第五章_蒸发

（一）蒸发量W
溶质 Fx0=(F-W)x1
W=F(1-x0/x1)
F――原料液的流量; kg/h
W――单位时间蒸发的水分量，即蒸发量, kg/h
x0 、 x1――原料液，完成液的质量组成。
（二）加热蒸汽消耗量 D
蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸点， 将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量。
（二）蒸发器的生产强度 指单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，kg/m2.h U=W/S
沸点进料，忽略热损失
Q=Wr′ =KS△t ∴U=Q/ Sr ′ =K△t/r ′ K↑, △t↑→U↑ △t↑取决于加热蒸汽和冷凝和冷凝器中二次蒸
汽的压强 K↑是U↑的主要途径 K取决于和Rs(污垢)
第五章 蒸发
第一节 概 述
蒸发：将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移走蒸汽，从而 使溶液中溶质浓度提高的单元操作。
蒸发设备：蒸发器
应用领域：化工、石油化工、制药、制糖、造纸、深泠、海 水谈化及原子能等工业中。
蒸发的目的：使溶剂与溶质分离
（1）制取浓溶液，例如将NaCl溶液电解得到的氢氧化钠稀溶 液侬缩得氢氧化钠浓溶液；
（2）悬筐式蒸发器
加热室悬挂在器内，可 由顶部取出，便于清洗 与更换。
溶液沿环隙通道下降而 沿加热管上升。
环隙截面约为沸腾管总 截面积的100%-150%， 溶液循环速度较高。
2.因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 △’’
液层内部沸点与表面沸点之差即为液柱静压强引起 的温度差损失△’’。
计算时以液层中部的平均压强P 为准, 中部压强为 Pm=P’+gl/2
m及相应的沸点tAm
Pm——液层中部的平均压强，Pa
P’——液面的压强，即二次蒸汽的压强，Pa
l——液层深度，m
(4)多效蒸发中的次数限制及最佳效数
由于效数越多,温度
差损失越大,效数有
限制。
费用
效数越多，蒸汽耗
量越小，但设备投
资增加，操作费用
增加。
总费用 设备费
操作费
效数 效数不可过多，应在6效以下，一般取2 ~ 3效。
§4－4 蒸发装置及其选型
一、蒸发器的结构
加热室和分离室
间接式：循环型（非膜式）
溶液和蒸汽的流动方向相反。 优：溶液的浓度沿着流动方向不断提高，温度逐渐上升，各效
溶液浓度较为接近，各效的传热系数大致相同。
缺：效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大，各效的进料温度 均低于沸点，产生的二次蒸量较少。
（三）平流加料法的蒸发流程 原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出，
蒸汽的流向由第一效流至末效。
总传热系数K, W/(m2·K) 600-2300 600-3000 1200-6000 600-3000 1200-6000 1200-7000 1200-6000 1200-3500 600-2000 350-2300
3．蒸发器的热负荷Q
若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除，忽略热 损失
则 Q=Dr
r，r'——加热蒸汽，二次蒸汽的汽化热，kJ/kg
∴Dr=Wr’+FCp0(t1-t0)+QL 上式说明加热蒸汽的用量用于将原料液加热到沸点、
蒸发水分以及向周围的热损失。
若原料预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失。
D Wr ' r
e D r' Wr
e——蒸发1kg水分时，加热蒸汽的消耗量， 称为单位蒸汽耗量，kg/kg
溶液的沸点可用林规则(Duhring’s rule)计算，这个 规则说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点间 呈线性关系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸 点，故一般选用纯水为标准溶液。
直线的斜率
k
t
' A
tW '
tA tW
①
k ——杜林直线的斜率，无因次；
tA, tW ——压强PM下溶液的沸点
20%NaOH水溶液 120－108.5=11.5 ℃
纯水
120－100=20 ℃
同条件下蒸发溶液时的有效温度差下降8.5℃，下降 的度数称为因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失， 其值与同条件下的沸点升高值相同。
（二）温度差损失 1. 因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失△’
溶液的沸点升高主要与溶液类别、浓度和操作压强有 关，一般由实验测定。常压下某些无机盐水溶液的沸 点升高与浓度的关系见附录二十一(P358)。
§4－2 单效蒸发
操作流程
一、溶液的沸点和温度差损失
（一）溶液的沸点
溶液蒸汽压＜纯水蒸汽压
溶液沸点＞纯水沸点
例 ： 常 压 下 2 0 % （ wt%）NaOH 水 溶 液 沸 点 =108.5℃
水沸点=100℃
溶液沸点升高=108.5－100=8.5 ℃
例：用120 ℃饱和水蒸气分别加热20%NaOH水溶 液和纯水，并使之沸腾，有效温差分别为
加压或减压时，可估算
△‘＝f△a’
△a’—常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差
损失），℃；
△’—操作压强下，由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，℃；
f —校正系数，无因次。
f
0.0162 (T ' r'
273)2
T‘——操作压强下二次蒸汽的温度，℃
r’——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg
△’’’一般取效间二次蒸汽温度下降1℃，末效或 单效蒸发器至冷凝器间下降1~1.5℃。
二、单效蒸发的工艺计算
计算项目：
①单位时间内蒸出的水分量，即蒸发量；
②加热蒸汽的消耗量；
③蒸发器的传热面积。
已知项目： ①原料液流量、组成与温度； ②完成液组成； ③加热蒸汽的压强或温度； ④冷凝器的压强或温度。
根压强据而平引均起压的强温Pm度查差出损纯失水为的相应沸点tpm，故因静
△’’= tpm - tp’
tpm——与平均压强P m相对应的纯水沸点, ℃
tp’——与二次蒸汽压强P’相对应的水的沸点，℃
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失△’’’
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加 热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降 低，温度也相应下降，一般约降1℃。
与纯水的沸点, ℃;
tA’, tW’——压强PN下溶液的沸点
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
与纯水的沸点，℃。
当某压强下水的沸点tW =0时，
①为tA=tA’-ktW’=ym
ym—— 杜林直线的截距，℃。
不同浓度的杜林直线是不平行的，
斜率k与截距ym都是溶液质量浓 度x的函数
NaOH水溶液: k=1+0.142x
ym=150.75x2-2.71x
优点：
①后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液在效 间的输送可以利用效间的压强差，而不必另外用 泵。
②后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶液进 入后效时，会因过热而自动蒸发（自蒸发或闪 蒸），可多产生一部分二次蒸汽
缺点：
沿溶液流动方向的浓度逐渐增高致使传热系数逐 渐下降 。
（二）逆流加料法的蒸发流程
§4-3 多效蒸发
加热蒸汽的经济性1kg蒸汽可蒸发的水量, 理论 E=W/D 单效D / W ≈ 1,二效≈ 1/2,三效≈ 1/3
效数 W/D D/W
单效 0.91 1.1
双效 1.75 0.57
三效 2.5 0.4
四效 3.33 0.3
五效 3.7 0.27
一、多效蒸发的操作流程 （一）并流（顺流）加料法的蒸发流程 溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效。
(例见P310)
（四）管内沸腾传热系数i的关系式
1．标准型蒸发器
i
0.008 L
di
( diumL L
)0.8 ( cpLL L
)0.6 ( w L
)0.38
2．强制循环蒸发器
i
0.023
L
di
R P 0.8 0.4 er
3．升膜蒸发器
4．降膜蒸发器 (复杂)
三、蒸发器的生产能力和生产强度 （一）蒸发器的生产能力 蒸发量kg/h 单位时间内蒸发的水分量 蒸发器的传热速率 Q=KS△t Q=KS（T-t1） 原料液的进料温度
2.单效蒸发和多效蒸发 3.间歇蒸发与连续蒸发
蒸发过程的实质是转热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧 的溶液沸腾间的转热过程，溶剂的汽化速率由传热速 率控制，故蒸发属于热量传递过程。
特点： （1）传热性质 两侧相变恒温转热 （2）溶液性质 （3）溶液沸点的改变 （4）泡沫夹带 （5）能源利用
面积相等, 则三效的总传热速率为
Q=Q1+Q2+Q3≈KS(△t1+△t2+△t3)=KS∑△t
当蒸发操作中没有温度差损失时，三效 蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相同， 因此生产能力也大致相同。
多效蒸发时的温度差损失较单效蒸发时 大，多效蒸发时的生产能力和生产强度 均较单效时为小。
采用多效蒸发可提高加热蒸汽的利用率， 但降低了生产强度，两者互为矛盾。
℃
2．基于传热K外0 面1i积dd0i的总Rsi传dd0i热1系b dd数m0 KR0s0
1
0
下标i表示管内侧，o表示外侧，m表示平均
表5-2蒸发器的总传热系数K值
蒸发器的型式 水平沉浸式 标准式（自然循环） 标准式（强制循环） 悬筐式 外热式（自然循环） 外热式（强制循环） 升膜式 降膜式 刮板式 蛇管式
二、多效蒸发的计算
（一）基本情况
已知：原料液的流量，浓度和温度；
加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度 ，冷凝器
的真空或温度；
末效完成液的浓度等。
求： 生蒸汽的消耗量；
各效的蒸发量；
各效的传热面积。
方法：物料衡算，焓衡算，传热速率 方程式
(二)、多效蒸发和单效蒸发的比较 （1）溶液的温度差损失
若多效和单效蒸发的操作条件相同，则多效蒸发的 温度差因经过多次的损失，使总温度差损失较单效 蒸发时为大。
（2）经济效应
多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，即经济利 益。
（3）蒸发器的生产能力和生产强度
单效 Q=KS∑△t
三 Q3效=K3S3∑△Qt31=K1S1∑△t1
Q2=K2S2∑△t2
若各效的总传热系数取平均值K，且各效的传热
蒸汽的汽化潜热随压强变化不大，r≈r’
单效蒸发操作中e=1, 实际e=1.1
（三）传热面积 S0
Q=S0K0△tm
S0=Q/K0△tm
S0——蒸发器的传热外面积，m2 ;
K0——基于传热外面积的总传热系数；W/ m2 .℃
1．平均温度差△tm
两流体恒温，变相
△tm=T-t
T——加热蒸汽的温度，℃; t —操作条件下溶液的沸点，
（2）溶液浓缩到接近饱和状态，然后将浓溶液冷却，使溶质 结晶分离，制得纯固体产品。例如蔗糖的生产，食盐的精制 等。
（3）溶剂蒸发冷凝，除去非挥发性杂质，制取纯溶剂。例如 谈化海水制取淡水。
工业上被蒸发的溶液大多是水溶液，所以本章只讨论 水溶液的蒸发。 蒸发的基本流程：
蒸发的操作方法： 1.常压蒸发和减压蒸 发（真空蒸发） 真空操作特点：
某些溶液，如 CaCl2, NaCl等水溶液，稀释时放出热量，蒸发 这些溶液时应考虑要供给和稀释热量相当的浓缩热。
１．溶液稀释热不可忽略
物料的焓衡算 DH+Fh0=WH’+(F-W)h1+DhW+QL
D WH ' (F W )h1 Fh0 QL H hW
QL——热损失, kJ/h
Cp, CPw CpB——溶液、纯水、溶质的比热容，kJ/kg.℃
原料液比热容Cp0与完成液比热容Cp1间的关系: (F-W)Cp1=FCp0-WCpw D(H-CPWT)=W(H’-CPW t1)+FCp0(t1-t0)+Q
当冷凝液在蒸汽饱和温度下排除时，有
H- CPW T≈ r H’- CPW t1≈ r’
单程型（膜式）
直接式：888
1.循环型（非膜式）蒸发器
自然循环：
强制循环：
（1） 中央循环管式（或标准式）蒸发器
溶液沿粗管下降而沿细 管上升，中央循环管截 面积为加热管总截面积 的40%-100%。
优：溶液循环好，转热 效率高；结构紧凑，制 造方便，操作可靠。
缺：溶液浓度大，沸点 高；加热室不易清洗。
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饿饱和温度下排除，则
Ｈ－hW=r
D WH ' (F W )h1 Fh0 QL r
r ——加热蒸汽的汽化热，kJ/kg
焓浓图
２．溶液的稀释热可以忽略
h0=Cp0(t0-0)= Cp0 t0 h1=Cp1(t1-0)= Cp1 t1 hW=CpW(T-0)= CpW T ∴D(H- CpW T)=WH’+(F-W) Cp1 t1-F Cp0 t0+QL Cp= CPw(1-x)= CpB x 当x＜20% Cp= CPw(1-x)