华东理工大学化工原理第七章 蒸发

例：101kPa下，水的沸点100℃，12%NaOH 水溶液沸点105℃，加热蒸汽110℃，传热推动 力=？
蒸发操作是高温位的蒸汽向低温位转化，较低
温位的二次蒸汽的利用必在很大程度上决定了 蒸发操作的经济性。
2 蒸发设备 2.1各种蒸发设备 一、蒸发设备
蒸发器的主要构件：
加热室 流动（循环）通道 汽液分离空间（蒸发室）
辅助设备：
除沫器 冷凝器 疏水器
二、蒸发器的种类 1、循环性蒸发器 ①垂直短管式（中央循环管式)
流体在细管内向上，粗管内向 下作循环运动，循环速度0.1～
0.5m/s 优点：结构紧凑，制造方便，操
作可靠，投资少，循环速度较 低，但尚可处理黏性及生垢溶 液。 缺点：清洗维修不方便，蒸发器 内溶液浓度接近于完成液浓度， 溶液黏度总是较大，影响传热。
％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 比，而与 w0 有关
w
3.2热量衡算 对蒸发器作热量衡算
Dr0＋Fi0 (F W )i WI Q损
Dr0 F(i i0 ) W (I i) Q损 Q损 取 Dr0 的某一百分数 忽略溶液的浓缩热：
②降膜式蒸发器 料液经分布器分布后呈 膜状向下流动，可处理 粘度较大的物料，但不 适宜处理易结晶，结垢 的溶液。
③旋转刮片式蒸发器 借外力强制料液呈膜状 流动，适用于高粘度， 易结晶、结垢的浓溶液 的蒸发。
2.2蒸发器的传热系数 一．蒸发器的热阻分析
1 K

1
0



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Ri
1
i
1
0 ：管外蒸汽冷凝热阻，一般很小
溶液沸点 t 不仅取决于操作压强，还于下述因素有关。
（1）溶液沸点升高
溶质的存在使溶液的蒸汽压降低，沸点升高 ①实验数据：实测或文献 ②杜林法则推算
a.低浓度用常压下的数据； b.高浓度下用两点线性内插
（2）液柱静压头
液柱自身重量及管内流动阻力造成的沸点升高。
考虑到蒸发时液体中含气泡取平均
热量衡算：Dr0 FiO (F W )i WI Q损
D F i i0 W I i
r0
1 630 60 0.6 2644 630 0.831
2140
传热面积： Q Dr0 Q KA(T t)
A
Dr0
KT t
饱和蒸汽压数据：
压强， 0.1013 MPa
温度， 100 C
0.093 99.1
0.058 85
0.047 80
0.038 75
0.031 70
W F1 w0 1000 1 0.15 500kg / h
w
0.3
查得T=100C
Q = Wr = KA(T-t)
三．管内沸腾给热
α值一般为
102
~
103
W m2oC
为提高全管长内的平均给热系 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 Fw0 (F W )w
水分蒸发量 W F 1 w0
w
问题：若将某溶液从0.01
二、蒸发器的种类 1、循环性蒸发器 ②外加热式
采用长加热管，且循环
管不再受热，循环速度
1.5m/s 优点：适应性较大，加热
面积不受限制（可达数 百平方米），溶液循环 速度较大，便于维修和 清洗。
缺点：结构不够紧密，设 备较高。
1、循环性蒸发器 ③强制循环蒸发器 采用泵进行强制循环，循环速度1.8～5m/s 优点：溶液循环速度大，传热系数很大，在
W F 1 w0 w
3600 1 25 0.5kg / s 3600 50
按w=50%，水沸点81.2C， 查p242图7-17，沸点为121C，=121-81.2=39.8C
液柱静压：
pm

p
1 Lg
5
50 103 1 25 1500 9.81 5
Dr0 FCO (t t0 ) Wr Q损
D – 加热蒸汽的消耗量
t0 -料液的进口温度
C0 -料液的比热容
蒸发器的热负荷： Q Dr0
3.3 蒸发速率与传热温度差 过程速率方程式 Q Dr0 KA(T t)
T―加热蒸汽的饱和温度 t－蒸发器内溶液的沸点，即为完成液的温度
本次讲课习题： 第七章 2，3，4
相同的生产任务下，蒸发器的传热面积较小， 减小了加热面上的结垢现象。 缺点：动力消耗大。
讨论：提高循环速度的 目的是什么？
A. 增加给热系数 B. 降低单程汽化率，
延缓结垢时间。
2.单程型蒸发器 物料一次通过加热面即可完
成浓缩要求，受热时间大 为缩短，适合热敏物料。 ①升膜式蒸发器 加热管束长达3～10m，二次 蒸发具有较高速度，常压 下为20～50m/s，传热温差 和传热系数大，不适宜用 于处理粘度大，易结晶， 易结垢的溶液。
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
例：w0=20%(wt%,下同)，F=3600kg/h，NaOH水溶 液浓缩w=50%，t0=20C，i0=60kJ/kg，p生 =400kPa(绝)，饱和温度T=143.4C ，汽化潜热 r=2140kJ/kg。p冷=50kPa(绝)，t0=81.2C ，K= 1100W/m2K，L=2.5m，=1500kg/m3，Q损0。 求：A=?D=? 解：
(1)溶质在加热面上析出，形成垢层，热阻变大 (2)溶液物性对蒸发器的结构有特殊要求；
热敏性物质 不允许长时间停留； 溶液粘度上升 使传热恶化；
对蒸发器结构设计提出特殊要求。 (3)溶剂汽化大量耗热，节能是重要课题。 （生蒸汽 二次蒸汽 能量降质）
生蒸汽与二次蒸汽的温差用于： 1）传热推动力 2）溶液沸点升高
t
Wr =T -
500 ×2300 ×103 = 100 -
= 900C
KA
3600 ×640 ×50
二次蒸汽温度
t t0
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
1、蒸发过程及设备；蒸发过程的目的、方法 及特点；常用蒸发器的结构；管内气液两相流 动型式； 2、二次蒸汽和加热蒸汽的能位差别；沸点升 高和传热温度差损失；加热蒸汽的经济性；蒸 发设备的生产强度。 3、单效蒸发的计算-物料衡算、热量衡算和传 热速率方程。
：加热管壁的热阻，一般可以忽略

Ri ：管内壁液体一侧的垢层热阻，一般较大
可定期清理加热管；加快流体的循环运动速度；
加入阻垢剂
1 ：管内沸腾给热热阻，是蒸发传热的主要热阻
i
二. 管内气液两相流动型式 管内沸腾形成气液两相流
a.气泡流 b.塞状流 c.翻腾流 d.环状流 e.雾流
影响因素：①设备条件：管径、倾斜度 ②操作条件：气液两相流量 ③物性：粘度、密度、表面张力
pm

p
1 5
Lg
P：液面上方的压强，通常以冷凝器压强代替 L：蒸发器内的液面高度
=ts (pm)- ts(p)
温差损失 =+ ，以 为主 蒸发器中沸腾液体的平均温度：
t t 0 t 0
冷凝温度(即二次蒸气温度)： t0= （p）
传热温差 t = T-t = (T-t0) - T t t 0

0.831 2140103
1100 143.4 124.3

84.6m 2
例：单效蒸发某水溶液，w0=15%(wt%,下同)， w=30%。沸点进料。A=50m2，加热饱和水蒸气 p=0.1013Mpa（绝），因溶液蒸汽压下降引起 =6C，液柱静压强引起=1.5C，蒸发器的传 热系数K=640W/m2K，F=1000kg/h。Q损0，水 汽化潜热r=2300kJ/kg。 求：蒸发器所需的最少真空度？
由于溶液沸点、液柱静压及 流动阻力等因素，传热温差减小。
3.4 单效蒸发过程的计算 （1）设计型计算 给定条件：F，w0，t0，w 设计条件：加热蒸汽压强 (T)，冷凝器压强 (t0) 计算目的：K，A，D 公式：物料衡算： W F1 w0
w
热量衡算： Q Dr0 FCO (t t0 ) Wr Q损 传热速率式： Q KA(T t)
57.4 103 Pa
ts ( pm ) 84.5C
= ts ( pm ) ts ( p) = 84.5-81.2=3.3C
温度差损失：=+= 39.8+3.3=43.1C 溶液沸点：t t 0 = 81.2+43.1=124.3 C
查p252图7-16，i=631 kJ/kg 查p265二次蒸汽焓I=2644 kJ/kg
第七章 蒸 发 1 概述 1.1 蒸发操作的目的和方法
定义：含有不挥发性溶质的溶液在沸腾条件下
受热，部分溶剂汽化为蒸汽的操作。
目的：
①获取浓缩的溶液，直接 作为化工产品或半成品 ②脱除溶剂，与结晶联合 操作以获得固体溶质 ③脱除杂质，制取纯净的 溶剂
基本原理：溶剂挥发，溶质不挥发。
1.2蒸发操作的特点 蒸发操作过程实质是热量传递，属传热过程。 但存在特殊性。