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，通過化學(xué)反應(yīng)或物理性操作過程經(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。此過程常伴隨有結(jié)晶過程去除雜質(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?。采用蒸發(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绾Ｋ迫〉?。蒸發(fā)的流程用來進(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)器的傳熱推動力Δt=T-t1增大，因而，對一定的傳熱量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：單效蒸發(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。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程。溶液性質(zhì)：有些溶液在蒸發(fā)過程中有晶體析出、易結(jié)垢和產(chǎn)生泡沫；溶液的粘度在蒸發(fā)過程中逐漸增大，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，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間長，溶液濃度接近于完成液濃度。根據(jù)引起循環(huán)運(yùn)動的原因，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。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。優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)速度高晶體不易粘結(jié)在加熱管壁對流傳熱系數(shù)高缺點(diǎn)：動力消耗大對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。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下，沿管壁邊呈膜狀向上流動邊蒸發(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。適于處理濃縮過程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場合。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)刮板帶動下，在加熱管內(nèi)壁上形成旋轉(zhuǎn)下降的液膜，在下降過程中通過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?，致使溶液的沸點(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)摩擦損失對溶液沸點(diǎn)的影響按液面下處L/2溶液的沸騰溫度來計(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)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個(gè)定態(tài)過程，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明：（1）并流（順流）流程蒸汽流動方向：1→2→3溶液流動方向：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)差自動地流向后一效而無須泵送；②溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態(tài)會放出溶液的過熱量形成自蒸發(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）逆流流程蒸汽流動方向：3→2→1

溶液流動方向：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)