第五章 蒸发

至冷凝器
加热蒸汽
1
2
3
原料液
冷凝水
完成液
冷凝水 完成液
冷凝水
完成液
平流加料法的三效蒸发装置流程示意图
(3) 平流法
(4) 混流法
效数多时，也可采用顺流和逆流并用的操作，称为混流法，
这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓
缩。
5.4
蒸发设备
蒸发器的结构：加热室、分离器等
按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分： 循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。
料，但不适于处理易结晶、结垢或粘度
大的溶液。
(3) 升—降膜式蒸发器
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，将加热管束均分为二。
原理：原料液在预热器中加热达到或接近沸点后，引入升膜加 热管束的底部，汽液混合物经管束由顶部流入降膜加热管束， 然后转入分离器，完成液由分离器底部取出。
3）加热蒸气压强或温度；
4）冷凝器的压强或温度。
W,T’,H’
蒸发室
F,x0,t0,h0
DΒιβλιοθήκη BaiduT,H
QL
加热室
(F-W),x1 t1,h1 D,T,hw
练习
在木糖醇的生产过程中，木糖醇的原料
的浓度为12%，进料量为10800kg/h，经
真空蒸发浓缩后其浓度达86%，问：在浓
缩过程中，每小时蒸发了多少水？
(4) 列文蒸发器
结构特点： 加热室上端有一段 2.7—5m 的圆 形筒作沸腾室，致使加热管内要 承受较大的液柱静压力，溶液只
有上升到沸腾室内才能沸腾汽化，
可以避免加热管内有晶体析出或 结垢； 沸腾室上方有纵向平行隔板， 可限制汽泡长大。


(4) 列文蒸发器 优点： 循环速度（2—3m/s），传热效果好，不会有
污染。
5)能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。
5.2 单效蒸发
5.2.1溶液的沸点升高和温度差损失
(1)溶液的沸点升高 一定压强下，溶液的沸点较纯溶剂（水）高，两者之差，称
为溶液的沸点升高。
稀溶液或有机溶液沸点升高值较小，无机盐溶液较大。 对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高 度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。
第五章
本章重点和难点：
蒸发
掌握蒸发浓缩的操作原理、特点及其
工艺计算方法；
熟悉单效真空的工艺设备的配置； 了解多效蒸发流程及计算原理。
生产案例
玉米芯→浸泡→水解→中和→脱色→净化
热水 硫酸 石灰乳 活性碳 离子交换树脂
→加氢→过滤→蒸发浓缩→85%~86%
镍
活性碳
减压
木糖醇
结晶机
→结晶
5.1
对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶
液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给
和稀释热相当的浓缩热。
(2) 加热蒸气消耗量D
溶液的稀释热可以忽略时，且溶液低于沸点 进料，热量衡算式如下：
计算溶液比热的经验公式为：
Cp=cpw(1-x)+cpBx
当x<0.2时，上式简化为：
（5-19）
(1) 蒸发量w
对单效蒸发器作溶质衡算，得
Fx0 ( F W ) x1
x0 W F (1 ) x1
式中 F—原料液流量 W—蒸发量 x0—原料液的质量组成 x1—完成液的组成
(2) 加热蒸气消耗量D
蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加 热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。
5.4.1循环型（非膜式）蒸发器
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。
分类（引起循环运动的原因）：自然循环和强制循环 自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同， 产生了密度差而引起的循环运动； 强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。
(1) 中央循环管式（或标准式）蒸发器
Q A Kt m
（5.7）
式中 A——蒸发器的传热面积，m2
K——基于外面积的总传热系数；kw/(m2•℃) Δtm ——平均温度差，℃ Q——蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。
练习
？
？
进料状况对蒸发器的生产能力的影响：
1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至
沸点，因而降低了生产能力；
于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故
提高了生蒸汽的利用率，即经济性。
表 单位蒸气消耗量 效数
理论最小值
单效
1
双效
1/2
三效
1/3
四效
1/4
五效
1/5
实际最小值
1.1
0.57
0.4
0.3
0.27
强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，
而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的
5.1.1 蒸发的定义
概述
使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出溶剂蒸气，
从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所用
的设备称为蒸发器。
5.1.2 加热蒸气和二次蒸气
蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常 为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生
的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为加热蒸
管组成，其长径比100~150。
原理：原料液经预热至沸点或 接近沸点后，由加热室底部引 入管内，为高速上升的二次蒸 气所带动，沿壁面边呈膜状流 动，边进行蒸发，在加热室顶 部可达到所需的浓度，完成液 由分离室底部排出。
(1) 升膜式蒸发器 注意：溶液应预热至沸点或接近沸点后再引入蒸 发器；二次蒸气在加热管内的速度不应小于10m/s，一 般为20～50m/s，减压下可高达100～160m/s。 该蒸发器适于处理蒸发量大的稀溶液以及热敏性
晶体堵塞，适用于处理有晶体析出或易结垢的溶
液。

缺点： 循环管必须保持一定高度（7—8m），要求厂房 高，同时耗材较多；

蒸发器的液柱静压大，要求较高压强的蒸汽才能
维持一定的温度差。
(5) 强制循环蒸发器
优点：利用外加动力（泵）进
行循环，适于处理粘度大，易
结晶或易结垢的溶液。
缺点：动力消耗大，通常为 0.4~0.8kw/ （ m2 传热面），使用 此蒸发器时加热面受到一定限制。
气或生蒸气，后者称为二次蒸气。
5.1.3
蒸发分类
(1)按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发 (2)按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发
单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以
除去的蒸发操作。
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
操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一 个效相等的单效蒸发器的生产能力大。 错误观点：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。
5.3.2多效蒸发流程
(1) 顺流法
蒸气和料液的流动方向一致，均 从第一效到末效。
至冷凝器
1
加热蒸汽 原料液
2
3
冷凝水
冷凝水
冷凝水
完成液
并流加料法的三效蒸发装置流程示意图
(1) 顺流法
5.3.2多效蒸发流程
(1) 顺流法
优点： 在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效 间流动不需用泵； 料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显 热，供一部分水汽化； 料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发， 对热敏性物料有利。 缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在
溶液沸点升高的计算公式：
t T
式中 Δ——溶液的沸点升高，℃
t ——溶液的沸点，℃
（5-1）
T/——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的
饱和温度，℃
5.2.2
单效蒸发的计算
1）蒸发量； 2）加热蒸气消耗量； 3）蒸发器的传热面积
单效蒸发的计算项目有：
通常生产任务中已知的项目有： 1）原料液流量、组成与温度； 2）完成液组成；
更换，循环通道由加热室与蒸发器外壳
壁面内的环隙组成。 优点：（1）溶液循环速度较高，约在 1—1.5m/s之间； （2）改善了加热管内结垢情况， 并提高了传热速率。 缺点：设备耗材量大，占地面大，加热 管内溶液滞留量大。 该蒸发器适用蒸发有晶体析出的溶液。
(3) 外热式蒸发器
结构特点： 加热室较长，其长径比为50~100； 加热室和分离室分开。 物料的运动： 由于循环管内的溶液未受蒸汽加热， 其密度较加热管内大，因此形成溶液沿 循环管下降而沿加热管上升的循环运动， 循环速度可达1.5m/s。
优点： （1）溶液循环好，传热效率高； （2）结构紧凑，制造方便，操作可靠，应用 广泛，有“标准蒸发器”之称。 缺点： （1）完成液粘度大，沸点高； （2）加热室不易清洗；
中央循环管式蒸发器适于处理结垢不严重，腐蚀性小的溶液。
(2) 悬筐式蒸发器
此蒸发器为中央循环管蒸发器的改进。
加热蒸汽由中央蒸汽管进入加热室，加 热室悬挂在器内，可取出，便于清洗及
后二效中尤为严重。
5.3.2多效蒸发流程
(2) 逆流法
料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入， 用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。
加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。
至冷凝器
加热蒸汽 完成液
1
2
3
原料液
冷凝水
冷凝水
冷凝水
逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图
(2) 逆流法
(2) 逆流法
溶液在升膜和降膜蒸发器内的情况完全相同。该蒸发器适 于处理粘度变化大的溶液，或厂房高度有一定限制的场合。如 果蒸发过程溶液的粘度变化较大，建议采用常压操作。
(4) 刮板搅拌薄膜蒸发器
结构：加热管是一根垂直的空心管，圆管外有夹套，内通加热 蒸气，圆管内装可以旋转的搅拌叶片。
原理：原料液沿切线方向进入管内，由于受离心力、重力及叶 片的刮带作用，在管壁上形成旋转下降的薄膜，并不断的被蒸 发，完成液由底部排出。 缺点：结构复杂，动力耗费大，传热面小，处理能力不大。 该蒸发器适用于高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液的蒸发。
2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水
分，其生产能力有所增加；
3) 高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发， 使生产能力有所增加。
5.3
5.3.1多效蒸发原理
多效蒸发
多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低， 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。 一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由
5.4.2 膜式（单程）蒸发器
膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较： 非膜式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过长，不适于处理热敏性物料。 膜式蒸发器只通过加热室一次即可达到所需浓度，停 留时间短，操作时，溶液沿加热管呈传热效果最佳的
膜状流动。
(1) 升膜式蒸发器
结构：加热室由单根或多根垂直
加热室由垂直管束组成，管束 中央有一直径较大的管子。
粗管 —— 降液管或中央循环管，其截面积 为加热管总截面积40—100％ 细 管 —— 沸 腾 管 或 加 热 管 ， 直 径 Ф25—
75mm，长径比20—40
循环产生的原因： 细管内单位体积液体受热面大，受 热良好，致使细管内汽液混和物比粗 管内小，密度差促使溶液循环。
串联蒸发操作称为多效蒸发。
5.1.4 蒸发操作的特点
1)传热性质：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：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。
3)沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于
蒸发纯水的温度差。
4)泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备
Cp=cpw(1-x)
式中 Cp——溶液的比热,kJ/(kg• ℃);
（5-19a）
Cpw——纯水的比热, kJ/(kg• ℃); CpB——溶质的比热, kJ/(kg• ℃).
(2) 加热蒸气消耗量D
或
考虑热量损失 + 0.1
(3) 传热面积S0
蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：
Q AKt m
优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，
传热系 数较大。
缺点：（1）各效间需用泵输送；
（2）无自蒸发；
（3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。
(3) 平流法
原料液分别加入各效中，完成液也分别自各
效底部取出，蒸气流向仍是由第一效流至末效。此 种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。
或易生泡的溶液；不适于处理高粘度、有结晶析出或
易结垢的溶液。
(2) 降膜式蒸发器
结构：其加热室与升膜式蒸发器类似。 原理：原料液由加热室顶部加入，竟管
端的液体分布器均匀地流入加热管内，
在溶液自身重力作用下，溶液沿管内壁 呈膜状下流，并进行蒸发。 为了使溶液能在壁上均匀分布，且防 止二次蒸气由加热管顶端直接窜出，加热 管顶部必须设置加工良好的液体分布器。 降膜式蒸发器适用于处理热敏性物