化工原理第三版第七章

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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。 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7-18） 蒸汽流动方向： 1→2→3 溶液流动方向： 1→2→3
D F (ct c0t0 ) Wr Q损 r0
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如沸点进料，t0 ，t并忽略热损失和溶液浓度
较低时，c c0，则
D W (I ct) Wr
r0
r0
或
DD/W 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）。
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三、蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得：
给定条件：料液流量 F ，浓度wo ，温度 t0 以及 完成液浓度 w ；
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K， 计算所需供热面积 A 及加热蒸汽用量D 。
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② 操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积
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2、不计溶液的浓缩热
大多数溶液在溶质含量不太高时，浓缩热不显著，常可
忽略。其焓值可由比热容近似计算。以0℃为基准，
则有
i0 c0t0
i ct
式中：t0、t－分别为原料液、完成液的温度，℃； C0、C－分别为原料液、完成液的比热容，kj/kg·℃
溶液的比热容可近似按线性加和的原则由水的比热容 CW和溶质的比热容CB计算，即
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7-3-3 多效蒸发的生产能力、生产强度和效数的限制
一、蒸发器的生产能力和生产强度
如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点 要高于100℃。若其沸点t=120 ℃，则有效传热温差 Δt =150-120=30℃， 比 ΔtT 所减小的值，称为传热 温度差损失，简称温度差损失，用Δ表示。
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传热温差损失 溶液沸点
tT t
t t0
有效传热温差 t T t (T t 0 )
⑵溶液浓度不断增大，其沸点不断上升 条件： ⑴必须不断供给热量
⑵二次蒸汽必须不断引出 三、蒸发的目的 ⑴为制取浓溶液 NaOH、NaCL、糖、奶粉等 ⑵为制取纯净的溶剂 海水淡化
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4、蒸发的分类
加压蒸发
｛ 按压力 常压蒸发 可使溶液沸点下降，传热∆ t 大 ｛ 真空蒸发 适合热敏性物料
温度低，但α 小，K 值小
｛ 单效蒸发：二次蒸汽不利用
按二次蒸汽利用 多效蒸发：二次蒸汽供下一效作 加热蒸汽
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第二节 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，通常需要计算以下这 些内容：
①水分的蒸发量； ② 热蒸汽消耗量； ③ 蒸发器的传热面积。 要解决以上问题，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。
平均温度下的饱和压力：
pm
p
1 5
Lg
式中：Ｐ —液面上方二次蒸汽的压强（通常可以
用冷凝器压强代替），Pa；
Ｌ —蒸发器内的液面高度，m。
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液柱静压强引起的溶液温度升高：
'' t( p 1 Lg) t( p)
5
所以沸腾液体的平均温度为 ：
t t0 '''
在有些教材中，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
A Q Kt m
式中
A ——蒸发器传热面积，m2； Q ——传热量，w； K ——传热系数，w/m2·℃； Δtm ——平均传热温差，℃ 。
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由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的 恒温差传热， tm T t ，且蒸发器的热负 荷 Q Dr0，所以有
A Q Dr0 K (T t) K (T t)
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； ③因蒸汽流动阻力引起的温度差损失。
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一、溶液的沸点升高和杜林规则 杜林发现在相当宽的压强范围内溶液的沸点 与同压强下溶剂的沸点成线性关系：
蒸发过程的传热温度差（有效温度差）：
t T t (T t0)
注意：Δ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，则要计入 ' ' '＝１ ℃吗？
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四、单效蒸发过程的计算 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。
第七章
蒸发
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第一节 概述
7-1-1 蒸发及其在工业中的应用 一、定义 利用加热作用，使溶液中的溶剂 和溶液部分分离的操作。
｛ t ＜ t沸 自然蒸发 t ＝ t沸 沸腾蒸发
新鲜蒸汽－加热蒸汽
｛ 蒸发出的汽体－二次蒸汽
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单效蒸发流程
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二、蒸发过程的特点和条件
｛ 一侧蒸汽冷凝
特点：⑴为两侧恒温的传热过程 一侧液体沸腾
D F (i i0 ) W (I i) Q损 r0
D 1800 (480 300) 1350(2693.5 480) 28800 2138.5
=1562kg/h
需要指出，蒸发器的操作压力为50KPa时，对应的温度为 81.2℃，而溶液的沸点为110℃，二次蒸汽离开液面的温度也 应为110℃，相对于操作压力来说是过热蒸汽。但是由于蒸发 器的热损失等原因，二次蒸汽会很快变为操作压力下的饱和 蒸汽，温度降为81.2℃。
溶液温度↓，传热条件差，需要较大的传热面积。 应用范围：黏度不大或随组成增高黏度变化不大的 料液。
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（2）逆流流程(图7-19)
蒸汽流动方向： 1→2→3 溶液流动方向： 3→2→1
优点：w1>w2>w3， w↑μ↑， μ1>μ2>μ3
t1>t2>t3，t↑μ↓，μ1<μ2<μ3 w、t 对μ的影响大致抵消，各效的 K 基本不变。
tA tw
t
0 A
t
0 w
K
tA
t
0 A
K (tw
t
0 w
)
式中 tA 和tA0 代表某种液体（或者溶液）在两种不 同压力下的沸点，tw 和 tw0 代表水在相应压力下的 沸点。
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如图7-17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 450 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。
缺点：① 由于前效压强较后效高，p1>p2>p3，料液从后 效往前效要用泵输送。
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。 应用范围：黏度大的料液，不适宜于热敏性物料。
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（3）平流流程(图7-20)
各效分别进料并分别 出料，二次蒸汽多次利 用。 优点：控制方便。 应用范围：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）。
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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Δtm (T-t)，当加热蒸汽的温度
一定（如用476kPa（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽， T=150 ℃），若蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水 （其沸点 t=100 ℃）而不是溶液，此时的传热温差最
大，用ΔtT 表示：
tT T t0 150 100 50 ℃
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（1）并流流程
优点： ① 由于前效的压强较后效高，P1>P2>P3 ，
料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；
② t1>t2>t3 ，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，系统的能量利用比较合理。
缺点：溶液浓度，w3>w2>w1 ，w ↑，μ ↑，末效
二、热量衡算 1、浓缩热显著的溶液
Dr0 Fi0 (F W )i WI Q损 （1）
Dr0 F (i i0 ) W (I i) Q损 （2）
式中 D —加热蒸汽消耗量，kg/s； i0 、i —加料液与完成液的热焓，kJ/kg； r0 —加热蒸汽的汽化热，kJ/kg； I —二次蒸汽的热焓，kJ/kg。
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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 浓度范围只需要知道两个不同压强下溶液 的沸点，则其它压强下的溶液沸点可按杜林规 则进行计算。
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二、液柱静压头引起的沸点升高
按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在
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7-3-1 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）
第一效： Ｄ/ w1=1 → D=w1 ，1kg生蒸汽在第一效 中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸汽（w1）引 入第二效又可蒸发1kg水，即 第二效：w2=w1=D ，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量 w=w1+w2=2D ， 所以w/D=2 依次类推：三效 w/D=3 ，……，n效 w/D=n
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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 w/D 的值大致如下：
效数 单效 双效 三效 四效 五效
D
1.1 0.57 0.4
W min
0.3 0.27
W
0.91 1.75 2.5 3.33 3.70
D max
数据说明，效数增加，W／D并不按比例增加。 但设备费却成倍提高。因此，必须对设备费和 操作费进行权衡以决定最合理的效数。