化工原理蒸发第五章

•4 刮板薄膜蒸发器
•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。 •溶液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力 和旋转刮板带动下，在加热管内壁上形成旋转 下降的液膜，在下降过程中通过接收加热管外 加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发， 底部得到完成液，二次蒸汽上升至顶部经分离
温度差损失的原因 ： ① 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较 纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低， 致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高； ② 蒸发器中静压头的影响，导致溶液沸点的 上升。 ③以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力， 都导致溶液沸点的进一步上升。
（1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压
① 浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为 一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升 高与压强无关，而可取大气压下的数值；
② 浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液 的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规 则进行计算。
（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸 点的影响
按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液 体在平均温度下的饱和压力：
蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次
蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器被除去。
溶液仍在中央循环管与加热管中进
行循环，当达到浓度要求后称为完
成液，从蒸发器底部排出。
不凝性气体 冷却水
二次蒸汽
冷凝水
完成液
水
•蒸发的分类
•按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发 •真空蒸发的优点：
• 1.减压下溶液沸点t1降低，使蒸发器的传热推动力Δt=T-t1增大， 因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传热面积S。
•优点：结构简单，不需要固定 的传热面，热利用率高
•适于处理易结垢、易结晶或有 腐蚀性的溶液。
•不适于处理不能被燃烧气污染 及热敏性的溶液。
5.2 单效蒸发
5.2.1 蒸发设备中的温度差损失
传热温差损失 tT t (T0 T ) (T0 t) t T
溶液沸点 t T
有效传热温差 t tT
为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可 以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 cw (1 x0 ) cB x0
c1 cw (1 x1) cBx1
整理可得：（ F W）c1 Fc0 Wc w
D(H cwT0 ) WH (F W )c1t1 Fc0t0 Q损
D(H cwT0 ) W (H cwt1) Fc0 (t1 t0 ) Q损
•按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发 • 自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。 汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低， 汽化速率低
• 沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液 的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高
•按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发 • 单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热 的操作
•缺点：结构复杂，动力消耗大，传热面积小， 处理能力低。 •适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液
•直接加热蒸发器
•将一定比例的燃烧气与空气直 接喷入溶液中，燃烧气的温度 可高达1200～1800℃，由于气、 液间的温度差大，且气体对溶 液产生强烈的鼓泡作用，使水 分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽 与烟道气一同由顶部排出。
•5 •在加热室设置循环泵，使溶液 沿加热室方向以较高的速度循 环流动。
•优点： • 循环速度高 • 晶体不易粘结在加热管壁 • 对流传热系数高
•缺点： • 动力消耗大 • 对泵的密封要求高 • 加热面积小
•适于处理粘度大，易结垢、有 晶体析出的溶液。
•单程型(膜式)
•1 •特点是加热室内的加热管细而长。 •溶液预热到接近沸点时由蒸发器 底部送入，进入加热管时立即受 热沸腾汽化，溶液在高速上升的 二次蒸汽带动下，沿管壁边呈膜 状向上流动边蒸发。到达分离室 后，完成液与二次蒸汽分离后由 分离室底部排出。
•适于处理浓度、粘度较大 的溶液
•不适于处理易结晶、结垢 的溶液。
•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。 •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。
由传热速率方程得 A Q Kt m
相等，即
Fx0 (F W )x1
水分蒸发量： W F (1 x0 )
完成液的浓度：x1
Fx0 x1 F W
W,T’,H’
D,T,hw F-百度文库,x1,t1,h1
（2）热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和
温度下排出时，
DH Fh0 (F W )h1 WH Dhw Q损
D(H hw ) F (h1 h0 ) W (H h0 ) Q损
• 结垢程度小 •适于处理易结垢、有晶体 析出、处理量大的溶液
•4 列文蒸发器 •特点是在加热室上部设置沸腾室，加热 室中的溶液因受到附加液柱的作用，必 须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免 了溶液在加热管中结垢或析出晶体。 •优点：
• 流动阻力小 • 循环速度高 • 传热效果好 • 加热管内不易堵塞 •缺点： • 设备费高 • 厂房高，耗用金属多 •适于处理有晶体析出或易结垢的溶液
第五章 蒸发
•概 述 •在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性 操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的 产品，常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。 •5.1.1 蒸发分离的依据 •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。 7.1.2 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。
•适于处理蒸发量较大的稀溶液， 热敏性和易生泡沫的溶液；
•不适于浓度高、粘度大、有晶体 析出溶液的蒸发。
•2 降膜蒸发器 •它的加热室与升膜式类似， 但分离室设置在下部。溶液 预热后由加热室顶部加入， 经管端的液体分布器均匀分 配在各加热管内。
•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。 常用的膜分布器见书。
• 多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽， 以利用其冷凝热的串联操作
•蒸发的特点
•从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出 部分溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另 一侧的溶液沸腾间的传热过程，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。同时，蒸发器也是一 种换热器。但蒸发操作和设备与一般的传热过程有所不同。 •蒸发具有下述特点： •传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧 为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温 传热过程。 •溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢 和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性 逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。
•蒸发操作的应用
• •(1)制取液体产品。例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中， 含有约18%的NaCl，通过蒸发方法在除去大部分水的同时， 将NaCl •(2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却 使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精
•(3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥 发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。
•溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽 压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点 高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传 热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损 失，而且溶液浓度越高，温度差损失越大
• 蒸发溶液温度差：Δt=T-t • 蒸发纯水温度差：ΔtT=T-T’ • ∵ P一定时， t > T’ ∴ Δt< ΔtT •泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法 除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。
•能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应 合理利用这部分潜热。
•蒸发设备
•常用蒸发器的结构与特点 •蒸发器组成：
• 加热室：加热溶液使之汽化 • 分离室：分离二次蒸汽和完成液
•化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流 动情况，分为两大类：
• 循环型(非膜式) • 单程型(膜式) •循环型(非膜式) •循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动，溶液在蒸 发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动 的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。 • 自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产
pm
p
1 2
gL
液柱静压强引起的溶液 '' t( p 1 Lg) t( p)
温度升高：
2
所以沸腾液体的平 t t( p) '''
均温度为 ：
5.2.2 单效蒸发的计算
（1）物料衡算
F,x0,t0,h0
溶质在蒸发过程中不挥发， 且蒸发过程是个定态过程，单 D,T,H
位时间进入和离开蒸发器的量
•优点： 溶液循环速度高
• 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
•适于处理易结垢，有晶体析出 的溶液
•3 外热式蒸发器
•这种蒸发器将加热室与分 离室分开，采用较长的加热 管。 •优点：
• 降低了整个蒸发器的 高度，便于清洗和更 换
• 循环速度较高，使得 对流传热系数提高
•蒸发的流程
•用来进行蒸发的设备主要是蒸发器 和冷凝器。
•蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾 汽化，并移去，由加热室和分离室 两部分组成。
•蒸发操作时，溶液由分离室底部
加入，沿中央循环管流向加热室，
在加热室垂直管束内通过时与饱和 蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，
料液
汽液混合物沿加热管上升，达到分 离室时蒸汽与溶液分离。为与加热 加热蒸汽
用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一 定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可 以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上 取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有
h0 c0t0 0 c0t0
h1 c1t1 0 c1t1 hw cwT 0 cwT
代入前面的两式得：
D(H cwT0 ) WH (F W )c1t1 Fc0t0 Q损
生密度差而引起的循环运动 • 强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动
•1 中央循环管式(标准式)
•优点： • 溶液循环好 • 传热效率高 • 结构紧凑、制造方便、操作 可靠
•缺点： • 循环速度低 • 溶液粘度大、沸点高 • 不易清洗
•适于处理结垢不严重、腐蚀性小 的溶液
•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。
强的下溶剂的沸点成线性关系：
tA
t
0 A
K
tw
t
0 w
tA
t
0 A
K (tw
t
0 w
)
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。
由该图可以看出：
• 2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。 • P↓,T ↓,Δt一定，Q不变 • 3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物
料。
• 4.减少蒸发器的热损失。 •真空操作的缺点：
• 1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降 • 2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。
可得加热蒸汽的消耗量为：
D W (H cwt1) Fc0 (t1 t0 ) Q损 H cwT0
D Wr Fc0 (t1 t0 ) Q损 r
如果沸点进料，且忽略热损失，则
D Wr r
e D r Wr
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）
（3）蒸发器传热面积的计算