蒸发

第五章 蒸发

知识目标：通过本章的学习，掌握单效蒸发过程中，有效温度差、水分蒸发量、加热蒸汽消耗量和传热面积的计算方法。理解蒸发操作的特点和多效蒸发流程及最佳效数。了解蒸发过程的工业应用与分类。

能力目标：具有对蒸发过程的计算和设备的选型能力。

第一节 概述

（一）蒸发过程及特点

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。

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； 液，使之沸腾汽化。被浓缩后的完成液由蒸发器的底部排出，蒸发器的上部为蒸发室。蒸发时产生的二次蒸汽在蒸发室及其顶部的除沫器中将其中夹带的液沫予以分离，然后送至冷凝器3与冷却水相混合而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体经分离器4和缓冲罐5由真空泵6抽出而排至大气中。

第二节 单效蒸发及其计算

一、溶液沸点和温度差损失

前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其传热的平均温度差t为加热蒸汽的温度T与溶液的沸点t之前的差值，即

tTt (5—1)

t称为有效温度差，二次蒸汽的温度'T往往小于溶液的沸点温度t，将溶液的沸点温度t与二次蒸汽的温度'T之间的差值，称为温度差损失，即

'tT 或 'tT （5—2）

由式（5—2）知，如果温度差损失已知，二次蒸汽的温度'T可根据蒸发压力从饱和水蒸汽表中查出，则溶液在蒸发压力下的沸点便可求出。

蒸发操作时，造成温度差损失的原因是：由于不挥发溶质的存在，使蒸气压下降引起的温度差损失'，由于蒸发器中液柱静压强而引起的温度差损失''和由于管路流体阻力引起的温度差损失'''。

（一）因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失'

溶液中含有溶质，故其沸点必然高于纯溶剂在同一压力下的沸点，此高出的温度称溶液的沸点升高，即由于蒸汽压下降而引起的温度差损失'。溶液的沸点主要与溶液类别、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。常压下常见溶液的沸点升高值'与浓度的关系列于本教材附录中，由查出的数值即可算出常压下溶液的沸点。

有时蒸发操作在加压或减压下进行，因此必须求出各种浓度的溶液在不同压强下的沸点升高，常用的计算'的方法有两种：

1． 吉辛科公式近似计算

当缺乏实际数据时，可以用吉辛科公式估算出沸点升高值，即：

'＝'af （5—3）

式中 'a—常压下由于溶液的蒸汽压下降而引起的沸点升高（即温度差损失），℃；

'—操作压强下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，℃；

f—校正系数，无因次，其经验计算式为：

'2')273(0162.0rTf

式中 'T—操作压强下二次蒸汽的温度，℃；

r'—— 操作压力下水的汽化热，kJ/kg。

2．按杜林规则计算

图5—2 NaOH水溶液的杜林线图 杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图上标绘相对应的沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此可知，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相应压强下水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线就可求得该溶液在其它压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点

若某溶液在两种不同压力下的沸点为t’A及tA，水在相应压力下的沸点为t’W及tW，则有：

WWAAttttk'' （5—5）

式中 k——杜林直线的斜率，无因次；

At、Wt—分别为在压强Mp下溶液的沸点与纯水的沸点，℃；

'At、'Wt—分别为在压强Np下溶液的沸点与纯水的沸点，℃。

K值求得后，可按下式求出任一压力下某溶液的沸点'At

)(''WWAAttktt （5—6）

（二）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失''

大多数蒸发器，加热管内有一定高度的液层，故液体的沸点由液面向底部逐渐加大，液层内部沸点与表面沸点之差称为液柱静压强而引起的温度差损失''。''值沿液层高度而变，为了简便，计算时以液柱中部的平均压强mp为准，并同时根据mp及二次蒸汽压'p分别查出水的沸点pmt及'T，二者之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失''，即：

'''Ttpm (5—7)

式中 pmt—液柱中部的沸点，℃；

'T—二次蒸汽的温度，℃。

中部压强mp的计算式为：

2'glppm （5—8）

式中 mp—液层中部的压强，Pa；

'p—液面的压强，即二次蒸汽的压强，Pa；

—溶液的密度，3/mkg；

l—液层深度，m。

应指出，在膜式蒸发器的加热管内，液体沿管壁成膜状流动，管内没有液层，故这类蒸发器中因液柱经压强而引起的温度差损失可以忽略不计。

（三）由于管路阻力而引起的温度差损失''

二次蒸汽由分离器送至冷凝器要克服管道中流动阻力，所以分离室内二次蒸汽压强应略高于冷凝器中规定的压强，其值约为1 ～1.5℃。相应的蒸汽温度也高于冷凝器中蒸汽的温度，二者的差值称为由于管路阻力引起的温度差损失'''，其值与蒸汽的流速、物性及管路特性有关，一般取经验值1～1.5℃。由上分析可得：

'''''' （5—9）

溶液沸点 ''''''''1tTT （5—10）

有效温度差

''''''''1()tTtTTTT （5—11)

思考题5-1 为什么蒸发时溶液的沸点必高于二次蒸汽的饱和温度？

例5-1 将10%NaOH水溶液浓在政法其中浓缩至25%。加热蒸汽饱和温度为105℃，冷凝器内绝对压强不允许超过15KPa，已知加热管内液层高度为1.6m，25%NaOH水溶液的密度为1230Kg/m3，常压下因溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高△/a为13℃。求：（1）因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失△/；（2）因液柱静压强而引起的温度差损失△//；（3）总温度差损失∑△；（4）有效温度差△t； （5）溶液的沸点t1 。

解：

（1）求

1． 取冷凝器绝压PK为15KPa，可查出15 KPa下水蒸汽的饱和温度T'为53.5℃

取因流动阻力而引起的温度差损失为1℃，故二次蒸汽温度T/=54.5℃。

2． 有附表查出二次蒸汽其他参数为：T/=54.5℃，p/=15.4KPa,汽化热r/=2367.6KJ/Kg。

3． 求△/

校正系数f=20.0162(T'273)r'=20.0162(54.5273)2367.6=0.734。

=fa=0.73413=9.54℃。

（2）求

液柱中部压强pm=p+2gl=15.4+12309.811.621000=25.5KPa

查出此压强下对应的水蒸汽饱和温度tpm=63.33℃。

故=tpm-T=63.33-54.5=8.83℃。

（3）∑△==9.54+8.83+1=19.37℃。

（4）△t=T-T'-∑△=105-53.5-19.37=32.13℃。

（5）t1'T=53.5+1+9.54+8.83=72.87℃。

二 单效蒸发的计算

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。

（一）蒸发量

由对图（5－13）中的溶质作物料衡算，得

01()FxFWx (5—12）

或

)1(10xxFW （5—12a）

式中 F——进料量，kg/h；

W——蒸发量，kg/h；

0x——原料液中溶质的质量分数；

x1—完成液中溶质的质量分数。