第五章蒸发(概述、1节)

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2019/5/10
第一节 蒸发设备(5)
问题：是否中央管越粗溶液越容易循环？
中央循环管式蒸发器细管与中央管的规格要求： 一般取中央管的截面积为细管总截面积的40％～100％。
管束高度为1～2m,加热管直径为25～75mm;长径比为20～40。 中央循环管式蒸发器的结构紧凑，制造方便，操作稳定可靠，应用广
溶液在蒸发器内反复、连 续的做循环运动，最终达到所 需的浓缩要求。
循环型蒸发设备分为两类
自然循环型
强制循环型
(一)自然循环型蒸发器 1、中央循环管式蒸发器
(标准式蒸发器)
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(3)
1、中央循环管式蒸发器的结构特点：
分离室：分离二次蒸汽与液沫，其分离室的压强
由此可见：工业生产上蒸发器中进行的过程，必须将产 生的二次蒸汽不断、及时的排出，热量不断的供应才能保证 蒸发过程连续进行。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (8)
四、蒸发过程的特点（1）： 1、溶液沸点升高；
2、物料的工艺特性；
3、能量的利用与回收。
加热室：完成溶液蒸发的场所，可以为各种类型的换热器。
2、被蒸发溶液的性质对蒸发器的结构有要求： ①μ很大的液体，其对流传热系数α小，流动慢传热系数小。
②热敏性物料的浓缩蒸发： 物料不能长时间、反复被加热蒸发，否则变质，失去活性，
加热பைடு நூலகம்间不能过长。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (10)
考 蒸发温度不能过高——采用真空蒸发可以降低温度
泛，被称为“标准蒸发器”。
中央循环管式蒸发器的缺点：
蒸发器中溶液的循环速度较慢(u<0.4～0.5m/s以下)；另一方面，溶液 在蒸发器中循环时间比较长，溶液的浓度较大，沸点较高，粘度也较大， 则加热室易结垢、不易清洗。
因此中央循环管式蒸发器适用于结垢不严重、腐蚀性小的溶液蒸发操 作。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (11)
五、蒸发操作分类：
1、按操作压强分类:
①常压：可以敞口，不凝性气体靠本身压强排除。
②加压：用的不多。 ③真空(减压)：用的最多。因沸点低，可节省加热剂。
对热敏性物质尤其好用。不凝性气体必须用真空 泵抽出，维持真空度。
2、真空蒸发：为什么多数采用真空蒸发？
（1）可以降低溶液的沸点： 提高蒸发的传热推动力——Δtm=T-t
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (12)
（2）明确以下概念：对于t(沸点)—p(操作压强)的关系:
①浓度x一定，p↑,t↑;p↓,t↓; ②操作压强p一定，浓度x↑，t ↑(溶质的沸点升高) ③同一压强p,同一浓度x，沸点t的高低决定于物料种类。 ④ 若保持 p↓,t↓,Δtm不变，可以降低加热蒸汽的饱和温度Ts， 进一步可以减少热损失。
为操作压强p。
加热室：周围由垂直的细管及中央粗管的管束组
成。细管又称为加热管或沸腾管；内存大量完成
液。
加热室花板
[问题]为什么溶液能自然循环？
（1）循环原理：
中央管：单位溶液体积的受热面积小于细管内单位溶液体积的受热面积，
即中央管获得的热量少于细管的。
因为两管内溶液存在密度差异，从而引起溶液从中央管下降，沿细管上 升，形成自然循环。这种循环流动，提高了蒸发器的传热系数K，强化了蒸 发过程。
2、单效蒸发产生出大量的水蒸气称为二次蒸汽，
必须不断、及时地排出，直接通入冷凝器；使蒸发器产生一定的真空；
3、产生的不凝性气体，由真空泵及时抽出，维持系统的真空度。
问题： 1、什么叫二次蒸汽？
稀溶液中溶剂汽化产生的蒸汽叫二次蒸气。而且二次
蒸汽必须及时排出。
2、为什么产生的二次蒸汽必须及时排出？
分析： 对密闭体系－－例如蒸发器内：
第一节 蒸发设备(8)
3、外热循环式蒸发器：
加热室与分离室分为两体 的蒸发器,溶液在较长加热管内 被加热,因此加热管内的密度较 小,并沿加热管上升;循环速度可 达到1.5m/s;传热速度较高．
[问题]加热室与分离室两体 对蒸发操作有什么好处？
由于加热室与分离室是两体 的蒸发器，溶液－气体混合物进 入分离室后可继续蒸发。
间 壁 间壁式蒸发器* 式 蒸 直接接触式蒸发器 发 器
循环式 ——溶液在蒸发器 中作循环流动。
自然循环式： 中央循环管式蒸发器； 悬框式蒸发器
强制循环式：
列文式式蒸发器； (外循环式蒸发器)
单程式（膜式）
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(2)
一、循环型蒸发器：
溶液物料走管程 以管式为例
沸腾
蒸发是 有相变
加热蒸汽走壳程
被冷凝
蒸发过程的推动力：Δtm=T-t
的传热 过程；
加热蒸汽的饱和蒸汽压 Ps↔饱和温度T
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溶液的沸点t
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (9)
四、蒸发过程的特点（2）：
1、加热管内易结垢：由于壁面温度高，物料在壁面处易变 干，即易结垢，是不可避免的。 防止结垢：可以采取蒸发时间短；液体在蒸发器中快速流动 等。
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(10)
二、强制循环型蒸发器：
强制型与自然 循环的最大区别是 增加了循环泵，加 强了溶液在蒸发器 内的流速,其速度 可达2～3.0m/s， α较大，速度增大 则阻力损失增大， 耗能增大。
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第五章 蒸发
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (1)
一、蒸发操作
将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂汽化，
溶液浓缩得到浓溶液的过程叫蒸发单元操作。
溶液
溶质：不具有挥发性(这点很重要) 溶剂：具有挥发性，可被蒸发汽化。
溶剂S
蒸发过程的实质是溶质与溶剂的部分分 离过程。 蒸发为溶质的析出创造条件。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (7)
三、工业蒸发过程的必备条件—— 蒸发操作的必备条件：
①热能需不断地供给，因汽化需要热量。 自然蒸发：的热量来自大气。 沸腾蒸发：在溶液沸点温度下不断供热，维持溶剂汽化所需要
的潜热。供热的加热剂一般为水蒸汽。 ②二次蒸汽必须不断排除。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (6)
问题： 3、不凝性气体是怎样产生的？
物料处理过程中溶解在溶液中的气体，气体的种 类与处理物料的类型有关系；减压蒸发操作时从周围漏 入的气体。不凝性气体必须及时排除。
4、蒸发器中的真空度是怎样产生的？
二次蒸汽与具有一定流速的冷却水直接接触，被 迅速冷凝成水，体积骤然减小，则产生一定的真空度； 不凝气体被真空泵抽出，因此真空泵不是造成蒸发器内 部真空的原因，但真空泵起到了维持真空度的作用。
1)减少了加热蒸汽的热损失。 2)加热器部分可从顶部取出，除垢方便。
结构特点：环隙截面积为加热管100～ 150％，溶液循环速度1～1.5m/s； 溶液循环速度此种蒸发器适用于蒸 发过程有结晶的溶液。
缺点：耗材多，占地面积较大；加热管 内溶液储量较大。
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2019/5/10
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(4)
(2)公式：
中央管：V中

S中 V中

DL D2L

4 D
加热细管：V细

S细 V细

4dL
d2L

4 d
4
D

d ,
4 D

4 d
;因此中央

细管
结论：Q=KS△tm，K、△tm不变，若S大则Q大，由于细管内 被蒸发出的水分多,即汽化量大，细管内汽、 液混合物中，气 体占的比例较大,细管内混合液的密度小。密度差的存在是自然 循环的主要原因。
（2）多效蒸发：利用二 次蒸汽的相变潜热，将多 个蒸发器串联或并联。
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(1)
蒸发操作所需要的设备称为－－蒸发器。
加热室
蒸发 器的
构成 分离室
作用：加热稀溶液使之沸 腾。由于加热室的结构不 同，将蒸发器分为两类。 作用：分离二次蒸汽与液沫。
蒸发过程的速率，应是溶剂汽化的速 率，完全取决 于传热的速率，因此蒸发操作 仍属于传热过程，即传热 过程的应用。
溶剂S(挥发) 溶质A（不挥发）
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (2)
1、蒸发操作的目的：
1)满足工艺条件的要求：蒸发操作往往是获得产品的 中间操作；例：制糖、食盐、NaOH、NaCl、奶粉等。
二、单效蒸发流程
二次蒸汽
不凝性气体
冷却水
冷凝器
原料液 加热蒸汽
（生蒸汽）
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除沫器 蒸发室
加热室
冷凝水
完成液 单效蒸发器
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水
2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (4)
1、加热剂——饱和蒸汽，也称为新鲜蒸汽，或生蒸汽，一般来自锅炉，
用于加热稀溶液使之沸腾，其冷凝水在在饱和状态下排出；
因此，在蒸发器中溶液的浓度接近完成液的值，用完成液 的浓度、沸点(温度)表示蒸发操作对应的值。
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(7)
2、悬筐式蒸发器的结构特点：
将中央循环管式蒸发器的结构改 进——加热室部分悬挂在器内，并可 以取出，此种蒸发器为悬筐式蒸发 器，其优点为：
2019/5/10
第一节 蒸发设备(11)
自然循环型 强制循环型
共同的缺点：
1、蒸发器中溶液的储量大，循环时间长，受热时间 长，进料量、出料量与罐中总料量比，占的比例很 少，罐中主要是完成液，其温度为完成液的沸点， 对热敏性物质不适用。因此考虑改用缩短蒸发时间。
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(6)
中央循环管式蒸发器中的连续操作，有两个概念 需要明确: 1)蒸发器中被循环溶液的浓度用哪个值？
2)蒸发器中产生二次蒸气的饱和温度T怎样确定？
实际生产操作中，为稳定循环操作过程，循环式蒸发器内 连续放出完成液（浓溶液），同时连续进入原料液(稀溶液)。
但蒸发器中进入稀溶液和排出完成液的量与蒸发器内的液 量比较均较少。
虑 溶液需要缩短受热时间，让溶液在蒸发器中循环一次
即完成浓缩目的——采用膜式蒸发器能完成任务。
③蒸发过程需要消耗大量的加热蒸汽——热源的利用率， 节能非常重要。
考 二次蒸汽的利用； 虑 工艺条件的改进。
3、被蒸发的物料中含有不挥发物质，则相同蒸汽压溶液的 沸点高于纯溶剂的沸点，使传热总温差减少。
4、被蒸发的溶液产生大量的泡沫，解决除泡沫的问题。
开始时水中的水分子进入气相，但 由于密闭， 经过某时刻后必达平衡态， 即达到饱和状态；若 要继续使稀溶液汽 化为水蒸气，必须将平衡破坏， 即必 须 不断排除二次蒸汽，才能保持蒸发持续 进行。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (5)
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2)获得固体产品或浓缩液。 3)获得溶液的溶剂。例：海水淡化操作中，蒸出
的蒸汽经过冷凝，称为淡水是所需要的产品。
2、蒸发方式：
Ⅰ自然蒸发：表面蒸发，即水的自然蒸发,t<t沸。 Ⅱ沸腾蒸发：物料沸腾，水分汽化,t=t沸。(主要内容)
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (3)
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2019/5/10
第一节 蒸发设备(9)
加热室
分离室
二次蒸气－液沫混合物由加热室进入分离室的连接处：切 向进入，在离心力的作用下，气液可以得到进一步的分离。
总之：自然循环式蒸发器，是靠溶液在加热器内的密度 差异而循环，速度小，循环慢；对有些粘度大的 物料，循环 不起来；对粘度随浓度变化较大的溶液不能用自然循环式蒸 发器，可以用强制循环蒸发器。可用强制循环蒸发器。
（3）真空蒸发的缺点：
①由于溶液的沸点降低t↓,则溶液的黏度增高μ↑; α↓，溶液的 流动性降低；
②由于操作压强下降p↓,沸点下降t↓,则溶液沸腾所需汽化潜热 增大；
③真空蒸发必须有真空泵配置,增加了设备费。
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2019/5/10
概述：蒸发的基本原理 (13)
3、按二次蒸汽的利用 情况分类： （1）单效蒸发：二次蒸汽 不再被利用，直接 通入冷凝器。