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第七章蒸发
本章将主要介绍①蒸发操作的原理、流程和特点;②常用蒸发设备的结构,工作原理和特点;③蒸发计算的基本关系式,单效蒸发的计算;④多效蒸发的流程、问题分析和计算方法
本章重点:①蒸发操作的特点;②以水为溶剂的溶液的单效蒸发计算;③多效蒸发和单效蒸发的比较。
第一节概述
原理:蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法,使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾,其中的部分溶剂被气化除去,而溶液得到浓缩。应用:按蒸发目的主要用于以下场合:①将溶液浓缩后冷却结晶,获得固体产品;②获得纯净的溶剂产品;③获得浓缩的溶液产品。 基本概念
蒸发流程和术语:
蒸发的分类:
以***铵水溶液的蒸发为例(如图7-1),该流程包括蒸发器和冷凝器。蒸发器由加热室和蒸发室组成,下部的加热室由多根加热管组成,管外通入加热蒸气,放出潜热,加热管内溶液,使之沸腾汽化;上部为蒸发室,用于除去溶剂蒸气中夹带的雾沫和液滴。稀***铵溶液(料液)经预热后进入蒸发器,在加热室中被加热气化,浓缩后的溶液(常称为完成液)从蒸发器底部排出,产生的溶剂蒸气(称为二次蒸气)通过蒸发室及其顶部的除沫器,与所夹带的液沫分离,经冷凝器冷凝后排出。    蒸发过程所用的加热介质通常为水蒸气(加热蒸气,也称为生蒸气),当溶液的沸点很高时,可采用联苯、融盐等其他的高温载热体作为热源。
图7-1 ***铵水溶液蒸发流程
2 蒸发分类   按操作方式可以分为间歇式和连续式,大多数蒸发过程为连续操作的稳态过程。   按二次蒸气的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发,若产生的二次蒸气不加利用,直接经冷凝器冷凝后排出,这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸气引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气,并把若干个蒸发器串联组合使用,这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中,二次蒸气的潜热得到较为充分的利用,提高了加热蒸气的利用率。
蒸发可在常压、加压或减压下进行。减压蒸发也称为真空蒸发。真空蒸发有许多优点:在低压下操作,溶液沸点较低,有利于提高蒸发的传热温差;可以利用低压蒸气作为热源;对热敏性物质的蒸发也较为有利。在加压蒸发中,所得到的二次蒸气温度较高,可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此,单效蒸发多为真空蒸发;多效蒸发的前效为加压或常压操作,而后效则在真空下操作。
蒸发操作的特点:常见的蒸发是间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程。但又有以下特点:①溶液的沸点升高:由于不挥发溶质的存在,溶液的蒸气压低于同温度下纯溶剂的蒸气压。因此,在相同压力下,溶液的沸点高于纯溶剂的沸点,这种现象称为溶液的沸点升高。溶液的沸点升高导致蒸发的传热温度差的降低。②能耗较大:蒸发操作所汽化的溶剂量较大,需要消耗大量的加热蒸气。因此需要考虑热量的利用的问题。③溶液特性:有些物料浓缩时易于结晶,结垢;有些热敏性物料由于沸点升高更易于变性;有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性,等等。需要根据物料的特性和工艺要求,选择适宜的蒸发流程和设备。
第二节单效蒸发和真空蒸发
7-2单效蒸发计算 
单效蒸发器的物流关系如图7-2所示。其计算问题可以分为两类:设计型和操作型。基本关系式:物料衡算式,热量衡算式,传热方程  本节主要介绍单效蒸发的基本关系式和设计型问题的计算。
一、物料衡算
对图7-2所示的蒸发器做溶质的物料衡算可得  Fx0=(F-W)x     ()
式中:  F,x0-分别为料液的流量(kg/s)和溶质浓度(质量分数); W-蒸发水分的流量(kg/s);  x-完成液中溶质的浓度(质量分数)。,已知F,x0,x,即可求的水分蒸发量   W=F(1-x0/x)    ()
图7-2 单效蒸发的物料衡算,热量衡算
二、热量衡算(1) 热量衡算式   对图7-2所示的蒸发器做热量衡算可得     DH+Fh0=Dhw+(F-W)h+WH′+QL     ()或  Q=D(H-hw)=F(h-h0)+W(H′-h)+QL ()
式中:    D-加热蒸气的消耗量,kg/s;     H-加热蒸气的质量焓,J/kg;    h0-料液的质量焓,J/kg;    hw-冷凝水的质量焓,J/kg;    h-完成液的质量焓,J/kg;    H′-二次蒸气的质量焓,J/kg;    QL-蒸发器的热损失,W;    Q-蒸发器的热流量,W。由式()可知,已知各项热焓和热损失,即可求得蒸发器的热流量Q和加热蒸气消耗量D。
2) 热量衡算式的简化对于许多物系,溶解热和稀释热不大,通常可以忽略。对这类物系,溶液的热焓和比热容可以取质量平均,热量衡算式可以简化为 ()     ()
式中,