蒸發(fā)技術(shù)-蒸發(fā)工藝的計(jì)算

項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)任務(wù)一認(rèn)識(shí)蒸發(fā)操作任務(wù)二蒸發(fā)過(guò)程工藝計(jì)算化工單元操作技術(shù)項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)單效蒸發(fā)(single-effectevaporation)

一、單效蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算1.物料衡算2.熱量衡算3.蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算4.蒸發(fā)設(shè)備中的有效溫度差化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算蒸發(fā)器的效數(shù)熱源蒸氣習(xí)慣上稱(chēng)為生蒸氣，而從蒸發(fā)器汽化生成的蒸汽稱(chēng)為二次蒸氣。根據(jù)二次蒸氣是否用做另一蒸發(fā)器的加熱蒸氣，可將蒸發(fā)過(guò)程分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。1）單效蒸發(fā)

若前一效的二次蒸氣直接冷凝而不再利用，稱(chēng)為單效蒸發(fā)。2）多效蒸發(fā)

若將二次蒸氣引至下一蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)，使加熱蒸氣多次利用，稱(chēng)為多效蒸發(fā)。化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算1.物料衡算

溶質(zhì)在蒸發(fā)過(guò)程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過(guò)程是個(gè)定態(tài)過(guò)程，單位時(shí)間進(jìn)入和離開(kāi)蒸發(fā)器的量相等，即F,w0,t0,h0

加料D,Ts,Hs加熱蒸汽蒸發(fā)室二次蒸汽W,H,T加熱D,Ts,hs(F-W),w1,t,h,c完成液式中w0，w1——分別為料液、完成液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水分蒸發(fā)量：

（1）完成液的濃度：

（2）化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算

例1：在單效連續(xù)蒸發(fā)器中，每小時(shí)將1000kg的某水溶液由10﹪濃縮至16.7﹪（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），試計(jì)算所需蒸發(fā)的水分量。已知F=1000kg/h，w0=10%，w1=16.7%，求蒸發(fā)的水分量W解：W=1000（1－10%/16.7%）=401kg/h練習(xí)：在單效蒸發(fā)中，每小時(shí)將2000kg的某種水溶液從10%連續(xù)濃縮到30%，水分的蒸發(fā)量為

kg/h。練習(xí)：在單效蒸發(fā)中，每小時(shí)將2000kg的某種水溶液從10%連續(xù)濃縮到30%，水分的蒸發(fā)量為

kg/h。W=2000（1－10%/30%）=1333.33kg/h2.熱量衡算

對(duì)蒸發(fā)器作熱量衡算，當(dāng)加熱蒸汽在飽和溫度下排出時(shí)，

式中D——加熱蒸汽消耗量，kg/s；

t0，t——加料液與完成液的溫度，℃；

h0，h，hs——加料液，完成液和冷凝水的熱焓，kJ/kg；

H，Hs——二次蒸汽和加熱蒸汽的熱焓，kJ/kg。式中熱損失Ql可視具體條件來(lái)取加熱蒸汽放熱量（DR）的某一百分?jǐn)?shù)。（3）（4）化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算焓值的計(jì)算：習(xí)慣上取0℃為基準(zhǔn)，即0℃時(shí)的焓為零，則有代入前面的兩式得：

式中c0

、c——料液和完成液的比熱，kJ/kg·K。化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算式中：——水的比熱，kJ/kg·K；

——溶質(zhì)的比熱，kJ/kg·K。

為了避免使用不同溶液濃度下的比熱，可近似認(rèn)為溶液的比熱容和所含溶質(zhì)的濃度呈加和關(guān)系，即化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算由式（3）或式（4）可得加熱蒸汽的消耗量為：

①忽略濃縮熱時(shí)

②

忽略濃縮熱且化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算

③沸點(diǎn)進(jìn)料，t0=t，并忽略熱損失和溶液濃度較低時(shí)，c=c0

，則

式中稱(chēng)D/W為單位蒸汽消耗量，用來(lái)表示蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)程度（或生蒸汽的利用率）?；蚧卧僮骷夹g(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算例2：若例1中的單效蒸發(fā)器的平均操作壓強(qiáng)為40kpa，相應(yīng)的溶液沸點(diǎn)為80℃，該溫度下的比汽化焓為2307kJ/㎏。加熱蒸汽的絕壓為200kpa，原料液的平均定壓比熱容為3.70kJ/（㎏·K），蒸發(fā)器的熱損失為10kW，原料液的初始溫度為20℃，忽略溶液的濃縮熱和沸點(diǎn)上升的影響。試求加熱蒸氣的消耗量。例2：若例1中的單效蒸發(fā)器的平均操作壓強(qiáng)為40kpa，相應(yīng)的溶液沸點(diǎn)為80℃，該溫度下的比汽化焓為2307kJ/㎏。加熱蒸汽的絕壓為200kpa，原料液的平均定壓比熱容為3.70kJ/（㎏·K），蒸發(fā)器的熱損失為10kW，原料液的初始溫度為20℃，忽略溶液的濃縮熱和沸點(diǎn)上升的影響。試求加熱蒸氣的消耗量。

Qlt0tc0≈c

r

DF=1000kg/hW=401kg/hR可查附錄例2：若例1中的單效蒸發(fā)器的平均操作壓強(qiáng)為40kpa，相應(yīng)的溶液沸點(diǎn)為80℃，該溫度下的比汽化焓為2307kJ/㎏。加熱蒸汽的絕壓為200kpa，原料液的平均定壓比熱容為3.70kJ/（㎏·K），蒸發(fā)器的熱損失為10kW，原料液的初始溫度為20℃，忽略溶液的濃縮熱和沸點(diǎn)上升的影響。試求加熱蒸氣的消耗量。解：查附錄七得200kpa下飽和水蒸汽的比汽化焓R=2205KJ/㎏，80℃下的比汽化焓r=2307kJ/㎏。根據(jù)已知得：kg/h㎏蒸氣/㎏水項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)任務(wù)一認(rèn)識(shí)蒸發(fā)操作任務(wù)二蒸發(fā)過(guò)程工藝計(jì)算化工單元操作技術(shù)項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)單效蒸發(fā)(single-effectevaporation)

一、單效蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算1.物料衡算2.熱量衡算3.蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算4.蒸發(fā)設(shè)備中的有效溫度差化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算3.蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算

由于蒸發(fā)過(guò)程的蒸汽冷凝和溶液沸騰之間的恒溫差傳熱，Δtm=Ts-t，且蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q=DR，所以有式中A——蒸發(fā)器傳熱面積，m2；

Q——傳熱量，W；

K——傳熱系數(shù)，W/m2·K；

Δtm——平均傳熱溫差，K。由傳熱速率方程得化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算例1:采用單效真空蒸發(fā)裝置連續(xù)蒸發(fā)氫氧化鈉水溶液，其濃度由0.20濃縮至0.50，加熱蒸氣壓強(qiáng)為0.4MPa（表壓），已知加熱蒸氣消耗量為4000kg/h，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1500W/（m2·℃），有效溫度差為17.4℃。求蒸發(fā)器所需的傳熱面積。例1:采用單效真空蒸發(fā)裝置連續(xù)蒸發(fā)氫氧化鈉水溶液，其濃度由0.20濃縮至0.50，加熱蒸氣壓強(qiáng)為0.4MPa（表壓），已知加熱蒸氣消耗量為4000kg/h，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1500W/（m2·℃），有效溫度差為17.4℃。求蒸發(fā)器所需的傳熱面積。

k

DΔtm

w1

w2

P

A

Q=Dr查附錄七，得0.4MPa絕壓下水蒸汽的比汽化焓r=2138kJ/kg解:查附錄七，得0.4MPa絕壓下水蒸汽的比汽化焓r=2138kJ/kg，可得：kw蒸發(fā)器的傳熱面積為：m2

蒸發(fā)器中的傳熱溫差：Δtm=（Ts-t）加熱蒸汽的溫度：Ts（若為150℃）蒸發(fā)室的壓力為1atm而蒸發(fā)的又是水：t=T=100℃

此時(shí)的傳熱溫差最大，用Δtmax表示：

如果蒸發(fā)的是30%的NaOH水溶液，在常壓下其沸點(diǎn)是高于100℃。若其沸點(diǎn)t=120℃，則有效傳熱溫差，Δt比ΔtT所減小的值，稱(chēng)為傳熱溫度差損失，簡(jiǎn)稱(chēng)溫度差損失，用Δ表示化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算4.蒸發(fā)設(shè)備中的有效溫度差傳熱溫差損失：溶液沸點(diǎn)：有效傳熱溫差：溫度差損失的原因：

①溶液沸點(diǎn)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?，致使溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇ㄋ└撸?/p>

②蒸發(fā)器中靜壓頭的影響以及流體流過(guò)加熱管時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點(diǎn)的進(jìn)一步上升。

化工單元操作技術(shù)任務(wù)二單效蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則

在相當(dāng)寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)溶液的沸點(diǎn)與同壓強(qiáng)的下溶劑的沸點(diǎn)成線(xiàn)性關(guān)系：

式中tA，——某種溶液在兩種不同壓力下的沸點(diǎn)；

tw，——溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)。（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則

如圖,為不同濃度NaOH水溶液的沸點(diǎn)與對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)下純水的沸點(diǎn)的關(guān)系，由圖可以看出，當(dāng)NaOH水溶液濃度為零時(shí)，它的沸點(diǎn)線(xiàn)為一條對(duì)角線(xiàn)，即水的沸點(diǎn)線(xiàn)，其它濃度下溶液的沸點(diǎn)線(xiàn)大致為一組平行直線(xiàn)。由該圖可以看出：

①濃度不太高的范圍內(nèi)，由于沸點(diǎn)線(xiàn)近似為一組平行直線(xiàn)，因此可以合理的認(rèn)為沸點(diǎn)的升高與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)，而可取大氣壓下的數(shù)值；

②在高濃度范圍內(nèi)只要已知兩個(gè)不同壓強(qiáng)下溶液的沸點(diǎn)，則其他壓強(qiáng)下的溶液沸點(diǎn)可按杜林規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對(duì)溶液沸點(diǎn)的影響

按液面下處L/2溶液的沸騰溫度來(lái)計(jì)算，液體在平均溫度下的飽和壓力：式中:p——液面上方二次蒸汽的壓強(qiáng)（通?？梢杂美淠鲏簭?qiáng)代替），Pa；

L——蒸發(fā)器內(nèi)的液面高度，m。

所以沸騰液體的平均溫度為：液柱靜壓強(qiáng)引起的溶液溫度升高：

在多效蒸發(fā)中，二次蒸汽流到下一效的過(guò)程中為克服管道阻力使壓強(qiáng)降低，引起二次蒸汽的溫度降低，由此引起的溫度差損失為?？偟臏囟炔顡p失

過(guò)程的傳熱溫度差（有效溫度差）：

注意：?jiǎn)柸魹閱涡д舭l(fā)，已知入口蒸汽（生蒸汽）的溫度及蒸發(fā)室的壓力，則此時(shí)要計(jì)入℃嗎？（3）因蒸汽流動(dòng)阻力引起的溫度差損失例2:

若例1中的加熱器內(nèi)液柱維持在2m，冷凝器的真空度為54.7kPa，大氣壓強(qiáng)為100kPa，蒸發(fā)室內(nèi)溶液的密度為1500。試求蒸發(fā)器的有效溫度差。例2:

若例1中的加熱器內(nèi)液柱維持在2m，冷凝器的真空度為54.7kPa，大氣壓強(qiáng)為100kPa，蒸發(fā)室內(nèi)溶液的密度為1500。試求蒸發(fā)器的有效溫度差。解:1.蒸發(fā)裝置的最大可能溫差

由附錄七查得0.4MPa的飽和水蒸汽溫度tp=143.4℃。

冷凝器的操作壓強(qiáng)pc=100-54.7=45.3kPa，用內(nèi)插法由附錄七查得相應(yīng)的飽和溫度為tc=78.3℃。

可得：

Δtmax=143.4-78.3=65.1℃2.計(jì)算溫差損失

（1）由二次蒸氣流動(dòng)引起的溫差損失=1℃。2.計(jì)算溫差損失

（1）由二次蒸氣流動(dòng)引起的溫差損失=1℃。

（2）分離室中二次蒸氣的壓強(qiáng)P應(yīng)為與相對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓，而tp=tc+78.3+1=79.3℃由附錄七內(nèi)插可得p=46.14kPa，因此加熱管中的平均壓強(qiáng)為：則pm下水的沸點(diǎn)

tpm=86.0℃?？傻茫骸妫?）在pm下水的沸點(diǎn)

tpm=86.0℃，當(dāng)濃縮液濃度為0.5時(shí)，由圖（杜林線(xiàn)）查得沸點(diǎn)為126℃。故：Δ′=126-86=40℃。得：Δ=Δ′+Δ″+Δ?=40+6.7+1=47.7℃3.蒸發(fā)器的有效溫度差Δtm

Δtm=Δtmax-Δ=65.1-47.7=17.4℃項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)任務(wù)一認(rèn)識(shí)蒸發(fā)操作任務(wù)二蒸發(fā)過(guò)程工藝計(jì)算化工單元操作技術(shù)項(xiàng)目四蒸發(fā)技術(shù)二、蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式1.加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性2.多效蒸發(fā)流程3.蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)能力和效數(shù)的限制4.提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)程度的其他措施5.蒸發(fā)操作的最優(yōu)化化工單元操作技術(shù)任務(wù)二——蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式1.加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性

蒸汽的經(jīng)濟(jì)性：每1kg加熱蒸汽所能蒸發(fā)的水量（W/D）（或用溶液中蒸發(fā)出1kg水所需消耗的生蒸汽的量

D/W表示蒸汽的利用率）。若物料的水溶液先預(yù)熱至沸點(diǎn)后加入蒸發(fā)器，忽略生蒸汽與產(chǎn)生的二次蒸汽的汽化潛熱的差異，不計(jì)熱損失，則每1kg加熱蒸汽可汽化1kg水，即W/D=1。實(shí)際上，由于有熱損失等原因，W/D<1。怎樣才能節(jié)省加熱蒸汽的消耗量，提高生蒸汽的利用率呢？

①利用二次蒸汽的潛熱；

②利用冷凝水的顯熱。第一效：W1/D=1→D=W1

，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（W1）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水，即第二效：W2=W1=D

，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量

W=W1+W2=2D

，則W/D=2依次類(lèi)推：第三效：W/D=3，…，

n效：W/D=n。

3.703.332.50.1750.910.270.30.40.571.1五效

四效

三效

雙效

單效

效數(shù)

實(shí)際由于熱損失，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(jì)的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最大的W/D

的值大致如下：2.多效蒸發(fā)(Multi-effectevaporation)

多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見(jiàn)的有：

并流(cocurrentorforwardfeed)：溶液與蒸汽的流向相同，稱(chēng)并流。

逆流(countercurrentorbackwardfeed)：溶液與蒸汽的流向相反，稱(chēng)逆流。

錯(cuò)流(crossflowormixedfeed)：溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。

平流(parallelfloworparallelfeed)：每一效都加入原料液的方法。以三效為例加以說(shuō)明：（1）并流流程蒸汽流動(dòng)方向:1→2→3

溶液流動(dòng)方向:1→2→32.多效蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：

a、由于前效的壓強(qiáng)較后效高，p1>p2>p3，料液可借此壓強(qiáng)差自動(dòng)地流向后一效而無(wú)須泵送；

b、t1>t2>t3，溶液由前一效流入后一效處于過(guò)熱狀態(tài)會(huì)放出溶液的過(guò)熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。缺點(diǎn)：

溶液濃度，x3>x2>x1，x↑，μ↑，∴μ3>μ2>μ1;

溶液溫度，t1>t2>t3，t↑，μ↓，∴μ3>μ2>μ1。這兩個(gè)因素使得后一效粘度較前一效雙倍提高，K↓↓，在最后的一、二效尤其嚴(yán)重，使整個(gè)系統(tǒng)的蒸發(fā)能力降低。并流流程（2）逆流流程

蒸汽流動(dòng)方向：1→2→3

溶液流動(dòng)方向：3→2→12.多效蒸發(fā)優(yōu)點(diǎn)：x1>x2>x3

，x↑，μ↑，∴μ1>μ2>μ3;t1>t2>t3

，t↑，μ↓，∴μ1<μ2<μ3。x、t

對(duì)μ的影響大致抵消，各效的K基本不變。缺點(diǎn)：a、由于前效壓強(qiáng)較后效高，p1>p2>p3

，料液從后效往前一效要用泵輸送。b、各效進(jìn)料（末效除外）都較沸點(diǎn)低，自蒸發(fā)不會(huì)發(fā)生，所需要熱量大。注：逆流流程不適用于熱敏性物料（heatsensitivematerials），為什么？逆流流程（3）錯(cuò)流流程蒸汽流向：1→2→3

料液