化工原理-蒸发

1、蒸发蒸发操作的特点： 蒸发是将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾， 使溶剂气话，溶液浓缩得到浓溶液的过程。1.1 蒸发的基本流程： 蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶 剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内 进行，后一部分在冷凝器完成。蒸发器实质上是一个换热器，由 加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从 溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防 止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装 置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽 用于下一效的物料加热。冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽 接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。通常不 凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从 周围环境中漏入的空气。 料液在蒸发器中蒸浓达到要求后称为 完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。1.1.2 蒸发的操作方法 根据各种物料的特性和工艺要求，蒸发 过程可以采用不同的操作条件和方法。 常压蒸发和减压蒸发 根据操作压力不同，蒸发过程可以分为常压蒸发和减压蒸发，常 压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作

2、压力为大气压或略高于 大气压，此时系统中的不凝气依靠本身的压力从冷凝器排出。减 压蒸发冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气需用真空泵抽出。 减压蒸发较常压蒸发具有如下优点：在加热蒸汽压强相同的情况下，减压蒸发时溶液的沸点低，传热温差可以增大，当传热量一定时，蒸发器的传热面积 可以相应地减小； 可以蒸发不耐高温的溶液； 可以 利用低压蒸汽或废气作为加热剂；操作温度低，损失于外界的热量也相应地减小。 但是，减压蒸发也有一定的缺点，这 主要是由于溶液沸点降低，黏度增大，导致总的传热系数下降， 同时还要有减压装置。 单效蒸发和多效蒸发 根据二次蒸汽是 否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程分为单效蒸发和多 效蒸发。单效蒸发中加热蒸汽在冷凝器中用水冷却排出。多效蒸 发中，第一个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器的加热蒸 汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸汽， 以此类推，串联蒸发器的个数称为效数。 多效蒸发的经济性 多效蒸发时，除末效外，各效的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的 加热蒸汽加以利用，因而和单效相比，相同的生蒸汽量D可蒸发 更多的水量W，亦即提

3、高了生蒸汽的经济性W/D。如前所述，在 若干假定条件下，单效时的 W/D 约为 1。同理，双效时约为 2， 三效时约为 3，等等。考虑实际情况，根据经验，不同效数时生蒸 汽的经济性大致如下表：表1-1生蒸汽经济性W/D的经验值效数 单效 双效 三效 四效 五效 W/D 0.911.75 2.53.33 3.70 正由于多效蒸发时生蒸汽的经济性较高，所以在蒸发 大量水分时广泛采用多效蒸发。但上表也说明，当效数增加时， W/D 值虽然增加，但并不和效数成正比。 多效蒸发的代价 首 先，多效蒸发时需要多个蒸发器，为便于制造和维修，各蒸发器 的传热面积常相同，此时，多效蒸发的设备费近似和效数成正比。 因此，多效蒸发时生蒸汽经济性的提高是以设备费为代价的。其 次，当生蒸汽的压力（温度）和冷凝器的压力（温度）给定时， 不论单效或多效蒸发，其理论传热温度差均为Atr二T-。这里, T和分别为加热蒸汽和冷凝器处二次蒸汽的温度。换句话说， 理论传热温差与效数无关，多效蒸发只是将上述传热温度差按某 种规律分配至各效。而且，多效蒸发的每一效都存在沸点上升或 传热温度差损失，因而各效有效传热温度差之和一一总有

4、效传热 温度差必然小于单效时的有效传热温度差，结果导致多效时的生 产能力小于单效。间歇蒸发和连续蒸发间歇蒸发有两种操作方 法：一次进料，一次出料 连续进料，一次出料 工业上大 规模的生产过程通常采用的是连续蒸发。113蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性（一）蒸发器的生产能力与生产强度1、蒸发器的生产能力 蒸发器的生产能力可 用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热 量的大小，因此其生产能力也可表示为rtKSrQWmW蒸发器的生产能力，kg/h； Q蒸发器的传热速率，kJ/h； r 一操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； 2、蒸发器的生产强度 蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指 单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/（m2h） SWU若为 沸点进料，且不计热损失，根据mWrDrtKAQ，则m rtKSWU由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r 也 可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高 总传热系数K和传热温度差Atm （T11）。前者，上面已述。提 高传热温度差的方法：采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热 油、熔盐或用电加热等。

5、3、提高蒸发强度的途径（1）提高 传热温度差mt提高传热温度差可提高热源的温度或降低溶液的沸点等角度考虑，工程上通常采用真空蒸发或高温热源来实 现。（2）提高总传热系数蒸发器的总传热系数主要取决于溶液 的性质、沸腾状况、操作条件以及蒸发器的结构等。这些已在前 面论述，因此，合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，及 时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管）， 均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。（二）加热蒸汽的经济性 蒸发过程是一个能耗较大的单元操作， 通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加 热蒸汽的经济性，它的定义为1kg蒸汽可蒸发的水分量，即：rrWDe提高加热蒸汽的蒸汽性通常可以选择多效蒸发。（三）提高加热蒸汽经济程度的其他措施 多效蒸发可以提高加 热蒸汽的经济程度，除此之外，还可以采用以下措施来提高生蒸 汽的经济程度。1二次蒸汽的部分利用（额外蒸汽的引出） 在单效蒸发中， 若能将二次蒸汽引出一部分，作为其他设备热源加以利用（如用 来预热原料液），则对蒸发装置来说，能量消耗已降至最低限度, 只是将加热蒸汽转变为温度较低的二次蒸汽而已。同理

6、，对多效 蒸发，如果将末效蒸发器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高 加热蒸汽的利用率。2.冷凝水显热的利用 蒸发装置消耗大量蒸汽必随之产生数量可 观的冷凝水。此冷凝液排出加热室外可用以预热料液，也可像图 7-19 所示将冷凝水减压，减压至下一效加热室的压力。使之用过 热产生自蒸发现象。汽化的蒸汽可与二次蒸汽一并进出入后一效 的加热室，于是，冷凝水的显热得以部分地回收利用。 3.二次蒸 汽的再压缩（热泵蒸发） 在单效蒸发中，二次蒸汽在冷凝器中 冷凝除去，蒸汽的潜热即完全除去，很不经济。考虑此二次蒸汽 通过热泵（即压缩机）绝热压缩，使其pf, Tf,然后再送回原 来的蒸发器中作为加热蒸汽，则其潜热可得到反复利用。 但是， 要达到较好的经济效益，压缩功的压缩比不能太大，即二次蒸汽 的压力和温度需提高的愈多，压缩比愈大，愈不经济。这样，二 次蒸汽的温升不可能高，传热推动力不可能大，而所需的传热面 积则必然较大。对于沸点升高大的溶液的蒸发，热泵蒸发器的经 济程度大为降低。由此可知，热泵蒸发量不适用沸点上升比较大 的情况。此外，压缩机的投资费用较大，需要维修保养，这些缺 点也在一定程度上限制了它的使用。

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