蒸发基础理论

蒸发

第一节蒸发基础理论

1、蒸发：液体变成气体的转化过程叫蒸发。进行蒸发所必须具备的条件是：1.不断供给能量，2.不断排除液体转化成的气体。

2、真空蒸发：就是减压蒸发，与常压蒸发比较有以下优点：在减压条件下液体的沸点降低，使加热蒸汽与沸腾液间的温差增大，好处：1.利用较低的蒸汽2.减少传热面积，还可减少高温下的不良反应；真空蒸发热损少，补偿所消耗的蒸汽少。对降低缩二脲有利，减少尿素水解。

从提高尿液浓度以达到99.7%的造粒要求分析，采用真空蒸发也是有利的。为使尿液浓度达到99.7%，在140℃条件下，必须使与液体接触的气相水汽分压不高于25毫米汞柱。比较起来，采用高真空的方法较为经济。

液体汽化需要的热量随气化温度的降低而增加，真空蒸发蒸发相同液体消耗的加热蒸汽较常压蒸发略多。

3、尿液提浓为何采用二段蒸发：

为使尿液浓度达到99.7%，在140℃条件下，必须使与液体接触的气相水汽分压不高于25毫米汞柱。最终蒸发应在很低的绝压下进行。蒸发前，尿液浓度为74%，压力为常压。如果直接减压到25毫米汞柱绝压，则尿液在低于结晶温度条件下蒸发而析出结晶。尿液中析出固体引起堵塞。

从经济角度考虑，稀尿液直接在如此低的压力下蒸发大量水分是不经济的，因在如此低的压力下蒸汽冷凝很困难，且惰性气体压缩排除需要较大的动力。

图：尿素溶液的蒸汽压-浓度-温度相图 1mmHg=133.322Pa

1标准大气压=760mmHg=1.013×105Pa=101.3KPa≈100KPa≈10.337米闪蒸槽44KPa=334.4mmHg/84℃/74%,59～72KPa=450～550mmHg/90～95℃/74%,一段蒸发33KPa=251mmHg/130℃/95%,二段蒸发3.3KPa=25.1mmHg/140℃/＞99.7%

4、蒸发工艺条件的确定

尿液提浓的特点：在较低的压力下蒸发，随蒸发的进行尿液浓度达到一定时，就会析出结晶，形成液固混合物。如上图所示。在0.1绝压下蒸发，当尿液浓度达到70%，沸点温度为59℃，尿液就成饱和溶液；继续蒸发，尿液中将析出结晶，达到饱和溶液这点的温度为尿

塔的第一沸点。对析出结晶的尿液继续加热蒸发，到某一较高温度及浓度时，尿液结晶就消失，这点的温度为尿液的第二沸点。

从下表可以看出，随着压力升高，两个沸点逐渐接近，在压力为200mmHg（0.273绝对大气压）时两点重合。

为了防止尿液结晶，一段蒸发应在略高于0.273绝压的压力下进行，蒸发掉大量水分，是尿液浓度达到95%，此时尿液的饱和温度为120℃。实际控制128～132℃,33KPa。

二段蒸发出口尿液浓度要求达到99.7%以上，温度应超过132.5℃，操作温度应为138～142℃。140℃、99.7%的尿液的饱和蒸汽压为25mmHg。二段压力不高于0.034（绝）。

5、膜式蒸发器的成膜原理

列管内通入冷水而管外用蒸汽加热，若管内外传热温差很小，只是起加热作用。若传热温差加大，靠近管的顶部就会出现沸腾现象。

当继续增大传热温差，管内就会出现交替喷出液体和蒸汽；随后在管子中央会出现连续的蒸汽柱，在管壁上形成一层液体薄膜，被高速的蒸汽流提携而上，在管顶高速喷出悬浮有小液滴的蒸汽。这时，管子下部起加热器的作用，液体从底部上升一段距离才开始沸腾，下端的传热速率很低，下端加热部分过长，上端发生沸腾部分比例太小，就意义不大，通过实验加热管中液位占管总长的1/4～1/5比较适宜。

进膜式蒸发器的尿液应在沸点工况下进料，并保持有足够的传热温差。加热蒸汽的温度要适宜，太低沸腾不充分，气化不充分，气柱携带能力小；温度太高，易形成干壁破坏液膜。

6、蒸汽喷射器

图：蒸汽喷射器的构造和构造原理

蒸汽喷射泵构造简单紧凑、操作方便，没有运动部分，不需要传动设备和基础，能安装在任何地方，适于室外操作。在必须高真空的情况下，优越于往复泵及水环泵。用汞蒸汽做实验可达到千分之一绝对大气压，用水蒸气可达到0.3mmHg。往复泵及水环泵只能达到20mmHg，且往复泵产生高真空时需要多段，结构复杂。

缺点：1.蒸汽效率低，蒸汽消耗大（每抽出1公斤气体，消耗1.3～1.7公斤蒸汽），只有在绝压要求小于30～40mmHg才较经济。2.启动较慢，因喷射泵抽气量一定，刚开始启动，真空提高较慢。而往复泵及水环泵是定容的，压力高，排气量大，启动快。3.吸进的气体与蒸汽混合在一起回收困难。4.喷嘴喉管易腐蚀磨损

7、闪蒸槽的作用

使低压分解来的尿液绝热减压分解，使尿液中的NH3和CO2继续汽化；同时使尿液温度降低，减少缩二脲的生成。

8、蒸发系统设置U形管的作用

目的是形成液封，防止一、二段之间窜气，保证各段压力稳定。

U形管的高度必须保证管内液柱压力大于管两端的最大压差，同时满足管底部正压取样的要求。一般略大于7米，U形管不易太长，否则阻力增加、过料困难，物料停留时间长。

9、计算：每生产一吨尿素需蒸发的水量？

假设蒸发过程中尿素没有水解。已知低压分解液中尿素含量为71%,

水29%；闪蒸液尿素含量为75%；一段蒸发液尿素含量为95%；二段蒸发液尿素含量为99.7%；

则：闪蒸水量=（29/71-25/75）×1000=75.12公斤

一段蒸水量=（25/75-5/95）×1000=280.70公斤

二段蒸水量=（5/95-0.3/97.5）×1000=49.62公斤

75.12+280.70+49.62=405.44公斤

每生产一吨尿素蒸发系统需蒸发的水量为405.44公斤