第第7章章 蒸发蒸发Evaporation2024/7/191第7章 蒸发7.1概概 述述利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性，将含利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性，将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而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。使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。 7.1.1 蒸发的目的蒸发的目的蒸发操作的目的：蒸发操作的目的：获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品。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脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。去除杂质。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发。溶剂溶剂S溶质溶质A不挥发）不挥发）溶剂溶剂S加热加热2024/7/192第7章 蒸发7.1.2 蒸发流程蒸发流程加热溶液使溶剂汽化加热溶液使溶剂汽化蒸发器蒸发器不断除去气化的蒸发溶剂不断除去气化的蒸发溶剂冷凝器冷凝器蒸蒸发发流程的两个必要的流程的两个必要的组组成部分：成部分：二次蒸汽二次蒸汽水蒸气水蒸气热源热源水蒸气水蒸气蒸发产生蒸汽蒸发产生蒸汽二次蒸汽二次蒸汽加热蒸汽加热蒸汽水蒸气水蒸气热源热源2024/7/193第7章 蒸发7.1.3 蒸发操作的特点蒸发操作的特点溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度溶液的沸点升高：由于不挥发溶质的存在，溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因而，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸下纯溶剂的蒸气压。因而，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温点，这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温度差的降低。度差的降低。能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸气。能耗较大：蒸发操作所汽化的溶剂量较大，需要消耗大量的加热蒸气。因此需要考虑热量的利用的问题。因此需要考虑热量的利用的问题。溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸溶液特性：有些物料浓缩时易于结晶，结垢；有些热敏性物料由于沸点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需点升高更易于变性；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性，等等。需要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。要根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备。2024/7/194第7章 蒸发7.1.4 蒸发操作的分类蒸发操作的分类多多效效蒸蒸发发multi-effect evaporation）：若若将将二二次次蒸蒸气气通通到到另另一一压压力力较较低低的的蒸蒸发发器器作作为为加加热热蒸蒸气气，则则可可提提高高加加热热蒸蒸气气再再生生蒸蒸气气的的利利用率，这种蒸发操作称为多效蒸发。用率，这种蒸发操作称为多效蒸发。1.按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发单单效效蒸蒸发发single-effect evaporation）：将将二二次次蒸蒸气气不不再再利利用用而而直直接接送到冷凝器冷凝除去的蒸发操作。送到冷凝器冷凝除去的蒸发操作。2024/7/195第7章 蒸发2.按操作室压力分：常压、加压、减压真空蒸发按操作室压力分：常压、加压、减压真空蒸发常常压压蒸蒸发发：设设备备简简单单，操操作作方方便便，可可采采用用敞敞口口设设备备，二二次次蒸蒸汽汽 可可直直接接排排放放在在大大气气中中，但但会会造造成成大大气气污污染染，适适用用于于临临时时性性或或小小批量的生产。批量的生产。加加压压蒸蒸发发：可可提提高高二二次次蒸蒸汽汽的的温温度度，有有利利于于二二次次蒸蒸汽汽的的利利用用，但要求加热蒸汽的压力较高。但要求加热蒸汽的压力较高。 优点：优点： (1) 传热温度差传热温度差tm ； (2) 可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽 ； (3)可防止热敏性物料变质或分解可防止热敏性物料变质或分解 ； (4)沸点低，减少热损失。沸点低，减少热损失。缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备适用于处理热敏性物料。适用于处理热敏性物料。减压蒸发：减压蒸发： 沸点低沸点低2024/7/196第7章 蒸发3.按操作过程是否连续分按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发间歇蒸发，连续蒸发 间歇蒸发间歇蒸发 :一次加料一次加料最终出料或连续加料最终出料或连续加料 维持液面，一次出料。维持液面，一次出料。 溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多品种的场合。品种的场合。连续蒸发连续蒸发:连续进料，连续出料。稳定操作，适于大规模的生产过连续进料，连续出料。稳定操作，适于大规模的生产过程。程。2024/7/197第7章 蒸发7.2蒸发设备蒸发设备辅助设备辅助设备蒸发器蒸发器加热室加热室 分离室分离室 除沫器汽液分离器）除沫器汽液分离器） 冷凝器冷凝器 疏水器疏水器真空装置真空装置 蒸发设备蒸发设备用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器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，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。由加热室和分离室两部分组成。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。2024/7/198第7章 蒸发按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循环型和单程型按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：循环型和单程型(不循环不循环)。7.2.1 蒸发器蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶特点：溶液在蒸发器中循环流动，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。液浓度接近于完成液浓度。1 1 循环型蒸发器循环型蒸发器由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型和强制循环型两类。由于引起循环运动的原因不同，分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环型：自然循环型：强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动强制循环型：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动 。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。由于溶液受热程度不同产生密度差引起。2024/7/199第7章 蒸发（1中央循环管式中央循环管式(标准式标准式)蒸发器蒸发器n加热蒸汽：加热室管束环隙内加热蒸汽：加热室管束环隙内n溶溶液液：加加热热室室管管束束及及中中央央循循环环管管内内，受受热热时时，由由于于中中央央循循环环管管单单位位体体积积溶溶液液受受热热面面小小，使使得得溶溶液液形形成成由由中中央央循循环环管管下下降降，而而由由其其余余加加热热管上升的循环流动。管上升的循环流动。中央循环管中央循环管料液料液加热蒸汽加热蒸汽优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠优点：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、腐蚀性小的溶液适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液2024/7/1910第7章 蒸发（2悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 n加加热热室室像像个个筐筐，悬悬挂挂在在蒸蒸发发器器壳壳体体的的下下部部，可可由由顶顶部部取取出出。加加热热蒸蒸汽汽由由壳壳体体上上部部进进入入加加热热室室，在在管管间间放放热热加加热热管管内内溶溶液液使使其其上上升升，而而沿沿悬悬筐筐外外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。n优点：优点：n溶液循环速度高，改善了管内结垢情况溶液循环速度高，改善了管内结垢情况n传热速率较高传热速率较高n缺点：缺点：n设备费高设备费高n占地面积大占地面积大n加热管内溶液滞留量大加热管内溶液滞留量大n适于处理易结垢，有晶体析出的溶液适于处理易结垢，有晶体析出的溶液2024/7/1911第7章 蒸发（3外热式蒸发器外热式蒸发器 优点：优点：降降低低了了整整个个蒸蒸发发器器的的高高度度，便便于清洗和更换；于清洗和更换；循循环环速速度度较较高高，使使得得对对流流传传热热系数提高；系数提高；结垢程度小。结垢程度小。 这种蒸发器将加热室与分这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管。离室分开，采用较长的加热管。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液 蒸发室蒸发室循环循环管管加加热热室室2024/7/1912第7章 蒸发（4列文蒸发器列文蒸发器 n特特点点是是在在加加热热室室上上部部设设置置沸沸腾腾室室，加加热热室室中中的的溶溶液液因因受受到到附附加加液液柱柱的的作作用用，必必须须上上升升到到沸沸腾腾室室才才开开始始沸沸腾腾，这这样样避避免免了了溶溶液在加热管中结垢或析出晶体。液在加热管中结垢或析出晶体。n优点：优点：n流动阻力小流动阻力小n循环速度高循环速度高n传热效果好传热效果好n加热管内不易堵塞加热管内不易堵塞n缺点：缺点：n设备费高设备费高n厂房高，耗用金属多厂房高，耗用金属多n适于处理有晶体析出或易结垢的溶液适于处理有晶体析出或易结垢的溶液 2024/7/1913第7章 蒸发（5强制循环型蒸发器强制循环型蒸发器n在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方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。向以较高的速度循环流动。n优点：优点：n循环速度高循环速度高n晶体不易粘结在加热管壁晶体不易粘结在加热管壁n对流传热系数高对流传热系数高n缺点：缺点：n动力消耗大动力消耗大n对泵的密封要求高对泵的密封要求高n加热面积小加热面积小n适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。溶液。2024/7/1914第7章 蒸发2 单程型单程型(膜式膜式)蒸发器蒸发器溶溶液液在在蒸蒸发发器器中中的的停停留留时时间间很很短短，因因而而特特别别适适用用于于热热敏敏性性物物料料的蒸发；的蒸发；整整个个溶溶液液的的浓浓度度，不不象象循循环环型型那那样样总总是是接接近近于于完完成成液液的的浓浓度度，因而这种蒸发器的有效温差较大。因而这种蒸发器的有效温差较大。溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不作循环流动。溶液通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。发器。用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。用于热敏性、高粘性、易结垢产品的浓缩、蒸馏或提纯。优点：优点：2024/7/1915第7章 蒸发 适适于于处处理理蒸蒸发发量量较较大大的的稀稀溶溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；液，热敏性和易生泡沫的溶液；不不适适于于浓浓度度高高、粘粘度度大大、有有晶体析出溶液的蒸发。晶体析出溶液的蒸发。 （1） 升膜蒸发器升膜蒸发器原理：溶液预热到接近沸点时由原理：溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入，进入加热管时蒸发器底部送入，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分离室后，完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出。离后由分离室底部排出。2024/7/1916第7章 蒸发（2 2降膜蒸发器降膜蒸发器溶溶液液预预热热后后由由加加热热室室顶顶部部加加入入，经经管管端端的的液液体体分分布布器器均均匀匀分分配配在在各各加加热热管管内内，在在重重力力作作用用下下沿沿管管内内壁壁呈呈膜膜状状向向下下流流动动，并并进进行行蒸蒸发发。汽汽液液混混合合物物从从管管下下端端流流出出，在在分分离离器器内内进进行行汽汽液液分分离离后后完完成成液液由由分分离离室室底部排出。底部排出。z适于处理：浓度高、粘度较大适于处理：浓度高、粘度较大0.050.45 Pas的溶液。的溶液。z不适于处理：易结晶、结垢的溶液。不适于处理：易结晶、结垢的溶液。2024/7/1917第7章 蒸发（3） 升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器n蒸蒸发发器器由由升升膜膜管管束束和和降降膜膜管管束束组组合合而而成成，蒸蒸发发器器的的底底部部封封头头内内有有一一隔隔板板，将将加加热热管管束束分分成成两两部部分分。溶溶液液由由升升膜膜管管束束底底部部进进入入，流流向向顶顶部部，然然后后从从降降膜膜管管束束流流下下，进进入分离室，得到完成液。入分离室，得到完成液。n适适于于处处理理浓浓缩缩过过程程中中粘粘度度变变化化大大的溶液、厂房有限制的场合的溶液、厂房有限制的场合预热室预热室升膜加升膜加热室热室降膜加降膜加热室热室2024/7/1918第7章 蒸发（4刮板薄膜式蒸发器刮板薄膜式蒸发器 n溶溶液液由由蒸蒸发发器器上上部部沿沿切切线线方方向向加加入入，在在重重力力和和旋旋转转刮刮板板带带动动下下，在在加加热热管管内内壁壁上上形形成成旋旋转转下下降降的的液液膜膜，在在下下降降过过程程中中通通过过接接收收加加热热管管外外加加热热蒸蒸汽汽夹夹套套中中蒸蒸汽汽冷冷凝凝热热量量而而被被不不断断蒸蒸发发，底底部部得得到到完完成成液液，二二次次蒸蒸汽汽上上升升至至顶顶部部经经分分离离器器后后进进入入冷冷凝器。凝器。z缺缺点点：结结构构复复杂杂，动动力力消消耗耗大大，传传热热面面积积小小，处理能力低。处理能力低。 z适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液适于处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液z它它是是在在加加热热管管内内部部安安装装一一可可旋旋转转的的搅搅拌拌刮刮板板，刮刮板板端端部部与与加加热热管管内内壁壁间间隙隙固固定定在在0.750.751.5mm1.5mm之之间间，依依靠靠刮刮板板的的作作用用使使溶溶液液成成膜膜状状分分布在加热管内壁面上。布在加热管内壁面上。2024/7/1919第7章 蒸发（1直接加热蒸发器浸没燃烧式）直接加热蒸发器浸没燃烧式）n优点：结构简单，不需要固定的传热面，优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高热利用率高n适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。溶液。n不适于处理能被燃烧气污染及热敏性的不适于处理能被燃烧气污染及热敏性的溶液。溶液。3 其它蒸发器其它蒸发器 将一定比例的燃烧气与空气直接喷入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溶液中，燃烧气的温度可高达12001800，由于气、液间的温度差大，且气，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速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。顶部排出。2024/7/1920第7章 蒸发（2螺旋管蒸发器螺旋管蒸发器 在在螺螺旋旋加加热热管管中中，要要被被蒸蒸发发的的液液体体从从顶顶部部流流向向底底部部，同同时时，沸沸腾腾膜膜与与蒸蒸汽汽并并流流流流动动，由由于于加加热热管管当当然然螺螺旋旋形形状状，在在中中等等高高度度的的设设备备中中可可以以容容纳纳很很长长的的管管子子，经经过过很很长长的的管管道道流流动动中中产产生生的的蒸蒸汽汽对对液液膜膜施施加加一一个个很很高高的的剪剪切切力力。为为此此，弯弯曲曲的的螺螺旋旋管管将将引引起起二二次次流流，二二次次流流被被施施加加在在沿沿管管轴轴的的流流动动上上，这这此此作作用用可可促促进进湍湍流流并并强化高粘情况下的热传递。强化高粘情况下的热传递。适适用用于于达达到到高高浓浓度度和和高高粘粘度度。为为获获得得高高的的蒸蒸发发比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。 2024/7/1921第7章 蒸发7.2.2 蒸发器的选型蒸发器的选型选型时，一般考虑以下原则：选型时，一般考虑以下原则：z溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重溶液的粘度：蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。要的因素。z高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；膜式、刮板搅拌薄膜式等；z溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时溶液的热稳定性：热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器z有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在有晶体析出的溶液：选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器强制循环蒸发器2024/7/1922第7章 蒸发n有有腐腐蚀蚀性性的的溶溶液液：蒸蒸发发此此种种物物料料，加加热热管管采采用用特特殊殊材材质质制制成成，或或内内壁壁衬衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。z易易发发泡泡的的溶溶液液：泡泡沫沫的的产产生生，不不仅仅损损失失物物料料，而而且且污污染染蒸蒸发发器器，应应选选用用溶溶液液湍湍动动程程度度剧剧烈烈的的蒸蒸发发器器，以以抑抑制制或或破破碎碎泡泡沫沫，如如外外热热式式、强强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。易易结结垢垢的的溶溶液液：蒸蒸发发器器使使用用一一段段时时间间后后，就就会会有有污污垢垢产产生生，垢垢层层的的导导热热系系数数小小，从从而而使使传传热热速速率率下下降降。应应选选用用便便于于清清洗洗和和溶溶液液循循环环速速度度大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。大的蒸发器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等。z溶溶液液的的处处理理量量：溶溶液液的的处处理理量量也也是是选选型型时时应应考考虑虑的的因因素素。处处理理量量小小的的，选选用用尺尺寸寸较较大大的的单单效效蒸蒸发发，处处理理量量大大的的，选选用用尺尺寸寸适适宜宜的的多多效效蒸蒸发。发。2024/7/1923第7章 蒸发 （1蒸发器的热阻分析 蒸发器的传热热阻可由下式计算 管外蒸汽冷凝热阻 一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加； 管壁热阻 一般可以忽略； 7.2.3 蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数2024/7/1924第7章 蒸发 管内壁液一侧的垢层热阻Ri取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出； 管内沸腾给热阻 主要决定于沸腾液体的流动情况。（2管内汽液两相流动形式（3管内沸腾给热2024/7/1925第7章 蒸发常用蒸发器传热系数常用蒸发器传热系数K的经验值的经验值蒸发器的型式蒸发器的型式总传热系数总传热系数K, W / (m2K)标准式自然循环）标准式自然循环）6003000标准式强制循环）标准式强制循环）12006000悬筐式悬筐式6003000升膜式升膜式12006000降膜式降膜式120035002024/7/1926第7章 蒸发7.2.4 蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备1 除沫器汽液分离器）除沫器汽液分离器） 蒸发操作时产生的二次蒸汽，在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴，尤其是处理易产生泡沫的液体，夹带更为严重。为了防止产品损失或冷却水被污染，常在蒸发器内或外设除沫器。 图图中中a a）（d d直直接接安安装装在在蒸蒸发发器器顶顶部部，（e e）（g g安安装装在在蒸蒸发发器外部。器外部。2024/7/1927第7章 蒸发2 冷凝器冷凝器 冷冷凝凝器器的的作作用用是是冷冷凝凝二二次次蒸蒸汽汽。冷冷凝凝器有间壁式和直接接触式两种。器有间壁式和直接接触式两种。3 疏水器疏水器将将冷冷凝凝水水及及时时排排走走，防防止止蒸蒸汽汽由由排排出出管逃逸管逃逸 机械式、热膨胀式、热动力式机械式、热膨胀式、热动力式4 真空装置真空装置 当当蒸蒸发发器器在在负负压压下下操操作作时时，无无论论采采用用哪哪一一种种冷冷凝凝器器，均均需需在在冷冷凝凝器器后后安安装装真真空空装装置置。常常用用的的真真空空装装置置有有喷喷射射泵泵、水水环环式式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。真空泵、往复式或旋转式真空泵等。2024/7/1928第7章 蒸发7.3单效蒸发单效蒸发z已已 知知 过过 程程 选选 定定 ： 加加 热热 蒸蒸 汽汽 压压 强强 p(或或 温温 度度 T)， 冷冷 凝凝 器器 操操 作作 压压 强强 p(或或 温度温度t0)；z计算内容：计算内容：单位时间内水分蒸发量单位时间内水分蒸发量W(kg/h)和完成液的量；和完成液的量； z 加热蒸汽用量加热蒸汽用量D(kg/h)； z 蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积A(m2)。求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程。求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程。z已已 知知 条条 件件 ： 原原 料料 液液 流流 量量 F(kg/h)， 原原 料料 液液 浓浓 度度 o(质质 量量 分分 率率 )和和 温温 度度 to()，完成液的浓度，完成液的浓度(质量分率质量分率)(生产要求生产要求)；2024/7/1929第7章 蒸发7.3.1 7.3.1 蒸发量蒸发量蒸发器的物料衡算蒸发器的物料衡算对溶质做物料衡算：对溶质做物料衡算： 式中：式中： 溶液的进料量；溶液的进料量； 水份蒸发量二次蒸汽的量）；水份蒸发量二次蒸汽的量）； 原料液中溶质的浓度，质量分率；原料液中溶质的浓度，质量分率； 完成液中溶质的浓度，质量分率。完成液中溶质的浓度，质量分率。蒸发室加热室W,t0,IF,w0,t0,i0D,T0,I0D,T0,IcQLF-Ww,t,iT2024/7/1930第7章 蒸发7.3.2 加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量蒸发器的热量衡算蒸发器的热量衡算对进出蒸发器的热量进行衡算：对进出蒸发器的热量进行衡算：1 .溶液的浓缩热显著的溶液溶液的浓缩热显著的溶液蒸发室加热室W,t0,IF,w0,t0,i0D,T0,I0D,T0,IcQLF-Ww,t,iTD加热蒸汽消耗量，加热蒸汽消耗量，kg/s；T0,t加料液与完成液的温度，加料液与完成液的温度，；i0,i加料液，完成液热焓，加料液，完成液热焓，kJ/kg； I,Ic 二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。 式中热损失式中热损失QL 可视具体条件来取加热蒸汽放热量（可视具体条件来取加热蒸汽放热量（ Dr0 ）的）的 某一百分数。某一百分数。 2024/7/1931第7章 蒸发.溶液的浓缩热可以忽略溶液的浓缩热可以忽略当溶液的浓缩热不大，溶液的焓值可用比热计算。当溶液的浓缩热不大，溶液的焓值可用比热计算。以以0的液体为基准，那么：的液体为基准，那么：2024/7/1932第7章 蒸发例例7-1 在在连连续续操操作作的的蒸蒸发发器器中中，将将2000kg/h的的某某无无机机盐盐水水溶溶液液由由0.1浓浓缩缩到到0.3(均均为为质质量量分分数数)。蒸蒸发发器器的的操操作作压压强强为为40kPa，相相应应的的溶溶液液沸沸点点为为80。加加热热蒸蒸汽汽的的压压强强为为200kPa。已已知知原原料料液液的的比比热热为为3.77kJ/(kg)，蒸发器的热损失为蒸发器的热损失为12000W。设溶液的稀释热可以忽略，试求。设溶液的稀释热可以忽略，试求:1.水的蒸发量；水的蒸发量；2.原料液分别为原料液分别为30、80、120时的加热蒸汽消耗量。时的加热蒸汽消耗量。解：解：查附录查附录200kPa200kPa和和8080的饱和水蒸汽的汽化潜热分别为的饱和水蒸汽的汽化潜热分别为2205kJ/kg2205kJ/kg、2308kJ/kg2308kJ/kg. .加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量. .水的蒸发量水的蒸发量2024/7/1933第7章 蒸发a.原料温度为原料温度为30b.原料温度为原料温度为80c.原料温度为原料温度为120结论：原料温度越高，加热蒸汽消耗越小。结论：原料温度越高，加热蒸汽消耗越小。2024/7/1934第7章 蒸发7.3.3 蒸发速率与传热温度差蒸发速率与传热温度差 Q=KAtm据此计算蒸发器传热面积据此计算蒸发器传热面积A。其中。其中tm 计算如下计算如下:1 平均温度差平均温度差tm蒸蒸发发属属两两相相均均有有相相变变的的恒恒温温传传热热过过程程，故故传传热热的的平平均均温温度度差差为为 tm=T0-t当当加加热热蒸蒸汽汽选选定定时时，蒸蒸发发计计算算需需知知道道溶溶液液的的沸沸点点t，即即可可计计算算传传热温度差，在一定压强下，溶液的沸点热温度差，在一定压强下，溶液的沸点t较纯水的沸点高。较纯水的沸点高。在在实实际际生生产产中中，已已知知的的是是加加热热蒸蒸汽汽的的温温度度T0和和冷冷凝凝器器(或或分分离离室室)二次蒸汽的温度二次蒸汽的温度t0。(T0-t0)=tT，称为理论传热温差。，称为理论传热温差。2024/7/1935第7章 蒸发由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差(T0-t)较理论传热温差要小，其差值称为温度差损失：(1)因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差因溶质存在，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差 ；(2)蒸蒸发发器器操操作作时时需需维维持持一一定定液液位位，因因加加热热管管内内液液柱柱静静压压强强而而使使沸沸点点 升高升高；(3)二二次次蒸蒸汽汽由由蒸蒸发发器器分分离离室室流流动动到到冷冷凝凝器器(或或下下一一效效蒸蒸发发器器加加热热室室)时时产产生生压压强强降降，导导致致的的温温度度差差损损失失(若若t0指指分分离离室室温温度度时时，=0)。造成温度差损失的主要原因造成温度差损失的主要原因总的温度差损失为三项之和，即总的温度差损失为三项之和，即= + +2024/7/1936第7章 蒸发（1因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失设设tA为为仅仅考考虑虑因因溶溶质质存存在在时时引引起起蒸蒸汽汽压压下下降降时时溶溶液液的的沸沸点点，则则=tA-t0。 值值的的大大小小与与溶溶液液的的种种类类、浓浓度度以以及及操操作作压压强强有有关关，通通常常采用经验法则计算：采用经验法则计算：.经验估算法经验估算法(吉辛科法吉辛科法)对对常常压压下下由由于于蒸蒸汽汽压压下下降降而而引引起起的的沸沸点点升升高高a进进行行修修正正用用于于操操作作压强下的温度差损失。压强下的温度差损失。 =fa 式式中中： a 常常压压下下由由于于溶溶液液蒸蒸汽汽压压下下降降而而引引起起的的沸沸点点升升高高， a=tA-100； tA 常压下溶液的沸点，常压下溶液的沸点，其值可从有关手册查得；，其值可从有关手册查得； f 校正系数，无因次，校正系数，无因次，f=0.0162(t0)2/r t0， r 分分 别别 为为 实实 际际 操操 作作 压压 强强 下下 水水 的的 沸沸 点点 (K)和和 汽汽 化潜热化潜热(kJ/kg)。 2024/7/1937第7章 蒸发溶液沸点tAtA纯水沸点tWtWC%.杜林规则法杜林规则法(Duhrings rule)杜杜林林规规则则：溶溶液液的的沸沸点点和和相相同同压强下溶剂的沸点之间呈线性关系。压强下溶剂的沸点之间呈线性关系。因因而而，对对一一定定浓浓度度的的溶溶液液，只只要要知知道道它它在在两两个个不不同同压压强强下下的的沸沸点点，再再查查出出相相同同压压强强下下对对应应水水的的沸沸点点，即即可可绘绘出出该该浓浓度度溶溶液液的的杜杜林林直直线线，由由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。2024/7/1938第7章 蒸发 某某些些蒸蒸发发器器的的加加热热管管内内积积有有一一定定高高度度的的液液位位，使使得得液液面面以以下下液液体体承承受受更更大大的的压压强强，因因而而导导致致沸沸点点升升高高。液液层层内内部部沸沸点点与与表表面面沸沸点点之之差差即即为为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失。（2因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失一般认为沸腾时发生在液面下一般认为沸腾时发生在液面下1/5处处取液层下取液层下1/5处压强处压强pm下对应的沸点下对应的沸点tpm为依据。设分离为依据。设分离室压强为室压强为p，Pa，液面高度为，液面高度为L则液层下则液层下1/5处压强为：处压强为：溶液的平均密度，溶液的平均密度，kg/m2； L液层高度，液层高度，m。 2024/7/1939第7章 蒸发tpm 压压强强pm下下水水的的沸沸点点，(因因溶溶液液沸沸点点难难于于查查取取，故故取取该该压压强强下下纯水沸点近似作为溶液沸点纯水沸点近似作为溶液沸点)； tp 与二次蒸汽压强与二次蒸汽压强p对应的水的沸点，对应的水的沸点，；对应的温度差损失：对应的温度差损失：2024/7/1940第7章 蒸发在三种温差损失的计算中，以在三种温差损失的计算中，以为最大，为主要影响因素。为最大，为主要影响因素。 （3由于管路流动阻力而引起的温度差损失由于管路流动阻力而引起的温度差损失二次蒸汽由分离室流到冷凝器二次蒸汽由分离室流到冷凝器(或下一效加热室或下一效加热室)时，因管道流动时，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度差损失即为差损失即为 。因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布置情况而异，。因二次蒸汽产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：其计算较繁。通常根据生产经验值选取：=1单效蒸发：二次蒸汽单效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器 =11.5多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器冷凝器。冷凝器。多效蒸发：二次蒸汽多效蒸发：二次蒸汽 蒸发器蒸发器下一效加热室下一效加热室=11.52024/7/1941第7章 蒸发2 单效蒸发计算示例单效蒸发计算示例例例7-2 将将10%的的NaOH水水溶溶液液蒸蒸发发到到50%，处处理理量量为为1800kg/h，原原料料液液温温度度60，比比热热为为3.4kJ/kg，加加热热蒸蒸汽汽和和分分离离室室压压强强分分别别为为400kPa和和50kPa，蒸蒸发发器器内内液液面面高高度度为为2m，溶溶液液平平均均密密度度为为1400kg/m3，总总传传热热系系数数K为为1500W/(m2)，若若热热损损失失为为传传热热量量的的10%，忽忽略略稀稀释释热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。解：查附表：解：查附表： p=400kPa下蒸汽下蒸汽T0=143.4，r0=2138.5kJ/kg p=50kPa下二次蒸汽下二次蒸汽t0=81.2，r=2304.5kJ/kg(1)水蒸发量水蒸发量(2)产产品量品量 F-W=1800-1440=360kg/h2024/7/1942第7章 蒸发(3)加加热热蒸汽用量蒸汽用量Dr0=Wr+FC0(t-t0)+QL QL=0.1Dr0 D=1.1Wr+ FC0(t-t0)/r0 其中：其中：t=t0+=81.2+的计算采用杜林规则的计算采用杜林规则因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取w=0.50查表：水的沸点在查表：水的沸点在81.2,50%NaOH的沸点为的沸点为121.1 =tA- tW =121.1-81.2=39.9 2024/7/1943第7章 蒸发的计算：的计算：查得：查得：pm=55.49kPa下水沸点下水沸点tpm=83.7 =tpm-tp=83.7-81.2=2.5取取=1.2 t=81.2+39.9+2.5+1.2=124.8 故：故： D=1.114402304.5+18003.4(124.8-60)/2138.5=1911kg/h(4)传热面积传热面积传热量传热量:Q=Dr0=19112138.5/3600=1135.2 kW2024/7/1944第7章 蒸发7.4蒸发操作的经济性与多效蒸发蒸发操作的经济性与多效蒸发7.4.1 7.4.1 蒸发的经济性评价蒸发的经济性评价1 蒸发器的生产能力和生产强度蒸发器的生产能力和生产强度蒸发器的生产能力：单位时间内蒸发的水量蒸发器的生产能力：单位时间内蒸发的水量W(kg/h)：蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度U：指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，：指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2h) 沸点进料，且不计热损失沸点进料，且不计热损失 2024/7/1945第7章 蒸发2.2.提高蒸发器生产强度的途径提高蒸发器生产强度的途径(1)提高传热温度差提高传热温度差tm方法：方法：（2增大总传热系数增大总传热系数K提高热源的温度提高热源的温度 ：如采用高温热源：如采用高温热源降低溶液的沸点降低溶液的沸点 ：如采用真空蒸发：如采用真空蒸发 增大管内对流传热系数增大管内对流传热系数ii减少管内侧污垢热阻减少管内侧污垢热阻2024/7/1946第7章 蒸发3 3 加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性是指加热蒸汽的经济性是指1kg1kg加热蒸汽可蒸发的水量，即加热蒸汽可蒸发的水量，即W/DW/D。若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则有：若原料液在沸点下进入蒸发器，忽略热损失，则有： 称为单位蒸汽消耗量，表示每蒸发称为单位蒸汽消耗量，表示每蒸发1kg1kg水所需消耗的加热蒸水所需消耗的加热蒸汽量，可用来说明加热蒸汽的利用率。汽量，可用来说明加热蒸汽的利用率。 为节约能源，降低能耗，需提高加热蒸汽的经济性。其中最为节约能源，降低能耗，需提高加热蒸汽的经济性。其中最主要的途径是采用多效蒸发。主要的途径是采用多效蒸发。2024/7/1947第7章 蒸发1.并流流程并流流程又称为顺流加料加料流程，是工又称为顺流加料加料流程，是工业上最常见的加料模式。业上最常见的加料模式。7.4.2 多效蒸发流程多效蒸发流程蒸汽流动方向：蒸汽流动方向： 123溶液流动方向：溶液流动方向： 123 料液可自动流入下一效，无需泵料液可自动流入下一效，无需泵输送；输送； 溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸溶液会发生闪蒸而产生更多的蒸汽；汽；传热推动力依次减小；传热推动力依次减小； K依次减小；依次减小；并流多效蒸发并流多效蒸发2024/7/1948第7章 蒸发优、缺点：优、缺点： 料液需用泵送入下一效；料液需用泵送入下一效； 传热推动力较为均匀；传热推动力较为均匀；2.逆流流程逆流流程蒸汽流动方向：蒸汽流动方向： 321溶液流动方向：溶液流动方向： 123逆流多效蒸发逆流多效蒸发2024/7/1949第7章 蒸发 各效独立进料，传各效独立进料，传热状况均较好；热状况均较好；物料停留时间较短物料停留时间较短3.平流流程：平流流程：适于：适于：粘度随温度和浓度变粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发化较大的溶液蒸发 2024/7/1950第7章 蒸发7.4.3 多效蒸发的经济性及效数限制多效蒸发的经济性及效数限制1.加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性效数效数单效单效双效双效三效三效四效四效五效五效（D/Wmin 的的理论值理论值1 10.50.50.330.330.250.250.20.2（D/Wmin的的实测值实测值1.11.10.570.570.40.40.30.30.270.27多效蒸发单位蒸汽消耗量多效蒸发单位蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，操作费比单效蒸发小比单效蒸发小，操作费比单效蒸发小 蒸发同样数量的水分，采用多效蒸发时为小，可节省蒸汽用蒸发同样数量的水分，采用多效蒸发时为小，可节省蒸汽用量，提高蒸汽的利用率量，提高蒸汽的利用率 。 是不是效数越多是不是效数越多越好越好? ?2024/7/1951第7章 蒸发2.多效蒸发效数的限制多效蒸发效数的限制设备的费用是随着效数的增加而增加的；设备的费用是随着效数的增加而增加的；随着效数的增多，（随着效数的增多，（D/Wmin下降的幅度下降的幅度不断减小不断减小 ；技术上的限制技术上的限制注：必须对设备费和操作费进行权衡以决定合理的效数。注：必须对设备费和操作费进行权衡以决定合理的效数。 效数不能随意增加，一般常见效数不能随意增加，一般常见23效。效。 2024/7/1952第7章 蒸发3.提高加热蒸汽经济性的其他措施提高加热蒸汽经济性的其他措施n 蒸发的过程是一耗能较大的单元操作，而蒸发过程的主要热源为加热蒸发的过程是一耗能较大的单元操作，而蒸发过程的主要热源为加热蒸汽，因而，如何提高加热蒸汽的经济效率，是蒸发操作节能的重要途蒸汽，因而，如何提高加热蒸汽的经济效率，是蒸发操作节能的重要途径。径。(1).(1).二次蒸汽的部分利用二次蒸汽的部分利用 （额外蒸汽的引出）（额外蒸汽的引出） 将蒸发器蒸出的二次蒸汽引出将蒸发器蒸出的二次蒸汽引出作其他加热设备的热源，则此二次作其他加热设备的热源，则此二次蒸汽称为额外蒸汽蒸汽称为额外蒸汽2024/7/1953第7章 蒸发(2). 冷凝水显热的利用冷凝水显热的利用 在多效蒸发操作中，因后一效的加热蒸汽是前一效的二次蒸汽，所在多效蒸发操作中，因后一效的加热蒸汽是前一效的二次蒸汽，所以加热蒸汽的压力是逐效降低的，这样就可以利用前一效中冷凝水压力以加热蒸汽的压力是逐效降低的，这样就可以利用前一效中冷凝水压力高于后一效加热蒸汽压力的特点其对应的温度亦高将冷凝水减压至高于后一效加热蒸汽压力的特点其对应的温度亦高将冷凝水减压至后一效加热蒸汽的压力，冷凝水必因自蒸发而产生一部分蒸汽，这部分后一效加热蒸汽的压力，冷凝水必因自蒸发而产生一部分蒸汽，这部分蒸汽和前一效的二次蒸汽一起作为后一效的加热蒸汽，从而提了生蒸汽蒸汽和前一效的二次蒸汽一起作为后一效的加热蒸汽，从而提了生蒸汽的经济程度。的经济程度。2024/7/1954第7章 蒸发(3). 二次蒸汽的再压缩热泵蒸发）二次蒸汽的再压缩热泵蒸发） 热泵蒸发器是对二次蒸汽作功，提高其压力，从而提高其饱和温度，当温度热泵蒸发器是对二次蒸汽作功，提高其压力，从而提高其饱和温度，当温度提高到满足蒸发器内传热需要的温度除时，再送回远蒸发器中作为加热蒸汽。这提高到满足蒸发器内传热需要的温度除时，再送回远蒸发器中作为加热蒸汽。这样除了开工时需要生蒸汽外，正常操作后，对二次蒸汽作功，可以达到循环使用样除了开工时需要生蒸汽外，正常操作后，对二次蒸汽作功，可以达到循环使用二次蒸汽的目的。二次蒸汽的目的。热泵蒸发流程用于蒸发沸点升高小的溶液时较为有利，对沸点升高较大的不适用热泵蒸发流程用于蒸发沸点升高小的溶液时较为有利，对沸点升高较大的不适用2024/7/1955