蒸發(fā)器(單效、多效蒸發(fā))

1、7 蒸發(fā)蒸發(fā) 7.1 概述概述7.2 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) 7.3 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 7.4 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備 7.1 概述概述（1）蒸發(fā)操作的目的 獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品 或半成品。 脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)， 隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采 用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體 溶質(zhì)。 除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。（2）蒸發(fā)的流程 7.1 概述概述（3）加熱蒸汽和二次蒸汽 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸氣。為了區(qū)別，將加熱的蒸汽稱為加熱蒸汽，而由溶液蒸發(fā)出來的蒸汽稱之為二次蒸汽。（4）分類 按蒸發(fā)操作空間的壓力可

2、分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)。 按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。 7.1 概述概述（5）蒸發(fā)操作的特點 沸點升高 蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。由拉烏爾定律可知：在相同溫度下，其蒸汽壓純?nèi)軇┑臑榈停虼?，在相同的壓力下，溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。故當(dāng)加熱蒸汽溫一定時，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差就比蒸發(fā)純?nèi)軇r來得小，而溶液的濃度越大，這種影響就越顯著。 節(jié)約能源 物料的工藝特性 本章的重點就是研究上述問題，同時還考慮從二次蒸汽中分離夾帶液沫的問題。 7.2 單效蒸發(fā)單效蒸發(fā) 7.2.1 單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)的計算 對于單效蒸發(fā)，在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后，

3、通常需要計算以下的這些內(nèi)容： 分的蒸發(fā)量； 熱蒸汽消耗量； 發(fā)器的傳熱面積。 要解決以上問題，我們可應(yīng)用物料衡算方程，熱量衡算方程和傳熱速率方程來解決。 7.2.1 單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)的計算（1）物料衡算 溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個定態(tài)過程，單位時間進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的量相等，即wWFFw)(0)1 (0wwFWWFFww0水分蒸發(fā)量： 完成液的濃度： 7.2.1 單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)的計算（2）熱量衡算 對蒸發(fā)器作熱量衡算，當(dāng)加熱蒸汽在飽和溫度下排出時， 損QDiWIiWFFiDIs)(0s損QiIWiiFiIDss)()()(0式中 加熱蒸汽消耗量，kg/s； ， 加料液與

4、完成液的溫度，； ， ， 加料液，完成液和冷凝水的熱焓，kJ/kg； ， 二次蒸汽和加熱蒸汽的熱焓，kJ/kg。 式中熱損失 可視具體條件來取加熱蒸汽放熱量（ ）的 某一百分?jǐn)?shù)。 D0tt0iisiIsI損Q0Dr（3）（4）（2）熱量衡算）熱量衡算 用以上兩個式子進(jìn)行計算時，必須預(yù)知溶液在一定濃度和溫度下的焓。對于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，可以不計溶液的濃縮熱，而由比熱求得其焓。習(xí)慣上取0為基準(zhǔn)，即0時的焓為零，則有 0*Tcis000000tctcictcti0代入前面的兩式得： 損QctIWtccFiIDtss)()()(00（2）熱量衡算）熱量衡算 為了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可以近似認(rèn)

5、為溶液的比熱容和所含溶質(zhì)的濃度呈加和關(guān)系，即 0B0*0)1 (wcwccwcwccB*)1 (式中 水的比熱，kJ/kg； 溶質(zhì)的比熱，kJ/kg。 *cBc（2）熱量衡算）熱量衡算由式（3）或式（4）可得加熱蒸汽的消耗量為： ssiIQiIWiiFD損)()(0ssiIQctIWtcctFD損)()(00 忽略濃縮熱時 濃縮熱且 ，rctI0riIss000)(rQWrtcctFD損（2）熱量衡算）熱量衡算 沸點進(jìn)料， ，并忽略熱損失和溶液濃度較低時， ，則 tt 00cc 00)(rWrrctIWD100rrrctIWD或 式中稱 為單位蒸汽消耗量，用來表示蒸汽利用的經(jīng)濟程度（或生蒸汽的

6、利用率）。 WD/7.2.1 單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)的計算（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計算 由傳熱速率方程得 mtKQA式中 蒸發(fā)器傳熱面積，m2； 傳熱量，w； 傳熱系數(shù)，w/m2K； 平均傳熱溫差，K。 AQKmt（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計算）蒸發(fā)器傳熱面積的計算 由于蒸發(fā)過程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱， ，且蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 ，所以有 tTt0m0DrQ )()(000tTKDrtTKQA7.2.1 單效蒸發(fā)的計算單效蒸發(fā)的計算（4）濃縮熱和溶液的焓濃圖 如圖7-21為NaOH水溶液從0為基準(zhǔn)溫度的焓濃圖。 7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失 蒸發(fā)器中的傳熱溫差等于

7、 ，當(dāng)加熱蒸汽的溫度 一定（如用47k kN/m2（絕壓）的水蒸氣作為加熱蒸汽， ），若蒸發(fā)室的壓力為1atm而蒸發(fā)的又是水（其沸點 ）而不是溶液，此時的傳熱溫差最大，用 表示： mt)(0tT 0T1500T100TTt501001500TTTt 如果蒸發(fā)的是30%的NaOH水溶液，在常壓下其沸點是高于100。若其沸點 ，則有效傳熱溫差 ， 比 所減小的值，稱為傳熱溫度差損失，簡稱溫度差損失，用 表示 120t301201500tTttTt7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失TttTTTtt)()(00T傳熱溫差損失TtTtt溶液沸點有效傳熱溫差溫度差損失的原因 ： 溶液

8、沸點的升高。這是由于溶液蒸汽壓較純?nèi)軇ㄋ┰谕粶囟认碌恼羝麎簽榈停率谷芤旱姆悬c比純?nèi)軇ㄋ└撸?蒸發(fā)器中靜壓頭的影響以及流體流過加熱管是產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點的進(jìn)一步上升。 7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（1）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則 在相當(dāng)寬的壓強范圍內(nèi)溶液的沸點與同壓強的下溶劑的沸點成線性關(guān)系： KttttwwA00A)(0ww0AttKttA 式中 和 代表某中種液體（或者溶液）在兩種不同壓力下的沸點， 和 代表溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點。 At0Atwt0wt（1）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則 如圖7-22為不同濃度NaOH水

9、溶液的沸點與對應(yīng)壓強下純水的沸點的關(guān)系，由圖可以看出，當(dāng)NaOH水溶液濃度為零時，它的沸點線為一條 對角線，即水的沸點線，其它濃度下溶液的沸點線大致為一組平行直線。 45（1）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則由該圖可以看出： 濃度不太高的范圍內(nèi)，由于沸點線近似為一組平行直線，因此可以合理的認(rèn)為沸點的升高與壓強無關(guān)，而可取大氣壓下的數(shù)值； 濃度范圍只需要知的兩個不同壓強下溶液的沸點，則其他壓強下的溶液沸點可按杜林規(guī)則進(jìn)行計算。7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對溶液沸點的影響 按液面下處L/5溶液的沸騰溫度來計算，液體在平

10、均溫度下的飽和壓力：gLpp51m式中 液面上方二次蒸汽的壓強（通?？梢杂美淠?壓強代替），Pa； 蒸發(fā)器內(nèi)的液面高度，m。 pL（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對溶液沸點的影響）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對溶液沸點的影響液柱靜壓強引起的溶液溫度升高： )()51( ptgLpt所以沸騰液體的平均溫度為 ： )(ptt 在大多數(shù)教材中，液柱內(nèi)部的平均壓力取的是液面壓力和液柱底部壓力的平均值，即 GLpp21m)()51( ptgLpt7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（3）因蒸汽流動阻力引起的溫度差損失 在多效蒸發(fā)中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加熱室的過程中，為

11、克服管道阻力使其壓強降低，二次蒸汽的溫度也相應(yīng)的降低，由此引起的溫度差損失為 。 總的溫度差損失 蒸發(fā)過程的傳熱溫度差（有效溫度差）： )(00ptTtTt注意注意： 中 為前一效蒸汽到下一效時由于阻力損失而引起的溫度差損失。若單效蒸發(fā)，已知入口蒸汽（生蒸汽）的溫度，則時要計入 嗎？ 1 7.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（4）效蒸發(fā)過程的計算 設(shè)計型計算：給定蒸發(fā)任務(wù)，要求設(shè)計經(jīng)濟上合理的蒸發(fā)器。 給定條件：料液流量 ，濃度 ，溫度 以及完成液濃度 ； 設(shè)計條件：加熱蒸汽的壓強以及冷凝器的操作壓強主要由可供使用 的冷卻水溫度來決定； 計算目的：根據(jù)選用的蒸發(fā)器形式確定傳

12、熱系數(shù) ，計算所需供熱 面積 及加熱蒸汽用量 。 F0w0twKAD（4）效蒸發(fā)過程的計算）效蒸發(fā)過程的計算 操作型計算：已知蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式和蒸發(fā)面積 給定條件：蒸發(fā)器的傳熱面積 與給熱系數(shù) ，料液的進(jìn)口狀態(tài) 與 ，完成液的濃度要求 ，加熱蒸汽與冷凝器內(nèi)的壓 強。 計算目的：核算蒸發(fā)器的處理能力 和加熱蒸汽用量 。 或： 已知條件： ， ， ， ， 。加熱蒸汽與冷凝器內(nèi)的壓強； 計算目的：反算蒸發(fā)器 的并求 ； AK0w0t0wDAF0w0twKDF7.3 多效蒸發(fā)多效蒸發(fā) 利用二次蒸汽的潛熱 利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液)7.3.1 7.3.1 多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟性（利用率）多效蒸發(fā)蒸汽

13、的經(jīng)濟性（利用率） 第一效： ，1kg生蒸汽在第一效中可產(chǎn)生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸（ ）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水，即 11WD1WD 1W第二效： ，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量 ， 所以依次類推： 三效 ， 效 DWW12DWWW2213DWnnDW2DW7.3.1多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟性（利用率）多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟性（利用率）minWDmaxDW效數(shù) 單效 雙效 三效 四效 五效 1.10.570.910.1752.53.333.70 但實際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達(dá)到如此經(jīng)濟的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，最大的 的值大致如下：DW /

14、7.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程 多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有：并流： 溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。逆流： 溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯流： 溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流： 每一效都加入原料液的方法。 下面以三效為例加以說明： （1）并流流程（圖7-14） 蒸汽流動方向： 123 溶液流動方向： 123 7.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（1）并流流程 優(yōu)點： 由于前效的壓強較后效高， ，料液可借此壓 強差自動地流向后一效而無須泵送； ，溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態(tài)會 放出溶液的過熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽， 因此第三效的

15、蒸發(fā)量最大。 缺點：溶液濃度， ， ， ，便使得 溶液溫度， ， ， ，便使得 321ppp321ttt123wwww123321tttt1237.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（2）逆流流程圖7-15 蒸汽流動方向： 321 溶液流動方向： 123 優(yōu)點： ， ， ， ， ， ， 、 對 的影響大致抵消，各效的 基本不變。 缺點： 由于前效壓強較后效高， ，料液從后效往前一 效要用泵輸送。 各效進(jìn)料（末效除外）都較沸點低，自蒸發(fā)不會發(fā)生，所 需要熱量大。 321wwww321321tttt321wtK321ppp7.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程（3）錯流流程溶液流向： 312或231

16、蒸汽流向： 123優(yōu)點：兼有逆流與并流的優(yōu)點。 缺點：操作較復(fù)雜。 （4）平流流程圖7-16 各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對易結(jié)晶的物料較合適（因為結(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。 7.3.3 多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強度和效數(shù)的限制多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強度和效數(shù)的限制 （1）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時間內(nèi)水分總蒸發(fā)量W來表示，而生產(chǎn)強度為單位傳熱面積的蒸發(fā)量（ ），在三效蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度為 AWu 321332211321321AAArQrQrQAAAWWWAWu總總總（1）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度 假設(shè)各效

17、傳熱面積相等，即 ，不考慮溫差損失及濃縮熱等，且各效蒸發(fā)器的傳熱面積系數(shù)相等， ，由前面學(xué)過的我們可以知道， 、 、 相差不大，可近似認(rèn)為相等，即 則 AAAA321KKKK3211r2r3rWrDrQ0rtKArtKAArtAKtAKtAKArQQQuTT3333333222111321總（1）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度 真空蒸發(fā)：提高生產(chǎn)強度（ ）的途徑之一是增大傳熱溫差 ，提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點均可增加 。加熱蒸汽的溫度（及相應(yīng)壓強）受鍋爐額定壓強的限制，因此，在許多情況下，需要采用真空蒸發(fā)以降低溶液免遭破壞，并可利用工廠中低溫的水蒸氣作為熱源。

18、tKAQutt 缺點：但是，溶液沸點的降低使粘度增大，傳熱系數(shù)有所降低，此外，為維持真空操作須添加真空設(shè)備費用和一定量的動力費，這也是它的缺點。 提高 ： 提高 的另一措施是提高 ，而 的主要取決于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，操作方式和溶液的物理性質(zhì)。合理的設(shè)計蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)以建立良好的溶液循環(huán)流動及時排除加熱室中不凝性氣體，經(jīng)常清除污垢等均可提高 。 KKKK7.3.3 多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強度和效數(shù)的限制多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強度和效數(shù)的限制 由于 可以看出，蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)強度取決于 和 ，因此要提高 ，必須提高 和 。 （2）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制 前面我們講過，效數(shù)增多，設(shè)備的生產(chǎn)強度降低，而加熱蒸汽

19、經(jīng)濟性提高，因此，必須合理選擇效數(shù)以便設(shè)備費和操作費之和最少。這是一個優(yōu)化問題。 （3）多效蒸發(fā)計算 描述多效蒸發(fā)過程的參數(shù)很多，但各類參數(shù)之間受到一些基本方程的約束，這些基本方程可分為：物料衡算式，熱量衡算式，傳熱速率式及物性函數(shù)式（如水蒸氣性質(zhì)，物料熱焓及沸點上升等）。 rtKArQuKKtt（3 3）多效蒸發(fā)計算）多效蒸發(fā)計算對于設(shè)計型計算，一般給定： 原料狀態(tài)： ， ， 完成液濃度： 冷凝器溫度與加熱蒸汽溫度： ， 各效蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)： 要求加熱蒸汽用量： 每效傳熱面積： F0t0wnwTnTjKDjA7.3.4 提高加熱蒸汽經(jīng)濟程度的其他措施提高加熱蒸汽經(jīng)濟程度的其他措施 （1）額

20、外蒸汽的方法 不考慮同壓力下蒸發(fā)潛熱的差別，自蒸發(fā)的影響和熱損失等次要因素，并假設(shè)進(jìn)料是在沸點下進(jìn)入，則可認(rèn)為每1kg加熱蒸汽的蒸發(fā)1kg水。以三效蒸發(fā)器為例，可推出（見圖7-17）（1）額外蒸汽的方法）額外蒸汽的方法水的總蒸發(fā)量： 或 推廣至 效：DW 11112EDEWW21223EEDEWW2132123EEDWWWW2131323EEWDn1211.21nEnEnnEnnnWD由上可以看出： 無額外蒸汽引出時， nWD （1）額外蒸汽的方法）額外蒸汽的方法 由于引出額外蒸汽而多消耗的生蒸汽量： 而引出的蒸汽總量為： 比較上面兩式：可知， ，即引出額外蒸汽作為其它加熱設(shè)備的熱源所需補充的

21、生蒸汽量等于引出的額外蒸汽的總量，這比從鍋爐內(nèi)引出生蒸汽作為其他設(shè)備的加熱熱源合算。 ， ， ，只要二次蒸汽的溫度能滿足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效引出的二次蒸汽沒有用，因為 ， ， ，用途有限。11niiEDiEnin inin DiipiT121121nEnEnnEnnD11121niniEEEE7.3.4 提高加熱蒸汽經(jīng)濟程度的其他措施提高加熱蒸汽經(jīng)濟程度的其他措施（2）二次蒸汽的再壓縮（熱泵蒸發(fā)）（3）冷凝水熱量的利用（圖7-19 ）7.4 蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備 蒸發(fā)設(shè)備中包括蒸發(fā)器和輔助設(shè)備 7.4.1蒸發(fā)器蒸發(fā)器 蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式，以適應(yīng)各種生產(chǎn)工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運動的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。 （1）循環(huán)型蒸發(fā)器 特點：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動，因而可以提高傳熱效果。由于 引起循環(huán)運動的原因不同。有分為自然循環(huán)型和強制循環(huán) 型兩類。 自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。 強制循環(huán)：用泵迫使溶液沿一定方向流動。 （1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 垂直短管式