化工原理第5章 蒸发

第2节 单效蒸发及其计算
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。
一、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，
3.单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操 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 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。 6.生产强度：单位传热面积的蒸发量，即单位时间、单位传
热面积蒸发的水份量 [ k g ] h ?m 2
第五章
蒸发
第1节 概述
定义：工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通 常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩的单元操作称为蒸 发。即溶液浓缩过程。
特点： 被蒸发的溶液是由不挥发的溶质（多为固体）与可 挥发的溶剂组成，所以蒸发操作实际上是不挥发溶质与挥发性 溶剂相分离的过程。
进行蒸发操作的设备称为蒸发器。 化工厂中、制药过程中多以蒸发水溶液为主，故本章只讨 论水溶液的蒸发。 蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域。
3.物料的工艺特性 待蒸发溶液本身巨有许多特性，例如蒸发过程中容易产生 泡沫；易在管壁上结垢；操作时浓度逐渐加大，致使溶液的性 质不断地改变，例如粘度加大，且浓度达到一定高度时有些溶 液还会有晶体析出；热敏性溶液有时要分解或聚合。 4.热能的利用 蒸发操作耗费大量的生蒸汽，同时又产生大量的冷凝水和 二次蒸汽。蒸发操作中除要考虑节约生蒸汽的用量外，还应将 冷凝水的显热和蒸汽的汽化热加以利用。节能与利用废热能是 与蒸发操作密切相关的经济问题。
2.要不断地供给热能合溶液沸腾汽化。由于溶质的存在， 使蒸发过程中溶液的沸点温度高于纯溶剂的沸点。（本书中的 纯溶剂指纯水）
3.溶剂汽化后要及时地排除。否则，溶液上方蒸气压力增 大后，影响溶剂的汽化。若蒸气与溶液达到平衡状态时，蒸发 操作将无法进行。
三、几个基本概念：
1.生蒸汽：即新鲜加热蒸汽。
2.二次蒸汽：蒸出的蒸汽。
综上所述，蒸发操作和蒸发器有别于一般的传热操作和换 热器。
蒸发的流程
图为单效蒸发流程示意图。蒸发装置包括蒸发器和冷凝器 （如用真空蒸发，在冷凝器后应接真空泵）。以蒸发器内用加 热蒸气（一般为饱和水蒸气）将水溶液加热，使水沸腾汽化。 蒸发室下部为加热室，相当于一个间壁式换热器（通常为列管 式），应保证足够的传热面积和较高的传热系数。上部为蒸发 室，沸腾的汽液两相在蒸发室中分离，因此也称为分离室，应 有足够的分离空间和横截面积。在蒸发室顶部设有除沫装置以 除于二次蒸汽中夹带的液滴。二次蒸汽进入冷凝器用冷却水冷 凝，冷凝水由冷凝器顶部排出。不凝气体的来源有系统中原存 的空气、进料液中溶解的气体或在减压操作时漏入的空气。
（四）按操作方式 1．间歇蒸发：它又可分为一次进料、一次出料和连续进
料、一次出料两种方式。排出的蒸浓液通常称为完成液。在整 个操作过程中，蒸发器内的溶液浓度和沸点均随时间而变化， 因此传热的温度差、传热系数等各参数均随时间而变，达到一 定溶液浓度后将完成液排出。
2．连续蒸发：连续进料、完成液连续排出。一般大规模 生产中多采用连续蒸发。
三、分类
（一）按加热方式 1．直接加热：例如通过喷射嘴将燃料燃烧后的高温
火焰或热烟道气直接喷入被蒸发的溶液中，使溶剂汽化。 这类直接接触式蒸发器的传热速率高，但应用范围受到被 蒸发物料和蒸发要求的限制。不属于本章讨论范围。
2．间接加热：热量通过间壁式换热设备传给被蒸发 溶液而使溶剂汽化。一般工业蒸发过程多属此类。
（三）按蒸发器的效数 工业生产中被蒸发的物料多为水溶液，且常用饱和水蒸汽
为热源通过间壁加热。热源蒸 汽习惯上称为生蒸汽，而从蒸发器汽化生成的水蒸汽称为二次 蒸汽。
1．单效蒸发：蒸发装置中只有一个蒸发器，蒸发时生成 的二次蒸汽直接进入冷凝器而不再次利用，称为单效蒸发。
2．多效蒸发：将几Leabharlann Baidu蒸发器串联操作，使蒸汽的热能得 到多次利用。通常它是将前一个蒸发器产生的二次蒸汽作为后 一个蒸发器的加热蒸汽，蒸发器串联的个数称为效数，最后一 个蒸发器产生的二次蒸汽进入冷凝器被冷凝，这样的蒸发过程 称为多效蒸发。
四、蒸发操作的特点
1.有相变化的恒温传热 蒸发器的加热管壁一侧为用加热蒸汽去加热管子另一侧的 溶液，因此加热蒸汽会放出热量，冷凝为液相；而管子另一侧 的溶液会吸收热量沸腾，从而由液相变为气相。所以操作时两 者均有相转变，但温度不变，故蒸发操作属于有相变化的恒温 传热。 2.溶液沸点升高 含有不挥发溶质水溶液的蒸气较同条件下纯溶剂（本书中 为纯水，以后不再说明）的低，故沸点较同条件下水的沸点 高，溶液浓度越高这种现象越严重。
单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即
Fw0 ? (F ? W)w
水分蒸发量： W ? F (1? w0 )
（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。
一、其主要目的有以下几个方面：
1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶） 制取固体产品。
2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩 脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；
3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。
二、蒸发操作必须具备的条件
1.蒸发操作所处理的溶液具有挥发性，而溶质不具有挥 发性。