第六章-蒸發(fā)技術2

第六章蒸發(fā)技術第一節(jié)蒸發(fā)的主要任務蒸發(fā)操作:將含有不揮發(fā)性溶質、揮發(fā)性溶劑的稀溶液加熱至沸騰，使部分溶劑汽化并不斷移除，從而提高溶液中溶質濃度的操作。蒸發(fā)操作的任務就是將不揮發(fā)性的溶質和揮發(fā)性的溶劑進行分離。

蒸發(fā)操作主要采用飽和水蒸汽加熱，而被蒸發(fā)的物料大多是水溶液，故蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸汽。熱源蒸汽習慣上稱為生蒸汽或一次蒸汽；從蒸發(fā)器汽化生成的水蒸氣稱為二次蒸汽。為了區(qū)別這兩種蒸汽1蒸發(fā)分類

1.按加熱方式：直接加熱和間接加熱；

2.按加熱情況：自然蒸發(fā)和沸騰蒸發(fā)；

自然蒸發(fā)——加熱溫度低于溶液沸點，只在溶液表面發(fā)生汽化。沸騰蒸發(fā)——加熱溫度等于溶液沸點，溶液內部和表面同時發(fā)生汽化。

3.按蒸發(fā)器的效數(shù)：單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)

單效蒸發(fā)：若將二次蒸汽直接冷凝，而不再利用其冷凝熱的操作。多效蒸發(fā)：若將兩個或兩個以上的蒸發(fā)器串聯(lián)起來，二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為

加熱蒸汽，以利用其冷凝熱的蒸發(fā)操作。

4.按操作方式：連續(xù)式蒸發(fā)和間歇式蒸發(fā)5.按操作壓力：常壓、加壓及減壓（真空蒸發(fā)）2真空蒸發(fā)的優(yōu)點：可以使用低壓蒸汽或廢蒸汽做熱源；減少系統(tǒng)的熱損失；有利于

處理熱敏性物料；在相同熱源溫度下可提高溫度差。

真空蒸發(fā)的缺點：由于溶液沸點的降低會使粘度增大，沸騰時傳熱系數(shù)將降低；系

統(tǒng)需用真空裝置，因而還會增加一些額外的能量消耗和設備。

蒸發(fā)過程的實質:恒溫傳熱.

即傳熱壁面一側的蒸汽冷凝與另一側的溶液沸騰間的傳熱過程.

蒸發(fā)過程又具有不同于一般傳熱過程的特殊性：

（1）溶液中含有不揮發(fā)性溶質，故在相同的壓強下，溶液的沸點高于純水的沸點。（2）溶劑的蒸發(fā)量很大，需要耗用大量的加熱蒸汽，同時產(chǎn)生大量的二次蒸汽，

如何利用二次蒸汽的潛熱，是蒸發(fā)操作中要考慮的關鍵問題。

（3）溶液的特殊性決定了蒸發(fā)器的特殊結構.

3第二節(jié)單效蒸發(fā)一、單效蒸發(fā)流程

加熱蒸汽在加熱室的管間冷凝，所放出的熱量通過管壁傳給沸騰的溶液。被蒸發(fā)的溶液自分離室加入，經(jīng)蒸發(fā)后的濃縮液由器底排出。汽化產(chǎn)生的二次蒸汽在分離室夾帶的液沫加以分離后送往冷凝器與冷卻水相混而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性氣體用真空泵抽走。4二、單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)計算的主要內容有：水分蒸發(fā)量；加熱蒸氣消耗量；蒸發(fā)器的傳熱面積。計算的依據(jù)是：物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程。1．水分蒸發(fā)量的計算

D,T,hw

(F-W)，w1,t1,h1

加熱室D,T,HF,w0,t0,h0W,T’,H’蒸發(fā)室根據(jù)物料衡算衡算，蒸發(fā)前后溶質的量不變或2．加熱蒸汽消耗量

設：加熱蒸汽為飽和蒸汽，且冷凝后在飽和溫度下排出（僅放出潛熱），顯熱及濃

縮熱忽略不計。

5熱蒸汽放出的熱量Q全部用于以下三方面：

（1）預熱原料液Q預；

（2）提供水分汽化的潛熱Q汽；

（3）補償損失于周圍介質中的熱量Q損。

根據(jù)熱量衡算：Q=Q預+Q汽+Q損即：原料液的比熱容可按下面的經(jīng)驗式計算6——純溶劑（水）的比熱容，kJ/(㎏·℃——純溶質的比熱容，kJ/(㎏·℃)

當w0<20%時，

（1）沸點進料=討論：不同進料溫度對加熱蒸汽用量的影響若蒸發(fā)器的熱損失忽略不計，

或D/W—單位蒸汽消耗量，蒸發(fā)1㎏水時的蒸汽消耗量。

由于蒸汽的潛熱隨壓力變化不大，

即故

但實際上因蒸發(fā)器有熱損失等的影響，D/W約為1.1或稍高。

7（2）低于沸點進料

<部分蒸汽用于預熱原料液，加熱蒸汽用量增加。

（3）高于沸點進料

>

產(chǎn)生自蒸發(fā)，加熱蒸汽用量減少3．蒸發(fā)器的傳熱面積計算根據(jù)傳熱基本方程

8式中——換熱器的傳熱面積，m2；——蒸發(fā)器的熱負荷，W；——傳熱平均溫差，℃；——換熱器的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

根據(jù)熱量衡算，蒸發(fā)器的熱負荷

蒸發(fā)過程為加熱蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫傳熱值可按傳熱章提供的公式計算

三、溶液的沸點和溫度差損失1.溶液的沸點溶液中溶質不揮發(fā)，在相同的條件下溶液的沸點總是比純溶劑的沸點升高。實際操作中，已知加熱蒸汽壓力和二次蒸汽壓力（冷凝器的壓力），

既可直接查得T（加熱蒸汽溫度）和（二次蒸汽溫度）

9視溫度差

溫度差損失

產(chǎn)生溫度差損失的原因主要有

所以溶液的沸點

2.溫度差損失①因溶液沸點升高引起的溫度差損失

②因加熱管內液柱靜壓力而引起的溫度差損失③由于管路流動阻力而引起的溫度差損失

總溫度差損失為：

若二次蒸汽的溫度

根據(jù)蒸發(fā)器分離室的壓力（即不是冷凝器的壓力）確定時

則10（1）因溶液沸點升高引起的溫度差損失

值主要和溶液的種類、濃度以及蒸發(fā)壓力有關，其值由實驗測定。=常壓下溶液的沸點-常壓下飽和水蒸汽的溫度（a）常壓下，某些無機鹽水溶液的沸點與濃度的關系見附錄。

（b）非常壓下可用近似式計算。——校正系數(shù)，

——操作壓強下二次蒸汽的溫度，℃；

——操作壓強下二次蒸汽的汽化熱，kJ/㎏。11（2）因液柱靜壓力引起的溫度差損失=溶液平均壓強下的沸點-液面壓強下的沸點

即：

——根據(jù)平均壓力求得的水的沸點，℃；——根據(jù)二次蒸汽壓力求得的水的沸點，℃。蒸發(fā)器中溶液的平均壓強：

——液面處的壓力，即操作壓力，Pa；——溶液的密度，㎏／m3；

——液層高度，m。

12（3）由于管路流動阻力引起的溫度差損失二次蒸汽由蒸發(fā)器流到冷凝器的過程中，因有流動阻力使其壓力降低，蒸汽的飽和溫度也相應降低，由此引起的溫度差損失即。

值的大小與二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有關。根據(jù)經(jīng)驗，一般

取為0.5～1.5℃第三節(jié)多效蒸發(fā)一、多效蒸發(fā)的操作原理利用減壓的方法使后一效蒸發(fā)器的操作壓力和溶液的沸點均較前一效蒸發(fā)器的低，

使前一效蒸發(fā)器引出的二次蒸汽作為后一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，且后一效蒸發(fā)器的加熱室成為前一效蒸發(fā)器的冷卻器。13二、多效蒸發(fā)的流程常用的多效蒸發(fā)流程有以下幾種。1．并流法（又稱順流法）料液與蒸汽的流向相同，如圖6-3所示。料液和蒸汽都是由第一效依次流至末效。

優(yōu)點：

（1）溶液的輸送可以利用各效間的壓力差，自動的從前一效進入后一效，因而各效間可省去輸送泵

（2）前效的操作壓力和溫度高于后效，料液從前效進入后效時因過熱而自蒸發(fā)，在各效間不必設預熱器（3）輔助設備少，流程緊湊；因而熱量損失少，操作方便，工藝條件穩(wěn)定。

缺點：

后效溫度更低而溶液濃度更高，故溶液的黏度逐效增大，降低了傳熱系數(shù)，往往需要

14更多的傳熱面積。因此，黏度隨濃度增加很快的料液不宜采用此法。

2．逆流法

料液與蒸汽的流向相反，如圖6-4所示。料液從末效加入，必須用泵送入前一效；

而蒸汽從第一效加入，依次至末效。優(yōu)點：（1）蒸發(fā)的溫度隨溶液濃度的增大而增高，這樣各效的黏度相差很小，傳熱（2）完成液排出溫度較高，可以在減壓下進一步閃蒸增濃。缺點：（1）輔助設備多，各效間須設料液泵；（2）各效均在低于沸點溫度下進料，須設預熱器（否則二次蒸汽量減少），故一般來說，逆流加料法宜于處理黏度隨溫度和濃度變化較大的料液蒸發(fā)，但不適于熱敏性物料的蒸發(fā)。

系數(shù)大致相同；能量消耗增大。用153．平流加料法

料液同時加入到各效，完成液同時從各效引出，蒸汽從第一效依次流至末效，如圖6-5所示。此法用于蒸發(fā)過程中有結晶析出的場合；還可用于同時濃縮兩種以上不同的料液，除此之外

般很少使用之。

三、多效蒸發(fā)效數(shù)的限定多效蒸發(fā)的效數(shù)的限定原則：當增加一效的設備費不能與所節(jié)省的加熱蒸汽的收益

相抵時，就沒有必要再增加效數(shù)了。通常，工業(yè)上使用的多效蒸發(fā)裝置，其效數(shù)并不是很多的。一般對于電解質溶液，

如NaOH等水溶液的蒸發(fā)，由于其沸點升高（即溫度差損失）較大，故采用2～3效；對

于非電解質溶液，如葡萄糖的水溶液或其他有機溶液的蒸發(fā),由于其沸點升高較小所用

效數(shù)可取4～6效。

16第四節(jié)蒸發(fā)器圖6-8中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1－加熱室２－分離室一、蒸發(fā)器的基本結構

蒸發(fā)器的構成：加熱室和蒸發(fā)室（分離室）。二、蒸發(fā)器的主要類型1．自然循環(huán)型蒸發(fā)器溶液因受熱程度不同而產(chǎn)生密度的差異，因此形成自然循環(huán)。（1）標準蒸發(fā)器（又稱中央循環(huán)管式蒸發(fā)器）

其結構如圖6-8所示。由于中央循環(huán)管與管束內的溶液受熱情況不同，產(chǎn)生密度差異。于是溶液在中央循環(huán)管內下降，

由管束沸騰上升而不斷地做循環(huán)運動，提高了傳熱效果。

優(yōu)點：結構緊湊，制造方便，操作可靠。

缺點：清洗維修不便，溶液循環(huán)速度不高。

17一般適用于結垢不嚴重，有少量結晶析出和腐蝕性小的溶液蒸發(fā)。（2）懸筐式蒸發(fā)器

其結構如圖6-9所示。加熱室（懸掛在蒸發(fā)器內的筐子）取出后可清洗，以備用的加熱室替換而不影響生產(chǎn)時間。此設備的循環(huán)機理與標準式相同，但溶液是沿加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體內壁所形成的環(huán)隙通道下降，不斷地作循環(huán)運動。

優(yōu)點：可將加熱室取出檢修，熱損失較標準式小，循環(huán)速度較標準式大，

缺點：結構更復雜。一般適用于易結垢溶液的蒸發(fā)。（3）外熱式蒸發(fā)器

如圖6-10所示，外熱式蒸發(fā)器將加熱室安裝在分離室的外面。

這種結構不僅便于清洗和維修，而且降低了蒸發(fā)器的總高度。

由于可以采用較長的加熱管，循環(huán)管又沒有受到蒸汽加熱，

因此，溶液的循環(huán)速度較大，可達到1.5m/s。

18（4）列文式蒸發(fā)器其結構如圖6-11所示。其結構特點：在加熱室的上方增設一段2.7～5m高的沸騰段，使加熱室承受較大的

液柱靜壓，故加熱室內的溶液不沸騰。待溶液上升至沸騰段時，因靜壓的降低開始沸騰汽化

優(yōu)點：循環(huán)速度較大，結垢少，尤其適用于有晶體析出的溶液。

缺點：設備龐大，需要高大的廠房，因此使用受到了一定的限制。

（5）強制循環(huán)型蒸發(fā)器其結構如圖6-12所示。其特點是溶液靠泵強制循環(huán)，循環(huán)速度可達2～5m/s。由于溶液的流速大，因此適用于有結晶析出或以結垢的溶液。但動力消耗大，每平方米傳

熱面積消耗功率為0.4～0.8kW。

192．單程型蒸發(fā)器這類蒸發(fā)器的特點是溶液通過加熱室一次即達到所需的濃度，且溶液沿加熱管壁呈

膜狀流動，故又稱為膜式蒸發(fā)器。這類蒸發(fā)器蒸發(fā)速度快，溶液受熱時間短，因此特別

適合處理熱敏性溶液的蒸發(fā)。（1）升膜式蒸發(fā)器其結構如圖6-13所示。一般適用于稀溶液、熱敏性及易氣泡溶液的蒸發(fā)，而對高黏度（大于50kPa·s）

易結晶、易結垢的溶液不適用。

（2）降膜式蒸發(fā)器其結構如圖6-14所示。料液由加熱室頂部加入，經(jīng)液體分布器后均勻分布在每根加熱管的內壁上，在重力

作用下呈膜狀下降，在底部得到濃縮液。

三、蒸發(fā)器的輔助設備蒸發(fā)器的輔助裝置主要包括：除沫器、冷凝器、真空裝置、冷凝水排除器。

201.除沫器除沫器作用：將霧沫中的溶液聚集并與二次蒸汽分離。幾種常用的除沫器如圖6-15所示，它們的原理都是利用液沫的慣性以實現(xiàn)汽液的分離。

２．冷凝器和真空裝置二次蒸汽需要回收時應采用間壁是換熱器，否則采用汽、液直接觸的混合式換熱器。

當蒸發(fā)減壓操作時，無論用哪一種冷凝器，均需要在冷凝器后安裝真空裝置，不斷抽出

冷凝液中的不凝性氣體，以維持蒸發(fā)操作所需的負壓。常用的真空裝置有噴射泵水環(huán)真

空泵及往復式真空泵等。

３．冷凝水排除器（又稱疏水器）冷凝水排除器的作用是在排除冷凝水的同時，阻止蒸汽排出。

常用冷凝水排除器有三種：浮杯式、膨脹式和熱動力式。

21第五節(jié)蒸發(fā)過程運行操作

一、蒸發(fā)器的運行操作（以三效蒸發(fā)為例）1．蒸發(fā)器開車前應檢查各效蒸發(fā)器壓力表、溫度計、液位計以及相關閥門是否正常。2．輸送加熱蒸汽前，先打開冷凝水排放閥門，排出積水和污垢；打開放空閥，排出空氣及其他不凝性氣體。3．蒸發(fā)器進料。當蒸發(fā)器內壓力符合工藝指標時，開進料泵，先向一效蒸發(fā)器進料，當一效液面達到規(guī)定液位時，向二效蒸發(fā)器進少量料液，待蒸發(fā)出二次蒸汽后，逐漸向三效蒸發(fā)器進料至正常。4．正常操作要點（1）嚴格控制各效蒸發(fā)器液面，液面高度控制在適宜范圍內。（2）巡回檢查各效蒸發(fā)器過料情況及管路暢通情況。（3）嚴格控制最末效蒸發(fā)器的產(chǎn)品濃度。當濃度達到規(guī)定指標