第八章 蒸发 Chapter 8 Evaporation

概述 (Introduction) 蒸发过程：将含有固体溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩，以获得固体产品或制取溶剂。蒸发过程实际上是不挥发性的溶质和挥发性的溶剂分离的过程。 蒸发过程的基本概念 加热蒸汽(生蒸汽) 二次蒸汽 单效蒸发 多效蒸发 常压蒸发 加压蒸发 减压蒸发

概述 (Introduction) 蒸发操作是间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也是一种换热器。 蒸发过程的特殊性 (1) 溶液中含有不挥发性溶质，故溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压为低(沸点高)，相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小； (2) 工业规模的蒸发量很大，需要耗用大量的加热蒸汽，应充分利用二次蒸汽(多效蒸发)，降低过程的能量消耗； (3) 溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构。例如，易结垢或析出结晶的溶液，设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于清洗。对热敏性，高粘度或强腐蚀性的物料，应设计或选择适宜结构的蒸发器。

蒸发装置 蒸发器的结构及特点 循环型和单程型 循环型蒸发器 中央循环管式蒸发器

循环型蒸发器 悬筐式蒸发器

循环型蒸发器 外热式蒸发器

循环型蒸发器 列文式蒸发器

循环型蒸发器 强制循环蒸发器

单程型蒸发器 升膜式蒸发器和降膜式蒸发器

单程型蒸发器 升-降膜式蒸发器

单程型蒸发器 刮板式冷凝器

浸没燃烧式蒸发器

除沫器、冷凝器和真空装置 除沫器

除沫器、冷凝器和真空装置 冷凝器及真空装置

除沫器、冷凝器和真空装置 疏水阀 防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。 (1) 热动力式 (2) 钟形浮子式 (3) 脉冲式 1-冷凝水入口；2-冷凝水出口； 3-排出管；4-背压室； 5-滤网；6-阀片 防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。 (1) 热动力式 (2) 钟形浮子式 (3) 脉冲式

单效蒸发 主要计算项目：蒸发器的水分蒸发量；传热负荷与加热蒸汽的消耗量；传热温度差；传热系数；传热面积。 物料衡算和热量衡算 水分蒸发量 F, x0, t0, h0 D, T, H (F-W)x1, t1, h1 D, T, hw W, T’, H’ 加 热 室 蒸发室

忽略溶液稀释热，溶液焓可用比热计算，取0℃为基准 物料衡算和热量衡算 加热蒸汽消耗量 F, x0, t0, h0 D, T, H (F-W)x1, t1, h1 D, T, hw W, T’, H’ 加 热 室 蒸发室 若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出 忽略溶液稀释热，溶液焓可用比热计算，取0℃为基准

若溶液为沸点进料 (tl=t0 ) ，忽略蒸发器热损失 物料衡算和热量衡算 加热蒸汽消耗量 F, x0, t0, h0 D, T, H (F-W)x1, t1, h1 D, T, hw W, T’, H’ 加 热 室 蒸发室 有 若溶液为沸点进料 (tl=t0 ) ，忽略蒸发器热损失 蒸汽的汽化潜热随压力变化不大( r  r’ )，故D/W  1，蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。 实际上 r < r’，加上热损失，D/W >1，其值约为1.1或稍高。

物料衡算和热量衡算 蒸发器的传热面积 蒸 发 器 的 型 式 总传热系数K, W/(m2·K) 标准式（自然循环） 600-3000 蒸 发 器 的 型 式 总传热系数K, W/(m2·K) 标准式（自然循环） 600-3000 标准式（强制循环） 1200-6000 悬筐式 外热式（自然循环） 外热式（强制循环） 1200-7000 升膜式 降膜式 1200-3500 刮板式 600-2000

物料衡算和热量衡算 溶液的焓浓图和浓缩热 氢氧化钠、氯化钙等水溶液在蒸发浓缩时，除水的汽化潜热外，还需提供溶液的浓缩热。焓不能用比热计算式计算。

溶液的沸点及温度差损失 溶液中溶质不挥发，溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要低，因而相同压力下溶液的沸点总是比相同压力下水的沸点(二次蒸汽温度)为高，其差值称为沸点升高，用Δ表示 蒸发纯溶剂的温差 蒸发溶液的温差 即温度差损失在数值上等于沸点升高。 蒸发计算中，应先确定Δ值，再求溶液沸点 (tl=Tk’+Δ) 和实际传热温度差 (Δt=ΔtT -Δ)。

温度差损失的原因 (1) 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失，’ ； (2) 加热管内不同高度静压力不同，使溶液沸点升高，’’ ； (3) 二次蒸汽的流动阻力，使蒸发室的压力高于冷凝器，相应的饱和温度高于冷凝器的温度，如果二次蒸汽的温度以冷凝室的温度计算，则存在温度差损失，’’’ 。 蒸发器总温差损失

溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失 ’ 与溶液种类、浓度及操作压强有关，其值由试验测定的溶液沸点tA求得。设由二次蒸汽压力查得的饱和温度为Tk’ 对在加压或减压下的蒸发操作，需计算各种浓度溶液在不同压力下的温度差损失。 当缺乏实验数据时，可由常压下溶液的温度差损失估计 r’ —— 实际操作压力下二次蒸汽的汽化潜热

液柱静压力引起的温度差损失 ’’ 溶液内部的沸点按液面和底部平均压力计算，由静力学方程 式中：tA(pm) — 水在平均压力下的沸点，℃； tw(p) — 蒸发室二次蒸汽压力下算得的沸点，℃。 二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失 ’’’ 与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有关，一般取为 0.5~1.5 ℃； 对多效蒸发，二次蒸汽在两效间由于管道阻力引起的温度差损失一般取 1 ℃。

蒸发器的生产能力和生产强度 生产能力：单位时间汽化的水量(蒸发量)，kg/h。 如果忽略热损失和浓缩热，且料液在沸点下进料，则生产能力与传热速率成正比，故也可用传热速率来表示生产能力。 生产强度：单位时间单位传热面积上蒸发的水量，kg/(m2·h)。 生产强度是衡量蒸发器性能的一个重要指标。沸点进料和忽略热损失及浓缩热时，传递的热量全部用于水分蒸发，设溶剂的汽化潜热为r’，则生产强度 欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温差。

多效蒸发 单效蒸发：1kg水/1kg多生蒸汽 二次蒸汽作为加热蒸汽的条件：该蒸发器的操作压力和溶液温度应低于前一蒸发器。 抽真空可方便地降低蒸发器的操作压力和溶液温度。 多效蒸发可提高生蒸汽的利用率(经济性)，即同样数量生蒸汽可蒸发比单效蒸发器更多水。 效数 单效 双效 三效 四效 五效 W/D 0.91 1.75 2.5 3.33 3.7 D/W 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27

多效蒸发流程 并流加料蒸发流程 优点： 后效蒸发室压力较前效低，前效溶液可籍压差流入后效，无需用泵输送； 后效溶液沸点较前效低，溶液流入后效时，由于过热而发生自蒸发(闪蒸)，可蒸发更多的溶液。 缺点： 后效溶液浓度较前效大，而沸点又较低，故粘度相对较大，使后效的传热系数较前效为小，在后两效中尤为严重。

多效蒸发流程 逆流加料蒸发流程 优点： 随着溶液浓度的逐效提高，溶液的温度也不断提高，故各效溶液浓度比较接近，传热系数也大致相同。 缺点： 效间溶液需用泵输送，能量消耗较大。 适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液，但不适用于热敏性物料的蒸发。

多效蒸发流程 平流加料蒸发流程 料液分别加入各效，蒸发后完成液从各效分别排出，各效溶液的流向互相平行。 适用于蒸发过程中容易析出结晶的物料 (如食盐水在较低浓度下即达到饱和状态而有结晶析出)，可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液。