蒸发的基本原理

蒸发的基本原理

前言

使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发，所采用的设备称为蒸发器。蒸发操作广泛应用于化工、石油化工、制药、制糖、造纸、深冷、海水淡化及原子能等工业中。

蒸发操作中的热源厂采用新鲜的饱和水蒸汽，又称生蒸汽。从溶液中蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，以区别于生蒸汽。在操作中一般用冷凝方法将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作称为单效蒸发。若将二次蒸汽引到下一效蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。

蒸发操作可以在加压、常压或减压下进行，工业上的蒸发操作经常在减压下进行，这种操作称为真空蒸发。真空蒸发的特点在于：1. 减压下溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源。2. 溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高传热总温度差;但与此同时，溶液的粘度加大，使总传热系数下降。3. 真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的投资费用和操作费用提高。

一般情况下，经浓缩后的液体为产品，二次蒸汽冷凝液则被排除；蒸发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，但又有别于一般传热过程，因为蒸发过程具有以下特点：

1） 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

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避免两侧流体均有相变的恒温传热过程。

2） 溶液性质 有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和生泡沫、高温下易分解和聚合；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐增强。

3） 溶液沸点的改变 含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下溶剂（即纯水）的为低，换言之，在相同压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，故当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差。溶液浓度越高这种现象越显著。

4） 泡沫夹带 二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且要污染冷凝设备。

5） 能源利用 蒸发时产生大量二次蒸汽，如何利用它的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。多效蒸发器就有效的解决了这个问题。

蒸发器主要是由加热室及分离器组成。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，可将工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型（非膜式）和单程式（膜式）两大类。

1. 循环型（非膜式）蒸发器

这类蒸发器的特点时溶液在蒸发器内作连续循环运动，以提高传热效果、缓和溶液结构情况。由于引起循环运动的原因不同，可分为自然循环和强制循环两种类型。前者是由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动：后者是依靠外加动力坡时溶液沿一方向作循环流动。其包括：（一）中央循环管式（或标准式）蒸发器（二）悬筐式蒸发器（三）外热式蒸发器（四）强制循环蒸发器

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2. 膜式（单程型）蒸发器

非膜式蒸发器的主要缺点是加热室内滞料量大，致使物料在高温下停留时间长，热别不适于处理热敏性物料。在膜式蒸发器内，溶液只通过加热是一次即可浓缩到需要的浓度，停留时间仅为数秒或十余秒钟。操作过程中溶液沿加热管壁呈传热效果最佳的膜状流动。包括：（一）升膜式蒸发器（二）降膜式蒸发器（三）升-降膜蒸发器（四）刮板搅拌薄膜蒸发器。

本公司使用的是降膜式蒸发器，原料液由加热室顶部进入，经管端的液体分布器均匀地流入加热管内，在溶液本身的重力作用下，溶液沿管内壁呈膜状下流，并进行蒸发。为了使溶液内在管壁上均匀布膜，为了使效率更佳，蒸发器顶部必须设置良好的液体分布器。

蒸发罐及其在纸浆厂的地位

浆厂及纸厂的操作有一系列的复杂程序。所有过程的每一方面都依赖于所有其他方面的正常运行。为保持费用最低，制浆过程中的许多副产品都要回收再利用。

木块转化为木浆，需要混入NaOH及Na2SO4两种化合物，然后它们和木块放在蒸煮器中蒸煮。这个过程分解木块中的粘合物质及将木质纤维分离出来。蒸煮上述混合物产生一种叫“黑液”的稀溶液。这种黑液大部分由水组成（重量约占80-85%），其余（重量约15-20%）是蒸煮用的无机化学药品和有机木质素的混合物。黑液里的这种非水部分称作黑液固形物。通过蒸发掉黑液中的水份，燃烧其中的有机物，并将剩余的无机化学药品转化为它们的原始形式，可以回收重新用来蒸煮的无机化学药品。

用蒸汽作为热源，蒸发罐蒸发掉稀黑液中的水分。水分蒸发掉后，黑液固形物被浓缩

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为占剩余溶液的70%（重量）以上，成为重黑液。这样过后，浓黑液能作为燃料在RB中燃烧，产生蒸汽还原黑液中蒸煮用的化学药品。把黑液浓缩为浓度80%以上的一个好处是减少排到大气中的TRS等有害物质。

定义

 蒸发罐

首先需要复习的一个基本概念是蒸发，让我们从水开始谈起。

水分子有两个氢原子（正电荷）和一个氧原子（负电荷）组成。如图所示，每个分子正负电荷间有大量的空间，这些电荷间强大的引力使水聚在一起。当液体表面附近的一个微粒获得足够的能量以克服液体表面微粒对它的吸引力而逃逸到气体状态，蒸发就产生了。换句话说，任何蒸发罐的主要目的是将水份从黑液中蒸发掉。基本上蒸发罐是这样工作的，把水分蒸发掉。蒸发出来黑液作RB燃烧用的燃料。把黑液作为燃料在RB中燃烧使工厂经济地产生蒸汽和动力，同时燃烧使工厂从黑液中回收有用的化学药品。而HPD蒸发罐是蒸发和回收过程中的一个关键元素。

 沸点

为使水沸腾，加热是必需的。海拔为零的水在100°C沸腾。在这个温度，水从液态转化到气态。然而，当气压上升到13.8 bar(g)时，温度要上升到150°C水才沸腾。相应的，房子里的一壶水如果表压-667.7mm Hg柱（即绝压92.30mm Hg）则在50°C时就沸腾。从所提供的表格中很容易找到温度/气压之间的关系。即降低压力就降低沸点。

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 能量，热量

热量是一种能量，其度量单位是卡。1卡是把1kg水加热上升1°C所需的热量。这个热量度量单位是个很重要的概念，它帮我们描述热量传递和要达到一个具体温度所需要的能量，比如说这个能量是用来蒸发水还是为你的房子取暖。为更好的描述一定量的蒸发所需要的热量数量，我们还应该理解饱和，过热及过冷等概念。

 饱和

假定在一间房子里有一个容器装有1kg 15°C的水，这时，水的蒸发基本上是不存在的。为了发生蒸发，水必须加热到100°C或其沸点。最初所加的热量不产生蒸发只提高水的温度。这些所加的热量被称作水的敏感热。敏感热量就是1kg 水加热到沸腾所需的热量。既然如此，上面所说的房间里的水的敏感热量是85卡。一旦到达沸点，再加热水的温度也将不上升，其再加的热量将使水沸腾或蒸发。从沸腾开始蒸发水所加的热量叫做蒸发潜热（Latent Heat Vaporization,abbre. LHV）。蒸发1kg水所需的能量（LHV）大于把它加热到沸点所需的能量（敏感热）。既然如此，蒸发1kg水的蒸发潜热（LHV）是538卡。上面所描述的沸腾过程中所产生的蒸汽存在一个最低温度而使其不致冷疑成水。这个温度我们叫做饱和温度。前面所列的温度表列出了不同操作压力下水的饱和温度和沸点。值得注意的是在零表压下（大气或室压），饱和温度或沸点均是100摄氏度。这里需重点指出的是，把水从液态变为蒸汽所需的热量（即LTV）在蒸汽冷凝到液态时就被回收了，这就是冷凝器之所以能工作的奥秘。

 过热 (superheating)

当水在沸点转化为蒸汽时，这种蒸汽叫饱和蒸汽。然而，现场蒸汽常比饱和温度要高。

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在这种情况下，蒸汽被认为含有过热。因为前述的蒸汽假设为饱和蒸汽，所以过热蒸汽不能用蒸汽表来描述，过热蒸汽比饱和蒸汽含有更多的热能。通过加水过热蒸汽可以转化为饱和蒸汽。这一方法常使用于进入蒸发链中的现场蒸汽。系统减温装置设立于所有现场蒸汽的入口处。

 过冷（sub cooling）

当所有的蒸汽都被冷凝，剩下的不能冷凝气体也被冷凝到饱和温度以下。这种状态下的蒸汽被称作过冷。

 腾发 (flashing)

正如我们所讨论的，压力降低时液体的沸点也降低。若把沸点的液体突然移到另一个压力低的地方，有足够多的热量就会从液体中取走，温度就会下降到它在此压力下新的沸点。这就是我们所说的腾发。

 沸点上升 (Boiling Point Rise BPR)

任何压力下水的沸点均在我们前述的蒸汽表中给出了。然而，当脏物质或可溶物存在时，水分子间就有更大的引力以保持液态。此时，需要更高的温度提供足够的能量以使水分子逃逸出水表面。这种升高的液体温度与原饱和蒸汽温度之差叫做沸点上升（BPR）。随着有形物质或固体浓度的提高，沸点也上升。在相应的图形上一条典型曲线表明了黑液浓度对BPR的影响。

 经济效率

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效率是每千克蒸汽所产生的蒸发量。对液体而言，降低压力就降低沸点。也就是说，只要后续单元的压力比前续单元的压力低，则前续单元所产生的蒸汽就可用来给后续单元供热。不断地用前一效罐的二次蒸汽作为热源，供热给后一效罐，真空系统和冷凝器就可使液体沸腾。如果有多个效罐使用，这种做法就节约了大量的蒸汽用来蒸发。因为重复使用二次蒸汽，随着效罐的增加，每磅蒸汽我们可以获得越来越多的蒸发。因而，六效罐系统比三效罐系统有更好的效率，而三效罐系统比二效罐系统有更好的效率。

 溢流

 大量的蒸汽冒出液体时，液体可能被带入到下一个效罐，这种情况叫做液体溢流。溢流不仅造成污染冷凝的问题，而且过多的溢流可能浪费系统中可用的化学物质，提高成本。溢流隔离器和去雾器用来保持溢流最小，这将在设备分析中详细讨论。

 传导性 (Conductivity)

传导度是溶液导电能力的度量单位。纯水的导电度很小，而污水有很好的的传导性。随着液体浓度的增加其传导度也增加。正是基于这个原因，传导性可以很好地衡量水或工厂中冷凝水受污染的程度，它也可以作为溢流发生的警报。

 比重 (Density)

黑液比重有好几种定义。通常把单位体积下的水在参考温度下（通常15℃或20℃）的具体重量定义为说的比重。比重用一种装置（液体比重计）来测定，它是用波美度来做单位。1波美度等于60℉（15℃）时的浓度。

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传热

我们知道，要使液体沸腾必须给液体传热，描述传热的基本公式是：

Q = U ·A·⊿T

这个方程决定热量传导的多少和蒸发的发生量，让我们仔细分析这个方程：

U ------ 传热系数，表明装置热传导的能力

A ------ 传热面积，每一特定的传热装置有固定的传热面积

因为所传导的热量Q直接影响蒸发量，所以⊿T是影响蒸发量的重要因素。当蒸发罐正常运行时，U是管子的特征所决定的（操作者不能改变），传热面积A也不变。因此，⊿T是唯一的变量，操作者可通过改变⊿T来影响传热效率。事实上，整体的有效温差⊿T（蒸汽温度－真空条件下液体的汽化温度－总BPR）是蒸发的动力。换句话说，整体的有效温差⊿T直接影响蒸发量。操作员可以通过改变蒸汽的压力、温度或真空的压力、温度来改变整体的有效温差⊿T。如插图所示，真空度为35 mm Hg的微小温度变化可以引起产能下降8.5﹪.

减少传热

有好多因素可以降低传热率。比如塞管减小有效的传热面积，从而降低传热效率。有好几种情况造成塞管。其一、蒸汽过热程度太高就可能造成塞管。其二、由于CaCO3的溶解度与温度成反向关系，以及这种情况是在热点的位置发生，故塞管常发生。其三、在液体里面如果出现纤维常促使形成热点，这种热点生成结垢，造成塞管。结垢虽然并不占去

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全部所用的管子面积，但它减小了传热系数，是一个严重的问题。大量的沉淀物增加了热流的阻力。结垢物可能有好几种原因造成——纤维沉淀（热点）、过热蒸汽、维持了太高的蒸汽压或太少的液态化学物。结垢物有的可溶（如水），有的不可溶（如CaCO3），但好几个状态的结垢物均造成塞管。在检修中发现漏液的管子，常用机械的塞管方式，以使装备正常工作。但机械式的塞管减少有效传热面积，这种状况在老设备中很常见。

蒸汽或加热蒸汽给黑液供热时，它们自己也就被冷凝。当冷凝生成得比冷凝物吸收的速度还要快时，冷凝所发生的效罐就出现“大量冷凝物水”。罐底的这些过多冷凝水造成有效的传热面积减少。系统中有冷凝水设备（旁道）以在冷凝水过多时使用。水汽或蒸汽总包含一些不冷凝气体(NCG),如果让这些NCG积多了，占有管子，就会覆盖管子表面，造成传热面积的减少。设置NCG出口并保持其正常运行，以便保持蒸汽顺畅传递。二次蒸汽速度也能影响传热效率,太高的二次蒸汽速度导致过度的蒸汽压降、过度的沸腾和entrainment；太低的二次蒸汽速度可能防碍液膜形成恰当的厚度，在LTV蒸发罐里尤其是这样。恰当的液膜厚度对获得恰当大小的传热系数是非常重要的。例外，液膜厚度不仅取决于蒸汽负载，也深受管状液流速度的影响。太高的管状液流速度导致过厚的液膜或过多的塞管，从而降低传热效率；而太低的速度回造成热点或加速结垢的形成。

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