助设备多，动力消耗大； 2.不适于处理热敏性溶液；3.操作复杂，工艺不易稳定
平流
各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的 物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）。
加热
挥发性溶剂，不挥发溶质――加热、沸腾－→ 溶剂部分汽化；溶液浓缩
2）蒸发操作的目的
➢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 ➢去除杂质。
3）蒸发操作的分类
①按二次蒸气的利用情况分
单效蒸发； 多效蒸发
单效蒸发： 将二次蒸气不再利用而
直接送到冷凝器冷凝以除去 的蒸发操作。
是蒸发器操作是否经济的重要标志。
2）.温差损失
Q kAΔt
T——加热蒸汽温度；
tb——溶液沸点； T′—溶剂的沸点（二次蒸汽饱和温度）；
A Q Ktm
有效温差△t （即△tm）：加热蒸汽温度和溶液沸点之差(实际)
△t = T- tb
视温差△t视：加热蒸汽温度和溶剂沸点之差(理论)
溶剂沸点T′
△t视= T- T′
第五部分：蒸发和冷冻
蒸发部分
蒸发部分
1.蒸发概述
1）蒸发操作概念
溶剂S
溶剂S 溶质A（不挥发）
在化工、轻工、食品、医药等工业中， 通过化学反应或物理性操作过程经常得到 一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准 的产品。
常将含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 的单元操作称为蒸发。
溶液沸点高于纯溶剂的；浓度越高，沸点越高，传热动力越低；
②物料的工艺特性
浓缩结晶、变质分解等；
③能源利用
节约能源，提高蒸汽利用率等；
2.单位蒸汽消耗量D/W 和 温度差损失△
1）.单位蒸汽消耗量
单位蒸汽消耗量 D W
D——加热蒸汽消耗量，kg/h； W——溶剂蒸发量，kg/h；
D/W:每蒸发1kg溶剂所需要加热蒸汽的消耗量。
（2）引出额外蒸汽
在多效蒸发中，末效二次蒸汽因能位太低而难以利用。但是，实际 操作中往往从前几效中引出部分二次蒸汽――称额外蒸汽，供其他加热 设备使用，以提高生蒸汽的利用率。
（2）冷凝水闪蒸
⑶热泵蒸发（二次蒸汽再压缩）
在单效蒸发中，可以将二次蒸汽经压缩机绝热压缩，提高能位后 再送往加热室。
这可以利用二次蒸汽的大量潜热，而为维持正常操作，只需补加 少量压缩功即可。
单效
多效蒸发： 若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作
为加热蒸气,则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用 率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。
料液
冷却水
加热 蒸汽
冷凝水
水
完成液
平流多效蒸发器
单常效压蒸发多采用真空操作； ②按操作压力分 多加效压蒸发一般，前效是加压或常压的，
后效减采压（用真真空空）的；
常压蒸发：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，适用于临时性或小批量的生产。
U W / A kg/(m2 h)
1. 提高传热温差 Δt ――真空蒸发（受水温和设备条件限制）；
2. 提高传热系数K （主要途径）
强化方法： 蒸汽中不凝性气体的排除（蒸汽冷凝降低传热系数）；
液体的流动状态：增加溶液循环和湍流程度；
解决结垢问题；
2）蒸发操作的经济性
可采用的措施： ⑴多效蒸发 ⑵额外蒸汽的采出 ⑶热泵蒸发 ⑷冷凝水热量的利用
（1）采用多效蒸发
提高了生蒸汽的经济性。显然，W/D的提高是以增加 蒸发器的投资为代价换取的。
设备费用随效数增加而增加，一定程度后节省的蒸汽 量得不偿失；一般在四效以下;
料液
冷却水
加热 蒸汽
冷凝水
完成液
平流多效蒸发器
真空
水
压力↘沸点↘
并流
优点： 1．利用各效间压差自动进料，可省去输液泵。 2．前效温度高于后效，进料呈过热状态，产生自蒸发，各效间可不设预 热器。 3．辅助设备少，装置紧凑，温差损失少。 4．操作简便，工艺稳定。 缺点： 后效温度低，组成高，料液黏度增大，降低了传热系数。
2
4
节流阀
5
压缩机
1
蒸发器
T
液
气 2
43
5
1
S P
4 冷凝
2
节流
蒸发
5
1
压 - 焓图 S
气体线液体线
四大件
所用元件 作用
蒸发器
利用冷冻剂 蒸发吸热， 产生冷作用 ；对外输出 冷量的设备
压缩机
提高冷冻剂 气体压力， 造成液体条
件 （从蒸发压 力升到冷凝
加压蒸发：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。
减压蒸发： 沸点降低 优点： (1) 有利于提高Δtm ↑, (2) 可利用低压蒸汽作为加热蒸汽 (3)有利于对热敏性物料蒸发 (4)沸点温度低，减少热损失
4）蒸发操作的特点
蒸发属于传热加传递过程，但又区别与传热
①沸点升高
低温 低压 压缩机 （压缩）
气体 高
低
气 体
温
高
压
高
压 蒸发器 （蒸发）
冷凝器 （冷凝） 压
吸
放
热
液
体
液
热
体
节流 （膨胀）
低温 低圧
常温 高圧
饱和状态
冷凝、冷却器
3 2
4 压缩机
P ↓ 节流阀
1
T↓
5
蒸发器
T
过热蒸气
2
(饱和l) (饱和g)
4
3
等焓线
5 (湿蒸汽)
1 (饱和g) S
冷凝、冷却器
3
4. 蒸发设备
将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）
中央循环管式
循环型 外热式
强制循环式
单程型
升膜式 降膜式
刮板式
辅助设备：除沫器、冷凝器、真空泵等
循环型
单程型
冷冻部分
补：热力学基本概念
冷冻简介
制冷操作： 利用冷冻剂从物料中取出热量，使物料低于周围环境
的温度，同时将热量传递给周围的水或空气的操作。
溶液沸点tb
有效温差△t
加热 T
温差损失△： 溶液沸点与溶剂沸点之差(即:沸点升高)
△ =△t视- △t = tb- T′ 温差损失△,就是溶液沸点升高值
温差损失原因：
溶质引起；液柱静压头引起；流体阻力；
3. 蒸发生产强度和强化途径
1）.蒸发器生产强渡
单位加热面的蒸发水量为蒸发器生产强度，用U表示，
制冷：将热持续的从低温物体传给高温环境介质
由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，
因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程。
制冷的基本方法
相变制冷
蒸气压缩式制冷 吸收式制冷 蒸汽喷射式制冷
气体膨胀制冷(节流效应和绝热膨胀)
1.冷冻循环基本原理
冷凝压力 液体 蒸发压力
冷凝压力 蒸发压力 气体
冷冻循环