化工原理蒸發(fā)

第5章蒸發(fā)5.0概述5.1蒸發(fā)設備5.2單效蒸發(fā)5.3多效蒸發(fā)2/4/202315章蒸發(fā)5.0概述在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)中，通過化學反應或物理性操作過程經(jīng)常得到一些含溶質的稀溶液，為了得到符合標準的產(chǎn)品，常將含有不揮發(fā)溶質的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質濃度提高的單元操作稱為蒸發(fā)。5.0.1蒸發(fā)分離的依據(jù)利用溶劑具有揮發(fā)性而溶質不揮發(fā)的特性使兩者實現(xiàn)分離。2/4/202325章蒸發(fā)5.0.2蒸發(fā)操作的目的獲得濃縮的溶液，直接作為成品或半成品脫除溶劑。此過程常伴隨有結晶過程去除雜質。2/4/202335章蒸發(fā)5.0.3蒸發(fā)操作的應用在工業(yè)上，有三種情況：(1)制取液體產(chǎn)品。燒堿生產(chǎn)，蒸發(fā)18%的NaOH，到32%，作為成品堿；(2)生產(chǎn)固體產(chǎn)品。將稀溶液濃縮達到飽和狀態(tài)，然后冷卻使溶質結晶與溶液分離，從而獲得固粒產(chǎn)品。例如，食鹽精制、制糖、制藥等。(3)制取純溶劑。采用蒸發(fā)方法使溶劑汽化并冷凝，使不揮發(fā)性雜質分離而得到純溶劑，例如海水淡化制取淡水等。本章僅討論水溶液的蒸發(fā)。2/4/202345章蒸發(fā)用來進行蒸發(fā)的設備主要是蒸發(fā)器和冷凝器，基本流程如圖。蒸發(fā)器的作用是加熱溶液使水沸騰汽化，并移去，由加熱室和分離室兩部分組成。冷凝器與蒸發(fā)器的分離室相通，其作用是將產(chǎn)生的水蒸汽冷凝而除去。

5.0.4蒸發(fā)的流程冷凝水加熱蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷卻水不凝性氣體1.加熱室2.加熱管3.中央循環(huán)管4.分離室5.除沫器6.冷凝器2/4/202355章蒸發(fā)蒸發(fā)操作時，溶液由分離室底部加入，沿中央循環(huán)管流向加熱室，在加熱室垂直管束內通過時與飽和蒸汽間接換熱，被加熱至沸騰狀態(tài)，汽液混合物沿加熱管上升，達到分離室時蒸汽與溶液分離。為與加熱蒸汽相區(qū)別，產(chǎn)生的蒸汽稱為二次蒸汽，二次蒸汽進入冷凝器被除去。溶液仍在中央循環(huán)管與加熱管中進行循環(huán)，當達到濃度要求后稱為完成液，從蒸發(fā)器底部排出。冷凝水加熱蒸汽料液二次蒸汽完成液水冷卻水不凝性氣體1.加熱室2.加熱管3.中央循環(huán)管4.分離室5.除沫器6.冷凝器2/4/202365章蒸發(fā)5.0.5蒸發(fā)的分類按操作壓強分：加壓蒸發(fā)、常壓蒸發(fā)、真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)的優(yōu)點：1.減壓下溶液沸點t1降低，使蒸發(fā)器的傳熱推動力Δt=T-t1增大，因而，對一定的傳熱量Q，可節(jié)省蒸發(fā)器的傳熱面積S。2.蒸發(fā)操作的熱源可采用低壓蒸汽或廢熱蒸汽，節(jié)省能耗。P↓,T↓,Δt一定，Q不變3.適于處理熱敏性物料，即在高溫下易分解、聚合或變質的物料。4.減少蒸發(fā)器的熱損失。真空操作的缺點：1.溶液的沸點降低，使粘度增大，導致總傳熱系數(shù)下降2.動力消耗大。因需要有造成減壓的裝置。2/4/202375章蒸發(fā)按蒸發(fā)方式分：自然蒸發(fā)、沸騰蒸發(fā)自然蒸發(fā)：溶液在低于溶液沸點的溫度條件下汽化。汽化只在溶液表面進行，汽化面積小，傳熱速率低，汽化速率低沸騰蒸發(fā)：溶液在沸騰條件下汽化。汽化發(fā)生在溶液的各個部位。汽化面積大，傳熱速率高，汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分：單效蒸發(fā)、多效蒸發(fā)單效蒸發(fā)：將二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝熱的操作多效蒸發(fā)：將二次蒸汽引到下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，以利用其冷凝熱的串聯(lián)操作本章討論沸騰傳熱2/4/202385章蒸發(fā)5.0.6蒸發(fā)的特點蒸發(fā)的實質是傳熱。蒸發(fā)器也是一種換熱器。蒸發(fā)具有下述特點：傳熱性質：傳熱壁面一側為加熱蒸汽進行冷凝，另一側為溶液進行沸騰，故屬于壁面兩側流體均有相變化的恒溫傳熱過程。溶液性質：有些溶液在蒸發(fā)過程中有晶體析出、易結垢和產(chǎn)生泡沫；溶液的粘度在蒸發(fā)過程中逐漸增大，腐蝕性逐漸加強。這些性質將影響設備的結構。2/4/202395章蒸發(fā)溶液沸點的改變(升高)：含有不揮發(fā)溶質的溶液，其蒸汽壓較同溫度下純水的低，即在相同的壓強下，溶液的沸點高于純水的沸點，所以當加熱蒸汽一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)水的溫度差，兩者之差稱為溫度差損失，而且溶液濃度越高，溫度差損失越大泡沫挾帶：二次蒸汽中常挾帶大量泡沫，冷凝前必須設法除去。否則既損失物料，又污染冷凝設備。能源利用：蒸發(fā)時產(chǎn)生大量二次蒸汽，含有許多潛熱，應合理利用這部分潛熱。2/4/2023105章蒸發(fā)5.1蒸發(fā)設備5.1.1常用蒸發(fā)器的結構與特點蒸發(fā)器組成：加熱室：加熱溶液使之汽化分離室：分離二次蒸汽和完成液化工生產(chǎn)中常用的間接加熱蒸發(fā)器按加熱室的結構和操作時溶液的流動情況，分為兩大類：循環(huán)型(非膜式)單程型(膜式)2/4/2023115章蒸發(fā)5.1.1.1循環(huán)型(非膜式)蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器的特點是溶液在蒸發(fā)器內作連續(xù)的循環(huán)運動，溶液在蒸發(fā)器內停留時間長，溶液濃度接近于完成液濃度。根據(jù)引起循環(huán)運動的原因，分為自然循環(huán)和強制循環(huán)型蒸發(fā)器。自然循環(huán)：由于溶液在加熱室不同位置上的受熱程度不同，產(chǎn)生密度差而引起的循環(huán)運動強制循環(huán)：依靠外力迫使溶液沿一個方向作循環(huán)運動2/4/2023125章蒸發(fā)1.中央循環(huán)管式(標準式)蒸發(fā)器加熱蒸汽：加熱室管束環(huán)隙內溶液：管內。優(yōu)點：溶液循環(huán)好傳熱效率高結構緊湊、制造方便、操作可靠缺點：循環(huán)速度低溶液粘度大、沸點高不易清洗適于處理結垢不嚴重、腐蝕性小的溶液2/4/2023135章蒸發(fā)2.懸筐式蒸發(fā)器加熱蒸汽：管間溶液：管內優(yōu)點：溶液循環(huán)速度高，改善了管內結構情況傳熱速率較高缺點：設備費高占地面積大加熱管內溶液滯留量大適于處理易結垢，有晶體析出的溶液2/4/2023145章蒸發(fā)3.外熱式蒸發(fā)器優(yōu)點：降低了整個蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換循環(huán)速度較高，使得對流傳熱系數(shù)提高結垢程度小適于處理易結垢、有晶體析出、處理量大的溶液2/4/2023155章蒸發(fā)4.列文蒸發(fā)器優(yōu)點：流動阻力小循環(huán)速度高傳熱效果好加熱管內不易堵塞缺點：設備費高廠房高，耗用金屬多適于處理有晶體析出或易結垢的溶液2/4/2023165章蒸發(fā)5.強制循環(huán)型蒸發(fā)器優(yōu)點：循環(huán)速度高晶體不易粘結在加熱管壁對流傳熱系數(shù)高缺點：動力消耗大對泵的密封要求高加熱面積小適于處理粘度大，易結垢、有晶體析出的溶液。2/4/2023175章蒸發(fā)5.1.1.2單程型(膜式)蒸發(fā)器單程型蒸發(fā)器的特點是溶液只通過加熱管一次蒸發(fā)即可達到要求的濃度。特點：溶液停留時間短，操作時沿加熱管壁呈膜狀流動，由于操作要求成薄膜流動且一次蒸發(fā)完成，因此對設計和操作要求嚴格。適用于：熱敏性物料的蒸發(fā)。2/4/2023185章蒸發(fā)1.升膜蒸發(fā)器適于處理蒸發(fā)量較大的稀溶液，熱敏性和易生泡沫的溶液；不適于濃度高、粘度大、有晶體析出溶液的蒸發(fā)。2/4/2023195章蒸發(fā)2.降膜蒸發(fā)器需設置良好的液體分布器，以保證溶液均勻成膜和防止二次蒸汽從加熱管頂部穿出。常用的膜分布器見P299圖5-7。適于處理濃度、粘度較大的溶液不適于處理易結晶、結垢的溶液。2/4/2023205章蒸發(fā)3.升－降膜式蒸發(fā)器適于處理濃縮過程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場合。2/4/2023215章蒸發(fā)4.刮板薄膜蒸發(fā)器缺點：結構復雜，動力消耗大，傳熱面積小，處理能力低。適于處理易結晶、易結垢、高粘度的溶液2/4/2023225章蒸發(fā)5.1.1.3直接加熱蒸發(fā)器優(yōu)點：結構簡單，不需要固定的傳熱面，熱利用率高適于處理易結垢、易結晶或有腐蝕性的溶液。不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。2/4/2023235章蒸發(fā)5.1.2蒸發(fā)器的輔助設備蒸發(fā)器的輔助設備主要包括除沫器和冷凝器。1.除沫器目的：用于去除二次蒸氣中的霧沫和液滴，防止有用產(chǎn)品的損失或冷凝液污染冷凝器。安裝位置：分離室頂部或蒸發(fā)器外部。2/4/2023245章蒸發(fā)2.冷凝器和真空裝置冷凝器的作用：將二次蒸汽冷凝成水后排出。冷凝器分類：間壁式和直接接觸式兩類。當二次蒸氣為有價值的產(chǎn)品需要回收，或會嚴重污染冷卻水時，應采用間壁式冷凝器；否則可采用直接接觸式冷凝器。真空裝置作用：將冷凝液中的不凝性氣體抽出，維持蒸發(fā)操作所需的真空度。真空裝置適于：蒸發(fā)器采用減壓操作；真空裝置安裝位置：冷凝器后常用的真空裝置：噴射泵、往復式真空泵以及水環(huán)式真空泵等。2/4/2023255章蒸發(fā)5.1.3蒸發(fā)器的選型蒸發(fā)器的結構型式很多，選用時應結合生產(chǎn)過程的蒸發(fā)任務，選擇適宜的蒸發(fā)器型式。選型時，一般考慮以下原則：溶液的粘度：蒸發(fā)過程中，溶液粘度變化的情況，是選型時很重要的因素。高粘度的溶液應選用對其適應性好的蒸發(fā)器，如強制循環(huán)型、降膜式、刮板攪拌薄膜式等；溶液的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性差的物料，應選用滯料量少，停留時間短的蒸發(fā)器，如各種膜式蒸發(fā)器2/4/2023265章蒸發(fā)有晶體析出的溶液：選用溶液流動速度大的蒸發(fā)器，以使晶體在加熱管內停留時間短，不易堵塞加熱管，如外熱式、強制循環(huán)蒸發(fā)器易發(fā)泡的溶液：泡沫的產(chǎn)生，不僅損失物料，而且污染蒸發(fā)器，應選用溶液湍動程度劇烈的蒸發(fā)器，以抑制或破碎泡沫，如外熱式、強制循環(huán)式、升膜式等；條件允許時，也可將分離室加大。有腐蝕性的溶液：蒸發(fā)此種物料，加熱管采用特殊材質制成，或內壁襯以耐腐蝕材料。若溶液不怕污染，也可采用浸沒燃燒蒸發(fā)器2/4/2023275章蒸發(fā)易結垢的溶液：蒸發(fā)器使用一段時間后，就會有污垢產(chǎn)生，垢層的導熱系數(shù)小，從而使傳熱速率下降。應選用便于清洗和溶液循環(huán)速度大的增大器，如懸筐式、強制循環(huán)式、浸沒燃燒式等溶液的處理量：溶液的處理量也是選型時應考慮的因素。處理量小的，選用尺寸較大的單效蒸發(fā)，處理量大的，選用尺寸適宜的多效蒸發(fā)。不同類型的蒸發(fā)器，各有特點，對溶液的適應性也不相同，見P302表5-1。2/4/2023285章蒸發(fā)5.2單效蒸發(fā)5.2.1溶液的沸點和溫度差損失1.溶液的沸點含有不揮發(fā)溶質的溶液，其蒸汽壓較同溫度下純水的低，即在相同的壓強下，溶液的沸點高于純水的沸點，所以當加熱蒸汽一定時，蒸發(fā)溶液的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)水的溫度差，兩者之差稱為溫度差損失，而且溶液濃度越高，溫度差損失越大蒸發(fā)溶液溫度差：Δt=T-t蒸發(fā)純水溫度差：ΔtT=T-T′∵P一定時，t>T′∴

Δt<ΔtT2/4/2023295章蒸發(fā)2.溫度差損失造成溫度差損失的主要原因是：(1)因溶質存在，使溶液沸點升高導致與純水沸點之差Δ’

；(2)蒸發(fā)器操作時需維持一定液位，因加熱管內液柱靜壓強而使沸點升高Δ’’；(3)二次蒸汽由蒸發(fā)器分離室流動到冷凝器(或下一效蒸發(fā)器加熱室)時產(chǎn)生壓強降，導致的溫度差損失Δ’’’(若T′指分離室溫度時，Δ’’’=0)。總的溫度差損失為三項之和，即Δ=Δ’+Δ’’+Δ’’’2/4/2023305章蒸發(fā)1).因溶液蒸汽壓下降所引起的溫度差損失Δ′

設tA為僅考慮因溶質存在時引起蒸汽壓下降時溶液的沸點，則Δ′=tA-T′。Δ值的大小與溶液的種類、濃度以及操作壓強有關，通常采用兩種方法計算：(1).經(jīng)驗估算法(吉辛科法)對常壓下由于蒸汽壓下降而引起的沸點升高Δa′進行修正用于操作壓強下的溫度差損失。

Δ′=fΔa′

2/4/2023315章蒸發(fā)Δ′=fΔa′

式中：

Δa′—

常壓下由于溶液蒸汽壓下降而引起的沸點升高，Δa′=tA-100；

tA

—

常壓下溶液的沸點，℃，其值可從有關手冊查得；

f

—

校正系數(shù)，無因次，f=0.0162(T′+273)2/r′

T′，r′—分別為實際操作壓強下二次蒸汽溫度，℃和汽化潛熱，kJ/kg。2/4/2023325章蒸發(fā)(2).杜林規(guī)則法(直線規(guī)則法)杜林規(guī)則：說明溶液的沸點和相同壓強下標準溶液沸點之間呈線性關系。由于純水在各種壓強下的沸點容易獲得，故一般選用純水為標準溶液，只要知道溶液和水在兩個不同壓強下的沸點，在直角坐標圖中以溶液沸點為縱標，以純水沸點為橫標，以溶液濃度為參數(shù)，即可得到一條直線。由此直線即可求得該溶液在其它壓強下的沸點。溶液沸點，℃tA′tA純水沸點，℃tW′tWC%2/4/2023335章蒸發(fā)溶液沸點，℃純水沸點，℃C%求解方法有兩種：①查圖法已知p→T′→tA→Δ′=tA-T′②截距法在圖中杜林直線上任選兩點M、N，其對應壓強分別為pM、pN，對應壓強下溶液的沸點、水的沸點分別為tA

、tW

、tA′、tW′，如圖：tAT′tA′tAtW′tWMN則直線斜率為：2/4/2023345章蒸發(fā)若某壓強下水的沸點tW=0，則上式整理成截距計算式為：tA=tA′-ktW′=ym濃度不同的溶液之杜林直線互不平行，但斜率k與截距ym均為溶液質量濃度x，即：

k=f(x)

ym=g(x)如NaOH水溶液：

k=1+0.142x

ym=150.75x2-2.71x2/4/2023355章蒸發(fā)計算過程：據(jù)質量濃度x計算k,ym代入截距方程ym=tA′-ktW′解的tA′Δ′=tA′-tW′2/4/2023365章蒸發(fā)例7-2在中央循環(huán)管蒸發(fā)器內將NaOH水溶液由10％濃縮到20％，求：(1)利用經(jīng)驗估算法計算50kPa時溶液的沸點(2)利用杜林直線采用查圖法計算50kPa時溶液的沸點(3)利用杜林直線采用截距法計算50kPa時溶液的沸點解:(1)查P358附錄二十一得20％NaOH水溶液在101.33kPa下沸點升高值為Δa’=8.5℃查P338附錄十得50kPa時水的飽和溫度為T’=81.2℃，水的汽化熱r’=2304.5kJ/kg∴Δ’=fΔa’=0.8819×8.5=7.5℃溶液沸點：tA=Δ’+T’=7.5+81.2=88.7℃2/4/2023375章蒸發(fā)(2)據(jù)50kPa下水的沸點為81.2℃，查P296“NaOH水溶液的杜林線圖”的20％直線，得縱標，即溶液沸點tA′=88℃(3)NaOH水溶液杜林直線：

k=1+0.142x=1+0.142×0.2=1.028

ym=150.75x2-2.71x=150.75×0.22-2.71×0.2=5.488∵ym=tA′-ktW′∴

tA′=ym+

ktW′=5.488+1.028×81.2＝88.96℃2/4/2023385章蒸發(fā)2).因加熱管內液柱靜壓強而引起的溫度差損失Δ’’

某些蒸發(fā)器的加熱管內積有一定高度的液位，使得液面以下液體承受更大的壓強，因而導致沸點升高。液層內部沸點與表面沸點之差即為因加熱管內液柱靜壓強而引起的溫度差損失Δ’’。2/4/2023395章蒸發(fā)一般計算時取液層中部平均壓強pm下對應的沸點tpm為依據(jù)。設分離室壓強為p′Pa，液面高度為Lm，則液層中部壓強為：對應的溫度差損失：Δ″=tpm-tp′式中：

tpm

—

壓強pm下水的沸點，℃(因溶液沸點難于查取，故取該壓強下純水沸點近似作為溶液沸點)；

tp′—與二次蒸汽壓強p′對應的水的沸點，℃；

ρ

—

液體密度，kg/m3。2/4/2023405章蒸發(fā)3).由于管路流動阻力而引起的溫度差損失Δ’’’二次蒸汽由分離室流到冷凝器(或下一效加熱室)時，因管道流動阻力使二次蒸汽的壓強有所降低，溫度也相應下降，由此引起的溫度差損失即為Δ’’’。因二次蒸汽產(chǎn)生的壓強降，隨管路的布置情況而異，其計算較繁。通常根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗值選?。簡涡д舭l(fā)：蒸發(fā)器→冷凝器

Δ’’’=1～1.5℃。多效蒸發(fā)：蒸發(fā)器→冷凝器

Δ’’’=1～1.5℃。多效蒸發(fā)：蒸發(fā)器→下一效加熱室

Δ’’’=1℃。在三種溫差損失的計算中，以Δ′為最大，為一主要影響因素。2/4/2023415章蒸發(fā)5.2.2單效蒸發(fā)已知條件：原料液流量F(kg/h)，原料液濃度xo(質量分率)和溫度to(℃)，完成液的濃度x1(質量分率)(生產(chǎn)要求)過程選定：加熱蒸汽壓強p(或溫度T)，冷凝器操作壓強p′(或溫度T′)；計算內容：單位時間內水分蒸發(fā)量W(kg/h)，加熱蒸汽用量D(kg/h)，蒸發(fā)器的傳熱面積S(m2)。求解上述問題應用物料衡算方程、熱量衡算方程和傳熱速率方程。2/4/2023425章蒸發(fā)5.2.2.1蒸發(fā)量W如圖以蒸發(fā)器為衡算范圍，取1h為衡算基準，作物料衡算：總物料：F=W+G溶質：Fx0=Gx1蒸發(fā)室加熱室W,T’,H’F,x0,t0,h0D,T,HD,T,hwG,x1,t1,h12/4/2023435章蒸發(fā)5.2.2.2加熱蒸汽消耗量D以蒸發(fā)器為衡算范圍，衡算基準為1h，對進出蒸發(fā)器的熱量進行衡算：DH+Fh0=WH′+(F-W)h1+Dhc+QL(7-1)蒸發(fā)室加熱室W,T’,H’F,x0,t0,h0D,T,HD,T,hcF-WQLG,x1,t1,h1式中：

H、H′、hc

—加熱蒸汽、二次蒸汽和冷凝水焓值，kJ/kg；

h0、h1

—原料液、完成液焓值，kJ/kg；

QL

—

蒸發(fā)器的熱損失，W。在具體計算時，根據(jù)溶液特性分為兩種方法進行熱量衡算求加熱蒸汽用量。2/4/2023445章蒸發(fā)1.溶液的稀釋熱可以忽略當溶液的稀釋熱不大，可以忽略不計時，溶液的焓值可用比熱計算。以0℃的液體為基準，則：原料液：h0=C0(t0-0)完成液：h1=C1(t1-0)冷凝水：hc=CW(T-0)因此，式(7-1)熱量衡算式可寫為：D(H-CWT)=WH′+(F-W)C1t1-FC0t0+QL

(7-2)式中兩比熱使用不便，改用原料液比熱C0代替完成液比熱C1。2/4/2023455章蒸發(fā)溶液的比熱可用以下經(jīng)驗公式計算：C=Cw(1-x)+CBx其中：Cw

、CB－－分別為水和溶質的比熱，kJ/kg。則：C0=Cw(1-x0)+CBx0=Cw+(CB-Cw)x0C1=Cw(1-x1)+CBx1=Cw+(CB-Cw)x12/4/2023465章蒸發(fā)若冷凝液在飽和溫度下排出，且忽略溶液濃度變化對焓值的影響，即：H-CWT=rH′-CWt1=r′

則：忽略稀釋熱時加熱蒸汽消耗量計算式2/4/2023475章蒸發(fā)〖說明〗(1)從上式可以看出加熱蒸汽提供的熱量Dr用于：將原料液由t0升溫到沸點t1：FC0(t1-

t0)蒸發(fā)水分：Wr′

過程熱損失：QL2/4/2023485章蒸發(fā)(2)若原料液預熱到沸點，即t0=t1，并略去熱損失，QL≈0，則有D/W=r’/r≈1，即每蒸發(fā)1kg水分大約需要1kg加熱蒸汽，實際過程有熱損失，常在1.1左右。e=D/W稱為單位蒸汽消耗量，為每蒸發(fā)單位質量水分時，加熱蒸汽的消耗量，kg/kg。e值是衡量蒸發(fā)裝置經(jīng)濟程度的指標。(3)當x0<0.2時：C0=Cw(1-x0)2/4/2023495章蒸發(fā)例題5-2在連續(xù)操作的蒸發(fā)器中，將2000kg/h的某無機鹽水溶液由0.1濃縮到0.3(均為質量分數(shù))。蒸發(fā)器的操作壓力為40kPa，相應的溶液沸點為80℃。加熱蒸汽的壓力為200kPa。已知原料液的比熱為3.77kJ/(kg·℃)，蒸發(fā)器的熱損失為12000W。設溶液的稀釋熱可以忽略，試求1.水的蒸發(fā)量；2.原料液分別為30℃、80℃、120℃時的加熱蒸汽消耗量。解：2/4/2023505章蒸發(fā)2/4/2023515章蒸發(fā)2.溶液稀釋熱不可忽略對某些水溶液(如CaCl2、NaOH等)在稀釋時有顯著的放熱效應，因而蒸發(fā)時除供給汽化水分所需汽化潛熱時，還需提供與稀釋熱相應的濃縮熱，且溶液濃度愈大，溫度愈高，這種影響愈顯著。因此式(7-1)中的h0、h1應由相應的焓濃圖查取，計算結果才準確。

2/4/2023525章蒸發(fā)

據(jù)(7-1)熱量衡算式，得加熱蒸汽用量：若冷凝液在飽和溫度下排出，(H-hc)=r為飽和蒸汽冷凝潛熱，kJ/kg。因此：2/4/2023535章蒸發(fā)5.2.2.3傳熱面積S0Q=K0S0Δtm1.平均溫度差Δtm蒸發(fā)屬兩相均有相變的恒溫傳熱過程，故傳熱的平均溫度差為Δtm=T-t其中：t=Δ+T′2/4/2023545章蒸發(fā)2.總傳熱系數(shù)K0公式計算：選用經(jīng)驗值：P310表5-2?，F(xiàn)場測定2/4/2023555章蒸發(fā)3.蒸發(fā)器的熱負荷Q條件不同，熱負荷的計算也不同，若加熱蒸汽在飽和溫度下排出：稀釋熱不可以忽略時：Q=Dr=WH′+(F-W)h1-Fh0+QL

,W稀釋熱可以忽略時：Q=Dr=Wr′+FCp0(t1-t0)+QL

,W2/4/2023565章蒸發(fā)例5-3將10%的NaOH水溶液蒸發(fā)到45%，處理量為1800kg/h，原料液溫度60℃，比熱為3.4kJ/kg·℃，加熱蒸汽和分離室壓強分別為400kPa和50kPa，蒸發(fā)器內液面高度為2m，溶液平均密度為1400kg/m3，總傳熱系數(shù)Ko為1500W/(m2·℃)，若熱損失為傳熱量的10%，忽略稀釋熱，試計算加熱蒸汽消耗量，水分蒸發(fā)量，產(chǎn)品量及所需傳熱面積。解：查附表十：p=400kPa下蒸汽T=143.4℃，r=2138.5kJ/kgp′=50kPa下二次蒸汽T′=81.2℃，r′=2304.5kJ/kg(1)水分蒸發(fā)量2/4/2023575章蒸發(fā)(2)產(chǎn)品量G=(F-W)=1800-1400=400kg/h(3)加熱蒸汽用量Dr=Wr′+FCp0(t1-t0)+QL∵QL=0.1Dr∴Dr=1.1[Wr′+FCp0(t1-t0)]其中：t1=T’+Δ=81.2+Δ’+Δ’’Δ’’’2/4/2023585章蒸發(fā)①Δ’的計算采用杜林規(guī)則的截距法：因溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)接近完成液，故取x=0.45k=1+0.142x=1+0.142×0.45=1.0639ym=150.75x2-2.71x=150.75×0.452-2.71×0.45=29.31∵tA′=ym+

ktW′∴Δ’=tA′-tW′

=ym+

(k-1)tW′=29.31+(1.0639-1)×81.2=34.5℃2/4/2023595章蒸發(fā)②Δ’’的計算：查得：pm=63.73kPa下水沸點tpm=87.2℃Δ″=tpm-tp′=87.2-81.2=6.0℃③取Δ’’’=1.2℃t=81.2+34.5+6.0+1.2=122.9℃故：D=1.1×[1400×2304.5+1800×3.4×(122.9-60)]/2138.5=1858kg/h2/4/2023605章蒸發(fā)(4)傳熱面積傳熱量:Q=Dr=1858×2138.5/3600=1103.7kW2/4/2023615章蒸發(fā)5.2.2.4管內沸騰傳熱系數(shù)αi的關聯(lián)式1.標準型蒸發(fā)器適用于：溶液在加熱管進口處的速度較低（0.2m/s左右）。常壓操作。2/4/2023625章蒸發(fā)2.強制循環(huán)蒸發(fā)器2/4/2023635章蒸發(fā)3.升膜蒸發(fā)器(1)熱負荷較低（表面蒸發(fā)）的情況適用條件：ReL按入口的液體流量計算，ReV按出口氣體的流量計算。2/4/2023645章蒸發(fā)(2)熱負荷較高（泡核沸騰）的情況適用條件：ReL按入口的液體流量計算，ReV按出口氣體的流量計算。ΦS：沸騰管材質校正系數(shù)，鋼、銅為1，不銹鋼、鉻、鎳為0.7，磨光表面為0.4。2/4/2023655章蒸發(fā)4.降膜蒸發(fā)器2/4/2023665章蒸發(fā)適用條件：降膜蒸發(fā)器的αi還可用P313圖5-15計算。2/4/2023675章蒸發(fā)5.2.3蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度5.2.3.1蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力1.蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力用單位時間內蒸發(fā)的水分量表示，即蒸發(fā)量W(kg/h)：可見生產(chǎn)能力與蒸發(fā)器傳熱面積，傳熱系數(shù)，原料液溫度，操作條件，熱損失等用關，它籠統(tǒng)地表示蒸發(fā)器生產(chǎn)量的大小，但不能確切表示蒸發(fā)器和蒸發(fā)過程的優(yōu)劣程度。2/4/2023685章蒸發(fā)2.蒸發(fā)器生產(chǎn)能力的大小取決于通過傳熱面的傳熱速率Q，因此也可以用蒸發(fā)器的傳熱速率來衡量其生產(chǎn)能力：

Q=KAΔt＝KA(T-t1)

稀釋熱可以忽略，且熱損失不計時：

Q=Wr’+FCp0(t1-t0)2/4/2023695章蒸發(fā)說明：1.當t1＝t0時，即原料液在沸點下進入蒸發(fā)器時：Q=Wr’：表明通過傳熱面所傳遞的熱量全部用于蒸發(fā)水分W∝Q

：表明蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和傳熱速率成正比2.當t0<t1時，Wr’<Q，W↓：表明消耗部分熱量將冷溶液加熱至沸點，降低了蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力3.當t0>t1時，Wr’>Q，W↑：表明由于部分原料液的自動蒸發(fā)(閃蒸)，使蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力有所增加〖結論〗進料溫度t0越高，則蒸發(fā)器生產(chǎn)能力W越大Q=Wr’+FCp0(t1-t0)2/4/2023705章蒸發(fā)5.2.3.2蒸發(fā)器的蒸發(fā)強度U指單位傳熱面積上單位時間內蒸發(fā)的水分量，kg/m2·h即：U是評價蒸發(fā)器在一定操作條件下性能優(yōu)劣的重要指標。影響因素主要為總傳熱系數(shù)和傳熱溫度差?！卟僮鳁l件下r’為常量因此，提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度的途徑有二：2/4/2023715章蒸發(fā)提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度的途徑1.提高傳熱溫度差ΔtΔt=T-t1，方法：提高加熱蒸汽的壓強。加熱蒸汽壓強越高，對應飽和溫度就越高，一般為0.3～0.5MPa，不超過0.8MPa，但受到供汽條件限制增大冷凝器的真空度，使溶液沸點t1降低。但此法增加了真空泵的功率消耗，且因溶液的沸點降低，使其粘度增高，導致沸騰傳熱系數(shù)下降。也受限制2/4/2023725章蒸發(fā)提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度的途徑2.增大總傳熱系數(shù)K增大管內對流傳熱系數(shù)hi減少管內側污垢熱阻定期清洗選用適宜的蒸發(fā)器型式采取強制循環(huán)，改進蒸發(fā)器結構，產(chǎn)生的晶體及時與溶液分離2/4/2023735章蒸發(fā)5.3多效蒸發(fā)在單效蒸發(fā)中，蒸發(fā)1kg水分需消耗1kg多的加熱蒸汽，在大規(guī)模生產(chǎn)中為了節(jié)省蒸汽用量，同時也為了使析出的晶體及時與溶液分離，一般采用多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)的操作原理是：將前一效產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，這樣僅第一效需要消耗生蒸汽，同時要求后一效的操作壓強和溶液的沸點相應降低，這時引入的二次蒸汽才仍能起到加熱作用，則后一效的加熱室成為前一效的冷凝器。如此將多個蒸發(fā)器串聯(lián)起來一同操作的過程，組成了多效蒸發(fā)操作流程。2/4/2023745章蒸發(fā)采用多效蒸發(fā)的優(yōu)點是①降低能耗。由于各效(末效除外)的二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，因而提高了加熱蒸汽的利用率；②便于分離晶體。當蒸發(fā)過程溶液有晶體析出時，可使晶體在某一效間析出，然后與溶液分離后繼續(xù)蒸發(fā)，這樣就避免了單效操作時晶粒和完成液一起排出，可減少結垢、磨損現(xiàn)象，同時提高對流傳熱系數(shù)。③可強化傳熱過程提高蒸發(fā)效率。2/4/2023755章蒸發(fā)溶液的流向與蒸汽相同，均由第一效順序流至末效的蒸發(fā)流程，稱為并流加料流程，如圖。5.3.1.1多效蒸發(fā)流程完成液冷卻水原料液不凝氣加熱蒸汽水1.并流加料流程優(yōu)點：1.由于后一效操作壓強低于前一效，故溶液的輸送靠效間壓強差進行，不另用泵；2.由于后一效溶液的沸點低于前一效，故前一效溶液進入后一效時，會因過熱而自行蒸發(fā)，可使后一效產(chǎn)生較多的二次蒸汽，即水分蒸發(fā)量多；缺點：隨效數(shù)的增加，溶液濃度逐效增高而溫度逐效降低，致使溶液粘度增大較快，使傳熱系數(shù)逐效下降，傳熱效果一效不如一效。適于：熱敏性物料的蒸發(fā)2/4/2023765章蒸發(fā)2.逆流加料流程

溶液的流向與蒸汽相反，由第末效流至第一效的蒸發(fā)流程，稱為逆流加料流程，如圖。優(yōu)點：隨著溶液濃度的逐效提高，溫度也相應升高，因而各效溶液粘度大致接近，所以各效傳熱系數(shù)差別不大；

缺點：1.效間溶液輸送需用泵；2.各效進料溫度均低于沸點，產(chǎn)生的二次蒸汽量較并流法少。適于：粘度隨溫度和濃度變化較大的溶液蒸發(fā)2/4/2023775章蒸發(fā)3.平流加料流程

溶液分別由各效加入并排出完成液，各效溶液流向互相平行的流程稱為平流加料流程，如圖5-19。適于：粘度隨溫度和濃度變化較大的溶液蒸發(fā)

在實際蒸發(fā)中，除了采用這些基本流程外，常根據(jù)具體情況進行合并和組合。

2/4/2023785章蒸發(fā)5.3.2多效蒸發(fā)和單效蒸發(fā)的比較5.3.2.1溶液的溫度差損失若單效和多效蒸發(fā)操作條件(即加熱蒸汽壓強和冷凝器的操作壓強)相同時，其理論傳熱溫差相同而和效數(shù)無關，多效蒸發(fā)只是將此傳熱溫差分配到各效而已。由于多效蒸發(fā)的每一效中都存在傳熱溫差損失，因而總的有效傳熱溫差必小于單效時，使得傳熱推動力下降。效數(shù)愈多，總有效溫差愈小，當效數(shù)增加到一定程度時，可使總有效溫度差為零，此時蒸發(fā)將無法進行，即為效數(shù)的最大極限。2/4/2023795章蒸發(fā)5.3.2.2加熱蒸汽的經(jīng)濟性當蒸發(fā)水分量相同時，多效蒸發(fā)所需加熱蒸汽消耗量比單效明顯減少，因而提高了加熱蒸汽的利用率，即經(jīng)濟性。因此在蒸發(fā)大量水分時，應采用多效。2/4/2023805章蒸發(fā)5.3.2.3.蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強度無論是生產(chǎn)能力還是生產(chǎn)強度，其大小取決于蒸發(fā)器的傳熱速率，當操作條件一定時，單效的傳熱速率為Q=KSΔt，而多效的傳熱速率Qn=KSΣΔti(設T1，Tn′及K，S相同)。很明顯，由于Δt>ΣΔti，將使Q>Qn，即多效的生產(chǎn)能力小于單效時的生產(chǎn)能力，又因多效傳熱面積為單效時的n倍，因而多效時生產(chǎn)強度遠較單效時為小?？梢姸嘈д舭l(fā)是以犧牲生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度為代價換取加熱蒸汽的利用率。2/4/2023815章蒸發(fā)5.3.2.4多效蒸發(fā)效數(shù)的限制和選擇(1)技術上的限制隨著效數(shù)的增加，總的有效溫差因溫度差損失的增加而減小，除使設備生產(chǎn)強度降低外，在技術上受到總的有效溫差的限制，否則效數(shù)過多導致蒸發(fā)不能操作下去。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，分配到每效蒸發(fā)器的有效溫差不應小于7～10℃，因而效數(shù)有一限制。2/4/2023825章蒸發(fā)(2)經(jīng)濟上的限制隨著效數(shù)的增加，雖然D/W在不斷降低，但這種降低不與效數(shù)成正比而在逐漸減少。將單效增為雙效時，每蒸發(fā)1kg/h水所需加熱蒸汽降低率為(1.1-0.57)/1.1=50%，而由四效增為五效時，這種降低率僅(0.3-0.27)/0.3=10%，而設備費用則幾乎是成倍增加，所以當增加的設備費已大于減少的加熱蒸汽費用時，就再無必要增加效數(shù)。由此可看出效數(shù)的增加在經(jīng)濟上也有一限制。2/4/2023835章蒸發(fā)(3)多效蒸發(fā)效數(shù)的選擇根據(jù)以上分析，效數(shù)的確定在滿足技術上的要求外，原則上應根據(jù)設備費與操作費之和最小進行經(jīng)濟核算來選擇最佳效數(shù)。實際的蒸發(fā)過程，效數(shù)并不多。一般對電解質溶液的蒸發(fā)，象NaOH，NH4NO3等水溶液，因沸點升高較大通常僅2～3效；對非電解質溶液，如糖水溶液，有機溶液等的蒸發(fā)，由于沸點升高較小采用4～5效；海水淡化的溫差損失極小，可用20～30效進行蒸發(fā)。2/4/2023845章蒸發(fā)5.4蒸發(fā)器的工藝設計1.確定適當?shù)牟僮鳁l件與操作方法蒸發(fā)操作條件與操作方法主要根據(jù)溶液的性質、生產(chǎn)任務、產(chǎn)品質量要求和經(jīng)濟效益等方面綜合考慮后進行確定。內容包括加熱蒸汽壓強、冷凝器壓強；加壓還是真空蒸發(fā)；單效蒸發(fā)或者多效蒸發(fā)；多效蒸發(fā)效數(shù)、流程等。一般應在滿足工藝要求的條件下通過經(jīng)濟核算，多方案比較和結合實際情況作出選擇。2/4/2023855章蒸發(fā)2.選擇合適的蒸發(fā)器型式和附屬設備的型式蒸發(fā)器型式的選擇主要從溶液的特性和蒸發(fā)器主要性能(見表7-1)兩方面考慮。溶液的粘度是首要考慮的因素，其余有溶液的濃度、濃縮比、熱穩(wěn)定性、是否有晶體析出、發(fā)泡性、腐蝕性、結垢性等以及溶液處理量、設備造價、傳熱效果等方面加以確定。3.對蒸發(fā)系統(tǒng)進行物料、熱量衡算，確定加熱蒸汽用量以及傳熱面積傳熱面積的計算要選擇合適的傳熱系數(shù)。對多效蒸發(fā)，通過計算判斷所選效數(shù)，流程在技術上、經(jīng)濟上是否可行合理，必要時對上述選擇進行適當調整。2/4/2023865章蒸發(fā)4.蒸發(fā)器主要結構工藝尺寸的設計以中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例介紹蒸發(fā)器主要結構尺寸的設計計算方法。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器主體為加熱室和分離室；加熱室由直立的加熱管束組成，管束中間為一根直徑較大的中央循環(huán)管；分離室是汽液分離的空間。其主要結構尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、長度及在花板上的排列等。這些尺寸的確定取決于工藝計算結果，主要是傳熱面積。2/4/2023875章蒸發(fā)(1)加熱管的選擇和管束的初步估計加熱管通常選用25×2.5mm、38×2.5mm、57×3.5mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管，長度一般為0.6～6m。管子長度的選擇應根據(jù)溶液結垢的難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮。易結垢和易起泡沫溶液的蒸發(fā)宜采用短管。當加熱管規(guī)格與長度確定后，可由下式初估所需管數(shù)n′：n′=Sπdo(L-0.1)因加熱管固定在管板上，考慮到管板厚度所占據(jù)的傳熱面積，計算n′時的管長用(L-0.1)m。為完成傳熱任務所需的最小實際管數(shù)n只有在管板上排列加熱管后才能確定。2/4/2023885章蒸發(fā)(2)循環(huán)管的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減少的原則來考慮的。其截面積可取加熱管總截面積的40%～100%，若以Di表示循環(huán)管內徑，則：對加熱面積較小的蒸發(fā)器，應取較大的百分數(shù)。按上式計算出Di后，應從管規(guī)格表中選取管徑相近的標準管，只要n與n′相差不大，循環(huán)管的規(guī)格可一次確定。循環(huán)管的管長與加熱管相等，循環(huán)管的表面積不計入傳熱面積中。2/4/2023895章蒸發(fā)(3)加熱管的直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱管的內徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心