第五章 蒸发

第五章 蒸发

蒸发是将溶液加热至沸腾状态，使一部分溶剂汽化并除去的操作。蒸发也是化工、医药、食品等工业牛产过程中常用的单元操作之一。在食品工业中如奶粉、糖、盐的生产中，先要将物料溶液蒸发浓缩得到高浓度的溶液，再将其结晶析出，得到固体产品，再加以干燥。蒸发操作也有的是为得到高浓度的溶液，如果汁的浓缩，也是使其一部分水份汽化并除去，以得到浓缩的产品。在化工生产中，用电解法制得的烧碱(NaOH水溶液）的浓度一般只有10%左右，它也是通过蒸发其中的部分水份，使

其达到浓度为42%左右的质量要求的，等等；

除此之外，蒸发操作常常用来先将原料液中

的溶剂汽化，然后加以冷却以得到固体产

品。例如食糖的生产就属于此类。

如图是一套典型的蒸发操作装置图。左

面的设备是用来进行蒸发操作的主体设备

—蒸发器，它的下部分是由若干加热管组成

的加热室(1)，加热蒸汽在管间（壳方）被

冷凝，它所释放出来的冷凝潜热通过管壁传

给被加热的料液，使溶液受热沸腾汽化。在

沸腾汽化过程中，将不可避免地会夹带一部

分液体，为此，在蒸发器的上部设置了一个

称为分离室的分离空间（2），并在其出口

处装有除沫装置，以便将夹带的液体分离

开，蒸汽则进入冷凝器（4）内，被冷却水

冷凝后从底部排出。溶液浓缩后，从底部排

出。

第一节 概述

一.蒸发原理

将不挥发性的物质的稀溶液加热至沸腾，使部分溶剂气化排走，以提高溶液浓度的单元操作。

二．蒸发的用途

1． 使溶液增浓制取浓溶液，如电解法制取NaOH，很多化工废料最后的处理。

2． 回收固体溶质，制取固体产品，通过将溶液浓缩到饱和状态，再使其冷却结晶分离，如蔗糖、食盐的精制。

3． 除去不挥发性的杂质，制取纯净溶剂，如海水淡化。

三．蒸发操作条件

1． 持续不断的供给热量使溶液保持沸腾

2． 不停地将气化出来的蒸气排除。

四．蒸汽

1．加热蒸气 作为热源的蒸气

2．二次蒸气 溶液中蒸发出来的气化的溶剂

五、蒸发操作的分类

1． 按二次蒸气是否被利用分

1） 单效蒸发 不利用，直接排掉。

2） 多效蒸发 利用，前一效产生的二次蒸气被用作下一效的加热蒸气。

2． 按蒸发压强的不同分

1） 常压蒸发 敞口设备，二次蒸气直接排到大气中。这种操作对设备的要求最低，但二次蒸汽直接排到环境中，污染环境，影响操作人员健康，只在小批量间歇性的情况下采用。

2） 加压蒸发 操作压力高于1个大气压。对设备要求高点，既要耐点压力，强度要高些，其优点是溶液在较高压力较高温度下沸腾，流动性好，传热效率也好，产生的二次蒸汽温度也较高，用处较多。

3） 减压蒸发 操作压力小于常压，其优点为：

（1） 溶液沸点降低，使传热温差增大，有利于传热。

（2） 可应用低压蒸气、非蒸气作为加热源。

（3） 可蒸发热敏性溶液。

（4） 因操作温度低，热损失相应也小。

因此，工业上的蒸发大多是减压蒸发。

六、蒸发操作的特点

1．溶质不挥发，溶剂挥发，这是其与蒸馏的不同之处。

2．能耗很大，因其要蒸发出水分，消耗气化潜热很多，故能耗很大。

3．沸点升高 溶液浓度增大，沸点随之升高。

4．物料特性多种多样，有易结晶的，有易分解的，由随浓度升高粘度变化很大的，要求蒸发设备及操作条件作相应改变。

第二节 单效蒸发

一.蒸发过程

1．原理：

饱和水蒸气加热物料溶液，使其受热沸腾，部分溶剂变成蒸汽，排走，就使溶液变浓。 →二次蒸汽→

2．流程：1）物料溶液→蒸发器受热室→受热沸腾→浓缩液→ 离开蒸发器。

2）加热蒸汽→蒸发器加热室→冷凝放热→变成冷凝水→离开蒸发器。

二.单效蒸发计算

单效蒸发是在一个蒸发器内进行蒸发操作，前图所示

即由单个蒸发器组成的单效蒸发装置。对于单效蒸发，在

绐定生产任务和确定操作条件后，则可应用物料衡算、热

量衡算和传热基本方程式计算确定蒸发操作中水分蒸发

量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。

1、蒸发器的物料衡算

在蒸发操作中，单位时间内从溶液蒸发出来的水量，

即蒸发量，可通过物料衡算确定。现对图中所示的单效蒸

发器作溶质的物料衡算，在稳定连续橾作中，单位时间进

入和离开蒸发器的溶质数量应相等，即

Fx0=(F w)x1

由此可求得水分蒸发量为

w=F(1-

完成液的浓度 x0) x1

x1=Fx0 F w

式中，F—溶液的进料量，kg/h，

w—水分蒸发量，kg/h，

x0—原料液中溶质的浓度，

x1——完成液中溶质的浓度。

2、热量衡算

在蒸发操作中，单位时间内加热蒸汽消耗量，可通过热量衡算来确定。现对图所示的单效蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时，则在稳定连续操作中，单位时间由原料液带入蒸发器的热量和加热蒸汽输入蒸发器的热量应与二次蒸汽带出的热量、完成液带出的热量、加热蒸汽所冷凝成的水带出的热量以及蒸发器损失于周围的热量应相等。

如果不计溶液的浓缩热，则热量衡算式为

D1H+Fcpt0=wH'+(Fcp wcp,w)t1+D1cp,wT1+Ql

或

D1(H-cp,wT1)=w(H' cp,wt1)+Fcp(t1 t0)+Ql

式中 D1——加热蒸汽消耗量，kg/h

H—一加热蒸汽的焓，kJ/kg，

H'——二次蒸气的焓，kJ/kg，

o T1——加热蒸汽的饱和温度，C,

ot0——原料液的温度，C,

ot1——溶液的沸点温度，C,

ocp——原料液的比热，kJ/kgC,

cp,ww——水的比热，kJ/kgC,

Ql——蒸发器的热损失，kJ/h。

又可写为 o

D1r1=wr'+Fcp(t1 t0)+Ql 或

D1=wr'+Fcp(t1 t0)+Ql

r1

式中r1为加热蒸气气化潜热，kJ/kg ；r’为二次蒸气气化潜热，kJ/kg。

3．蒸发器面积

蒸发器的传热面积可依传热基本方程式求得，即

A=

式中 A—蒸发器的传热面积，m; 2Q K tm

K—蒸发器的传热系数，w/m2C，

o tm—传热的平均温度差，C；

Q——蒸发器的热负荷或传热速率，W。

式中的热负荷依热量衡算求取，显然Q=D1r1。其中传热系数k可按蒸汽冷凝和液体沸沸腾对流传热求出间壁两侧的对流传热系数，及按经验估计的垢层热阻进行计算，但沸腾对流传热系数关联式的准确性较差，所以在蒸发器的设汁中，传热系数k值大多根据实测数据或经验值来选定。选用时应注意两者条件的相似，以尽量使k值较为合理可靠。对于蒸发器的传热温度差。因为蒸发过程是间壁两侧的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热，所以 tm= T1- t1, 但是水溶液的沸点t1的确定方法还有待于下面进行讨论。

例1．某车间用一单效蒸发器将质量浓度为x0=12%的NaOH溶液浓缩至x1=30%，已知每小时处理量为F0=2t/h,问所需蒸发的水量W和完成液的质量F1各为多少？

解：溶质在溶液中的量不变，由质量衡算公式,蒸发量

x0.12w=F0(1-0)=2000(1-=1200(kg/h) x10.3

完成液的量

F1=F0-w=2000-1200=800(kg/h)

例2．上题中，溶液沸点t沸=353K，加热蒸气压力200kPa，原料液比热容cp=3.77kJ/kg.K，不计热损失，试求在以下三种情况下，加热蒸气耗量。

(1)原料液在293K下加入蒸发器；(2)原料液在沸点加入蒸发器；(3) 原料液在393K加入

蒸发器；

解：cp=3.77kJ/kg.K，t沸=t1=353K，w=1200kg/h，Ql=0

查水蒸汽表知道加热蒸汽P=200kPa时，r=2204.6kJ/kg，t沸=t1=353K时，r’=2308.3kJ/kg。

wr'+Fcp(t1 t0)+Ql 有 由 D1=r1

（1）D1=

（2）D1=

（3）D1=1200×2308.3+2000×3.77(353-293)+0=1461.65kg/h 2204.61200×2308.3=1256.4kg/h 2204.61200×2308.3+2000×3.77(353-393)+0=1119.6kg/h 2204.6 o

第三节 多效蒸发

蒸发的橾作费用主要是气化溶剂（如水）所需消耗的蒸汽动力费。在单效蒸发中，从溶液中蒸发出1kg水,通常都需要不少于1kg的加热蒸汽。在大型工业生产过程中，当蒸发大量水分时，势必要消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发，即将几个蒸发器彼此连接起来协同操作。

一．原理：

其原理是利用减压的方法使后一个蒸发器的操作压力和溶液的沸点均较前一个蒸发器的为低，以使前一个蒸发器引出的二次蒸汽作为后一个蒸发器的加热蒸汽，且后一个蒸发器的加热室成为前一个蒸发器的冷凝器。按此原则将几个蒸发器顺次连接起来协同操作以实现二次蒸汽的再利用，从而提高加热燕汽利用率的操作称为多效蒸发。每一个蒸发器称为一效。通入加热蒸汽(生蒸汽）的蒸发器称为第一效，用第—效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第二效，用第二效的二次蒸汽作为加热蒸汽的蒸发器称为第三效，依次类推。

由于除末效以外的各效的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，所以提高了加热蒸汽的利用率。假若单效蒸发或多效蒸发装置中所蒸发的水分量相同，则后者需要加热蒸汽量远小

于前者。例如，根据经验将最小的单位蒸汽消耗量，D/w大致数值列于下表。

二.流程

按原料液的加入方式，常见的多效蒸发装置流程有以下几种，即并流法、平流法、逆流法等。

一、并流法

并流加料法是工业中常用的加料法。如图所示，溶液流向与蒸汽相同，即由第一效顺序流至末效。加热蒸汽通入第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效(末效）的二次蒸汽则送到冷凝器中被全部玲凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依顺序流入第二效和第三效连续地进行浓缩，完成液由末效的底部排出。

并流加料的优点为：（1）由于后一效蒸发室的压力较前一效为低，故溶液在效间的输

送不需用泵，就能自动从前效进入后效。(2)由于后一效溶液的沸点较前一效为低，故前一效的溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发。固而可产生较多的二次蒸汽。（3）由末效引出完成液，因其沸点最低，故带走的热量最少，减少了热量损失。并流加料的缺点是由于后一效溶液的浓度较前一效为大，且温度又较低，所以料液粘度沿流向逐渐增大，致使后效的传热系数降低。故对粘度随浓度的增加而迅速增大的溶液，不宜采用流法进行多效蒸发。

二、逆流法

如图5—5所示，原料液由末效加入，用泵打入前一效，完成液由第一效底部排出，而加热蒸汽仍是加入第一效加热室，与并流法蒸汽流向相同。其优点在于随着溶浓度的增大，温度也随着升高，因而各效溶液的黏度较为接近，使各效的传热系数也大致相同。其缺点是效间溶液需用泵输送，增加设备和能量消耗，除末效外各效进料温度都低于沸点，故无自行蒸发现象，与并流法相比较，所产生的二次蒸汽量较少，一般来说此法宜用于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜于处理热敏性物料。

三，平流法

图5.6平流加料蒸发流程

此法是按各效分别加料并分别出料的方式进行操作。而加热蒸汽仍是加入第一效加热室，其流向与并流法相同，如图所示。此法适用于在蒸发过程中同时有结晶析出的场合，因而可避去结晶体在效间输送时堵塞管道，或用于对稀溶液稍加浓缩的场合。此法缺点是每效皆处于最大浓度下进行蒸发，所以溶液黏度大，致使传热系数较小；同时各效的温度差损失较大，故降低了蒸发设备的生产能力。

在多效蒸发中，有时并非将

某效产生的二次蒸汽全部引到

下—效加热室作为加热蒸汽去

使用，而是将其中一部分引引出

作为预热原料或与蒸发装置无

关的其它没备的热源。这种由某

效引出后不通入下一效而用于

他处的二次蒸汽，称为额外蒸

汽。

第四节 蒸发设备

蒸发器有多种形式，按料液工作流程可分为循环

型与单程型。下面列出几种常用的形式。

一、循环型蒸发器

1．中央循环管式蒸发器

该型蒸发器是曾经应用很广泛的一种蒸发器，曾

称为标准式蒸发器。加热室和列管式换热器一样，为

1-2米长的竖管束组成，称为沸腾管，中间有一个直

径较大的管子，称中央循环管。其截面积约等于其

余

加热管总面积的40-100%，其截面积较大，管内液体量比小管中多，受热较差，密度较小管中大，再加上二次蒸汽上升时的抽吸作用，使得溶液从沸腾管中上升，中央管中下降，构成一个自然循环过程。

蒸发器上部为气液分离的蒸发室。加热室内沸腾溶液产生的二次蒸汽带有大量液沫，到了蒸发室，液沫相互碰撞结成较大液滴而落回加热室的列管内，这样二次蒸汽和液沫分开了，蒸汽从蒸发器上部排出，浓缩后的完成液从下部排出。

该蒸发器优点：结构简单，制造方便，操作可靠；缺点：检修麻烦，溶液循环速度低，一般在0.4-0.5以下，故传热系数较小,不适于黏度较大及容易结构的溶液。

3． 悬框式蒸发器

该蒸发器加热室象个篮框，悬挂在蒸发器壳

体下部，工作原理与中央循环式相同。加热蒸汽

从蒸发器上部进入到加热管的管隙之间，溶液从

外壳与篮框之间的环隙流下，从管内上升流上

去，在此过程中沸腾蒸发，到上部后气液分离，

液体又顺环隙流下，在底部，一部分又循环流上

去，一部分作为完成液排出去。环隙面积为加热

管总面积的100-150%。优点为：溶液循环速度

较中央式高点，为1-1.5m/s；加热器为液流包

围，热损失也较小；加热器可由上方取出，检修

方便。缺点是：结构较复杂，金属耗量大，适用

于易结晶的溶液的蒸发。

4． 外加热式蒸发器

这种蒸发器加热管较长，加热溶液的部分与

汽液分离的部分分开，即加热室与蒸发分离室分

开。这样，一方面降低了整个设备的高度，另一

方面循环管不受加热，增大了循环管与加热管内

液体的密度差，加快了溶液的自然循环的速度。

同时也便于检修更换。

二、单程型蒸发器

这一类型蒸发器的主要特点是溶液通过加热室一次，不作循环流动即达到所需要之浓度而排出，且溶液沿加热管呈膜状流动，故习惯上又称为液膜式蒸发器。根据物料在蒸发器中流向的不同，单程型蒸发器又分为以下几种：

1．升膜式蒸发器

如图所示。其加热室由许多根垂直长管所组成，常用的加热管直径为25—50mm，管长和管径之比约为100—150。料液经预热后由蒸发器底部引入，进入加热管内，蒸汽在管外冷凝。溶液在管内受热沸腾后迅速汽化，生成的二次蒸汽在管内高速上升。溶液则被上升蒸汽所带动，沿管壁成膜状上升，并在此过程中继续蒸发，汽、液混合物在分离器2内分离，完成液由分离器底部排出，二次蒸汽则在顶部导出。为了能在加热管内有效的成膜，管内上升的蒸汽应具有一定速度。例如，常压下操作时其适宜的出口气速一般为20一50m/s,，减压下操作时气速可达100一160m/s或更高。它适用于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性及易生泡沫的溶液，不适用于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液进行蒸发。

2．降膜式蒸发器

其结构与升膜式基本相同。区别在于原料液是从上部加入，在重力作用下沿管内壁呈膜状下降受热蒸发。浓缩后的液体从加热室底部进入分离器，从底部排出，二次蒸汽由顶部排出。因二次蒸汽流向与溶液流向一致，所以能促进料液向下运动并形成薄膜。

在降膜式蒸发器中，每根加热管的顶部都要有液膜分布器，保证每个管子内壁都能被料液湿润，分布均匀。分布器不好时，一部分管壁出现干壁现象，则降低生产能力，同时对有些溶液出现结渣糊壁现象，降低产品质量。

习题

1. 工业上蒸发操作一般都在溶液的 下进行，此时的特点是 。

2. 蒸发过程的显著特点， 是挥发性物质， 是不挥发的，因此在蒸发过程中 数量不变。

3. 蒸发操作是属于 过程的操作。

4. 生蒸汽是指 ，二次蒸汽是指 。

5. 进行蒸发操作的必要条件是（1） （2） 。

6. 根据二次蒸汽的利用情况，蒸发操作可分为 和 。

和 三种，7. 根据蒸发时压强的不同，蒸发操作可分为 、工业上大多采用 ，目的是 。

8. 蒸发流程主要有哪几种？各自优缺点为何。

9. 利用一台单效蒸发器将NaOH水溶液从质量分数11%浓缩到18%，每小时处理的原料量为10t，求每小时需要蒸发的水量。

10. 举出几种常用蒸发器的形式。

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