化工原理 蒸发汇总
化工原理---蒸发分析
1
第一节 概 述
一、基本概念
定义：
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。
利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特 性使两者实现分离。 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。
易结垢的溶液：蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的 导热系数小，从而使传热速率下降。应选用便于清洗和溶液循环速度 大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。
溶液的处理量：溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。处理量小的 ，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发 。
19
（三） 真空装置 当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝
器后安装真空装置。需要指出的是，蒸发器中的负压主要是由于二次 蒸汽冷凝所致，而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷 却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等，冷凝器后 必须安真空装置才能维持蒸发操作的真空度。常用的真空装置有喷射 泵、水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。
14
这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器，以保证溶液均 匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。
15
3 . 升－降膜式蒸发器
蒸发器由升膜管束和降膜管束组 合而成，蒸发器的底部封头内有 一隔板，将加热管束分成两部分。 溶液由升膜管束底部进入，流向 顶部，然后从降膜管束流下，进 入分离室，得到完成液。
24
一、蒸发水量
（蒸发器的物料衡算 ）
如图以蒸发器为衡算范围，取 1h为衡算基准，作物料衡算：
对溶质做物料衡算：
化工原理 蒸发
（二）冷凝器 冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式和直接接触式两 种，倘若二次蒸汽为需回收的有价值物料或会严重污染水源，则应采 用间壁式冷凝器，否则通常采用直接接触式冷凝器。后一种冷凝器一
般均在负压下操作，这时为将混合冷凝后的水排出，冷凝器必须设置
得足够高，冷凝器底部的长管称为大气腿。 （三） 真空装置 当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝 器后安装真空装置。需要指出的是，蒸发器中的负压主要是由于二次 蒸汽冷凝所致，而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷 却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等，冷凝器后
溶液由升膜管束底部进入，流向
顶部，然后从降膜管束流下，进 入分离室，得到完成液。
适于处理浓缩过程中粘度变化大 的溶液、厂房有限制的场合
预热室
4.刮板薄膜式蒸发器
它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板
，刮板端部与加热管内壁间隙固定在 0.75 ～ 1.5mm 之间，依靠刮板的作用使溶液成膜状分 布在加热管内壁面上。
2.悬筐式蒸发器
加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下
部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部 进入加热室，在管间放热加热管内溶液使 其上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环 隙通道向下循环流动。 优点：
溶液循环速度高，改善了管内结 构情况 传热速率较高
缺点：
设备费高 占地面积大 加热管内溶液滞留量大
１.中央循环管式(标准式)蒸发器
加热蒸汽：加热室管束环隙内 溶液：加热室管束及中央循环管内，
料液 加热蒸汽
中央循环管
受热时，由于中央循环管单位体积 溶液受热面小，使得溶液形成由中 央循环管下降，而由其余加热管上 升的循环流动。
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
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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 蒸发解析
应用广泛，适用于
（1）中央循环管式蒸发器（自然循环型） 处理量大、结垢不
严重的物系。
料液 生蒸汽
优点：结构紧凑、制造方便、传热
其截面积一般为 较好及操作可靠等，应用十分广泛。
其它加热管总截 缺点：
面积的40～ 100%
（1）循环速度较低，管内流速 <0.5m/s；
（2）溶液在加热室中不断循环， 使其浓度始终接近完成液的浓度， 因而溶液粘度大、沸点高，有效温 度差小。
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。
（3）设备的清洗和维修也不够方 便。
（2）悬框式蒸发器（自然循环型）
溶液沿加热管中央上升，而后
循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内
其截面积一 般为其它加
壁间的环隙向下流动而构成循环。 热管总截面
溶液循环速度比标准式蒸发器大， 积的100～
可达1.5m/s。
150%
优点：这种蒸发器的加热室可由顶 部取出进行清洗、检修或更换，而 且热损失也较小。
一、 溶液的沸点及温度差损失
1、溶液沸点 t ( tb ) 溶液沸点 t > 二次蒸汽饱和温度 T
沸点升高（温度差损失）： t T
引起沸点升高的原因 a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；
《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、结晶、冷冻浓缩
第五章蒸发、结晶、冷冻浓缩第一节蒸发一、蒸发的基本概念和理论（一）蒸发的目的蒸发式根据溶液中溶质与溶剂挥发性的差异，将溶液加热至沸腾状态，使其中的一部分溶剂发生汽化并被排除，以提高溶液中溶质浓度的操作。
由于固体溶质通常是不挥发的，所以蒸发也不是挥发性溶质与挥发性溶剂的分离过程，它是化工、医药、食品等生产中常用的一中操作单元。
（二）蒸发的基本过程蒸发过程主要由两部分组成：（1）加热料液，使溶剂汽化；（2）除去二次蒸汽。
通常情况下，前者在蒸发器中进行，后者在冷凝器中进行。
（三）蒸发操作的必要条件蒸发操作主要由加热和分离两部分组成。
因此，要使蒸发操作得以顺利进行，必须同时满足两个必要条件：（1）有源源不断的热能供应；（2）及时排除二次蒸汽。
（四）蒸发过程的特点（1）传热性质（2）溶液性质（五）蒸发过程的分类1.按操作压强分类：常压蒸发、真空蒸发、加压蒸发、2.按蒸发器的效数分类：单效蒸发、多效蒸发、3.操作方式分类：间歇蒸发、连续蒸发二、蒸发装置及其选型蒸发器是蒸发装置中的主体设备，其型式有多种，大致可分为循环型和非循环型（单程型）两大类。
（一）循环型蒸发1.中央循环管式蒸发2.悬筐式蒸发器3.外加热式蒸发器4.列文式蒸发器5.强制循环蒸发器（二）循环型（单程型）蒸发器1.升膜式蒸发器2.降膜式蒸发器3.刮板式蒸发器（三）蒸发装置的附属设备1.除沫器2.冷凝器（四）蒸发器的选用三、单效蒸发（一）单效蒸发流程（二）单效蒸发计算1.水分蒸发量的计算设溶质在蒸发过程中不挥发，故进出口溶液中的溶质质量不变。
对蒸发器作溶质的物料衡算，可得()1x W F Fx D -= 水分蒸发量⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=101x x F W 完成液中溶质的质量分数DF Fx x -=0 式中 F —原料液量，kg/h 0x —原料液中溶质的质量分数1x —完成液中溶质的质量分数W —水分蒸发量，kg/h2.加热蒸汽消耗量的计算对图5—12系统作热量衡算，可得()L c s Q h W F W h Dh Fh Dh +-++=+1'0式中 s h —加热蒸汽的焓，kJ/h'h —二次蒸汽的焓，kJ/hc h —冷凝水的焓，kJ/h1h —完成液的焓，kJ/h0h —原料液的焓，kJ/hD —加热蒸汽消耗量，kg/hL Q —蒸发器的热损失，kJ/h由上式可得加热蒸汽消耗量为 ()cs L h h Q Fh h W F Wh D -+--+=01' 定义e WD =，称为单位蒸汽消耗量，即每汽化1kg 水所需要消耗的加热蒸汽量。
化工原理 蒸发重点内容
将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂汽化，溶液浓缩得到浓溶液的过程叫蒸发单元操作。
1、什么叫二次蒸汽？
工业蒸发过程的必备条件
蒸发操作分类
1、中央循环管式蒸发器
(标准式蒸发器)
升膜式蒸发器
降膜式蒸发器
多效蒸发
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）。
引起温差损失的原因
其一，溶液蒸汽压不同，溶液的沸点升高也不
同，引起的温差损失用Δ表示；
其二，蒸发器内液体柱中液体的高度不同，引
起的温差损失，用表示；
其三，由于流体在管路中流动产生阻力而引起
的温差损失，用表示。
蒸发器的生产能力
蒸发器的生产强度
分析：有利于增大U的一切因素都可以利用
1、增大传热总系数K;
2、增大△tm值：△tm=T-t，T与加热蒸汽的压强有
关；t与蒸发器内操作压强有关，即与冷凝器
的压强也有关；但△tm值的增加是有限度的。
3、r´值是二次蒸汽的相变热，与操作压强有关，
操作压强越低，则该值越大。
溶液的焓及焓浓图
二次蒸汽的相变热
加热蒸汽的相变热
物料衡算
热量衡算即焓衡算式
杜林规则
F,x 0，t 0，h
L=F-W ；x1
t 1,h 1
D ，T ，H
hw。
华东理工大学化工原理第七章 蒸发
3
t0=90-=90-(6+1.5)=82.5C 查得相应饱和蒸汽压0.0525Mpa 真空度0.1013-0.0525=0.0488Mpa。
重 点 总 结
热量衡算：Dr0 FiO ( F W )i WI Q损
F i i0 W I i D r0
1 630 60 0.6 2644 630 0.831 2140
传热面积：
Q Dr0
Q KA(T t )
Dr0 0.831 2140 103 A 84.6m 2 K T t 1100 143.4 124内的平均给热系 数，应扩大环状流动区域。 四 传热系数的经验值 主要靠现场实际测定
3. 单效蒸发 3.1物料衡算 溶质不挥发 Fw 0 ( F W )w
w0 水分蒸发量 W F 1 w
问题：若将某溶液从0.01
％浓缩至0.1％与从1％浓 缩至10％相比，哪一个能 耗大？ 一样大，W并不与w0 成正 w0 比，而与 有关
w 热量衡算： Q Dr0 FCO (t t0 ) Wr Q损 传热速率式： Q KA(T t )
T-t = (T-t0)-
=+
（2）操作型计算 特点：设备一定（设备结构、传热面积已知）， 校核工艺条件，需试差求解。
类型1 已知： K，A， w0，t0， w，T，t0 求：F，D，W，t 类型2 已知： A， F，w0，t0， w，T，t0 求：K，D，t，W
生蒸汽与二次蒸汽的温差用于：
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 蒸发
hs c Ts
*
h0 c0t0 0 c0t0
h ct 0 ct
代入前面的两式得 ：
D( H s hs ) F (ct c0t0 ) W ( H ct) Ql
式中 c0 、c——料液和完成液的比热，kJ/kg· K。
c
*
7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算
• 由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：
F (h h0 ) W ( H h) Ql D H s hs
① 忽略浓缩热 时 ② 忽略浓缩热且
F (ct c0t0 ) W ( H ct) Ql D H s hs
tw， t 0 —— 溶剂在相应压力下的沸点。
w
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失—
如图7-4为不同浓度 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。
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
传热温差损失： t T t (T0 T ) (T0 t ) t T
溶液沸点：
t T
有效传热温差：t t T 温度差损失的原因 ： 蒸发操作时，温度差损失的原因可能有：因溶液沸点 升高引起的温度差损失 △’ ；因加热管内液柱静压力而引 起的温度差损失 △ ” ；由于管路流动阻力而引起的温度差 损失△’’’ 。总温度差损失为：
W, H, T
Fx 0 ( F W ) x
x0 W F ( 1 ) 水分蒸发量： x
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。
化工原理第5章 蒸发
（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。
∆' ：由于溶质的存在使溶液沸点升高引起的温度损失，℃。
∆＝ ∆' ＋ ∆ ' '＋
∆' ' '
下面分别讨论各种温度损失的求取： （1）∆' 的求取 溶液中由于有溶质存在，因此其蒸气压比纯水的低。换言 之，一定压强下水溶液的沸点比纯水高，它们的差值称为溶 液的沸点升高，以 ∆ ' 表示。影响 ∆ ' 的主要因素为溶液的性 质及其浓度。一般，有机物溶液的 ∆' 较小；无机物溶液的∆ ' 较大；稀溶液的不大，但随浓度增高，∆ ' 值增高较大。 例如： 7.4％的NaOH溶液在101.33KPa下其沸点为102℃，仅为 2℃，而48.3℃NaOH溶液，其沸点为140℃，值达40℃之多。 各种溶液的沸点由实验确定，也可由手册或本书附录查 取。
三、几个基本概念：
1.生蒸汽：即新鲜加热蒸汽。 生蒸汽： 生蒸汽 2.二次蒸汽：蒸出的蒸汽。 二次蒸汽： 二次蒸汽 3.单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操 单效蒸发： 单效蒸发 作。 4.多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，作 多效蒸发： 多效蒸发 为加热蒸汽以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效 蒸发。 。 5.生产能力：单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量。 生产能力： 生产能力 6.生产强度：单位传热面积的蒸发量，即单位时间、单位传 生产强度： 生产强度 热面积蒸发的水份量 [ kg ]
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。
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式中 x0，x——分别为料液、完成液的质量分数 。
7.2.1 单效蒸发的计算
• （2）热量衡算 • 时， 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出
DHs Fh0 ( F W )h WH Dhs Ql
D( H s hs ) F ( h h0 ) W ( H h) Ql
减压（真空）蒸发。
② 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸
7.1 概述
（5）蒸发操作的特点 ① 沸点升高 ② 溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。 有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的 腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或选择适宜结 构的蒸发器。 ③ 溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热
W, H, T
Fx 0 ( F W ) x
x0 W F ( 1 ) 水分蒸发量： x
加料 （1）
二次蒸汽
F , x 0 , t0 , h 0 D, Ts, Hs
加热蒸汽
蒸发室
加热
(F - W), x, t,h, c
完成液
Fx 0 完成液的浓度： x F W
（2）
D, Ts, hs
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）。
7.2.1 单效蒸发的计算
• （3）蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得
Q A Kt m
式中
A ——蒸发器传热面积，m2； Q ——传热量，W； K——传热系数，W/m2· K； Δtm——平均传热温差，K。
由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热， Δtm=Ts - t，且蒸发器的热负荷Q = DR，所以有
生的二次蒸汽在分离室及其顶部的除
沫器中将夹带的液沫加以分离后送往 冷凝器与冷却水相混而被冷凝，冷凝
液由冷凝器的底部排出。溶液中的不
凝性气体用真空泵抽走。
图 液体蒸发的简化流程
7.1 概述
（3）加热蒸汽和二次蒸汽 • • 加热蒸汽：用于加热的蒸汽 二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽
（4）分类 • • 发。 ① 按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者
• 焓值的计算：习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则 有
hs c Ts
*
h0 c0t0 0 c0t0
h ct 0 ct
代入前面的两式得 ：
D( H s hs ) F (ct c0t0 ) W ( H ct) Ql
式中 c0 、c——料液和完成液的比热，kJ/kg· K。
7
7.1 7.2 7.3 7.4
蒸 发
概述 单效蒸发计算 蒸发操作的经济性和操作方式 蒸发设备
7.1 概述
• • • • • （1）蒸发操作的目的 （2）蒸发的流程 （3）加热蒸汽和二次蒸汽 （4）分类 （5）蒸发操作的特点
7.1 概述
（1）蒸发操作的目的 • • ① 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 ② 脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加 以冷却，
（ 3）
（ 4）
D —— 加热蒸汽消耗量，kg/s； t0，t —— 加料液与完成液的温度，℃； h0，h，hs —— 加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg； H，Hs—— 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。 式中热损失Ql可视具体条件来取加热蒸汽放热量（DR） 的某一百分数。 式中
7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算
7.2.1 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、热量衡算 方程和传热速率方程来解决。
7.2.1 单效蒸发的计算
• （1）物料衡算 • 溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程， 单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即
析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶 质。 • ③ 除杂质，获得纯净的溶剂。
7.1 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ述
（2）蒸发的流程
蒸发——含有不挥发性溶液在沸
腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸
汽的操作。
二、蒸发的流程
加热蒸汽在加热室的管间冷凝， 所放出的热量通过管壁传给沸腾的溶 液。被蒸发的溶液自分离室加入，经 蒸发后的浓缩液由器底排出。汽化产
Q DR A K (Ts t ) K (Ts t )
7.2.1 单效蒸发的计算
H ct r
H s hs R
F (ct c0t0 ) Wr Ql D R
7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算
③ 沸点进料，t0 = t，并忽略热损失和溶液浓度较低时 ， c = c0 ，则
W ( H ct ) Wr D R R
或
D H ct r 1 W R R
c
*
7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算
• 由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：
F (h h0 ) W ( H h) Ql D H s hs
① 忽略浓缩热 时 ② 忽略浓缩热且
F (ct c0t0 ) W ( H ct) Ql D H s hs
的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。
④ 浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形 成垢层，使传热过程恶化。设计上应设法防止或减少垢层的
生成，并应使加热面易于清洗。
7.2 单效蒸发
7.2.1 单效蒸发的计算 （1）物料衡算 （2）热量衡算 （3）蒸发器传热面积的计算 （4）浓缩热和溶液的焓浓图 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （1）溶液的沸点升高和杜林规则 （2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影 响 • （3）单效蒸发过程的计算 • • • • • • • •
7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算
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
c0 c (1 x0 ) cB x0
*
c c (1 x) cB x
*
式中
—— 水的比热，kJ/kg · K； K。 cB —— 溶质的比热，kJ/kg ·