化工原理課件第七章蒸發(fā)

1、第七章 蒸發(fā)第一節(jié) 概述 在化工、輕工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中，常常需要將溶有固體溶質(zhì)的稀溶液加以濃縮，以便使得到濃溶液（固體產(chǎn)品）或制取溶劑。 蒸發(fā)是工業(yè)上常用的濃縮方法。蒸發(fā)將非揮發(fā)性物質(zhì)的稀溶液加熱沸騰使溶劑汽化，溶液濃縮得到濃溶液的過程，稱為：蒸發(fā)（evaporation）。蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)過程的設(shè)備，稱為：蒸發(fā)器（evaporator）。蒸發(fā)的目的1、獲得濃縮液。2、獲得純固體產(chǎn)品。3、獲得溶劑。從蒸發(fā)的目的來看，蒸發(fā)屬于：分離過程。從蒸發(fā)的機(jī)理來看，蒸發(fā)屬于：傳熱過程。（一）蒸發(fā)的基本流程蒸發(fā)過程有兩個(gè)必要條件：（1）加熱溶液，使水沸騰汽化；（2）不斷除去汽化的水蒸汽。蒸發(fā)器和冷凝器（1

2、）加熱溶液，使水沸騰汽化，這部分操作，是在蒸發(fā)器中進(jìn)行。（2）不斷除去汽化的水蒸汽這部分操作，是在冷凝器中進(jìn)行。因此，蒸發(fā)過程，必須有一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器。硝酸銨水溶液蒸發(fā)的簡化流程如圖7-1所示。（1）蒸發(fā)器（2）除沫器（3）完成液（4）冷凝器（1）蒸發(fā)器蒸發(fā)器實(shí)際上是一個(gè)間壁式換熱器，它是由加熱室和蒸發(fā)室兩部分組成。蒸發(fā)室，又稱為：分離室。蒸發(fā)器的種類很多，圖7-1中的蒸發(fā)器是中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。（2）除沫器除沫器安裝在蒸發(fā)室的頂部，除去二次蒸汽中所夾帶液體。防止造成：（1）固體產(chǎn)品的損失。（2）污染冷凝液。（3）液體中的非揮發(fā)性溶質(zhì)經(jīng)液體冷凝析出結(jié)晶，堵塞管道。（3）完成液完成液料液在

3、蒸發(fā)器中濃縮到要求的濃度后稱為：完成液。（4）冷凝器冷凝器屬于直接接觸式換熱器。優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高。真空蒸發(fā)時(shí)，需要用大氣腿從冷凝器中排出冷凝水。不凝性氣體放空。（二）加熱蒸汽和二次蒸汽1、加熱蒸汽用來加熱物料的水蒸氣，稱為：加熱蒸汽，也稱為：生蒸汽。2、二次蒸汽蒸發(fā)水溶液時(shí)，產(chǎn)生的水蒸氣，稱為：二次蒸汽。（三）蒸發(fā)分類根據(jù)物料的特性和工藝要求，蒸發(fā)過程可以采用不同的操作條件和操作方法。1、按照操作空間的壓力分類（1）常壓蒸發(fā)（2）加壓蒸發(fā)（3）減壓蒸發(fā)（即真空蒸發(fā)）2、按照二次蒸汽利用的情況分類（1）單效蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽不再利用，而直接送到冷凝器冷凝除去的蒸發(fā)操作，稱為：單效蒸發(fā)。（2）多

4、效蒸發(fā)將所產(chǎn)生的二次蒸汽通到另一個(gè)壓力較低蒸發(fā)器作為加熱蒸汽。這種將蒸發(fā)器串聯(lián)，使加熱蒸汽在蒸發(fā)過程中得到多次利用的蒸發(fā)過程，稱為：多效蒸發(fā)。3、按照操作方式分類（1）間歇蒸發(fā)（2）連續(xù)蒸發(fā)工業(yè)生產(chǎn)中，在大多數(shù)情況，采用連續(xù)蒸發(fā)。（四）蒸發(fā)過程的特點(diǎn)1、沸點(diǎn)升高蒸發(fā)的物料是溶有非揮發(fā)性物質(zhì)的溶液。由拉烏爾定律可知，在相同溫度下，其蒸氣壓較純?nèi)軇榈?，因此，在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)就高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。2、節(jié)約能源蒸發(fā)時(shí)汽化的溶劑量較大，需要消耗大量的加熱蒸汽。蒸發(fā)時(shí)，要提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度。3、物料的工藝特性（1）有些物料在濃縮時(shí)可能結(jié)垢或析出結(jié)晶；（2）有些熱敏性物料在高溫下易分解變質(zhì)；（3

5、）有些物料具有較大的粘度或較強(qiáng)的腐蝕性。要根據(jù)物料的這些特性和工藝要求，選擇適宜的蒸發(fā)方法和設(shè)備。第二節(jié) 單效蒸發(fā) 一、單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算內(nèi)容，通常包括：1、水分蒸發(fā)量；2、加熱蒸汽消耗量；3、蒸發(fā)器的傳熱面積。 上述問題，可以應(yīng)用：物料衡算、熱量衡算和傳熱速率方程式來解決。（一）物料衡算和熱量衡算1、水分蒸發(fā)量的計(jì)算如圖7-2所示。令： W 水分蒸發(fā)量，kg/h； F 溶液的進(jìn)料量，kg/h； L 完成液流量，kg/h； x0 料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)； x 完成液中，溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖7-2 單效蒸發(fā)的物料衡算和焓衡算示意圖式中： W 水分蒸發(fā)量，kg/h； F 溶液的進(jìn)

6、料量，kg/h； L 完成液流量，kg/h； x0 料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率； x 完成液中，溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分率。式中： W 水分蒸發(fā)量，kg/h； F 溶液的進(jìn)料量，kg/h； x0 料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)； x 完成液中，溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2、加熱蒸汽消耗量的計(jì)算如圖7-2所示。圖7-2 單效蒸發(fā)的物料衡算和焓衡算示意圖令： D 加熱蒸汽消耗量，kg/h； t0 料液溫度， ； t 蒸發(fā)器中溶液的溫度， ； ho 料液的焓，kJ/kg； c0 料液的比熱容，kJ/（kgk）； h 完成液的焓，kJ/kg； c 完成液的比熱容， kJ/ （kgk）； c* 水的比熱容， kJ/（

7、kgk） ； 取c* =4.187 kJ/（kgk） 。 hS 加熱器中冷凝水的焓，kJ/kg； TS 加熱蒸汽的飽和溫度， ； HS 加熱蒸汽的焓，kJ/kg； H 二次蒸汽（溫度為t的過熱蒸汽）的 焓 ，kJ/kg； R 加熱蒸汽的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg； r 溫度為t時(shí)，二次蒸汽的蒸發(fā)潛熱， kJ/kg； Ql 熱損失，kJ/h。（1）水和水蒸氣的比熱容水的比熱容c* c* =4.187 kJkg-1k-1 水蒸氣的比熱容cPV cPV=1.88 kJkg-1k-1 （2）二次蒸汽的焓H式中： Hs，p 在蒸發(fā)室壓力p下，飽和水蒸氣的焓， kJkg-1； Ts，p 在蒸發(fā)室壓力p下，水蒸氣

8、的飽和溫 度，； cPV 水蒸氣的比熱容。 cPV=1.88 kJkg-1k-1熱量衡算由熱量衡算式：經(jīng)整理后得：加熱蒸汽消耗量溶液的焓h0和h溶液的焓h0和h與溶液的濃度和溫度有關(guān)。料液的焓h0溶液的焓h3、溶液的濃縮熱稀釋熱溶液在稀釋時(shí)，一般有放熱效應(yīng)，稱為：稀釋熱。濃縮熱當(dāng)水溶液加熱沸騰，水分蒸發(fā)時(shí)，除了需要提供水分汽化所需的汽化潛熱外，還需要供給與稀釋熱相當(dāng)?shù)臐饪s熱。對于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，溶液的濃縮熱很小，而可以忽略不計(jì)。4、濃縮熱可以忽略時(shí)，加熱蒸汽消耗量D（kg/h）對于大多數(shù)物料的蒸發(fā)，溶液的濃縮熱很小，而可以忽略不計(jì)。若溶液的濃縮熱可以忽略不計(jì)，則溶液的焓可以用比熱容求得。習(xí)慣

9、上，取0為基準(zhǔn)，即0時(shí)液體的焓為零。忽略溶液的濃縮熱加熱蒸汽消耗量若忽略濃縮熱溶液的比熱容式中： c* 水的比熱容，kJkg-1K-1； c* =4.187 kJkg-1K-1 cB 溶質(zhì)的比熱容，kJkg-1K-1。是物 性，查手冊。5、濃縮熱可以忽略，并且考慮 到 ，加熱蒸汽消耗量D式中：R 在加熱蒸汽溫度Ts下，水蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg。是水的物性，查水蒸汽表。式中： r 在溶液溫度t下，水蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；是水的物 性，查水蒸汽表； H 二次蒸汽（溫度為t的過熱蒸汽）的焓 ，kJ/kg； c 完成液的比熱容， kJ/ （kgk）； t 蒸發(fā)器中溶液的溫度（沸點(diǎn)）， 。加熱

10、蒸汽消耗量若忽略濃縮熱若忽略濃縮熱并考慮 6、濃縮熱可以忽略，并考慮 ，沸點(diǎn)進(jìn)料（即t0=t），并忽略熱損失Ql及比熱容c和c0的差別（c=c0）時(shí)，加熱蒸汽消耗量D加熱蒸汽消耗量若忽略濃縮熱若忽略濃縮熱并考慮 若沸點(diǎn)進(jìn)料（即t0=t），并忽略熱損失Ql及比熱容c和c0的差別（c0=c），則：若沸點(diǎn)進(jìn)料（即t0=t），并忽略熱損失Ql及比熱容c和c0的差別，則：若沸點(diǎn)進(jìn)料（即t0=t），并忽略熱損失Ql及比熱容c和c0的差別，則：7、加熱蒸汽的利用程度e式中： e 加熱蒸汽的利用程度；kg蒸汽/kg水； W 水分蒸發(fā)量，kg/h； D 加熱蒸汽消耗量，kg/h。若沸點(diǎn)進(jìn)料（t=t0），并忽略熱

11、損失Ql及比熱容c和c0的差別（c=c0）時(shí)：式中： 單位蒸汽消耗量，kJ/kg水，用以 表示蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)程度。 （二）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算由傳熱速率方程：式中： A 傳熱面積，m2； Q 熱流量，W； K 傳熱系數(shù)，Wm-2K-1； tm 傳熱平均溫差，。熱流量Q Q=DR式中： Q 熱流量（傳熱速率），kJ/h或W； D 加熱蒸汽消耗量，kg/h； R 加熱蒸汽的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg。傳熱平均溫差tm 蒸發(fā)過程是蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱。式中： TS 加熱蒸汽的飽和溫度，即蒸汽冷凝溫度； t 蒸發(fā)器中溶液的溫度，即溶液沸騰溫度。蒸發(fā)器傳熱面積A例7-1 用圖7-1所示的硝酸銨水

12、溶液的蒸發(fā)，進(jìn)料量為104kg/h，用588kPa（表）的飽和水蒸氣將溶液由68%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）濃縮至90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。若蒸發(fā)室的壓力為19.6kPa（絕壓），溶液的沸點(diǎn)為100，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1200Wm-2K-1。沸點(diǎn)進(jìn)料。已知硝酸銨的比熱容cB=1.7kJkg-1K-1。忽略熱損失，試求：（1）加熱蒸汽消耗量；（2）蒸發(fā)器的傳熱面積。（三）濃縮熱和溶液的濃焓圖 有些物料，如氫氧化鈉、氯化鈣等水溶液，在稀釋時(shí)有明顯的放熱效應(yīng)，因而，它們在蒸發(fā)時(shí)，除了供給水分蒸發(fā)所需的汽化潛熱外，還需要供給和稀釋時(shí)的熱效應(yīng)相當(dāng)?shù)臐饪s熱；尤其當(dāng)濃度較大時(shí)，該影響更加顯著。對于這類物料，不能忽略濃縮熱，則其

13、水溶液的焓若簡單地用上述的比熱容關(guān)系計(jì)算，就會產(chǎn)生較大的誤差。對于這類物料，其水溶液的焓值可查閱焓濃圖。 氫氧化鈉水溶液的焓濃圖，如圖7-3所示。溶液的焓，以0為焓的基準(zhǔn)溫度。例7-2 有一傳熱面積為30m2的單效蒸發(fā)器，將35、濃度為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaOH溶液濃縮至50 % （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。已知加熱用飽和水蒸氣的壓力為294kPa（絕），蒸發(fā)室壓力為19.6kPa （絕），溶液的沸點(diǎn)為100 ，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1000Wm-2K-1，熱損失可取為傳熱量的3%，試求；（1）加熱蒸汽消耗量D；（2）料液處理量F。二、蒸發(fā)設(shè)備中的溫度損失1、有效傳熱溫度差t式中： t 有效傳熱溫度差，； T

14、S 加熱蒸汽的飽和溫度，； t 溶液的沸點(diǎn)，。2、最大傳熱溫度差tT 式中： tT 蒸發(fā)器加熱室的最大傳熱溫度差， ； TS 加熱蒸汽的溫度，；加熱蒸汽的壓力 為pS（即：飽和蒸汽壓）； TS，p 蒸發(fā)室壓力p（即操作壓力）下，純水 的沸點(diǎn)，。3、傳熱溫度差損失（簡稱：溫度差損失） 式中： 傳熱溫度差損失（簡稱：溫度差損失）， ； tT 最大傳熱溫度差， ； t 有效傳熱溫度差，；式中： 傳熱溫度差損失（簡稱：溫度差損失）， ； tT 最大傳熱溫度差， ； t 有效傳熱溫度差， ； t 溶液的沸點(diǎn)， ； TS，p 蒸發(fā)室壓力p（即操作壓力）下，純水的 沸點(diǎn)，。式中： 傳熱溫度差損失（簡稱：溫度

15、差損失）， ； t 溶液的沸點(diǎn)， ；Ts,p 蒸發(fā)室壓力p（即操作壓力）下，純水的沸 點(diǎn)， 。式中： 傳熱溫度差損失（簡稱：溫度差損失）， ； 溶液的沸點(diǎn)升高， ； 因液柱靜壓力引起的傳熱溫度差損失， ； 加熱管內(nèi)摩擦損失引起的傳熱溫度差損失， 。三、溶液的沸點(diǎn)升高與杜林規(guī)則1、溶液的沸點(diǎn)升高 式中： 溶液的沸點(diǎn)升高， ； tA 蒸發(fā)室壓力p下，溶液的沸點(diǎn)， ；Ts,p 蒸發(fā)室壓力p下，純水的沸點(diǎn)， 。2、杜林規(guī)則杜林規(guī)則某液體（或溶液）在兩種不同壓力下，兩沸點(diǎn)之差（tA-tA0），與另一標(biāo)準(zhǔn)液體在相應(yīng)壓力下兩沸點(diǎn)之差（ tW-tW0 ），其比值為一個(gè)常數(shù)，即：杜林規(guī)則。式中： tA，tA0

16、某液體（或溶液）在兩種不同壓力下的沸點(diǎn)， ；tW，tW0 某標(biāo)準(zhǔn)液體在相應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)， ； K 杜林常數(shù)，即杜林線（溶液的沸點(diǎn)直線）的斜率。通常選擇水作為：標(biāo)準(zhǔn)液體。 求得杜林常數(shù)K值后，可以按照下式求出任一壓力下的某液體或溶液的沸點(diǎn)：如圖7-4所示。表7-1苯胺及水的沸點(diǎn) 液體 沸點(diǎn)/760mmHg50mmHg150mmHg苯胺水184.410010338.160例7-3 苯胺在760mmHg及50 mmHg的沸點(diǎn)見表7-1，求其在150mmHg下的沸點(diǎn)。解 先求杜林常數(shù)K圖7-4所示為以水為標(biāo)準(zhǔn)液體時(shí)，不同濃度NaOH水溶液的沸點(diǎn)直線（杜林線）。溶液在一定濃度下的沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)成直線關(guān)系

17、。這樣就可利用杜林線求取不同濃度的溶液在任一壓力下的沸點(diǎn)tA。例7-4 蒸發(fā)濃度為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaOH水溶液時(shí)，若蒸發(fā)室壓力分別為101.3kPa和19.6kPa（皆為絕壓），試分別求出溶液的沸點(diǎn)升高 。例7-5 KOH水溶液的蒸汽壓（kPa）與溫度、濃度之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)見表7-2。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用杜林規(guī)則，以水為標(biāo)準(zhǔn)液體作出不同濃度下KOH水溶液的杜林直線。溫度/濃度c(kgKOH/1000kgH2O)下的蒸氣壓p/kPaC(200)下的pC(400)下的pC(600)下的pC(800)下的pC(1000)下的p204060801001.9606.21316.7239.8785.

18、201.4534.61312.5330.0064.670.9603.0938.6121.0746.400.5871.9475.6814.4032.800.3471.1733.539.4022.93表7-2 KOH水溶液在某些濃度及幾個(gè)指定溫度下的蒸氣壓p（kPa，絕）解 根據(jù)表7-2中各個(gè)水蒸氣壓（絕），可從水蒸氣壓與溫度的飽和關(guān)系（即平衡關(guān)系，附錄七列得較詳細(xì)），查得水的飽和溫度，即沸點(diǎn)t0W，見表7-3。溶液c的沸點(diǎn)/溶液c1的p / kPa水的沸點(diǎn)t0W / 溶液c2的p / kPa水的沸點(diǎn)t0W / 溶液c3的p /kPa水的沸點(diǎn)t0W / 溶液c4的p / kPa水的沸點(diǎn)t0W /

19、溶液c5的p / kPa水的沸點(diǎn)t0W / 204060801001.9606.21316.7239.8785.2017.134.656.375.895.21.4534.61312.5330.0064.6712.531.550.369.187.90.9603.0938.6121.0746.406.424.643.061.279.50.5781.9475.6814.4032.80-0.717.135.153.271.70.3471.1733.539.4022.93-6.69.526.944.663.1表7-3 水的飽和溫度將表7-3中的溶液濃度c1，c2 ，c5的沸點(diǎn)，與蒸氣壓p相同的水沸點(diǎn)對應(yīng)

20、，可標(biāo)繪成KOH水溶液的杜林直線，如圖7-5所示。四、液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對溶液沸點(diǎn)的影響1、液柱靜壓力引起的傳熱溫度差損失由于蒸發(fā)器在操作時(shí)要維持一定的液面高度，液柱靜壓力使溶液沸點(diǎn)進(jìn)一步升高，從而使有效傳熱溫度差減小。式中： p 液柱靜壓力引起的壓降，Pa； L 蒸發(fā)室內(nèi)的液面高度，m； 液體密度，kg/m3； p 蒸發(fā)室空間的壓力， Pa。 式中： 因液柱靜壓力引起的傳熱溫度差 損失， ； TS,p 蒸發(fā)室壓力p下，純水的沸點(diǎn)， ； TS,p+p 壓力為p+p時(shí)，純水的沸點(diǎn)， 。2、加熱管內(nèi)摩擦損失引起的傳熱溫度差損失 （ ） 加熱管內(nèi)液體的流速較大時(shí)，管內(nèi)的阻力損失會進(jìn)一步增大

21、液體的平均壓力，因而使溫差損失隨之增大。加熱管內(nèi)摩擦損失引起的傳熱溫度差損失 ，一般可以忽略不計(jì)。 若加熱管內(nèi)液體流速較大時(shí)，可以近似取： 0.51 例7-6 設(shè)例7-4中NaOH溶液的液面高度L=1m，溶液密度=1450kg/m3，試求此時(shí)溶液的沸點(diǎn)。例7-4蒸發(fā)濃度為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaOH水溶液時(shí)，若蒸發(fā)室壓力分別為101.3kPa和19.6kPa（皆為絕壓），試分別求出溶液的沸點(diǎn)升高 。答：（1）p= 101.3kPa （絕） 時(shí)， =42；（2）p= 19.6kPa（絕）時(shí)， =40.3；五、真空蒸發(fā)工業(yè)上常使溶液在減壓（即真空）下蒸發(fā)，以降低溶液的沸點(diǎn)。（一）真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)1、

22、蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應(yīng)減小。 在減壓下，溶液的沸點(diǎn)較常壓下的為低，因此，可以提高加熱蒸汽與沸騰液體間的溫度差，于是，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應(yīng)減小。2、可以利用低壓蒸汽甚至廢汽作為加熱蒸汽。3、可用以濃縮不耐高溫的溶液。4、由于溶液的沸點(diǎn)降低，蒸發(fā)器損失于外界的熱量較小。（二）真空蒸發(fā)的缺點(diǎn)1、消耗額外的能量。 在真空下蒸發(fā)，需要增設(shè)一套抽真空的裝置以保持蒸發(fā)室的真空度，從而消耗額外的能量。2、傳熱系數(shù)減小。 隨著壓力的減小，溶液沸點(diǎn)降低，溶液的粘度隨之增大，常使給熱系數(shù)減小，從而使傳熱系數(shù)減小。3、 二次蒸汽的溫度降低使得冷凝的傳熱溫度差相應(yīng)減小。第三節(jié) 多效蒸發(fā)效數(shù)單效雙效三效四效五效D/

23、W1.10.570.40.30.27表7-4 蒸發(fā)1水所需的生蒸汽（ D/W ） 由于多效蒸發(fā)可以節(jié)省生蒸汽用量，所以，在蒸發(fā)大量水分時(shí)，廣泛采用多效蒸發(fā)。常用的多效蒸發(fā)器有雙效、三效或四效，有的多達(dá)六效。一、多效蒸發(fā)設(shè)備的流程多效蒸發(fā)的加料，可以有四種不同的方法。1、并流法2、逆流法3、錯(cuò)流法4、平流法1、并流法并流加料蒸發(fā)操作流程并流法溶液流向與蒸汽流向相同,即由第一效順序流至末效。工業(yè)上最常采用的加料法是并流法。如圖7-6所示。并流法 蒸汽流向：1 2 3效 溶液流向：1 2 3效 溶液流向與蒸汽流向相同,即由第一效順序流至末效。并流法 蒸發(fā)室壓力：p1p2p3溶液溫度（沸點(diǎn)）：t1t2

24、t3 溶液濃度：并流法的優(yōu)點(diǎn)（1）溶液可以依靠效間的壓力差流動，各效間無須用泵輸送溶液。 溶液從壓力高、溫度高的蒸發(fā)器的蒸發(fā)室流向壓力低、溫度低的蒸發(fā)器的蒸發(fā)室。 后一效的蒸發(fā)室壓力較前一效為低，故溶液可以依靠效間的壓力差流動，各效間無須用泵輸送溶液，操作方便。并流法的優(yōu)點(diǎn)（2）溶液自蒸發(fā)可產(chǎn)生更多二次蒸汽。 前一效的溶液沸點(diǎn)較后一效的為高，因此，當(dāng)前一效的溶液進(jìn)入后一效內(nèi)，即成為過熱狀態(tài)而立即自行蒸發(fā)（常稱為：自蒸發(fā)或閃蒸）。可以產(chǎn)生更多的二次蒸汽，使能在次一效蒸發(fā)更多的溶液。并流法的優(yōu)點(diǎn)（3）從整個(gè)蒸發(fā)裝置看，完成液最后以較低溫度排出設(shè)備，因此，熱量消耗少。并流法的缺點(diǎn)后一效的溶液的濃度較

25、前一效的大，而溫度又較低，粘度增加顯著，因而傳熱系數(shù)就小得多。這種情況在最末一、二效尤為嚴(yán)重，使整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力降低。因此，若遇到溶液的粘度隨濃度增加而增加很快的情況，則采用：逆流法。2、逆流法逆流加料蒸發(fā)操作流程逆流法溶液流向與蒸汽流向相反。原料液由末效流入，而由泵打入前一效。如圖7-7所示。逆流法 蒸汽流向：1 2 3效 溶液流向：3 2 1效 溶液流向與蒸汽流向相反。原料液由末效流入，而由泵打入前一效。逆流法 蒸發(fā)室壓力：p1p2p3溶液溫度（沸點(diǎn)）：t1t2t3 溶液濃度：逆流法的優(yōu)點(diǎn)溶液的濃度越大時(shí)蒸發(fā)的溫度也越高，使各效溶液均不致出現(xiàn)粘度太大的情況，因而傳熱系數(shù)也就不致過小。

26、逆流法的缺點(diǎn)（1）除了進(jìn)入末效的溶液外，效與效間皆需用泵輸送溶液。（2）各效進(jìn)料溫度（除末效外）都較沸點(diǎn)為低，與并流法相比，無自蒸發(fā)（或閃蒸）現(xiàn)象，所產(chǎn)生的二次蒸汽量較少。（3）從整個(gè)蒸發(fā)裝置看，完成液最后以較高溫度排出設(shè)備，因此，熱量消耗大。3、錯(cuò)流法錯(cuò)流加料蒸發(fā)操作流程錯(cuò)流法溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間則成逆流。錯(cuò)流法的特點(diǎn)錯(cuò)流法的特點(diǎn)是在各效間兼用并流和逆流加料法。例如，三效蒸發(fā)設(shè)備中，溶液的流向可為：312或231。錯(cuò)流法三效蒸發(fā)設(shè)備 蒸汽流向：1 2 3效 溶液流向：2 3 1效132加熱蒸汽料液完成液二次蒸汽錯(cuò)流法三效蒸發(fā)設(shè)備 蒸汽流向：1 2 3效 溶液流向：3 1

27、2效132加熱蒸汽料液完成液二次蒸汽錯(cuò)流法目的錯(cuò)流法目的利用并流法和逆流法的優(yōu)點(diǎn)，克服或減輕二者的缺點(diǎn)。錯(cuò)流法的缺點(diǎn)錯(cuò)流法的缺點(diǎn)操作比較復(fù)雜。4、平流法平流加料蒸發(fā)操作流程平流法按各效分別進(jìn)料并分別出料的方式進(jìn)行。如圖7-8所示。平流法適用于在蒸發(fā)過程中同時(shí)有結(jié)晶體析出的場合。例如，食鹽溶液，當(dāng)蒸發(fā)至27%左右的濃度時(shí)即達(dá)飽和，若繼續(xù)蒸發(fā)，就有結(jié)晶析出；此結(jié)晶體不便在效與效間輸送，故可采用此種流程將含晶體的濃溶液自各效分別取出。5、額外蒸汽的引出額外蒸汽在多效蒸發(fā)設(shè)備中，由某一效所引出的、不通入次一效而用于別處的二次蒸汽，稱為：額外蒸汽。額外蒸汽的引出的目的是提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)問題。如圖7-9

28、所示。二、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)強(qiáng)度和多效蒸發(fā)器效數(shù)的限制（一）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強(qiáng)度1、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(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量W來表示，也可用通過單位傳熱面的傳熱速率Q來表示。式中：tT 總傳熱溫差，。2、蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度（簡稱：蒸發(fā)強(qiáng)度）（1）單效蒸發(fā)器的蒸發(fā)強(qiáng)度U（2）三效蒸發(fā)器的蒸發(fā)強(qiáng)度U3、多效蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力W（二）液柱靜壓頭效應(yīng)和沸點(diǎn)升高多效蒸發(fā)的溫度差損失超過單效。（三）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制1、有效傳熱溫度差t的限制2、經(jīng)濟(jì)方面的限制三、多效蒸發(fā)的計(jì)算如圖7-10所示。圖7-10 附有參數(shù)的三效蒸發(fā)器流程圖已知：（1）料液：F，x0，to；（2）加熱蒸汽（

29、生蒸汽）：p1s或T1s；（3）完成液濃度：xE；（4）冷凝器：pC或Tc；（5）各效的傳熱系數(shù)：K1，K2，K3，Kn；（6）溶液的物性（如焓、比熱等）。計(jì)算：（1）總水分蒸發(fā)量W和各效蒸發(fā)量：W1，W2，W3，Wn；（2）各效溶液的沸點(diǎn)：t1，t2，t3，tn；（3）加熱蒸汽消耗量：D （生蒸汽消耗量）；（4）各效傳熱面積相等時(shí)的傳熱面積：A A1=A2=A3=An=A多效蒸發(fā)的計(jì)算以三效蒸發(fā)為例三效蒸發(fā)流程圖，如圖7-10所示。圖7-10 附有參數(shù)的三效蒸發(fā)器流程圖多效蒸發(fā)的計(jì)算步驟（1）設(shè)各效蒸發(fā)量的初值Wi；（2）求出各效的溶液濃度xi；（3）求各效i， ti，和ti；（4）應(yīng)用熱量

30、衡算式，求加熱蒸汽消耗量D 及各效蒸發(fā)量Wi；（5）由傳熱速率方程式，求出各效的傳熱面積Ai；1、當(dāng)完成液濃度x3及末效蒸發(fā)室壓力p3為已知時(shí)，可確定該效中溶液的沸點(diǎn)（考慮沸點(diǎn)升高時(shí)，可按杜林規(guī)則計(jì)算）。2、確定總蒸發(fā)量W，并求各效蒸發(fā)量W1、W2、W3及各效溶液濃度x1、x2、x3。3、計(jì)算總有效傳熱溫差 t，計(jì)算各效的有效傳熱溫差t1、 t2、 t3 ，并求每一效中溶液的沸點(diǎn)t1、t2、t3 。4、應(yīng)用物料衡算式計(jì)算每一效中溶液的濃度x1、x2、x3，然后列出熱量衡算式（忽略熱損失）來計(jì)算各效蒸發(fā)量W1、W2、W3及熱流量Q1、Q2、Q3。5、由傳熱速率方程式Q=KA t求出各效的傳熱面積

31、A1、A2、A3。6、如果求得的傳熱面積A1、A2、A3并不近似相等，則應(yīng)對t1、 t2和 t3 做如下修正。先求出平均傳熱面積A校正后的有效溫差7、由第6步求得值后，從第4步起，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到各效傳熱面積A1、A2、A3近似相等為止。多效蒸發(fā)的計(jì)算步驟-補(bǔ)充內(nèi)容多效蒸發(fā)的計(jì)算步驟（1）設(shè)各效蒸發(fā)量的初值Wi；（2）求出各效的溶液濃度xi；（3）求各效i， ti，和ti；（4）應(yīng)用熱量衡算式，求加熱蒸汽消耗量D 及各效蒸發(fā)量Wi；（5）由傳熱速率方程式，求出各效的傳熱面積Ai；（6）檢驗(yàn)計(jì)算出的各效的傳熱面積Ai；看各效傳熱面積是否近似相等：A A1 A2 A3若不相等，則應(yīng)對各效的有效溫

32、度差t1 ，t2， ，t3做調(diào)整。（7）由第（6）步求得各效的有效溫度差ti ，重復(fù)第（4），（5），（6）步的計(jì)算，直到各效的傳熱面積近似相等為止。（1）設(shè)各效蒸發(fā)量的初值Wi（2）求出各效的溶液濃度xi（3）求各效i， ti，和ti常采用各效傳熱面積均相同的蒸發(fā)器。（4）應(yīng)用熱量衡算式，求加熱蒸汽消耗量D 及各效蒸發(fā)量Wi第一效第二效第三效第一效第二效第三效式中： L1=F-W1 L2=L1-W2 L3=L2-W3第一效第二效第三效若不考慮濃縮熱效應(yīng)各效的熱流量（5）由傳熱速率方程式，求出各效的傳熱面積Ai（6）檢驗(yàn)計(jì)算出的各效的傳熱面積Ai若校正后的有效溫差分別用t1、t2和 t3表示，

33、則（7）由第六步求得t值后，從第四步起重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直至各效傳熱面積接近相等為止。7-7 有一并流加料的三效蒸發(fā)器，用以濃縮蔗糖溶液。料液中含糖10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），完成液中含糖50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 。溶液的沸點(diǎn)升高可認(rèn)為與壓力無關(guān)，按 計(jì)算，其中 為溶液中含糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。忽略液柱靜壓頭效應(yīng) 。第一效加熱蒸汽壓力為205.5kPa（絕壓，下同），第三效蒸發(fā)室的壓力為14kPa。進(jìn)料量為22700kg/h，進(jìn)料溫度為27。溶液的定壓比熱容cp=4.19-2.35xkJkg-1K-1，忽略濃縮熱效應(yīng)。各效的傳熱系數(shù)分別為：K1=3120Wm-2K-1、 K2=1990Wm-2K-1和K3=1140Wm

34、-2K-1 。各效傳熱面積相等，求傳熱面積A和加熱蒸汽消耗量D。解并流加料的三效蒸發(fā)器的流程如圖7-10所示。按照上述七個(gè)步驟計(jì)算。圖7-10 附有參數(shù)的三效蒸發(fā)器流程圖四、提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)程度的其他措施1、額外蒸汽的引出2、冷凝水自蒸發(fā)的利用3、熱泵蒸發(fā)器（一）額外蒸汽的引出額外蒸汽在多效蒸發(fā)設(shè)備中，由某一效所引出的、不通入次一效而用于別處的二次蒸汽，稱為：額外蒸汽。從多效蒸發(fā)設(shè)備中，引出額外蒸汽作為其他加熱設(shè)備的熱源。額外蒸汽的引出的目的是提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)問題。如圖7-9所示。為了討論問題方便起見，假定：（1）不考慮不同壓力下蒸發(fā)潛熱的差別；（2）不考慮自蒸發(fā)的影響；（3）不考慮熱損失；

35、（4）并假定進(jìn)料是在沸點(diǎn)下進(jìn)入。則可認(rèn)為1kg加熱蒸汽能蒸發(fā)1kg水。以三效蒸發(fā)器為例，可推出下列近似關(guān)系。式中： E1,E2 分別為自第一、二效蒸發(fā)器引出的額外 蒸汽量， kg/h ；D 加熱蒸汽消耗量，kg/h； W1,W2,W3 分別為第一、二、三效蒸發(fā)器的水 分蒸發(fā)量，kg/h。水的總蒸發(fā)量W加熱蒸汽消耗量Dn效蒸發(fā)器式中： E1,E2,En-2,En-1 分別為自第一、二、 、 n-2 、 n-1效蒸發(fā)器引出的額外蒸汽量，kg/h ； D 加熱蒸汽消耗量，kg/h； W n效蒸發(fā)器的總水分蒸發(fā)量，kg/h。 （1）無額外蒸汽引出時(shí)單效蒸發(fā)三效蒸發(fā)雙效蒸發(fā)（2）有額外蒸汽引出時(shí) 從多效

36、蒸發(fā)器中，每抽出1kg二次蒸汽作為額外蒸汽時(shí)，所增加的生蒸汽消耗量不是1kg而是小于1kg。越從后面幾效取出額外蒸汽，則增加的生蒸汽消耗量越少，即生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性也越高。例7-8 某車間有一套三效蒸發(fā)器，每小時(shí)蒸發(fā)6000 kg水。生蒸汽溫度為142.9，第一效二次蒸汽冷凝時(shí)的飽和溫度為115 ，第二效二次蒸汽冷凝時(shí)的飽和溫度為90 。本車間內(nèi)另有一換熱器需將物料從40 加熱到100 。如果完全用生蒸汽加熱要消耗1200kg/h。不考慮不同壓力下蒸發(fā)潛熱的差別、自蒸發(fā)的影響和熱損失等因素，試求：（1）不引出額外蒸汽加熱時(shí)生蒸汽總用量；（2）將第一效抽出的額外蒸汽用于物料的加熱時(shí)，生蒸汽的總用量；

37、（3）將物料分兩段加熱，從40 加熱到70 時(shí)用第二效抽出的額外蒸汽，從70 加熱到100 時(shí)用第一效抽出的額外蒸汽，計(jì)算生蒸汽的總用量。解 （1）不引出額外蒸汽加熱時(shí)生蒸汽總用量。（2）將第一效抽出的額外蒸汽用于物料的加熱時(shí)生蒸汽的總用量。（3）將物料分兩段加熱，從40 加熱到70 時(shí)用第二效抽出的額外蒸汽，從70 加熱到100 時(shí)用第一效抽出的額外蒸汽，計(jì)算生蒸汽的總用量。（二）冷凝水自蒸發(fā)的利用冷凝水自蒸發(fā)前一效的溶液沸點(diǎn)較后一效的為高，因此，當(dāng)前一效的溶液進(jìn)入后一效內(nèi)，即成為過熱狀態(tài)而立即自行蒸發(fā)，稱為：自蒸發(fā)或閃蒸?？梢援a(chǎn)生更多的二次蒸汽。如圖7-11所示。冷凝水自蒸發(fā)的利用1、用來

38、預(yù)熱料液2、用來加熱其他物料3、作為其他工藝用水4、用減壓閃蒸的方法使冷凝水產(chǎn)生部分蒸汽與二次蒸汽一起作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，從而提高生蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度。如圖7-11所示。（三）熱泵蒸發(fā)器熱泵蒸發(fā)器的原理是借助壓縮機(jī)的絕熱壓縮作用，將二次蒸汽的飽和溫度升高，并再送回原來的蒸發(fā)器中，作為加熱蒸汽。這樣，除在開工時(shí)以外，不需另行供給加熱蒸汽，即可進(jìn)行蒸發(fā)。如圖7-12所示。熱泵蒸發(fā)器用于蒸發(fā)沸點(diǎn)升高小的溶液時(shí)較為有利。第四節(jié) 蒸發(fā)設(shè)備一、蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)蒸發(fā)設(shè)備主要包括：（1）加熱室；（2）蒸發(fā)室進(jìn)行汽液分離（分離室）；（3）除沫器；（4）冷凝器使二次蒸汽全部冷凝；（5）真空裝置對于減壓操作。

39、目前，常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中停留的情況，大致分為兩種類型。 1、循環(huán)型蒸發(fā)器溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動，多次通過加熱室，經(jīng)過多次加熱最終成為濃縮液后從蒸發(fā)器排出。 2、單程型蒸發(fā)器溶液在蒸發(fā)器中只通過加熱室一次，不做循環(huán)流動即成為濃縮液排出。（一）循環(huán)型蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動。由于引起循環(huán)的原因不同，又可分為兩種類型。 1、自然循環(huán)型蒸發(fā)器在蒸發(fā)器中，溶液的循環(huán)是由于溶液受熱所致的密度差引起，故稱為：自然循環(huán)。 2、強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器在蒸發(fā)器中，溶液的循環(huán)主要依靠外加的動力，用泵迫使溶液沿一定方向流動而產(chǎn)生循環(huán)。自然循環(huán)型蒸發(fā)器自然循環(huán)型蒸發(fā)器，可分為下列四種

40、類型。 1、中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器） 2、懸筐式蒸發(fā)器 3、外熱式蒸發(fā)器 4、列文式蒸發(fā)器1、中央循環(huán)管式蒸發(fā)器（標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器）中央循環(huán)管式蒸發(fā)器屬于自然循環(huán)型蒸發(fā)器，如圖7-13所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)包括：（1）外殼；（2）加熱室；（3）蒸發(fā)室分離室；（4）中央循環(huán)管； 中央循環(huán)管中央循環(huán)管加熱室由垂直管束組成，溶液在管內(nèi)流動并被加熱。加熱室中間有一根直徑很大的管子，稱為：中央循環(huán)管。循環(huán)流動循環(huán)流動在蒸發(fā)器中，溶液從中央循環(huán)管下降，而由其他直徑小的加熱管上升，形成循環(huán)流動。產(chǎn)生循環(huán)的原因中央循環(huán)管較大，管內(nèi)單位體積溶液占有的傳熱面積，比其他直徑小的加熱管的要小，即溶液在中央循環(huán)管內(nèi)比其他

41、加熱管內(nèi)的受熱程度較輕。因而，直徑小的加熱管內(nèi)溶液汽化較多，形成的汽、液混合物的密度小。從而使蒸發(fā)器中的溶液從中央循環(huán)管下降，而由其他直徑小的加熱管上升，形成循環(huán)流動。自然循環(huán)環(huán)型蒸發(fā)器自然循環(huán)型蒸發(fā)器在蒸發(fā)器中，溶液的循環(huán)是由于溶液受熱所致的密度差引起，故稱為：自然循環(huán)。中央循環(huán)管的尺寸為使溶液有良好的循環(huán)，應(yīng)使：（1）中央循環(huán)管的截面積，一般為其他加熱管總截面積的40%100%；（2）加熱管高度，一般為1 2m；（3）加熱管直徑在25 75 mm。優(yōu)點(diǎn)中央循環(huán)管式蒸發(fā)器具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）結(jié)構(gòu)緊湊；（2）制造方便；（3）傳熱較好；（4）操作可靠。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，應(yīng)用廣泛。也稱為：標(biāo)準(zhǔn)式

42、蒸發(fā)器。缺點(diǎn)中央循環(huán)管式蒸發(fā)器具有以下缺點(diǎn)。（1）循環(huán)速度不大；（2）溶液的沸點(diǎn)升高大這是循環(huán)型蒸發(fā)器共同的缺點(diǎn)；（3）設(shè)備清洗和維修不夠方便。2、懸筐式蒸發(fā)器懸筐式蒸發(fā)器加熱室像一個(gè)籃球筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，并且以加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)形通道代替中央循環(huán)管。屬于自然循環(huán)型蒸發(fā)器。如圖7-14所示。循環(huán)流動循環(huán)流動溶液在加熱管中上升，而后循著懸筐式加熱室外壁與蒸發(fā)器內(nèi)壁之間的環(huán)隙向下流動而構(gòu)成循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)（1）蒸發(fā)器的加熱室可由頂部取出進(jìn)行檢修或更換。因而，適用于易結(jié)晶和結(jié)垢溶液的蒸發(fā)。（2）熱損失較小。缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單位傳熱面積的金屬耗量較多。3、外熱式蒸發(fā)器外熱式蒸發(fā)器加熱室

43、安裝在蒸發(fā)器的外面。屬于自然循環(huán)型蒸發(fā)器。如圖7-15所示。優(yōu)點(diǎn)（1）可以降低蒸發(fā)器的總高度；（2）便于清洗和更換；（3）加熱管束較長，同時(shí)循環(huán)速度較快。4、列文式蒸發(fā)器上述3種自然循環(huán)蒸發(fā)器，其循環(huán)速度均在1.5m/s以下，一般不適用于蒸發(fā)粘度較大、易結(jié)晶或結(jié)垢嚴(yán)重的溶液，否則，操作周期就很短。為了提高自然循環(huán)速度以延長操作周期和減少清洗次數(shù)，可采用列文式蒸發(fā)器。列文式蒸發(fā)器在加熱室之上增設(shè)沸騰室。屬于自然循環(huán)型蒸發(fā)器。加熱室中的溶液并不沸騰。只是在上升到沸騰室內(nèi)，當(dāng)其所受到的壓力降低后才能開始沸騰。因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室。如圖7-16所示。特點(diǎn)（1）在加熱室之上增設(shè)沸騰室。這樣，加熱室中的溶液因?yàn)槭艿竭@一段附加的液柱靜壓力的作用而并不沸騰。只是在上升到沸騰室內(nèi)，當(dāng)其所受到的壓力降低后才能開始沸騰。因而溶液的沸騰汽化由加熱室移到了沒有傳熱面的沸騰室。（2）循環(huán)管的截面積約為加熱管總截面積的23倍，溶液流動時(shí)的阻力小，因而循環(huán)速度可達(dá)2.5m/s以上。優(yōu)點(diǎn)（1）加熱管表面不易結(jié)晶和結(jié)垢，因而可在較長時(shí)間內(nèi)不需要清洗；（2）傳熱系數(shù)較大。缺點(diǎn)（1）液柱靜壓頭效應(yīng)引起的溫差損失較大，為保持