蒸發(fā)物料和熱量衡算

1、第五章 蒸 發(fā)本 章 學(xué) 習(xí) 要 求1熟練掌握的內(nèi)容單效蒸發(fā)過程及其計算（包括水分蒸發(fā)量、加熱蒸汽消耗量、有效溫度差及傳熱面積的計算）；蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)強度和單位蒸汽消耗量。2理解的內(nèi)容蒸發(fā)操作的特點；多效蒸發(fā)操作的流程及最佳效數(shù)。3了解的內(nèi)容蒸發(fā)過程的工藝應(yīng)用與分類；常用蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、特點和應(yīng)用場合；蒸發(fā)器的選用。多效蒸發(fā)過程的計算。§5.1 概 述一、蒸發(fā)操作及其特點工程上把采用加熱方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)（通常為固體）的溶液在沸騰狀態(tài)下，使其濃縮的單元操作稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，其主要目的有以下幾個方面：1、濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)?/p>

2、濃溶液再處理（如冷卻結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品，例如電解燒堿液的濃縮，食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等；圖51 蒸發(fā)裝置示意圖2、同時濃縮溶液和回收溶劑，例如有機磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯，中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等；3、為了獲得純凈的溶劑，例如海水淡化等。圖51為一典型的蒸發(fā)裝置示意圖。圖中蒸發(fā)器由加熱室1和分離室2兩部分組成。加熱室為列管式換熱器，加熱蒸汽在加熱室的管間冷凝，放出的熱量通過管壁傳給列管內(nèi)的溶液，使其沸騰并汽化，汽液混合物則在分離室中分離，其中液體又落回加熱室，當(dāng)濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器。分離室分離出的蒸汽（又稱二次蒸汽，以區(qū)別于加熱蒸汽或生蒸汽），先經(jīng)頂部除沫器5除液，再進入混合

3、冷凝器3與冷水相混，被直接冷凝后，通過大氣腿7排出。不凝性氣體經(jīng)分離器4和緩沖罐5由真空泵6排出。工程上，蒸發(fā)過程只是從溶液中分離出部分溶劑，而溶質(zhì)仍留在溶液中，因此，蒸發(fā)操作即為一個使溶液中的揮發(fā)性溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)的分離過程。由于溶劑的汽化速率取決于傳熱速率，故蒸發(fā)操作屬傳熱過程，蒸發(fā)設(shè)備為傳熱設(shè)備，如圖5-1的加熱室即為一側(cè)是蒸汽冷凝，另一側(cè)為溶液沸騰的間壁式列管換熱器。此種蒸發(fā)過程即是間壁兩側(cè)恒溫的傳熱過程。但是，蒸發(fā)操作與一般傳熱過程比較，有以下特點：1、溶液沸點升高 由于溶液含有不揮發(fā)性溶質(zhì)，因此，在相同溫度下，溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑男?，也就是說，在相同壓力下，溶液的沸點比純?nèi)軇┑?/p>

4、高，溶液濃度越高，這種影響越顯著，這在設(shè)計和操作蒸發(fā)器時是必考慮的。2、物料及工藝特性物料在濃縮過程中，溶質(zhì)或雜質(zhì)常在加熱表面沉積、析出結(jié)晶而形成垢層，影響傳熱；有些溶質(zhì)是熱敏性的，在高溫下停留時間過長易變質(zhì)；有些物料具有較大的腐蝕性或較高的粘度等等，因此，在設(shè)計和選用蒸發(fā)器時，必須認(rèn)真考慮這些特性。3、能量回收蒸發(fā)過程是溶劑汽化過程，由于溶劑汽化潛熱很大，所以蒸發(fā)過程是一個大能耗單元操作。因此，節(jié)能是蒸發(fā)操作應(yīng)予考慮的重要問題。二、蒸發(fā)過程的分類1、按操作壓力分，可分為常壓、加壓和減壓（真空）蒸發(fā)操作，即在常壓（大氣壓）下，高于或低于大氣壓下操作。很顯然，對于熱敏性物料，如抗生素溶液、果汁等

5、應(yīng)在減壓下進行。而高粘度物料就應(yīng)采用加壓高溫?zé)嵩醇訜幔ㄈ鐚?dǎo)熱油、熔鹽等）進行蒸發(fā)。2、按效數(shù)分，可分為單效與多效蒸發(fā)。若蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，稱為單效蒸發(fā)，如圖5-1所示，即為單效真空蒸發(fā)。若將二次蒸汽作為下一效加熱蒸汽，并將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，此蒸發(fā)過程即為多效蒸發(fā)。3、按蒸發(fā)模式分，可分為間歇蒸發(fā)與連續(xù)蒸發(fā)。工業(yè)上大規(guī)模的生產(chǎn)過程通常采用的是連續(xù)蒸發(fā)。由于工業(yè)上被蒸發(fā)的溶液大多為水溶液，故本章僅討論水溶液的蒸發(fā)。但其基本原理和設(shè)備對于非水溶液的蒸發(fā)，原則上也適用或可作參考。§5.2 單效蒸發(fā)過程5.2.1單效蒸發(fā)過程的計算單效蒸發(fā)設(shè)計計算內(nèi)容有：確定水的蒸發(fā)量；加熱蒸汽

6、消耗量；蒸發(fā)器所需傳熱面積。在給定生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，如進料量、溫度和濃度，完成液的濃度，加熱蒸汽的壓力和冷凝器操作壓力的情況下，上述任務(wù)可通過物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程求解。一、蒸發(fā)水量的計算對圖5-2所示蒸發(fā)器進行溶質(zhì)的物料衡算，可得由此可得水的蒸發(fā)量 （51） 及完成液的濃度 （52）式中：圖5-2 單效蒸發(fā)器 F原料液量，kg/h； W蒸發(fā)水量，kg/h； L完成液量，kg/h； x0原料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)； x1完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。二、加熱蒸汽消耗量的計算 加熱蒸汽用量可通過熱量衡算求得， 即對圖5-2作熱量衡算可得： （53） 或 （53a）式中： H 加熱蒸

7、汽的焓，kJ/kg ; H´二次蒸汽的焓，kJ/kg ; h0 原料液的焓，kJ/kg ; h1 完成液的焓，kJ/kg ;hc 加熱室排出冷凝液的焓，kJ/h ;Q 蒸發(fā)器的熱負(fù)荷或傳熱速率，kJ/h ;QL 熱損失，可取Q的某一百分?jǐn)?shù)，kJ/kg ;c0、c1為原料、完成液的比熱，kJ/(kg·) ?？紤]溶液濃縮熱不大，并將H´取t1下飽和蒸汽的焓，則（53a）式可寫成： （54）式中： r 、r´分別為加熱蒸汽和二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。若原料由預(yù)熱器加熱至沸點后進料（沸點進料），即t0=t1，并不計熱損失，則（45）式可寫為： （55）或

8、（55a）式中：D/W稱為單位蒸汽消耗量，它表示加熱蒸汽的利用程度，也稱蒸汽的經(jīng)濟性。由于蒸汽的汽化潛熱隨壓力變化不大，故 r = r´。對單效蒸發(fā)而言，D/W =1，即蒸發(fā)一千克水需要約一千克加熱蒸汽，實際操作中由于存在熱損失等原因，D/W 1?？梢妴涡д舭l(fā)的能耗很大，是很不經(jīng)濟的。三、傳熱面積的計算蒸發(fā)器的傳熱面積可通過傳熱速率方程求得，即： （56）或 （56a）式中： A 蒸發(fā)器的傳熱面積，m2; K 蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，W/(m2K)；tm傳熱平均溫度差，；Q 蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，W或kJ/kg。式（56）中，Q可通過對加熱室作熱量衡算求得。若忽略熱損失，Q即為加熱蒸汽冷凝放出

9、的熱量，即 （57）但在確定tm和K時，卻有別于一般換熱器的計算方法。1、 傳熱平均溫度差tm的確定在蒸發(fā)操作中，蒸發(fā)器加熱室一側(cè)是蒸汽冷凝，另一側(cè)為液體沸騰，因此其傳熱平均溫度差應(yīng)為： （58）式中： T 加熱蒸汽的溫度，； t1 操作條件下溶液的沸點， 。應(yīng)該指出，溶液的沸點，不僅受蒸發(fā)器內(nèi)液面壓力影響，而且受溶液濃度、液位深度等因素影響。因此，在計算tm時需考慮這些因素。下面分別予以介紹。（1）溶液濃度的影響溶液中由于有溶質(zhì)存在，因此其蒸氣壓比純水的低。換言之，一定壓強下水溶液的沸點比純水高，它們的差值稱為溶液的沸點升高，以表示。影響的主要因素為溶液的性質(zhì)及其濃度。一般，有機物溶液的較小

10、；無機物溶液的較大；稀溶液的不大，但隨濃度增高，值增高較大。例如，7.4的NaOH溶液在101.33KPa下其沸點為102，僅為2，而48.3%NaOH溶液，其沸點為140，值達(dá)40之多。各種溶液的沸點由實驗確定，也可由手冊或本書附錄查取。（2）壓強的影響當(dāng)蒸發(fā)操作在加壓或減壓條件下進行時，若缺乏實驗數(shù)據(jù)，則似按下式估算，即 （59）式中： 操作條件下的溶液沸點升高，； 常常壓下的溶液沸點升高，； f 校正系數(shù)，無因次，其值可由下式計算， （510）其中：T操作壓力下二次蒸汽的飽和溫度，； r操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。（3）液柱靜壓頭的影響通常，蒸發(fā)器操作需維持一定液位，這樣液

11、面下的壓力比液面上的壓力（分離室中的壓力）高，即液面下的沸點比液面上的高，二者之差稱為液柱靜壓頭引起的溫度差損失，以表示。為簡便計，以液層中部（料液一半）處的壓力進行計算。根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層中部的壓力pav為： （511）式中：p溶液表面的壓力，即蒸發(fā)器分離室的壓力，Pa； av溶液的平均密度，kg/m3； h 液層高度，m。則由液柱靜壓引起的沸點升高為 （512）式中： tav 液層中部pav壓力下溶液的沸點，； tb p壓力（分離室壓力）下溶液的沸點，。近似計算時，式（512）中的tav和tb可分別用相應(yīng)壓力下水的沸點代替。（4）管道阻力的影響倘若設(shè)計計算中溫度以另一側(cè)的冷凝器的壓力

12、（即飽和溫度）為基準(zhǔn)，則還需考慮二次蒸汽從分離室到冷凝器之間的壓降所造成的溫度差損失，以表示。顯然，值與二次蒸汽的速度、管道尺寸以及除沫器的阻力有關(guān)。由于此值難于計算，一般取經(jīng)驗值為1，即=1?？紤]了上述因素后，操作條件下溶液的沸點t1，即可用下式求取， （513） 或 （513a）式中：T冷凝器操作壓力下的飽和水蒸汽溫度，；總溫度差損失，；蒸發(fā)計算中，通常把（48）的平均溫度差稱為有效溫度差，而把T T稱為理論溫差，即認(rèn)為是蒸發(fā)器蒸發(fā)純水時的溫差。2、總傳熱系數(shù)K的確定蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可按下式計算 （514）式中：i 管內(nèi)溶液沸騰的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·)； 管外蒸汽冷凝的對

13、流傳熱系數(shù)，W/(m2·)； 管內(nèi)污垢熱阻，m2·/W； 管外污垢熱阻，m2·/W； 管壁熱阻，m2·/W。（514）式中a 、及 在傳熱一章中均已闡述，本章不再贅述。只是Ri和ai 成為蒸發(fā)設(shè)計計算和操作中的主要問題。由于蒸發(fā)過程中，加熱面處溶液中的水分汽化，濃度上升,因此溶液很易超過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)析出并包裹固體雜質(zhì)，附著于表面，形成污垢，所以Ri往往是蒸發(fā)器總熱阻的主要部分。為降低污垢熱阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循環(huán)速度，在溶液中加入晶種和微量的阻垢劑等。設(shè)計時，污垢熱阻Ri目前仍需根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定。至于管內(nèi)溶液沸騰對流傳熱系數(shù)ai也是影響總

14、傳熱系數(shù)的主要因素。影響ai的因素很多，如溶液的性質(zhì)，沸騰傳熱的狀況，操作條件和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。目前雖然對管內(nèi)沸騰作過不少研究，但其所推薦的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式并不大可靠，再加上管內(nèi)污垢熱阻變化較大，因此，目前蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)仍主要靠現(xiàn)場實測，以作為設(shè)計計算的依據(jù)。表4-1中列出了常用蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)的大致范圍，供設(shè)計計算參考。表5-1 常用蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值蒸發(fā)器型式總傳熱系數(shù)W/(m2·K)中央循環(huán)管式5803000帶攪拌的中央循環(huán)管式12005800懸筐式5803500自然循環(huán)10003000強制循環(huán)12003000升膜式5805800降膜式12003500刮膜式， 粘度1mP

15、a·s2000刮膜式，粘度100100,00 mPa·s2001200 【例5-1】 采用單效真空蒸發(fā)裝置，連續(xù)蒸發(fā)NaOH水溶液。已知進料量為200kg/h，進料濃度為40%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），沸點進料，完成液濃度為48.3%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），其密度為1500kg/m3，加熱蒸汽壓強為0.3MPa（表壓），冷凝器的真空度為51KPa，加熱室管內(nèi)液層高度為3m。試求蒸發(fā)水量、加熱蒸汽消耗量和蒸發(fā)器傳熱面積。已知總傳熱系數(shù)為1500 W/(m2·K)，蒸發(fā)器的熱損失為加熱蒸汽量的5%，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3KPa。 解：（1） 水份蒸發(fā)量W kg/h（2） 加熱蒸汽消耗量

16、 故 由本書查附錄 得：當(dāng)P=0.3 MPa(表)時，T=143.5 ，r=2137.0 kJ/kg當(dāng)Pc=51KPa(真空度)時，Tc81.2 r2304 kJ/kg故 kg/h（3）傳熱面積A確定溶液沸點a) 計算已查知Pc=51kPa（真空度）下，冷凝器中二次蒸汽的飽和溫度T81.2查附錄常壓下48.3% NaOH溶液的沸點近似為tA=140常140-100=40 因二次蒸汽的真空度為51 kPa，故需用式（410）校正，即0.87×40=34.8 b) 計算由于二次蒸汽流動的壓降較少，故分離室壓力可視為冷凝器的壓力。則 kPa查附錄得 72 kPa 下對應(yīng)水的沸點為90.4

17、c) 則溶液的沸點 +81.2 + 34.8 + 9.2 + 1126.2 總傳熱系數(shù) 已知 K=1500 W/m2K傳熱面積由式（57a）、（58）和（59）得蒸發(fā)器加熱面積為： =36.3 m25.2.2 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強度一、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分量來表示。由于蒸發(fā)水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產(chǎn)能力也可表示為 （515）二、蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度由上式可以看出蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力僅反映蒸發(fā)器生產(chǎn)量的大小，而引入蒸發(fā)強度的概念卻可反映蒸發(fā)器的優(yōu)劣。蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度簡稱蒸發(fā)強度，是指單位時間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，即 （516）式中： u 蒸發(fā)強度，

18、kg/(m2·h)。蒸發(fā)強度通?？捎糜谠u價蒸發(fā)器的優(yōu)劣，對于一定的蒸發(fā)任務(wù)而言，若蒸發(fā)強度越大，則所需的傳熱面積越小，即設(shè)備的投資就越低。若不計熱損失和濃縮熱，料液又為沸點進料，（57）、（58）和（516）可得 （517）由此式可知，提高蒸發(fā)強度的主要途徑是提高總傳熱系數(shù)K和傳熱溫度差tm。三、提高蒸發(fā)強度的途徑1、 提高傳熱溫度差提高傳熱溫度差可提高熱源的溫度或降低溶液的沸點等角度考慮，工程上通常采用下列措施來實現(xiàn)：（1）真空蒸發(fā) 真空蒸發(fā)可以降低溶液沸點，增大傳熱推動力，提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度，同時由于沸點較低，可減少或防止熱敏性物料的分解。另外，真空蒸發(fā)可降低對加熱熱源的要求，

19、即可利用低溫位的水蒸汽作熱源。但是，應(yīng)該指出，溶液沸點降低，其粘度會增高，并使總傳熱系數(shù)K下降。當(dāng)然，真空蒸發(fā)要增加真空設(shè)備并增加動力消耗。圖4-1即為典型的單效真空蒸發(fā)流程。其中真空泵主要是抽吸由于設(shè)備、管道等接口處泄漏的空氣及物料中溶解的不凝性氣體等。（2）高溫?zé)嵩刺岣遲m的另一個措施是提高加熱蒸汽的壓力，但這時要對蒸發(fā)器的設(shè)計和操作提出嚴(yán)格要求。一般加熱蒸汽壓力不超過0.60.8MPa。對于某些物料如果加壓蒸汽仍不能滿足要求時，則可選用高溫導(dǎo)熱油、熔鹽或改用電加熱，以增大傳熱推動力。2、提高總傳熱系數(shù)蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)主要取決于溶液的性質(zhì)、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。這些已在前

20、面論述，因此，合理設(shè)計蒸發(fā)器以實現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動，及時排除加熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發(fā)器（加熱室內(nèi)管），均是提高和保持蒸發(fā)器在高強度下操作的重要措施。§5.3 多效蒸發(fā)過程5.3.1 加熱蒸汽的經(jīng)濟性蒸發(fā)過程是一個能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評價其優(yōu)劣的另一個重要評價指標(biāo)，或稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟性，它的定義為1kg蒸汽可蒸發(fā)的水分量，即： （518）一、多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)是將第一效蒸發(fā)器汽化的二次蒸汽作為熱源通入第二效蒸發(fā)器的加熱室作加熱用，這稱為雙效蒸發(fā)。如果再將第二效的二次蒸汽通入第三效加熱室作為熱源，并依次進行多個串接，則稱為多效蒸發(fā)。圖5-3為三效蒸發(fā)的流程示意圖

21、。不難看出,采用多效蒸發(fā)，由于生產(chǎn)給定的總蒸發(fā)水量W分配于各個蒸發(fā)器中，而只有第一效才使用加熱蒸汽，故加熱蒸汽的經(jīng)濟性大大提高。圖5-3 并流加料三效蒸發(fā)流程二、外蒸汽的引出將蒸發(fā)器中蒸出的二次蒸汽引出（或部分引出），作為其T它加熱設(shè)備的熱源，例如用來加熱原料液等，可大大提高加熱蒸汽的經(jīng)濟性，同時還降低了冷凝器的負(fù)荷，減少了冷卻水量。三、熱泵蒸發(fā)圖5-4 熱泵蒸發(fā)流程將蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用壓縮機壓縮，提高它的壓力，倘若壓力又達(dá)加熱蒸汽壓力時，則可送回入口，循環(huán)使用。加熱蒸汽（或生蒸汽）只作為啟動或補充泄漏、損失等用。因此節(jié)省了大量生蒸汽，熱泵蒸發(fā)的流程如圖5-4所示。四、冷凝水顯熱的利用蒸發(fā)

22、器加熱室排出大量高溫冷凝水，這些水理應(yīng)返回鍋爐房重新使用，這樣既節(jié)省能源又節(jié)省水源。但應(yīng)用這種方法時，應(yīng)注意水質(zhì)監(jiān)測，避免因蒸發(fā)器損壞或閥門泄漏，污染鍋爐補水系統(tǒng)。當(dāng)然高溫冷凝水還可用于其他加熱或需工業(yè)用水的場合。5.3.2 多效蒸發(fā)一、多效蒸發(fā)流程為了合理利用有效溫差，并根據(jù)處理物料的性質(zhì)，通常多效蒸發(fā)有下列三種操作流程。1、 并流流程圖 圖5-3為并流加料三效蒸發(fā)的流程。這種流程的優(yōu)點為：料液可藉相鄰二效的壓強差自動流入后一效，而不需用泵輸送，同時，由于前一效的沸點比后一效的高，因此當(dāng)物料進入后一效時，會產(chǎn)生自蒸發(fā)，這可多蒸出一部分水汽。這種流程的操作也較簡便，易于穩(wěn)定。但其主要缺點是傳熱

23、系數(shù)會下降，這是因為后序各效的濃度會逐漸增高，但沸點反而逐漸降低，導(dǎo)致溶液粘度逐漸增大。2、 逆流流程圖5-6為逆流加料三效蒸發(fā)流程，其優(yōu)點是：各效濃度和溫度對溶液的粘度的影響大致相抵消，各效的傳熱條件大致相同，即傳熱系數(shù)大致相同。缺點是：料液輸送必須用泵，另外，進料也沒有自蒸發(fā)。一般這種流程只有在溶液粘度隨溫度變化較大的場合才被采用。圖5-5逆流加料三效蒸發(fā)流程3、平流流程 圖5-6為平流加料三效蒸發(fā)流程，其特點是蒸汽的走向與并流相同，但原料液和完成液則分別從各效加入和排出。這種流程適用于處理易結(jié)晶物料，例如食鹽水溶液等的蒸發(fā)。圖5-6平流加料三效蒸發(fā)流程二 、多效蒸發(fā)設(shè)計型計算多效蒸發(fā)需要

24、計算的內(nèi)容有：各效蒸發(fā)水量、加熱蒸汽消耗量及傳熱面積。由于多效蒸發(fā)的效數(shù)多，計算中未知數(shù)量也多，所以計算遠(yuǎn)較單效蒸發(fā)復(fù)雜。因此目前已采用電子計算機進行計算 。但基本依據(jù)和原理仍然是物料衡算，熱量衡算及傳熱速率方程。由于計算中出現(xiàn)未知參數(shù)，因此計算時常采用試差法，其步驟如下：1、 根據(jù)物料衡算求出總蒸發(fā)量。2、 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定各效蒸發(fā)量，再估算各效溶液濃度。通常各效蒸發(fā)量可按各效蒸發(fā)量相等的原則設(shè)定，即 (519) 并流加料的蒸發(fā)過程，由于有自蒸發(fā)現(xiàn)象，則可按如下比例設(shè)定：若為兩效 (520)若為三效 (521)根據(jù)設(shè)定得到各效蒸發(fā)量后，即可通過物料衡算求出各完成液的濃度。3、 設(shè)定各效操作壓力以

25、求各效溶液的沸點。通常按各效等壓降原則設(shè)定，即相鄰兩效間的壓差為: （522)式中： P1加熱蒸汽的壓力，Pa； Pc冷凝器中的壓力，Pa； n 效數(shù)。4、 應(yīng)用熱量衡算求出各效的加熱蒸汽用量和蒸發(fā)水量；5、 按照各效傳熱面積相等的原則分配各效的有效溫度差，并根據(jù)傳熱效率方程求出各效的傳熱面積；6、 校驗各效傳熱面積是否相等，若不等，則還需重新分配各效的有效溫度差，重新計算，直到相等或相近時為止。三、 多效蒸發(fā)計算圖 5-7并流加料多效蒸發(fā)流程示意圖現(xiàn)以并流加料為例（見圖5-7）進行討論，計算中所用符號的意義和單位與單效蒸發(fā)相同。1、 物料衡算和熱量衡算總蒸發(fā)水量W為各效蒸發(fā)水量之和，即 （5

26、23）對全系統(tǒng)的溶質(zhì)作物料衡算，即可得： (524)對任一第i效的溶質(zhì)作物料衡算，有或 （525）通常原料液濃度，完成液濃度為已知值，而中間各效濃度未知，因此從上述關(guān)系只能求出總蒸發(fā)水量和各效的平均水分蒸發(fā)量（W/n），而各效蒸發(fā)量和濃度需根據(jù)物料衡算和熱量衡算來確定。對第一效作熱量衡算，若忽略熱損失，則得： （526）若忽略溶液的稀釋熱，則上式可寫成： （527）則第一效加熱室的傳熱量為： （528）同理，仿照上式可寫出第2、3至i效的傳熱量方程，即 （529）. （530）則第 i效的蒸發(fā)量可寫成： （531）如果考慮稀釋熱和蒸發(fā)系統(tǒng)的熱損失，則式（531）可寫成： （532） 式中：稱為

27、熱利用系數(shù)，無因次，下標(biāo)i表示第i效。值根據(jù)經(jīng)驗選取，一般為0.960.98，對于濃縮熱較大的物料，例如 NaOH水溶液，可取=0.98-0.7x。這里x為該效溶液濃度的變化（質(zhì)量分率）。 對于有額外蒸汽引出的蒸發(fā)過程的熱量衡算，可參考有關(guān)資料。2、傳熱面積計算和有效溫度差在各效的分配求得各效蒸發(fā)量后，即可利用傳熱速率方程，計算各效的傳熱面積，即 （533）式中： Ai 第i效的傳熱面積； Ki 第i效的傳熱系數(shù)； ti 第i效的有效溫度差； Qi第i效的傳熱量。現(xiàn)以三效蒸發(fā)為例來討論，即可寫出： （534a） （534b） （534c）同時，也可寫出各效的有效溫度差的關(guān)系式： （535）若取

28、 A1=A2=A3=A，則分配在各效中的有效溫度差分別為： （536a） （536b） （536c）式中：t為蒸發(fā)系統(tǒng)的有效總溫度差，；， ， 推廣至n效蒸發(fā)時，任一效的有效溫度差為 （537）式中： 為各效的有效溫度差之和。第一效加熱蒸汽壓力P和冷凝器壓力Pc確定后（其對應(yīng)的溫度為T和Tc´），理論上的傳熱總溫差，即為T理 = T Tc。實際上，多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)一樣，均存在傳熱的溫度差損失，這樣，多效蒸發(fā)中傳熱的有效溫度差為： （538） 式中：各效總溫度差損失，它等于各效溫度差損失之和。= （539）式中： 、 、的含義和計算方法與單效蒸發(fā)相同。因此，、和均可求出。若各效的傳熱

29、系數(shù)Ki已知或可求，則可由式（534）求出各效的傳熱面積。若計算出的各效傳熱面積不相等，則應(yīng)重新調(diào)整有效溫度差的分配，直至相等或相近為止。因蒸發(fā)器傳熱面積不等，會給制造、安裝等帶來不便?！纠?2】設(shè)計一連續(xù)操作并流加料的雙效蒸發(fā)裝置，將原料濃度為 10%的NaOH 水溶液濃縮到50%（均為質(zhì)量分率）。已知原料液量為1000kg/h，沸點加料，加熱蒸汽采用500kPa（絕壓）的飽和水蒸汽，冷凝器的操作壓力為15 kPa（絕壓）。一、二 效的傳熱系數(shù)分別為1170W/（m2·）和700W/（m2·）。原料液的比熱容為3.77kJ/（kg·）。兩效中溶液的平均密度分別為

30、1120kg/m3和1460 kg/m3，估計蒸發(fā)器中溶液的液層高度為1.2m，各效冷凝液均在飽和溫度下排出。試求，（1）總蒸發(fā)量和各效蒸發(fā)量。（2）加熱蒸汽量。（3）各效蒸發(fā)器所需傳熱面積（要求各效傳熱面積相等）。解：（1）總蒸發(fā)量：由式（524）求得 kg/h（2）設(shè)各效蒸發(fā)量的初值，當(dāng)兩效并流操作時，又 故 kg/h則 kg/h再由式（525）可求得（3）設(shè)定各效壓力，以求各效溶液沸點。按各效等壓降原則，即每效壓差為： kPa故， kPa kPa這樣，對第一效而言查附錄2得常壓下濃度為16.2%的NaOH溶液的沸點為tA=105.9, 查二次蒸汽為9257.5 kPa下的飽和溫度變?yōu)?T

31、1127.9 ,r =2183 kJ/kg常需校正，即=f常由式（512）得 液層的平均壓力為 kPa在此壓力下水的沸點為 128.8, 取為1因此，第一效中溶液的沸點為 對于第二效而言查取常壓下50% NaOH溶液的沸點為tB=142.8又查取P2= 15kPa下 ,水的沸點為T2= 53.5 ，r2= 2370 kJ/kg 則 液層的平均壓力為 kPa在此壓力下水的沸點為62.4，故 取1,故第2效中溶液的沸點為 （4）求加熱量、汽量及各效蒸發(fā)量：第1效，沸點加料 熱利用系數(shù)為查飽和水蒸汽表可知，壓力為500kPa時加熱蒸汽的汽化熱r1=2113 kJ/kg ；而壓力為257.5kPa下，

32、汽化熱r12183kJ/kg。則由（432）可知 （1）第2效，熱利用系數(shù)為 kJ/kg第2效中溶液的沸點為94.2，查此沸點相應(yīng)二次蒸汽的汽化熱 r22273kJ/kg則由（432）可知： （2）又 kg/h （3） 由式（1）（2）（3）可解得：W1=4346 kg/h W2=3654 kg/h D1=3942 kg/h（5）求各效的傳熱面積，由式（433）得 m2 m2（6）校核第1次計算結(jié)果，由于A1A2 ，且W1、W2與初值相差較大，需重新分配各效溫差，再次設(shè)定蒸發(fā)量，重新計算，其步驟為：1）重新分配各效溫度差則重新調(diào)整后的傳熱面積A1=A2=A，并設(shè)調(diào)整后的各效推動力為： （4）由

33、式（4）與式（534）可得 （5）將（5）相加可得 （6）則 m22）取各效蒸發(fā)量為上一次計算值，即：W1=4346 kg/h W2=3654 kg/h3）重復(fù)上述步驟(3)(6)將各沸點和蒸汽溫度列表如下：效數(shù)序號加熱蒸汽溫度Ti 溶液沸點ti二次蒸汽溫度Ti 加熱蒸汽潛熱i kJ/kg1151.7135.6125.821132125.894.253.52370并計算出，W1=4493 kg/h W2=4012 kg/h D1=4012 kg/h m2 m2重算后的結(jié)果與初設(shè)值基本一致，可認(rèn)為結(jié)果合適，并取有效傳熱面積為125m2。5.3.3 多效蒸發(fā)效數(shù)的限制一、溶液的溫度差損失圖98 單

34、效、雙效蒸發(fā)的有效溫差及溫度差損失單效和多效蒸發(fā)過程中均存在溫度差損失。若單效和多效蒸發(fā)的操作條件相同，即二者加熱蒸汽壓力相同，則多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效時的大。圖48為單效、雙效蒸發(fā)的有效溫差及溫度差損失的變化情況。 圖中總高代表加熱蒸汽溫度與冷凝器中蒸汽溫度之差，即130-50=80?？瞻撞糠执碛捎诟鞣N原因引起的溫度損失，陰影部分代表有效溫度差（即傳熱推動力）。由圖可見，多效蒸發(fā)中的溫度差損失較單效大。不難理解，效數(shù)越多，溫度差損失將越大。二、多效蒸發(fā)效數(shù)的限制表52列出了不同效數(shù)蒸發(fā)的單位蒸汽消耗量。由表52并綜合前述情況后可知，隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽的消耗量會減少，即操作費用降低

35、，但是有效溫度差也會減少（即溫度差損失增大），使設(shè)備投資費用增大。因此必須合理選取蒸發(fā)效數(shù)，使操作費和設(shè)備費之和為最少。 表52 不同效數(shù)蒸發(fā)的單位蒸汽消耗量效數(shù)單效雙效三效四效五效（D/W）min的理論值10.50.330.250.2（D/W）min的實測值1.10.570.40.30.27§5.4 蒸發(fā)裝置及其選型5.4.1 蒸發(fā)器工業(yè)生產(chǎn)中蒸發(fā)器有多種結(jié)構(gòu)形式，但均由主要加熱室（器）、流動（或循環(huán)）管道以及分離室（器）組成。根據(jù)溶液在加熱室內(nèi)的流動情況，蒸發(fā)器可分為循環(huán)型和單程型兩類，分述如下。一、循環(huán)型蒸發(fā)器常用的循環(huán)型蒸發(fā)器主要有以下幾種：1、 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器圖5-10

36、外加熱式蒸發(fā)器圖5-9中央循環(huán)管式蒸發(fā)器中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為最常見的蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖59所示，它主要由加熱室、蒸發(fā)室、中央循環(huán)管和除沫器組成。蒸發(fā)器的加熱器由垂直管束構(gòu)成，管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管，其截面積一般為管束總截面積的40%100%。當(dāng)加熱蒸汽（介質(zhì)）在管間冷凝放熱時，由于加熱管束內(nèi)單位體積溶液的受熱面積遠(yuǎn)大于中央循環(huán)管內(nèi)溶液的受熱面積，因此，管束中溶液的相對汽化率就大于中央循環(huán)管的汽化率，所以管束中的氣液混合物的密度遠(yuǎn)小于中央循環(huán)管內(nèi)氣液混合物的密度。這樣造成了混合液在管束中向上，在中央循環(huán)管向下的自然循環(huán)流動?；旌弦旱难h(huán)速度與密度差和管長有關(guān)。密度差越大，加

37、熱管越長，循環(huán)速度越大。但這類蒸發(fā)器受總高限制，通常加熱管為12m，直徑為2575mm，長徑比為2040。中央循環(huán)管蒸發(fā)器的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造方便，操作可靠，投資費用少。缺點是：清理和檢修麻煩，溶液循環(huán)速度較低，一般僅在0.5m/s以下，傳熱系數(shù)小。它適用于粘度適中，結(jié)垢不嚴(yán)重，有少量的結(jié)晶析出，及腐蝕性不大的場合。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器在工業(yè)上的應(yīng)用較為廣泛。 2、外加熱式蒸發(fā)器外加熱式蒸發(fā)器如圖5-10所示。其主要特點是把加熱器與分離室分開安裝，這樣不僅易于清洗、更換，同時還有利于降低蒸發(fā)器的總高度。這種蒸發(fā)器的加熱管較長（管長與管徑之比為50100），且循環(huán)管又不被加熱，故溶液

38、的循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s，它既利于提高傳熱系數(shù)，也利于減輕結(jié)垢。3、強制循環(huán)發(fā)生器上述幾種蒸發(fā)器均為自然循環(huán)型蒸發(fā)器，即靠加熱管與循環(huán)管內(nèi)溶液的密度差作為推動力，導(dǎo)致溶液的循環(huán)流動，因此循環(huán)速度一般較低，尤其在蒸發(fā)粘稠溶液（易結(jié)垢及有大量結(jié)晶析出）時就更低。為提高循環(huán)速度，可用循環(huán)泵進行強制循環(huán)，如圖5-10所示。這種蒸發(fā)器的循環(huán)速度可達(dá)1.55m/s。其優(yōu)點是，傳熱系數(shù)大，利于處理粘度較大、易結(jié)垢、易結(jié)晶的物料。但該蒸發(fā)器的動力消耗較大，每平方米傳熱面積消耗的功率約為0.40.8kW。二、單程型蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器有一個共同的缺點，即蒸發(fā)器內(nèi)溶液的滯留量大，物料在高溫下停留時間長，這對處理熱

39、敏性物料甚為不利。在單程型蒸發(fā)器中，物料沿加熱管壁成膜狀流動，一次通過加熱器即達(dá)濃縮要求，其停留時間僅數(shù)秒或十幾秒。另外，離開加熱器的物料又得到及時冷卻，因此特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)。但由于溶液一次通過加熱器就要達(dá)到濃縮要求，因此對設(shè)計和操作的要求較高。由于這類蒸發(fā)器的加熱管上的物料成膜狀流動，故又稱膜式蒸發(fā)器。根據(jù)物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動方向和成膜原因不同，它可分為下列幾種類型：1、升膜式蒸發(fā)器升膜式蒸發(fā)器如圖5-11所示，它的加熱室由一根或數(shù)根垂直長管組成。通常加熱管徑為2550mm，管長與管徑之比為100150。原料液預(yù)熱后由蒸發(fā)器底部進入加熱器管內(nèi)，加熱蒸汽在管外冷凝。當(dāng)原料液受熱后沸騰

40、汽化，生成二次蒸汽在管內(nèi)高速上升，帶動料液沿管內(nèi)壁成膜狀向上流動，并不斷地蒸發(fā)汽化，加速流動，氣液混合物進入分離器后分離，濃縮后的完成液由分離器底部放出。這種蒸發(fā)器需要精心設(shè)計與操作，即加熱管內(nèi)的二次蒸汽應(yīng)具有較高速度，并獲較高的傳熱系數(shù)，使料液一次通過加熱管即達(dá)到預(yù)定的濃縮要求。通常，常壓下，管上端出口處速度以保持2050m/s為宜，減壓操作時，速度可達(dá)100160m/s。升膜蒸發(fā)器適宜處理蒸發(fā)量較大，熱敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不適于高粘度、有晶體析出和易結(jié)垢的溶液。2、降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器如圖5-12所示，原料液由加熱室頂端加入，經(jīng)分布器分布后，沿管壁成膜狀向下流動，氣液混合物

41、由加熱管底部排出進入分離室，完成液由分離室底部排出。圖9-11 升膜式蒸發(fā)器圖9-12 降膜式蒸發(fā)器設(shè)計和操作這種蒸發(fā)器的要點是：盡力使料液在加熱管內(nèi)壁形成均勻液膜，并且不能讓二次蒸汽由管上端竄出。常用的分離器形式見圖5-13。圖9-13 降膜式蒸發(fā)器的液體分布裝置圖5-13（a）是用一根有螺旋型溝槽的導(dǎo)流柱，使流體均勻分布到內(nèi)管壁上；圖5-13（b）是利用導(dǎo)流桿均勻分布液體，導(dǎo)流桿下部設(shè)計成圓錐型，且底部向內(nèi)凹，以免使錐體斜面下流的液體再向中央聚集；5-13（c）是使液體通過齒縫分布到加熱器內(nèi)壁成膜狀下流。降膜式蒸發(fā)器可用于蒸發(fā)粘度較大（0.050.45 Pa·s），濃度較高的溶液

42、，但不適于處理易結(jié)晶和易結(jié)垢的溶液，這是因為這種溶液形成均勻液膜較困難，傳熱系數(shù)也不高。圖5-14 刮板式薄膜蒸發(fā)器3、刮板式蒸發(fā)器刮板式薄膜蒸發(fā)器如圖5-14所示，它是一種適應(yīng)性很強的新型蒸發(fā)器，例如對高粘度、熱敏性和易結(jié)晶、結(jié)垢的物料都適用。它主要由加熱夾套和刮板組成，夾套內(nèi)通加熱蒸汽，刮板裝在可旋轉(zhuǎn)的軸上，刮板和加熱夾套內(nèi)壁保持很小間隙，通常為0.51.5 mm。料液經(jīng)預(yù)熱后由蒸發(fā)器上部沿切線方向加入，在重力和旋轉(zhuǎn)刮板的作用下，分布在內(nèi)壁形成下旋薄膜，并在下降過程中不斷被蒸發(fā)濃縮，完成液由底部排出，二次蒸汽由頂部逸出。在某些場合下，這種蒸發(fā)器可將溶液蒸干，在底部直接得到固體產(chǎn)品。這類蒸發(fā)

43、器的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜（制造、安裝和維修工作量大）加熱面積不大，且動力消耗大。 5.4.2 蒸發(fā)器的選型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式較多，選用和設(shè)計時，要在滿足生產(chǎn)任務(wù)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能兼顧生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便及經(jīng)濟性好等因素。表5-3 列出了常見蒸發(fā)器的一些重要性能，可供選型的參考。表5-3 常用蒸發(fā)器的性能蒸發(fā)器形式造價總傳熱系數(shù)溶液在管內(nèi)流速m/s停留時間完成液濃度能否恒定濃縮比處理量對溶液性質(zhì)的適應(yīng)性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易生泡沫易結(jié)垢熱敏性有結(jié)晶析出水平管型標(biāo)準(zhǔn)型外熱式（自然循環(huán)）列文式強制循環(huán)升膜式降膜式刮板式甩盤式旋風(fēng)式板式浸沒燃燒最廉最廉廉高高廉廉最高較高最廉高廉良好良好高高高高良好高高高高高低低良好良好高良好高良好低良好良好高0.11.50.41.51.52.52.03.50.41.00.41.01.52.0長長較長較長短短短較段短較短短能能能能能較難尚能尚能尚能較難尚能較難良好良好良好良好較高高高高較高較高良好良好