化工原理第六章蒸發(fā)資料重點(diǎn)

第六章蒸發(fā)掌握內(nèi)容（1）單效蒸發(fā)過程及其計(jì)算，如蒸發(fā)水量、加熱蒸汽消耗量及傳熱面積計(jì)算；有效溫度差及各種溫度差損失的來由及其計(jì)算；（2）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度及其影響因素。第一節(jié)概述

一、蒸發(fā)操作及其在工業(yè)中的應(yīng)用1.定義:工程上把采用加熱方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)（通常為固體）的溶液在沸騰狀態(tài)下，使其濃縮的單元操作稱為蒸發(fā)。

t<t沸騰自然蒸發(fā)t=t沸騰沸騰蒸發(fā)新鮮蒸汽——加熱蒸汽(生蒸汽)蒸發(fā)出汽體——二次蒸汽2.蒸發(fā)的目的（1）濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸偬幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品，例如電解燒堿液的濃縮，食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等；（2）同時(shí)濃縮溶液和回收溶劑，例如有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯，中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等；（3）為了獲得純凈的溶劑，例如海水淡化等。

蒸發(fā)裝置示意圖3.蒸發(fā)的流程

加熱室為列管式換熱器，加熱蒸汽在加熱室的管間冷凝，放出的熱量通過管壁傳給列管內(nèi)的溶液，使其沸騰并汽化，汽液混合物則在蒸發(fā)室中分離，其中液體又落回加熱室，當(dāng)濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器。二、蒸發(fā)操作的特點(diǎn)1、溶液沸點(diǎn)升高

在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇┑母撸芤簼舛仍礁?，這種影響越顯著。2、物料及工藝特性垢層，影響傳熱；熱敏性溶質(zhì)，在高溫下停留時(shí)間過長易變質(zhì)；有較大腐蝕性或較高黏度物料等等。3、能量回收蒸發(fā)過程是一個(gè)大能耗單元操作，節(jié)能是蒸發(fā)操作應(yīng)予考慮的重要問題。

三、蒸發(fā)操作的分類按操作壓力

常壓加壓真空按效數(shù)

單效二次蒸汽不利用多效二次蒸汽供下一效作加熱蒸汽按蒸發(fā)模式

間歇蒸發(fā)連續(xù)蒸發(fā)第二節(jié)蒸發(fā)器及輔助設(shè)備一、蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

根據(jù)溶液在加熱室內(nèi)的流動情況，蒸發(fā)器可分為循環(huán)型和單程型兩類。（一）、循環(huán)型蒸發(fā)器1、中央循環(huán)管式蒸發(fā)器

最常見的蒸發(fā)器，主要由加熱室、蒸發(fā)室、中央循環(huán)管和除沫器組成。蒸發(fā)器的加熱器由垂直管束構(gòu)成，管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造方便，操作可靠，投資費(fèi)用少。缺點(diǎn)：清理和檢修麻煩，溶液循環(huán)速度較低，一般僅在0.5m/s以下，傳熱系數(shù)小。用途：適用于黏度適中，結(jié)垢不嚴(yán)重，有少量結(jié)晶析出，及腐蝕性不大的場合。

動畫2、懸筐式蒸發(fā)器

懸筐式蒸發(fā)器的加熱室象個(gè)籃筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，并且以加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)形孔道代替中央循環(huán)管。溶液沿加熱管中央上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動而構(gòu)成循環(huán)。其主要特點(diǎn)是加熱室可由頂部取出進(jìn)行檢修或更換，且熱損失也較小。主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面積的金屬消耗較多。3、列文式蒸發(fā)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在加熱室上增設(shè)沸騰室。加熱室中的溶液因受到沸騰室液柱附加的靜壓力的作用而不在加熱管內(nèi)沸騰，直到上升至沸騰室內(nèi)當(dāng)其所受壓力降低后才能開始沸騰，因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室，從而避免了結(jié)晶或污垢在加熱管內(nèi)的形成。主要缺點(diǎn)：液柱靜壓頭效應(yīng)引起的溫度差損失較大，為了保持一定的有效溫度差要求加熱蒸汽有較高的壓力，設(shè)備龐大，消耗的材料多，需要高大的廠房等。

（二）、單程型蒸發(fā)器

前者均有循環(huán)過程、停留時(shí)間長，對熱敏性物料不適合，因此為減小停留時(shí)間，發(fā)展了液膜式（單程型）蒸發(fā)器。1、升膜式蒸發(fā)器

原料經(jīng)預(yù)熱，由底部進(jìn)入，由管內(nèi)向上，成膜狀蒸發(fā)，α較大，但有液柱靜壓作用，其沸點(diǎn)會升高。它適合于蒸發(fā)量較大，易生成泡沫及熱敏性物料。不適于高黏度、有晶體析出和易結(jié)垢的溶液。

升膜式蒸發(fā)器蒸發(fā)器

設(shè)計(jì)和操作這種蒸發(fā)器的要點(diǎn)是：盡力使料液在加熱管內(nèi)壁形成均勻液膜，并且不能讓二次蒸汽由管上端竄出。常用的分布器形式見圖6-5。圖6-4降膜式蒸發(fā)器

圖6-5降膜式蒸發(fā)器的液體分布裝置2、降膜式蒸發(fā)器適用于：黏度大的物料；不適用于：易結(jié)晶的物料，因?yàn)樾纬删鶆虻囊耗ぽ^難，α不高。蒸發(fā)器液體分布器分離器

圖6-6刮板式薄膜蒸發(fā)器3、刮板式蒸發(fā)器特點(diǎn)：借外力強(qiáng)制料液呈膜狀流動，可適應(yīng)高黏度，易結(jié)晶、結(jié)垢的濃溶液蒸發(fā)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造要求高，加熱面不大，且需要消耗一定的動力。（三）、直接接觸傳熱的蒸發(fā)器

把可燃性汽體直接通入溶液中燃燒。優(yōu)點(diǎn)：傳熱效果好，熱利用率高，結(jié)構(gòu)簡單，適用于易結(jié)晶、易結(jié)垢和具有腐蝕性物料的蒸發(fā)。缺點(diǎn)：限制了二次蒸汽的利用；噴嘴由于浸沒在高溫液體中，較易損壞。

點(diǎn)火管燃燒室測溫管外殼

二、除沫器、冷凝器和真空裝置（一）、除沫器（汽液分離器）

蒸發(fā)操作時(shí)產(chǎn)生的二次蒸汽，在蒸發(fā)室與液體分離后，仍夾帶大量液滴，尤其是處理易產(chǎn)生泡沫的液體，夾帶更為嚴(yán)重。為了防止產(chǎn)品損失或冷卻水被污染，常在蒸發(fā)器內(nèi)（或外）設(shè)除沫器。圖中（a）～（d）直接安裝在蒸發(fā)器頂部，（e）～（g）安裝在蒸發(fā)器外部。

（二）、冷凝器

冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有間壁式和直接接觸式兩種，若二次蒸汽為需回收的有價(jià)值物料或會嚴(yán)重污染水源，則應(yīng)采用間壁式冷凝器，否則通常采用直接接觸式冷凝器。后一種冷凝器一般均在負(fù)壓下操作，這時(shí)為將混合冷凝后的水排出，冷凝器必須設(shè)置得足夠高，冷凝器底部的長管稱為大氣腿。（三）、真空裝置

蒸發(fā)器中的負(fù)壓主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空裝置僅是抽吸蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏的空氣、物料及冷卻水中溶解的不凝性氣體和冷卻水飽和溫度下的水蒸汽等，冷凝器后必須安真空裝置才能維持蒸發(fā)操作的真空度。常用的真空裝置有噴射泵、水環(huán)式真空泵、往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式真空泵等。（四）、過程和設(shè)備的強(qiáng)化與展望1、研制開發(fā)新型高效蒸發(fā)器主要從改進(jìn)加熱管表面形狀等思路出發(fā)來提高傳熱效果。

2、改善蒸發(fā)器內(nèi)液體的流動狀況這方面的工作主要有：其一是設(shè)法提高蒸發(fā)器循環(huán)速度；其二是在蒸發(fā)器管內(nèi)裝入多種形式的湍流元件。

3、改進(jìn)溶液的性質(zhì)例如，加適量表面活性劑；加適量阻垢劑可減少結(jié)垢等。4、優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作在裝置中采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)測控技術(shù)，這是使裝置在優(yōu)化條件下進(jìn)行操作的重要措施。第三節(jié)蒸發(fā)計(jì)算基礎(chǔ)一、蒸發(fā)中的溫度差損失

傳熱平均溫度差Δtm的確定在蒸發(fā)操作中，蒸發(fā)器加熱室一側(cè)是蒸汽冷凝，另一側(cè)為液體沸騰，因此其傳熱平均溫度差應(yīng)為：式中：T

——加熱蒸汽的溫度，℃；

t

——操作條件下溶液的沸點(diǎn)，℃。

1、由溶液蒸汽壓下降而引起的溫度損失△′

溶液中由于含有溶質(zhì)，因此其蒸汽分壓低于同溫度下純?nèi)軇┑恼羝謮?，故在同一外壓下，其沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑模锤哂谡舭l(fā)室壓力下溶劑的飽和蒸汽溫度。其高出的值△′和溶液的種類、濃度及蒸發(fā)操作的壓強(qiáng)有關(guān)，可由下述方法求出:式中：Δ’

——操作條件下的溶液沸點(diǎn)升高，℃；

t——操作壓力下的溶液沸點(diǎn)溫度，℃

T’——操作壓力下二次蒸汽的飽和溫度，℃；

一般，有機(jī)物溶液的較小；無機(jī)物溶液的較大；稀溶液的不大，但隨濃度增高，值增高較大。例如，7.4％的NaOH溶液在101.33KPa下其沸點(diǎn)為102℃，僅為2℃，而48.3%NaOH溶液，其沸點(diǎn)為140℃，值達(dá)40℃之多。杜林規(guī)則

在相當(dāng)寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)溶液的沸點(diǎn)與同壓強(qiáng)的下溶劑的沸點(diǎn)成線性關(guān)系：

式中t和代表某種液體（或者溶液）在兩種不同壓力下的沸點(diǎn)，tw和代表溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)。

如圖為不同濃度NaOH水溶液的沸點(diǎn)與對應(yīng)壓強(qiáng)下純水的沸點(diǎn)的關(guān)系，由圖可以看出，當(dāng)NaOH水溶液濃度為零時(shí)，它的沸點(diǎn)線為一條對角線，即水的沸點(diǎn)線，其它濃度下溶液的沸點(diǎn)線大致為一組平行直線。由該圖可以看出：①濃度不太高的范圍內(nèi)，溶液沸點(diǎn)線近似為一組平行直線；②濃度范圍只需要知道兩個(gè)不同壓強(qiáng)下溶液的沸點(diǎn)，則其他壓強(qiáng)下的溶液沸點(diǎn)可按杜林規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。

以液層中部（料液一半）處的壓力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層中部的壓力pm為：式中：p——溶液表面的壓力，即二次蒸汽（蒸發(fā)器分離室）的壓力，Pa；

ρ——溶液的平均密度，kg/m3；

L——液層高度，m。則由液柱靜壓引起的沸點(diǎn)升高為式中：tm——液層中部pm壓力下水的沸點(diǎn)，℃；

t

’——

二次蒸汽壓力（蒸發(fā)器分離室）下水的沸點(diǎn)。2、由蒸發(fā)器中溶液的液柱壓力引起的溫度差損失3、管道阻力引起的溫度差損失

二次蒸汽從蒸發(fā)室到冷凝器，為克服管道阻力使其壓強(qiáng)降低，二次蒸汽的溫度也相應(yīng)的降低，由此引起的溫度差損失為。顯然，值與二次蒸汽的速度、管道尺寸以及除沫器的阻力有關(guān)。由于此值難于計(jì)算，一般取經(jīng)驗(yàn)值為1℃，即=1℃。如果沸騰液體上方的壓強(qiáng)已知，便不必求此項(xiàng)?？偟臏囟炔顡p失考慮了上述因素后，操作條件下溶液的沸點(diǎn)t1，即可用下式求取，式中：——冷凝器操作壓力下的飽和水蒸汽溫度，℃；T——加熱用飽和蒸汽的飽和溫度蒸發(fā)計(jì)算中，通常把（6-6）的溫度差稱為有效傳熱溫度差。(6-6)例6-1教材p/290二、蒸發(fā)過程的傳熱系數(shù)

蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算式中：αi——管內(nèi)溶液沸騰的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

αo——管外蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ｒw——管壁熱阻，通?？梢院雎裕唬襰

——污垢熱阻，m2·℃/W。

由于蒸發(fā)過程中，加熱面處溶液中的水分汽化，濃度上升，因此溶液很易超過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)析出并包裹固體雜質(zhì)，附著于表面，形成污垢，所以Rs往往是蒸發(fā)器總熱阻的主要部分。為降低污垢熱阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循環(huán)速度，在溶液中加入晶種和微量的阻垢劑等。影響

i的因素很多，如溶液的性質(zhì)，沸騰傳熱的狀況，操作條件和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等；及時(shí)排除不凝氣體以降低熱阻，增大

o。蒸發(fā)器型式總傳熱系數(shù)W/(m2·K)中央循環(huán)管式580～3000帶攪拌的中央循環(huán)管式1200～5800懸筐式600～3000自然循環(huán)600～3000強(qiáng)制循環(huán)1200～6000升膜式1200～6000降膜式1200～3500刮膜式，粘度1mPa·s2000刮膜式，粘度100～100,00mPa·s200～1200常用蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值第四節(jié)單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容有：①確定水的蒸發(fā)量W；②加熱蒸汽消耗量D；③蒸發(fā)器所需傳熱面積A。在給定生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，如進(jìn)料量、溫度和濃度，完成液的濃度，加熱蒸汽的壓力和冷凝器操作壓力的情況下，上述任務(wù)可通過物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程求解。

一、蒸發(fā)水量的計(jì)算由此可得水的蒸發(fā)量

完成液的濃度

式中：

F——原料液流量，kg/s；

W——蒸發(fā)水量，kg/s；

L——完成液量，kg/s；

x0——原料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

x1——完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。蒸發(fā)器進(jìn)行溶質(zhì)的物料衡算：

二、加熱蒸汽消耗量的計(jì)算

加熱蒸汽用量可通過熱量衡算求得，設(shè)加熱蒸汽的冷凝液在飽和溫度下排出，則蒸發(fā)器的熱量衡算為：或

式中：H——加熱蒸汽的焓，kJ/kg;

H′——二次蒸汽的焓，kJ/kg;

h0——原料液的焓，kJ/kg;

h1——完成液的焓，kJ/kg;hw——加熱室排出冷凝液的焓，kJ/h;Q——蒸發(fā)器的熱負(fù)荷或傳熱速率，kJ/h;QL——熱損失，可取Q的某一百分?jǐn)?shù)，kJ/h。（6-10）（6-10a）對于純物質(zhì)，所考慮的兩個(gè)狀態(tài)不存在相變時(shí)，常以比熱及溫度表示兩狀態(tài)的焓差：有相變時(shí)：

考慮溶液濃縮熱不大，并將H′取t1下飽和蒸汽的焓，則式中：r、r′——分別為加熱蒸汽和二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg

c0——為原料的比熱，kJ/(kg·℃)。若原料由預(yù)熱器加熱至沸點(diǎn)后進(jìn)料（沸點(diǎn)進(jìn)料），即t0=t1，并不計(jì)熱損失，則（6-11）式可寫為：

（6-11）對單效蒸發(fā)而言，D/W=1，即蒸發(fā)一千克水需要約一千克加熱蒸汽，實(shí)際操作中由于存在熱損失等原因，D/W≈1。三、傳熱面積的計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱面積可通過傳熱速率方程求得，即：

式中：A——蒸發(fā)器的傳熱面積，m2;

K

——蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，W/(m2?K)；

Δtm——傳熱平均溫度差，℃；

Q

——蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，W或kJ/kg。

（6-13）例6-2教材p/295第五節(jié)多效蒸發(fā)

在多效蒸發(fā)中，把第一效的加熱蒸汽稱——生蒸汽，蒸發(fā)后產(chǎn)生的蒸汽——二次蒸汽，把二次蒸汽引入下一效作加熱蒸汽，這就要求下一效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)都較前一效低，則二次蒸汽才可起到加熱作用，即后一效的加熱室作為前一效二次蒸汽的冷凝器，這樣一個(gè)個(gè)串聯(lián)起來，只用一次生蒸汽，即可進(jìn)行多次蒸發(fā)，提高了生蒸汽的利用率。如忽略熱損失及溫度差損失，且沸點(diǎn)進(jìn)料，理論上講，每一效l公斤生蒸汽可蒸發(fā)l公斤水。即單效D/W=1，二效D/W=1/2，三效D/W=1/3，

n效D/W=1/n但實(shí)際由于有熱損失及溫度差損失，不可能達(dá)到以上值，但總的是多效蒸發(fā)提高了生蒸汽的利用率。一、多效蒸發(fā)的流程

并流加料三效蒸發(fā)流程1、并流加料流程(l)由于后一效總比前一效蒸發(fā)室壓強(qiáng)低，故中間溶液不用泵送(2)前一效溶液沸點(diǎn)較后一效高，因此料液進(jìn)入下一效處于過熱狀態(tài)，可產(chǎn)生自行蒸發(fā)(自蒸發(fā)或閃蒸)，可產(chǎn)生更多二次蒸汽(3)但后一效比前一效濃度大，而溫度更低，則料液黏度變大，傳熱系數(shù)K變小，蒸發(fā)效果越來越差。因此對黏度大的溶液，此方法不適合。2、逆流流程

逆流加料三效蒸發(fā)流程(l)因前一蒸發(fā)室較后效壓強(qiáng)大，每效中間料液需泵輸送。(2)料液因逆向，隨濃度增大，而溫度也升高，故黏度變化不大，所以K值變化不大，蒸發(fā)效果各效相差不多。(3)產(chǎn)生二次蒸汽較并流少，因后效較前效溫度低，料液進(jìn)入前一效須吸收熱量。此法適合黏度隨溫度變化大的物料。3、平流流程

平流加料三效蒸發(fā)流程蒸汽I一II一III料液每效加料每效出料

此法適合蒸發(fā)中有溶質(zhì)結(jié)晶析出的物料，如食鹽溶液到27%時(shí)就已飽和。

二、多效蒸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn)溶液的溫度差損失單效和多效蒸發(fā)過程中均存在溫度差損失。若單效和多效蒸發(fā)的操作條件相同，即二者加熱蒸汽壓力相同，則多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效時(shí)的大。效數(shù)越多，溫度差損失將越大。

2.經(jīng)濟(jì)效益多效提高了生蒸汽的利用率表6-2列出了不同效數(shù)蒸發(fā)的生蒸汽經(jīng)濟(jì)性效數(shù)單效雙效三效四效五效W/D0.911.752.53.333.70表6-2生蒸汽經(jīng)濟(jì)性W/D的經(jīng)驗(yàn)值3.多效蒸發(fā)效數(shù)的限制

由表6-2并綜合前述情況后可知，隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽的消耗量會減少，即操作費(fèi)用降低，但是有效溫度差也會減少（即溫度差損失增大），使設(shè)備投資費(fèi)用增大。因此必須合理選取蒸發(fā)效數(shù)，使操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)之和為最少。三、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度（一）、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量來表示。由于蒸發(fā)水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產(chǎn)能力也可表示為（二）、蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度

蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度簡稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，即

式中：

U——蒸發(fā)強(qiáng)度，kg/(m2·h)。蒸發(fā)強(qiáng)度通常可用于評價(jià)蒸發(fā)器的優(yōu)劣，對于一定的蒸發(fā)任務(wù)而言，若蒸發(fā)強(qiáng)度越大，則所需的傳熱面積越小，即設(shè)備的投資就越低。

三效生產(chǎn)能力<單效，但三效的傳熱面積為單效的三倍，故三效的生產(chǎn)強(qiáng)度(單位時(shí)間、單位傳熱面積蒸發(fā)水量)<<單效。若不計(jì)熱損失和濃縮熱，料液又為沸點(diǎn)進(jìn)料，可得

由此式可知，提高蒸發(fā)強(qiáng)度的主要