多效蒸发器设计计算

多效蒸发器设计计算

（一） 蒸发器的设计步骤

多效蒸发的计算一般采用迭代计算法

（1） 根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸汽压强

及冷凝器压强）、蒸发器的形式（升膜蒸发器、降膜蒸发器、强制循环蒸发器、刮膜蒸发器）、流程和效数。

（2） 根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的组成。 （3） 根据经验，假设蒸汽通过各效的压强降相等，估算各效溶液沸点和有

效总温差。

（4） 根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。

（5） 根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相

等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3）至（5），直到所求得的各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。

（二） 蒸发器的计算方法

下面以三效并流加料的蒸发装置为例介绍多效蒸发的计算方法。

1.估值各效蒸发量和完成液组成

总蒸发量 （1-1）

在蒸发过程中，总蒸发量为各效蒸发量之和

W = W 1 + W 2 + … + W n （1-2） 任何一效中料液的组成为

（1-3） 一般情况下，各效蒸发量可按总政发来那个的平均值估算，即

（1-4） 对于并流操作的多效蒸发，因有自蒸发现象，课按如下比例进行估计。例如，三效W1：W2：W3=1：1.1：1.2 （1-5）

以上各式中 W — 总蒸发量，kg/h ；

W 1，W 2 ，… ，W n — 各效的蒸发量，kg/h ； F — 原料液流量，kg/h ；

x 0, x 1,…, x n — 原料液及各效完成液的组成，质量分数。 2.估值各效溶液沸点及有效总温度差

欲求各效沸点温度，需假定压强，一般加热蒸汽压强和冷凝器中的压强（或末效压强）是给定的，其他各效压强可按各效间蒸汽压强降相等的假设来确定。即

（1-6）

式中

— 各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，Pa ；

— 第一效加热蒸汽的压强，Pa ； )11

0x x

F W -=（n W W i =

i

i W W W F Fx x Λ---=

210n p p p k '-=

∆1p ∆1p

— 末效冷凝器中的二次蒸汽的压强，Pa 。 多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算：

（1-7）

式中 — 有效总温度差，为各效有效温度差之和，℃；

— 第一效加热蒸汽的温度，℃；

— 冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，℃； — 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，℃。 （1-8）

式中 — 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，℃； — 由于蒸发器中溶液的静压强而引起的温度差损失，℃；

— 由于管路流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，℃。 关于 、

和 的求法，分别介绍如下： （1）由于溶液蒸汽压下降多引起的温度差损失

可用校正系数法和杜林规则求得。

校正系数法： （1-9）

式中

— 常压下由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失，℃； 某些溶液在常压下的沸点

值可从手册差得； — 校正系数，量纲为一。 一般取 （1-10）

式中

— 操作压强下水的沸点，亦即二次蒸汽的饱和温度，℃； — 操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg.

杜林规则：某种溶液的沸点和相同压强下标准液体（一般为水）的沸点呈线性关系。在以水的沸点为横坐标，该溶液的沸点为纵坐标并以溶液的组成为参数的直角坐标图上，可得一组直线，称为杜林直线。利用杜林线图，可根据溶液的

组成及世纪压强下水的沸点查出相同压强下溶液的沸点，从而得出 值。

根据杜林规则也可计算液体在各种压强下沸点的近似值。此法的依据是：某

液体在两种不同压强下两沸点之差

与水同样压强下两沸点之差 ，其比值为一常数，即

求得k 值，其他任一压强下的沸点

就可由下式求得，即 （1-11）

所以不用杜林线图也可计算出溶液的

值。 （2）由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失

某些蒸汽器在操作室，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，

k p '∑∑∆-'-=∆)(1k T T t ∑∆t 1T k T '∑∆∑∑

∑∑∆'''+∆''+∆'=∆∆'∆''∆'''∆'∆''∆'''∆'∆'0∆'=∆'f 0∆'f A t 2

1)

273(0162

.0r T f '+'=1T 'r '∆'21A A t t -21B B t t -k t t t t B B A A =--2

12

1A t ')(11B B A A t t k t t '--='∆'∆''

致使溶液内部的沸点较液面处高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失 。为简便起见，溶液内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取。平均压强近似按静力学方程估算：

（1-12）

式中 — 蒸发器中液面和底部间的平均压强，Pa ； — 二次蒸汽的压强，即液面处的压强，Pa ； — 溶液的平均密度，kg/ m 3； — 液层高度，m ；

— 重力加速度，m/ s 2。

（1-13）

式中

— 根据平局压强 求得水的沸点，℃； — 根据二次蒸汽压强

求得水的沸点，℃。 由于管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失

在多效蒸发中，末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中，由于管道阻力使其压强降

低，蒸汽的饱和温度也相应降低，由此而引起的温度插损失即为 。根据经验，

取各效间因管道阻力引起的温度差损失为1℃.

根据已估算的各效二次蒸汽压强 及温度差损失 ，即可由下式估算各效

溶液的沸点t 。

（1-14） 3.加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 第一效的焓衡算式为

（1-15）

由式（1-15）可求得第I 效的蒸发量

。若在焓衡算式中计入溶液的浓缩热及蒸发器的热损失，尚需考虑热利用系数

。一般溶液的蒸发，可取 为0.98-0.7 （式中 为溶液的组成变化，以质量分数表示）

。 （1-16）

式中 — 第i 效的加热蒸汽量，kg/h,当无额外蒸汽抽出时，

；

— 第i 效加热蒸汽的汽化热，kJ/kg ；

— 第i 效二次蒸汽的汽化热，kJ/kg ； — 原料液的比热容，kJ/（kg ·℃）； — 水的比热容，kJ/（kg ·℃）；

、 —第i 效及第（i -1）效溶液的沸点，℃；

— 第i 效的热利用系数，量纲为一。 对于加热蒸汽（生蒸汽）的消耗量，可列出各效焓衡算式并与式（1-2）联解而求得。

4.蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分配 任一效的传热速率方程为

2gL p p m ρ+

'=m p p 'ρL g p

pm t t -=∆''pm t p t m p p '∆'''∆'''p '∆∆''+∆'+'=T t i i i i PW i PW PW PO i i i r W t t c W c W c W Fc r D Q '+-----=--))((1121Λ⎥⎥

⎥

⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--'-----+'=r t t W W W F r r D W i i c i c c c i i i i i PW PW PW PO 1121)(Ληi W ηηx ∆i D i r i r 'PO c PW c i t 1-i t i η∆''+∆'+'=T t