第五章_蒸发

二、多效蒸发的计算
（一）基本情况
已知：原料液的流量，浓度和温度；
加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度 ，冷凝器
的真空或温度；
末效完成液的浓度等。
求： 生蒸汽的消耗量；
各效的蒸发量；
各效的传热面积。
方法：物料衡算，焓衡算，传热速率 方程式
(二)、多效蒸发和单效蒸发的比较 （1）溶液的温度差损失
第五章 蒸发
第一节 概 述
蒸发：将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移走蒸汽，从而 使溶液中溶质浓度提高的单元操作。
蒸发设备：蒸发器
应用领域：化工、石油化工、制药、制糖、造纸、深泠、海 水谈化及原子能等工业中。
蒸发的目的：使溶剂与溶质分离
（1）制取浓溶液，例如将NaCl溶液电解得到的氢氧化钠稀溶 液侬缩得氢氧化钠浓溶液；
Cp, CPw CpB——溶液、纯水、溶质的比热容，kJ/kg.℃
原料液比热容Cp0与完成液比热容Cp1间的关系: (F-W)Cp1=FCp0-WCpw D(H-CPWT)=W(H’-CPW t1)+FCp0(t1-t0)+Q
当冷凝液在蒸汽饱和温度下排除时，有
H- CPW T≈ r H’- CPW t1≈ r’
若多效和单效蒸发的操作条件相同，则多效蒸发的 温度差因经过多次的损失，使总温度差损失较单效 蒸发时为大。
（2）经济效应
多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，即经济利 益。
（3）蒸发器的生产能力和生产强度
单效 Q=KS∑△t
三 Q3效=K3S3∑△Qt31=K1S1∑△t1
Q2=K2S2∑△t2
若各效的总传热系数取平均值K，且各效的传热
20%NaOH水溶液 120－108.5=11.5 ℃
纯水
120－100=20 ℃
同条件下蒸发溶液时的有效温度差下降8.5℃，下降 的度数称为因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失， 其值与同条件下的沸点升高值相同。
（二）温度差损失 1. 因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失△’
溶液的沸点升高主要与溶液类别、浓度和操作压强有 关，一般由实验测定。常压下某些无机盐水溶液的沸 点升高与浓度的关系见附录二十一(P358)。
加压或减压时，可估算
△‘＝f△a’
△a’—常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差
损失），℃；
△’—操作压强下，由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，℃；
f —校正系数，无因次。
f
0.0162 (T ' r'
273)2
T‘——操作压强下二次蒸汽的温度，℃
r’——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg
r，r'——加热蒸汽，二次蒸汽的汽化热，kJ/kg
∴Dr=Wr’+FCp0(t1-t0)+QL 上式说明加热蒸汽的用量用于将原料液加热到沸点、
蒸发水分以及向周围的热损失。
若原料预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失。
D Wr ' r
e D r' Wr
e——蒸发1kg水分时，加热蒸汽的消耗量， 称为单位蒸汽耗量，kg/kg
§4-3 多效蒸发
加热蒸汽的经济性1kg蒸汽可蒸发的水量, 理论 E=W/D 单效D / W ≈ 1,二效≈ 1/2,三效≈ 1/3
效数 W/D D/W
单效 0.91 1.1
双效 1.75 0.57
三效 2.5 0.4
四效 3.33 0.3
五效 3.7 0.27
一、多效蒸发的操作流程 （一）并流（顺流）加料法的蒸发流程 溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效。
2.单效蒸发和多效蒸发 3.间歇蒸发与连续蒸发
蒸发过程的实质是转热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧 的溶液沸腾间的转热过程，溶剂的汽化速率由传热速 率控制，故蒸发属于热量传递过程。
特点： （1）传热性质 两侧相变恒温转热 （2）溶液性质 （3）溶液沸点的改变 （4）泡沫夹带 （5）能源利用
§4－2 单效蒸发
操作流程
一、溶液的沸点和温度差损失
（一）溶液的沸点
溶液蒸汽压＜纯水蒸汽压
溶液沸点＞纯水沸点
例 ： 常 压 下 2 0 % （ wt%）NaOH 水 溶 液 沸 点 =108.5℃
水沸点=100℃
溶液沸点升高=108.5－100=8.5 ℃
例：用120 ℃饱和水蒸气分别加热20%NaOH水溶 液和纯水，并使之沸腾，有效温差分别为
总传热系数K, W/(m2·K) 600-2300 600-3000 1200-6000 600-3000 1200-6000 1200-7000 1200-6000 1200-3500 600-2000 350-2300
3．蒸发器的热负荷Q
若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除，忽略热 损失
则 Q=Dr
优点：
①后效蒸发室的压强要比前效的低，故溶液在效 间的输送可以利用效间的压强差，而不必另外用 泵。
②后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶液进 入后效时，会因过热而自动蒸发（自蒸发或闪 蒸），可多产生一部分二次蒸汽
缺点：
沿溶液流动方向的浓度逐渐增高致使传热系数逐 渐下降 。
（二）逆流加料法的蒸发流程
（2）悬筐式蒸发器
加热室悬挂在器内，可 由顶部取出，便于清洗 与更换。
溶液沿环隙通道下降而 沿加热管上升。
环隙截面约为沸腾管总 截面积的100%-150%， 溶液循环速度较高。
（2）溶液浓缩到接近饱和状态，然后将浓溶液冷却，使溶质 结晶分离，制得纯固体产品。例如蔗糖的生产，食盐的精制 等。
（3）溶剂蒸发冷凝，除去非挥发性杂质，制取纯溶剂。例如 谈化海水制取淡水。
工业上被蒸发的溶液大多是水溶液，所以本章只讨论 水溶液的蒸发。 蒸发的基本流程：
蒸发的操作方法： 1.常压蒸发和减压蒸 发（真空蒸发） 真空操作特点：
面积相等, 则三效的总传热速率为
Q=Q1+Q2+Q3≈KS(△t1+△t2+△t3)=KS∑△t
当蒸发操作中没有温度差损失时，三效 蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相同， 因此生产能力也大致相同。
多效蒸发时的温度差损失较单效蒸发时 大，多效蒸发时的生产能力和生产强度 均较单效时为小。
采用多效蒸发可提高加热蒸汽的利用率， 但降低了生产强度，两者互为矛盾。
(例见P310)
（四）管内沸腾传热系数i的关系式
Hale Waihona Puke 1．标准型蒸发器i
0.008 L
di
( diumL L
)0.8 ( cpLL L
)0.6 ( w L
)0.38
2．强制循环蒸发器
i
0.023
L
di
R P 0.8 0.4 er
3．升膜蒸发器
4．降膜蒸发器 (复杂)
三、蒸发器的生产能力和生产强度 （一）蒸发器的生产能力 蒸发量kg/h 单位时间内蒸发的水分量 蒸发器的传热速率 Q=KS△t Q=KS（T-t1） 原料液的进料温度
与纯水的沸点, ℃;
tA’, tW’——压强PN下溶液的沸点
与纯水的沸点，℃。
当某压强下水的沸点tW =0时，
①为tA=tA’-ktW’=ym
ym—— 杜林直线的截距，℃。
不同浓度的杜林直线是不平行的，
斜率k与截距ym都是溶液质量浓 度x的函数
NaOH水溶液: k=1+0.142x
ym=150.75x2-2.71x
（一）蒸发量W
溶质 Fx0=(F-W)x1
W=F(1-x0/x1)
F――原料液的流量; kg/h
W――单位时间蒸发的水分量，即蒸发量, kg/h
x0 、 x1――原料液，完成液的质量组成。
（二）加热蒸汽消耗量 D
蒸发操作中，加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸点， 将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量。
根压强据而平引均起压的强温Pm度查差出损纯失水为的相应沸点tpm，故因静
△’’= tpm - tp’
tpm——与平均压强P m相对应的纯水沸点, ℃
tp’——与二次蒸汽压强P’相对应的水的沸点，℃
3.由于管路流动阻力而引起的温度差损失△’’’
多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加 热蒸汽，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降 低，温度也相应下降，一般约降1℃。
2.因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 △’’
液层内部沸点与表面沸点之差即为液柱静压强引起 的温度差损失△’’。
计算时以液层中部的平均压强P 为准, 中部压强为 Pm=P’+gl/2
m及相应的沸点tAm
Pm——液层中部的平均压强，Pa
P’——液面的压强，即二次蒸汽的压强，Pa
l——液层深度，m
溶液的沸点可用林规则(Duhring’s rule)计算，这个 规则说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点间 呈线性关系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸 点，故一般选用纯水为标准溶液。
直线的斜率
k
t
' A
tW '
tA tW
①
k ——杜林直线的斜率，无因次；
tA, tW ——压强PM下溶液的沸点
某些溶液，如 CaCl2, NaCl等水溶液，稀释时放出热量，蒸发 这些溶液时应考虑要供给和稀释热量相当的浓缩热。
１．溶液稀释热不可忽略
物料的焓衡算 DH+Fh0=WH’+(F-W)h1+DhW+QL
D WH ' (F W )h1 Fh0 QL H hW
QL——热损失, kJ/h
溶液和蒸汽的流动方向相反。 优：溶液的浓度沿着流动方向不断提高，温度逐渐上升，各效
溶液浓度较为接近，各效的传热系数大致相同。
缺：效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大，各效的进料温度 均低于沸点，产生的二次蒸量较少。