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第六章 蒸发-结晶
第一节 蒸发-结晶的主要任务
蒸发操作：将含有不挥发性溶质、挥发性溶剂的稀溶液加热至沸腾，使部分溶剂汽化
并不断移除，从而提高溶 液中溶质浓度的操作。
结晶操作：使溶液由不饱和变为过饱和，过剩的溶质呈晶体析出的操作。
蒸发-结晶操作的任务就是将不挥发性的溶质和挥发性的溶剂进行分离。
蒸发操作主要采用饱和水蒸汽加热，而被蒸发的物料大多是水溶液，
故蒸发时产生的蒸汽也是水蒸汽。
热源蒸汽习惯上称为生蒸汽或一次蒸汽；
从蒸发器汽化生成的水蒸气称为二次蒸汽。
为了区别这两种蒸汽
蒸发分类
1.按加热方式：直接加热和间接加热；
2.按加热情况：自然蒸发和沸腾蒸发；
自然蒸发——加热温度低于溶液沸点，只在溶液表面发生汽化。
沸腾蒸发——加热温度等于溶液沸点，溶液内部和表面同时发生汽化。
3.按蒸发器的效数：单效蒸发和多效蒸发
单效蒸发：若将二次蒸汽直接冷凝，而不再利用其冷凝热的操作。
多效蒸发：若将两个或两个以上的蒸发器串联起来，二次蒸汽引到下一蒸发器作为
加热蒸汽，以利用其冷凝热的蒸发操作。
4.按操作方式：连续式蒸发和间歇式蒸发
5.按操作压力：常压、加压及减压（真空蒸发）
真空蒸发的优点：可以使用低压蒸汽或废蒸汽做热源；减少系统的热损失；有利于
处理热敏性物料；在相同热源温度下可提高温度差。
真空蒸发的缺点：由于溶液沸点的降低会使粘度增大，沸腾时传热系数将降低；系
统需用真空装置，因而还会增加一些额外的能量消耗和设备。
蒸发过程的实质: 恒温传热.
即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.
蒸发过程又具有不同于一般传热过程的特殊性：
（1）溶液中含有不挥发性溶质，故在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点。
（2）溶剂的蒸发量很大，需要耗用大量的加热蒸汽，同时产生大量的二次蒸汽，
如何利用二次蒸汽的潜热，是蒸发操作中要考虑的关键问题。
（3）溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构.
第二节 单效蒸发
一、单效蒸发流程
加热蒸汽在加热室的管间冷凝，所放出的热量通过管壁
传给沸腾的溶液。被蒸发的溶液自分离室加入，经蒸发
后的浓缩液由器底排出。汽化产生的二次蒸汽在分离室
夹带的液沫加以分离后送往冷凝器与冷却水相混而被冷凝，
冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性气体用真空
泵抽走。
二、单效蒸发的计算
单效蒸发计算的主要内容有：水分蒸发量；加热蒸气消耗量；蒸发器的传热面积。
计算的依据是：物料衡算、热量衡算和传热速率方程。
1．水分蒸发量
的计算
D, T, hw
(F-W)，w1, t1, h1
加
热
室
D, T, H
F,w0,t0,h0
W, T’, H’
蒸发室
根据物料衡算衡算，蒸发前后溶质的量不变
或
2．加热蒸汽消耗量
设：加热蒸汽为饱和蒸汽，且冷凝后在饱和温度下排出（仅放出潜热），显热及浓
缩热忽略不计。
热蒸汽放出的热量Q全部用于以下三方面：
（1）预热原料液Q预；
（2）提供水分汽化的潜热Q汽；
（3）补偿损失于周围介质中的热量Q损。
根据热量衡算： Q = Q预+Q汽+Q损
即：
原料液的比热容可按下面的经验式计算
——纯溶剂（水）的比热容，kJ/(㎏·℃
——纯溶质的比热容，kJ/(㎏·℃)
当w0<20%时，
（1）沸点进料 =
讨论：不同进料温度对加热蒸汽用量的影响
若蒸发器的热损失忽略不计，
或
D/W—单位蒸汽消耗量，蒸发1㎏水时的蒸汽消耗量。
由于蒸汽的潜热随压力变化不大，
即
故
但实际上因蒸发器有热损失等的影响，D/W约为1.1或稍高。
（2）低于沸点进料
<
部分蒸汽用于预热原料液，加热蒸汽用量增加。
（3）高于沸点进料
>
产生自蒸发，加热蒸汽用量减少
3．蒸发器的传热面积计算
根据传热基本方程
式中　 ——换热器的传热面积，m2； ——蒸发器的热负荷，W；
——传热平均温差，℃；
——换热器的总传热系数，W/( m2·℃)。
根据热量衡算，蒸发器的热负荷
蒸发过程为加热蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温传热
值可按传热章提供的公式计算
三、溶液的沸点和温度差损失
1.溶液的沸点
溶液中溶质不挥发，在相同的条件下溶液的沸点总是比纯溶剂的沸点升高。
实际操作中，已知加热蒸汽压力和二次蒸汽压力（冷凝器的压力），
既可直接查得T（加热蒸汽温度）和
（二次蒸汽温度）
视温度差
温度差损失
产生温度差损失的原因主要有
所以溶液的沸点
2.温度差损失
①因溶液沸点升高引起的温度差损失
②因加热管内液柱静压力而引起的温度差损失
③由于管路流动阻力而引起的温度差损失
总温度差损失为：
若二次蒸汽的温度
根据蒸发器分离室的压力（即不是冷凝器的压力）确定时
则
（1）因溶液沸点升高引起的温度差损失
值主要和溶液的种类、浓度以及蒸发压力有关，其值由实验测定。
=常压下溶液的沸点-常压下饱和水蒸汽的温度
（a）常压下，某些无机盐水溶液的沸点与浓度的关系见附录。
（b）非常压下可用近似式计算。
——校正系数，
——操作压强下二次蒸汽的温度，℃；
——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/㎏。
（2）因液柱静压力引起的温度差损失
=溶液平均压强下的沸点-液面压强下的沸点
　即：
——根据平均压力
求得的水的沸点，℃；
——根据二次蒸汽压力
求得的水的沸点，℃。
蒸发器中溶液的平均压强：
——液面处的压力，即操作压力，Pa；
——溶液的密度，㎏／m3；
——液层高度，m。
（3）由于管路流动阻力引起的温度差损失
二次蒸汽由蒸发器流到冷凝器的过程中，因有流动阻力使其压力降低，蒸汽的饱和
温度
也相应降低，由此引起的温度差损失即
。
值的大小与二次蒸汽在管道中的流速、物性及管道尺寸等有关。根据经验，一般
取
为0.5～1.5℃
第三节 多效蒸发
一、多效蒸发的操作原理
利用减压的方法使后一效蒸发器的操作压力和溶液的沸点均较前一效蒸发器的低，
使前一效蒸发器引出的二次蒸汽作为后一效蒸发器的加热蒸汽，且后一效蒸发器的
加热室成为前一效蒸发器的冷却器。
二、多效蒸发的流程
常用的多效蒸发流程有以下几种。
1．并流法（又称顺流法）
料液与蒸汽的流向相同，如图6-3所示。料液和蒸汽都是由第一效依次流至末效。
优点：
（1）溶液的输送可以利用各效间的压力差，自动的从前一效进入后一效，因而各效间可省
去输送泵
（2）前效的操作压力和温度高于后效，料液从前效进入后效时因过热而自蒸发，在各效间不
必设预热器
（3）辅助设备少，流程紧凑；因而热量损失少，操作方便，工艺条件稳定。
缺点：
后效温度更低而溶液浓度更高，故溶液的黏度逐效增大，降低了传热系数，往往需要
更多的传热面积。因此，黏度随浓度增加很快的料液不宜采用此法。
2．逆流法
料液与蒸汽的流向相反，如图6-4所示。料液从末效加入，必须用泵送入前一效；
而蒸汽从第一效加入，依次至末效。
优点：
（1） 蒸发的温度随溶液浓度的增大而增高，这样各效的黏度相差很小，传热
（2） 完成液排出温度较高，可以在减压下进一步闪蒸增浓。
缺点：
（1）辅助设备多，各效间须设料液泵；
（2）各效均在低于沸点温度下进料，须设预热器（否则二次蒸汽量减少），故
一般来说，逆流加料法宜于处理黏度随温度和浓度变化较大的料液蒸发，但不适
于热敏性物料的蒸发。
系数大致相同；
能量消耗增大。
用
3．平流加料法
料液同时加入到各效，完成液同时从各效引出，蒸汽从第一效依次流至末效，如图6-5所示。
此法用于蒸发过程中有结晶析出的场合；还可用于同时浓缩两种以上不同的料液，除此之外
般很少使用之。
三、多效蒸发效数的限定
多效蒸发的效数的限定原则：当增加一效的设备费不能与所节省的加热蒸汽的收益
相抵时，就没有必要再增加效数了。
通常，工业上使用的多效蒸发装置，其效数并不是很多的。一般对于电解质溶液，
如NaOH等水溶液的蒸发，由于其沸点升高（即温度差损失）较大，故采用2～3效；对
于非电解质溶液，如葡萄糖的水溶液或其他有机溶液的蒸发,由于其沸点升高较小所用
效数可取4～6效。
第四节 结晶的基本原理
一、溶解度和溶液的过饱和度
1．溶解度和溶解度曲线
（1）溶解度 在一定的条件下，一种晶体作为溶质可以溶解在某种溶剂中而形成溶液。
溶液中的溶质也可以从溶液中析出而成为晶体。溶解和结晶是可逆过程。
固体溶质的溶解度:
在一定的条件下，溶质在某溶剂中可溶解的最大数量 ，
溶质的浓度达到溶解度的溶液称为饱和溶液。
溶解度常用的表示方法有：溶质在溶液中的质量分数；Kg溶质/100Kg溶剂等。
（2）溶解度曲线 物质的溶解度与它的化学性质、溶剂的性质及温度有关。
一定物质在一定溶剂中的溶解度主要随温度而变化，压强的影响一般可以忽略不计。因此
溶解度数据就用溶解度对温度所标绘的曲线来表示。该曲线称为溶解度曲线，如图6-6所示。
各种物质的溶解度随温度变化的趋势不一样的。
由图6-6可以看出，溶解度曲线有三类：
图6-6 几种无机盐的溶解度曲线
第一类的曲线比较陡，
表明其溶解度随温度变化比较明显；
第二类的曲线比较平坦，
表明其溶解度受温度影响较小；
第三类的曲线中间有折点，
表明物质的组成发生变化，
如NaSO4在305.2K以下为含10个结晶水的盐，
溶解度随温度的升高而增大，
305.2K以上时则转变为无水盐，
溶解度随温度的升高而缓慢下降。
各种物质的溶解度数据可以由实验测定，或从有关手册中查得。
2．过饱和度和过饱和曲线
（1）过饱和度 同一温度下，过饱和溶液和饱和溶液间的浓度差称为过饱和度。
不饱和的溶液经过冷却降温达到饱和时的温度称为饱和温度。
过饱和度表示溶液呈过饱和的程度，也是结晶过程不可缺少的推动力。过饱和度的大
小直接影响着晶核的生成和晶体的生长，溶液的过饱和度越大，则一旦过饱和状态被破坏，
结晶析出的速率就越大，结晶的产量就越多。可见，创造溶液的过饱和状态是结晶操作的
必要条件，如何控制溶液的过饱和程度也是结晶操作最关键的问题之一。
在适当的条件下，能够很容易的制备出过饱和溶液。这些条件是：
①溶液要纯净，未被杂质或灰尘所污染；
②盛溶液的容器要很清洁；
③溶液要缓慢降温；
④不要使溶液受到搅拌、震荡、超声波的干扰或刺激。
（2）过饱和曲线 实验证明，溶液的过饱和状态是有一定的限度的，当过饱和度超
过一定限度之后，就要自发地大量析出结晶。
图6-7 溶液的过饱和曲线
表示能自发地析出结晶的过饱和液的浓度与温度的关系曲线称为过饱和曲线，
也称为过溶解度曲线，标绘在溶解度曲线图上，
过饱和曲线与溶解度曲线大致相平行。
如图6-7所示，这两条曲线把图形分成三个区域。
①稳定区 溶解度曲线下方为稳定区。
在这个区域内不可能析出晶体。
②介稳区 两曲线之间为介稳区。
在这个区域内不能自发地析出晶体
③不稳区 过饱和曲线以上为不稳区。
溶液一旦处于这个区域内，将自发地析出大量细小晶体。
通常，结晶操作都在介稳区内进行。
二、结晶的速率和晶粒的大小
1．结晶的生成过程
（1）晶核的形成
晶核的形成有两种方式：
一种是过饱和溶液达到不稳区后自发形成晶核，称为初级成核，是一种无晶体存在下的
成核方式。
另一种是过饱和溶液在介稳区内受到搅拌、尘埃、电磁波辐射等外界因素诱发而形成晶核，
称为二次成核。
（2）晶体的成长
过饱和的溶液中已形成的晶核逐渐长大的过程称为晶体的成长过程。
2．结晶的速率
结晶的速率包括晶核形成速率和晶体成长速率。
晶核形成速率和晶体成长速率这两个过程的速率大小，对结晶产品的质量有很大的影响。
如果是晶核形成速率大于晶体成长速率，则产生的晶体颗粒小而数量多
如果是晶体成长速率大于晶核形成速率，则产生的晶体颗粒大而数量少
3．影响结晶操作的因素
（1）过饱和度的影响
（2）冷却（蒸发）速度的影响
（3）晶种的影响
（4）搅拌的影响
4．加晶种的结晶
向溶液中加入适当数量及适当粒度的晶种，使溶质在晶种的表面上生长的结晶方式
称为加晶种的结晶。晶种的加入是控制产品粒度的有效措施。
三、结晶产品的纯度和产量
生产中提高结晶产品纯度的方法通常是：
1．结晶前在溶液中加入适量的活性碳，通过活性碳来吸附杂质，然后过滤掉有杂
质的活性碳，再对溶液进行结晶操作。
2．晶体和母液进行彻底的分离。母液是影响产品纯度的一个重要因素。
3．进行重结晶操作。
4．减少“晶蔟”的形成。
当若干颗晶粒结成为“晶蔟”时，很容易将母液包藏在晶粒间，使以后的洗涤发生困难，
这样也会降低产品的纯度。
结晶的产量主要取决于溶液的过饱和程度。
四、结晶的方法
1．冷却结晶
2．蒸发结晶
3．真空结晶
4．盐析结晶
第四节 蒸发器和结晶器
图6-8 中央循环管式蒸发器
1－加热室　２－分离室
一、蒸发器的基本结构
蒸发器的构成：加热室和蒸发室（分离室）。
二、蒸发器的主要类型
1．自然循环型蒸发器
溶液因受热程度不同而产生密度的差异，因此形成自然循环。
（1）标准蒸发器（又称中央循环管式蒸发器）
其结构如图6-8所示。由于中央循环管与管束内的溶液受热
情况不同，产生密度差异。于是溶液在中央循环管内下降，
由管束沸腾上升而不断地做循环运动，提高了传热效果。
优点：结构紧凑，制造方便，操作可靠。
缺点：清洗维修不便，溶液循环速度不高。
一般适用于结垢不严重，有少量结晶析出和腐蚀性小的溶液蒸发。
（2）悬筐式蒸发器
其结构如图6-9所示。加热室（悬挂在蒸发器内的筐子）取出后可清洗，以备用的加
热室替换而不影响生产时间。此设备的循环机理与标准式相同，但溶液是沿加热室外壁
与蒸发器壳体内壁所形成的环隙通道下降，不断地作循环运动。
优点：可将加热室取出检修，热损失较标准式小，循环速度较标准式大，
缺点：结构更复杂。
一般适用于易结垢溶液的蒸发。
（3）外热式蒸发器
如图6-10所示，外热式蒸发器将加热室安装在分离室的外面。
这种结构不仅便于清洗和维修，而且降低了蒸发器的总高度。
由于可以采用较长的加热管，循环管又没有受到蒸汽加热，
因此，溶液的循环速度较大，可达到1.5m/s。
（4）列文式蒸发器 其结构如图6-11所示。
其结构特点：在加热室的上方增设一段2.7～5m高的沸腾段，使加热室承受较大的
液柱静压，故加热室内的溶液不沸腾。待溶液上升至沸腾段时，因静压的降低开始
沸腾汽化
优点：循环速度较大，结垢少，尤其适用于有晶体析出的溶液。
缺点：设备庞大，需要高大的厂房，因此使用受到了一定的限制。
（5）强制循环型蒸发器
其结构如图6-12所示。其特点是溶液靠泵强制循环，循环速度可达2～5m/s 。由
于溶液的流速大，因此适用于有结晶析出或以结垢的溶液。但动力消耗大，每平方米传
热面积消耗功率为0.4～0.8kW 。
2．单程型蒸发器
这类蒸发器的特点是溶液通过加热室一次即达到所需的浓度，且溶液沿加热管壁呈
膜状流动，故又称为膜式蒸发器。这类蒸发器蒸发速度快，溶液受热时间短，因此特别
适合处理热敏性溶液的蒸发。
（1）升膜式蒸发器 其结构如图6-13所示。
一般适用于稀溶液、热敏性及易气泡溶液的蒸发，而对高黏度（大于50kPa·s）
易结晶、易结垢的溶液不适用。
（2）降膜式蒸发器 其结构如图6-14所示。
料液由加热室顶部加入，经液体分布器后均匀分布在每根加热管的内壁上，在重力
作用下呈膜状下降，在底部得到浓缩液。
三、蒸发器的辅助设备
蒸发器的辅助装置主要包括：除沫器、冷凝器、真空装置、冷凝水排除器。
1.除沫器
除沫器作用：将雾沫中的溶液聚集并与二次蒸汽分离。
几种常用的除沫器如图6-15所示，它们的原理都是利用液沫的惯性以实现汽液的分离。
2．冷凝器和真空装置
二次蒸汽需要回收时应采用间壁是换热器，否则采用汽、液直接触的混合式换热器。
当蒸发减压操作时，无论用哪一种冷凝器，均需要在冷凝器后安装真空装置，不断抽出
冷凝液中的不凝性气体，以维持蒸发操作所需的负压。常用的真空装置有喷射泵水环真
空泵及往复式真空泵等。
3．冷凝水排除器（又称疏水器）
冷凝水排除器的作用是在排除冷凝水的同时，阻止蒸汽排出。
常用冷凝水排除器有三种：浮杯式、膨胀式和热动力式。
四、结晶器
结晶器按结晶的方法分为蒸发式、冷却式、真空式结晶器；
按操作方式分为间歇式和连续式结晶器。
1．蒸发结晶器
在蒸发操作中所介绍的蒸发设备，除膜式蒸发器外都可以作为蒸发结晶器。
2．冷却结晶器
（1）搅拌冷却结晶器 如图6-17所示，实质上是一个夹套式换热器，其中装有锚式
或框式搅拌器，配有减速机低速转动。
（2）长槽搅拌连续式结晶器 此设备也叫带式结晶器，如图6-18所示。
适于处理高粘度的液体。
这种结晶器所得的结晶颗粒较小，粒度均匀。
（3）循环式冷却结晶器
这种结晶器采用强制循环，冷却装置在结晶槽外。
3．真空结晶器
它的原理是结晶器中热的饱和溶液在真空绝热条件下溶剂迅速蒸发，同时吸收溶液
的热量使溶液的温度下降。
4．盐析结晶器
盐析结晶器是利用盐析法进行结晶操作的设备。
操作过程中，加入盐量的大小是影响产品质量的关键。

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