第11章　蒸发　

第一节　单效蒸发

概 述 浓缩：从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。 概 述 浓缩：从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂部分分离的过程。 蒸发：利用溶质和溶剂挥发度的差异，通过加入热能的方法使溶剂汽化，而溶质不挥发，从而达到分离的目的。

蒸发操作及其在工业中的应用 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 同时浓缩溶液和回收溶剂 为了获得纯净的溶剂

1.1 蒸发操作的特点 生蒸汽，二次蒸汽 单效蒸发，多效蒸发 真空蒸发 保护热敏性物料 提高传热温差，但粘度增加，使总传热系数下降 操作成本提高

蒸发操作的特点 传热性质：恒温差传热 溶液性质：有晶体析出，易结垢，生泡沫，高温下易分解或聚合，浓缩过程中粘度增加 溶液沸点的改变：饱和蒸汽压下降，沸点升高 泡沫夹带 能源利用

食品物料蒸发的特点 热敏性 腐蚀性 粘稠性 泡沫性 易挥发组分

蒸发操作→部分水分去除→浓缩(固形物含量提高) 操作对象：含有固形物的溶液 原理：传热，相变 应用方程：热量衡算，总传热方程

与换热器传热的不同之处： 应用设备：中央循环管式蒸发器 由于是相变过程，只有温度达到流体的沸点水分才可蒸发，所以沸点成为影响传热速率的重要因素，分析影响沸点变化的因素也成为本章要研究的内容之一。 操作对象是溶液，为混合物，其热学性质随性质发生变化；非完全蒸发，既有相变和非相变过程，存在热量分配的问题。 应用设备：中央循环管式蒸发器

焓的理解：H，为状态参数，在某一温度下，物质有确定的焓值，即焓值为温度的函数，单位为J或kJ；热量为过程量，只有在传递时才有意义。 比焓h：单位质量物质具有的焓值，J/kg 当物体温度由T1变化到T2时吸热或者放热，传递的热量等于H1与H2的差值。即：

汽化时，流体温度不变，在沸点温度下，由液态转变为汽态，虽然温度相同，但两种相态的焓值是不同的，汽态的焓值大于液态的焓值，两者的差值等于由液态汽化时吸收的热量，即：

1.2 单效蒸发 1.2.1 溶液的沸点和温度差损失 沸点升高：一定压力下，溶液的沸点较纯水的高，两者沸点之差，称为溶液的沸点升高。

影响溶液沸点升高的因素 溶液浓度的影响 压强的影响 液柱静压头的影响 管路阻力的影响

单效蒸发与真空蒸发 单效蒸发设计计算 ①蒸发器物料衡算； ②加热蒸汽消耗量； ③蒸发器所需传热面积

蒸发器的生产能力与生产强度 可用单位时间内蒸发的水分量来表示。 简称蒸发强度，是指单位时间单位传热 面积上所蒸发的水量，即 蒸发器的生产能力 　　可用单位时间内蒸发的水分量来表示。 蒸发器的生产强度 　　简称蒸发强度，是指单位时间单位传热　　 　　面积上所蒸发的水量，即

提高蒸发强度的途径 提高传热温度差 真空蒸发 高温热源 提高总传热系数

第二节　多效蒸发 加热蒸汽的经济性

多效蒸发 多效蒸发是将第一次蒸发器汽化的二次蒸汽作为热源通入第二效蒸发器的加热室作加热用，这称为双效蒸发。如果再将第二效的二次蒸汽通入第三效加热室作为热源，并依次进行多个串接，则称为多效蒸发。

外蒸汽的引出 将蒸发器蒸出的二次蒸汽引出(或部分引出)，作为其他加热设备的热源，例如用来加热原料液等，可大大提高加热蒸汽的经济性，同时还降低了冷凝器的负荷，减少了冷却水量。

热泵蒸发 冷凝水显热的利用 将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩，提高它的压力，倘若压力又达到加热蒸汽压力时，则可送回入口，循环使用。 蒸发器加热室排出大量高温冷凝水，这些水理应返回锅炉重新使用，这样既节省能源又节省水源。

多效蒸发流程 并流流程图 逆流流程 平流流程

多效蒸发设计型计算 W1=W2= ··· =Wn 根据物料衡算求出总蒸发量 根据经验设定各效蒸发量 通常各效蒸发量可按各效蒸发量相等的原则设定，即 W1=W2= ··· =Wn 并流加料的蒸发过程由于有自蒸发过程，则可按如下比例设定 　　　若为两效　W1:W2 = 1:1.1 　　　若为三效　W1:W2:W3 = 1:1.1:1.2

设定各效操作压力以求各效溶液的沸点 通常按各效等压降原则设定，即相邻两效间的压差为

应用热量衡算求出各效的加热蒸汽用量和蒸发水量； 按照各效传热面积相等的原则分配各效的有效温度差，并根据传热速率方程求出各效的传热面积； 校验各效传热面积是否相等，若不等，则还需重新分配各效的有效温度差，重新计算，直到相等或相近时为止。

若单效和多效蒸发的操作条件相同，即二者加热蒸汽压力相同，则多效蒸发的温度差损失较单效时的大。 多效蒸发效数的限制 溶液的温度差损失 　　　若单效和多效蒸发的操作条件相同，即二者加热蒸汽压力相同，则多效蒸发的温度差损失较单效时的大。

多效蒸发效数的限制 　　　随着效数的增加，单位蒸汽的消耗量会减少，即操作费用降低，但是有效温度差也会减少(即温度差损失增大)，使设备投资费用增大。因此必须合理选取蒸发效数，使操作费和设备费之和为最少。

第三节 蒸发设备 循环型蒸发器 中央循环管式蒸发器 主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。 第三节　蒸发设备 循环型蒸发器 中央循环管式蒸发器 主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。 中央循环管截面积一般为管束总截面积的40~100% 通常加热管为1~2m，直径为25~75mm，长径比为20~40。

单程型蒸发器 物料一次通过加热器即达到浓缩要求，其停留时间仅数秒或十几秒，另外离开加热器的物料又得到及时冷却，故特别适用于热敏性物料的蒸发。 由于这类蒸发器的加热管上的物料呈膜状流动，故又称为膜式蒸发器。

升膜式蒸发器 加热室由一根或数根垂直长管组成。 通常加热管径为25~50mm，管长与管径之比为100~150。 加热管内的二次蒸汽应具有较高流速。通常，常压下，管上端出口处速度以保持20~50m/s为宜，减压操作时，速度可达100~160m/s。

降膜式蒸发器 尽量使料液在加热管内壁形成均匀液膜，并且不能让二次蒸汽由管上端窜出。 可用于蒸发粘度较大(0.05~0.45Pa·s)、浓度较高的溶液，但不适于处理易结晶和易结垢的溶液，这是因为这种溶液形成均匀液膜较困难，传热系数也不高。

复习思考题 1. 蒸发的实质是什么？基本变化是什么？ 2. 蒸发操作的特点是什么？ 3. 单效蒸发操作要解决的问题包括： 　(1) 水的蒸发量 　(2)热源问题 　(3)对设备的要求： 　　 ①传热面积 　 ②生产能力 　　 ③生产强度

选择题 蒸发操作的目的是　　　　　。 　A. 获得浓缩的溶液直接作为产品或半成品 　B. 脱除溶剂并增浓至饱和状态，然后再加以冷却，即采用蒸发、结晶的联合操作以获得固体溶质 　C. 脱除杂质，制取纯净的溶剂

为提高蒸气的利用率，可供采取的措施有　　　　　。 　A. 多效蒸发　　B. 额外蒸气的引出 　C. 二次蒸气的再压缩，再送入蒸发器加热室 　D. 蒸发器加热蒸气所产生的冷凝水热量的利用

蒸发器中溶液的沸点不仅取决于蒸发器的操作压强，而且还与　　　　等因素有关。 　A. 溶质的存在 　B. 蒸发器中维持的一定液位 　C. 二次蒸气的阻力损失

提高蒸发装置的真空度，一定能取得的效果为　　　　　　　　。 　A. 将增大加热器的传热温差 　B. 将增大冷凝器的传热温差 　C. 将提高加热器的总传热系数 D. 会降低二次蒸气流动的阻力损失

利用多效蒸发的目的在于　　　　。 　　　A. 提高完成液的浓度 　　　B. 提高蒸发器的生产能力 C. 提高水蒸气的利用率 D. 提高完成液的产量

在常压单效蒸发器中蒸发某种盐溶液。已测知该盐溶液在常压下因蒸气压降低引起的沸点升高为12℃,液柱静压引起的沸点升高为4℃，请据下表选定该蒸发操作至少得用 绝压的生蒸气。 饱和水蒸气绝对压强/atm 1.5 2 2.5 3 3.5 饱和水蒸气温度/ ℃ 115 120 128 132 138 A. 2.5 B. 2 C. 1.5 D. 1

测得某碱液蒸发器中蒸发室内二次蒸气的压强为p，碱液沸点为t。今若据p去查水的汽化潜热rp与据t去查水的汽化潜热rt，可断定rp与rt的相对大小为　　　　　。 A. rp>rt B. rp<rt C. rp=rt D. 无确定关系，不好比

　填空题 写出两种单程(非循环型)蒸发器的名称： 　　　　　　　、　　　　　　。　 升膜式蒸发器适用于　　　　　　，但不适用于　　　　　　。

降膜式蒸发器适用于　　　　　，但不适于处理　　　　　　。 蒸发过程的实质是　　　　　　。 大多数工业蒸发所处理的是水溶液，热源是　　　，产生的蒸汽称为　　　。

工业上常用的蒸发器有 、 和　 。 通常将1kg水蒸气所能蒸发的水量(W/D)称为　　　　。 一般定义单位传热面的蒸发量称为蒸发器的　　　　　。 蒸发器的形式很多，但它们均由　　　　、　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　和　　　　　三部分组成。

【例4-1】采用单效真空蒸发装置，连续蒸发NaOH水溶液。已知进料量为200kg/h，进料浓度为40%(质量分数)，沸点进料，完成液浓度为48.3%(质量分数)，其密度为1500kg/m3，加热蒸汽压强(表压)为0.3MPa，冷凝器的真空度为51kPa，加热室管内液层高度为3m。试求蒸发水量、加热蒸汽消耗量和蒸发器传热面积。已知总传热系数为1500 W/(m2·℃)，蒸发器的热损失为加热蒸汽量的5%，当地大气压为101.3kPa。

在一常压单效蒸发器中浓缩CaCl2水溶液，已知完成液为35. 7%(质量分数)，密度为1300kg/m3，若液面平均深度为1 在一常压单效蒸发器中浓缩CaCl2水溶液，已知完成液为35.7%(质量分数)，密度为1300kg/m3，若液面平均深度为1.8m，加热室用0.2MPa饱和蒸汽(表压)加热，求传热的有效温差。

某溶液在单效蒸发器中进行蒸发，用饱和蒸气加热，需加热蒸气2100kg/h，加热蒸气的温度为120℃，其汽化潜热为2205kJ/kg。已知蒸发器内二次蒸气的冷凝温度为81℃，各项温度差损失共为9℃，取饱和蒸气冷凝传热膜系数α2=8000W/(m2·K)，沸腾溶液的传热膜系数α1=3500W/(m2·K)，则该换热器的传热面积为　　17.66 　m2(假定该蒸发器是新造的，且管壁较薄，因此垢层热阻和管壁热阻均可不考虑，热损失可忽略不计)。

用一单效蒸发器将2500kg/h的NaOH水溶液由10%浓缩到25%(均为质量分数)，已知加热蒸汽压力为450kPa，蒸发室压力为101 用一单效蒸发器将2500kg/h的NaOH水溶液由10%浓缩到25%(均为质量分数)，已知加热蒸汽压力为450kPa，蒸发室压力为101.3kPa，溶液的沸点为115℃，比热容为3.9kJ/(kg·℃)，热损失为20kW。试计算以下两种情况下所需加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。(1)进料温度为25℃；(2)沸点进料。

欲将浓度为25%(质量分数，下同)、流量为3600kg/h的NaOH水溶液通过蒸发操作浓缩至50%，料液的进口温度为20℃,加热蒸气压强为4atm(绝对)，冷凝器的压强为400mmHg，据经验蒸发器的传热系数可取1100W/(m2·℃)，蒸发器的液层高度均为2.5m，溶液密度为1500kg/m3。若忽略蒸发器的热损失，蒸发器的加热蒸气耗量为　　　　kg/s，所需蒸发器的加热面积为　　　　m2。