蒸發(fā)使含有不揮發(fā)物質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣講解

1、第五章 蒸發(fā)第一節(jié) 概述一、蒸發(fā)：使含有不揮發(fā)物質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱(chēng)為蒸發(fā)。所采用的設(shè)備稱(chēng)為蒸發(fā)器。蒸發(fā)是在液、固相之間進(jìn)行，化學(xué)工業(yè)中以蒸發(fā)水溶液為主，蒸發(fā)以流體輸送為基礎(chǔ)仍遵循傳熱基本規(guī)律。（蒸發(fā)效果是從溶液中分離出部分溶劑傳質(zhì)過(guò)程；實(shí)質(zhì)上是傳熱壁面一側(cè)的蒸汽冷凝與另一側(cè)的溶液沸騰間的傳熱過(guò)程傳熱。物理上的蒸發(fā)：在溶液表面發(fā)生的氣化現(xiàn)象。即在任何溫度下都能進(jìn)行氣化。二、蒸發(fā)用途廣泛（化工，食品工業(yè)等）。1.化工：油脂工業(yè)中用于蒸烘油料的設(shè)備蒸鍋帶有攪拌器攪拌，類(lèi)似夾套反應(yīng)釜。2.食品工業(yè)：制糖，檸檬酸廠等。3.制藥4.原子能工業(yè)三、幾個(gè)基本概念：

2、1.生蒸汽：即新鮮加熱蒸汽。2.二次蒸汽：蒸出的蒸汽。3.單效蒸發(fā)：將二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作。4.多效蒸發(fā)：將二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，作為加熱蒸汽以利用其冷凝熱，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱(chēng)為多效蒸發(fā)。5.生產(chǎn)能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，即蒸發(fā)量。 6.生產(chǎn)強(qiáng)度：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的蒸發(fā)量，即單位時(shí)間、單位傳熱面積蒸發(fā)的水份量。四、蒸發(fā)操作的類(lèi)型1.加壓，2.常壓，3.減壓（真空蒸發(fā)）；減壓下，溶液的沸點(diǎn)下降，有利于處理熱敏性物料。第二節(jié) 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)器主要由加熱室及分離器組成。加熱室一、循環(huán)型（非膜型）蒸發(fā)器。1.中央循環(huán)管式（標(biāo)準(zhǔn)式）；2.懸筐式蒸發(fā)器；3.外熱式蒸發(fā)器；4

3、.列文蒸發(fā)器；5.強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。二、膜式（單程型）蒸發(fā)量1.升膜蒸發(fā)器；2.降膜蒸發(fā)器； 蒸汽在管外，原料液在管內(nèi)，且二者流向一致，原料液在預(yù)熱器中加熱到沸點(diǎn)或接近沸點(diǎn)后引入加熱管內(nèi)。3.升降膜蒸發(fā)器。三、直接加熱蒸發(fā)器1.溶液的粘度： 因?yàn)?是粘性力的特性參數(shù)。決定流體的流動(dòng)狀態(tài)。如流體在光滑管內(nèi)湍流流動(dòng)： 層流（滯流內(nèi)層）流體邊界層， 流動(dòng)邊界層的厚度大于熱邊界層的厚度。（在壁面附近存在著較大速度梯度的流體層流動(dòng)邊界層，簡(jiǎn)稱(chēng)邊界層；在壁面附近存在溫度梯度的流體層熱邊界層。）2.溶液的熱穩(wěn)定性 3.有晶體析出：防堵；4.易發(fā)泡的溶液：防止損失物料；5.有腐蝕性溶液：防腐；6.易結(jié)垢溶液：便

4、于清洗。7.溶液的處理量第三節(jié) 單效蒸發(fā)一定壓強(qiáng)下溶液沸點(diǎn)比純水高，（通常不揮發(fā)性溶質(zhì)為固體，固體分子對(duì)水分子之間的引力，大于水分子之間的引力，所以汽化時(shí)溫度就高）而沸騰是一種液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行的汽化現(xiàn)象，沸騰時(shí)飽和蒸汽壓跟外部壓強(qiáng)相等。當(dāng)液體在管內(nèi)的壓強(qiáng)增大時(shí)，沸點(diǎn)升高，壓強(qiáng)減小時(shí)沸點(diǎn)降低。A溶液沸點(diǎn)升高計(jì)算式： 溶液的沸點(diǎn)升高，； t溶液沸點(diǎn)，； 與溶液壓強(qiáng)相等時(shí)的沸點(diǎn)，即二次蒸汽飽和溫度，。 B傳熱溫度差損失，即傳熱的有效溫差，； 理論上的傳熱溫度差，。實(shí)際上：C總溫度差損失為：一 由于溶液蒸汽壓下降而引起的溫度差損失1.實(shí)際測(cè)定： 溶液蒸汽壓下降后溶液的沸點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)測(cè)定）2.估算 常

5、壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點(diǎn)升高；f校正系數(shù)；操作壓強(qiáng)下，二次蒸汽的汽化熱，kJ/kg。3.杜林規(guī)則計(jì)算溶液沸點(diǎn)：；當(dāng)（杜林線(xiàn)的截距）。 斜率k與截距都是溶液質(zhì)量濃度x的函數(shù)。杜林規(guī)則：當(dāng)溶液濃度、操作壓強(qiáng)一定，都一定是常數(shù)，所以；把所有不同的壓強(qiáng)下點(diǎn)聯(lián)起來(lái)為一直線(xiàn)。二 因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失 液層中部的平均壓強(qiáng)；液面的壓強(qiáng)，即二次蒸汽的壓強(qiáng)；L液層深度m； 密度； g重力加速度。為了簡(jiǎn)便，常根據(jù)平均壓強(qiáng)查出純水的相應(yīng)沸點(diǎn)，故因靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失為：式中 與平均壓強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的純水的沸點(diǎn)，； 與二次蒸汽壓強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)，。單效蒸發(fā)計(jì)算項(xiàng)目有：（1）單位時(shí)間內(nèi)蒸出的水

6、分量，即蒸發(fā)量；(2) 加熱蒸汽的消耗量；（3）蒸發(fā)器的傳熱面積。一 蒸發(fā)量作溶質(zhì)的衡算：進(jìn)蒸發(fā)器的溶質(zhì)總量出蒸發(fā)器的溶質(zhì)總量（1.衡算范圍方框圖；2.衡算基準(zhǔn)；3.衡算對(duì)象。范圍是蒸發(fā)設(shè)備、基準(zhǔn)是單位時(shí)間、對(duì)象是溶質(zhì)）?？偽锪虾馑?溶質(zhì)衡算 或 （1）F原料液的流量，；W單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，；溶質(zhì)在原料液中質(zhì)量組成；溶質(zhì)在完成液中的質(zhì)量組成。二 加熱蒸汽消耗量D對(duì)某些溶液如稀釋放熱。參閱黃子卿“物理化學(xué)”P(pán)84，“當(dāng)一克分子溶質(zhì)溶解在克分子溶劑中時(shí)，所吸收的熱叫做積分溶解熱，用表示它。若分別加兩種不同克分子溶劑在一克分子溶質(zhì)中，這兩個(gè)溶解熱的差叫做積分沖淡熱（稀釋熱）這個(gè)沖淡熱等于 或

7、。（參見(jiàn)天大基本有機(jī)化學(xué)工程第65頁(yè)）(一) 溶液稀釋熱不可忽略蒸發(fā)過(guò)程中，溶液濃度發(fā)生顯著變化。溶液的濃縮需要提供濃縮熱，下述計(jì)算已將此項(xiàng)熱量作為溶液熱焓的變化而計(jì)入。只要用有關(guān)溶液的焓濃圖就可以求生蒸汽的消耗量。若加熱蒸汽的冷凝液在蒸汽的飽和溫度下排除；則： D加熱蒸汽的消耗量；H加熱蒸汽的焓kJ/kg；原料液的焓kJ/kg；二次蒸汽的焓kJ/kg；完成液的焓kJ/kg；冷凝水的焓kJ/kg；加熱蒸汽的氣化熱kJ/kg；r加熱蒸汽的氣化熱kJ/kg。（都以0液態(tài)焓作基準(zhǔn)，即令0時(shí)液體焓為零，與0氣體焓為零。）(二) 溶液的稀釋熱可以忽略時(shí)： ，有些物質(zhì)稀釋放熱，因此蒸發(fā)這些物質(zhì)，應(yīng)考慮供給

8、和稀釋熱量相等的濃縮熱，即忽略濃縮熱一般以0液體為基準(zhǔn)態(tài)，令其焓為零。以零度氣態(tài)與液態(tài)為基準(zhǔn)態(tài)：將 代入總的熱量衡算式得： 最后經(jīng)整理得： 若原料液預(yù)熱到沸點(diǎn)再進(jìn)入蒸發(fā)器，且忽略熱損失，上式可簡(jiǎn)化為： 或 e單位蒸汽消耗量，kg/kg。(三) 傳熱面積 （蒸發(fā)時(shí)，加熱面兩側(cè)流體處于恒溫相變化狀態(tài)下。）若加熱蒸汽的冷凝水在飽和溫度下排除，忽略熱損失，則蒸發(fā)量的熱負(fù)荷為Q=Dr 。（四）管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式一 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，即蒸發(fā)量，；也可用蒸發(fā)器的傳熱速率來(lái)衡量其生產(chǎn)能力。單效蒸發(fā)時(shí)的傳熱速率為： 二 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e上、單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量，。即

9、若沸點(diǎn)進(jìn)料，且忽略蒸發(fā)器的熱損失，則：將以上三式整理得： 是主要途徑，一般 第四節(jié) 多效蒸發(fā)在單效蒸發(fā)器中每蒸發(fā)1kg的水需要消耗1kg多一些的加熱蒸汽。在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸發(fā)大量的水分必需消耗大量的加熱蒸汽，為了減小加熱蒸汽的消耗量，可采用多效蒸發(fā)。當(dāng)原料液在沸點(diǎn)下進(jìn)入蒸發(fā)器，并忽略熱損失，各種溫度差損失以及不同壓強(qiáng)下汽化熱的差別時(shí)，則理論上單效的，雙效的，三效的n效的。一、并流（順流）加料法的蒸發(fā)流程溶液和蒸汽的流向相同。優(yōu)點(diǎn)：1.由于后效蒸發(fā)室的壓強(qiáng)比前效的低，故溶液在效間的輸送可利用效間的壓強(qiáng)差，而不必另外用泵。2.后效溶液的沸點(diǎn)較前較低，故前效的溶液進(jìn)入后效時(shí)，會(huì)因過(guò)熱而自動(dòng)蒸發(fā)（稱(chēng)為自

10、蒸或閃蒸），因而可以產(chǎn)生一部分二次蒸汽。缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)逐漸下降。二、逆流加料法的蒸發(fā)流程優(yōu)點(diǎn)：溶液的濃度、溫度均沿流動(dòng)方向不斷上升，因次各效溶液的粘度較為接近，使各效的傳熱系數(shù)也大致相同。缺點(diǎn)：效間溶液需要用泵輸送，能量消耗較大，各效進(jìn)料溫度均低于沸點(diǎn)（與并流加料法比較）產(chǎn)生的二次蒸汽量也較少。不適合處理熱敏性物料。三 平流加料法的蒸發(fā)流程優(yōu)點(diǎn)：適用于處理蒸發(fā)過(guò)程中伴有結(jié)晶析出的溶液。已知條件：原料液的流量，濃度和溫度；加熱蒸汽（生蒸汽）的壓強(qiáng)，冷凝器的真空度；未效完成液的濃度等。設(shè)計(jì)的項(xiàng)目：生蒸汽的消耗量；各效的蒸發(fā)量；各效傳熱面積解決問(wèn)題的方法：物料衡算、焓衡算、傳熱速率三個(gè)基本方程式。一

11、、基本關(guān)系：1.多效蒸發(fā)的物料衡算：以整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)作溶質(zhì)衡算，得： （1）對(duì)任一效作溶質(zhì)的衡算，得： （2） 在多效蒸發(fā)計(jì)算中，一般僅知道原料液和末效完成液的濃度，而其它各效的濃度均為未知量，因此利用蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算只能求得總蒸發(fā)量，至于各效蒸發(fā)量和溶液濃度，還可以結(jié)合焓衡算才能求得。2. 多效蒸發(fā)的焓衡算 （1）忽略蒸發(fā)系統(tǒng)的熱損失，對(duì)第一效進(jìn)行焓衡算： （3）若溶液的稀釋熱可以忽略，此時(shí)溶液的焓可用比熱來(lái)計(jì)算，即；加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出，則這樣（3）可寫(xiě)成 （4）將 （第一效二次蒸汽的汽化熱）代入（4）整理得： （5）進(jìn)第一效蒸發(fā)器生蒸汽、汽化潛熱由此可得：第i效 (6)由（6）

12、可以得： （7）如焓衡算中要求計(jì)入溶液的稀釋熱以及蒸發(fā)系統(tǒng)的熱損失，但無(wú)焓濃數(shù)據(jù)時(shí)，可將（7）式右側(cè)乘以熱損失系數(shù)。一般可取0.960.98。對(duì)于稀釋熱比較大的溶液，值還與溶液的濃度有關(guān)，如對(duì)水溶液，可取（0.980.7），溶液的質(zhì)量濃度變化。3. 總有效溫度差及各效溶液的沸點(diǎn)多效蒸發(fā)系統(tǒng)的總有效溫度差計(jì)算式為；分別加熱蒸汽和冷凝器中的溫度，；多效蒸發(fā)系統(tǒng)中溫度差損失總和，任一效溫差損失之和為： 各效溶液沸點(diǎn)為： 4. 有效溫度差在各效中的分配 根據(jù)操作情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，不能任意規(guī)定。以三效為例，說(shuō)明溫差在各效的中分配情況： （1）寫(xiě)成： （2）為了蒸發(fā)器的制造、安裝、操作方便，通常使各效傳熱面積相等，即： 以表示各效面積相等時(shí)的溫度差。（2）寫(xiě)成 （3）比較（2）與（3），并整理得： （4）將（4）中三式相加得： 或 （5）由（5）式求得傳熱面積后，即可由（4）重新分配各效的有效溫度差算得的不一定等于，這時(shí)可對(duì)值稍作調(diào)整，使各效有效溫度差之和等于。另外，若算出的傳熱面積還不相等，應(yīng)根據(jù)第二次算出的有效溫度差按式（5）和（4）再分配一次，一般重復(fù)計(jì)算的次數(shù)不會(huì)太多。一 溶液的溫度差損失若多效和單效蒸發(fā)的操作條件相同，即第一效的加熱蒸汽壓強(qiáng)和冷凝器的操作壓強(qiáng)各自相同，結(jié)果見(jiàn)講義。二 經(jīng)濟(jì)性多效蒸發(fā)提高了加熱蒸汽