化工原理-蒸发

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：①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；②可以蒸发不耐高温的溶液；③可以利用低压蒸汽或废气作为加热剂；④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。

①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 0.91 1.75 2.5 3.33 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。

②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Δtr=T-T′。

这里，T和T′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——总有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：①一次进料，一次出料②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。

1.1.3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
rtKSrQWm W—蒸发器的生产能力，kg/h；Q—蒸发器的传热速率，kJ/h；r—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/(m2·h) 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Δtm（T－t1）。

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。

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，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p↑，T↑，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。