化工原理 蒸發(fā)

2021/6/271第一節(jié)概述

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)。

定義：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)。一、基本概念

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。2021/6/272二、蒸發(fā)流程稀溶液（料液）經(jīng)過預(yù)熱加入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器的下部是由許多加熱管組成的加熱室，在管外用加熱蒸汽加熱管內(nèi)的溶液，并使之沸騰汽化，經(jīng)溶縮后的完成液從蒸發(fā)器底部排出。蒸發(fā)器的上部為蒸發(fā)室，汽化所產(chǎn)生的蒸汽在蒸發(fā)室及其頂部的除沫器中將其中夾帶的液沫易于分離，然后送往冷凝器被冷凝而除去。2021/6/273加熱溶液使溶劑汽化—蒸發(fā)器不斷除去氣化的蒸發(fā)溶劑—冷凝器通常采用冷凝的方式將二次蒸汽排除。水蒸氣熱源水蒸氣蒸發(fā)時(shí)蒸汽加熱蒸汽二次蒸汽蒸發(fā)流程的兩個(gè)必要的組成部分：二次蒸汽溶劑S溶質(zhì)A（不揮發(fā)）溶劑S加熱2021/6/274蒸發(fā)設(shè)備輔助設(shè)備蒸發(fā)器加熱室分離室除沫器（汽液分離器）冷凝器真空裝置蒸發(fā)設(shè)備用來進(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。冷凝器與蒸發(fā)器的分離室相通，其作用是將產(chǎn)生的水蒸汽冷凝而除去。2021/6/275

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)型和單程型(不循環(huán))。一、蒸發(fā)器的型式與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng)，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。（一）循環(huán)型蒸發(fā)器由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同，分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。自然循環(huán)型：強(qiáng)制循環(huán)型：依靠外力迫使溶液沿一個(gè)方向作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。2021/6/276１.中央循環(huán)管式(標(biāo)準(zhǔn)式)蒸發(fā)器加熱蒸汽：加熱室管束環(huán)隙內(nèi)溶液：加熱室管束及中央循環(huán)管內(nèi)，受熱時(shí)，由于中央循環(huán)管單位體積溶液受熱面小，使得溶液形成由中央循環(huán)管下降，而由其余加熱管上升的循環(huán)流動(dòng)。中央循環(huán)管料液加熱蒸汽優(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2021/6/2772.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，改善了管內(nèi)結(jié)構(gòu)情況傳熱速率較高缺點(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2021/6/2783.外熱式蒸發(fā)器

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。

這種蒸發(fā)器將加熱室與分離室分開，采用較長的加熱管。適于處理易結(jié)垢、有晶體析出、處理量大的溶液2021/6/279

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

2021/6/27105.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)在加熱管壁對流傳熱系數(shù)高缺點(diǎn)：動(dòng)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。2021/6/2711（二）單程型(膜式)蒸發(fā)器

溶液在蒸發(fā)器中的停留時(shí)間很短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；整個(gè)溶液的濃度，不象循環(huán)型那樣總是接近于完成液的濃度，因而這種蒸發(fā)器的有效溫差較大。溶液在蒸發(fā)器中只通過加熱室一次，不作循環(huán)流動(dòng)。溶液通過加熱室時(shí)，在管壁上呈膜狀流動(dòng)，故習(xí)慣上又稱為液膜式蒸發(fā)器。用于熱敏性、高粘性、易結(jié)垢產(chǎn)品的濃縮、蒸餾或提純。優(yōu)點(diǎn)：2021/6/2712

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)。

1.升膜蒸發(fā)器

原理：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。2021/6/27132.降膜蒸發(fā)器溶液預(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)，在重力作用下沿管內(nèi)壁呈膜狀向下流動(dòng)，并進(jìn)行蒸發(fā)。汽液混合物從管下端流出，在分離器內(nèi)進(jìn)行汽液分離后完成液由分離室底部排出。適于處理：濃度高、粘度較大（0.05～0.45Pa·s）的溶液。不適于處理：易結(jié)晶、結(jié)垢的溶液。2021/6/2714

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。2021/6/27153.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、廠房有限制的場合預(yù)熱室升膜加熱室降膜加熱室2021/6/27164.刮板薄膜式蒸發(fā)器

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(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。2021/6/2717（三）蒸發(fā)器的選型選型時(shí)，一般考慮以下原則：溶液的粘度：蒸發(fā)過程中，溶液粘度變化的情況，是選型時(shí)很重要的因素。高粘度的溶液應(yīng)選用對其適應(yīng)性好的蒸發(fā)器，如強(qiáng)制循環(huán)型、降膜式、刮板攪拌薄膜式等；溶液的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性差的物料，應(yīng)選用滯料量少，停留時(shí)間短的蒸發(fā)器，如各種膜式蒸發(fā)器有晶體析出的溶液：選用溶液流動(dòng)速度大的蒸發(fā)器，以使晶體在加熱管內(nèi)停留時(shí)間短，不易堵塞加熱管，如外熱式、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器2021/6/2718有腐蝕性的溶液：蒸發(fā)此種物料，加熱管采用特殊材質(zhì)制成，或內(nèi)壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用浸沒燃燒蒸發(fā)器。易發(fā)泡的溶液：泡沫的產(chǎn)生，不僅損失物料，而且污染蒸發(fā)器，應(yīng)選用溶液湍動(dòng)程度劇烈的蒸發(fā)器，以抑制或破碎泡沫，如外熱式、強(qiáng)制循環(huán)式、升膜式等；條件允許時(shí)，也可將分離室加大。易結(jié)垢的溶液：蒸發(fā)器使用一段時(shí)間后，就會有污垢產(chǎn)生，垢層的導(dǎo)熱系數(shù)小，從而使傳熱速率下降。應(yīng)選用便于清洗和溶液循環(huán)速度大的增大器，如懸筐式、強(qiáng)制循環(huán)式、浸沒燃燒式等。溶液的處理量：溶液的處理量也是選型時(shí)應(yīng)考慮的因素。處理量小的，選用尺寸較大的單效蒸發(fā)，處理量大的，選用尺寸適宜的多效蒸發(fā)。常見蒸發(fā)器的性能見教材223頁表5-1。2021/6/27194.蒸發(fā)器的改進(jìn)與研究（1）研制開發(fā)新型高效蒸發(fā)器這方面工作主要從改進(jìn)加熱管表面形狀等思路出發(fā)來提高傳熱效果，例如板式蒸發(fā)器等，它的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高、液體停留時(shí)間短、體積小、易于拆卸和清洗，同時(shí)加熱面積還可根據(jù)需要而增減。又如表面多孔加熱管，雙面縱槽加熱管，它們可使沸騰溶液側(cè)的傳熱系數(shù)顯著提高。（２）改善蒸發(fā)器內(nèi)液體的流動(dòng)狀況這方面的工作主要有：其一是設(shè)法提高蒸發(fā)器循環(huán)速度，其二是在蒸發(fā)器管內(nèi)裝入多種形式的湍流元件。前者的重要性在于它不僅能提高沸騰傳熱系數(shù)，同時(shí)還能降低單程氣化率，從而減輕加熱壁面的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。后者的出發(fā)點(diǎn)，則是使液體增加湍動(dòng)，以提高傳熱系數(shù)。還有資料報(bào)道向蒸發(fā)器管內(nèi)通入適量不凝性氣體，增加湍動(dòng)，以提高傳熱系數(shù)。2021/6/2720（3）改進(jìn)溶液的性質(zhì)

近年來，通過改進(jìn)溶液性質(zhì)來改善蒸發(fā)效果的研究報(bào)導(dǎo)也不少。例如，加入適量表面活性劑，消除或減少泡沫，以提高傳熱系數(shù)；也有報(bào)導(dǎo)，加入適量阻垢劑可以減少結(jié)垢，以提高傳熱效率和生產(chǎn)能力；在醋酸蒸發(fā)器溶液表面，噴入少量水，可提高生產(chǎn)能力和減少加熱管的腐蝕，以及用磁場處理水溶液提高蒸發(fā)效率等。（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作

許多研究者從節(jié)省投資、降低能耗等方面著眼，對蒸發(fā)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，他們分別考慮了蒸汽壓力，冷凝器真空度，各效有效傳熱溫差，冷凝水閃蒸，熱損失以濃縮熱等綜合因素的影響，建立了多效蒸發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)該指出，在裝置中采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)測控技術(shù)，這是使裝置在優(yōu)化條件下進(jìn)行操作的重要措施。2021/6/2721二、蒸發(fā)器的輔助設(shè)備（一）除沫器（汽液分離器）

蒸發(fā)操作時(shí)產(chǎn)生的二次蒸汽，在分離室與液體分離后，仍夾帶大量液滴，尤其是處理易產(chǎn)生泡沫的液體，夾帶更為嚴(yán)重。為了防止產(chǎn)品損失或冷卻水被污染，常在蒸發(fā)器內(nèi)（或外）設(shè)除塵器。

圖中（a）～（d）直接安裝在蒸發(fā)器頂部，（e）～（g）安裝在蒸發(fā)器外部。2021/6/2722（二）冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有間壁式和直接接觸式兩種，倘若二次蒸汽為需回收的有價(jià)值物料或會嚴(yán)重污染水源，則應(yīng)采用間壁式冷凝器，否則通常采用直接接觸式冷凝器。后一種冷凝器一般均在負(fù)壓下操作，這時(shí)為將混合冷凝后的水排出，冷凝器必須設(shè)置得足夠高，冷凝器底部的長管稱為大氣腿。（三）真空裝置當(dāng)蒸發(fā)器在負(fù)壓下操作時(shí)，無論采用哪一種冷凝器，均需在冷凝器后安裝真空裝置。需要指出的是，蒸發(fā)器中的負(fù)壓主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空裝置僅是抽吸蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏的空氣、物料及冷卻水中溶解的不凝性氣體和冷卻水飽和溫度下的水蒸汽等，冷凝器后必須安真空裝置才能維持蒸發(fā)操作的真空度。常用的真空裝置有噴射泵、水環(huán)式真空泵、往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式真空泵等。2021/6/2723第三節(jié)單效蒸發(fā)的工藝計(jì)算已知過程選定：加熱蒸汽壓強(qiáng)p(或溫度T)，冷凝器操作壓強(qiáng)p′(或溫度T′)；計(jì)算內(nèi)容：①單位時(shí)間內(nèi)水分蒸發(fā)量W(kg/h)和完成液的量；②加熱蒸汽用量D(kg/h)；③蒸發(fā)器的傳熱面積S(m2)。求解上述問題應(yīng)用物料衡算方程、熱量衡算方程和傳熱速率方程。已知條件：原料液流量F(kg/h)，原料液濃度ｗo(質(zhì)量分率)和溫度to(℃)，完成液的濃度ｗ1(質(zhì)量分率)(生產(chǎn)要求)；2021/6/2724一、蒸發(fā)水量

（蒸發(fā)器的物料衡算）對溶質(zhì)做物料衡算：

如圖以蒸發(fā)器為衡算范圍，取1h為衡算基準(zhǔn)，作物料衡算：F,w0,t0,h0D,T,hcF-W,w1,t1,h12021/6/2725式中：——溶液的進(jìn)料量；

——水份蒸發(fā)量（二次蒸汽的量）；

——原料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率；

——完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率。2021/6/2726蒸發(fā)室加熱室W,T’,H’F,w0,t0,h0D,T,HD,T,hcF-WQLG,w1,t1,h1二、加熱蒸汽的消耗量

（蒸發(fā)器的熱量衡算）

以蒸發(fā)器為衡算范圍，衡算基準(zhǔn)為1h，對進(jìn)出蒸發(fā)器的熱量進(jìn)行衡算：—加熱蒸汽消耗量，kg/h；—蒸發(fā)器的熱負(fù)荷或傳熱速率，kJ/h；—完成液的焓，kJ/kg；—原料液的焓，kJ/kg；—二次蒸汽的焓，kJ/kg；—熱損失，kJ/kg—加熱蒸汽的焓，kJ/kg；2021/6/2727三、蒸發(fā)器的傳熱面積

Q=KSΔtm據(jù)此計(jì)算蒸發(fā)器傳熱面積S。其中Δtm

、K、Q計(jì)算如下:（一）平均溫度差Δtm蒸發(fā)屬兩相均有相變的恒溫傳熱過程，故傳熱的平均溫度差為Δtm=T-t1

當(dāng)加熱蒸汽選定時(shí)，蒸發(fā)計(jì)算需知道溶液的沸點(diǎn)t1，即可計(jì)算傳熱溫度差，在一定壓強(qiáng)下，溶液的沸點(diǎn)t1較純水的沸點(diǎn)T′高。

在實(shí)際生產(chǎn)中，已知的是加熱蒸汽的溫度T(或壓強(qiáng)p)和冷凝器(或分離室)二次蒸汽的溫度T′(或壓強(qiáng)p′)。(T-T′)=ΔtT，稱為理論傳熱溫差。2021/6/2728第四節(jié)節(jié)能與多效蒸發(fā)一、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（一）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度1、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力用單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量表示，即蒸發(fā)量W(kg/h)：2、蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度U簡稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，kg/(m2·h)沸點(diǎn)進(jìn)料，且不計(jì)熱損失2021/6/2729U的影響因素主要為總傳熱系數(shù)和傳熱溫度差。U是評價(jià)蒸發(fā)器在一定操作條件下性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。∵操作條件下r’為常量常數(shù)因此，提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度的途徑有二：2021/6/27303.提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度的途徑(1)提高傳熱溫度差Δtm方法：（2）增大總傳熱系數(shù)K增大管內(nèi)對流傳熱系數(shù)αi減少管內(nèi)側(cè)污垢熱阻提高熱源的溫度：如采用高溫?zé)嵩唇档腿芤旱姆悬c(diǎn)：如采用真空蒸發(fā)

2021/6/2731（二）加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性是指1kg加熱蒸汽可蒸發(fā)的水量。若原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器，忽略熱損失，則有：

稱為單位蒸汽消耗量，表示每蒸發(fā)1kg水所需消耗的加熱蒸汽量，可用來說明加熱蒸汽的利用率。

為節(jié)約能源，降低能耗，需提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性。其中最主要的途徑是采用多效蒸發(fā)。2021/6/27321.并流流程又稱為順流加料加料流程，是工業(yè)上最常見的加料模式。（一）多效蒸發(fā)流程蒸汽流動(dòng)方向：

1→2→3溶液流動(dòng)方向：

1→2→3①料液可自動(dòng)流入下一效，無需泵輸送；②溶液會發(fā)生閃蒸而產(chǎn)生更多的蒸汽；③傳熱推動(dòng)力依次減小；④K依次減??；并流多效蒸發(fā)2021/6/2733優(yōu)、缺點(diǎn)：

①料液需用泵送入下一效；②傳熱推動(dòng)力較為均勻；2.逆流流程：逆流多效蒸發(fā)2021/6/2734P123①各效獨(dú)立進(jìn)料，傳熱狀況均較好；②物料停留時(shí)間較短3.平流流程：平流流程優(yōu)、缺點(diǎn)：適于：粘度隨溫度和濃度變化較大的溶液蒸發(fā)2021/6/2735優(yōu)、缺點(diǎn)：①兼有并、逆流的優(yōu)點(diǎn)；②操作復(fù)雜；4.錯(cuò)流流程：P二次蒸汽123本流程的特點(diǎn)是在各效間兼用并流和逆流加料法。適于：

料液粘度隨濃度顯著增加的場合。溶液流向：

3→1→2

或2→3→1蒸汽流向：1→2→32021/6/2736（二）多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性及效數(shù)限制1.加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性效數(shù)單效雙效三效四效五效（D/W）min的理論值10.50.330.250.2（D/W）min的實(shí)測值1.10.570.40.30.27多效蒸發(fā)單位生蒸汽消耗量D/W比單效蒸發(fā)小，操作費(fèi)比單