蒸發(fā)的基本原理

1、蒸發(fā)的基本原理蒸發(fā)的基本原理前言 使含有不揮發(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)，所采用的設(shè)備稱為蒸發(fā)器。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、 石油化工、制藥、制糖、造紙、深冷、海水淡化及原子能等工業(yè)中。 蒸發(fā)操作中的熱源廠采用新鮮的飽和水蒸汽，又稱生蒸汽。從溶液中蒸出 的蒸汽稱為二次蒸汽，以區(qū)別于生蒸汽。在操作中一般用冷凝方法將二次蒸汽 直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作稱為單效蒸發(fā)。若將二次蒸汽引到下一效 蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，以利用其冷凝熱，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱為多效蒸發(fā)。蒸發(fā)操作可以在加壓、常壓或減壓下進(jìn)行，工業(yè)上的蒸發(fā)操作經(jīng)常在減壓 下進(jìn)行，這種操作稱為真空蒸發(fā)

2、。真空蒸發(fā)的特點(diǎn)在于： 1. 減壓下溶液的沸點(diǎn) 下降，有利于處理熱敏性物料， 且可利用低壓強(qiáng)的蒸汽或廢蒸汽作為熱源。 2. 溶 液的沸點(diǎn)隨所處的壓強(qiáng)減小而降低，故對(duì)相同壓強(qiáng)的加熱蒸汽而言，當(dāng)溶液處 于減壓時(shí)可以提高傳熱總溫度差 ;但與此同時(shí)，溶液的粘度加大，使總傳熱系數(shù) 下降。 3. 真空蒸發(fā)系統(tǒng)要求有造成減壓的裝置，使系統(tǒng)的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用一般情況下，經(jīng)濃縮后的液體為產(chǎn)品，二次蒸汽冷凝液則被排除；蒸發(fā)過程的實(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)屬于熱量傳遞過程，但又有別于一般傳熱 過程，因?yàn)檎舭l(fā)過程具有以下特點(diǎn)：1) 傳熱性質(zhì) 傳

3、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 屬于避免兩側(cè)流體均有相變的恒溫傳熱過程。2) 溶液性質(zhì) 有些溶液在蒸發(fā)過程中有晶體析出、 易結(jié)垢和生泡沫、 高溫下易 分解和聚合；溶液的粘度在蒸發(fā)過程中逐漸增大，腐蝕性逐漸增強(qiáng)。3) 溶液沸點(diǎn)的改變 含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液， 其蒸汽壓較同溫度下溶劑 (即純水)的為低，換言之，在相同壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)高于純水的沸點(diǎn)，故當(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。溶液濃度越高這 種現(xiàn)象越顯著。4) 泡沫夾帶 二次蒸汽中常夾帶大量液沫， 冷凝前必須設(shè)法除去， 否則不但損 失物料，而且要污染冷凝設(shè)備。5）能源利用 蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生大

4、量二次蒸汽， 如何利用它的潛熱， 是蒸發(fā)操作中要 考慮的關(guān)鍵問題之一。多效蒸發(fā)器就有效的解決了這個(gè)問題。蒸發(fā)器主要是由加熱室及分離器組成。按加熱室的結(jié)構(gòu)和操作時(shí)溶液的流 動(dòng)情況，可將工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型 （非膜式） 和單程式（膜 式）兩大類。1. 循環(huán)型（非膜式）蒸發(fā)器這類蒸發(fā)器的特點(diǎn)時(shí)溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，以提高傳熱效果、緩 和溶液結(jié)構(gòu)情況。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同，可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán) 兩種類型。前者是由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產(chǎn)生了密度 差而引起的循環(huán)運(yùn)動(dòng)：后者是依靠外加動(dòng)力坡時(shí)溶液沿一方向作循環(huán)流動(dòng)。其 包括：（一）中央循環(huán)管式（或標(biāo)準(zhǔn)式）

5、蒸發(fā)器（二）懸筐式蒸發(fā)器（三）外熱 式蒸發(fā)器（四）強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器2. 膜式（單程型）蒸發(fā)器 非膜式蒸發(fā)器的主要缺點(diǎn)是加熱室內(nèi)滯料量大，致使物料在高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)， 熱別不適于處理熱敏性物料。在膜式蒸發(fā)器內(nèi)，溶液只通過加熱是一次即可濃 縮到需要的濃度，停留時(shí)間僅為數(shù)秒或十余秒鐘。操作過程中溶液沿加熱管壁 呈傳熱效果最佳的膜狀流動(dòng)。 包括：（一）升膜式蒸發(fā)器 （二）降膜式蒸發(fā)器（三） 升 -降膜蒸發(fā)器（四）刮板攪拌薄膜蒸發(fā)器。本公司使用的是降膜式蒸發(fā)器，原料液由加熱室頂部進(jìn)入，經(jīng)管端的液體分布 器均勻地流入加熱管內(nèi)，在溶液本身的重力作用下，溶液沿管內(nèi)壁呈膜狀下流， 并進(jìn)行蒸發(fā)。為了使溶液內(nèi)在管壁上

6、均勻布膜，為了使效率更佳，蒸發(fā)器頂部 必須設(shè)置良好的液體分布器。蒸發(fā)罐及其在紙漿廠的地位漿廠及紙廠的操作有一系列的復(fù)雜程序。所有過程的每一方面都依賴于所 有其他方面的正常運(yùn)行。為保持費(fèi)用最低，制漿過程中的許多副產(chǎn)品都要回收 再利用。木塊轉(zhuǎn)化為木漿，需要混入 NaOH 及 Na2SO4 兩種化合物，然后它們和木塊放在蒸煮器中蒸煮。這個(gè)過程分解木塊中的粘合物質(zhì)及將木質(zhì)纖維分離出來。蒸煮上述混合物產(chǎn)生一種叫“黑液”的稀溶液。這種黑液大部分由水組成（重 量約占 80-85%），其余（重量約 15-20%）是蒸煮用的無機(jī)化學(xué)藥品和有機(jī)木質(zhì)素 的混合物。黑液里的這種非水部分稱作黑液固形物。通過蒸發(fā)掉黑液中

7、的水份， 燃燒其中的有機(jī)物，并將剩余的無機(jī)化學(xué)藥品轉(zhuǎn)化為它們的原始形式，可以回 收重新用來蒸煮的無機(jī)化學(xué)藥品。用蒸汽作為熱源，蒸發(fā)罐蒸發(fā)掉稀黑液中的水分。水分蒸發(fā)掉后，黑液固 形物被濃縮為占剩余溶液的 70%（重量）以上，成為重黑液。這樣過后，濃黑液 能作為燃料在 RB中燃燒，產(chǎn)生蒸汽還原黑液中蒸煮用的化學(xué)藥品。把黑液濃縮 為濃度 80%以上的一個(gè)好處是減少排到大氣中的 TRS等有害物質(zhì)。定義蒸發(fā)罐 首先需要復(fù)習(xí)的一個(gè)基本概念是蒸發(fā)，讓我們從水開始談起。 水分子有兩個(gè)氫原子（正電荷）和一個(gè)氧原子（負(fù)電荷）組成。如圖所示， 每個(gè)分子正負(fù)電荷間有大量的空間，這些電荷間強(qiáng)大的引力使水聚在一起。當(dāng) 液

8、體表面附近的一個(gè)微粒獲得足夠的能量以克服液體表面微粒對(duì)它的吸引力而 逃逸到氣體狀態(tài)，蒸發(fā)就產(chǎn)生了。換句話說，任何蒸發(fā)罐的主要目的是將水份 從黑液中蒸發(fā)掉?；旧险舭l(fā)罐是這樣工作的，把水分蒸發(fā)掉。蒸發(fā)出來黑液 作 RB 燃燒用的燃料。 把黑液作為燃料在 RB 中燃燒使工廠經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生蒸汽和動(dòng) 力，同時(shí)燃燒使工廠從黑液中回收有用的化學(xué)藥品。而 HPD 蒸發(fā)罐是蒸發(fā)和回 收過程中的一個(gè)關(guān)鍵元素。沸點(diǎn)為使水沸騰，加熱是必需的。海拔為零的水在 100 C 沸騰。在這個(gè)溫度， 水從液態(tài)轉(zhuǎn)化到氣態(tài)。 然而，當(dāng)氣壓上升到 13.8 bar（g） 時(shí)，溫度要上升到 150C水才沸騰。 相應(yīng)的，房子里的一壺水如果表

9、壓 -667.7mm Hg柱（即絕壓 92.30mmHg）則在 50C時(shí)就沸騰。從所提供的表格中很容易找到溫度 / 氣壓之間的關(guān)系 即降低壓力就降低沸點(diǎn)能量，熱量熱量是一種能量，其度量單位是卡。 1卡是把 1kg 水加熱上升 1C所需的 熱量。這個(gè)熱量度量單位是個(gè)很重要的概念，它幫我們描述熱量傳遞和要達(dá)到 一個(gè)具體溫度所需要的能量，比如說這個(gè)能量是用來蒸發(fā)水還是為你的房子取 暖。為更好的描述一定量的蒸發(fā)所需要的熱量數(shù)量，我們還應(yīng)該理解飽和，過 熱及過冷等概念。飽和假定在一間房子里有一個(gè)容器裝有 1kg 15 C 的水，這時(shí)，水的蒸發(fā)基本 上是不存在的。為了發(fā)生蒸發(fā)，水必須加熱到 100 C或其

10、沸點(diǎn)。最初所加的熱 量不產(chǎn)生蒸發(fā)只提高水的溫度。這些所加的熱量被稱作水的敏感熱。敏感熱量 就是 1kg 水加熱到沸騰所需的熱量。既然如此，上面所說的房間里的水的敏感 熱量是 85 卡。一旦到達(dá)沸點(diǎn)，再加熱水的溫度也將不上升，其再加的熱量將使 水沸騰或蒸發(fā)。從沸騰開始蒸發(fā)水所加的熱量叫做蒸發(fā)潛熱（ Latent Heat Vaporization,abbre. LHV ）。蒸發(fā) 1kg 水所需的能量（ LHV）大于把它加熱到沸 點(diǎn)所需的能量（敏感熱） 。既然如此，蒸發(fā) 1kg水的蒸發(fā)潛熱（ LHV）是 538卡 上面所描述的沸騰過程中所產(chǎn)生的蒸汽存在一個(gè)最低溫度而使其不致冷疑成 水。這個(gè)溫度我們

11、叫做飽和溫度。前面所列的溫度表列出了不同操作壓力下水 的飽和溫度和沸點(diǎn)。值得注意的是在零表壓下（大氣或室壓） ，飽和溫度或沸點(diǎn) 均是 100 攝氏度。這里需重點(diǎn)指出的是，把水從液態(tài)變?yōu)檎羝璧臒崃浚?LTV）在蒸汽冷凝到液態(tài)時(shí)就被回收了，這就是冷凝器之所以能工作的奧秘。過熱 （superheating） 當(dāng)水在沸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為蒸汽時(shí)，這種蒸汽叫飽和蒸汽。然而，現(xiàn)場(chǎng)蒸汽常比飽 和溫度要高。在這種情況下，蒸汽被認(rèn)為含有過熱。因?yàn)榍笆龅恼羝僭O(shè)為飽 和蒸汽，所以過熱蒸汽不能用蒸汽表來描述，過熱蒸汽比飽和蒸汽含有更多的 熱能。通過加水過熱蒸汽可以轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽。這一方法常使用于進(jìn)入蒸發(fā)鏈 中的現(xiàn)場(chǎng)蒸汽。

12、系統(tǒng)減溫裝置設(shè)立于所有現(xiàn)場(chǎng)蒸汽的入口處。過冷（ sub cooling ） 當(dāng)所有的蒸汽都被冷凝，剩下的不能冷凝氣體也被冷凝到飽和溫度以下。這 種狀態(tài)下的蒸汽被稱作過冷。騰發(fā) （flashing） 正如我們所討論的，壓力降低時(shí)液體的沸點(diǎn)也降低。若把沸點(diǎn)的液體突然移 到另一個(gè)壓力低的地方，有足夠多的熱量就會(huì)從液體中取走，溫度就會(huì)下降到 它在此壓力下新的沸點(diǎn)。這就是我們所說的騰發(fā)。沸點(diǎn)上升 （Boiling Point Rise BPR） 任何壓力下水的沸點(diǎn)均在我們前述的蒸汽表中給出了。然而，當(dāng)臟物質(zhì)或 可溶物存在時(shí)，水分子間就有更大的引力以保持液態(tài)。此時(shí)，需要更高的溫度 提供足夠的能量以使水分子

13、逃逸出水表面。這種升高的液體溫度與原飽和蒸汽 溫度之差叫做沸點(diǎn)上升 （ BPR）。隨著有形物質(zhì)或固體濃度的提高， 沸點(diǎn)也上升。 在相應(yīng)的圖形上一條典型曲線表明了黑液濃度對(duì) BPR 的影響。經(jīng)濟(jì)效率 效率是每千克蒸汽所產(chǎn)生的蒸發(fā)量。對(duì)液體而言，降低壓力就降低沸點(diǎn)。 也就是說，只要后續(xù)單元的壓力比前續(xù)單元的壓力低，則前續(xù)單元所產(chǎn)生的蒸 汽就可用來給后續(xù)單元供熱。不斷地用前一效罐的二次蒸汽作為熱源，供熱給 后一效罐，真空系統(tǒng)和冷凝器就可使液體沸騰。如果有多個(gè)效罐使用，這種做 法就節(jié)約了大量的蒸汽用來蒸發(fā)。因?yàn)橹貜?fù)使用二次蒸汽，隨著效罐的增加， 每磅蒸汽我們可以獲得越來越多的蒸發(fā)。因而，六效罐系統(tǒng)比三

14、效罐系統(tǒng)有更 好的效率，而三效罐系統(tǒng)比二效罐系統(tǒng)有更好的效率。溢流大量的蒸汽冒出液體時(shí)， 液體可能被帶入到下一個(gè)效罐， 這種情況叫做液體溢流。溢流 不僅造成污染冷凝的問題， 而且過多的 溢流 可能浪費(fèi)系統(tǒng)中可 用的化學(xué)物質(zhì)，提高成本。 溢流 隔離器和去霧器用來保持 溢流最小，這將 在設(shè)備分析中詳細(xì)討論。傳導(dǎo)性 （Conductivity） 傳導(dǎo)度是溶液導(dǎo)電能力的度量單位。純水的導(dǎo)電度很小，而污水有很好的 的傳導(dǎo)性。隨著液體濃度的增加其傳導(dǎo)度也增加。正是基于這個(gè)原因，傳導(dǎo)性 可以很好地衡量水或工廠中冷凝水受污染的程度，它也可以作為 溢流 發(fā)生的警 報(bào)。比重 （Density）黑液比重有好幾種定義

15、。 通常把單位體積下的水在參考溫度下 （通常 15或 20）的具體重量定義為說的比重。比重用一種裝置（液體比重計(jì)）來測(cè)定， 它是用波美度來做單位。 1 波美度等于 60（ 15）時(shí)的濃度。傳熱 我們知道，要使液體沸騰必須給液體傳熱，描述傳熱的基本公式是： Q = U A T這個(gè)方程決定熱量傳導(dǎo)的多少和蒸發(fā)的發(fā)生量，讓我們仔細(xì)分析這個(gè)方程：U 傳熱系數(shù)，表明裝置熱傳導(dǎo)的能力A 傳熱面積，每一特定的傳熱裝置有固定的傳熱面積因?yàn)樗鶄鲗?dǎo)的熱量 Q直接影響蒸發(fā)量，所以 T 是影響蒸發(fā)量的重要因素。 當(dāng)蒸發(fā)罐正常運(yùn)行時(shí)， U 是管子的特征所決定的（操作者不能改變） ，傳熱面積 A也不變。因此， T 是唯一

16、的變量，操作者可通過改變 T 來影響傳熱效率。 事實(shí)上， 整體的有效溫差 T（蒸汽溫度真空條件下液體的汽化溫度總 BPR） 是蒸發(fā)的動(dòng)力。換句話說，整體的有效溫差 T 直接影響蒸發(fā)量。操作員可以通 過改變蒸汽的壓力、溫度或真空的壓力、溫度來改變整體的有效溫差T。如插圖所示，真空度為 35 mm Hg的微小溫度變化可以引起產(chǎn)能下降 8.5.減少傳熱 有好多因素可以降低傳熱率。比如塞管減小有效的傳熱面積，從而降低傳 熱效率。有好幾種情況造成塞管。其一、蒸汽過熱程度太高就可能造成塞管。 其二、由于 CaCO3 的溶解度與溫度成反向關(guān)系， 以及這種情況是在熱點(diǎn)的位置發(fā) 生，故塞管常發(fā)生。其三、在液體里

17、面如果出現(xiàn)纖維常促使形成熱點(diǎn)，這種熱 點(diǎn)生成結(jié)垢，造成塞管。結(jié)垢雖然并不占去全部所用的管子面積，但它減小了 傳熱系數(shù)，是一個(gè)嚴(yán)重的問題。大量的沉淀物增加了熱流的阻力。結(jié)垢物可能 有好幾種原因造成纖維沉淀（熱點(diǎn)） 、過熱蒸汽、維持了太高的蒸汽壓或太 少的液態(tài)化學(xué)物。結(jié)垢物有的可溶（如水） ，有的不可溶（如 CaCO3），但好幾個(gè) 狀態(tài)的結(jié)垢物均造成塞管。在檢修中發(fā)現(xiàn)漏液的管子，常用機(jī)械的塞管方式， 以使裝備正常工作。但機(jī)械式的塞管減少有效傳熱面積，這種狀況在老設(shè)備中 很常見。蒸汽或加熱蒸汽給黑液供熱時(shí)，它們自己也就被冷凝。當(dāng)冷凝生成得比冷 凝物吸收的速度還要快時(shí)，冷凝所發(fā)生的效罐就出現(xiàn)“大量冷凝物水” 。罐底的 這些過多冷凝水造成有效的傳熱面積減少。系統(tǒng)中有冷凝水設(shè)備(旁道)以在冷凝水過多時(shí)使用。水汽或蒸汽總包含一些不冷凝氣體 (NCG),