化工原理蒸发第五章
用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一 定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可 以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上 取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有
h0 c0t0 0 c0t0
h1 c1t1 0 c1t1
hw cwT 0 cwT
代入前面的两式得：
• 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)
•优点： • 溶液循环好 • 传热效率高 • 结构紧凑、制造方便、操作 可靠 •缺点： • 循环速度低
• 溶液粘度大、沸点高
• 不易清洗 •适于处理结垢不严重、腐蚀性小 的溶液
•直接加热蒸发器
•将一定比例的燃烧气与空气直 接喷入溶液中，燃烧气的温度 可高达1200～1800℃，由于气、 液间的温度差大，且气体对溶 液产生强烈的鼓泡作用，使水 分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽 与烟道气一同由顶部排出。
•优点：结构简单，不需要固定 的传热面，热利用率高
•适于处理易结垢、易结晶或有 腐蚀性的溶液。 •不适于处理不能被燃烧气污染 及热敏性的溶液。
（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：
tA t K tw t
0 A 0 w
t A t K (t w t )
0 A 0 w
不同浓度NaOH水溶液的 沸点与对应压强下纯水的 沸点的关系，由图可以看 出，当NaOH水溶液浓度 为零时，它的沸点线为一 条 45 对角线，即水的沸点 线，其它浓度下溶液的沸 点线大致为一组平行直线。
冷凝水
完成液
水
•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。 •真空操作的缺点： • 1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降 • 2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。
•蒸发设备
•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) •循环型(非膜式)
•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。
5.2 单效蒸发
5.2.1 蒸发设备中的温度差损失
传热温差损失 t T t (T0 T ) (T0 t ) t T
t T 有效传热温差 t t T Байду номын сангаас
溶液沸点
温度差损失的原因 ： ① 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较 纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低， 致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高； ② 蒸发器中静压头的影响，导致溶液沸点的 上升。 ③以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力， 都导致溶液沸点的进一步上升。
• 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 •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。
D,T,hw F-W,x1,t1,h1
Fx 0 完成液的浓度：x 1 F W
x0 W F (1 ) x1
0
1
（2）热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和 温度下排出时，
DH Fh0 ( F W )h1 WH Dhw Q损
D( H hw ) F (h1 h0 ) W ( H h0 ) Q损
•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。
D( H cwT0 ) WH ( F W )c1t1 Fc0t0 Q损
为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可 以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈 加和关系，即
c0 cw (1 x0 ) cB x0
c1 cw (1 x1 ) cB x1
整理可得：（ F W）c1 Fc0 Wc w
D( H cwT0 ) WH ( F W )c1t1 Fc0t0 Q损 D( H cwT0 ) W ( H cwt1 ) Fc0 (t1 t0 ) Q损
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 浓度范围只需要知的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。
（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：
•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。 •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
•单程型(膜式) •1
•特点是加热室内的加热管细而长。
•溶液预热到接近沸点时由蒸发器 底部送入，进入加热管时立即受 热沸腾汽化，溶液在高速上升的 二次蒸汽带动下，沿管壁边呈膜 状向上流动边蒸发。到达分离室 后，完成液与二次蒸汽分离后由 分离室底部排出。 •适于处理蒸发量较大的稀溶液， 热敏性和易生泡沫的溶液； •不适于浓度高、粘度大、有晶体 析出溶液的蒸发。
1 pm p gL 2
1 液柱静压强引起的溶液 ' ' t ( p Lg ) t ( p ) 2 温度升高：
所以沸腾液体的平 均温度为 ：
t t ( p) '' '
5.2.2 单效蒸发的计算
（1）物料衡算
W,T’,H’
F,x0,t0,h0
溶质在蒸发过程中不挥发， D,T,H 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 Fx ( F W ) x 水分蒸发量：
•蒸发的流程
•用来进行蒸发的设备主要是蒸发器 和冷凝器。 •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。 二次蒸汽 •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 料液 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 加热蒸汽 蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次 蒸汽，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，从蒸发器底部排出。 不凝性气体 冷却水
•去除杂质。
•蒸发操作的应用 • •(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 •(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 •(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。
•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，在管间放热加热管内溶液 使其上升，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 • 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
•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
•2 降膜蒸发器 •它的加热室与升膜式类似， 但分离室设置在下部。溶液 预热后由加热室顶部加入， 经管端的液体分布器均匀分 配在各加热管内。 •这类蒸发器操作的关键是 设置良好的液体分布器，以 保证溶液均匀成膜和防止二 次蒸汽从加热管顶部穿出。 常用的膜分布器见书。 •适于处理浓度、粘度较大 的溶液 •不适于处理易结晶、结垢 的溶液。
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化工原理-蒸发(第五章1)
33
二、加热蒸汽消耗量D
稀释热不可忽略时，溶液的焓由专用的焓 浓图查得，图5-14为NaOH水溶液的焓浓图。
8
第5章 蒸发
5.1 蒸发设备 5.1.1 蒸发器的结构
9
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-1 中央循环管式蒸发器 1-加热室 2-分离室
动画11
10
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-2 悬筐蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-除沫器
4-环形循环通道
11
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-3 外热式蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-循环管
第5章 蒸发
学习目的 与要求 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发
器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要 求和物料特性，合理选择蒸发器的类型并确定适宜 操作的流程和条件。
1
概述
蒸发 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出
蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作 称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。
Q D(H hw ) WH' (F W )h1 Fh0 QL
蒸发器的 热损失
32
二、加热蒸汽消耗量D
加热蒸汽的消耗量
D WH' (F W )h1 Fh0 QL H hw
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除， 则
D WH' (F W 来自h1 Fh0 QL r加热蒸汽 的汽化热
二、温度差损失
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失Δ'''
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效 作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压 强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。
Δ'''的计算相当繁琐，一般取效间二次蒸汽
二、加热蒸汽消耗量D
稀释热不可忽略时，溶液的焓由专用的焓 浓图查得，图5-14为NaOH水溶液的焓浓图。
8
第5章 蒸发
5.1 蒸发设备 5.1.1 蒸发器的结构
9
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-1 中央循环管式蒸发器 1-加热室 2-分离室
动画11
10
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-2 悬筐蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-除沫器
4-环形循环通道
11
一、循环型(非膜式)蒸发器
图5-3 外热式蒸发器 1-加热室 2-分离室 3-循环管
第5章 蒸发
学习目的 与要求 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发
器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要 求和物料特性，合理选择蒸发器的类型并确定适宜 操作的流程和条件。
1
概述
蒸发 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出
蒸汽，从而使溶液中溶质组成提高的单元操作 称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。
Q D(H hw ) WH' (F W )h1 Fh0 QL
蒸发器的 热损失
32
二、加热蒸汽消耗量D
加热蒸汽的消耗量
D WH' (F W )h1 Fh0 QL H hw
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除， 则
D WH' (F W 来自h1 Fh0 QL r加热蒸汽 的汽化热
二、温度差损失
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失Δ'''
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效 作为加热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压 强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。
Δ'''的计算相当繁琐，一般取效间二次蒸汽
化工原理第五章
（5）溶剂的汽化需要吸收能量，热源耗量很大，如何 利用二次蒸气，节能降耗，是蒸发操作的关键。
第一节 概 述
二、 蒸发操作的分类
（1）按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压 （即真空）蒸发。常压操作时，一般采用敞口设备，二次 蒸发直接排到大气中，所用的设备和工艺条件都较为简单。 采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高传 热的利用率。同时，可使溶液黏度降低，改善传热效果。 另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相 匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9 MPa下进行，宜 采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器 后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。
第一节 概 述
图5-1 1.加热室 2.分离室 3.混合冷凝室 4.分离器
第二节 单效蒸发及其计算
一、 溶液的沸点和温度差损失
前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其
传热的平均温度差Δt为加热蒸气的温度T与溶液的沸点t之间的
差值，即
Δt=T-t
(5-1)
Δt称为有效温度差，二次蒸气的温度T′往往小于溶液的
温度差损失）， ℃；
Δ′——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高， ℃；
F——校正系数，无因次，其经验计算式为
式中 T′——操作压强下二次蒸气的温度， ℃； r′——操作压力下水的汽化热，kJ/kg。
第二节 单效蒸发及其计算
2. 按杜林规则计算
杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关 系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为 标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，以溶液沸 点为纵坐标，以水的沸点为横坐标，在直角坐标图上标绘相对应的 沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此直线就可求得该 溶液在其他压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的 NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意 压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点。
第一节 概 述
二、 蒸发操作的分类
（1）按操作的压力分类，可分为常压、加压或减压 （即真空）蒸发。常压操作时，一般采用敞口设备，二次 蒸发直接排到大气中，所用的设备和工艺条件都较为简单。 采用加压蒸发主要是为了提高二次蒸气的温度，以提高传 热的利用率。同时，可使溶液黏度降低，改善传热效果。 另外，某些蒸发过程需要与前、后生产过程的外部压强相 匹配，如丙烷萃取脱沥青需要在2.8~3.9 MPa下进行，宜 采用加压蒸发。工业上应用较多的是真空蒸发，在冷凝器 后连有真空泵，在负压下将被冷凝的水排出。
第一节 概 述
图5-1 1.加热室 2.分离室 3.混合冷凝室 4.分离器
第二节 单效蒸发及其计算
一、 溶液的沸点和温度差损失
前已述及蒸发是间壁两侧均有相变的恒温传热过程，其
传热的平均温度差Δt为加热蒸气的温度T与溶液的沸点t之间的
差值，即
Δt=T-t
(5-1)
Δt称为有效温度差，二次蒸气的温度T′往往小于溶液的
温度差损失）， ℃；
Δ′——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高， ℃；
F——校正系数，无因次，其经验计算式为
式中 T′——操作压强下二次蒸气的温度， ℃； r′——操作压力下水的汽化热，kJ/kg。
第二节 单效蒸发及其计算
2. 按杜林规则计算
杜林规则说明溶液的沸点和同压强下标准溶液沸点间呈线性关 系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为 标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，以溶液沸 点为纵坐标，以水的沸点为横坐标，在直角坐标图上标绘相对应的 沸点值即可得到一条直线（称为杜林直线）。由此直线就可求得该 溶液在其他压强下的沸点。图5-2是由试验测定的不同组成的 NaOH水溶液的沸点与对应压力下纯水沸点的关系线图，已知任意 压力下水的沸点，可由图查出不同浓度下NaOH的沸点。
《化工原理》课件—05蒸发
也可以用同压强 下水蒸汽的温度 直接查图求得不 同浓度下溶液得 沸点。
图【5-8】
2-2 液柱静压头引起的沸点变化
以前在计算沸点时均不考虑液柱深度的 影响。但在长管蒸发器中，液柱很高。 液体内部所受的压力大于液面所受的压 力，因此在计算沸点时应考虑这种影响 因素。
随着液柱高度的变化，液体内部的压强 在改变。通常取液柱中点的压强计算溶 液的沸点。
W F (1 xo ) 10000(1 68) 2440kg / h
x1
90
6atm的加热蒸汽的温度和潜热分别为
T=159°C, r=2091kJ/kg
0.2atm的二次蒸汽的潜热为
r´=2355kJ/kg
对于沸点进料，由式【5-9】得
D Wr 2440 2355 2748kg / h
2-1 溶质引起的沸点改变
一、经验公式计算 溶质引起的沸点改变值Δ΄主要与溶液的种类、溶 液中溶质的浓度和蒸发压力有关。
设操作压下溶液的沸点为tA和二次蒸汽温度为 T´，则
Δ΄ =tA- T´ =f Δ΄a 【5-1】
式中： f 为校正系数，无因次 Δ΄a可从手册中查取
Δ΄a是常压下溶液的沸点与纯水的沸点 的差值。
3-1 物料衡算
W,T´,I´
由于蒸发过程中，只有溶剂 蒸发而溶质不挥发。所以对 于稳态过程，对溶质作物料 衡算。图【5-9】
Fxo (F W )x1
【5-5】
因此，可求得蒸发水量W
W F (1 xo ) x1
【5-6】
F,xo,io 蒸发室
D,T,I 加热器
F-W,x1,i1
D,T,i
图【5-9】
1-3-2 降膜蒸发器
若蒸发浓度或粘度较 大的溶液，可用降膜 式蒸发器。原料液由 加热室的顶部进入， 通过分布器均匀地流 入加热管并在重力的 作用下形成下降的膜，
图【5-8】
2-2 液柱静压头引起的沸点变化
以前在计算沸点时均不考虑液柱深度的 影响。但在长管蒸发器中，液柱很高。 液体内部所受的压力大于液面所受的压 力，因此在计算沸点时应考虑这种影响 因素。
随着液柱高度的变化，液体内部的压强 在改变。通常取液柱中点的压强计算溶 液的沸点。
W F (1 xo ) 10000(1 68) 2440kg / h
x1
90
6atm的加热蒸汽的温度和潜热分别为
T=159°C, r=2091kJ/kg
0.2atm的二次蒸汽的潜热为
r´=2355kJ/kg
对于沸点进料，由式【5-9】得
D Wr 2440 2355 2748kg / h
2-1 溶质引起的沸点改变
一、经验公式计算 溶质引起的沸点改变值Δ΄主要与溶液的种类、溶 液中溶质的浓度和蒸发压力有关。
设操作压下溶液的沸点为tA和二次蒸汽温度为 T´，则
Δ΄ =tA- T´ =f Δ΄a 【5-1】
式中： f 为校正系数，无因次 Δ΄a可从手册中查取
Δ΄a是常压下溶液的沸点与纯水的沸点 的差值。
3-1 物料衡算
W,T´,I´
由于蒸发过程中，只有溶剂 蒸发而溶质不挥发。所以对 于稳态过程，对溶质作物料 衡算。图【5-9】
Fxo (F W )x1
【5-5】
因此，可求得蒸发水量W
W F (1 xo ) x1
【5-6】
F,xo,io 蒸发室
D,T,I 加热器
F-W,x1,i1
D,T,i
图【5-9】
1-3-2 降膜蒸发器
若蒸发浓度或粘度较 大的溶液，可用降膜 式蒸发器。原料液由 加热室的顶部进入， 通过分布器均匀地流 入加热管并在重力的 作用下形成下降的膜，
[12(2)-18-2009]工科-化工原理(第五章 蒸发)
![[12(2)-18-2009]工科-化工原理(第五章 蒸发)](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/5f725cf5c8d376eeaeaa314a.webp)
二次蒸汽
二次蒸汽
至冷凝器
一 加热蒸汽 效
二 效
N 效 完成液
原料液
问题一：原料液为何从蒸发器中部进入？ 问题二：原料液的最佳进料高度？
特点：优点： PN 1 PN PN 1 中间不用泵
TN 1 TN TN 1 前效对后效为过热，则 可部分闪蒸
缺： CN 1 CN CN 1 N 1 N N 1
（2）溶液沸点 常压下不同浓度溶液沸点可查图（杜林线），然后再校正为操 作压力下的沸点。 三.传热速率方程：目的求传热面积 因间壁总传热速率方程为
Q K 0 S 0 t , Q为蒸发器的热负荷或传 热速率m 2 K 0基于传热外表面的总传 热系数W /(m 2 C )
S 0 传热外表面面积 2 , t平均传热温度差 C m
生产强度：Q单 KS t单 Q
（2）双效：生产能力： 双 Q1 Q2 K1S1t1 K 2 S 2 t 2 Q 若K取平均值，各效 相等，则Q双 KS t双 S
生产强度 KS t双 2S K t双 2
F W h WH Fh D
1
0
QL
H hW
D为加热蒸汽消耗量 / h, H为加热蒸汽的焓 / kg kg kJ h0, h1分别为原料液和完成液 的焓kJ / kg, H 为二次蒸汽的焓 / kg kJ hW 为冷凝水的焓kJ / kg, QL为蒸发器的热损失
若加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，
(3)比较： t双 t单 双效生产能力比单效低 且双效生产强度达不到 单效的50%
(4)说明：取操作费和设备 费最低的效数
四.提高加热蒸汽经济性的具体措施 1.抽出额外蒸汽 额外蒸汽：从 蒸发设备中抽出的部分用于其它换热设备的二次 蒸汽 提高蒸汽经济性的原因：料尽其用；蒸发器的冷凝器负荷降低 2.充分利用冷凝水的显热 加热各种需加热的物料 闪蒸法使其减压下部分汽化，作为加热热载体 3.用热泵蒸发 （1）定义：用压缩机使二次蒸汽的压力增加，使其的饱和温 度超过溶液的沸点，再送回蒸发器加热室，作为加热蒸汽， 该法为 （2）优点：节省生蒸汽，节省冷凝器
化工原理上第5章5 蒸发
效数选择：
生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终 正比于效数。 选取原则：设备费用和操作费用总和最小，
通常选取2-3效。
5.4.4 提高加热蒸汽经济性的措施
(1) 额外蒸汽的引出 (2) 冷凝水的闪蒸 (3) 多效变级闪蒸 (4) 热泵蒸发
(1) 额外蒸汽的引出
在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸气，称为额外蒸气,作为 其它加热设备的热源。引出额外蒸气时，生蒸气的消耗量增加，但 所增加的生蒸气量小于引出的额外蒸气总量，从总体来看，生蒸气 的经济性提高了.
(2) 蒸发器的传热面积计算和有效温差分配
各效有：
Ai
Qi K i ti
t1
: t2
: t3
Q1 K1 A1
:
Q2 K2 A2
:
Q3 K3 A3
一般取： A1 A2 A.3 ...An
得：
t1
:
t2
:
t3
Q1 K1
:
Q2 K2
: Q3 K3
t1
Q1
/ K1 Qi
已知： F, x0 , t0 , x, p, p
求： W，D，A （ 以平流流程为例）
(1) 物料衡算和热量衡算
1) 物料衡算
W
n
Wi
总溶质：
Fx0
i 1
(F
W )xn
W
F (1
x0
)
xn
任一效溶质：Fx0 (F W1...Wi )xi
xi
(F
Fx0 W1...Wi )
蒸发室
加热室
完成液 Fq-mW0,-xqmw,w, t,tc,,ch,,h
05化工原理[蒸发]
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解：根据加热蒸汽压力和二次蒸汽压力，由蒸汽表查得： 294 kN/m2（ 即300KPa 绝压）时：蒸汽焓H=2728.5kJ/kg
冷凝水的焓hw=560.4kJ/kg 汽化热r=2168kJ/kg 温度T=133.3℃
2021/5/2
19.6 kN/m2（即20KPa，绝压）时： 二次蒸汽的焓H’=2606.4kJ/kg 饱和温度T′=60.1℃ 二次蒸汽的汽化热r=2355kJ/kg,
蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量， 即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面 积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来 衡量生产能力。 根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：
Q=KAΔt 或 Q=KA(T-t) （5-19）
2021/5/2
进料状况影响蒸发器的生产能力
(1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热 至沸点，因而降低了生产能力； (2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发 水分，其生产能力有所增加；
（5-1）
式中
2021/5/2
F—原料液流量，kg/h; W—蒸发量,kg/h; x0—原料液的质量组成,%; x1—完成液的组成,%
2 加热蒸汽消耗量D
蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸 点，将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量。
对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释 时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当 的浓缩热。
（1）原料液流量、组成与温度；
（2）完成液组成；
（3）加热蒸汽压强或温度；
2021/5/2
（4）冷凝器的压强或温度。
F,x0,t0,h0
D,T,H
2021/5/2
W,T’,H’ 蒸发室
冷凝水的焓hw=560.4kJ/kg 汽化热r=2168kJ/kg 温度T=133.3℃
2021/5/2
19.6 kN/m2（即20KPa，绝压）时： 二次蒸汽的焓H’=2606.4kJ/kg 饱和温度T′=60.1℃ 二次蒸汽的汽化热r=2355kJ/kg,
蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量， 即蒸发量表示。其生产能力的大小取决于通过传热面 积的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来 衡量生产能力。 根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：
Q=KAΔt 或 Q=KA(T-t) （5-19）
2021/5/2
进料状况影响蒸发器的生产能力
(1)低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热 至沸点，因而降低了生产能力； (2)沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发 水分，其生产能力有所增加；
（5-1）
式中
2021/5/2
F—原料液流量，kg/h; W—蒸发量,kg/h; x0—原料液的质量组成,%; x1—完成液的组成,%
2 加热蒸汽消耗量D
蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸 点，将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量。
对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释 时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当 的浓缩热。
（1）原料液流量、组成与温度；
（2）完成液组成；
（3）加热蒸汽压强或温度；
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（4）冷凝器的压强或温度。
F,x0,t0,h0
D,T,H
2021/5/2
W,T’,H’ 蒸发室
化工原理 蒸发解析
应用广泛，适用于
（1）中央循环管式蒸发器（自然循环型） 处理量大、结垢不
严重的物系。
料液 生蒸汽
优点：结构紧凑、制造方便、传热
其截面积一般为 较好及操作可靠等，应用十分广泛。
其它加热管总截 缺点：
面积的40～ 100%
（1）循环速度较低，管内流速 <0.5m/s；
（2）溶液在加热室中不断循环， 使其浓度始终接近完成液的浓度， 因而溶液粘度大、沸点高，有效温 度差小。
缺点：结构复杂，单位传热面积的 金属消耗较多。
加热室
（3）外热式蒸发器
加热室单独放置，好处之一 是可以降低整个蒸发器的高度， 便于清洗和更换；好处之二是可 将加热管做得长些，循环管不受 热，从而加速液体循环。循环速 度可达1.5m/s。
蒸发室
加热 室
循环管
循环型（强制循环型）
对循环型蒸发器，除了上述自然循环外，还可以采用强 制循环，循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制，一般 在2.5m/s以上。
（3）设备的清洗和维修也不够方 便。
（2）悬框式蒸发器（自然循环型）
溶液沿加热管中央上升，而后
循着悬筐式加热室外壁与蒸发器内
其截面积一 般为其它加
壁间的环隙向下流动而构成循环。 热管总截面
溶液循环速度比标准式蒸发器大， 积的100～
可达1.5m/s。
150%
优点：这种蒸发器的加热室可由顶 部取出进行清洗、检修或更换，而 且热损失也较小。
一、 溶液的沸点及温度差损失
1、溶液沸点 t ( tb ) 溶液沸点 t > 二次蒸汽饱和温度 T
沸点升高（温度差损失）： t T
引起沸点升高的原因 a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；
《化工原理》第5章 蒸发
1.真空蒸发装置
在真空蒸发装置中，除了蒸发器以 外，还应有冷凝器、真空泵等附属 设备。
2.真空蒸发的流程
图5-12为单效真空蒸发流程示意图。
1.蒸发器 2、4.分离器 3.混合冷凝器 5.缓冲罐 6.真空泵 7.真空贮存罐 图5-12 单效真空蒸发流程示意图
22
第5章 蒸发
3.真空蒸发的优点 （1）真空蒸发的温度低，适用于处理在高温下易分解、聚 合、氧化或变性的热敏性物料。 （2）蒸发操作的热源可以采用低压蒸汽或废汽，提高了热 能的利用率。 （3）在减压下溶液的沸点降低，使蒸发器的传热推动力增 3 加，所以对一定的传热量，可以相应减小蒸发器的传热面积。 （4）真空蒸发的操作温度低，可减少蒸发器的热损失。 4.真空蒸发的缺点 （1）在减压下，溶液的沸点降低，其粘度则随之增大，从 而导致蒸发器总传热系数的下降。 （2）需要有一套真空系统，并消耗一定的能量，以保持蒸 发室的真空度。
4
第5章 蒸发
5.1.2 蒸发过程的特点
蒸发操作总是从溶液中分离出部分（或全部）溶剂。常见的蒸发过程实际上 是通过传热壁面的传热，使一侧的蒸汽冷凝而另一侧的溶液沸腾，溶剂的汽化速 率由传热速率控制，所以蒸发属于传热过程。但蒸发又有别于一般的传热过程， 具有下述特点： (1)传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，所以属于壁面 两侧流体均有相变化的恒温传热过程。 (2)溶液性质：在蒸发过程中溶液的黏度逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。有些溶液在 蒸发过程中有晶体析出、易结垢、易产生泡沫，在高温下易分解或聚合。 (3)溶液沸点的改变：含有不挥发溶质的溶液，其蒸气压较同温度下溶剂的蒸气压 低。换句话说，在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，所以当加热蒸汽 的压强一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液浓度越 高这种现象越显著。 (4)泡沫夹带：溶剂蒸气中夹带大量泡沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物 料，而且污染冷凝设备。 (5)能源利用：蒸发时产生大量溶剂蒸气，如何利用溶剂的汽化热，是蒸发操作中 要考虑的关键问题之一。
化工原理-蒸发(第五章2)
来衡量其生产能力。
Q KS T t1
2
二、蒸发器的生产强度
生产强度 单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，用
U表示，其单位为kg/（m2∙h），即
U W S
生产强度是评价蒸发器优劣的重要指标。 对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所 需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越省。
3
二、蒸发器的生产强度
图5-16 并流加料的三效蒸发装置流程示意图
9
一、并流(顺流)加料法的蒸发流程
优点 后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液
在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必 另外用泵。
后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶 液进入后效时，会因过热而自动蒸发(称为自蒸 发或闪蒸)，因而可以多产生一部分二次蒸汽。
10
多效蒸发的效数应有一定的限制： ①随着效数增加，温度差损失加大；
②随着效数的增加，虽然(D/W)min不断减小，
但所节省的蒸汽消耗量也越来越少； ③随着效数增加，蒸发强度不断降低，设
备投资费用增大。 最佳效数要通过经济权衡决定，单位生产
能力的总费用最低时的效数即为最佳效数。
20
第5章 蒸发
5.3 多效蒸发 5.3.1 多效蒸发的操作流程 5.3.2 多效蒸发的计算（自学） 5.3.3 多效蒸发和单效蒸发的比较 5.3.4 提高加热蒸汽经济性的其他措施
18
三、蒸发器的生产能力和生产强度
三效蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相 同，因此生产能力也大致相同。
但生产强度不相同，即三效蒸发时的生产 强度(单位传热面积的蒸发量)约为单效蒸发时 的三分之一。
多效蒸发中，加热蒸汽经济性的提高是以 降低蒸发强度为代价换得的。
19
四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数
Q KS T t1
2
二、蒸发器的生产强度
生产强度 单位传热面积上单位时间内蒸发的水量，用
U表示，其单位为kg/（m2∙h），即
U W S
生产强度是评价蒸发器优劣的重要指标。 对于给定的蒸发量而言，生产强度越大，则所 需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越省。
3
二、蒸发器的生产强度
图5-16 并流加料的三效蒸发装置流程示意图
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一、并流(顺流)加料法的蒸发流程
优点 后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液
在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必 另外用泵。
后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶 液进入后效时，会因过热而自动蒸发(称为自蒸 发或闪蒸)，因而可以多产生一部分二次蒸汽。
10
多效蒸发的效数应有一定的限制： ①随着效数增加，温度差损失加大；
②随着效数的增加，虽然(D/W)min不断减小，
但所节省的蒸汽消耗量也越来越少； ③随着效数增加，蒸发强度不断降低，设
备投资费用增大。 最佳效数要通过经济权衡决定，单位生产
能力的总费用最低时的效数即为最佳效数。
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第5章 蒸发
5.3 多效蒸发 5.3.1 多效蒸发的操作流程 5.3.2 多效蒸发的计算（自学） 5.3.3 多效蒸发和单效蒸发的比较 5.3.4 提高加热蒸汽经济性的其他措施
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三、蒸发器的生产能力和生产强度
三效蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相 同，因此生产能力也大致相同。
但生产强度不相同，即三效蒸发时的生产 强度(单位传热面积的蒸发量)约为单效蒸发时 的三分之一。
多效蒸发中，加热蒸汽经济性的提高是以 降低蒸发强度为代价换得的。
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四、多效蒸发中效数的限制及最佳效数
化工原理 第五章 蒸发
加热室 D, Ts ,hs
完成液 L，t，h, c
按教材上的符号写： 忽略c p 0，c p1差别，且H ′ − c p1t1 ≈ r ′ D= FcP 0 ( t1 − t0 ) + wr ′ + QL r
三、加热面积A的计算 加热面积 的计算
bdo do do 1 1 = + RO + + Ri + Ko αo λdm di αidi
理论上： 理论上： 一效1kg蒸汽→1kg水 蒸汽→ 一效 蒸汽 水
一、多效蒸发流程
并流流程 逆流流程 按料液与二次蒸汽的走 向分为 错流流程 平流流程
并流流程： 并流流程：
思考： 大小顺序？ 思考：P1、 P2、 P3大小顺序？
P1 > P2 > P3 T1 > T2 > T3
完成液
逆流多效蒸发器
∆tm = Ts − t = Ts − T − ∆
冷却水
证明： 证明：
多效与单效相比，生产能力低、生产强度小。 多效与单效相比，生产能力低、生产强度小。 料液
T
P
单效： 单效：Q = KA∆t m
三效： 三效：Q1 = K1 A ∆t m 1 3 A Q2 = K 2 ∆t m 2 3 A Q3 = K 3 ∆t m 3 3
冷凝水 水 完成液 单效蒸发器
5、蒸发过程总结 、 1）、实质是传热过程 ） 2）、沸点升高，传热温差小于蒸发纯 ） 沸点升高， 溶剂 3）、重视体系特性 ） 结垢、 结垢、结晶 热敏物质 粘度与腐蚀性等
二、单效蒸发器的计算 物料衡算 热量衡算 传热速率方程 沸点升高关系式
单效蒸发器的计算
已知： 已知：F、x0、t0、x 计算内容： 计算内容： L、 W、加热蒸汽量 、加热面积 、加热蒸汽量D、