第七章 蒸发

D
① Hs-hs =R（加热蒸汽汽化潜热）；
F h h0 W H h Ql H s hs
已知：F、x0、t0、x 计算内容： 完成液量L、 二次蒸汽量W、加热蒸汽量D，加 热面积A
3、加热面积A的计算
二次蒸汽 W，T ，H 蒸发室
冷却水
Wr D R
D r W R
二、蒸发的目的
（1）获得浓缩的溶液。 （2）获得固体溶质。如：烧碱，抗生素，糖等 （3）纯净的溶剂产品。如：海水淡化 加热
三、蒸发的基本流程

不凝性气体
四、蒸发操作的分类
加压蒸发 1）按照操作压力 减压蒸发 常压蒸发 单效蒸发
冷却水
二次蒸汽 除沫器 冷凝器
蒸发器(加热室，蒸发室) 除沫器 冷凝器 真空装置
第一节 概 述
第七章
本章主要内容：
蒸 发
一、什么是蒸发?
将含有不挥发性溶质的稀溶液加 热，使其中部分溶剂汽化、除去的单 元操作，称为蒸发。 生活实例：煲汤 工业实例：如图7-1，硝酸铵溶液蒸发
溶液 溶剂S 溶质A（不挥发） 溶剂S
① 蒸发操作的原理、流程和特点； ② 常用蒸发设备结构，工作原理和特点； ③ 蒸发计算基本关系式，单效蒸发计算； ④ 多效蒸发流程、问题分析和计算方法。
稀释热 a. 有明显浓缩热的体系
2、能量衡算
DH s Fh0 WH F W h Dhs Ql
D Fh h0 WH h Ql Hs hs
二 次 蒸 汽 W T， H ， 蒸 发 室
h f x , t -----查焓浓图，如图7-3
b. 无明显浓缩热的体系
c0 c* (1 x0 ) cB x0
加 热 室 D, Ts ,hs 完 成 液 L， t， h, c
加 热 室 D, Ts ,hs
h(h0 ) f ( x, t )
c c* (1 x) cB x
c*和cB分别指溶剂和溶质的比热容（查表）
完 成 液 L， t， h, c
假定： ② h h0； ③ H-h r（二次蒸汽汽化潜热）； ④ Ql 0
3
三、蒸发器附件
液体分布器
冷凝器
除沫器(分离器)
见课本P240页图7-23
第三节 单效蒸发
单效蒸发：产生的二次蒸汽不再利用，直接送 至冷却器以除去的蒸发流程，称为单效蒸发。 一、单效蒸发的计算 计算内容－－－解决问题的方法 1）水分蒸发量 W ? →物料衡算 2）加热蒸汽消耗量 D ? →热量衡算 3）蒸发器的传热面积 A ? →传热速率方程
加热室
缺点：
（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。 （3）设备的清洗和维修也不够方便。
料 液 生蒸汽
3）列文式蒸发器（外循环式）
加热室中的溶液不沸腾，在沸腾 室内才开始沸腾，因而溶液的沸腾 汽化由加热室移到了没有传热面的 沸腾室，从而避免了加热管内结晶 或污垢的形成。 溶液循环速度可达2.5至3 m/s以 上，故总传热系数亦较大。
汽化1kg水所消耗的蒸汽量，其 值约为1。实际上D/W=1.1
料液 F, t0, h0,c0 D, Ts ,Hs
Q A Kt m
Q DR
T P
t m Ts t
料液
d bd 1 d0 1 Ri 0 0 R0 K i di di dm o
加热室 D, Ts ,hs 完成液 L，t，h, c
7. 单效蒸发：产生的二次蒸汽不再利用，直接送 至冷却器以除去的蒸发流程，称为单效蒸发。 8、单效蒸发的计算 1）水分蒸发量 W ? →物料衡算F h h0 源自 H h Ql H s hs
Q Kt m
Q DR
自然循环式： 列文式蒸发器 循环式 强制循环式 外热式蒸发器
二 次 蒸 汽 W T， H ， 蒸 发 室
式中， F 已知， W 可由物料衡 算得到，而H、Hs、hs均为温度的 函数，易查取。但溶液的焓h、h0 不易直接得到。
料 液 F, t0, h0,c0 D, Ts ,Hs
h ct h0 c 0 t 0
c和c0分别指料液和完成液的比热容
料 液 F, t0, h0,c0 D, Ts ,Hs
溶液 溶剂S 溶质A（不挥发）
2、蒸发的目的
（1）获得浓缩的溶液。 （2）获得固体溶质。 （3）纯净的溶剂产品。
2）能耗较大（蒸发大量的溶剂） 3) 物料特性（易结垢，易结晶，热敏性物质要选 择适当的蒸发设备）
3、蒸发的基本流程
（加热室，蒸发室，除沫器，冷凝器） 加热
5
6、蒸发设备
中央循环管式蒸发器 悬框式蒸发器
料液 加热蒸汽
蒸发室
加热室
(间壁式换热器)
2）按照二次蒸汽利用
多效蒸发
思考1：如图为真空式操作设 备，为什么图中冷凝器的放 置高度要很高？
冷凝水
连续蒸发
水 完成液 单效蒸发流程
3）按照操作形式
间歇蒸发
五、蒸发操作特点
常见的蒸发是间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传 热过程。 1)溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压 低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因此，在相同压力下，溶液 的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。 溶液的沸点升高导致蒸发的传热温度差的降低。 2)能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量 的加热蒸气。因此需要考虑热量的利用的问题。 3)物料特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物 料由于沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的 腐蚀性等等。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸 发流程和设备。
其截面积一 般为其它加 热管总截面 积的40～ 100% 其截面积一 般为其它加 热管总截面 积的100～ 150%
优点：结构紧凑、制造方便、传热较
好及操作可靠等，应用十分广泛。
构成循环。溶液循环速度比标 准式蒸发器大，可达1.5m/s。 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。 缺点：结构复杂，单位传热面积的 金属消耗较多。
1) 液柱静压头效应引起的温度差损失较 大，要求加热蒸汽有较高的压力。 2) 设备庞大，消耗的材料多，需要高大 的厂房。
加热室
5）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。
2、单程型蒸发器
间壁 循环式 式蒸 发器
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。
（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。
2
1）升膜式蒸发器
分离器
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
间壁式蒸发器;*
x W F1 0 x
2）加热蒸汽消耗量 D ? →热量衡算
单程式 （膜式）
升膜式蒸发器-----价廉 降膜式蒸发器-----价廉 刮板式蒸发器 升-降膜式蒸发器
D
D
Wr R
直接接触式蒸发器; 其它蒸发器
3）蒸发器的传热面积 A ? →传热速率方程
A
升膜式蒸发器-----价廉
单程式（膜式）：降膜式蒸发器-----价廉 刮板式蒸发器
升-降膜式蒸发器

溶液在蒸发器中只通过加热 室一次，不作循环流动。溶液 通过加热室时，在管壁上呈膜 状流动，故习惯上又称为液膜 式蒸发器。 用于热敏性、高粘性、易结 垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。
溶液不循环带来好处有：
加热管直径约 为25～ 50mm，管长 和管径之比约 为100～150
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。
t m Ts t
1 d0 1 d bd Ri 0 0 R0 o K i di di dm
例 7-1 图 7-1 所示为硝酸铵水溶液的蒸发，进料量为 104kg.h-1, 用588kPa的饱和水蒸气将溶液由68%（质量分数）浓缩至90% （质量分数）。若蒸发室的压力为 19.6kPa （绝压），溶液的 沸点为100℃，蒸发器的传热系数为1200W.m-2.K-1,沸点进料， 试求不计热损失时的加热蒸气消耗量和蒸发器的传热面积。已 知硝酸铵的比热容cB=1.7kJ.kg-1.K-1。 分析：

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。
预热室
4）刮板式蒸发器
适用于黏度较大（大于1～10Pa·s及以上者）。 简称薄膜蒸发器，是一种利用外加 动力成膜的单程型蒸发器。 优点：热阻影响小，传热系数大， 停留时间短，一般为数秒或几十秒， 故可适应于高粘度（如栲胶、蜂蜜等 ）和易结晶、结垢、含固体、热敏性 的物料。 缺点：结构复杂，动力消耗大，处 理量很小且制造安装要求高。