第七章 蒸发 Chapter 7 Evaporation 7.1 概 述summarize 7.2 蒸发设备 7.3 单效蒸发 7.4 多效蒸发 7.5 蒸发器的工艺设计 本章总结 7.1 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。 max.book118.com 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。max.book118.com 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。 max.book118.com 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。 max.book118.com 蒸发的流程 1.组成 用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。 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，加热用的饱和水蒸汽在加热室管间冷凝放热用于对管内水溶液进行加热； 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。 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。 ? max.book118.com 蒸发的流程 2.流程 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Steam相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽Second vapor ，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Thick liquor ，从蒸发器底部排出。 max.book118.com 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。 按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发 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 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于分：单效蒸发、多效蒸发 单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作 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 max.book118.com 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。 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 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。 7.2 蒸发设备 max.book118.com 常用蒸发器的结构与特点 蒸发器组成： 加热室：加热溶液使之汽化 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： 循环型(非膜式) 单程型(膜式) max.book118.com.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。 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 强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动 1中央循环管式(标准式)蒸发器 加热室由垂直管束组成，管束中心有一根直径较大的中央循环管，其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：加热室管束及中央循环管内，受热时，由于中央循环管单位体积溶液受热面小，使得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： 溶液循环好 传热效率高 结构紧凑、制造方便、操作可靠 2悬筐式蒸发器 加热室像个筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热蒸汽由壳体上部进入加热室，在管间放热，使加热管内溶液上升，而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动。 优点： 溶液循环速度高，改善了管内结构情况 传热速率较高 缺点： 设备费高 占地面积大 加热管内溶液滞留量大 适于处理易结垢，有晶体析出的溶液 3外热式蒸发器 这种蒸发器将加热室与分离室分开，采用较长的加热管，如图示。 优点： 降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换 循环速度较高，使得对流传热系数提高 结垢程度小 适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液 4列文蒸发器 特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。 优点： 流动阻力小 循环速度高 传热效果好 加热管内不易堵塞 缺点： 设备费高 厂房高，耗用金属多 适于处理有晶体析出或易结垢的溶液 5强制循环型蒸发器 在加热室设置循环泵，使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动。 优点： 循环速度高 晶体不易粘结在加热管壁 对流传热系数高 缺点： 动力消耗大 对泵的密封要求高 加热面积小 适于处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。 max.book118.com.2 单程型(膜式)蒸发器 单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次蒸发即可达到要求的浓度。溶液停
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