第八章 蒸发
Chapter 8 Evaporation
加热蒸汽 (生蒸汽 )
二次蒸汽单效蒸发多效蒸发常压蒸发加压蒸发减压蒸发概述 (Introduction)
蒸发过程,将含有固体溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩，以获得固体产品或制取溶剂。蒸发过程实际上是不挥发性的溶质和挥发性的溶剂分离的过程。
蒸发过程的基本概念概述 (Introduction)
蒸发操作是间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，
蒸发器也是一种换热器。
蒸发过程的特殊性
(1) 溶液中含有不挥发性溶质，故溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压为低 (沸点高 )，相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小；
(2) 工业规模的蒸发量很大，需要耗用大量的加热蒸汽，应充分利用二次蒸汽 (多效蒸发 )，降低过程的能量消耗；
(3) 溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构。例如，易结垢或析出结晶的溶液，设计上应设法防止或减少垢层的生成，
并应使加热面易于清洗。对热敏性，高粘度或强腐蚀性的物料，应设计或选择适宜结构的蒸发器。
蒸发器的结构及特点蒸发装置循环型蒸发器循环型和单程型中央循环管式蒸发器循环型蒸发器悬筐式蒸发器循环型蒸发器外热式蒸发器循环型蒸发器列文式蒸发器循环型蒸发器强制循环蒸发器单程型蒸发器升膜式蒸发器和降膜式蒸发器单程型蒸发器升 -降膜式蒸发器单程型蒸发器刮板式冷凝器浸没燃烧式蒸发器除沫器、冷凝器和真空装置除沫器除沫器、冷凝器和真空装置冷凝器及真空装置除沫器、冷凝器和真空装置疏水阀防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。
(1) 热动力式
(2) 钟形浮子式
(3) 脉冲式
1-冷凝水入口； 2-冷凝水出口；
3-排出管； 4-背压室；
5-滤网； 6-阀片单效蒸发主要计算项目,蒸发器的水分蒸发量；传热负荷与加热蒸汽的消耗量；传热温度差；传热系数；传热面积 。
物料衡算和热量衡算水分蒸发量
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0
1
1 xWF x
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FW
F,x0,
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D,T,H (F-W)x
1,
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D,T,hw
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加热室蒸发室物料衡算和热量衡算加热蒸汽消耗量若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出
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0p l p p wF W F WC C C
0 1 0 0 'p w p p w p lF T F W F W H QC C C t C t
忽略溶液稀释热，溶液焓可用比热计算，取 0℃ 为基准
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加热室蒸发室物料衡算和热量衡算加热蒸汽消耗量有
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若溶液为沸点进料 (tl=t0 ),忽略蒸发器热损失蒸汽的汽化潜热随压力变化不大 ( r? r’ ),故 D/W? 1,蒸发
1kg水约需 1kg加热蒸汽。
实际上 r < r’，加上热损失,D/W >1，其值约为 1.1或稍高。
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加热室蒸发室物料衡算和热量衡算蒸发器的传热面积
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蒸 发 器 的 型 式 总传热系数 K,W/(m2·K)
标准式 （ 自然循环 ） 600-3000
标准式 （ 强制循环 ） 1200-6000
悬筐式 600-3000
外热式 （ 自然循环 ） 1200-6000
外热式 （ 强制循环 ） 1200-7000
升膜式 1200-6000
降膜式 1200-3500
刮板式 600-2000
物料衡算和热量衡算溶液的焓浓图和浓缩热氢氧化钠、氯化钙等水溶液在蒸发浓缩时，除水的汽化潜热外，还需提供溶液的浓缩热。焓不能用比热计算式计算。
溶液的沸点及温度差损失溶液中溶质不挥发，溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要低，
因而相同压力下溶液的沸点总是比相同压力下水的沸点 (二次蒸汽温度 )为高，其差值称为 沸点升高,用 Δ表示即温度差损失在数值上等于沸点升高。
蒸发计算中，应先确定 Δ值，再求溶液沸点 (tl=Tk’+Δ) 和实际传热温度差 (Δt=ΔtT -Δ)。
klt T
kT Tt T
ltT t
()kkT l lt T Tt t tTT
蒸发纯溶剂的温差蒸发溶液的温差温度差损失的原因
(1) 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失,?’ ；
(2) 加热管内不同高度静压力不同，使溶液沸点升高,?’’ ；
(3) 二次蒸汽的流动阻力，使蒸发室的压力高于冷凝器，相应的饱和温度高于冷凝器的温度，如果二次蒸汽的温度以冷凝室的温度计算，则存在温度差损失,?’’’ 。
蒸发器总温差损失
溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失?’
与溶液种类,浓度及操作压强有关,其值由试验测定的溶液沸点 tA求得 。 设由二次蒸汽压力查得的饱和温度为 Tk’
对在加压或减压下的蒸发操作，需计算各种浓度溶液在不同压力下的温度差损失。
当缺乏实验数据时，可由常压下溶液的温度差损失估计
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0 f
2273
0,0 1 6 2 kTf r
r’ —— 实际操作压力下二次蒸汽的汽化潜热液柱静压力引起的温度差损失?’’
溶液内部的沸点按液面和底部平均压力计算,由静力学方程式中,tA(pm) — 水在平均压力下的沸点,℃ ；
tw(p) — 蒸发室二次蒸汽压力下算得的沸点,℃ 。
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二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失?’’’
与二次蒸汽在管道中的流速,物性及管道尺寸等有关,一般取为 0.5~1.5 ℃ ；
对多效蒸发,二次蒸汽在两效间由于管道阻力引起的温度差损失一般取 1 ℃ 。
蒸发器的生产能力和生产强度生产能力,单位时间汽化的水量 (蒸发量 ),kg/h。
如果忽略热损失和浓缩热，且料液在沸点下进料，则生产能力与传热速率成正比，故也可用传热速率来表示生产能力。
生产强度,单位时间单位传热面积上蒸发的水量,kg/(m2·h)。
生产强度是衡量蒸发器性能的一个重要指标。沸点进料和忽略热损失及浓缩热时，传递的热量全部用于水分蒸发，设溶剂的汽化潜热为 r’,则生产强度欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温差。
r
tK
rA
Q
A
WU
多效蒸发单效蒸发,1kg水 /1kg多生蒸汽二次蒸汽作为加热蒸汽的条件,该蒸发器的操作压力和溶液温度应低于前一蒸发器 。
抽真空可方便地降低蒸发器的操作压力和溶液温度 。
多效蒸发可提高生蒸汽的利用率 (经济性 ),即同样数量生蒸汽可蒸发比单效蒸发器更多水 。
效数 单效 双效 三效 四效 五效
W/D 0.91 1.75 2.5 3.33 3.7
D/W 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27
多效蒸发流程并流加料蒸发流程优点：
后效蒸发室压力较前效低,
前效溶液可籍压差流入后效,
无需用泵输送；
后效溶液沸点较前效低,溶液流入后效时,由于过热而发生自蒸发 (闪蒸 ),可蒸发更多的溶液 。
缺点：
后效溶液浓度较前效大,而沸点又较低,故粘度相对较大,
使后效的传热系数较前效为小,在后两效中尤为严重 。
多效蒸发流程逆流加料蒸发流程优点：
随着溶液浓度的逐效提高,
溶液的温度也不断提高,故各效溶液浓度比较接近,传热系数也大致相同 。
缺点：
效间溶液需用泵输送,能量消耗较大 。
适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液,但不适用于热敏性物料的蒸发 。
多效蒸发流程平流加料蒸发流程料液分别加入各效,蒸发后完成液从各效分别排出,各效溶液的流向互相平行 。
适用于蒸发过程中容易析出结晶的物料 (如食盐水在较低浓度下即达到饱和状态而有结晶析出 ),可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液 。
Chapter 8 Evaporation
加热蒸汽 (生蒸汽 )
二次蒸汽单效蒸发多效蒸发常压蒸发加压蒸发减压蒸发概述 (Introduction)
蒸发过程,将含有固体溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩，以获得固体产品或制取溶剂。蒸发过程实际上是不挥发性的溶质和挥发性的溶剂分离的过程。
蒸发过程的基本概念概述 (Introduction)
蒸发操作是间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，
蒸发器也是一种换热器。
蒸发过程的特殊性
(1) 溶液中含有不挥发性溶质，故溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压为低 (沸点高 )，相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小；
(2) 工业规模的蒸发量很大，需要耗用大量的加热蒸汽，应充分利用二次蒸汽 (多效蒸发 )，降低过程的能量消耗；
(3) 溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构。例如，易结垢或析出结晶的溶液，设计上应设法防止或减少垢层的生成，
并应使加热面易于清洗。对热敏性，高粘度或强腐蚀性的物料，应设计或选择适宜结构的蒸发器。
蒸发器的结构及特点蒸发装置循环型蒸发器循环型和单程型中央循环管式蒸发器循环型蒸发器悬筐式蒸发器循环型蒸发器外热式蒸发器循环型蒸发器列文式蒸发器循环型蒸发器强制循环蒸发器单程型蒸发器升膜式蒸发器和降膜式蒸发器单程型蒸发器升 -降膜式蒸发器单程型蒸发器刮板式冷凝器浸没燃烧式蒸发器除沫器、冷凝器和真空装置除沫器除沫器、冷凝器和真空装置冷凝器及真空装置除沫器、冷凝器和真空装置疏水阀防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。
(1) 热动力式
(2) 钟形浮子式
(3) 脉冲式
1-冷凝水入口； 2-冷凝水出口；
3-排出管； 4-背压室；
5-滤网； 6-阀片单效蒸发主要计算项目,蒸发器的水分蒸发量；传热负荷与加热蒸汽的消耗量；传热温度差；传热系数；传热面积 。
物料衡算和热量衡算水分蒸发量
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外热式 （ 自然循环 ） 1200-6000
外热式 （ 强制循环 ） 1200-7000
升膜式 1200-6000
降膜式 1200-3500
刮板式 600-2000
物料衡算和热量衡算溶液的焓浓图和浓缩热氢氧化钠、氯化钙等水溶液在蒸发浓缩时，除水的汽化潜热外，还需提供溶液的浓缩热。焓不能用比热计算式计算。
溶液的沸点及温度差损失溶液中溶质不挥发，溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要低，
因而相同压力下溶液的沸点总是比相同压力下水的沸点 (二次蒸汽温度 )为高，其差值称为 沸点升高,用 Δ表示即温度差损失在数值上等于沸点升高。
蒸发计算中，应先确定 Δ值，再求溶液沸点 (tl=Tk’+Δ) 和实际传热温度差 (Δt=ΔtT -Δ)。
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蒸发纯溶剂的温差蒸发溶液的温差温度差损失的原因
(1) 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失,?’ ；
(2) 加热管内不同高度静压力不同，使溶液沸点升高,?’’ ；
(3) 二次蒸汽的流动阻力，使蒸发室的压力高于冷凝器，相应的饱和温度高于冷凝器的温度，如果二次蒸汽的温度以冷凝室的温度计算，则存在温度差损失,?’’’ 。
蒸发器总温差损失
溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失?’
与溶液种类,浓度及操作压强有关,其值由试验测定的溶液沸点 tA求得 。 设由二次蒸汽压力查得的饱和温度为 Tk’
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二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失?’’’
与二次蒸汽在管道中的流速,物性及管道尺寸等有关,一般取为 0.5~1.5 ℃ ；
对多效蒸发,二次蒸汽在两效间由于管道阻力引起的温度差损失一般取 1 ℃ 。
蒸发器的生产能力和生产强度生产能力,单位时间汽化的水量 (蒸发量 ),kg/h。
如果忽略热损失和浓缩热，且料液在沸点下进料，则生产能力与传热速率成正比，故也可用传热速率来表示生产能力。
生产强度,单位时间单位传热面积上蒸发的水量,kg/(m2·h)。
生产强度是衡量蒸发器性能的一个重要指标。沸点进料和忽略热损失及浓缩热时，传递的热量全部用于水分蒸发，设溶剂的汽化潜热为 r’,则生产强度欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温差。
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抽真空可方便地降低蒸发器的操作压力和溶液温度 。
多效蒸发可提高生蒸汽的利用率 (经济性 ),即同样数量生蒸汽可蒸发比单效蒸发器更多水 。
效数 单效 双效 三效 四效 五效
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多效蒸发流程并流加料蒸发流程优点：
后效蒸发室压力较前效低,
前效溶液可籍压差流入后效,
无需用泵输送；
后效溶液沸点较前效低,溶液流入后效时,由于过热而发生自蒸发 (闪蒸 ),可蒸发更多的溶液 。
缺点：
后效溶液浓度较前效大,而沸点又较低,故粘度相对较大,
使后效的传热系数较前效为小,在后两效中尤为严重 。
多效蒸发流程逆流加料蒸发流程优点：
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溶液的温度也不断提高,故各效溶液浓度比较接近,传热系数也大致相同 。
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效间溶液需用泵输送,能量消耗较大 。
适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液,但不适用于热敏性物料的蒸发 。
多效蒸发流程平流加料蒸发流程料液分别加入各效,蒸发后完成液从各效分别排出,各效溶液的流向互相平行 。
适用于蒸发过程中容易析出结晶的物料 (如食盐水在较低浓度下即达到饱和状态而有结晶析出 ),可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液 。
