化工原理 蒸發(fā)

7

蒸

發(fā)7.1概述7.2單效蒸發(fā)計(jì)算7.3蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式7.4蒸發(fā)設(shè)備7.1概述（1）蒸發(fā)操作的目的（2）蒸發(fā)的流程（3）加熱蒸汽和二次蒸汽（4）分類（5）蒸發(fā)操作的特點(diǎn)

7.1概述（1）蒸發(fā)操作的目的

①獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。②脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)，隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體溶質(zhì)。③

除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。7.1概述

蒸發(fā)——含有不揮發(fā)性溶液在沸騰條件下受熱，使部分溶劑汽化為蒸汽的操作。二、蒸發(fā)的流程

加熱蒸汽在加熱室的管間冷凝，所放出的熱量通過(guò)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及其頂部的除沫器中將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。

圖

液體蒸發(fā)的簡(jiǎn)化流程（2）蒸發(fā)的流程

7.1概述（3）加熱蒸汽和二次蒸汽

加熱蒸汽：用于加熱的蒸汽二次蒸汽：由溶液蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽（4）分類

①按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)。②按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。

7.1概述（5）蒸發(fā)操作的特點(diǎn)

①沸點(diǎn)升高②溶液的性質(zhì)往往對(duì)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出特殊的要求。有些物料具有熱敏性，有些則具有較大的黏度或具有較強(qiáng)的腐蝕性等等，需要根據(jù)物料的這些特性，設(shè)計(jì)或選擇適宜結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器。③溶劑汽化需吸收大量汽化熱，因此蒸發(fā)操作是大量耗熱的過(guò)程，節(jié)能是蒸發(fā)操作應(yīng)予考慮的重要問(wèn)題。④濃溶液在沸騰汽化過(guò)程中常在加熱表面上析出溶質(zhì)而形成垢層，使傳熱過(guò)程惡化。設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)法防止或減少垢層的生成，并應(yīng)使加熱面易于清洗。7.2單效蒸發(fā)7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算（1）物料衡算（2）熱量衡算（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算（4）濃縮熱和溶液的焓濃圖7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則（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（3）單效蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算

對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后，通常需要計(jì)算以下的這些內(nèi)容：①水分的蒸發(fā)量；②

加熱蒸汽消耗量；③蒸發(fā)器的傳熱面積。要解決以上問(wèn)題，我們可應(yīng)用物料衡算方程、熱量衡算方程和傳熱速率方程來(lái)解決。

7.2.1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F,x0,t0,h0

加料D,Ts,Hs加熱蒸汽蒸發(fā)室二次蒸汽W,H,T加熱D,Ts,hs(F-W),x,t,h,c完成液式中x0，x——分別為料液、完成液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水分蒸發(fā)量：

（1）完成液的濃度：

（2）7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算式中D——加熱蒸汽消耗量，kg/s；

t0，t——加料液與完成液的溫度，℃；

h0，h，hs——加料液，完成液和冷凝水的熱焓，kJ/kg；

H，Hs——二次蒸汽和加熱蒸汽的熱焓，kJ/kg。

式中熱損失Ql可視具體條件來(lái)取加熱蒸汽放熱量（DR）的某一百分?jǐn)?shù)。

（3）（4）（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)，

7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算—（2）熱量衡算焓值的計(jì)算：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：

式中c0

、c——料液和完成液的比熱，kJ/kg·K。7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算—（2）熱量衡算式中——水的比熱，kJ/kg·K；

——溶質(zhì)的比熱，kJ/kg·K。

為了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可近似認(rèn)為溶液的比熱容和所含溶質(zhì)的濃度呈加和關(guān)系，即7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算—（2）熱量衡算由式（3）或式（4）可得加熱蒸汽的消耗量為：

①忽略濃縮熱時(shí)

②

忽略濃縮熱且7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算—（2）熱量衡算

③沸點(diǎn)進(jìn)料，t0=t，并忽略熱損失和溶液濃度較低時(shí)，c=c0

，則

式中稱D/W為單位蒸汽消耗量，用來(lái)表示蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)程度（或生蒸汽的利用率）。

或7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算

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，Δtm=Ts-t，且蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q=DR，所以有式中A——蒸發(fā)器傳熱面積，m2；

Q——傳熱量，W；

K——傳熱系數(shù)，W/m2·K；

Δtm——平均傳熱溫差，K。

由傳熱速率方程得7.2.1單效蒸發(fā)的計(jì)算（4）濃縮熱和溶液的焓濃圖

如圖7-3為NaOH水溶液以0℃為基準(zhǔn)溫度的焓濃圖。

7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失

蒸發(fā)器中的傳熱溫差：Δtm=（Ts-t）

加熱蒸汽的溫度：Ts（若為150℃）

蒸發(fā)室的壓力為1atm而蒸發(fā)的又是水：t=T=100℃

此時(shí)的傳熱溫差最大，用ΔtT表示：

如果蒸發(fā)的是30%的NaOH水溶液，在常壓下其沸點(diǎn)是高于100℃。若其沸點(diǎn)t=117℃，則有效傳熱溫差，

Δt比ΔtT所減小的值，稱為傳熱溫度差損失，簡(jiǎn)稱溫度差損失，用Δ表示

Δ=50-33=177.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失傳熱溫差損失：溶液沸點(diǎn)：有效傳熱溫差：溫度差損失的原因：

蒸發(fā)操作時(shí)，溫度差損失的原因可能有：因溶液沸點(diǎn)升高引起的溫度差損失△’；因加熱管內(nèi)液柱靜壓力而引起的溫度差損失△”；由于管路流動(dòng)阻力而引起的溫度差損失△’’’?？倻囟炔顡p失為：

7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（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：

式中tA，——某種溶液在兩種不同壓力下的沸點(diǎn)；

tw，——溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)。7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失—

（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則

如圖7-4為不同濃度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。7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失—

（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則由該圖可以看出：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在高濃度范圍內(nèi)只要已知兩個(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。7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（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：式中p——液面上方二次蒸汽的壓強(qiáng)（通常可以用冷凝器壓強(qiáng)代替），Pa；

L——蒸發(fā)器內(nèi)的液面高度，m。

所以沸騰液體的平均溫度為：液柱靜壓強(qiáng)引起的溶液溫度升高：

7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（3）單效蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算

①設(shè)計(jì)型計(jì)算：給定蒸發(fā)任務(wù)，要求設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)上合理的蒸發(fā)器。已知：F，x0，t0，

x設(shè)計(jì)條件：p0，pk計(jì)算目的：根據(jù)選用的蒸發(fā)器形式確定K，計(jì)算所需加熱面積A及加熱蒸汽用量D。②操作型計(jì)算：已知蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式和蒸發(fā)面積給定條件：A，K，x0，t0

，x，p0，pk

計(jì)算目的：核算蒸發(fā)器的處理能力F和加熱蒸汽用量D。

或已知：A

，F(xiàn)

，x0，t0

，x

，p0，pk

計(jì)算目的：反算蒸發(fā)器的K并求D。7.3蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性

7.3.1加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性7.3.2多效蒸發(fā)流程7.3.1加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性

蒸汽的經(jīng)濟(jì)性：每1kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水量（W/D）（或用溶液中蒸發(fā)出1kg水所需消耗的生蒸汽的量

D/W表示蒸汽的利用率）。若物料的水溶液先預(yù)熱至沸點(diǎn)后加入蒸發(fā)器，忽略生蒸汽與產(chǎn)生的二次蒸汽的汽化潛熱的差異，不計(jì)熱損失，則每1kg加熱蒸汽可汽化1kg水，即W/D=1。實(shí)際上，由于有熱損失等原因，W/D<1。怎樣才能節(jié)省加熱蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率呢？7.3.1加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性為了提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，可采用的措施：1．多效蒸發(fā)2．額外蒸汽的采出3．熱泵蒸發(fā)4．冷凝水熱量的利用圖

蒸汽熱泵蒸發(fā)流程7.3.2多效蒸發(fā)一、多效蒸發(fā)的操作原理

由蒸發(fā)器的熱量恒算可知，在單效蒸發(fā)器中每蒸發(fā)1㎏的水需要消耗1㎏多的生蒸汽。在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，水分蒸發(fā)量很大，需要消耗大量的生蒸汽。如果能將二次蒸汽用作另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，則可減少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的壓力和溫度低于生蒸汽的壓力和溫度，因此，二次蒸汽作為加熱蒸汽的條件是：該蒸發(fā)器的操作壓力和溶液沸點(diǎn)應(yīng)低于前一蒸發(fā)器。采用抽真空的方法可以很方便地降低蒸發(fā)器的操作壓力和溶液的沸點(diǎn)。每一個(gè)蒸發(fā)器稱為一效，這樣，在第一效蒸發(fā)器中通入生蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽引入第二效蒸發(fā)器，第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸發(fā)器，以此類推，末效蒸發(fā)器的二次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空裝置對(duì)系統(tǒng)抽真空。于是，從第一效到最末效，蒸發(fā)器的操作壓力和溶液的沸點(diǎn)依次降低，因此可以引入前效的二次蒸汽作為后效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽，這就是多效蒸發(fā)的操作原理。

7.3.2多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有：

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。

1.并流優(yōu)點(diǎn)：1．利用各效間壓差自動(dòng)進(jìn)料，可省去輸液泵。2．前效溫度高于后效，進(jìn)料呈過(guò)熱狀態(tài)，產(chǎn)生自蒸發(fā)，各效間可不設(shè)預(yù)熱器。3．輔助設(shè)備少，裝置緊湊，溫差損失少。4．操作簡(jiǎn)便，工藝穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：后效溫度低，組成高，料液黏度增大，降低了傳熱系數(shù)。2.逆流優(yōu)點(diǎn)：1.隨著料液組成提高，溫度相應(yīng)提高，黏度變化小，各效傳熱系數(shù)相差不大，可充分發(fā)揮設(shè)備潛力。2.完成液排出溫度較高，可利用顯熱在減壓下閃蒸增濃，提高完成液組成。缺點(diǎn)：1.輔助設(shè)備多，動(dòng)力消耗大；2.不適于處理熱敏性溶液；3.操作復(fù)雜，工藝不易穩(wěn)定3.錯(cuò)流優(yōu)點(diǎn)：1．兼有并、逆流優(yōu)點(diǎn)。2．供料方式可調(diào)整。缺點(diǎn)：操作復(fù)雜，需有完善的自動(dòng)儀表控制系統(tǒng)來(lái)保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作4.平流各效分別進(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）。多效蒸發(fā)效數(shù)的限制

效數(shù)增多，設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度降低，而加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性提高，因此，必須合理選擇效數(shù)以便設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最少。這是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。

7.3.2多效蒸發(fā)

實(shí)際由于熱損失，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。7.4蒸發(fā)設(shè)備

蒸發(fā)設(shè)備中包括蒸發(fā)器和輔助設(shè)備。7.4.1蒸發(fā)器

結(jié)構(gòu)：加熱室、流動(dòng)（或循環(huán)）通道、汽液分離空間。

按照溶液在加熱室中的運(yùn)動(dòng)的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。（1）循環(huán)型蒸發(fā)器

特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng)，因而可以提高傳熱效果。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同，又分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。強(qiáng)制循環(huán)：用泵迫使溶液沿一定方向流動(dòng)。①

垂直短管式7.4.1蒸發(fā)器—（1）循環(huán)型蒸發(fā)器②外加熱式（加熱室與蒸發(fā)室分開）特點(diǎn)：(1)加熱管長(zhǎng)，給熱系數(shù)增大(2)循環(huán)管不再受熱，密度差大強(qiáng)