第五章蒸发 §1概述 5-1蒸发的用途和分类 在日常生活中,熬中药、煲猪骨汤,许多人都操作过。抓中药时,医生会嘱咐,三碗水 煎成一碗水。熬中药的过程,既是一个中药有效成份的溶解过程,又是一个蒸发过程。广东 人煲的“老火靓汤”这一过程,也包含了蒸发过程 什么叫蒸发?将溶液加热,使其中部分溶剂气化并不断去除,以提高溶液中的溶质浓度 的过程即蒸发。熬中药时,如果不是三碗水煎成一碗水,则三碗水中的药物浓度不高,药效 就不够。如图5-1所示 蒸发 廴 溶液 加热 图5-1蒸发示意图 在化工生产中,NaOH溶液增浓、稀糖液的浓缩、由海水蒸发并冷凝制备淡水等都是采 用蒸发操作来实现的。 蒸发的方式有自然蒸发和沸腾蒸发。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点下汽化,例如 海盐的晒制。沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时汽化,在溶液各个部分都同时发生汽化现 象。因此,沸腾蒸发的速率远超过自然蒸发速率 蒸发可按蒸发器内的压力分为常压、加压和减压蒸发。减压蒸发又称为真空蒸发。按二 次蒸汽利用的情况分为单效蒸发和多效蒸发。若将所产生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸 发器以外这种操作,称为单效蒸发:如果将二次蒸汽引至另一压力较低的蒸发器加热室,作 为加热蒸汽来使用,这种操作称为多效操作蒸发。 §2单效蒸发 5-2单效蒸发衡算方程 、蒸发器的物料衡算
1 第五章 蒸发 §1 概述 5-1 蒸发的用途和分类 在日常生活中，熬中药、煲猪骨汤，许多人都操作过。抓中药时，医生会嘱咐，三碗水 煎成一碗水。熬中药的过程，既是一个中药有效成份的溶解过程，又是一个蒸发过程。广东 人煲的“老火靓汤”这一过程，也包含了蒸发过程。 什么叫蒸发？将溶液加热，使其中部分溶剂气化并不断去除，以提高溶液中的溶质浓度 的过程即蒸发。熬中药时，如果不是三碗水煎成一碗水，则三碗水中的药物浓度不高，药效 就不够。如图 5-1 所示。 图 5-1 蒸发示意图 在化工生产中，NaOH 溶液增浓、稀糖液的浓缩、由海水蒸发并冷凝制备淡水等都是采 用蒸发操作来实现的。 蒸发的方式有自然蒸发和沸腾蒸发。自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点下汽化，例如 海盐的晒制。沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时汽化，在溶液各个部分都同时发生汽化现 象。因此，沸腾蒸发的速率远超过自然蒸发速率。 蒸发可按蒸发器内的压力分为常压、加压和减压蒸发。减压蒸发又称为真空蒸发。按二 次蒸汽利用的情况分为单效蒸发和多效蒸发。若将所产生的二次蒸汽不再利用或被利用于蒸 发器以外这种操作，称为单效蒸发；如果将二次蒸汽引至另一压力较低的蒸发器加热室，作 为加热蒸汽来使用，这种操作称为多效操作蒸发。 §2 单效蒸发 5-2 单效蒸发衡算方程 一、蒸发器的物料衡算
,7 H 蒸发室 加热室 图5-2单效蒸发衡算示意图 在蒸发操作中,单位时间内从溶液蒸发出来的水量,可通过物料衡算确定。现对图 所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算。在稳定连续操作中,单位时间进入和离开蒸发器的溶 质数量应相等,即 Fx=xlF-m 由此可求得水份蒸发量为: 完成液的浓度: X, F 式中,F一一溶液的进料量,kg·h-1:W—水份蒸发量,kgh1 x——原料液中溶质的浓度,质量分率 x1——完成液中溶质的浓度,质量分率 蒸发器的热量衡算 对图5-2的虚线范围作热量衡算得: DH+FCIo=WH+(FCE-WC ),+DC,T 或D(H-CT)=H(H-Cn4)+FCF(1-0)+Q2_……(m
2 图 5-2 单效蒸发衡算示意图 在蒸发操作中，单位时间内从溶液蒸发出来的水量，可通过物料衡算确定。现对图 5-2 所示的单效蒸发器作溶质的物料衡算。在稳定连续操作中，单位时间进入和离开蒸发器的溶 质数量应相等，即 ( ) 0 1 Fx = x F −W x ………………(I) 由此可求得水份蒸发量为： = − 1 0 1 x x W F ………………(Ia) 完成液的浓度： F x Fx x − = 0 1 ………………(Ib) 式中， F ——溶液的进料量, −1 kg h ； W ——水份蒸发量, −1 kg h ； 0 x ——原料液中溶质的浓度，质量分率； 1 x ——完成液中溶质的浓度，质量分率 二、蒸发器的热量衡算 对图 5-2 的虚线范围作热量衡算得： ( ) 1 1 ' DH + FCF t 0 = WH + FCF −WCW t + DCwT 或 ( ) ( ) ( ) w w F QL D H −C T = W H −C t 1 + FC t 1 − t 0 + ' 1 …………（II）
式中,D——加热蒸汽流率,kg·s-; H,H—分别是加热蒸汽和二次蒸汽的焓,Jkg-; Cn,Cn-分别是原料液和水的比热,Jkg-·K t0、t1-—分别是原料温度和溶液的沸点,K T—一冷凝液的饱和温度,K;Q2——蒸发器的热损失,J·s H-CHT=y, H-Cl=y ∴Dy=Wy+FCp(t1-t0)+Q D=my+FCE(,-to)+OL ………(Ia) 式中,Y,Y——分别为加热蒸汽与二次蒸汽的汽化潜热,小kg 若原料液在沸点下进入蒸发器,即kg,再忽略热损失,即Q2=0,则式(Ia)得: D W D/W称为单位蒸汽消耗量,即蒸发1k水所需蒸汽量,kg蒸汽·kg水 由于二次蒸汽y与加热蒸汽y,随压力变化不大,即y'=y, D 格多∥1即原料液为沸点进料并忽略热损失时,加热蒸汽消耗量与二次蒸汽生成量 5-3蒸发衡算计算举例 【例5-1】在单效蒸发中,每小时将2000kg的某种水溶液从10‰%连续浓缩到309%, 蒸发操作的平均压力为393Pa,相应的溶液的沸点为80℃。加热蒸汽绝压为196kPa.原 料液的比热为377·kg·K-1。蒸发器的热损失为120004。试 (1)蒸发量 (2)原料液温度分别为30℃、80℃和120℃时的加热蒸汽消耗量及单位蒸汽消耗量 解:(1)蒸发量由(I)式知
3 式中， D ——加热蒸汽流率， −1 kg s ； H ， H'——分别是加热蒸汽和二次蒸汽的焓， −1 J kg ； CF ，CW ——-分别是原料液和水的比热， −1 −1 J kg K ； 0 t 、 1 t ——分别是原料温度和溶液的沸点，K； T1——冷凝液的饱和温度，K； QL ——蒸发器的热损失， −1 J s ； ∵ , ' ' 1 1 H −C T = H −C T = w w ∴ F QL D = W + FC (t 1 − t 0 ) + ' F QL W FC t t D + − + = ( ) 1 0 ' ………………（IIa） 式中，γ，γ` ——分别为加热蒸汽与二次蒸汽的汽化潜热， −1 J kg ； 若原料液在沸点下进入蒸发器，即 kg,再忽略热损失，即 QL = 0 ，则式（IIa）得： ' = W D ………………(IIb) D/W 称为单位蒸汽消耗量，即蒸发 1kg 水所需蒸汽量， kg蒸汽 kg−1水 由于二次蒸汽 ' 与加热蒸汽 ，随压力变化不大，即 ' = ， ∴ = 1 W D 即原料液为沸点进料并忽略热损失时，加热蒸汽消耗量与二次蒸汽生成量 相等。 5-3 蒸发衡算计算举例 【例 5-1】在单效蒸发中，每小时将 2000 kg 的某种水溶液从 10% 连续浓缩到 30%， 蒸发操作的平均压力为 39.3kPa ，相应的溶液的沸点为 80 ℃。加热蒸汽绝压为 196kPa .原 料液的比热为 1 1 3.77 − − kJ kg K 。蒸发器的热损失为 12000W 。试求： （1） 蒸发量 （2） 原料液温度分别为 30℃、80℃和 120℃时的加热蒸汽消耗量及单位蒸汽消耗量。 解：（1）蒸发量 由（I）式知
W=H(1xo1=20001 1333g:h-1 0.3 (2)加热蒸汽消耗量由(Ila)式知 Wy FCr(-to)+ 由附录查得压力为393和196kPa时的饱和蒸汽的汽化潜热分别为2320和 原料液温度为30℃时的蒸汽消耗量为: 12000 1333×2320+2000×3.77×(80-30)+ ×3600 单位蒸汽消耗量为 12 W1333 原料液温度为80℃时的蒸汽消耗量 1333×2320+12000×3.6 D 1420kg·h-1 单位蒸汽消耗量为 D1420 W 1333 原料液温度为120℃时的蒸汽消耗量为: b=1332320420003080-120)+120x3=1280gh 2204 单位蒸汽消耗量为: D1280 0.96 W1333 由以上计算结果得知,原料液的温度愈高,蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量愈少 5-4蒸发器传热面积 蒸发器的传热面积可依传热基本方程式求得,即 A (Ⅲ) KAL 式中,A—一蒸发器的传热面积,m2;K一一蒸发器的传热系数,W·m2.K-1 ΔTm——传热的平均温度差,K;Q—蒸发器的热负荷或传热速率,W 式(Ⅲ)中的热负荷依热量衡算求取,显然Q=D·y。其中传热系数K亦可按蒸汽冷凝 和液体沸腾对流传热求出间壁两侧的对流传热系数,及按经验估计的垢层热阻进行计算。对
4 1 1 0 1333 0.3 0.1 1 2000 1 − = = − W = F − k g h （2）加热蒸汽消耗量 由（IIa）式知 1 1 0 ' ( ) F QL W FC t t D + − + = 由附录查得压力为 39.3和196kPa 时 的 饱 和 蒸汽 的 汽 化 潜 热分 别 为 2320 和 2204 −1 kJ kg ，原料液温度为 30℃时的蒸汽消耗量为： ( ) 1 1590 2204 3600 1000 12000 1333 2320 2000 3.77 80 30 − = + − + D = k g h 单位蒸汽消耗量为： 1.2 1333 1590 = = W D 原料液温度为 80℃时的蒸汽消耗量： 1 1420 2204 1333 2320 12000 3.6 − = + D = k g h 单位蒸汽消耗量为： 1.1 1333 1420 = = W D 原料液温度为 120℃时的蒸汽消耗量为： ( ) 1 1280 2204 1333 2320 2000 3.77 80 120 1200 3.6 − = + − + D = k g h 单位蒸汽消耗量为： 0.96 1333 1280 = = W D 由以上计算结果得知，原料液的温度愈高，蒸发 1kg 水所消耗的加热蒸汽量愈少 5-4 蒸发器传热面积 蒸发器的传热面积可依传热基本方程式求得，即 m K t Q A = ………………( III ) 式中， A ——蒸发器的传热面积， 2 m ； K ——蒸发器的传热系数， −2 −1 W m K ； Tm ——传热的平均温度差， K ； Q ——蒸发器的热负荷或传热速率， W 。 式( III )中的热负荷依热量衡算求取，显然 Q = D 。其中传热系数 K 亦可按蒸汽冷凝 和液体沸腾对流传热求出间壁两侧的对流传热系数，及按经验估计的垢层热阻进行计算。对
于蒸发器的传热温度差,因为蒸发过程是间壁两侧的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热 所以△Tm=T1-1,但是水溶液的沸点t1的确定方法还有待于5-6节中进行讨论。 5-5传热面积计算举例 【例5-2】在单效蒸发器中,将15%的CaCl2水溶液连续浓缩到25%,原料液流量为 20000kg·h-,温度为75℃。蒸发操作的平均威力为49kPa,溶液的沸点为875℃。加 热蒸汽绝压为196kPa。若蒸发器的总传热系数K为10004·m2·K-1,热损失为蒸发器 传热量的5%,试求蒸发器的传热面积和加热蒸汽消耗量 解:蒸发量为 2000,0.15 W 3600025 =2.22kgs ZI 蒸发器的热负荷为 Q=Wy+FC(t1-t0)×(+5%) 而其中原料液比热为 (1-x0)=4187(-01.5)=356k/k 由附录查得49kPa下饱各蒸汽的汽化潜热y为2305kJ·kg。所以 Q=1.05×2.22×2305×103+ 300 ×356×103×(87.5-75)=563×10W 又由附录查得196kPa下饱各蒸汽温度为1196℃,汽化潜热为203k/·kg 所以蒸发器的传热面积为: 5.63×10 A Q K(71-1)10001.6-875) 175 加热蒸汽消耗量为: Q5.63×10 =2.56kg·s y2203×103 5-6因蒸汽压下降引起沸点升高 所谓传热温度差,即加热蒸汽温度T与溶液沸点温度t之差,即Δn=T-t。而溶 液的沸点由于有了溶质A的加入,使蒸气压下降,导致沸点升高,即高于纯水在相同压 力下的沸点(lo),即t>bo。这个沸点升高到起的温度差Mtm下降,即温度差损失(Δ)
5 于蒸发器的传热温度差，因为蒸发过程是间壁两侧的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热， 所以 1 1 T T t m = − ,但是水溶液的沸点 t1 的确定方法还有待于 5-6 节中进行讨论 。 5-5 传热面积计算举例 【例 5-2】 在单效蒸发器中，将 15% 的 CaCl2 水溶液连续浓缩到 25% ，原料液流量为 1 20000 − kg h ，温度为 75 ℃。蒸发操作的平均威力为 49kPa ，溶液的沸点为 87.5 ℃。加 热蒸汽绝压为 196kPa 。若蒸发器的总传热系数 K 为 2 1 1000 − − W m K ，热损失为蒸发器 传热量的 5 %，试求蒸发器的传热面积和加热蒸汽消耗量。 解：蒸发量为 1 1 0 2.22 0.25 0.15 1 3600 20000 1 − = = − W = F − k g s 蒸发器的热负荷为： ' ( ) (1 5%) Q = W +FCF t 1 − t 0 + 而其中原料液比热为： ( ) ( ) 1 1 1 0 4.187 1 01.5 3.56 − − CF = CW − x = − = k J k g K 由附录查得 49kPa 下饱各蒸汽的汽化潜热 ' 为 1 2305 − kJ kg 。所以 Q ( ) W 3 3 6 3.56 10 87.5 75 5.63 10 3600 20000 1.05 2.22 2305 10 = = + − 又由附录查得 196kPa 下饱各蒸汽温度为 119.6 ℃，汽化潜热为 1 2203 − kJ kg 所以蒸发器的传热面积为： ( ) ( ) 2 6 1 1 175 1000 119.6 87.5 5.63 10 m K T t Q A = − = − = 加热蒸汽消耗量为： 1 3 6 2.56 2203 10 5.63 10 − = = = kg s Q D 5-6 因蒸汽压下降引起沸点升高 所谓传热温度差，即加热蒸汽温度 T 与溶液沸点温度 t 之差，即 t T t m = − 。而溶 液的沸点由于有了溶质 A 的加入，使蒸气压下降，导致沸点升高，即高于纯水在相同压 力下的沸点（ 0 t ）,即 0 t t 。这个沸点升高到起的温度差 m t 下降，即温度差损失（ ）