蒸发器原理分析

处理粘度大、易结沟或易结晶的溶液。
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2.膜式式（单程型）蒸发器
1）升膜蒸发器： 加热管长径比为100～150，管径为25～50mm。二
次蒸汽在加热管内的速度为20～50m/s，减压下为：
100～160m/s。
处理蒸发量较大的稀溶液以及热敏性或生泡的溶
液。不适合处理易结晶、易结垢或粘度特大的溶液。
（5）有腐蚀性的溶液
（6）易结垢的溶液 （7）溶液的处理
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5.2
单效蒸发
5.2.1 溶液的沸点和温度差损失 1.溶液沸点升高
=t - T1 ：溶液沸点升高值，oC； t：溶液的沸点，oC； T1：与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸汽的饱
和温度，oC。
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2.传热的温度差损失
tT - t = tT ：理论上传热的温度差，oC； t ：实际传热的温度差，oC。
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3）由于管路流体阻力而引起的温度差损失111
1C,
1 1.5C（末效）
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5.2.2
单效蒸发的计算
计算项目： （1）单位时间内蒸发出的水分量，即蒸发量； （2）加热蒸汽的消耗量； （3）蒸发器的传热面积。
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1.蒸发量 W
Fx0 F W x1 x0 W F 1 x 1
S1 t1 S 2 t 2 S 3 t 3 t t t t S

S1t1 S 2 t2 S3t3 S t
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2.逆流加料法的蒸发流程
优点：各效的总传热系数大致相同。 缺点：需要泵；二次蒸汽量较小。 适用场合：处理粘度随温度和浓度变化较大的溶 液，不宜处理热敏性的溶液。
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3.平流加料法的蒸发流程
处理有结晶吸出的溶液。
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5.3.2 多效蒸发的计算
已知条件：原料液的流量、浓度、温度；加热蒸汽
Q So K o t m
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4.管内沸腾传热系数的关联式
1）标准型蒸发器
Nu 0.008ReL
0.8 0.38
PrL
0.6
w L
L d i um L i 0.008 di L

0.8
c pL L L
单位：kg/(m2﹒h)
W U S
若原料沸点进料，且热损失可忽略，则：
Q Wr KSt Q Kt U Sr r
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强化途径： （1）适量增大传热温度差
加热蒸汽最高压强：300～500kPa 冷凝器最低压强：10～20kPa （2）增大总传热系数 溶液沸腾传热系数、污垢热阻
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2）降膜式蒸发器
处理粘度较大的溶液、
热敏性物料。
不适合处理易结晶、
易结垢或粘度特大的
溶液。
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3）升—降膜蒸发器
处理粘度变化大的 溶液。
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4）刮板搅拌薄膜蒸发器
叶片边缘与管内壁的间隙为0.25～1.5mm。 处理高粘度、易结晶、易结垢或热敏性溶液。 结构复杂、动力消耗大。
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出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。
4
5
分类：
单效蒸发 多效蒸发 加压蒸发 常压蒸发 真空蒸发
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真空蒸发的特点：
溶液沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可 利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源； 对相同压强的加热蒸汽，可提高传热总温度差； 溶液的粘度加大，总传热系数降低；
对减压系统，系统的投资费和操作费增加。
3.直接加热蒸发器
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4.蒸发器的改进与发展
1）开发新型蒸发器
2）改善蒸发器内液体的流动状况
3）改进溶液的性质
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5.1.2 蒸发器的辅助设备
除沫器、冷凝器、真空系统装置
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5.1.3 蒸发器的选型
从以下因素考虑： （1）溶液的粘度 （2）溶液的热稳定性
（3）有晶体析出时的溶液
（4）易发泡的溶液
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4）有效温度差在各效中的分配 以三效为例：
Q1 S1 K 1 t1 Q2 S2 K 2 t 2 Q3 S3 K 3 t 3 Q1 S1t1 K1 Q2 S 2 t 2 K2 Q3 S 3 t 3 K3
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3）外热式蒸发器
加热管长径比为50～100，循环速度：可达 1.5m/s。
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4）列文蒸发器
循环管截面积一般为加热管总截面积的200～ 350%，阻力小，循环速度高达2.0～3.0m/s，适宜 处理晶体析出或易结垢的溶液。
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5）强制循环蒸发器 循环速度高达2.0～5.0m/s。
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1.循环型（非膜式）蒸发器
1）中央循环管式（标准式）蒸发器
中央循环管截面积一般为加热管总截面积的
40～100%，循环速度：0.4～0.5m/s以下，适宜用
于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。
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2）悬筐式蒸发器 环形截面积一般为加热管总截面积的100～ 150%，循环速度：1.0～1.5m/s之间，适宜用于蒸 发有晶体的溶液。缺点是设备耗材量大、占地面 大、加热管内的溶液滞留量大。

0.6
w L
0.38
2）强制型蒸发器
i 0.023
L
di
0.8 0.4 ReL PrL
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3）升膜蒸发器
i 1.3 128d i
L
di
R
0.23 eL
R
0.34 0.9 eV rL
L P V

Wr Fc p 0 t1 t 0 QL r
若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且热损
失可忽略，则：
Wr D r D r e W r
单位蒸汽耗量，kg/kg。
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3.传热面积 S0
Q S o K o t m
t m T t 1 Ko do b do 1 do 1 Rsi Rso i di di dm o
Fx0 xi F W1 W2 Wi
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2）焓衡算
以00C的液体为基准，忽略热损失，可得：
第一效：
1 Fh0 D1 H 1 hw F W1 h1 W1 H 1
若溶液的稀释热，且加热蒸汽的冷凝液在饱和温度 下排出，可得：
Q1 D1r1 Fc p 0 t1 t 0 W1r11
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5.3 多效蒸发
为了降低加热蒸汽的消耗量，可采用多效蒸发。 单位蒸汽消耗量
效数 (D/W)mi
n
一效 1.1
二效 0.57
三效 0.4
四效 0.3
五效 0.27
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5.3.1 多效蒸发的操作流程
按加料方式不同，多效蒸发流程有以下几种:
1.并流（顺流）加料法的蒸发流程
优点：不用泵；多闪蒸一部分蒸汽。 缺点：随着浓度的升高，总传热系数下降。 适用场合：处理粘度随温度和浓度变化不大的溶液。
T1
T2
Ti
Tn
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1.基本关系
1）物料衡算
对整个蒸发系统作溶质衡算，可得：
Fx0 F W xn
x0 F x n x0 W F 1 xn x n
W W1 W2 Wn
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对任一效作溶质衡算，可得：
Fx0 F W1 W2 Wi xi i 2
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3）总有效温度差t及各效溶液的沸点 总有效温度差:
温度差损失总和：
t T
n i 1 i
1
TK i
i 1
1 2
n

n
1 t T 1 1 各效溶液的沸点： 1 1 t 2 T2 2
t n TK n
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第i效：
Qi Di ri Fc p 0 W1c pw W2 c pw Wi 1c pw t i t i 1 Wi ri1
Di Wi 1
ri ri1 1
Qi Wi 1ri1 1
ri t i t i 1 Wi Di 1 Fc p 0 W1c pw W2 c pw Wi 1c pw ri ri1
2
r：操作压强下二次蒸汽 的汽化热， kJ/kg 。
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2）由于加热管内液柱静压强而引起的温度差损失11
pm p
gl
2
p m t pm
t pm t p
p m：液层中部的平均压强 ； p ：液面的压强，即二次 蒸汽的压强； t m：与p m 相对应的水的温度； t p：与p 相对应的水的温度。
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蒸发过程温度差损失的原因：
（1）溶液的饱和蒸汽压下降； （2）加热管内液柱静压强； （3）管路流体阻力（多效蒸发）

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1）由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失1
t * A T
常压：附录二十三 非常压：经验公式、杜林规则
0.0162T 273 f r
H c pwT r
DH c pwT WH F W c p1t1 Fc p 0 t 0 QL DH c pwT W H c pw t1 Fc p 0 t1 t 0 QL
H c pwt1 r
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D
（生蒸汽）的压强、冷凝器的真空度、末效完成液
的浓度。
设计项目：生蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效
的传热面积。
计算方法：利用蒸发系统的物料衡算、焓衡算、传
热速率三个方程进行试差计算。
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H1',W1
H2',W2
Hi',Wi
Hn',Wn
1
2
i
n
D1,T1,H1 F,x0,T0 D2,T2,H2 x1,t1 x2,t2 Di,Ti,Hi xi-1,ti-1 xi,ti Dn,Tn,Hn xn-1,tn-1 xn,tn
2.加热蒸汽消耗量 D
1）溶液稀释热不可忽略时
DH Fh0 WH F W h1 Dhw QL
WH F W h1 Fh0 QL D H hw
40
若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下 排除，则：
WH F W h1 Fh0 QL D r
41
42
2）溶液的稀释热可以忽略时 溶液的焓可以由比热算出，则：
h0 c p 0 t 0 0 c p 0 t 0 h1 c p1 t1 0 c p1t1 hw c pw T 0 c pwT
F W c p1 Fc p 0 Wc pw
第五章 蒸 发
1
要求：
1.了解蒸发器的结构及选型；
2.掌握温度差损失的计算、单效蒸发的计算及蒸发
器的生产能力和生产强度；
3.了解多效蒸发流程及计算； 4.掌握多效蒸发与单效蒸发的比较； 5.了解蒸发器的工艺设计。
2
重点：
1.温度差损失的计算、单效蒸发的计算； 2.多效蒸发与单效蒸发的比较。
3
蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移
0.25
V L

4）降膜蒸发器
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5.2.3 蒸发器的生产能力和生产强度 1.蒸发器的生产能力
生产能力：单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量，
单位：kg/h。
生产能力的大小取决于传热速率Q，因此可用蒸发
器的传热速率来衡量其生产能力。
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2.蒸发器的生产强度
生产强度：单位传热面积上单位时间内的蒸发量，

要求： S1 S2 S3 S
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Q1 1 S t1 K1 Q2 1 St 2 K2 Q3 1 St 3 K3
1 1 1 2 1 3

1 S1t1 t1 S 1 S 2 t 2 t 2 S 1 S3 t3 t3 S
7
蒸发过程的特点：
（1）传热性质：热、冷流体都发生相变。 （2）溶液性质：蒸发过程中有结晶吸出、易结垢、 产生泡沫、粘度变化大、有腐蚀性。
（3）溶液沸点的改变
（4）泡沫夹带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫。
（5）能源利用：如何利用二次蒸汽的能量。
8
5.1 蒸发设备 5.1.1 蒸发器的结构
蒸发器结构：加热室、分离器 循环型（非膜式） 间接加热蒸发器 单程型（膜式） 直接加热蒸发器