化工原理蒸發(fā)第五章

第五章蒸發(fā)概述在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理性操作過(guò)程經(jīng)常得到一些含溶質(zhì)的稀溶液，為了得到符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，常將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱為蒸發(fā)。5.1.1蒸發(fā)分離的依據(jù)利用溶劑具有揮發(fā)性而溶質(zhì)不揮發(fā)的特性使兩者實(shí)現(xiàn)分離。7.1.2蒸發(fā)操作的目的獲得濃縮的溶液，直接作為成品或半成品脫除溶劑。此過(guò)程常伴隨有結(jié)晶過(guò)程去除雜質(zhì)。蒸發(fā)操作的應(yīng)用在工業(yè)上，有三種情況：(1)制取液體產(chǎn)品。例如電解食鹽水得到的NaOH稀溶液中，含有約18%的NaCl，通過(guò)蒸發(fā)方法在除去大部分水的同時(shí)，將NaCl結(jié)晶而分離除去，得到規(guī)定的液堿產(chǎn)品；(2)生產(chǎn)固體產(chǎn)品。將稀溶液濃縮達(dá)到飽和狀態(tài)，然后冷卻使溶質(zhì)結(jié)晶與溶液分離，從而獲得固粒產(chǎn)品。例如，食鹽精制、制糖、制藥等。(3)制取純?nèi)軇２捎谜舭l(fā)方法使溶劑汽化并冷凝，使不揮發(fā)性雜質(zhì)分離而得到純?nèi)軇?，例如海水淡化制取淡水等。蒸發(fā)的流程用來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)的設(shè)備主要是蒸發(fā)器和冷凝器。蒸發(fā)器的作用是加熱溶液使水沸騰汽化，并移去，由加熱室和分離室兩部分組成。

蒸發(fā)操作時(shí)，溶液由分離室底部加入，沿中央循環(huán)管流向加熱室，在加熱室垂直管束內(nèi)通過(guò)時(shí)與飽和蒸汽間接換熱，被加熱至沸騰狀態(tài)，汽液混合物沿加熱管上升，達(dá)到分離室時(shí)蒸汽與溶液分離。為與加熱蒸汽相區(qū)別，產(chǎn)生的蒸汽稱為二次蒸汽，二次蒸汽進(jìn)入冷凝器被除去。溶液仍在中央循環(huán)管與加熱管中進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)達(dá)到濃度要求后稱為完成液，從蒸發(fā)器底部排出。冷凝水加熱蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷卻水不凝性氣體蒸發(fā)的分類按操作壓強(qiáng)分：加壓蒸發(fā)、常壓蒸發(fā)、真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：1.減壓下溶液沸點(diǎn)t1降低，使蒸發(fā)器的傳熱推動(dòng)力Δt=T-t1增大，因而，對(duì)一定的傳熱量Q，可節(jié)省蒸發(fā)器的傳熱面積S。2.蒸發(fā)操作的熱源可采用低壓蒸汽或廢熱蒸汽，節(jié)省能耗。P↓,T↓,Δt一定，Q不變3.適于處理熱敏性物料，即在高溫下易分解、聚合或變質(zhì)的物料。4.減少蒸發(fā)器的熱損失。真空操作的缺點(diǎn)：1.溶液的沸點(diǎn)降低，使粘度增大，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)下降2.動(dòng)力消耗大。因需要有造成減壓的裝置。按蒸發(fā)方式分：自然蒸發(fā)、沸騰蒸發(fā)自然蒸發(fā)：溶液在低于溶液沸點(diǎn)的溫度條件下汽化。汽化只在溶液表面進(jìn)行，汽化面積小，傳熱速率低，汽化速率低沸騰蒸發(fā)：溶液在沸騰條件下汽化。汽化發(fā)生在溶液的各個(gè)部位。汽化面積大，傳熱速率高，汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分：?jiǎn)涡д舭l(fā)、多效蒸發(fā)單效蒸發(fā)：將二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作多效蒸發(fā)：將二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，以利用其冷凝熱的串聯(lián)操作蒸發(fā)的特點(diǎn)從蒸發(fā)的過(guò)程可以看出，蒸發(fā)操作總是從溶液中分離出部分溶劑，而過(guò)程的實(shí)質(zhì)是傳熱壁面一側(cè)的蒸汽冷凝與另一側(cè)的溶液沸騰間的傳熱過(guò)程，溶劑的汽化速率由傳熱速率控制，故蒸發(fā)屬于熱量傳遞過(guò)程。同時(shí)，蒸發(fā)器也是一種換熱器。但蒸發(fā)操作和設(shè)備與一般的傳熱過(guò)程有所不同。蒸發(fā)具有下述特點(diǎn)：傳熱性質(zhì)：傳熱壁面一側(cè)為加熱蒸汽進(jìn)行冷凝，另一側(cè)為溶液進(jìn)行沸騰，故屬于壁面兩側(cè)流體均有相變化的恒溫傳熱過(guò)程。溶液性質(zhì)：有些溶液在蒸發(fā)過(guò)程中有晶體析出、易結(jié)垢和產(chǎn)生泡沫；溶液的粘度在蒸發(fā)過(guò)程中逐漸增大，腐蝕性逐漸加強(qiáng)。這些性質(zhì)將影響設(shè)備的結(jié)構(gòu)。溶液沸點(diǎn)的改變(升高)：含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液，其蒸汽壓較同溫度下純水的低，即在相同的壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)高于純水的沸點(diǎn)，所以當(dāng)加熱蒸汽一定時(shí)，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)水的溫度差，兩者之差稱為溫度差損失，而且溶液濃度越高，溫度差損失越大蒸發(fā)溶液溫度差：Δt=T-t蒸發(fā)純水溫度差：ΔtT=T-T’∵P一定時(shí)，t>T’∴Δt<ΔtT泡沫挾帶：二次蒸汽中常挾帶大量泡沫，冷凝前必須設(shè)法除去。否則既損失物料，又污染冷凝設(shè)備。能源利用：蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生大量二次蒸汽，含有許多潛熱，應(yīng)合理利用這部分潛熱。蒸發(fā)設(shè)備常用蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)蒸發(fā)器組成：加熱室：加熱溶液使之汽化分離室：分離二次蒸汽和完成液化工生產(chǎn)中常用的間接加熱蒸發(fā)器按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時(shí)溶液的流動(dòng)情況，分為兩大類：循環(huán)型(非膜式)單程型(膜式)循環(huán)型(非膜式)蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，溶液濃度接近于完成液濃度。根據(jù)引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因，分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器。自然循環(huán)：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產(chǎn)生密度差而引起的循環(huán)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)制循環(huán)：依靠外力迫使溶液沿一個(gè)方向作循環(huán)運(yùn)動(dòng)1中央循環(huán)管式(標(biāo)準(zhǔn)式)蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：溶液循環(huán)好傳熱效率高結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠缺點(diǎn)：循環(huán)速度低溶液粘度大、沸點(diǎn)高不易清洗適于處理結(jié)垢不嚴(yán)重、腐蝕性小的溶液2懸筐式蒸發(fā)器加熱室像個(gè)筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，可由頂部取出。加熱蒸汽由殼體上部進(jìn)入加熱室，在管間放熱加熱管內(nèi)溶液使其上升，而沿懸筐外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁間環(huán)隙通道向下循環(huán)流動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：溶液循環(huán)速度高傳熱速率較高缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)高占地面積大;加熱管內(nèi)溶液滯留量大適于處理易結(jié)垢，有晶體析出的溶液3外熱式蒸發(fā)器這種蒸發(fā)器將加熱室與分離室分開，采用較長(zhǎng)的加熱管。優(yōu)點(diǎn)：降低了整個(gè)蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換循環(huán)速度較高，使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高結(jié)垢程度小適于處理易結(jié)垢、有晶體析出、處理量大的溶液4列文蒸發(fā)器特點(diǎn)是在加熱室上部設(shè)置沸騰室，加熱室中的溶液因受到附加液柱的作用，必須上升到沸騰室才開始沸騰，這樣避免了溶液在加熱管中結(jié)垢或析出晶體。優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)阻力小循環(huán)速度高傳熱效果好加熱管內(nèi)不易堵塞缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)高廠房高，耗用金屬多適于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液5強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器在加熱室設(shè)置循環(huán)泵，使溶液沿加熱室方向以較高的速度循環(huán)流動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)速度高晶體不易粘結(jié)在加熱管壁對(duì)流傳熱系數(shù)高缺點(diǎn)：動(dòng)力消耗大對(duì)泵的密封要求高加熱面積小適于處理粘度大，易結(jié)垢、有晶體析出的溶液。單程型(膜式)蒸發(fā)器1升膜蒸發(fā)器特點(diǎn)是加熱室內(nèi)的加熱管細(xì)而長(zhǎng)。溶液預(yù)熱到接近沸點(diǎn)時(shí)由蒸發(fā)器底部送入，進(jìn)入加熱管時(shí)立即受熱沸騰汽化，溶液在高速上升的二次蒸汽帶動(dòng)下，沿管壁邊呈膜狀向上流動(dòng)邊蒸發(fā)。到達(dá)分離室后，完成液與二次蒸汽分離后由分離室底部排出。適于處理蒸發(fā)量較大的稀溶液，熱敏性和易生泡沫的溶液；不適于濃度高、粘度大、有晶體析出溶液的蒸發(fā)。2降膜蒸發(fā)器它的加熱室與升膜式類似，但分離室設(shè)置在下部。溶液預(yù)熱后由加熱室頂部加入，經(jīng)管端的液體分布器均勻分配在各加熱管內(nèi)。這類蒸發(fā)器操作的關(guān)鍵是設(shè)置良好的液體分布器，以保證溶液均勻成膜和防止二次蒸汽從加熱管頂部穿出。常用的膜分布器見書。適于處理濃度、粘度較大的溶液不適于處理易結(jié)晶、結(jié)垢的溶液。3升－降膜式蒸發(fā)器蒸發(fā)器由升膜管束和降膜管束組合而成，蒸發(fā)器的底部封頭內(nèi)有一隔板，將加熱管束分成兩部分。溶液由升膜管束底部進(jìn)入，流向頂部，然后從降膜管束流下，進(jìn)入分離室，得到完成液。適于處理濃縮過(guò)程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場(chǎng)合。4刮板薄膜蒸發(fā)器它是在加熱管內(nèi)部安裝一可旋轉(zhuǎn)的攪拌刮板，刮板端部與加熱管內(nèi)壁間隙固定在0.75～1.5mm之間，依靠刮板的作用使溶液成膜狀分布在加熱管內(nèi)壁面上。溶液由蒸發(fā)器上部沿切線方向加入，在重力和旋轉(zhuǎn)刮板帶動(dòng)下，在加熱管內(nèi)壁上形成旋轉(zhuǎn)下降的液膜，在下降過(guò)程中通過(guò)接收加熱管外加熱蒸汽夾套中蒸汽冷凝熱量而被不斷蒸發(fā)，底部得到完成液，二次蒸汽上升至頂部經(jīng)分離器后進(jìn)入冷凝器。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力消耗大，傳熱面積小，處理能力低。適于處理易結(jié)晶、易結(jié)垢、高粘度的溶液直接加熱蒸發(fā)器將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴入溶液中，燃燒氣的溫度可高達(dá)1200～1800℃，由于氣、液間的溫度差大，且氣體對(duì)溶液產(chǎn)生強(qiáng)烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸發(fā)，蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要固定的傳熱面，熱利用率高適于處理易結(jié)垢、易結(jié)晶或有腐蝕性的溶液。不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。5.2.1蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失

5.2單效蒸發(fā)

傳熱溫差損失溶液沸點(diǎn)有效傳熱溫差溫度差損失的原因：①溶液沸點(diǎn)的升高。這是由于溶液蒸汽壓較純?nèi)軇ㄋ┰谕粶囟认碌恼羝麎簽榈停率谷芤旱姆悬c(diǎn)比純?nèi)軇ㄋ└?；?/p>

蒸發(fā)器中靜壓頭的影響，導(dǎo)致溶液沸點(diǎn)的上升。

③以及流體流過(guò)加熱管是產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點(diǎn)的進(jìn)一步上升。

（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(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：

不同濃度NaOH水溶液的沸點(diǎn)與對(duì)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(duì)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)，由于沸點(diǎn)線近似為一組平行直線，因此可以合理的認(rèn)為沸點(diǎn)的升高與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)，而可取大氣壓下的數(shù)值；②濃度范圍只需要知的兩個(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。（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對(duì)溶液沸點(diǎn)的影響按液面下處L/2溶液的沸騰溫度來(lái)計(jì)算，液體在平均溫度下的飽和壓力：液柱靜壓強(qiáng)引起的溶液溫度升高：

所以沸騰液體的平均溫度為：5.2.2單效蒸發(fā)的計(jì)算（1）物料衡算溶質(zhì)在蒸發(fā)過(guò)程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過(guò)程是個(gè)定態(tài)過(guò)程，單位時(shí)間進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的量相等，即水分蒸發(fā)量：

完成液的濃度：

F,x0,t0,h0D,T,HF-W,x1,t1,h1W,T’,H’D,T,hw（2）熱量衡算對(duì)蒸發(fā)器作熱量衡算，當(dāng)加熱蒸汽在飽和溫度下排出時(shí)，

用以上兩個(gè)式子進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須預(yù)知溶液在一定濃度和溫度下的焓。對(duì)于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，可以不計(jì)溶液的濃縮熱，而由比熱求得其焓。習(xí)慣上取0℃為基準(zhǔn)，即0℃時(shí)的焓為零，則有代入前面的兩式得：

為了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可以近似認(rèn)為溶液的比熱容和所含溶質(zhì)的濃度呈加和關(guān)系，即

可得加熱蒸汽的消耗量為：

如果沸點(diǎn)進(jìn)料，且忽略熱損失，則單位蒸汽消耗量用來(lái)表示蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)程度（或生蒸汽的利用率）（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算由傳熱速率方程得

由于蒸發(fā)過(guò)程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱，，且蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，所以有

5.3多效蒸發(fā)

①利用二次蒸汽的潛熱②利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液)第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可產(chǎn)生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸汽（）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水蒸氣。5.3.1多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）

第二效：，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量，所以依次類推：三效，……，效效數(shù)

單效

雙效

三效

四效

五效

1.10.570.40.30.270.911.752.53.333.70但實(shí)際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達(dá)到如此經(jīng)濟(jì)的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最大的的值大致如下：5.3.2多效蒸發(fā)流程并流：溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。逆流：溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯(cuò)流：溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。

下面以三效為例加以說(shuō)明：（1）并流（順流）流程蒸汽流動(dòng)方向：1→2→3溶液流動(dòng)方向：1→2→3（1）并流流程優(yōu)點(diǎn)：①由于前效的壓強(qiáng)較后效高，料液可借此壓強(qiáng)差自動(dòng)地流向后一效而無(wú)須泵送；②溶液由前一效流入后一效處于過(guò)熱狀態(tài)會(huì)放出溶液的過(guò)熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。缺點(diǎn)：后效溫度較低，組成較高，使傳熱系數(shù)逐漸降低。

（2）逆流流程蒸汽流動(dòng)方向：3→2→1

溶液流動(dòng)方向：1→2→3（3）錯(cuò)流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1蒸汽流向：1→2→3優(yōu)點(diǎn)：兼有逆流與并流的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：操作較復(fù)雜。

（4）平流流程各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對(duì)易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。5.3.3蒸發(fā)操作的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強(qiáng)度和效數(shù)的限制

（1）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強(qiáng)度蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時(shí)間內(nèi)水分總蒸發(fā)量W來(lái)表示，而生產(chǎn)強(qiáng)度為單位傳熱面積的蒸發(fā)量（），在三效蒸發(fā)