第五章蒸发 5.1概述 在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物 理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标 准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽， 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。 5.1.1蒸发分离的依据 利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。 5.1.2蒸发操作的目的 >获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品 >脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程 >去除杂质
第五章 蒸发 5.1 概 述 在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物 理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标 准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽， 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。 5.1.1 蒸发分离的依据 利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。 5.1.2 蒸发操作的目的 Ø获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品 Ø脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程 Ø去除杂质
5.1.3蒸发操作的应用 在工业上，有三种情况：蕌 (I)制取液体产品。例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中，含有 约18%的NaC1,通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将NaCl结 晶而分离除去，得到规定的液碱产品；蕌 (2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶 质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制 糖、制药等。蕌 (3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性 杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业 上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发
5.1.3 蒸发操作的应用 在工业上，有三种情况： (1)制取液体产品。例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中，含有 约18%的NaCl，通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将NaCl结 晶而分离除去，得到规定的液碱产品； (2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶 质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制 糖、制药等。 (3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性 杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。 被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其它溶液，而工业 上处理的溶液大多为水溶液，所以本章仅讨论水溶液的蒸发
5.1.4蒸发的流程 1.加热室2.加热管 蒸发的设备主要是蒸发器 3.中央循环管 和冷凝器，基本流程如图。 4.分离室5.除沫器 不凝性气体 >蒸发器的作用是加热溶液使 6.冷凝器 水沸腾汽化，并移去，由加热 冷却水 室和分离室两部分组成。 二次蒸汽 加热室由传热管组成，中 央设置一循环管，加热用饱和 水蒸汽加热； 料液 分离室在加热室上部，为 一圆筒结构，使受热上升的溶加热蒸汽 液在此汽化并将汽液分离。 冷凝水 >冷凝器与蒸发器的分离室相 通，其作用是将产生的水蒸汽 冷凝而除去。 完成液 水
蒸发的设备主要是蒸发器 和冷凝器，基本流程如图。 Ø蒸发器的作用是加热溶液使 水沸腾汽化，并移去，由加热 室和分离室两部分组成。 加热室由传热管组成，中 央设置一循环管，加热用饱和 水蒸汽加热； 分离室在加热室上部，为 一圆筒结构，使受热上升的溶 液在此汽化并将汽液分离。 Ø冷凝器与蒸发器的分离室相 通，其作用是将产生的水蒸汽 冷凝而除去。 5.1.4 蒸发的流程 冷凝水 加热蒸汽 料液 二次蒸汽 完成液 水 冷却水 不凝性气体 1.加热室 2.加热管 3.中央循环管 4.分离室 5.除沫器 6.冷凝器
蒸发器的操作 蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循 环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和 蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加 热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热 蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进 入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进 行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底 部排出
蒸发器的操作 蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循 环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和 蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加 热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热 蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进 入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进 行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底 部排出
5.1.5蒸发的分类 >按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发 真空蒸发的优点： 1.减压下溶液沸点t,降低，使蒸发器的传热推动力△t=T-t 增大，因而，对一定的传热量Q,可节省蒸发器的传热面积S。 2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。 P↓，T↓，△t一定，Q不变 3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的 物料。 4.减少蒸发器的热损失。 真空操作的缺点： 1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降。 2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置
5.1.5 蒸发的分类 Ø按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发 真空蒸发的优点： 1.减压下溶液沸点t1降低，使蒸发器的传热推动力Δt=T-t1 增大，因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传热面积S。 2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。 P↓,T ↓,Δt一定，Q不变 3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的 物料。 4.减少蒸发器的热损失。 真空操作的缺点： 1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降。 2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置
>按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发 口自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化 只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低。 口沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各 个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高。 >按二次蒸汽是否被利用分：单效蒸发、多效蒸发 口单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操 作。 口多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以 利用其冷凝热的串联操作。 本章讨论沸腾传热
Ø按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发 q自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化 只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低。 q沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各 个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高。 Ø按二次蒸汽是否被利用分：单效蒸发、多效蒸发 q单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操 作。 q多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以 利用其冷凝热的串联操作。 本章讨论沸腾传热
5.1.6蒸发的特点 从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分 溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液 沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属 于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和 设备与一般的传热过程有所不同。 蒸发具有下述特点： >传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液 进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 >溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生 泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这 些性质将影响设备的结构
5.1.6 蒸发的特点 从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分 溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液 沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属 于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和 设备与一般的传热过程有所不同。 蒸发具有下述特点： Ø传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液 进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 Ø溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生 泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这 些性质将影响设备的结构
>溶液沸点的改变（升高）：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较 同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的 沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸 发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高， 温度差损失越大。 蒸发溶液温度差：△t=T-t 蒸发纯水温度差：△t=T-T” P一定时，t〉T’ .△tK△tT >泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。 否则既损失物料，又污染冷凝设备。 >能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理 利用这部分潜热
Ø溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较 同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的 沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸 发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高， 温度差损失越大。 蒸发溶液温度差：Δt=T-t 蒸发纯水温度差：ΔtT=T-T’ ∵ P一定时， t > T’ ∴ Δt< ΔtT Ø泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。 否则既损失物料，又污染冷凝设备。 Ø能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理 利用这部分潜热
5.2蒸发设备 5.2.1常用蒸发器的结构与特点 蒸发器组成： 口加热室：加热溶液使之汽化 口分离室：分离二次蒸汽和完成液 化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时 溶液的流动情况，分为两大类： 口循环型（非膜式） 口单程型（膜式）蕌 5.2.1.1循环型（非膜式）蒸发器蕌 循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动， 溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据 引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。 口自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不 同，产生密度差而引起的循环运动 口强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动
5.2 蒸发设备 5.2.1 常用蒸发器的结构与特点 蒸发器组成： q加热室：加热溶液使之汽化 q分离室：分离二次蒸汽和完成液 化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时 溶液的流动情况，分为两大类： q循环型(非膜式) q单程型(膜式) 5.2.1.1 循环型(非膜式)蒸发器 循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动， 溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据 引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。 q自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不 同，产生密度差而引起的循环运动 q强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动
1杆中央循环管式（标准式）蒸发器蕌 中央循环管的截面积为其余加热管总 截面积的40%~100%，如图。 一二大蒸汽 加热蒸汽：加热室管束环隙内 溶液：溶液形成由中央循环管下降，而 由其余加热管上升的循环流动。优点： 口溶液循环好 原料液 口传热效率高 ·加热幕汽 口结构紧凑、制造方便、操作可靠 缺点： 冷凝水 口循环速度低 完成液 口溶液粘度大、沸点高 图5-1中央循环管式蒸发器 ▣不易清洗 1一加热室“2一分离室 适宜处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液
1中央循环管式(标准式)蒸发器 中央循环管的截面积为其余加热管总 截面积的40%～100%，如图。 加热蒸汽：加热室管束环隙内 溶液：溶液形成由中央循环管下降，而 由其余加热管上升的循环流动。优点： q溶液循环好 q传热效率高 q结构紧凑、制造方便、操作可靠 缺点： q循环速度低 q溶液粘度大、沸点高 q不易清洗 适宜处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液