蒸发器(单效、多效蒸发)

7蒸发7.1概述7.2单效蒸发7.3多效蒸发7.4蒸发设备7.1概述（1）蒸发操作的目的①获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。②脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。③除杂质，获得纯净的溶剂。（2）蒸发的流程7.1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。（4）分类①按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。②按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。7.1概述（5）蒸发操作的特点①沸点升高蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影响就越显著。②节约能源③物料的工艺特性本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中分离夹带液沫的问题。7.2单效蒸发7.2.1单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：①分的蒸发量；②热蒸汽消耗量；③发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。7.2.1单效蒸发的计算（1）物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即wWFFw)(0)1(0wwFWWFFww0水分蒸发量：完成液的浓度：7.2.1单效蒸发的计算（2）热量衡算对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，损QDiWIiWFFiDIs)(0s损QiIWiiFiIDss)()()(0式中——加热蒸汽消耗量，kg/s；，——加料液与完成液的温度，℃；，，——加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg；，——二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。式中热损失可视具体条件来取加热蒸汽放热量（）的某一百分数。D0tt0iisiIsI损Q0Dr（3）（4）（2）热量衡算用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度下的焓。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比热求得其焓。习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有0*Tcis000000tctcictcti0代入前面的两式得：损QctIWtccFiIDtss)()()(00（2）热量衡算为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即0B0*0)1(wcwccwcwccB*)1(式中——水的比热，kJ/kg；——溶质的比热，kJ/kg。*cBc（2）热量衡算由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：ssiIQiIWiiFD损)()(0ssiIQctIWtcctFD损)()(00①忽略浓缩热时②浓缩热且，rctI0riIss000)(rQWrtcctFD损（2）热量衡算③沸点进料，，并忽略热损失和溶液浓度较低时，，则tt00cc00)(rWrrctIWD100rrrctIWD或式中称为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。WD/7.2.1单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算由传热速率方程得mtKQA式中——蒸发器传热面积，m2；——传热量，w；——传热系数，w/m2·K；——平均传热温差，K。AQKmt（3）蒸发器传热面积的计算由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，，且蒸发器的热负荷，所以有tTt0m0DrQ)()(000tTKDrtTKQA7.2.1单效蒸发的计算（4）浓缩热和溶液的焓浓图如图7-21为NaOH水溶液从0℃为基准温度的焓浓图。7.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差等于，当加热蒸汽的温度一定（如用47kkN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽，℃），若蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水（其沸点℃）而不是溶液，此时的传热温差最大，用表示：mt)(0tT0T1500T100TTt501001500TTTt如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100℃。若其沸点℃，则有效传热温差℃，比所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用表示120t301201500tTttTt7.2.2蒸发设备中的温度差损失TttTTTtt)()(00T传热温差损失TtTtt溶液沸点有效传热温差温度差损失的原因：①溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高；②蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。7.2.2蒸发设备中的温度差损失（1）溶液的沸点升高和杜林规则在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系：KttttwwA00A)(0ww0AttKttA式中和代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下的沸点，和代表溶剂在相应压力下的沸点。At0Atwt0wt（1）溶液的沸点升高和杜林规则如图7-22为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。45（1）溶液的沸点升高和杜林规则由该图可以看出：①浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值；②浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。7.2.2蒸发设备中的温度差损失（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：gLpp51m式中——液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器压强代替），Pa；——蒸发器内的液面高度，m。pL（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响液柱静压强引起的溶液温度升高：)()51(''ptgLpt所以沸腾液体的平均温度为：''')(ptt在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱底部压力的平均值，即GLpp21m)()51(''ptgLpt7.2.2蒸发设备中的温度差损失（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失'''在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为。'''总的温度差损失''''''蒸发过程的传热温度差（有效温度差）：)(00ptTtTt注意：中为前一效蒸汽到下一效时由于阻力损失而引起的温度差损失。若单效蒸发，已知入口蒸汽（生蒸汽）的温度，则时要计入℃吗？'''1'''7.2.2蒸发设备中的温度差损失（4）效蒸发过程的计算①设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。给定条件：料液流量，浓度，温度以及完成液浓度；设计条件：加热蒸汽的压强以及冷凝器的操作压强主要由可供使用的冷却水温度来决定；计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数，计算所需供热面积及加热蒸汽用量。F0w0twKAD（4）效蒸发过程的计算②操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积给定条件：蒸发器的传热面积与给热系数，料液的进口状态与，完成液的浓度要求，加热蒸汽与冷凝器内的压强。计算目的：核算蒸发器的处理能力和加热蒸汽用量。或：已知条件：，，，，。加热蒸汽与冷凝器内的压强；计算目的：反算蒸发器的并求；AK0w0t0wDAF0w0twKDF7.3多效蒸发①利用二次蒸汽的潜热②利用冷凝水的显热（如预热原料液)7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸（）引入第二效又可蒸发1kg水，即11WD1WD1W第二效：，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量，所以依次类推：三效，……，效DWW12D3DWnnDW2DW7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）minWDmaxDW效数单效双效三效四效五效1.10.570.40.30.270.910.1752.53.333.70但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的的值大致如下：DW/7.3.2多效蒸发流程多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有：并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效为例加以说明：（1）并流流程（图7-14）蒸汽流动方向：1→2→3溶液流动方向：1→2→37.3.2多效蒸发流程（1）并流流程优点：①由于前效的压强较后效高，，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；②，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。缺点：溶液浓度，，↑，↑，便使得溶液温度，，↑，↓，便使得321ppp321ttt123w123321tttt1237.3.2多效蒸发流程（2）逆流流程图7-15蒸汽流动方向：3→2→1溶液流动方向：1→2→3优点：，↑，↑，，↑，↓，、对的影响大致抵消，各效的基本不变。缺点：①由于前效压强较后效高，，料液从后效往前一效要用泵输送。②各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。321w321321tttt321wtK321ppp7.3.2多效蒸发流程（3）错流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1蒸汽流向：1→2→3优点：兼有逆流与并流的优点。缺点：操作较复杂。（4）平流流程图7-16各效分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输送）。7.3.3多效蒸发的生产能力、蒸发强度和效数的限制（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度蒸发器的生产能力可用单位时间内水分总蒸发量W来表示，而生产强度为单位传热面积的蒸发量（），在三效蒸发器中，蒸发器的生产强度为AWu321332211321321AAArQrQrQAAA总总总（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度假设各效传热面积相等，即，不考虑温差损失及浓缩热等，且各效蒸发器的传热面积系数相等，，由前面学过的我们可以知道，、、相差不大，可近似认为相等，即则AAAA321KKKK3211r2r3rWrDrQ0rtKArtKAArtAKtAKtAKArQQQuTT3333333222111321总（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度真空蒸发：提高生产强度（）的途径之一是增大传热温差，提高加热蒸汽的温度或是降低溶液的沸点均可增加。加热蒸汽的温度（及相应压强）受锅炉额定压强的限制，因此，在许多情况下，需要采用真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。tKAQutt缺点：但是，溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，此外，为维持真空操作须添加真空设备费用和一定量的动力费，这也是它的缺点。提高：提高的另一措施是提高，而的主要取决于蒸发器的结构，操作方式和溶液的物理性质。合理的设计蒸发器结构以建立良好的溶液循环流动及时排除加热室中不凝性气体，经常清除污垢