第六章蒸發與結晶第一節概述

蒸發的定義一

蒸發的目的

*

溶液濃縮

*

溶質分離

*

純凈溶劑制取溶劑S溶質A（不揮發）溶劑S加熱

使含有不揮發性溶質的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質濃度提高的單元操作稱為蒸發，所用的設備稱為蒸發器。

蒸發操作過程

二除沫器二次蒸汽蒸發室加熱室不凝性氣體（生蒸汽）冷凝器

蒸發器(加熱室、蒸發室)

除沫器冷凝器真空裝置

蒸發需要不斷的供給熱能。工業上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發的物料大多是水溶液，蒸發時產生的蒸氣也是水蒸氣。為了易于區別，前者稱為加熱蒸氣或生蒸氣，后者稱為二次蒸氣。

分類三1、按操作室壓力分：常壓、加壓、減壓（真空）蒸發2、按二次蒸氣的利用情況分：單效和多效蒸發

加熱蒸氣和二次蒸氣單效蒸發：將二次蒸氣不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發操作。除沫器二次蒸汽蒸發室加熱室不凝性氣體（生蒸汽）冷凝器多效蒸發：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發器作為加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯蒸發操作稱為多效蒸發。傳熱性質：屬于壁面兩側流體均有相變化的恒溫傳熱過程。。

蒸發操作的特點

四溶液性質：熱敏性、腐蝕性、結垢性、泡沫、粘度等。泡沫挾帶：二次蒸氣中帶有大量泡沫，易造成物料損失和冷凝設備污染。能源利用：二次蒸氣的利用是蒸發操作中要考慮的關鍵問題之一。溶液的沸點升高：一定壓強下，溶液的沸點較純水高，兩者之差，稱為溶液的沸點升高。稀溶液或有機溶液沸點升高值較小，無機鹽溶液較大。第二節單效蒸發

溶液的沸點升高和溫度差損失一對于同一種溶液，沸點升高值隨溶液濃度及蒸發器內液柱高度而異，濃度越大，液柱越高，沸點升高值越大。溶液沸點升高的計算公式：式中

Δ—溶液的沸點升高，℃

t—溶液的沸點，℃

T—與溶液壓強相等時水的沸點，即二次蒸氣的飽和溫度，℃傳熱溫度差損失：在一定操作壓強條件下溶液的沸點升高。t—溶液的沸點，℃T—純水在操作沸點，℃Ts—加熱蒸氣的溫度，℃計算公式為：Δt—傳熱的有效溫度差，℃

Δto

—理論上的傳熱溫度差，℃例：用476kN/m2（絕壓）的水蒸氣作為加熱蒸汽（Ts=150℃），蒸發室內壓力為1atm，蒸發30%的NaOH溶液，沸點為t=115℃。其最大傳熱溫度差?有效溫度差為多少？溫度差損失為多少？

則其最大傳熱溫度差，用ΔtT來表示：

ΔtT=Ts-T=150-100=50℃有效溫度差為：

Δt=Ts-t=150-115=35℃則溫度差損失為：

Δ=ΔtT-Δt=（

Ts-T）-（Ts-t）

=t-T=15℃

即傳熱溫度差損失等于溶液的沸點與同壓下水的沸點之差。Δ溶液的沸點t（=T+Δ）有效傳熱溫度差Δt（=ΔtT-Δ）（1）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失Δ′；(濃度效應沸點升高)（3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失。（2）因加熱管內液柱靜壓強而引起的溫度差損失Δ″；總溫度差損失為：蒸發過程中引起溫度差損失的原因有：t—溶液沸點℃，主要與溶液的類別、濃度及操作壓強有關。T—與溶液壓強相等時水的沸點，即二次蒸氣的飽和溫度，℃

在文獻和手冊中，可以查到常壓（1atm）下某些溶液在不同濃度時的沸點數據。(表6-1不同濃度蔗糖沸點升高)非常壓下的溶液沸點則需計算，估算方法有兩種。1溶液的蒸汽壓下降引起的溫度差損失吉辛科公式杜林法則非電解質溶液的沸點升高遠小于電解質溶液式中

—常壓下水溶液的沸點升高，可由實驗測定的tA值(或查表)求得，℃；

Δ′—操作條件下溶液的沸點升高，℃；

f—校正系數，無因次。其經驗計算式為：

t′—操作壓強下二次蒸氣的溫度，℃；r—操作壓強下二次蒸氣的汽化熱，kJ/kg。(1)吉辛科公式例：已知蒸發器中的蔗糖溶液質量濃度為50%,蒸發的操作壓強(絕對)為0.7105Pa,相應的水的沸點(二次蒸汽溫度)為90℃。問該溶液濃度效應的沸點升高是多少？解：由飽和水蒸氣性質表，查得在壓強為0.7×105Pa時，水的汽化熱r為2283kJ/kg，則校正系數f為由表6-1，得1個大氣壓下，50%的蔗糖溶液的濃度效應沸點升高值為2℃，則(2)杜林規則

該規則認為：某溶液（或液體）在兩種不同壓力下兩沸點之差與另一標準液體在相應壓力下兩沸點之差，其比值為一常數，即

tA

′、tw′—分別為壓強pN下溶液的沸點與純水的沸點，℃tA、tw—分別為壓強pw

下溶液的沸點與純水的沸點，℃

常用水作為標準液體

一定濃度下溶液的沸點與相同壓強下水的沸點呈直線關系，可以利用杜林線求不同濃度的溶液在任一壓力下的沸點。

液層內的溶液的沸點高于液面的沸點，液層內部沸點與表面沸點之差即為因液柱靜壓強而引起的溫度差損失。式中pm——液層中部的平均壓強，Papo——液面的壓強，即二次蒸氣的壓強，PaH——液層深度，m

簡化處理：計算時以液層中部的平均壓強pm及相應的沸點tAm為準，中部的壓強為：

2液柱靜壓強引起的溫度差損失

常根據平均壓強pm查出純水的相應沸點tm′，故因靜壓強而引起的溫度差損失為：

Δ″=tpm-tpotpm

—與平均壓強pm相對應純水的沸點，℃tpo—與二次蒸氣壓強p′相對應的水的沸點，℃影響Δ″的因素：（1）沸騰時液層內混有氣泡，液層的實際密度較計算公式所用的純液體密度要小，使得算出的Δ″值偏大；（2）當溶液在加熱管內的循環速度較大時，就會因流體阻力使平均壓強增高。對上式，如果總液層高度H為沸騰液層高度，則相應的液體密度ρ應為汽液混合物的平均密度。對于水溶液，可以用下式計算靜壓效應的沸點升高值以上各式的pm的計算均需要知道操作壓強p，如果不知道操作壓強，而只知道該壓強下的飽和水蒸氣溫度t′，則可由下式計算水蒸氣的飽和壓強p[例]用連續真空蒸發器將桃漿從含固形物11％濃縮至含固形物40％。蒸發器內真空度為93.3kPa，液層深度2m，采用100℃蒸汽加熱，桃漿的密度為1180kg／m3。求溫差損失及蒸發器的有效溫差。[解](1)93.3kPa真空度下，水蒸氣的飽和溫度為41.6℃，在該溫度下水的汽化潛熱r′＝2400kJ／kg，參考糖液的數據，常壓下沸點的升高△0′為1.0℃。由吉辛柯公式（2）液體平均壓強K查水的物性表

tm＝59.6℃（3）有效溫差

KK

采用多效蒸發時，二次蒸氣在離開前一效蒸發室流往后一效加熱室的過程中要克服管道的流動阻力，從而導致蒸汽溫度下降。此項溫度差損失與蒸汽的流速、物性和管道的尺寸有關，一般取0.5~1.5K。3管路流體阻力而引起的溫度差損失單效蒸發的計算項目有：

（1）蒸發量；（2）加熱蒸氣消耗量；（3）蒸發器的傳熱面積通常生產任務中已知的項目有：

（1）原料液流量、組成與溫度；（2）完成液組成；（3）加熱蒸氣壓強或溫度；（4）冷凝器的壓強或溫度。

單效蒸發的計算二式中F—原料液流量

W—蒸發量

x0—原料液的質量組成

x1—完成液的組成對單效蒸發器作溶質衡算得1蒸發量w加熱室F,x0,t0,h0D,T,H蒸發室W,T’,H’D,T,hw(F-W),x1t1,h1QL

蒸發操作中，加熱蒸氣的熱量一般用于將溶液加熱至沸點，將水分蒸發為蒸氣以及向周圍散失的熱量。

對于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀釋時釋放出熱量，則當其蒸發濃縮時應考慮供給和稀釋熱相當的濃縮熱。2加熱蒸氣消耗量D2.1溶液稀釋熱不可忽略時對單效蒸發器作物料的熱量衡算，得式中D——加熱蒸氣的消耗量,kg/h

H——加熱蒸氣的焓,kJ/kgh0——原料液的焓,kJ/kg

H’——二次蒸氣的焓,kJ/kgh1——完成液的焓,kJ/kg

hw——冷凝水的焓,kJ/kgQL——熱損失,kJ/h若加熱蒸氣的冷凝液在蒸氣的飽和溫度下排除r加熱蒸氣的汽化熱，kJ/kg2.2溶液的稀釋熱可以忽略時計算溶液比熱的經驗公式為：

Cp=cpw

(1-x)+cpB

x

當x<0.2時，上式簡化為：

Cp=cpw(1-x)

Cp—溶液的比熱,kJ/(kg?

℃);

Cpw—純水的比熱,kJ/(kg?

℃);

CpB—溶質的比熱,kJ/(kg?

℃).Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1

(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0計算原料液及完成液的比熱可分別寫成聯立上兩式，得Fx0=(F-W)x1(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw即為完成液比熱與原料液比熱間的關系式(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw

r—加熱蒸氣的汽化熱，kJ/kg；

r′—二次蒸氣的汽化熱，kJ/kg。rr′

上式說明加熱蒸氣的熱量用于將原料液加熱到沸點、蒸發水分以及向周圍的熱損失。若原料液預熱至沸點再進入蒸發器，且忽略熱損失

e—蒸發1kg水分時，加熱蒸氣的消耗量，稱為單位蒸氣耗量，kg/kg。單效蒸發操作中e≈1，每蒸發1kg的水分約消耗1kg的加熱蒸氣（由于蒸汽的汽化熱隨壓強變化不大，即r≈r′）；實際蒸發操作中e值約為1.1或更大；

1）溫度差的損失的存在；

2）二次蒸汽的氣化潛熱總是大于加熱蒸汽的汽化潛熱。

e值是衡量蒸發裝置經濟程度的指標。3

單位蒸氣消耗量

若加熱蒸氣的冷凝水在飽和溫度下排除，且忽略熱損失，則蒸發器的熱負荷為：

蒸發器的熱負荷只是用于將水分汽化。Q=Dr3.1蒸發器的熱負荷QK值約為600~6000W/m2K

Pt取決于：冷凝器壓力P、溶液濃度、蒸發室內液層深度，因此，t>T。

P△=t-T-----傳熱溫度差損失3.2傳熱面積A蒸發器的傳熱面積由傳熱速率公式計算，即：

例:在單效薄膜式蒸發器內將番茄汁從固形物含量12％濃縮到28％。番茄汁已預熱到最高許可溫度60℃后進料。采用表壓為70kPa的飽和水蒸氣加熱。設蒸發器傳熱面積為0.4m2，傳熱系數為1500w／(m2．K)。試近似估算蒸汽消耗量和原料量。

[解]根據加熱蒸汽的壓強，由水蒸氣表查得飽和溫度為114．5℃，汽化潛熱為2210kJ/kg，由傳熱速率方程計算傳熱量。蒸汽消耗量

查水蒸氣表，在60℃下水的汽化潛熱為2340kJ／kg，則蒸發量：料液流量WFD

蒸發器的生產能力用單位時間內蒸發的水分量，即蒸發量表示。其生產能力的大小取決于通過傳熱面積的傳熱速率Q，因此也可以用蒸發器的傳熱速率來衡量生產能力。根據傳熱速率方程得單效蒸發時的傳熱速率為：Q=KAΔt

或Q=KA(T-t1)

1蒸發器的生產能力

蒸發器的生產能力和生產強度三進料狀況影響蒸發器的生產能力：(1)低于沸點進料時，需消耗部分熱量將溶液加熱至沸點，因而降低了生產能力；(2)沸點進料時，通過傳熱面的熱量全部用于蒸發水分，其生產能力有所增加；(3)高于沸點進料時，由于部分原料液的自動蒸發，使生產能力有所增加。

蒸發器的生產強度是指單位傳熱面積上單位時間內蒸發的水量，單位為kg/(m2·h)，常采用生產強度U作為衡量蒸發器性能的標準。若為沸點進料，且忽略熱損失，則：

由上式可以看出，欲提高蒸發器的生產強度，必須設法提高蒸發器的總傳熱系數和傳熱溫度差。2蒸發器的生產強度

傳熱溫度差主要取決于加熱蒸氣和冷凝器中二次蒸氣的壓強。傳熱溫度差的提高是有一定限度的，原因如下：加熱蒸氣的壓強越高，其飽和溫度也越高，但是加熱蒸氣常受工廠的供汽條件所限。提高冷凝器的真空度，使溶液的沸點降低，也可以加大溫度差，但是冷凝器真空度的提高也是受到限制的，一般冷凝器中的壓強不低于10~20kPa。為了控制沸騰操作局限于泡核沸騰區，也不宜采用過高的傳熱溫度差。

一般來說，增大總傳熱系數是提高蒸發器生產強度的主要途徑。總傳熱系數K值取決于對流傳熱系數和污垢熱阻。蒸氣冷凝傳熱系數通常比溶液沸騰傳熱系數大，即傳熱總熱阻中，蒸氣冷凝側的熱阻較小。在蒸發器的設計和操作中，必須考慮及時排除蒸氣中的不凝氣，否則，其熱阻將大大增加，使總傳熱系數下降。特點：熱阻在管內垢層及管內沸騰傳熱一方提高傳熱系數的措施：

1、定期清理垢層；

2、加快流體的循環速度：自然循環→強制循環

3、加熱微量阻垢劑以延緩形成垢層；在處理有結晶物析出的物料時，可加入少量晶種（結晶顆粒），使結晶盡可能在溶液主體中進行，而不是在加熱面進行。

添加表面活性劑：表面活性劑降低了相界面之間的張力，從而產生了潤濕、抗再黏附作用。既增大了沸騰傳熱系數、又可使沸騰側的加熱面不生成垢層。

提高傳熱系數的方法4、管型改造：

表面多孔管：在普通金屬管內或外表面加上一薄層多孔金屬，使換熱表面具有大量穩定的汽化核心，使沸騰傳熱系數比光管提高10倍以上。提高傳熱系數的措施：第三節多效蒸發P二次蒸汽平流流程錯流流程逆流流程并流流程按料液與二次蒸汽的走向分為一、多效蒸發及其流程原料液加熱蒸汽至冷凝器

完成液123冷凝水冷凝水冷凝水

并流加料法的三效蒸發裝置流程示意圖1并流法思考1：P1、P2、P3大小順序？P二次蒸汽123并流流程：思考2：并流流程優、缺點①料液可自動流入下一效，無需泵輸送；②溶液會自蒸發而產生更多的蒸汽；③傳熱推動力依次減小；④K依次減小；2逆流法優、缺點：

①料液需用泵送入下一效,沒有自蒸發；②傳熱推動力較為均勻；

效數多時，也可采用順流和逆流并用的操作，稱為混流法，這種流程可協調兩種流程的優缺點，適于粘度極高料液的濃縮。

3平流法

原料液分別加入各效中，完成液也分別自各效底部取出，蒸氣流向仍是由第一效流至末效。此種流程適用于處理蒸發過程中伴有結晶析出的溶液。4混（錯）流法P123平流流程優、缺點：①各效獨立進料，傳熱狀況均較好；②物料停留時間較短平流流程：P二次蒸汽123優、缺點：①兼有并、逆流的優點；②操作復雜；錯（混）流流程：思考：1、粘度隨濃度變化很大的料液，宜采用哪一種流程？平流、逆流或錯流2、當最后濃縮液在高溫下易被破壞時，宜采用哪一種流程？

并流3、當進料幾乎是飽和液時，宜采用哪一種流程？

平流二、提高生蒸汽熱能利用程度的措施采用多效額外蒸汽的引出蒸汽再壓縮采用熱泵蒸發流程冷凝水的自蒸發假設有n+1效，除最后一效外，每一效均抽出額外蒸汽，分別為E1、E2、……En。于是額外蒸汽的引出-----1kg生蒸汽可換取2kg的額外蒸汽(理想情況)不引出額外蒸汽時，有則總的額外蒸汽引出量E=nkg蒸汽再壓縮

如將低品位的蒸汽壓縮，提高其品位，則將大大提高蒸發系統的熱能經濟性。

噴射壓縮

利用文丘里管，使高壓蒸汽（工作蒸汽）以高速通過文丘里管，在喉部形成低壓，將低壓二次蒸汽吸入，混合成中壓蒸汽。實際上是使用有效能位較高的蒸汽與有效能位較低的蒸汽混合，成為有效能位中等的蒸汽，可直接作為蒸發系統的加熱蒸汽。

機械壓縮

是將低壓二次蒸汽采用壓縮機進行壓縮，成為高壓蒸汽。它消耗的是機械能，但不需要高壓蒸汽。

以氨為工作介質，高溫、高壓的氨蒸汽作為蒸發器的加熱介質在加熱室內冷凝，使溶液蒸發，生成二次蒸汽。冷凝后的高壓液氨經膨脹閥降溫后進入表面冷凝器，在其中與二次蒸汽接觸，吸收熱量，自身汽化成低壓氨蒸汽，然后再用壓縮機壓縮到高溫高壓，完成一個工作循環。采用熱泵蒸發流程

將冷凝水減壓而自蒸發，與二次蒸汽一起進入下一效作為加熱蒸汽用。冷凝水的自蒸發連續式、間歇式常壓式、減壓式、加壓式循環式蒸發器：*

單程式中央循環管式蒸發器、懸框式蒸發器、列文式蒸發器（外循環蒸發器）自然循環：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產生了密度差而引起的循環運動；強制循環：依靠外加動力迫使溶液沿一個方向作循環運動。第四節蒸發設備優點：結構緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等，應用十分廣泛。缺點：（1）循環速度較低，管內流速<0.5m/s；（2）溶液在加熱室中不斷循環，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液粘度大、沸點高，有效溫度差小。（3）設備的清洗和維修也不夠方便。中央循環管式蒸發器（自然循環型）其截面積一般為其它加熱管總截面積的40～100%循環型料液生蒸汽應用廣泛，適用于處理量大、結垢不嚴重的物系。細管：沸騰管或加熱管，直徑Ф25-75mm，長徑比20-40升膜式蒸發器-----價廉降膜式蒸發器-----價廉刮板式蒸發器升-降膜式蒸發器溶液在蒸發器中只通過加熱室一次，不作循環流動。溶液通過加熱室時，在管壁上呈膜狀流動，故習慣上又稱為液膜式蒸發器。

用于熱敏性、高粘性、易結垢產品的濃縮、蒸餾或提純。溶液不循環帶來好處有：（1）溶液在蒸發器中的停留時間很短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發；（2）整個溶液的濃度，不象循環型那樣總是接近于完成液的濃度，因而這種蒸發器的有效溫差較大。

單程型料液在加熱管內受熱汽化，生成的蒸汽在加熱管內高速上升（常壓下汽速為20～50m/s，減壓下汽速可達100至160m/s或更大些）。溶液被上升的蒸汽所帶動，沿管壁成膜狀上升并繼續蒸發，汽、液混合物在分離器內分離。單程型升膜式蒸發器加熱管直徑約為25～50mm，管長和管徑之比約為100～150分離器單程型升膜式蒸發器優點：溶液在蒸發器中不循環，停留時間很短，因而特

別適用于熱敏性物料的蒸發；由于溶液呈膜狀流動，因而對流傳熱系數較大。缺點：

對進料負荷的波動相當敏感，當設計或操作不適當時不易成膜，此時，對流傳熱系數將明顯下降。適用場合：適用于黏度較小的（小于0.05Pa·s）、蒸發量較大、易受熱分解的熱敏性溶液者；不適用于粘度很大，易結晶或易結垢的物料的蒸發。單程型降膜式蒸發器料液是從蒸發器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過程中蒸發增濃，在其底部得到濃縮液。

降膜式蒸發器可以蒸發濃度較高、粘度較大（0.05～0.45Pa·s）、蒸發量較小、熱敏性的物料。但因液膜在管內分布不易均勻，傳熱系數比升膜式蒸發器的較小，仍不適用易結晶或易結垢的物料。布膜裝置單程型刮板式蒸發器適用于黏度較大（大于1～10Pa·s及以上者）。優點：熱阻影響小，傳熱系數大，停留時間短，一般為數秒或幾十秒，故可適應于高粘度（如栲膠、蜂蜜等）和易結晶、結垢、含固體、熱敏性的物料。缺點：結構復雜，動力消耗大，處理量很小且制造安裝要求高。

刮板結構：加熱管是一根垂直的空心管，圓管外有夾套，內通加熱蒸氣，圓管內裝可以旋轉的攪拌葉片。原理：原料液沿切線方向進入管內，由于受離心力、重力及葉片的刮帶作用，在管壁上形成旋轉下降的薄膜，并不斷的被蒸發，完成液由底部排出。一、結晶的原理

固體物質以晶體狀態從蒸氣、液體熔化物或溶液中析出的過程稱為結晶。結晶過程可分為溶液結晶、熔融結晶、升華結晶和沉淀結晶四類。

結晶過程的特點：（1）能夠獲得高純度的產品；（2）對于揮發度較接近的體系，或恒沸物，或熱敏性物系，若熔點相差較大，就可用結晶法分離；（3）結晶熱一般只有汽化熱的1/3~1/10