第5章 蒸发

第5章蒸发
1．蒸发操作与特点
生蒸汽：从系统外引来用作加热的水蒸汽。

二次蒸汽：蒸发操作中产生的蒸汽。

单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的蒸发操作。

多效蒸发：将前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。

蒸发可以在不同的压强下进行，如果在减压下进行，则称为真空蒸发。

真空蒸发多用于热敏性物料的浓缩。

蒸发操作是一个传热过程，其传热特点是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的恒温差传热过程。

2．单效蒸发
2．1溶液的沸点和温度差损失
一定压强下，溶液的沸点较纯水的高，两者沸点之差，称为溶液的沸点升高。

设加热蒸汽的温度为T，二次蒸汽温度为T′，溶液的沸点为t，则理论传热温差为：
Δt T=T- T′
实际传热温差（有效温差）为：
Δt＝T-t
两者之差称为蒸发器的温度差损失：
Δ＝Δt0-Δt＝t-T′
或 t=Δ+T′
造成温度差损失的原因有3个方面：
(1)因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失Δ′
(2)由液层静压效应而引起的温度差损失Δ″
(3)由于管路流动阻力而引起的温度差损失
'''∆。

温度差损失，
'''
∆一般可取为1℃。

温度差损失：
'''
''
'∆
+
∆
+
∆
=
∆
需要注意的是：对于单效蒸发，若指定的是蒸发器内的操作压强，则
'''
∆不计入温度差损失中。

2.2 单效蒸发的计算
2.2.1 蒸发器的物料衡算
单效蒸发如图所示，作溶质的衡算，有：
Fx0＝(F-W)x1
整理得：
或
式中：F-进料量，kg/h；
W-水分蒸发量，kg/h；
x0-原料液中溶质的质量分数；
x1-完成液(即浓缩液)中溶质的质量分数。

2．2．2 蒸发器的热量衡算
溶液的比热容由下面经验公式求取：
C p＝ C PW (1-x)+ C PB x
式中：C PW和C PB分别为水和溶质的比热容，kJ/(kg·K)。

当x＜0.2时，上式可简化为
C P＝C PW (1-x)
式中：Q-蒸发器的热负荷，kJ/h；
D-加热蒸汽的消耗量，kg/h；
r-加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；
r′-二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；
t0-原料液的温度，℃；
t1-完成液的温度(即溶液的沸点)，℃；
C P0-原料液的比热容，kJ/(kg ·K)；
Q L -蒸发器的热损失，kJ/h ；
若原料液在沸点下进料，即t 1＝t 0，并忽略蒸发器的热损失，则
上式为：
D ＝Wr ′/r
或 e ＝D/W ＝r ′/r
式中：e 为蒸发1 kg 水时的加热蒸汽消耗量，称为单位蒸汽消耗量，kg/kg 。

一般，e ＝D/W ≈1，即蒸发1 kg 的水约需1 kg 的加热蒸汽。

实际上因蒸发器有热量损失等影响，e 值约为1.1或稍多一些。

2.2.3 传热面积S 0
蒸发器的传热面积由传热速率方程计算(注意为恒温差传热)，即 )(10000t T S K t S K Q -=∆=
或 )(1000t T K Q t K Q S -=∆=
式中：S 0-蒸发器的传热外表面积，m 2；
K 0-基于外表面积的总传热系数，W/(m 2·K)；Δt-有效传热温度差，℃；
Q 为蒸发器的热负荷，W 。

［例11-3］ 在单效薄膜式蒸发器内，将番茄汁从固形物含量12%浓缩到28%。

番茄汁已预热到最高许可温度60℃后进料。

采用表压为70 kPa 的饱和水蒸气加热。

设蒸发器传热面积为0.4 m 2，传热系数
1500 W/(m 2·K)。

试近似估算蒸汽消耗量和原料液流量。

解：表压为70 kPa ，则绝对压强为171.3kPa 。

在此绝对压强下，查得加热蒸汽饱和温度为114.5℃，汽化潜热为2210 kJ/kg ，由传热速率公式：
Q ＝S 0K 0Δt ＝1500×0.4×(114.5-60)
＝32700 W
则蒸汽消耗量为：
D ＝Q/r ＝32700/(2210×103)
＝0.0148 kg/s ＝53.3 kg/h
查得60℃下水的汽化潜热为2340 kJ/kg ，则蒸发量为： W ＝Q/r ′＝32700/(2340×103)
＝0.014 kg/s ＝50.3 kg/h
原料液流量为：
h kg x x W F /8828/1213.50/110=-=-=
3．多效蒸发
3．1 多效蒸发的原理
多效蒸发是将前一效的二次蒸汽引入下一效（蒸发器）作为加热热源的串联蒸发操作。

优点：节约生蒸汽的用量，即提高了经济效益。

3．2 多效蒸发的流程
按加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程(以三效为例)有以下几种：
(1)并流(顺流)加料法的蒸发流程即溶液和蒸汽流动方向一致。

(2)逆流加料法的蒸发流程即溶液和蒸汽流动方向相反。

但效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大。

一般来说，逆流加料法宜于处理粘度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜于处理热敏性的溶液。

(3)平流加料法的蒸发流程
原料液分别加入各效中，完成液也分别由各效排出，加热蒸汽由第一次效依次至末效，称为平流加料法。

平流加料法适用于在蒸发操作进行的同时，有晶体析出的溶液。

因为有晶体析出，不便于在效间输送。

生产能力和生产强度定义
影响因素?。