上册第五章蒸发教案

（一）蒸发定义及特点

蒸发是将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使其中一部分溶剂汽化并及时移除，从而使溶液中的溶质浓度提高的单元操作，所采用的设备称为蒸发器，蒸发操作广泛应用于化工，轻工，食品与制药等工业中。蒸发主要采用饱和蒸汽加热，而被蒸发的物料大多是水溶液，故蒸发时产生的蒸汽也是水蒸汽，为了区别，前者称为加热蒸汽，后者称为二次蒸汽，遇到高沸点溶质，可选用其它高温载热体及电加热，熔盐加热，烟道气加热等。

蒸发的目的是浓缩液。如氢氧化钠水溶液，果汁，食糖，抗生素等的浓缩，当需要从稀溶液获得固体溶质时，常常先通过蒸发操作使溶液浓缩，然后利用结晶、干燥等操作得到固体产品。其二是制取或回收纯溶剂，如海水淡化，有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯等。

(二)蒸发过程的特点是：

1、传热面一侧是加热蒸气冷凝，另一侧是溶液的沸腾，属于间壁两侧均有相变的恒温度差的传热过程。

2、在相同的温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，所以，当压强相同时，溶液的沸点比纯溶剂的沸点要高，且一般随浓度的增加而升高。

3、有些溶剂在蒸发过程中有晶体析出易结垢、易省泡沫、易分解或聚合，溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增加，腐蚀性增强。

4、二次蒸汽易夹带泡沫，冷凝前需除去，以免损失物料和污染冷凝设备。

5、溶剂的汽化需要吸收能量、热源耗量很大。如何利用二次蒸汽，降耗，是蒸发操作的关键。

（二）蒸发操作的分类

1、按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压（即真空）蒸发。常压操作时，常采用敞口设备，二次蒸发直接排图5－1 单效真空蒸发流程图

1—加热室；2—分离室；3—混合冷凝器；4—分离器；

到大气中，所用的设备和工艺条件都最为简单。采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸汽的温度，以提高传热的利用率。同时，可使溶液粘度降低，改善传热效果。另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9Mpa下进行，宜采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。

2、按二次蒸汽利用的情况分类，可分为单效和多效蒸发，若二次蒸汽不再利用，而直接送至冷凝器冷凝后排出的蒸发流程发称为单效蒸发发如把二次蒸汽引到另一压力较低的蒸发器，作为加热蒸汽使用，这样将多个蒸发器串联，使二次蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的操作，称为多效蒸发。

（三）蒸发的基本流程。

图5—1所示的为简单真空蒸发器流程示意图，料液经预热后加入蒸发器，图中1为由许多加热管组成的加热室，加热蒸汽在加热室的管间冷凝，放出的热量通过管壁传给管内溶液，使之沸腾汽化。 1.单效蒸发定义

单效蒸发是蒸发时二次蒸汽移除后不再利用，只是单台设备的蒸发。对于单效蒸发，在给定生产任务和确定了操作条件后，通常需要计算水分蒸发量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。

2.单效蒸发计算

单效蒸发中要计算的内哟内容有：（1）单位时间内由溶液中整除的二次蒸汽质量，称为蒸发量；（2）单位时间内消耗的加热正气量；（3）所需的蒸发器传热面积S。

计算中所采用的手段仍然是物料衡算、焓衡算及传热速率三种基本关系。 （1）蒸发量

由对图（5－13）中的溶质作物料衡算，得

或

WF(1 Fx0(FW)x1x0)x1

(5—12）

（5—12a）

式中 F——进料量，kg/h；

W——蒸发量，kg/h；

x0——原料液中溶质的质量分数；

x1—完成液中溶质的质量分数。

（2）加热蒸汽消耗量D 蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般消耗于将溶液加热至沸点，将水分蒸发成蒸汽以及向周围的损失。蒸汽的消耗量，可通过热量衡算来确定。对图5－3各流股作热量衡算，得：

DHFh0WH\'(FW)h1DhWQL

(5—13）

WH\'(FW)h1Fh0QLDHhw或

式中 D——加热蒸汽的消耗量，kg/h；

H——加热蒸汽的焓，kJ/kg；

h0——原料液的焓，kJ/kg；

（5—13a）

H——二次蒸汽的焓，kJ/kg；

h1——完成液的焓， kJ/kg；

hw——冷凝水的焓，kJ/kg；

QL——热损失，kg/h。

\'图5—3 单效蒸发的物料衡算与热量衡算

Q Ktm（3）蒸发器传热面积的计算

由传热速率方程得 A式中 A——蒸发器传热面积，m2；

Q——传热量，w；

K——传热系数，w/m2·K；

tm——平均传热温差，K。

由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，tmT0t，且蒸发器的热负荷QDr0，所以有

ADr0Q

K(T0t)K(T0t)

1.多效蒸发定义

将一个蒸发器蒸发出来的蒸汽引入下一蒸发器，利用其凝结放出的热加热蒸发器中的水，两个或多于两个串联以充分利用热能的蒸发系统。依据二次蒸汽和溶液的流向，多效蒸发的流程可分为：①并流流程。溶液和二次蒸汽同向依次通过各效。由于前效压力高于后效，料液可借压差流动。但末效溶液浓度高而温度低,溶液粘度大,因此传热系数低。②逆流流程。溶液与二次蒸汽流动方向相反。需用泵将溶液送至压力较高的前一效，各效溶液的浓度和温度对粘度的影响大致抵消，各效传热条件基本相同。③错流流程。二次蒸汽依次通过各效，但料液则每效单独进出，这种流程适用于有晶体析出的料液。

2、多效蒸发的流程

常用的多效蒸发流程有以下几种。 (1)．并流法

优点：（1）溶液的输送可以利用各效间的压力差，自动的从前一效进入后一效，因而各效间可省去输送泵；（2）前效的操作压力和温度高于后效，料液从前效进入后效时因过热而自蒸发，在各效间不必设预热器；（3）辅助设备少，流程紧凑；因而热量损失少，操作方便，工艺条件稳定。

缺点：后效温度更低而溶液浓度更高，故溶液的黏度逐效增大，降低了传热系数，往往需要更多的传热面积。因此，黏度随浓度增加很快的料液不宜采用此法。 (2)．逆流法

优点：（1）蒸发的温度随溶液浓度的增大而增高，这样各效的黏度相差很小，传热系数大致相同；（2） 完成液排出温度较高，可以在减压下进一步闪蒸增浓。

缺点：（1）辅助设备多，各效间须设料液泵；（2）各效均在低于沸点温度下进料，须设预热器（否则二次蒸汽量减少），故能量消耗增大。 (3)．平流法

料液同时加入到各效，完成液同时从各效引出，蒸汽从第一效依次流至末效，此法用于蒸发过程中有结晶析出的场合；还可用于同时浓缩两种以上不同的料液，除此之外一般很少使用。 3.多效蒸发效数的限定

多效蒸发的效数的限定原则：当增加一效的设备费不能与所节省的加热蒸汽的收益相抵时，就没有必要再增加效数了。

常用蒸发器主要由加热室和分离室两部分组成。根据溶液在蒸发器中流动的情况，大致可将工业上常用的间接加热蒸发器分为循环型与单程型两类。

1、循环型蒸发器

这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理的不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是靠在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而引起的自然循环；后者是由外界提供能量，使溶液进行强制循环。 （1）．中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器的结构，其加热室由管径为25～75mm，长度为1～2m一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为加热管束总截面积的40～100%。当加热介质通入管间加热时，管束内单位体积液体的受热面积大于中央循环管内液体的受热面积，因此加热管内溶液汽化的多，相对密度小，从而造成加热管与中央循环管内液体之间的密度差，这种密度差使得溶液中央循环管下降，再由加热管上升的自然循环流动。溶液的循环速度取决于溶液产生的密度差以及管的长度，其密度差越大，管子越长，溶液的循环速度越大。 (2).悬筐式蒸发器 悬筐式蒸发器的结构如图5-10，它是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。

(3)．外热式蒸发器 外热式蒸发器的结构如图5-11。这种蒸发器的特点是加热室与分离室分开，因其加热管较长（管长与管径之比为50～100），同时由于循环管内的溶液不被加热，故溶液的循环速度大，可达1.5m/s。缺点是设备较高。

(4)．强制循环蒸发器如图5-12所示为强制循环型蒸发器。这种蒸发器是利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制

2、单程型蒸发器

这类蒸发器的特点是，溶液沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热室即达到要求的浓度，而停留时间仅数秒或十几秒钟。单程型蒸发器的主要优点是传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发。

按物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因的不同，可以分为以下几种类型：

(1)．升膜蒸发器,升膜蒸发器适用于蒸发量较大（即稀溶液）、热敏性及易起泡沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。 (2)．降膜蒸发器 它与升膜蒸发器的区别在于原料液由加热管的顶部加入。溶液在自身重力作用下沿管内壁呈膜状下流，并被蒸发浓缩，汽液混合物由加热管底部进入分离室，经气液分离后，完成液由分离器的底部排出。

(3)．升—降膜蒸发器 将升膜和降膜蒸发器装在一个外壳中，即构成升—降膜蒸发器，原料液经预热后先由升膜加热室上升，然后由降膜加热器下降，再在分离室中和二次蒸汽分离后即得完成液。 这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液的粘度变化很大，水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。

(4)．刮板薄膜蒸发器 这种蒸发器是利用旋转刮片的刮带作用，使液体分布在加热管壁上。它的突出优点是对物料的适应性很强，例如对于高粘度、热敏性和易结晶、结垢的物料都能适用。

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