多效蒸发系统设计2021

液体密度
分离室直径的计算式为
D 0.0188(VGmax )0.5 ue
分离器直径，m 气体最大体积流量，m3/h
分离器中气体流速，m/s
ue Vt
液体体积流量，m3/h
分离室高度的计算式为
HL
VLt 47.1D2
液体高度，m
停留时间，min
分离室入口接管的计算式为
分离室出口接管
气相出口不小于等于连接管道的直径 液相出口流速≤1m/s
浓缩液热量利用 1）预热料液-换热器 2）分级减压闪蒸-闪蒸蒸汽补充到相应各效 的二次蒸汽系统加以利用，同时使浓缩液继 续浓缩，提高排出浓度
多效蒸发系统实例
蒸发工艺计算模型
W3 T3
III
闪蒸
x0
x3
F0
t3
t01
T2
D3 T3
III效凝液闪蒸
进料预热
t0
T3
W2 T2 II x2 t2
T1 D2 T3 II效凝液闪蒸
主要结构尺寸计算
• 加热器
– 固定管板式换热器
• 分离器
分离器设计
• 类型：立式和卧式
分离器设计
• 工作原理分类：
– 重力沉降分离：由于气体与液体的密度 不同，液体在与气体一起流动时，液体 会受到重力的作用，产生一个向下的速 度，而气体仍然朝着原来的方向流动， 也就是说液体与气体在重力场中有分离 的倾向，向下的液体附着在壁面上汇集 在一起通过排放管排出。
妥善设计的蒸汽再压缩蒸发器的能 量利用率可胜过3~5效的多效蒸发 装置。此种蒸发器只在启动阶段需 要加热蒸汽，故在缺水地区、船舶 上尤为适用。
蒸发系统能量利用
排出的冷凝水减压，使减压后的冷凝水因过 热产生自蒸发现象。汽化的蒸汽可与二次蒸 汽一并进入后一效的加热室，于是，冷凝水 的显热得以部分地回收利用。
多效蒸发加料方式
图4-23 平流加料三效蒸发流程
二次蒸汽多次利用，但料液每效单独进出。 此种加料方式对易结晶的物料较为适合
蒸发系统能量利用
多效蒸发的末效多处于负压操作，二次蒸汽 的温位过低而难以再次利用。但是，可以在 前几效蒸发器中引出部分二次蒸汽（称为额 外蒸汽）移作它用
图4-25a．所示为机械压缩，一般可 用轴流式或离心式压缩机完成；图 4-25b．所示为蒸汽动力压缩，即使 用蒸汽喷射泵，以少量高压蒸汽为 动力将部分二次蒸汽压缩井混合后 一起进入加热室作加热剂用。
'" i
2次蒸汽由前一效流入下一效的过程中，克服阻力造成压强降低，由于压 强降低引起的温差损失。
通常根据经验，一般为0.5~1.5℃，
常取
'" i
1 ℃,i≥2
4、气液相温度平衡方程
ti Ti (i' "i "i' ), i 1, 2, 3
5、求解多效蒸发的参数
对于n效蒸发系统设计计算，已知量通常为物料进口量、进料浓度，料液初始温 度，生蒸汽的温度（压力），末效蒸汽的温度（压力），出料料液浓度，各效传热 系数，联立物料系统恒算方程（n个），系热量恒算方程（4n-2个），气液相温平 衡方程（n个），传热速率方程（3n-1个），构成一（9n-3个）非线性方程组，即 可求解出多效蒸发的参数。
多效蒸发系统设计
内容
• 蒸发设备 • 多效蒸发系统 • 蒸发工艺计算模型 • 主要结构尺寸计算 • 蒸发系统的辅助设备选型
蒸发设备操作特点
• 常见的蒸发是间壁两侧分别为蒸汽冷凝和液体沸腾的 传热过程，蒸发器也就是一种换热器。
• 蒸发操作特点：
– 沸点升高
• 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在工作压力下溶液的蒸 气压较同温度下纯溶剂的蒸汽压低，使溶液的沸点高于纯溶 液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸汽温度 一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂 1 的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
– 微孔过滤分离：由于气体与液体的 微粒大小不同，液体与气体混合一 起流动时，如果必须通过微孔过滤， 就象过筛一样，气体通过了，而液 体被拦截而留在微孔过滤器上，并 在重力的作用下下流至分离器底部 排出。
分离器设计
设计原则 分离效果好
选型要求 分离要求比较低的，选择重力沉降分离
适应的分离负荷范围 分离要求一般的，选择普通的折流分离（挡
• （2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
– 优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度 差损失较小，表面传热系数较大。
– 缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用 于易结晶、结垢物料的蒸发。
– 此类蒸发器主要有：a.升膜式蒸发器，b.降膜式蒸发器，c.刮板式 蒸发器
6 5
4 3
2
– 物料的工艺特性
• 蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能 析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐 蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发 流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题
图4-1 蒸发装置示意图 1－加热室； 2－加热管； 3－中央循环管； 4－蒸发室； 5－除沫器； 6－冷凝器
2、系统热量恒算
I效： II效： III效： 闪蒸1： 闪蒸2：
闪蒸3：
(F0 W2 W3 )(h1 h2 ) W1r1 D0r0 (F0 W3 )(h2 h3 ) W2r2 W1r1 F0 (h01 h3 ) W3r3 (W2 W4 )r2 (F0 W1 W2 W3 )(h1 H2 ) W4r2
– 折流分离：由于气体与液体的密度不同， 液体与气体混合一起流动时，如果遇到 阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯 性，继续有一个向前的速度，向前的液 体附着在阻挡壁面上由于重力的作用向 下汇集到一起，通过排放管排出。
– 旋流分离：由于气体与液体的密度不同， 液体与气体混合一起旋转流动时，液体 受到的离心力大于气体，所以液体有离 心分离的倾向，液体附着在分离壁面上 由于重力的作用向下汇集到一起，通过 排放管排出。
物料与二次蒸汽同方向相继通过各效。由于 前效压强较后效高，料液可藉此压强差自动 地流向后一效而无须泵送。在多效蒸发中， 最后一效常处于负压下操作，完成液的温度 较低，系统的能量利用较为合理。但对于并 流加料，末效溶液浓度高、温度低、粘度大， 传热条件较劣，往往需要较前几效更大的传 热面积。
料液与二次蒸汽流向相反，各效的浓度和温 度对液体粘度的影响大致相抵消，各效的传 热条件大致相同。逆流加料时溶液在各效之 间的流动必须泵送
T3
W1 T1 I
T0 D0
x1 t1
T0
W4 T2
废液闪蒸
x4 t2
尾气冷凝冷却器
tl1
tl2
t5
蒸发工艺计算模型
1、系统物料恒算
I效： II效：
F0 x0 (F0 W1 W2 W3 )x1 F0 x0 (F0 W2 W3 )x2
III效：
F0 x0 (F0 W3 )x3
闪蒸1：
F0 x0 (F0 W1 W2 W3 W4 )x4
分离器简化计算
• 分离室体积的计算式为
V W 3600 ρ U
二次蒸汽流量，kg/h
蒸发体积强度
二次蒸汽密度 kg / m3
一般允许值为 1.1～ 1.5 m3/ m3 s
为方便起见，各效分离室的尺寸可取一致
• 分离室的高度和直径的确定
（1）H : D 1～2 （2）H 1.8
（3）V π D2H 4
ti
Ti1
Ti
(
' i
"i
'"wenku.baidu.comi
)
1）、溶液沸点升高引起的温差损失
' i
用吉辛科法或杜林经验法则，需要查阅手册的图表或通过实验测定
也可参考已有工程经验进行估算
2）、液层静压引起的温差损失
" i
静压强导致溶液沸点升高，其值即为液层静压引起的温差损失
"i Ti, pm Ti, p
Pm
P
gl 2
– 节约能源
• 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何 充分利用热量，提高加热蒸汽的利用率是蒸发操作要考虑的 另一个问题
蒸发操作的分类
• 按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大 多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
• 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸 发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷 凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽 引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，并 把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效 蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充 分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
分离器设计
– 填料分离：由于气体与液体的密度 不同，液体与气体混合一起流动时， 如果遇到阻挡，气体会折流而走， 而液体由于惯性，继续有一个向前 的速度，向前的液体附着在阻挡填 料表面上由于重力的作用向下汇集 到一起，通过排放管排出。
– 丝网分离：由于气体与液体的微粒 大小不同，液体与气体混合一起流 动时，如果必须通过丝网，就象过 筛一样，气体通过了，而液体被拦 截而留在丝网上，并在重力的作用 下下流至分离器底部排出。
结合溶液沸点-压力关系，可以求出。
经验上，一般在1~3℃，鉴于第III效溶液密度最小，
" i
也最小，在保证在
1~3 ℃的范围内，第III效最小，其余各效依次增加。
I效：
1"
3
2
F0
W1
W2 F0
W3
II效：
"2
32
F0
W2 F0
W3
III效：
"3
3 2 F0 W3 F0
3）、2次蒸汽流动压降引起温差损失
非常宽
板分离）或者普通的离心分离（旋流分离）
体积小 阻力小 工作稳定
要求较高的，选择填料分离 要求高的，选择丝网分离 要求很高的，选择微孔过滤分离
分离器设计
• 结构设计
– 执行标准：HGT20570.8-95气液分离器设计
• 分离器中的气速
系数
0.5
Vt
=K s
L G G
气体密度
浮动（沉降）流速
图形离散化建立方程
或相同温度下饱和水的焓值估算
3、加热器传热面积的计算（传热速率方程）
Ai
Qi K i ti
I效： D0r0 K1A1t1
II效： W1r1 K2 A2t2
III效： (W2 W4 )r2 K3 A3t3 在蒸发设计时，为了设计和制造的方便，常使各效的传热面积相等，即
A1 A2 A3 对于有效温差的计算，必须考虑温差损失（溶液浓度引起沸点升高、液 层静压力对沸点的影响以及2次蒸汽流动压降引起的温差损失），故有 效温差的计算方法按
W1(H1 h4 ) D2r3 W2 (H2 h4 ) D3r3
蒸发工艺计算模型
r 饱和水的汽化潜热 i 可用多项式进拟合:
ri 2466.9049 1.5843Ti 0.0049Ti2
kJ/kg
饱和水的比热容可用多项式进行拟合:
cwi 7.96 109 t3 1.56 105 t2 0.0014t 4.2065 溶液的焓
MATLAB工具箱函数求解非线性方程组分2步：先建立待求解的非线性方程组的m 函数；然后凭经验设置初始点和选择项options，用函数fslove求解方程组。
常用蒸发器传热系数K的经验值
蒸发器的型式
标准式（自然循环） 标准式（强制循环）
悬筐式 升膜式 降膜式
总传热系数K, W / (m2K)
600～3000 1200～6000 600～3000 1200～6000 1200～3500
• 按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。在加 压蒸发中，所得到的二次蒸汽温度较高，可作为下 一效的加热蒸汽加以利用。
蒸发设备
• 蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液 被加热，部分气化，得到浓缩的完成液， 同时需要排出二次蒸汽，并使之与所夹带 的液滴和雾沫相分离。
• 蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热 室和蒸发室（分离室）组成。
其他接管
介质体积流量，m3 / h
d 4Vs πu
• 蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离 的除沫器，和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝 器。减压操作时还需真空装置。
蒸发器分类
• 按溶液在蒸发器中的运动情况： • （1）循环型蒸发器
特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相
同，接近于完成液的浓度，操作稳定。
– 此类蒸发器主要有：a.中央循环管式蒸发器，b.悬筐式蒸发器，c. 外热式蒸发器，d.列文式蒸发器，e.强制循环蒸发器 其中，前四种为自然循环蒸发器。
表 4-1 常用蒸发器传热系数的经验值
蒸发器型式
传热系数 K（W.m-2.K-1）
垂直短管型
中央循环式、悬筐式
800～2500
垂直长管型
自然循环
1000~3000
强制循环
2000~10000
旋转刮板式：
液体粘度 1mPa·S
2000
100mPa·S
1500
10000mPa·S
600
多效蒸发加料方式