化工原理蒸发
化工原理蒸发
化工原理蒸发
蒸发是一种常见的物质转化过程，是液体变为气体的过程。
在化工生产中，蒸发常用于从溶液中分离出溶质，或者将溶剂从溶液中回收的操作。
蒸发的原理是利用液体分子的热运动引起部分分子逃逸出液体表面，从而形成气体。
当液体处于开放容器中，溶剂分子会不断地从液体表面逸出并溶入空气中，使得溶液中的溶质浓度逐渐升高。
而当液体处于封闭容器中时，液体表面的溶质分子逸出后会与气体相平衡，形成溶解度平衡。
蒸发的速率受到多种因素的影响。
首先是液体的性质，液体的分子间作用力越小，蒸发速率越快。
其次是温度，温度越高，液体的分子热运动越剧烈，蒸发速率越快。
此外，湿度也会影响蒸发速率，湿度越低（即空气中水蒸气含量越低），蒸发速率越快。
在化工生产中，常用的蒸发设备有蒸发罐、蒸发器和蒸发冷凝器等。
蒸发罐是将液体加热使其蒸发，将蒸发的气体与溶质分离，获得溶质的设备。
蒸发器则是利用热量传导或传热介质将溶液加热使其蒸发的设备。
蒸发冷凝器则是用于将蒸发后的气体冷凝为液体，以便于回收溶质或溶剂。
蒸发技术在化工生产中具有广泛的应用。
例如，在制造盐的过程中，可以通过蒸发从盐水中分离出盐。
在制糖工业中，可以通过蒸发从甜汁中分离出糖。
此外，蒸发技术还可以用于回收有机溶剂，降低生产成本，并减少对环境的污染。
总结起来，蒸发是一种常见的物质转化过程，在化工生产中被广泛应用。
通过调控液体的性质、温度和湿度，以及使用适当的蒸发设备，可以实现溶质的分离和溶剂的回收，提高生产效率，降低生产成本。
化工原理 第六章 蒸发
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主题
西
安 1、溶液沸点升高――杜林规则
交 大
’：与溶液的种类、浓度、蒸汽压
化
力有关
工 (1)手册上可以查到常压下的溶液沸点
原 (2)杜林规则：（压强影响）
理
电 子 课
tA tw
t
0 A
tw0
K
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主题
西
安 两种不同压力下溶液的沸点差与另 交 一种标准液体在相应压力下的沸点差的 大 比值为常数。
西
安
交
大 化
化工原理 第六章 蒸发
工
原
理
电
子
课
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主题
西
第一节 概 述
安
交 一、蒸发的概念：
大 化 工
挥发性溶剂，不挥发溶质――加热、沸腾 －→ 溶剂部分汽化；溶液浓缩
原
热量供给→汽化→热量衡算 传热
理特
速率
电 子
点 蒸汽移出→浓缩→物料衡算
方程
课
沸腾现象 溶液→沸点升高
件
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任务：(1)计算水分蒸发量（二次蒸汽量）
W kg/h
子
(2) 加热蒸汽消耗量D kg/h
课
(3)蒸发器传热面积S
件
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主题
西
安
交
一、单效蒸发器的计算
大
化
物料衡算
工
热量衡算
原
理
传热速率方程
电
沸点升高关系式
子
课
件
化工原理蒸发
化工原理蒸发
蒸发是化工过程中常见的一种分离技术，它利用物质在加热的条件下从液态转
变成气态的特性，实现了液体混合物的分离和浓缩。
蒸发技术在化工工业中有着广泛的应用，涵盖了食品加工、化学工业、环境保护等多个领域。
在化工原理蒸发中，液体混合物首先被加热至其沸点以上，使得部分液体蒸发
成为气体。
然后，通过冷凝器将气体冷却，使其再次变成液体，从而实现了混合物中不同组分的分离。
这一过程中，蒸发器和冷凝器是两个关键的设备，它们的设计和操作直接影响到蒸发过程的效率和成本。
在蒸发过程中，选择合适的蒸发器类型对于实现高效的分离和浓缩至关重要。
常见的蒸发器类型包括单效蒸发器、多效蒸发器、膜蒸发器等。
每种类型的蒸发器都有其适用的场景和特点，化工工程师需要根据具体的情况选择合适的设备。
另外，冷凝器的设计也是影响蒸发效率的重要因素之一。
通过合理的冷却系统
设计和运行参数的优化，可以有效地提高冷凝效率，减少能源消耗，降低生产成本。
除了设备的选择和设计，蒸发过程中的操作条件也对分离效率起着重要的作用。
例如，控制蒸发器的进料流量和温度，调节冷凝器的冷却水流量和温度等操作参数都会影响到蒸发过程的效率和产品质量。
总的来说，化工原理蒸发是一种重要的分离技术，它在化工工业中有着广泛的
应用。
通过合理选择设备、优化设计和操作条件，可以实现高效的分离和浓缩，为化工生产提供了重要的支持和保障。
《化工原理》第六章 蒸发.
可得：
p均
p0
gh
2
（6-13）
第二节 单效蒸发
式中
p均 ——蒸发器中溶液的平均压力，Pa；
p0 ——液面处的压力，即二次蒸汽压力，Pa；
——溶液的密度，㎏／m3；
h ——液层高度，m。
根据上式计算得平均压力可以查得相应的溶液的沸点， 因此可按下式计算
'' t p均 t p0
（6-14）
2．加热蒸汽消耗量
加热蒸汽消耗量通过热量衡算求得。通常，加热蒸汽 为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出，则加热蒸汽仅 放出潜热用于蒸发。若料液在低于沸点温度下进料，对热 量衡算式整理得：
Q Dr Fcp0 (t1 t0 ) Wr' Q损
（6-2）
第二节 单效蒸发
式中
Q——蒸发器的热负荷或传热量，kJ/h ； D——加热蒸气消耗量，kg/h； Cp0——原料液比热容，kJ/(㎏·℃)； t0——原料液的温度，℃； t1——溶液的沸点，℃； r ——加热蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏; r’——二次蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏； Q损 ——蒸发器的热损失，kJ/h 。
管道阻力引起的温度差损失 。 ，其''' 值一般取为1℃
第三节 多效蒸发
一、多效蒸发的操作原理
由蒸发器的热量恒算可知，在单效蒸发器中每蒸发1㎏的水需要 消耗1㎏多的生蒸汽。在大规模的工业生产中，水分蒸发量很大，需 要消耗大量的生蒸汽。如果能将二次蒸汽用作另一蒸发器的加热蒸汽， 则可减少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的压力和温度低于生蒸汽的压 力和温度，因此，二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是：该蒸发器的操作 压力和溶液沸点应低于前一蒸发器。采用抽真空的方法可以很方便地 降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。每一个蒸发器称为一效，这样， 在第一效蒸发器中通入生蒸汽，产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器， 第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸发器，以此类推，末效蒸发器的二 次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空装置对系统抽真空。于是， 从第一效到最末效，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此 可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为 前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，这就是多效蒸发
化工原理-蒸发
蒸发蒸发操作的特点：蒸发是将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂气话，溶液浓缩得到浓溶液的过程。
1.1 蒸发的基本流程：蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内进行，后一部分在冷凝器完成。
蒸发器实质上是一个换热器，由加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽用于下一效的物料加热。
冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。
通常不凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。
料液在蒸发器中蒸浓达到要求后称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。
1.1.2 蒸发的操作方法根据各种物料的特性和工艺要求，蒸发过程可以采用不同的操作条件和方法。
常压蒸发和减压蒸发据操作压力不同，蒸发过程可以分为常压蒸发和减压蒸发，常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或略高于大气压，此时系统中的不凝气依靠本身的压力从冷凝器排出。
减压蒸发冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气需用真空泵抽出。
减压蒸发较常压蒸发具有如下优点：①在加热蒸汽压强相同的情况下，减压蒸发时溶液的沸点低，传热温差可以增大，当传热量一定时，蒸发器的传热面积可以相应地减小；②可以蒸发不耐高温的溶液；③可以利用低压蒸汽或废气作为加热剂；④操作温度低，损失于外界的热量也相应地减小。
但是，减压蒸发也有一定的缺点，这主要是由于溶液沸点降低，黏度增大，导致总的传热系数下降，同时还要有减压装置。
单效蒸发和多效蒸发根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。
单效蒸发中加热蒸汽在冷凝器中用水冷却排出。
多效蒸发中，第一个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸汽，以此类推，串联蒸发器的个数称为效数。
蒸发 化工原理
蒸发化工原理
蒸发是一种常见的物质从液态到气态的相变过程，广泛应用于化工工艺中。
蒸发是通过加热液体使其产生蒸汽，将液体中的溶质分离出来。
这一过程主要依靠液体分子之间的相互作用力的克服和蒸汽与环境之间的质量传递完成。
在化工原理中，蒸发的实现方式多种多样，如单效蒸发、多效蒸发、闪蒸、蒸发结晶等。
其中，单效蒸发是最简单的一种方式，通过加热液体，使其沸腾产生蒸汽，然后分离出液体中的溶质。
多效蒸发则是在单效蒸发的基础上，将蒸汽传导给下一个蒸发器加热新的液体，从而提高热能利用效率。
蒸发过程中，液体分子的动能逐渐增高，能量不断转化为蒸汽的动能，导致液体温度升高。
当液体温度超过其饱和蒸汽压时，液体开始沸腾，产生大量蒸汽。
蒸汽与液体之间的传质过程是通过蒸汽在气液界面上的传递完成。
蒸汽与液体之间的传质速率取决于温度差、接触面积、液体流动情况等因素。
蒸发的应用广泛，常见于海水淡化、废水处理、食盐生产、化工中间体的提纯等工艺中。
通过蒸发，可以实现对溶液中的溶质进行分离和浓缩，提高产品的纯度和品质。
蒸发工艺的设计和优化对于提高产品的产量和质量具有重要意义。
化工原理-蒸发
循环型蒸发器
列文式蒸发器
加热室上增设沸腾室， 溶液的沸腾传热有加热 室转移到沸腾室.
过 程 原
优点：避免加热管表面 结晶和结垢，适于粘度
理 大的溶液，传热系数大
与 装
缺点：液柱静压头引起
备 的温差损失大。
31
单程型蒸发器
升
膜
式
蒸
过 程 原
发 器
理
与
装
备
降 膜 式 蒸 发 器
33
单程型蒸发器
E1 E2
W1
W2
则 W1=D W2=W1-E1=D-E1
D t1
t2
过 程
W3=W2-E2=D-E1-E2
原 水蒸发总量：W= W1 + W2 + W3=3D-2E1-E2
理 与
D W 2 E1 1 E2
装
33 3
备 推广至n效： D W n 1 E1 n 2 E2 1 En 1
5
单效蒸发 物料衡算
水分蒸发量W
总物料衡算： F = L ＋W
过 溶质不变： F x0 Lx F W x
程
原 理
水分蒸发量：
W
F
1
x0 x
与
装 备
完成液浓度：
x F x0 F W
F x0 t0 h0 c0
D, Ts , Hs
W, T, H
蒸发室
加 热 L , x, 室 t , c, h
D, Ts, hs
装
备
35
单程型蒸发器 刮板式冷凝器
过 程 原 理 与 装 备
36
浸没燃烧式蒸发器
过 程 原 理 与 装 备
37
除沫器、冷凝器和真空装置 除沫器
化工原理蒸发
不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性 也不相同，见P302表5-1。
2024/10/10
28
5.2 单效蒸发
5.2.1 溶液的沸点和温度差损失 1.溶液的沸点
含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯 水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯 水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的 传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称 为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失 越大
tW
tW′
纯水沸点，℃
线即可求得该溶液在其它压
强下的沸点。
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33
求解方法有两种：
总的温度差损失为三项之和，即Δ=Δ’ +Δ’’
+20Δ24’/10/’10 ’
30
1).因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失Δ′
设tA为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液 的沸点，则Δ′=tA-T′。Δ值的大小与溶液的种类、 浓度以及操作压强有关，通常采用两种方法计算：
(1).经验估算法(吉辛科法) 对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高Δa′进 行修正用于操作压强下的温度差损失。
冷凝水
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完成液
水
5
蒸发操作时，溶液由分离室底 部加入，沿中央循环管流向加
1.加热室 2.加热管 3.中央循环管 4.分离室 5.除沫器
不凝性气体
热室，在加热室垂直管束内通 过时与饱和蒸汽间接换热，被 加热至沸腾状态，汽液混合物
6.冷凝器 二次蒸汽
冷却水
沿加热管上升，达到分离室时
蒸汽与溶液分离。为与加热蒸 汽相区别，产生的蒸汽称为二 料液
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9
溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液， 其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强 下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸 汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水 的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液 浓度越高，温度差损失越大
化工原理第5章_蒸发
最常用的为杜林法则，即一定浓度的某种溶液的沸点为相 同压强下标准液体的沸点的线性函数。由于不同压强下水的 沸点可水蒸汽表查得，故一般取纯水为标准液体。根据杜林 法则，以溶液的沸点tA 纵坐标，以同压强下水的沸点tW为横 坐标，只要已知某溶液在两个压强下的沸点值，并查出这两 个压强下纯水的沸点，即可作图得一直线，其直线方程为：
（二）按操作压强 1．常压蒸发：蒸发器加热室溶液侧的操作压强略高于大 气压强，此时系统中不凝气体依靠其本身的压强排出。 2．真空蒸发：溶液侧的操作压强低于大气压强，要依靠 真空泵抽出不凝气体并维持系统的真空度。其目的是为了降低 溶液的沸点和有效利用热源。与常压蒸发相比，真空蒸发可以 使用低压蒸汽或废热蒸汽作热源；减小系统的热损失，有利于 处理热敏热性物料，在相同热源温度装置下可提高温度差。但 溶液沸点的降低会使其粘度增大，沸腾时传热系数将降低；且 系统需用真空装置，因而会增加一些额外的能量消耗和设备。
第五章
蒸发
第 1节
概述
定义：工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通 常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩的单元操作称为蒸 发。即溶液浓缩过程。 特点： 被蒸发的溶液是由不挥发的溶质（多为固体）与可 挥发的溶剂组成，所以蒸发操作实际上是不挥发溶质与挥发性 溶剂相分离的过程。
进行蒸发操作的设备称为蒸发器。 化工厂中、制药过程中多以蒸发水溶液为主，故本章只讨 论水溶液的蒸发。 蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域。
一、其主要目的有以下几个方面：
1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶） 制取固体产品。 2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩 脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等； 3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。
化工原理第七章 蒸发
分类： 连续；间歇
单效；多效 常压；减压（真空）；加压
7.1.2 蒸发操作的特点
蒸发属于热量传递过程，但又不同于一般的传热 （1）有相变化的恒温传热
（2）溶质浓度引起沸点升高
（3）溶剂气化，耗热量大 （4）溶质特殊物性 （析出结晶、产生泡沫、热敏性物料在高 温下变质或分解、粘度增高等）
7.2 蒸发设备（Evaporation Devices） 7.2.1 常用蒸发器
加热蒸汽冷凝放出的热量用于水分汽化、原料液 升温至沸点和热损耗。
有焓浓图时用式 Dr0 F (i i 0 ) W ( I i ) Ql 进行计算 无焓浓图时可用式 Dr0 Fc0 (t t0 ) Wr Ql
近似计算（但要求浓缩热不大时）
7.3.3 蒸发速率与传热温度差
优点： 成膜好，
传热系数大
缺点：
仅适用于低粘度、 稀溶液， 不适用易结晶、 易结垢物料
2、降膜式蒸发器（Falling Film Evaporator）
优点：
物料停留时间短， 可用于粘度较高、 浓度较大的流体
缺点： 成膜困难，
传热系数不大， 不适用易结晶、 易结垢物料
7.2.2 蒸发器的传热系数
1 [1.5(630 220) 0.9( 2643 630)] 0.97 2138 1.17kg / s
循环动力：密度差 优点： 循环速度高，
降低了设备高度， 易于清洗；
缺点： 静压引起的温差损失大
3、强制循环型蒸发器
循环动力： 机械能 优点：循环速度高
可用于粘稠物料 可获得高浓物料 延缓积垢
缺点：消耗外加动力
二、单程型蒸发器（Single Pass Evaporator）
《化工原理》第六章 蒸发
或
w W = F 1 − 0 w1
（6-1）
第二节 单效蒸发
式中 ——原料液的流量，kg/h； ——单位时间从溶液中蒸发的水分量，即蒸 发量，kg/h； ——原料液中溶质的质量分数； ——完成液中溶质的质量分数。 2．加热蒸汽消耗量 加热蒸汽消耗量通过热量衡算求得。通常，加热蒸汽 为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出，则加热蒸汽仅 放出潜热用于蒸发。若料液在低于沸点温度下进料，对热 量衡算式整理得： Q = Dr = Fc (t − t ) + Wr + Q （6-2）
第二节 单效蒸发
沸点升高对蒸发操作的传热推动力温度差不利，例如 用120℃的饱和水蒸汽分别加热20%（质量分数）NaOH水溶 液和纯水，并使之沸腾，有效温度差分别为 20%（质量分数）NaOH水溶液 ∆t ∆t =T − t =120-108.5=11.5℃ ∆t = T − T =120-100=20℃ 纯水 由于溶液的沸点升高，致使蒸发溶液的传热温度差较 蒸发纯水的传热温度差下降了8.5℃，下降的度数称为温 度差损失，用 ∆ 表示。由于 ∆ = ∆t − ∆t = (T − T ) − (T − t ) = t − T （6-8）
' p0 1 0 损
第二节 单效蒸发
式中 Q——蒸发器的热负荷或传热量，kJ/h ； D——加热蒸气消耗量，kg/h； Cp0——原料液比热容，kJ/(㎏·℃)； t0——原料液的温度，℃； t1——溶液的沸点，℃； r ——加热蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏; r’——二次蒸汽的汽化潜热，kJ/㎏； Q损 ——蒸发器的热损失，kJ/h 。
第二节 单效蒸发
工业上的蒸发操作经常在减压下进行，减压操作具有 下列特点： （1）减压下溶液的沸点下降，有利于处理热敏性的物 料，且可利用低压的蒸汽或废蒸汽作为加热剂。 （2）溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同 压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高传热总 温度差；但与此同时，溶液的黏度加大，使总传热系数下 降。 （3）真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的 投资费和操作费提高。
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。
第7章 化工原理蒸发
（2）纯净溶剂的制取 如海水淡化等。
（3）同时制备浓溶液和回收溶剂 如中药生产 中酒精浸出液的蒸发。
二．蒸发的概念
图7-1 液体蒸发的简化流程
三．蒸发过程分类
操作压力
加压蒸发 常压蒸发 真空（减压）蒸发
D r o F c 0 (t t0 ) W r Q 损
蒸发器的热负荷为
Q Dro
7.3.3蒸发速率与传热温度差
蒸发速率： 通常用单位时间的蒸发量W表示。
蒸发过程的速率是由传热速率决定的。
Q D roK A (Tt)
溶液的沸点： 溶液的沸点不仅取决于蒸发器的操作压强，而且还与溶
质存在使溶液的沸点升高和蒸发器内液体的静压强有关。
第7章 蒸发
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 蒸发设备
多效蒸发
7.1 概述 一．蒸发的目的
蒸发 将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使
部分挥发性溶剂汽化并移除，从而获得浓缩溶 液或回收溶剂的操作称为蒸发。
蒸发操作的基本要点
蒸发操作的基本要点是向蒸发器连续提供 足够的热量并及时移除汽化的溶剂。
蒸发操作的目的
度差之和远小于总温度差，故多效蒸发的生产强度远小于单效
蒸发。故多效蒸发是以牺牲生产强度来提高加热蒸汽的经济性
的。
对真空蒸发，提高冷凝器的真空度虽然增加了传热推动力， 提高了生产强度，但功耗增大。
冷凝器内的压强（或蒸发室空 间的压强）主要取决于什么？
蒸发室空间的压强约等于二次蒸汽冷凝器内的压强。而冷凝器内的压强， 不是仅取决于真空泵所能抽到的真空程度，因为真空泵及时抽出的主要是不 凝性气体。二次蒸汽在冷凝器内要及时的冷凝下来，因此，二次蒸汽冷凝器 内的压强（或蒸发室空间的压强）主要取决于冷凝器所使用的冷却水（直接 冷却）温度下的饱和蒸汽压。冷却水温度愈低，蒸发室所能达到的压强愈低。
化工原理-蒸发
化工原理-蒸发1. 引言蒸发是化工过程中常用的一种分离技术，通过加热液体使其转化为气体，并经过冷凝得到回收物质的方法。
蒸发广泛应用于多个行业，如化工、食品、制药等。
本文将介绍蒸发的原理、工艺和应用，并探讨蒸发过程中的关键参数和影响因素。
2. 蒸发原理蒸发是一种物质从液体相向气体相的转变过程。
在蒸发过程中，液体分子通过克服表面张力从液体表面逸出，形成气体。
蒸发过程中液体的分子能量分布是一个连续的谱，具有不同的速度。
在蒸发的过程中，能量较高的分子会从液体表面逸出，使得液体内部分子的平均能量降低，从而使液体温度降低。
在蒸发过程中，温度的提高会加速分子能量的增加，从而使得蒸发速度增加。
同时，蒸发速率还受到液体表面积、液体性质等因素的影响。
3. 蒸发工艺蒸发工艺通常包括以下几个步骤：3.1 加热蒸发过程中，需要加热液体以增加其能量，使液体分子获得足够的能量逸出液体表面。
加热可以通过蒸汽、电加热或火焰等方式实现。
3.2 汽化在液体加热过程中，当液体获得足够的能量后，液体分子会逸出液体表面形成气体。
这个过程称为汽化。
3.3 冷凝蒸发产生的气体经过冷凝，使其重新变为液体。
冷凝可以通过冷却器或传热器实现，将气体中的热量传递给冷却介质，使气体冷凝成液体。
3.4 回收通过冷凝得到的液体可以进行回收利用，以达到分离和纯化的目的。
回收液体通常需要进一步处理，去除杂质和溶剂等。
4. 蒸发过程的关键参数蒸发过程中的关键参数包括：4.1 温度温度是控制蒸发速率的关键参数。
提高温度可加快分子能量增加的速度，从而增加蒸发速率。
4.2 压力蒸发过程中的压力与温度有关，通常通过控制压力来控制蒸发速率。
较低的压力可以降低液体的沸点，从而增加蒸发速率。
4.3 液体性质液体的性质对蒸发速率也有影响。
液体的表面张力、粘度和热导率等参数会影响蒸发速率的大小。
4.4 流动状态蒸发过程中的流动状态也会影响蒸发速率。
流动状态可以增加液体表面积，促进分子从液体表面逸出，从而增加蒸发速率。
化工原理第5章 蒸发
4
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。
3
蒸发按操作压强可分为加压蒸发、常压蒸发和减压（真 空）蒸发。为了保持产品生产过程的系统压强（例如丙烷脱 沥青），则蒸发需在加压状态下操作。对于热敏性物料（例 如抗生素溶液、果汁、食用油脂），为了保证其产品质量， 必须在较低温度下蒸发浓缩，则需采用真空操作以降低溶液 的沸点。但由于沸点降低，溶液的黏度也相应增大，而且造 成真空需要增加设备和动力。因此，一般无特殊要求的溶液， 则采用常压蒸发。
7
2.悬筐式蒸发器 悬筐式蒸发器结构
蒸发工艺的原理
蒸发工艺是一种通过加热溶液，使其中的溶剂（通常是水）蒸发，从而使溶质浓度增加的分离过程。
其基本原理如下：
1. 热量传递：将溶液加热，使溶剂的温度升高，增加其分子的热运动能量。
2. 蒸发：溶剂分子获得足够的热能后，它们克服了溶液表面的张力，从液态转化为气态，蒸发到空气中。
3. 溶质浓缩：随着溶剂的蒸发，溶液中的溶质浓度逐渐增加。
因为溶质分子的热运动能量相对较低，它们无法像溶剂分子那样轻易地逃逸出溶液表面。
4. 蒸汽冷凝：蒸发出来的溶剂蒸汽在与较冷的表面（如冷凝器）接触时，会失去热能而凝结成液态。
这个过程将溶剂与溶质分离开来。
5. 连续过程：为了实现高效的蒸发，蒸发工艺通常是连续进行的。
溶液不断地被加热、蒸发、浓缩和冷凝，形成一个循环的过程。
蒸发工艺在许多工业领域中得到广泛应用，如海水淡化、食品加工、制药等。
通过控制加热温度、压力、流量等参数，可以优化蒸发过程，提高效率和产品质量。
化工原理 蒸发
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）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。
缺点：结构复杂，单位传热面积的 金属消耗较多。
加热室
（3）外热式蒸发器
加热室单独放置，好处之一 是可以降低整个蒸发器的高度， 便于清洗和更换；好处之二是可 将加热管做得长些，循环管不受 热，从而加速液体循环。循环速 度可达1.5m/s。
蒸发室
加热 室
循环管
循环型（强制循环型）
对循环型蒸发器，除了上述自然循环外，还可以采用强 制循环，循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般 在2.5m/s以上。
强制循环型
2、单程型（膜式）
（1）升膜式蒸发器
料液在加热管内受热汽化， 生成的蒸汽在加热管内高速上升 （常压下汽速为20～50m/s，减 压 下 汽 速 可 达 100 至 160m/s 或 更 大些）。溶液被上升的蒸汽所带 动，沿管壁成膜状上升并继续蒸 发，汽、液混合物在分离器内分 离。
加热管直径约 为25～50mm， 管长和管径之 比约为100～
说明：
★如果采用蒸发器中的二次蒸气饱和温度 T ， 则溶液的沸点：
t T '''
' 溶液蒸汽压降低引起的沸点升高
'' 液柱静压头引起的沸点升高
化工原理蒸发
化工原理蒸发蒸发是一种重要的物理现象，广泛应用于化工工业生产中。
蒸发是指液体变成气体的过程，液体分子由表面获得足够的热能后，克服液面压强将分子破坏，从而转变成气体的过程。
蒸发是温度和气体分子速度的函数。
在蒸发过程中，液体的温度越高，液体分子的平均动能越大，分子脱离液体的能力越强，蒸发速度就越快。
液体内能较大，液面上的分子能获得较高的平均动能，液体温度越高，蒸发速度越快。
此外，还受到压强、表面积、液体种类、分子大小等因素的影响。
蒸发对热量的需求主要来自于表面液体分子获得热能增加其动能。
当液体的温度高于溶质的沸点时，液体分子能直接转变为气体，此时称为沸腾。
蒸发速度取决于温度、流动情况和液面积等因素。
在化工生产中，蒸发是一种常见的分离和浓缩技术。
化工产品中，有时需要分离不同种类或相同种类的物质，蒸发技术能有效地实现这一目的。
蒸发浓缩是指通过蒸发液体中的溶质，将液体中的溶质浓缩成为溶质较大的产物。
蒸发浓缩技术不仅可以在化工行业中应用，还广泛运用在石油、食品、制药等行业。
在蒸发浓缩过程中，需要注意以下几点。
首先，要选择合适的蒸发器。
蒸发器的选择应根据物料的性质、流量、浓度等因素进行匹配。
其次，在蒸发过程中，要控制液位。
高液位会导致较长的停留时间，影响生产效率；低液位则会导致蒸发器热量过大，造成过热，甚至倒灌现象。
再次，要选择合适的蒸汽压力。
提高蒸汽压力可以增加蒸发速度，但同时也增加了能源的消耗。
因此，需要在经济性和工艺要求之间进行权衡。
此外，还有蒸汽流量、冷却水温度等因素需要控制。
蒸发是一种重要的化工原理，广泛应用于化工工业生产中的分离和浓缩技术。
通过合理选择蒸发器、控制液位和蒸汽压力等因素，可以提高蒸发效率，实现生产的经济性和工艺要求。
蒸发技术的应用不仅可以提高产品的质量和纯度，还可以减少无用的废料产生，具有重要的环保意义。
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(2) 传热系数
tm T t t
1 K
1 K0
1 hi
d0 di
Rdi
d0 di
b
d0 dm
Rd0
1 h0
蒸发器的传热系数K，目前主要还是根据现场实测数据来选定。
常见蒸发器管内表面传热系数hi的经验关联： 普通自然循环蒸发器：
Nu 3.25104 Pe0.6Ga0.125Kp 0.7
rA
Ktm
/
r
其中，tm T t
5.2.4 溶液的沸点升高和传热温差损失
(1) 溶液的沸点和温度差损失 溶液沸点 > 二次蒸汽饱和温度
沸点升高： tt 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；
二次蒸汽 qmwT’,H’
H 二次蒸汽的质量焓. h0, h 完成液、料液的质量焓 .
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料液 qm0,w0, t0 ,c0 ,h0
加热蒸汽 qmv,T,H
加热室
完成液
qm0-qmw,w, t,c,h
蒸汽冷凝水 qmv,T,hw
Φ qm,v (H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w (H h) ΦL
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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
冷却水
二次蒸汽
料液 加热蒸汽
1
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
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； * 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。
Kp 0.31
l v
1 0.33
（3 ）蒸发器的生产能力和生产强度 生产能力——为单位时间蒸发水分的质量，由于它主要取决于 过程的热流量，所以常又以热流量来衡量蒸发器 的生产能力 。 生产强度——为单位传热面积的生产能力，以U表示，单位为 kg/(㎡h)
生产能力： Φ KAtm
生产强度：
U
qm,w A
若沸点进料，忽略热损失时， t0 t
ΦL 0
qm,v
qm,w r r0
qm,w r0 1 qm,v r
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
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,vhw (qm,0 qm,w )h qm,w H ΦL
或：Φ qm,v (H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w (H h) ΦL
H hw r0(加热蒸汽的冷凝热 ),
时，生蒸汽消耗量可用焓浓图计算。
qm,v (H hw ) qm,0 (h h0 ) qm,w (H h) ΦL
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5.2.3 传热计算
由蒸发器的传热方程得：
(1) 传热度温差
A Φ Ktm
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
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、 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
(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,bw c p,w (c p,w c p,b )w
c p,0 c p,w (1 w0 ) c p,bw0 c p,w (c p,w c p,b )w0 代入热流量公式得：
Pe qdb
r v a Ga gdb3l2
2
— 贝克来数 — 伽利略数
Kp pdb
反映压力影响的数群
强制循环蒸发器：
Nu 0.023Re0.8 Pr 0.4
升膜式蒸发器：
强制对流传热区：
Nu
（1.3
S
di）Rel0.23Prl0.9 Rev0.34
l v
0.25
v l
核状沸腾区：
Nu
0.225cs Rev0.69 Prl
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。
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Байду номын сангаас
5.2 单效蒸发 5.2.1 物料衡算
目的：计算蒸发水量和完成液浓度 对溶质：
qm,0w0 (qm,0 qm,w )w
qm,vr0 qm,0c p,0 (t t0 ) qm,wr L
2020/6r/103 生蒸汽冷凝热J/kg
r 二次蒸汽冷凝热 J/kg
Φ qm,vr0 qm,0c p,0 (t t0 ) qm,wr L
加热蒸汽消耗量：
qm,v
qm,0c p,0 (t
t0 ) qm,wr ΦL r0
蒸发水量：
qm,w
qm,0 (1
w0 ) w
料液 qm0,w0, t0 ,c0 ,h0
加热蒸汽 qmv,T,H
二次蒸汽 qmwT’,H’
加热室
完成液
qm0-qmw,w, t,c,h
完成液浓度：
w qm,0w0 qm,0 qm,w
蒸汽冷凝水 qmv,T,hw
单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图
2020/6/13
第5章
5.1 概述 5.1.1 蒸发及应用
蒸发
(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 。
（2）应用：
二次蒸汽
① 将溶液浓缩后，冷却结晶，获得固体产品；料液
② 浓缩溶液，获得纯净的溶剂产品； ③ 获得浓缩的溶液产品。