7.1概述7.2單效蒸發(fā)計算7.3蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式

7.1概述7.2單效蒸發(fā)計算*7.3蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式7.4蒸發(fā)設(shè)備第七章蒸發(fā)

(Evaporation)7.1概述（1）蒸發(fā)操作的目的（2）加熱蒸汽和二次蒸汽（3）分類（4）蒸發(fā)操作的特點

（1）蒸發(fā)操作的目的①獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。②脫除溶劑，將溶液增濃至飽和狀態(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)。③

除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。（2）加熱蒸汽和二次蒸汽

加熱蒸汽：用于加熱的蒸汽二次蒸汽：由溶液蒸發(fā)出來的蒸汽（3）分類

①按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)。②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)。

（4）蒸發(fā)操作的特點①沸點升高②溶液的性質(zhì)往往對蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出特殊的要求。③溶劑汽化需吸收大量汽化熱，因此蒸發(fā)操作是大量耗熱的過程，節(jié)能是蒸發(fā)操作應(yīng)予考慮的重要問題。④濃溶液在沸騰汽化過程中常在加熱表面上析出溶質(zhì)而形成垢層，使傳熱過程惡化。7.2單效蒸發(fā)(single-effectevaporation)

7.2.1單效蒸發(fā)的計算（1）物料衡算（2）熱量衡算（3）蒸發(fā)器傳熱面積的計算（4）濃縮熱和溶液的焓濃圖7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（1）溶質(zhì)造成的沸點升高和杜林規(guī)則(P252)（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對溶液沸點的影響（3）因蒸汽流動阻力引起的溫度差損失（4）單效蒸發(fā)過程的計算7.2.1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，通常需要計算以下的這些內(nèi)容：①水分的蒸發(fā)量；②

加熱蒸汽消耗量；③蒸發(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。

（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F,x0,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),x,t,h,c完成液式中x0，x——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）（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，

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可視具體條件來取加熱蒸汽放熱量（DR）的某一百分?jǐn)?shù)。（3）（4）焓值的計算：習(xí)慣上取0℃為基準(zhǔn)，即0℃時的焓為零，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。式中——水的比熱，kJ/kg·K

；

——溶質(zhì)的比熱，kJ/kg·K

。

為了避免使用不同濃度溶液的比熱，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，即由式（3）或式（4）可得加熱蒸汽的消耗量為：

①忽略濃縮熱時

②

忽略濃縮熱且③沸點進(jìn)料，t0=t，并忽略熱損失和溶液濃度較低時，c=c0

，則

式中W/D為單位質(zhì)量的蒸汽所能蒸發(fā)的水量，用來表示蒸汽加熱的經(jīng)濟(jì)性（或生蒸汽的利用率）?；颍?）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，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。由傳熱速率方程得圖7-3氫氧化鈉水溶液的焓濃圖7.2.2蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失

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℃

此時的傳熱溫差最大，用ΔtT表示：

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t=120℃，則有效傳熱溫差，Δt比ΔtT所減小的值，稱為傳熱溫度差損失，簡稱溫度差損失，用Δ′表示傳熱溫差損失：溶液沸點：有效傳熱溫差：溫度差損失的原因：

①溶液沸點的升高。這是由于溶液蒸汽壓較純?nèi)軇ㄋ┰谕粶囟认碌恼羝麎簽榈?，致使溶液的沸點比純?nèi)軇ㄋ└?；②蒸發(fā)器中靜壓頭的影響以及流體流過加熱管時產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點的進(jìn)一步上升。

（1）溶液的沸點升高和杜林規(guī)則P252

在相當(dāng)寬的壓強范圍內(nèi)溶液的沸點與同壓強下的溶劑的沸點成線性關(guān)系：式中tA，——某種溶液在兩種不同壓力下的沸點；

tw，——溶劑在相應(yīng)壓力下的沸點。

如圖7-4為不同濃度NaOH水溶液的沸點與對應(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45°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。圖7-4氫氧化鈉水溶液的沸點由該圖可以看出：①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；②在高濃度范圍內(nèi)只要已知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水的沸點作線性內(nèi)插或外推。圖7-4氫氧化鈉水溶液的沸點（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，液體在平均溫度下的飽和壓力：式中p——液面上方二次蒸汽的壓強（通?？梢杂美淠鲏簭姶妫琍a；

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：

在多效蒸發(fā)中，二次蒸汽流到下一效的過程中為克服管道阻力使壓強降低，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

過程的傳熱溫度差（有效溫度差）：

（3）因蒸汽流動阻力引起的溫度差損失P253例7-1P254例7-2（4）單效蒸發(fā)過程的計算

①設(shè)計型計算：給定蒸發(fā)任務(wù)，要求設(shè)計經(jīng)濟(jì)上合理的蒸發(fā)器。已知：F，x0

，t0，

x

設(shè)計條件：p0（加熱蒸汽的壓強），pk（冷凝器的操作壓強），計算目的：根據(jù)選用的蒸發(fā)器形式確定K，計算所需加熱面積A及加熱蒸汽用量D。

②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：A，K，x0，t0

，x，p0，pk

計算目的：核算蒸發(fā)器的處理能力F和加熱蒸汽用量D?；蛞阎篈

，F(xiàn)

，x0，t0

，x

，p0，pk

計算目的：反算蒸發(fā)器的K并求D。7.3蒸發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性和操作方式

7.3.1加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性

7.3.2多效蒸發(fā)流程

7.3.3蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)能力和效數(shù)的限制

7.3.4提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)程度的其他措施

7.3.5蒸發(fā)操作的最優(yōu)化7.3.1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，不計熱損失，則每1kg加熱蒸汽可汽化1kg水，即W/D=1。實際上，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二次蒸汽（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依次類推：第三效：W/D=3，…，

n效：W/D=n。

3.703.332.51.750.910.270.30.40.571.1五效

四效

三效

雙效

單效

效數(shù)

實際由于熱損失，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，最大的W/D

的值大致如下：7.3.2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，常見的有：

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

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

錯流(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。

優(yōu)點：

a、由于前效的壓強較后效高，p1>p2>p3，料液可借此壓強差自動地流向后一效而無須泵送；

b、t1>t2>t3，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，因此第三效的蒸發(fā)量最大。缺點：

溶液濃度，x3>x2>x1，x↑，μ↑，∴μ3>μ2>μ1;

溶液溫度，t3<t2<t1，t↓，μ↑，∴μ3>μ2>μ1。這兩個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，使整個系統(tǒng)的蒸發(fā)能力降低。并流加料P256圖7-20

優(yōu)點：

x1>x2>x3

，x↑，μ↑，∴μ1>μ2>μ3;t1>t2>t3

，t↑，μ↓，∴μ1<μ2<μ3。

x、t

對μ的影響大致抵消，各效的K基本不變。

缺點：

a、由于前效壓強較后效高，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）都較沸點低，自蒸發(fā)不會發(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？逆流加料P256圖7-19

（3）錯流流程蒸汽流向：1→2→3

料液3→1→2料液2→3→17.3.3蒸發(fā)設(shè)備的生產(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)強度生產(chǎn)能力：單位時間內(nèi)水分總蒸發(fā)量W；生產(chǎn)強度：單位傳熱面積的蒸發(fā)量（U=W/A）；在三效蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度為：

假設(shè)：A1=A2=A3=A，不考慮溫差損失及濃縮熱等，且各效蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)相等，K1=K2=K3=K

，r1、r2、r3

相差不大，可近似認(rèn)為相等，即Q=DR

=Wr

，則

生產(chǎn)強度：

要增大U，可通過以下兩個措施：①增大傳熱溫差Δt，如提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點（真空蒸發(fā)）。②提高K。

真空蒸發(fā)：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)以降低溶液的沸點。采用真空蒸發(fā)除可提高傳熱溫差外，還可使熱敏性物料免遭破壞，并可利用工廠中低溫的水蒸氣作為熱源。缺點：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。

提高K：提高U的另一措施是提高K，而K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K。（2）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制

加熱蒸汽溫度

T0溶液溫度t冷凝器溫度T1有效傳熱溫差Δt溫差損失Δ1T0t1T1t2T2Δt1Δ1Δt2Δ1圖7-24單效蒸發(fā)改為雙效蒸發(fā)時，有效溫差的變化

效數(shù)增多，設(shè)備的生產(chǎn)強度降低，而加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)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。如圖為單效蒸發(fā)和雙效蒸發(fā)傳熱溫差的變化情況。7.3.4提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)程度的其他措施（4）逆流流程時的溶液閃蒸7.4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(evaporator)

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(circulationevaporator)

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，又分為自然循環(huán)型和強制循環(huán)型兩類。自然循環(huán)(naturalcirculation)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起。強制循環(huán)(forcedcirculation)：用泵迫使溶液沿一定方向流動。①垂直短管式②外加熱式（加熱室與蒸發(fā)室分開）③強制循環(huán)蒸發(fā)器(forcedcirculationevaporator)（2）單程型蒸發(fā)器(once-throughevaporator)①升膜式蒸發(fā)器P244

(upwardfloworclimbing-filmevaporator)適用于：蒸發(fā)量大（較稀的溶液）熱敏性及易起泡的溶液。不適用于：高粘度，易結(jié)晶、結(jié)垢的溶液。

②降膜式蒸發(fā)器P244(downwardfloworfalling-filmevaporato