第九章蒸发 本章教学要求： 1、掌握内容 (1)单效蒸发过程及其计算，如蒸发水量、加热蒸汽消耗量及传热面积计算：有效温度差及各种 温度差损失的来由及其计算： (2)蒸发器的生产能力和生产强度及其影响因素。 2、熟悉内容 (1)真空蒸发的特点及其应用： (2)多效燕发的流程及其计算要点： (3)蒸发操作效数限制及蒸发过程的节能措施： (4)蒸发过程的强化。 3、了解内容 (1)蒸发操作的特点及其在工业生产中的应用： (2)各种蒸发器的结构特点、性能及应用范围： (3)蒸发器的选型原则。 第一节概述 一、蒸发操作及其在工业中的应用 工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩 的单元操作称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域，其主要目的有以 下几个方面： 1、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，例如电解烧碱 液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等： 2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的 蒸发等： 3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等
- 1 - 第九章 蒸 发 本章教学要求： 1、 掌握内容 （1）单效蒸发过程及其计算，如蒸发水量、加热蒸汽消耗量及传热面积计算；有效温度差及各种 温度差损失的来由及其计算； （2）蒸发器的生产能力和生产强度及其影响因素。 2、 熟悉内容 （1）真空蒸发的特点及其应用； （2）多效蒸发的流程及其计算要点； （3）蒸发操作效数限制及蒸发过程的节能措施； （4）蒸发过程的强化。 3、了解内容 （1）蒸发操作的特点及其在工业生产中的应用； （2）各种蒸发器的结构特点、性能及应用范围； （3）蒸发器的选型原则。 第一节 概述 一、蒸发操作及其在工业中的应用 工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩 的单元操作称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域，其主要目的有以 下几个方面： 1、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，例如电解烧碱 液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等； 2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的 蒸发等； 3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等
图9一1为一典型的蒸发装置示意图。图 中蒸发器由加热室1和分离室2两部分组成。 加热室为列管式换热器，加热燕汽在加热室的 管间冷凝，放出的热量通过管壁传给列管内的 溶液，使其沸腾并汽化，汽液混合物则在分离 室中分离，其中液体又落回加热室，当浓缩到 规定浓度后排出蒸发器。分离室分离出的蒸汽 (又称二次蒸汽，以区别于加热蒸汽或生蓉 汽)，先经顶部除沫器5除液，再进入混合冷 图9一1蒸发装置示意图 凝器3与冷水相混，被直接冷凝后，通过大气 圈7排出。不凝性气体经分离器4和缓冲罐5 由真空泵6排出。 二、蒸发操作的特点 工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为 一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故 蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，如图9-1的加热室即为一侧是蒸汽冷凝，另一侧为溶 液沸腾的间壁式列管换热器。此种蒸发过程即是间壁两侧恒温的传热过程。但是，蒸发操作与一般 传热过程比较，有以下特点 1、溶液沸点升高 由于溶液含有不挥发性溶质，因此，在相同温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的小，也就是说， 在相同压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显著，这在设计和操作蒸发 器时是必考虑的。 2、物料及工艺特性 物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面沉积、析出结晶而形成垢层，影响传热：有些溶 质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质：有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等，因 此，在设计和选用蒸发器时，必须认真考虑这些特性。 3、能量回收 蒸发过程是溶剂汽化过程，由于溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。因 此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。 三、蒸发操作的分类
- 2 - 图 9－1 为一典型的蒸发装置示意图。图 中蒸发器由加热室 1 和分离室 2 两部分组成。 加热室为列管式换热器，加热蒸汽在加热室的 管间冷凝，放出的热量通过管壁传给列管内的 溶液，使其沸腾并汽化，汽液混合物则在分离 室中分离，其中液体又落回加热室，当浓缩到 规定浓度后排出蒸发器。分离室分离出的蒸汽 （又称二次蒸汽，以区别于加热蒸汽或生蒸 汽），先经顶部除沫器 5 除液，再进入混合冷 凝器 3 与冷水相混，被直接冷凝后，通过大气 腿 7 排出。不凝性气体经分离器 4 和缓冲罐 5 由真空泵 6 排出。 二、蒸发操作的特点 工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为 一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故 蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，如图 9-1 的加热室即为一侧是蒸汽冷凝，另一侧为溶 液沸腾的间壁式列管换热器。此种蒸发过程即是间壁两侧恒温的传热过程。但是，蒸发操作与一般 传热过程比较，有以下特点： 1、溶液沸点升高 由于溶液含有不挥发性溶质，因此，在相同温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的小，也就是说， 在相同压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显著，这在设计和操作蒸发 器时是必考虑的。 2、物料及工艺特性 物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面沉积、析出结晶而形成垢层，影响传热；有些溶 质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等，因 此，在设计和选用蒸发器时，必须认真考虑这些特性。 3、能量回收 蒸发过程是溶剂汽化过程，由于溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。因 此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。 三、蒸发操作的分类 图 9－1 蒸发装置示意图
1、按操作压力分，可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作，即在常压（大气压）下，高 于或低于大气压下操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高 粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发。 2、按效数分，可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效 蒸发，如图9-1所示，即为单效真空蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串 联，此蒸发过程即为多效蒸发。 3、按蒸发模式分，可分为间歇蒸发与连续蒸发。工业上大规模的生产过程通常采用的是连续 蒸发。 由于工业上被蒸发的溶液大多为水溶液，故本章仅讨论水溶液的蒸发。但其基本原理和设备对 于非水溶液的蒸发，原则上也适用或可作参考。 第二节单效蒸发与真空蒸发 9-2-1单效蒸发设计计算 单效蒸发设计计算内容有： ①确定水的蒸发量 ②加热燕汽消耗量： ③蒸发器所需传热面积。 在给定生产任务和操作条件，如进科量、温度和浓度，完成液的浓度，加热蒸汽的压力和冷凝 器操作压力的情况下，上述任务可通过物料衡算、热量衡算和传热速率方程求解， 一、蒸发水量的计算 对图4-2所示蒸发器进行溶质的物料衡算，可得 FXo=(F-W)x =Lx 由此可得水的蒸发量 W-F-) (9-1) 及完成液的浓度 (9-2) 式中： P一原料液量，kg/h: -一蒸发水量，kg/h: L一一完成液量，kg/h: %一一原料液中溶质的浓度，质量分数： 3
- 3 - 1、按操作压力分，可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作，即在常压（大气压）下，高 于或低于大气压下操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高 粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发。 2、按效数分，可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效 蒸发，如图 9-1 所示，即为单效真空蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串 联，此蒸发过程即为多效蒸发。 3、按蒸发模式分，可分为间歇蒸发与连续蒸发。工业上大规模的生产过程通常采用的是连续 蒸发。 由于工业上被蒸发的溶液大多为水溶液，故本章仅讨论水溶液的蒸发。但其基本原理和设备对 于非水溶液的蒸发，原则上也适用或可作参考。 第二节 单效蒸发与真空蒸发 9-2-1 单效蒸发设计计算 单效蒸发设计计算内容有： ①确定水的蒸发量； ②加热蒸汽消耗量； ③蒸发器所需传热面积。 在给定生产任务和操作条件，如进料量、温度和浓度，完成液的浓度，加热蒸汽的压力和冷凝 器操作压力的情况下，上述任务可通过物料衡算、热量衡算和传热速率方程求解。 一、蒸发水量的计算 对图 4-2 所示蒸发器进行溶质的物料衡算，可得 0 1 1 Fx = (F −W)x = Lx 由此可得水的蒸发量 (1 ) 1 0 x x W = F − （9—1） 及完成液的浓度 F W Fx x − = 0 1 （9—2） 式中： F——原料液量，kg/h； W——蒸发水量，kg/h； L——完成液量，kg/h； x0——原料液中溶质的浓度，质量分数；
一—完成液中溶质的浓度，质量分数 二、加热蒸汽消耗量的计算 加热蒸汽用量可通过热量衡算求得 二次汽W,T 即对图42作热量衡算可得： DH+Fho WH'+Lh+Dhe+ (9-3) : 或Q=DH-h)=WH+Lh-Fh。+Q(9-3a) 式中： H一一加热蒸汽的焓，kJ/kg: H一一二次蒸汽的格，kJ/kg: 一—原料液的，k/kg (F-w).名 一—完成液的格，kJ/kg: 图92单效蒸发器 反一一加热室排出冷凝液的培，kJ/h: Q一一蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h: A一一热损失，可取Q的某一百分数，k灯/kg a、a一一为原料、完成液的比热，kJ/(kg·℃)。 考虑溶液浓缩热不大，并将H取下饱和蒸汽的焓，则(9一3a)式可写成： D=FCo(h-1)+Wr+Q (4-4) 式中：r,r一一分别为加热蒸汽和二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。 若原料由预热器加热至沸点后进料（沸点进料），即。，并不计热损失，则(4一5)式可写 为： D=W (9-5) 或 2.t W-T (9-5a) 式中：川哪称为单位蒸汽消耗量，它表示加热蒸汽的利用程度，也称蒸汽的经济性。由于蒸汽的汽 化潜热随压力变化不大，故下=。对单效蒸发而言，川=1，即蒸发一千克水需要约一千克加 热蒸汽，实际操作中由于存在热损失等原因，叫"≈1。可见单效蒸发的能耗很大，是很不经济的。 三、传热面积的计算 蒸发器的传热面积可通过传热速率方程求得，即： -4-
- 4 - x1——完成液中溶质的浓度，质量分数。 二、加热蒸汽消耗量的计算 加热蒸 汽 用 量 可 通 过 热 量 衡 算 求 得 ， 即对图 4-2 作热量衡算可得： DH + Fh0 = WH + Lh1 + Dhc + QL ‘ （9—3） 或 1 0 L Q = D(H − hc ) = WH + Lh − Fh + Q ‘ （9—3a） 式中： H ——加热蒸汽的焓，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 ; hc ——加热室排出冷凝液的焓，kJ/h ; Q ——蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h ; QL ——热损失，可取 Q 的某一百分数，kJ/kg ; c0、c1——为原料、完成液的比热，kJ/(kg·℃) 。 考虑溶液浓缩热不大，并将 H´取 t1 下饱和蒸汽的焓，则（9—3a）式可写成： r FC t t Wr Q D 0 1 0 L ( − ) + '+ = （4—4） 式中： r 、r´——分别为加热蒸汽和二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。 若原料由预热器加热至沸点后进料（沸点进料），即 t0=t1，并不计热损失，则（4—5）式可写 为： r Wr D ' = （9—5） 或 r r W D ' = （9—5a） 式中：D/W 称为单位蒸汽消耗量，它表示加热蒸汽的利用程度，也称蒸汽的经济性。由于蒸汽的汽 化潜热随压力变化不大，故 r = r´。对单效蒸发而言，D/W =1，即蒸发一千克水需要约一千克加 热蒸汽，实际操作中由于存在热损失等原因，D/W ≈1。可见单效蒸发的能耗很大，是很不经济的。 三、传热面积的计算 蒸发器的传热面积可通过传热速率方程求得，即： 图 9-2 单效蒸发器
Q=K·AM (9-6) (9-6a) 式中：A一一蒸发器的传热面积，m: K一一蒸发器的总传热系数，/(K): 4t。一一传热平均温度差，℃： Q一—蒸发器的热负荷，T或kJ/kg。 式(9一6)中，Q可通过对加热室作热量衡算求得。若忽略热损失，Q即为加热蒸汽冷凝放出 的热量，即 Q=D(H-h.)=Dr (9-7) 但在确定△，和时，却有别于一般换热器的计算方法。 1、传热平均温度差△t的确定 在蒸发操作中，蒸发器加热室一侧是蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾，因此其传热平均温度差应 为： Nm=T-h (9-8) 式中：T一一加热蒸汽的温度，℃： 4一一操作条件下溶液的沸点，℃。 应该指出，溶液的沸点，不仅受蒸发器内液面压力影响，而且受溶液浓度、液位深度等因素影 响。因此，在计算△七时需考虑这些因素。下面分别予以介绍。 (1)溶液浓度的影响 溶液中由于有溶质存在，因此其蒸气压比纯水的低。换言之，一定压强下水溶液的沸点比纯水 高，它们的差值称为溶液的沸点升高，以△'表示。影响△'的主要因素为溶液的性质及其浓度。一 般，有机物溶液的△'较小：无机物溶液的△'较大：稀溶液的△'不大，但随浓度增高，△'值增高 较大。例如，7.4%的Na0H溶液在101.33KPa下其沸点为102℃，△'仅为2℃，而48.3℃Na0阳溶 液，其沸点为140℃，4'值达40℃之多。 各种溶液的沸点由实验确定，也可由手册或本书附录查取。 (2)压强的影响 当蒸发操作在加压或减压条件下进行时，若缺乏实验数据，则似按下式估算△'，即 △'=A'茶 (9-9) -5
- 5 - m Q = K At （9—6） 或 m K t Q A = （9—6a） 式中： A ——蒸发器的传热面积，m 2 ; K ——蒸发器的总传热系数，W/(m2 •K)； Δtm——传热平均温度差，℃； Q ——蒸发器的热负荷，W 或 kJ/kg。 式（9—6）中，Q 可通过对加热室作热量衡算求得。若忽略热损失，Q 即为加热蒸汽冷凝放出 的热量，即 Q = D(H − h ) = Dr c （9—7） 但在确定Δtm 和 K 时，却有别于一般换热器的计算方法。 1、 传热平均温度差Δtm 的确定 在蒸发操作中，蒸发器加热室一侧是蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾，因此其传热平均温度差应 为： m 1 t = T −t （9—8） 式中： T ——加热蒸汽的温度，℃； t1 ——操作条件下溶液的沸点，℃ 。 应该指出，溶液的沸点，不仅受蒸发器内液面压力影响，而且受溶液浓度、液位深度等因素影 响。因此，在计算Δtm 时需考虑这些因素。下面分别予以介绍。 （1）溶液浓度的影响 溶液中由于有溶质存在，因此其蒸气压比纯水的低。换言之，一定压强下水溶液的沸点比纯水 高，它们的差值称为溶液的沸点升高，以 ' 表示。影响 ' 的主要因素为溶液的性质及其浓度。一 般，有机物溶液的 ' 较小；无机物溶液的 ' 较大；稀溶液的 ' 不大，但随浓度增高， ' 值增高 较大。例如，7.4％的 NaOH 溶液在 101.33KPa 下其沸点为 102℃， ' 仅为 2℃，而 48.3℃NaOH 溶 液，其沸点为 140℃， ' 值达 40℃之多。 各种溶液的沸点由实验确定，也可由手册或本书附录查取。 （2）压强的影响 当蒸发操作在加压或减压条件下进行时，若缺乏实验数据，则似按下式估算 ' ，即 ' = f' 常 （9—9）