蒸发原理及设备

（2）热量衡算 ）
用以上两个式子进行计算时，必须预知溶液在一定浓度和温度 下的焓。对于大多数物料的蒸发，可以不计溶液的浓缩热，而由比 热求得其焓。习惯上取0℃为基准，即0℃时的焓为零，则有
i s = c *T0 i0 = c 0 t 0 − 0 = c 0 t 0 i = ct − 0 = ct
代入前面的两式得： D ( I s − i s ) = F (ct − c 0 t 0 ) + W ( I − ct ) + Q损
7.3 多效蒸发
① 利用二次蒸汽的潜热 ② 利用冷凝水的显热（如预热原料液) 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率） 7.3.1 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）
D = 1 ⇒ D = W1 ，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二 W1 次蒸汽，将此1kg二次蒸（W1 ）引入第二效又可蒸发1kg水，即
第一效：
（3） （4）
式中
D ——加热蒸汽消耗量，kg/s；
t 0 ，t ——加料液与完成液的温度，℃； i0 ，i ，s ——加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg； i I I ， s ——二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。 式中热损失 Q损 可视具体条件来取加热蒸汽放热量（ Dr0 ）的
某一百分数。
Fw0 = ( Baidu Nhomakorabea − W ) w
水分蒸发量： 完成液的浓度：
W = F (1 − w= Fw0 F −W
w0 ) w
7.2.1 单效蒸发的计算
（2）热量衡算 对蒸发器作热量衡算，当加热蒸汽在饱和温度下排出时，
DI s + Fi0 = ( F − W )i + WI + Di s + Q损 D ( I s − i s ) = F (i − i0 ) + W ( I − i ) + Q损
7.2.1 单效蒸发的计算
（3）蒸发器传热面积的计算 由传热速率方程得
Q A= K∆ K ∆t m
式中
A ——蒸发器传热面积，m2； Q ——传热量，w； K ——传热系数，w/m2·K；
∆t m——平均传热温差，K。
（3）蒸发器传热面积的计算 ）
由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热， ∆t m = T0 − t ，且蒸发器的热负荷 Q = Dr0 ，所以有
（1）溶液的沸点升高和杜林规则 ）
由该图可以看出： ① 浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因 此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数 值； ② 浓度范围只需要知的两个不同压强下溶液的沸点，则其他压 强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
7.3.2 多效蒸发流程
（2）逆流流程图7-15 蒸汽流动方向： 3→2→1 溶液流动方向： 1→2→3
w1 µ 优点： > w2 > w3 w ↑， ↑，1 > µ 2 > µ 3 ， µ t1 > t 2 > t 3
µ t µ ， ↑， ↓， 1 < µ 2 < µ 3
由式（3）或式（4）可得加热蒸汽的消耗量为：
D= F (i − i0 ) + W ( I − i ) + Q损 I s − is F (ct − c0 t 0 ) + W ( I − ct ) + Q损 I s − is
① 忽略浓缩热时 ② 浓缩热且 − ct ≈ r I
D=
Is ，− i s = r0
A=
Dr0 Q = K (T0 − t ) K (T0 − t )
7.2.1 单效蒸发的计算
（4）浓缩热和溶液的焓浓图 如图7-21为NaOH水溶液从0℃为基准温度的焓浓图。
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
蒸发器中的传热温差等于 ∆t m(T0 − t ) ，当加热蒸汽的温度 T0 一定 T （如用47k kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽，0 = 150 ℃），若蒸 发室的压力为1atm而蒸发的又是水（其沸点 T = 100℃）而不是溶液， 此时的传热温差最大，用 ∆t T 表示：
（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 按液面下处L/5溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的 饱和压力： 1 p m = p + L ρg 5 式中
p ——液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器
压强代替），Pa； L ——蒸发器内的液面高度，m。
（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响 ）
（4）效蒸发过程的计算 ①设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。 给定条件：料液流量 F ，浓度 w0 ，温度 t 0 以及完成液浓度 w ； 设计条件：加热蒸汽的压强以及冷凝器的操作压强主要由可供使用 的冷却水温度来决定； 计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数K ，计算所需供热 面积 A 及加热蒸汽用量 D 。
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
（1）溶液的沸点升高和杜林规则 在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸 点成线性关系：
0 tA − t A =K 0 tw − tw
0 0 t A = t A + K (t w − t w )
0 式中 t A 和 t A 代表某中种液体（或者溶液）在两种不同压力下
（2）热量衡算 ）
为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可以近似认为溶液的比热 容和所含溶质的浓度呈加和关系，即
c0 = c * (1 − w0 ) + c B w0
c = c * (1 − w) + c B w
式中
c * ——水的比热，kJ/kg；
c B ——溶质的比热，kJ/kg。
（2）热量衡算 ）
7.1 概述
（5）蒸发操作的特点 ① 沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知： 在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力 下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时， 蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓 度越大，这种影响就越显著。 ② 节约能源 ③ 物料的工艺特性 本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中 分离夹带液沫的问题。
D=
F (ct − c0 t 0 ) + Wr + Q损 r0
（2）热量衡算 ）
c ③ 沸点进料，t 0 = t ，并忽略热损失和溶液浓度较低时， = c0 ，
则
D= W ( I − ct ) Wr ≈ r0 r0
或
D I − ct r = ≈ >1 W r0 r0
式中称 D / W 为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度 （或生蒸汽的利用率）。
（4）效蒸发过程的计算 ）
② 操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积
w0 A K 给定条件：蒸发器的传热面积 与给热系数 ，料液的进
口状态 凝器内的压
t0
w0
与
A
，完成液的浓度要求
t0
，加热蒸汽与冷
D
w F强。 0
F w
K D 计算目的：核算蒸发器的处理能力 和加热蒸汽用量 。 或： 已知条件： ， ， ， ， 。加热蒸汽与冷凝 器内的压强； 计算目的：反算蒸发器 的并求 ；
∆t T = T0 − T = 150 − 100 = 50
如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100℃。 若其沸点 t = 120 ℃，则有效传热温差 ∆t = T0 − t = 150 − 120 = 30℃， t比 ∆ ∆tT 所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用 ∆ 表示
1 ∆ ' ' = t ( p + L ρg ) − t ( p ) 液柱静压强引起的溶液温度升高： 5
所以沸腾液体的平均温度为 ：
t = t ( p ) + ∆ '+ ∆ ' '
在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱 底部压力的平均值，即
1 LρG 2 1 ∆' ' = t ( p + Lρg ) − t ( p ) 5 pm = p +
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失 ∆ ' ' ' 在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程 中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低， 由此引起的温度差损失为 ∆ ' ' ' 。 总的温度差损失
∆ = ∆ '+ ∆ ' '+ ∆ ' ' '
7.3.2 多效蒸发流程
（1）并流流程 优点： ① 由于前效的压强较后效高， ，料液可借此压 强差自动地流向后一效而无须泵送； ② ，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会 放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽， 因此第三效的蒸发量最大。 缺点：溶液浓度， ， ↑， ↑，便使得 溶液温度， ， ↑， ↓，便使得
第二效：W2 = W1 = D ，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量
W W = W1 + W2 = 2 D ， 所以 =2 D W 依次类推： 三效 = 3 ，……，n 效 W = n D D
7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率） 多效蒸发蒸汽的经济性（利用率） 多效蒸发蒸汽的经济性
但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量 不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的 W / D 的值大 致如下： 效数
7 蒸发
7.1 概述 7.2 单效蒸发 7.3 多效蒸发 7.4 蒸发设备
7.1 概述
（1）蒸发操作的目的 ① 获得浓缩的溶液直接作为化工产品 或半成品。 ② 脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态， 随后加以冷却，析出固体产物，即采 用蒸发，结晶的联合操作以获得固体 溶质。 ③ 除杂质，获得纯净的溶剂。 （2）蒸发的流程
D W min W D max
单效 1.1 0.91
双效 0.57 0.175
三效 0.4 2.5
四效 0.3 3.33
五效 0.27 3.70
7.3.2 多效蒸发流程
多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有： 并流： 溶液与蒸汽的流向相同，称并流。 逆流： 溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。 错流： 溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。 平流： 每一效都加入原料液的方法。 下面以三效为例加以说明： （1）并流流程（图7-14） 蒸汽流动方向： 1→2→3 溶液流动方向： 1→2→3
7.2 单效蒸发
7.2.1 单效蒸发的计算
对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通 常需要计算以下的这些内容： ① 分的蒸发量； ② 热蒸汽消耗量； ③ 发器的传热面积。 要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和 传热速率方程来解决。
7.2.1 单效蒸发的计算
（1）物料衡算 溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位 时间进入和离开蒸发器的量相等，即
7.1 概述
（3）加热蒸汽和二次蒸汽 蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而 蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了 区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称 之为二次蒸汽。 （4）分类 ① 按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真 空）蒸发。 ② 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失
传热温差损失 溶液沸点 有效传热温差
∆ = ∆t T − ∆t = (T0 − T ) − (T0 − t ) = t − T
t =T +∆
∆t = ∆t T − ∆
温度差损失的原因 ： ① 溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水） 在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高； ② 蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩 擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。
0 的沸点， t w 和 t w 代表溶剂在相应压力下的沸点。
（1）溶液的沸点升高和杜林规则 ）
如图7-22为不同浓度NaOH水溶 液的沸点与对应压强下纯水的沸点的 关系，由图可以看出，当NaOH水溶 液浓度为零时，它的沸点线为一条 45° 对角线，即水的沸点线，其它浓 度下溶液的沸点线大致为一组平行直 线。
蒸发过程的传热温度差（有效温度差）：
∆t = T0 − t = T0 − t ( p ) − ∆
注意： 注意 ∆ 中 ∆ ' ' '为前一效蒸汽到下一效时由于阻力损失而引起的温度差 损失。若单效蒸发，已知入口蒸汽（生蒸汽）的温度，则时要计入 ∆ ' ' ' = 1 ℃吗？
7.2.2 蒸发设备中的温度差损失