化工原理第5章蒸發(fā)3

1、第五章第五章 蒸蒸 發(fā)發(fā)5-4 多多 效效 蒸蒸 發(fā)發(fā) 目的：為了減少加熱蒸汽用量，減少能耗目的：為了減少加熱蒸汽用量，減少能耗單效蒸發(fā)中每效蒸發(fā)單效蒸發(fā)中每效蒸發(fā) 1 水大約需要水大約需要 1 的的加熱蒸汽。如果要蒸發(fā)大量水分，必須耗大量的加熱蒸汽。如果要蒸發(fā)大量水分，必須耗大量的加熱蒸汽，為減少加熱蒸汽消耗量，可采用多效加熱蒸汽，為減少加熱蒸汽消耗量，可采用多效蒸發(fā)。蒸發(fā)。原理：原理：前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，前一效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蒸汽。多效蒸發(fā)要求后一這樣僅第一效需要消耗蒸汽。多效蒸發(fā)要求后一效的操作壓強和溶液的沸點均比前一效的低，所效的操

2、作壓強和溶液的沸點均比前一效的低，所以第一效的二次蒸汽便可作為后一效的加熱蒸以第一效的二次蒸汽便可作為后一效的加熱蒸汽，即后一效的加熱室可作為前一效的冷凝器，汽，即后一效的加熱室可作為前一效的冷凝器，這就是多效蒸發(fā)的操作原理。這就是多效蒸發(fā)的操作原理。將多個蒸發(fā)器連接起來一同操作，即組成一將多個蒸發(fā)器連接起來一同操作，即組成一個蒸發(fā)器，每個蒸發(fā)器稱為一個蒸發(fā)器，每個蒸發(fā)器稱為一效效，通入生蒸汽的，通入生蒸汽的蒸發(fā)器稱為第一效，利用第一效的二次蒸汽作為蒸發(fā)器稱為第一效，利用第一效的二次蒸汽作為加熱蒸汽的稱為第二效，以此類推。由于各效的加熱蒸汽的稱為第二效，以此類推。由于各效的（除了最后一效）二次

3、蒸汽都作為后一效的加熱（除了最后一效）二次蒸汽都作為后一效的加熱蒸汽，這樣就提高了生蒸汽的利用率，即蒸發(fā)同蒸汽，這樣就提高了生蒸汽的利用率，即蒸發(fā)同樣數(shù)量的水分，采用多效蒸發(fā)所需的生蒸汽樣數(shù)量的水分，采用多效蒸發(fā)所需的生蒸汽 D 將將小于單效蒸發(fā)所需的加熱蒸汽量。小于單效蒸發(fā)所需的加熱蒸汽量。 例，忽略熱損失、溫度差損失等，在理論上雙效例，忽略熱損失、溫度差損失等，在理論上雙效蒸發(fā)中第一效蒸發(fā)中第一效 1 加熱蒸汽可產(chǎn)生加熱蒸汽可產(chǎn)生 1 二次蒸二次蒸汽，第二效汽，第二效 1 二次蒸汽又可在第二效中蒸發(fā)二次蒸汽又可在第二效中蒸發(fā) 1 水。所以水。所以 1 生蒸汽在雙效中可蒸發(fā)生蒸汽在雙效中可蒸

4、發(fā) 2 水分，即水分，即 D / W = 0.5，三效蒸發(fā)中：，三效蒸發(fā)中：1 水分水分可蒸發(fā)可蒸發(fā) 3 ，所以，所以 D / W = 0.333根據(jù)經(jīng)驗，最小根據(jù)經(jīng)驗，最小D/W數(shù)值如下表：數(shù)值如下表： 效數(shù)效數(shù)單單雙雙三三四四五五D/W1.10.57可看出，由于多效蒸發(fā)可節(jié)省生蒸汽用量，可看出，由于多效蒸發(fā)可節(jié)省生蒸汽用量，所以在蒸發(fā)大量水分時，可采用多效蒸發(fā)，但并所以在蒸發(fā)大量水分時，可采用多效蒸發(fā)，但并非效數(shù)越多越好。常用的是雙效、三效、四效。非效數(shù)越多越好。常用的是雙效、三效、四效。5-4-1 多效蒸發(fā)的操作流程多效蒸發(fā)的操作流程 以三效為例，按加料方式不同可分為

5、：以三效為例，按加料方式不同可分為： 1、并流（順流）加料法、并流（順流）加料法2、逆流加料法、逆流加料法3、平流加料法、平流加料法1、并流（順流）加料法的蒸發(fā)流程、并流（順流）加料法的蒸發(fā)流程料液和加熱蒸汽的流向相同，即均由第一效順序至末效。料液和加熱蒸汽的流向相同，即均由第一效順序至末效。 加熱蒸汽進入第一效的加熱室，蒸發(fā)出的二加熱蒸汽進入第一效的加熱室，蒸發(fā)出的二次蒸汽進入第二效的加熱室作為第二效的加熱蒸次蒸汽進入第二效的加熱室作為第二效的加熱蒸汽，第二效的二次蒸汽又進入第三效，作為第三汽，第二效的二次蒸汽又進入第三效，作為第三效的加熱蒸汽，第三效的二次蒸汽則被送至冷凝效的加熱蒸汽，第三

6、效的二次蒸汽則被送至冷凝器全部冷凝。器全部冷凝。原料液進入第一效，濃縮后由底部排出，依原料液進入第一效，濃縮后由底部排出，依次流入第二效和第三效又被連續(xù)濃縮，完成液由次流入第二效和第三效又被連續(xù)濃縮，完成液由底部排出。即蒸汽與料液流向相同，都是從第一底部排出。即蒸汽與料液流向相同，都是從第一效至地三效。效至地三效。優(yōu)點：優(yōu)點：(1) 由于后效蒸發(fā)室壓強比前一效來得低，故前由于后效蒸發(fā)室壓強比前一效來得低，故前一效溶液進入后一效時，利用了效間的壓強差，一效溶液進入后一效時，利用了效間的壓強差，而不必另外用泵。而不必另外用泵。(2) 由于后一效的溶液沸點較前一效低，故前一由于后一效的溶液沸點較前一

7、效低，故前一效溶液進入后一效時，會因過熱而自行蒸發(fā)，常效溶液進入后一效時，會因過熱而自行蒸發(fā)，常稱為自然蒸發(fā)或閃蒸，因而可產(chǎn)生更多的蒸汽。稱為自然蒸發(fā)或閃蒸，因而可產(chǎn)生更多的蒸汽。缺點：缺點：由于后一效濃度較前一效高，且溫度又較前由于后一效濃度較前一效高，且溫度又較前一效低，所以沿流動方向上濃度逐漸升高，致使一效低，所以沿流動方向上濃度逐漸升高，致使傳熱系數(shù)逐漸下降。傳熱系數(shù)逐漸下降。并流法是最常見的蒸發(fā)流程。并流法是最常見的蒸發(fā)流程。2、逆流法、逆流法原料液由末效加入，用泵輸送至前一效，完原料液由末效加入，用泵輸送至前一效，完成液由第一效底部排出。成液由第一效底部排出。加熱蒸汽流向仍是由第一

8、效順序至末效。加熱蒸汽流向仍是由第一效順序至末效。蒸汽與料液流向相反，因而稱為蒸汽與料液流向相反，因而稱為“逆流法逆流法”。優(yōu)點：優(yōu)點：各效傳熱系數(shù)大致相同，濃度越各效傳熱系數(shù)大致相同，濃度越來越高，但溫度也越來越高。來越高，但溫度也越來越高。效與效間溶液需用泵來輸送，能效與效間溶液需用泵來輸送，能量消耗大。量消耗大。 缺點：缺點：3、平流加料法、平流加料法該流程主要應用于蒸發(fā)過程中該流程主要應用于蒸發(fā)過程中容易析出結(jié)晶容易析出結(jié)晶的場合的場合。 5-4-2 多效蒸發(fā)的設(shè)計型計算多效蒸發(fā)的設(shè)計型計算多效蒸發(fā)計算比單效蒸發(fā)計算要復雜得多，多效蒸發(fā)計算比單效蒸發(fā)計算要復雜得多，因為它的未知較多，一

9、般已知：因為它的未知較多，一般已知：進料量進料量F，及其濃度，及其濃度 x0 和溫度和溫度 t0第一效加熱蒸汽溫度第一效加熱蒸汽溫度 T1 或壓力或壓力 P1冷凝器中飽和蒸汽溫度冷凝器中飽和蒸汽溫度T3 / 或蒸發(fā)室壓力或蒸發(fā)室壓力PS 完成液濃度完成液濃度x3，各效的，各效的k及焓、比熱等及焓、比熱等1、各效溶劑的蒸發(fā)量，、各效溶劑的蒸發(fā)量，Wi2、第一效加熱蒸汽消耗量，、第一效加熱蒸汽消耗量，D 3、各效溶液沸點，、各效溶液沸點，ti4、各效傳熱面積，、各效傳熱面積，Si未知：未知：計算方法的計算方法的基本思想基本思想 物料衡算物料衡算熱量衡算熱量衡算傳熱基本方程傳熱基本方程 對整個系統(tǒng)作

10、溶質(zhì)的物料衡算得：對整個系統(tǒng)作溶質(zhì)的物料衡算得：一、基本關(guān)系一、基本關(guān)系1、多效蒸發(fā)的、多效蒸發(fā)的物料衡算物料衡算（以三效并流法為例）（以三效并流法為例）30)(xWFFx或或 )1 ()(30303xxFxxxFW而而 WWWWW 321對任一效作溶質(zhì)的物料衡算：對任一效作溶質(zhì)的物料衡算： iixWWWFFx)(210 或或 2210 iiixWWWFFxx多效蒸發(fā)中，一般僅知道原料液和末效完成多效蒸發(fā)中，一般僅知道原料液和末效完成液的濃度，而其它各效的濃度均為未知量，所以液的濃度，而其它各效的濃度均為未知量，所以利用物料衡算只能求得總蒸發(fā)量利用物料衡算只能求得總蒸發(fā)量W，至于各效蒸，至于各

11、效蒸發(fā)量發(fā)量 Wi 及溶液濃度及溶液濃度 xi 還需結(jié)合焓衡算求得。還需結(jié)合焓衡算求得。2、多效蒸發(fā)的焓衡算（以三效并流為例）、多效蒸發(fā)的焓衡算（以三效并流為例） 參考上圖，對于各效作焓衡算：參考上圖，對于各效作焓衡算：111110)()(HWhWFhHDFhw第一效：第一效：適用條件：適用條件：加熱蒸汽冷凝成飽和溫度的水排出，蒸發(fā)器熱加熱蒸汽冷凝成飽和溫度的水排出，蒸發(fā)器熱損失不計。若忽略稀釋熱，則溶液的焓可用比熱損失不計。若忽略稀釋熱，則溶液的焓可用比熱來計算。以來計算。以0為基準：為基準： 000tchp111tchp11whHCp0：原料液比熱；：原料液比熱；Cp1：第一效中溶液比熱；

12、：第一效中溶液比熱；1：加熱蒸汽的冷凝潛熱：加熱蒸汽的冷凝潛熱 kJ / kg11111100)(HWtcWFDtFcpp前 面 已 推前 面 已 推導過：導過： pwppcWFccWF101）（111tcHpw將兩式代入上式得：將兩式代入上式得：第：第 I 效中二次蒸汽的汽化潛熱效中二次蒸汽的汽化潛熱 kJ/kg1)(01011111ttFcWDQp同理，可寫出第二效及第同理，可寫出第二效及第 i 效的焓衡算式：效的焓衡算式： 式中：式中：12或或 112WQ 221210222)(WttcWFcDQpwp（12WQ 推廣到第推廣到第 i 效：效： 11210)(iiiipwipwpwpii

13、iWttcWcWcWFcDQA 式式式 中 ：式 中 ： 1iiWD12WD 121ii23WD 2311iiiWQ111DQ 11222WDQ22333WDQ由由 A 式可求得第式可求得第 i 效的蒸發(fā)量，即：效的蒸發(fā)量，即： )(11210iiipwipwpwpiiittcWcWcWFcDW（注意：推導上式是在假設(shè)忽略稀釋熱及熱損失注意：推導上式是在假設(shè)忽略稀釋熱及熱損失情況下得出的，如不能忽略，則應將上式進行校情況下得出的，如不能忽略，則應將上式進行校正。即：正。即：iiiipwipwpwpiiittcWcWcWFcDW)(11210（一般校正系數(shù)一般校正系數(shù) 取取0.960.98 i對

14、于稀釋熱較大的溶液，例如對于稀釋熱較大的溶液，例如 NaOH 水溶液水溶液的的 與濃度與濃度 x 有關(guān)：有關(guān)：ixi7 . 098. 0 x：濃度的變化：濃度的變化 所以不能忽略稀釋熱時，可由兩種方法求解所以不能忽略稀釋熱時，可由兩種方法求解 Wi、直接用焓濃圖計算，即查出溶液各溫度下的、直接用焓濃圖計算，即查出溶液各溫度下的焓值，代入公式計算焓值，代入公式計算i、用比熱計算，然后再乘以校正系數(shù)、用比熱計算，然后再乘以校正系數(shù) 3、傳熱速率方程和有效溫度差在各效中的分配、傳熱速率方程和有效溫度差在各效中的分配 對任一效傳熱速率方程對任一效傳熱速率方程 iiiitskQ若已求得：加熱蒸汽量若已求

15、得：加熱蒸汽量 D各效蒸發(fā)量各效蒸發(fā)量 W1、W2、W3則可求得：各效傳熱面積，則可求得：各效傳熱面積，S 以三效為例：以三效為例： A 1111tkQS2222tkQS3333tkQS22333WDQ32333tTtTt11222WDQ21222tTtTt111DQ 111tTt多效蒸發(fā)中，一般采用傳熱面積相等的蒸發(fā)器多效蒸發(fā)中，一般采用傳熱面積相等的蒸發(fā)器即：即： S = S1 = S2 = S3111tSkQ222tSkQ323tSkQ由由B得得 CSkQt111SkQt222SkQt333如所求如所求 S 不等，應重新分配各效的有效溫度差不等，應重新分配各效的有效溫度差t，使得使得 S

16、 相等。方法如下：相等。方法如下：設(shè)設(shè) t/ 為各效傳熱面積相等時的有效溫度差，則為各效傳熱面積相等時的有效溫度差，則 將將A各式兩邊各乘以各式兩邊各乘以S，并整理得：，并整理得： 1111tSSSkQ2222tSSSkQ3333tSSSkQDA 1111tkQS2222tkQS3333tkQS比較比較 D 與與 C 得得 E CSkQt111SkQt222SkQt3331111tSSSkQ2222tSSSkQ3333tSSSkQD111tSSt222tSSt333tSStE將將 E 中三式中三式相加得相加得 F StStStStttt332211321為各效有效溫度差之和，稱為各效有效溫度差

17、之和，稱“有效總溫度差有效總溫度差”。 t或或 ttStStSS332211由由 F 求得求得 S 后，可由后，可由 E 重新分配各效的有效重新分配各效的有效溫度差。溫度差。4、有效總溫度差、有效總溫度差 t加熱蒸汽加熱蒸汽 P1 和末效冷凝器和末效冷凝器 Pk 一定，則加熱一定，則加熱蒸汽的飽和溫度蒸汽的飽和溫度 T1 及末效二次蒸汽的飽和溫度及末效二次蒸汽的飽和溫度 Tk/ 一定。一定。故理論上傳熱的總溫度差為：故理論上傳熱的總溫度差為：1kTTTt但各效中有傳熱溫度差損失但各效中有傳熱溫度差損失(/、/、/)。實際傳熱實際傳熱總溫度差總溫度差=理論傳熱理論傳熱總溫度差總溫度差各效總溫度各

18、效總溫度差損失差損失 （G）niikniiTniiTTtt1111是各效總溫度差損失，等于各是各效總溫度差損失，等于各效溫度差損失之和，效溫度差損失之和，。nii1因因 所以所以 niiniiniinii1 1 11（H）5、蒸發(fā)器傳熱面積的計算、蒸發(fā)器傳熱面積的計算 傳熱速率方程傳熱速率方程 tkSQ若若 S1 S2 S3，須重新分配有效溫度差。，須重新分配有效溫度差。it方法方法：用：用 H、G、F、E四式重新計算四式重新計算 ，重，重復上述步驟，直到所求各效傳熱面積相等為止。復上述步驟，直到所求各效傳熱面積相等為止。 若若 k 已知已知則則 S 可求可求=DtkQS二、多效蒸發(fā)的計算步驟

19、二、多效蒸發(fā)的計算步驟 1、計算總蒸發(fā)量（以三效為例）、計算總蒸發(fā)量（以三效為例） )130 xxFW（據(jù)物料衡算）（據(jù)物料衡算） 2、估計各效的蒸發(fā)量、估計各效的蒸發(fā)量 (1) 按各效等蒸發(fā)量進行分配按各效等蒸發(fā)量進行分配 3WWii = 1、2、3 (2) 如為并流流程，可假設(shè)如為并流流程，可假設(shè)W1 : W2 : W3 = 1 : 1.1 : 1.2(3) 估計各效濃度估計各效濃度 101WFFxx2102WWFFxx32103WWWFFxx(4) 分配各效間的壓強差（求分配各效間的壓強差（求/） 假設(shè)各效壓強降相等，即假設(shè)各效壓強降相等，即 31kPPPktPPP1加熱蒸汽壓強加熱蒸汽

20、壓強 P1，末效冷凝器壓強末效冷凝器壓強Pk，則總壓強差：則總壓強差： 已知已知各效二次各效二次蒸汽壓強蒸汽壓強一效一效 PPP11二效二效 PPP212三效三效 kPPPP313冷凝器的壓強冷凝器的壓強 算得算得P1/、P2/、P3/，查二次蒸汽的飽和溫度，查二次蒸汽的飽和溫度 T/ 及汽化潛熱及汽化潛熱/ ，并列成表格：，并列成表格： 3汽化潛熱汽化潛熱飽和溫度飽和溫度二 次 蒸 汽 壓 強二 次 蒸 汽 壓 強1P3P2P2T1T3T125、計算各效溫度差損失、計算各效溫度差損失 1 111(1) 由于由于溶液蒸汽壓下降溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失引起的溫度差損失 2 222(2) 由

21、于由于靜壓強靜壓強引起的溫度差損失引起的溫度差損失 3 333(3) 由于由于阻力阻力引起的溫度差損失引起的溫度差損失 6、計算總溫度差損失、計算總溫度差損失 7、計算總有效溫度差、計算總有效溫度差 1kTTt8、計算各效溶液沸點、計算各效溶液沸點 1 1111Tt 2 2222Tt 3 3333Tt9、根據(jù)熱量衡算，求各效蒸發(fā)量、根據(jù)熱量衡算，求各效蒸發(fā)量Wi若忽略溶液濃縮熱時，得若忽略溶液濃縮熱時，得1iiWD111001111ttFcDWp2221102222)(ttcWFcDWpwp33322103333)(ttcWcWFcDWpwpwp對于對于 NaOH 水溶液：水溶液：xi007.

22、 098. 0 x：各效間的濃度變化。：各效間的濃度變化。 若考慮濃縮熱，則須將上式進行校正，即乘若考慮濃縮熱，則須將上式進行校正，即乘以校正系數(shù)以校正系數(shù) ，98. 096. 0ii10、驗核各效蒸發(fā)量、驗核各效蒸發(fā)量 Wi 將將 9 中算得的蒸發(fā)量中算得的蒸發(fā)量 Wi 與與 2 中估算得到的中估算得到的蒸發(fā)量蒸發(fā)量 Wi 比較，如有明顯的差別（相對誤差比較，如有明顯的差別（相對誤差0.05），則第二步假設(shè)值不當，須重新假設(shè)。），則第二步假設(shè)值不當，須重新假設(shè)。方法：方法：將將 9 算得的算得的 Wi 作為新的假定值，重復上述作為新的假定值，重復上述計算步驟（計算步驟（29），直到兩者相符為

23、止。），直到兩者相符為止。11、計算各效傳熱量、計算各效傳熱量一效一效 111DQ 二效二效 112WQ 三效三效 223WQ 12、分配各效有效溫度差、分配各效有效溫度差 各效的傳熱溫度差：各效的傳熱溫度差： 111tTt21222tTtTt32333tTtTt按各效傳熱面積相等原則進按各效傳熱面積相等原則進行分配，如行分配，如S1、S2、S3 誤差較大誤差較大（相對誤差（相對誤差0.05），須重新分），須重新分配各效有效溫度差，按配各效有效溫度差，按 F、E 兩兩式進行分配。式進行分配。 05. 0maxminmaxSSS13、估算傳熱面積、估算傳熱面積 根據(jù)各效的溫度差及溫度差損失計算其

24、二次根據(jù)各效的溫度差及溫度差損失計算其二次蒸汽溫度。蒸汽溫度。 iiiiTTt1111tTT2212tTT3323tTT查1P2P3P將將 13 得到的二次蒸汽壓強與得到的二次蒸汽壓強與 4 中估算的中估算的 P1/、 P2/、 P3/ 比較是否相符，如相差較大，則需比較是否相符，如相差較大，則需重新假設(shè)二次蒸汽壓強。重新假設(shè)二次蒸汽壓強。方法：方法：將將 13 得到得到 P1/、 P2/、 P3/ 作為新的假設(shè)值重作為新的假設(shè)值重復上述計算，直至兩者相符為止。復上述計算，直至兩者相符為止。 14、估計各效傳熱面積、估計各效傳熱面積iiiitkQS檢驗各效傳熱面積檢驗各效傳熱面積 S 是否相等

25、，是則計算結(jié)是否相等，是則計算結(jié)束；如有明顯差別，說明第束；如有明顯差別，說明第 12 步對有效溫度差分步對有效溫度差分配不當，可按下式對各效有效溫度差重新分配。配不當，可按下式對各效有效溫度差重新分配。 iiitSSt15、調(diào)整各效有效溫度差后，從、調(diào)整各效有效溫度差后，從 13 步開始步開始以上計算，直至各效傳熱面積相等。以上計算，直至各效傳熱面積相等。 求總蒸發(fā)量假設(shè)W1：W2：W3x1，x2，x3根據(jù)各效壓降相等原則估算，/1p確定各效液相溫度 /1p/2p重新假設(shè)，算出D，W1，W2，W3驗核與原假設(shè)是否相近否重新假設(shè)W1，W2，W3/2p按各效傳熱面積相等原則分配各效的有效溫度差

26、/1T/2T/3T計算各效二次蒸汽溫度，由，查 ，與原假設(shè)是否接近/1T/2T/1p/2p由傳熱基本方程計算各效傳熱面積比較各效傳熱面積是否相等或接近重新分配各效溫度差結(jié)束驗核是是是否5-5 單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)的比較單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)的比較一、溶液的溫度差損失一、溶液的溫度差損失 設(shè)：設(shè)：單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)操作條件相同，即第一單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)操作條件相同，即第一效加熱蒸汽的壓強和冷凝器的操作壓強相同。效加熱蒸汽的壓強和冷凝器的操作壓強相同。 多效蒸發(fā)：多效蒸發(fā)：每一效蒸發(fā)器都要損失溫度差。每一效蒸發(fā)器都要損失溫度差。多效蒸發(fā)的溫度差損失比單效蒸發(fā)的溫度差多效蒸發(fā)的溫度差損失比單效蒸發(fā)的溫度差損失來得大，效數(shù)越多損失越大；損失來得大，效數(shù)越多損失越大；由此可知，由此可知