蒸发单元操作

蒸发器总温差损失

溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失 ’
常压下求’：查文献或手册 非常压溶液沸点的计算： 经验公式： f 0.0162
t T
T ' 273
r
2
f
T'——操作压力下二次蒸汽的饱和温度 r’ ——操作压力下二次蒸汽的汽化潜热
D/W—加热蒸汽利用率
多效蒸发流程
并流加料蒸发流程
优点： 后一效蒸发室压力较前效低， 无需用泵输送； 后效溶液沸点较前效低，溶 液流入后效由于过热而自蒸 发(闪蒸）。 缺点： 后效溶液浓度较前效大，沸点又较低，粘度较大，后效传热 系数较前效小，后两效中尤为严重。
逆流加料蒸发流程 优点：
多效蒸发流程
概述 (Introduction)
(1) 沸点升高：溶液中含有不挥发性溶质，故溶液的蒸汽压较 纯溶剂的蒸汽压为低(沸点高)，当加热蒸汽温度一定，蒸 发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小；且浓度 越高，沸点越高， 温差越小。 (2) 能耗大：工业蒸发规模很大，需要耗用大量的加热蒸汽， 应充分利用二次蒸汽(多效蒸发)，降低过程的能量消耗； (3) 溶液的特性决定蒸发器的结构特性。易结垢或析出结晶的 溶液，设计上应设法防止或减少垢层的生成，使加热面易 于清洗。对热敏性、高粘度或强腐蚀性的物料，应设计或 选择适当结构的蒸发器。
t pp t p
式中：tp+Δp — 水在平均压力下的沸点，℃；
tp — 蒸发室二次蒸汽压力下算得的沸点，℃。
二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失 ’’’ ’’’ 与流体流速、物性及管道尺寸等有关， 一般取为 0.5~1.5 ℃；
多效蒸发

单效蒸发：1kg水/1kg多生蒸汽
Q2 K 2 A2t 2
三效总传热速率：
Q3 K 3 A3t 3
Q Q1 Q2 Q3 K 1 A1t1 K 2 A2t 2 K 3 A3t 3
K1 K 2 K 3 K
不考虑各效温差损失，假设： A1 A2 A3 A
Q KA(t1 t 2 t 3) KAt T
平流加料蒸发流程
多效蒸发流程
蒸汽流向不变，料液和完成 液分别从各效加入和排出， 各效溶液的流向互相平行。
适用于蒸发过程中易结晶的物料 可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液。
蒸发器的生产能力和蒸发强度
生产能力：单位时间汽化的水量，可用传热速率来表示。 三效蒸发各效热流量：
Q1 K 1 A1t1
设备投资的限制
W Q Kt U A Ar r
提高生产强度：提高总传热系数 K 和传热温差Δtm 多效蒸发的唯一优点：提高蒸汽的经济性
多效蒸发的计算：
总物料衡算： 溶剂总蒸发量W： W = W + W + W 1 2 3 Fx0=L1x1=L2x2=L3x3
每一效物料衡算：
F=L1+W1 L1=L2+W2 L2=L3+W3
提高加热蒸汽经济性的措施
t1
提高加热蒸汽经济性的措施
三、热泵蒸发器：
通过压缩机提高二次蒸汽的 压力，使饱和温度提高至原 来的压力时，重新送回蒸发 器加热室。
蒸发设备
蒸发器：
循环型 单程型 自然循环 强制循环
循环型蒸发器 —中央循环管式蒸发器 结构与工作原理：加热室
垂直管束 中央循环管
分离室 优缺点：结构紧凑，传热好； 沸点高。
t T —总传热温差
结论：效数越多，生产能力越小
蒸发器的生产能力和蒸发强度
蒸发强度：蒸发器单位面积上的生产能力。
若三效蒸发和单效蒸发生产能力相同，每个蒸发器的面积和传 热系数相等。 则 单效蒸发强度：Q/A 三效蒸发强度：Q/3A 多效蒸发效数的限制 :
有效温差的限制
效数越多， 有效温差和生产能力越小，蒸发强度越小。
二次蒸汽作为加热蒸汽的条件：该蒸发器的操作压力和溶液 温度应低于前一蒸发器。 蒸发1kg水所需生蒸汽（D/W)
效数 D/W 单效 1.1 双效 0.57 三效 0.4 四效 0.3 五效 0.27
1
2 3
多效蒸发：加热蒸汽通入蒸发器，液体受热沸腾产 生的蒸汽作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器， 多个蒸发器依次连接形成多效蒸发。
物料衡算和热量衡算
蒸发器的传热面积A
Q A K t m
1 1 1 d2 d2 bd2 R s1 Rs2 K K 2 1d 1 d1 d m 2
Q DR t m T s t
A DR K (Ts t )
蒸 发 器 的 型 式 标准式（自然循环）
总传热系数K, W/(m2· K) 600-3000
欲提高蒸发器的生产强度，必须设法提高蒸发器的总传热系 数K和传热温差Δtm。 多效蒸发的唯一优点：提高蒸汽的经济性（利用率）。
单程型蒸发器
升 膜 式 蒸 发 器
降 膜 式 蒸 发 器
x0 W F (1 ) x3
F x0 D
W1
W2
W3
L1 x1
L2 x2
L3 x3
提高加热蒸汽经济性的其他措施
一、额外蒸汽的引出： 若沸点进料，Ql = 0 , D/W=1 则 W1=D W2=W1-E1=D-E1
D t1 t2 t3
E1
W1
E2
W2
E3
W3
W3=W2-E2=D-E1-E2
蒸发操作
概述
蒸发：将稀溶液在沸腾状态下进行浓缩的单元操作。
蒸发的目的：溶液中溶剂的汽化， 获得溶剂产品或不挥发溶质产品。
蒸发的必要条件：不断供给热能 ，不断排除蒸汽，溶剂易挥发。 蒸发分类 : 单效蒸发 多效蒸发 常压蒸发 加压蒸发 减压蒸发
ห้องสมุดไป่ตู้ 概述
蒸发过程的基本概念: 加热蒸汽(生蒸汽) 二次蒸汽 蒸发流程： 蒸发过程的特点： （1）沸点升高： （2）能耗大： （3）溶液的特性决定蒸发 器的结构特性。 水蒸气 联苯 熔盐
单程型蒸发器
升 | 降 膜 式 蒸 发 器
循环型与单程型蒸发器的不同特点
单程型比循环型更具优点：

溶液只通过加热室一次，不需循环，所以溶液 在蒸发 室停留时间短，沸点不太高，适于热敏性物料； 单程型溶液呈膜状流动，α提高； 膜状流动液柱静压头造成的温差损失小，有效 温差大；
需控制成膜，对进料速度有一定要求。
生产强度U：单位时间单位传热面积上蒸发的水量，kg/(m2· h)
沸点进料和忽略热损失及浓缩热时，传递的热量Q全部用于 水分W蒸发，设溶剂的汽化潜热为r， 蒸发水分量： 则生产强度
W DR Q r r
蒸发器的生产能力和生产强度
传热量
Q KAt
W Q Kt U A Ar r
外热式蒸发器
加热室外置，降低 蒸发器高度，且加 热管较长，循环速 度加快。
循环型蒸发器
列文式蒸发器
循环型蒸发器
加热室上增设沸腾室， 溶液的沸腾传热有加热 室转移到沸腾室. 优点：避免加热管表面 结晶和结垢，适于粘度 大的溶液，传热系数大 缺点：液柱静压头引起 的温差损失大。
单程型蒸发器
升 膜 式 蒸 发 器 降 膜 式 蒸 发 器
标准式（强制循环）
悬筐式 外热式（自然循环） 外热式（强制循环） 升膜式 降膜式 刮板式
1200-6000
600-3000 1200-6000 1200-7000 1200-6000 1200-3500 600-2000
蒸发设备中的温差损失
蒸发纯溶剂的温差 蒸发溶液的温差
t T Ts T
水蒸发总量：W= W1 + W2 + W3=3D-2E1-E2
D W 2 1 E1 E 2 3 3 3
推广至n效：
W n 1 n2 1 D E1 E 2 En 1 n n n n
二、冷凝水自蒸发的利用：
前一效温度较高的冷凝水通 过自蒸发器被减压至下一效 加热室的压力时，放出热量 ，少量冷凝水自蒸发产生蒸 汽，作为下一效加热蒸汽， 提高生蒸汽的经济程度。

单程型蒸发器
刮板式冷凝器
浸没燃烧式蒸发器
除沫器
除沫器、冷凝器和真空装置
冷凝器及真空装置
除沫器、冷凝器和真空装置
疏水阀
除沫器、冷凝器和真空装置
防止加热蒸汽和冷凝水一 起排出加热室外。 (1) 热动力式 (2) 钟形浮子式 (3) 脉冲式
1-冷凝水入口；2-冷凝水出口； 3-排出管；4-背压室； 5-滤网；6-阀片
杜林规则：某溶液在两种不同压力下的沸点差与另一标准液 体在相应压力下的沸点差的比值为常数。
tA t
0
A
tw t 0 w
K
tA t 0 A K (tw t 0 w)
液柱静压头引起的温度差损失 ’’
溶液内部的沸点按液面和底部平均压力计算，由静力学方程
p p p 1 gL 2
真空蒸发




真空蒸发：减压（真空）下蒸发。 目的：降低溶液沸点。 优点：真空下溶液的沸点低，加热蒸汽与沸腾液体间温差大， 减小蒸发器的传热面积；利用低压蒸汽或废气作热源；适于 热敏性物料；沸点低，蒸发器热损失小。 缺点：耗能大；低压沸点低，粘度大，给热系数减小。 单效蒸发：1kg水/1kg多生蒸汽 多效蒸发：加热蒸汽通入蒸发器，液体受热沸腾产生的蒸汽 作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器， 多个蒸发器依次连接形成多效蒸发。 意义: 提高蒸汽的利用率（或经济程度）。 蒸发同样数量的水W，多效时蒸汽量D 2 1 3 远小于单效时。
t Ts t
t T t (Ts T ) (Ts t ) t T