Question

化工原理蒸发

Answer 1

蒸发过程概述
(summarize of evaporation process）
1．蒸发的概念
将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。
2．蒸发操作的目的(purpose of evaporation manipulation）
工业蒸发操作的主要目的是：
（1）稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如稀烧碱溶液（电解液）的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等等；
（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。
（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。
工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。
3．蒸发流程 (evaporation flow path）
按照分子运动学说，当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。当一些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子便会从液体表面逸出而成为自由分子，此即分子的汽化。因此溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能，以维持分子的连续汽化；另一方面，液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。

【播放动画】液体蒸发过程5-1
液体蒸发的简化流程如图片5-1所示，其主体设备—蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质（通常为饱和水蒸汽）加热管内的溶液，使之沸腾汽化。浓缩了的溶液（称为完成液）由蒸发器的底部排出。而溶液汽化产生的蒸汽经上部的分离室与溶液分离后由顶部引至冷凝器。为便于区别，将蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，而将加热蒸汽称为生蒸汽或新鲜蒸汽。
对于沸点较高的溶液的蒸发，可采用高温载热体如导热油、融盐等作为加热介质，也可以采用烟道气直接加热。
4．蒸发过程的分类 (the classification of evaporation process)
（1）常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发 按蒸发操作压力的不同，可将蒸发过程分为常压、加压和减压（真空）蒸发。对于大多数无特殊要求的溶液，采用常压、加压或减压操作均可。但对于热敏性料液，例如抗生素溶液、果汁等的蒸发，为了保证产品质量，需要在减压条件下进行。减压蒸发的优点是： 1）溶液沸点降低，在加热蒸汽温度一定的条件下，蒸发器传热的平均温度差增大，于是传热面积减小； 2）由于溶液沸点降低，可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽； 3）溶液沸点低，可防止热敏性物料的变性或分解； 4）由于温度低，系统的热损失小。但另一方面，由于沸点降低，溶液的粘度大，使蒸发的传热系数减小，同时，减压蒸发时，造成真空需要增加设备和动力。
（2）单效蒸发与多效蒸发 根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽，可将蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。若前一效的二次蒸汽直接冷凝而不再利用，称为单效蒸发，图片5-1所示为单效蒸发的流程示意。若将二次蒸汽引至下一蒸发器作为加热蒸汽，将多个蒸发器串联，使加热蒸汽多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。
（3）间歇蒸发与连续蒸发 根据蒸发的过程模式，可将其分为间歇蒸发和连续蒸发。间歇蒸发系指分批进料或出料的蒸发操作。间歇操作的特点是：在整个过程中，蒸发器内溶液的浓度和沸点随时间改变，故间歇蒸发为非稳态操作。通常间歇蒸发适合于小规模多品种的场合，而连续蒸发适合于大规模的生产过程。

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蒸发的流程 7.1 概述 （3）加热蒸汽和二次蒸汽 加热蒸汽：用于加热的蒸汽 二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽 （4）分类 ① 按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。 ② 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。 7.1 概述 （5）蒸发操作的特点 ① 沸点升高 ② 溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或选择适宜结构的蒸发器。 ③ 溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。 ④ 浓溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使传热过程恶化。设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于清洗。 7.2.1 单效蒸发的计算 对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容： ① 水分的蒸发量； ② 加热蒸汽消耗量； ③ 蒸发器的传热面积。 要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程来解决。 7.2.1 单效蒸发的计算 （1）物料衡算 溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即 7.2.1 单效蒸发的计算 7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算 焓值的计算：习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有 7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算 7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算 由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为： 7.2.1 单效蒸发的计算—（2）热量衡算 7.2.1 单效蒸发的计算 （3）蒸发器传热面积的计算 7.2.1 单效蒸发的计算 （4）浓缩热和溶液的焓浓图 如图7-3为NaOH水溶液以0℃为基准温度的焓浓图。 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系： 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失— （1）溶液的沸点升高和杜林规则 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 — （1）溶液的沸点升高和杜林规则 由该图可以看出： ① 浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值； ② 在高浓度范围内只要已知两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力： 7.2.2 蒸发设备中的温度差损失 （3）单效蒸发过程的计算 ① 设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。 已知：F，x0 ，t0 ， x 设计条件：p0， pk 计算目的：根据选用的蒸发器形式确定K，计算所需加热面积A及加热蒸汽用量D。 7.3 蒸发操作的经济性 7.3.1加热蒸汽的经济性 蒸汽的经济性：每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量（W/D） （或用溶液中蒸发出1kg 水所需消耗的生蒸汽的量 D/W表示蒸汽的利用率）。若物料的水溶液先预热至沸点后加入蒸发器，忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异，不计热损失，则每1kg加热蒸汽可汽化1kg水，即W/D =1。实际上，由于有热损失等原因，W/D <1。 怎样才能节省加热蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率呢？ 7.3.1加热蒸汽的经济性 7.3.2 多效蒸发 多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有： 并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。 逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。 错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。 平流： 每一效都加入原料液的方法。 1.并流 2.逆流 优点： 1.随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效传热系数相差不大，可充分发挥设备潜力。 2.完成液排出温度较高，可利用显热在减压下闪蒸增浓，提高完成液组成。 缺点： 1.辅助设备多，动力消耗大； 2.不适于处理热敏性溶液；3.操作复杂，工艺不易稳定 3.错流 4.平流 7.4 蒸发设备 蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。 7.4.1 蒸发器 结构：加热室、流动（或循环）通道、汽液分离空间。 按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。 7.4.1 蒸发器—（1）循环型蒸发器 7.4.1 蒸发器 —（2）单程型蒸发器 ② 降膜式蒸发器 其结构原理与升膜式类似。区别在于：料液在蒸发器顶部加入，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。 适用于：粘度大的物料； 不适用于：易结晶的物料，因形成 均匀的液膜较难，K不高。 7.4.1 蒸发器 —（2）单程型蒸发器 ③ 旋转刮片式蒸发器 特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发。 缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力。 7.4.2 蒸发器辅助设备

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化工原理 第六章 蒸发 第一节 基本概念 蒸发操作可以在常压、加压或减压下进行。常压蒸发可用敞口设备，使二次蒸汽排入大气中。真空蒸发时溶液侧的操作压强低于大气压强，要依靠真空泵抽出不凝气体并维持系统的真空度。加压蒸发在加压下进行，因而溶液的沸点升高，产生的二次蒸汽的温度也高，就有可能利用二次蒸汽作为其他设备的加热剂。 由上所述，蒸发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，因此，蒸发器也是一种换热器。但蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性： 第一节 基本概念 （1）溶液中含有不挥发性溶质，故其蒸汽压较同温度下溶剂（其纯水）的为低，换言之，在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点。相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小，溶液浓度越高这种现象越显著。因此，溶液的沸点升高是蒸发操作必须考虑的重要问题。 （2）工业规模下，溶剂的蒸发量往往是很大的，需要耗用大量的加热蒸汽，同时产生大量的二次蒸汽，如何利用二次蒸汽的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题。 （3）溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构，例如，某些溶液在蒸发时可能结垢或析出结晶，在蒸发器的结构设计上应设法防止或减少垢层的生成，并应使加热面易于清洗。有些物料具有热敏性，有些则具有较大的黏度或具有较强的腐蚀性等等，需要根据物料的这些特性，设计或选择适宜结构的蒸发器。 ? 第二节 单效蒸发 溶液在由单个蒸发器和附属设备所组成的装置内蒸发，所产生的二次蒸汽不再利用的蒸发操作，称为单效蒸发。在生产规模不大的情况下，多采用单效蒸发。 一、单效蒸发流程 最常见的单效蒸发为减压单效蒸发，前述的硝酸铵溶液的蒸发即为单效真空蒸发，其流程如图6-1所示。加热蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁传给沸腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发后的浓缩液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室及其顶部的

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蒸发器原理是利用蒸发方式，将溶液加热后，使其中部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶液浓度即溶液被浓缩的过程。进行蒸发操作的设备被称为蒸发器。由于被蒸发的溶液大多是水溶液，蒸发过程成了用水蒸汽作为加热剂去产生水蒸气，为了便于区分，把作为热源的水蒸气称作加热蒸汽或者一次蒸汽，把从溶液中汽化出来的蒸汽称作为二次蒸汽。
二、蒸发器组成及工作原理
蒸发器主要由加热室和蒸发室两部分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促进液体沸腾汽化，加热室中产生的蒸汽带有大量的液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器的作用得以与蒸汽分离。
三、蒸发器操作分类
蒸发器在操作过程中，要消耗大量加热蒸汽，为节省加热蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器
多效蒸发器原理
蒸发器进行多效蒸发，其原理是采用多效蒸发多次利用蒸汽，以达到节约能源，减少蒸汽用量，提高蒸发效率的目的。蒸发器多次利用蒸汽的原理是生蒸汽（一次蒸汽）在一效换热后，物料中蒸发出来的水蒸气（二次蒸汽）进入下一效，为下一效提供热源，以此类推，达到重复利用。（顺流蒸发器——顺流蒸发工艺原理）蒸发器采用效数多，节能效果就越好，但具体采用几效也要根据实际情况确定。

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