蒸发器（单效，多效蒸发）

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直接获得作为化学产品或半成品的浓缩溶液. ②除去溶剂，将溶液溶解至饱和状态，然后冷却以沉淀出固体产物，即结合蒸发和结晶获得固体溶质. ③去除杂质，得到纯净的溶剂. （2）蒸发过程7.1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要持续提供热能. 工业上使用的热源通常是水蒸气，大部分蒸发的物质是水溶液，蒸发过程中产生的蒸汽也是水蒸气. 为了区别起见，加热的蒸汽称为加热的蒸汽，从溶液中蒸发的蒸汽称为二次蒸汽. （4）分类①根据蒸发操作空间的压力，可分为: 常压，加压或减压（真空）蒸发. ②根据二次蒸汽的利用情况，可分为单效蒸发和多效蒸发. 7.1概述（5）蒸发操作的特征①沸点升高蒸发的物质是一种具有非溶质的溶液. 根据拉乌尔定律: 在相同温度下，纯溶剂的蒸汽压较低. 因此，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点. 因此，当加热蒸汽温度恒定时，蒸发溶液时的传热温度差小于蒸发纯溶剂时的传热温度，并且溶液浓度越大，该效果越显着. ②节能③材料的工艺特性本章重点研究上述问题，并考虑夹带液体泡沫与二次蒸汽分离的问题.

7.2单效蒸发7.2.1单效蒸发的计算对于单效蒸发，在确定了给定的生产任务和操作条件后，通常需要计算以下内容: ①蒸发量点②热蒸汽消耗量； ③发电机的传热面积. 为了解决上述问题，我们可以使用材料平衡方程，热平衡方程和传热速率方程来求解. 7.2.1单效蒸发的计算（1）物料平衡溶质在蒸发过程中不会挥发，并且蒸发过程是稳态过程. 每单位时间进入和离开蒸发器的数量相等，即Fw0 =（F？W）w水的蒸发: 完成溶液的浓度: W = F（1？W = Fw0 F？Ww0）w7 .2.1单效蒸发的计算（2）热平衡计算当加热蒸汽处于饱和温度时，蒸发器的热平衡在较低的排放量中，DI s + Fi0 =（F W）i + WI + Di s + Q损耗D（I s？是）= F（i？I0）+ W（I？I）+ Q损耗（3）（4）其中D-加热蒸汽的消耗量，kg / s； t 0，t-进料液和完井液的温度，℃； i0，i，s-进料液，完井液和冷凝水焓的热量，kJ / kg； i II，二次蒸汽和加热蒸汽的s热焓，kJ / kg.

根据特定条件，热量损失Q损失可占加热蒸汽放热（Dro）的一定百分比. （2）热平衡计算）用上述两个公式计算时，必须预测溶液在一定浓度和温度下的焓. 对于大多数材料的蒸发，可以从比热确定溶液的焓，而与溶液浓缩的热量无关. 通常以0℃为参考，即0℃时的焓为零，则= c * T0 i0 = c 0 t 0？ 0 = c 0 t 0我= ct？ 0 =将ct代入前两个公式: D（I s？Is）= F（ct？C 0 t 0）+ W（I？Ct）+ Q损耗（2）热平衡）为了避免使用在不同溶液浓度下的比热，可以近似为溶液. 比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即c0 = c *（1？W0）+ c B w0c = c *（1？W）+ c B w其中c *-水的比热，kJ / kg； c B-溶质的比热，kJ / kg. （2）热量计算）加热蒸汽的消耗量可从方程式（3）或（4）获得: D = F（i？I0）+ W（I？I）+ Q损失I s？是F（ct？c0 t 0）+ W（I？ct）+ Q损失I s吗？ ①当忽略集中热时②是集中热时？ ct≈r ID =是吗？是= r0D = F（ct？c0 t 0）+ Wr + Q损失r0（2）热平衡）c③沸点进料，t 0 = t，忽略热损失和低溶液浓度，= c0，则D = W（I？Ct）Wr≈r0 r0或DI？ Ct r =≈> 1 W r0 r0其中D / W是单位蒸汽消耗，用来表示蒸汽利用的经济程度（或原蒸汽的利用率）.

7.2.1单效蒸发的计算（3）蒸发器传热面积的计算QA = K？由传热率方程得出K？tm其中A-蒸发器的传热面积m2; Q——传热，w； K-传热系数，w / m2·K； ？tm平均传热温度差K.（3）蒸发器传热面积的计算）由于在蒸发过程中蒸汽冷凝和溶液沸腾之间存在恒定的温差，所以？tm = T0？ T和蒸发器的热负荷Q = Dr0，所以A = Dr0 Q = K（T0？T）K（T0？T）7.2.1单效蒸发的计算（4）浓热和焓浓解决方案的如图7-21所示. 从0°C开始的NaOH水溶液的焓浓度作为参考温度图. 7.2.2蒸发器中的温差损失当加热蒸汽的温度T0为一定T（例如使用47k kN / m2（绝对压力）时，蒸发器中的传热温度差等于？tm（T0？t）. ）水蒸气作为加热蒸汽，0 = 150℃），如果蒸发室中的压力为1 atm，并且蒸发的是水（沸点T = 100℃）代替溶液，则在此的传热温度差时间最大，用？t T表示: ？t T = T0？ T = 150？ 100 = 50如果蒸发30％NaOH水溶液一效蒸发器，则其沸点在常压下高于100°C. 如果其沸点为t = 120℃，有效传热温差为多少？ T = T0？ T = 150？ 120 = 30℃，t值减小?? TT称为传热温差损失，简称温差损失，表示为？ 7.2.2蒸发设备中的温差损失传热温度差损失溶液沸点有效的传热温度差？ = T ？T =（T0？T）？ （T0？T）= t？ Tt = T + ?? t =？t T ??温差损失的原因: ①溶液的沸点升高.

这是因为在相同温度下溶液的蒸气压低于纯溶剂（水）的蒸气压，这导致溶液的沸点高于纯溶剂（水）的沸点； ②蒸发器中的静压头和流体流动的影响加热管产生的摩擦阻力使溶液的沸点进一步升高. 7.2.2蒸发设备中的温差损失（1）溶液的沸点上升，杜林法则在相对较宽的压力范围内. 在相同的压力下，溶液的沸点与溶剂的沸点呈线性关系: 0 tA？ T A = K 0 tw？ Tw0 0 t A = t A + K（tw？Tw）0其中，t A和t A表示某种液体（或溶液）在两种不同压力下的沸点，tw和tw表示溶剂在相应压力下的沸点压力. （1）溶液的沸点上升和杜林定律）图7-22显示了在相应的压力下不同浓度的NaOH水溶液的沸点与纯水的沸点之间的关系. 从图中可以看出，当NaOH水溶液的浓度为零时，其沸点线为对角线45°，即水的沸点线，其他浓度下溶液的沸点线为大致平行的一组直线. （1）溶液的沸点上升和杜林定律）从该图可以看出: ①在浓度不太高的范围内，由于沸点线大约是一组平行的直线，因此可以合理考虑沸点升高与压力无关，但可以取大气压下的数值； ②浓度范围仅需知道两种不同压力下溶液的沸点，然后可以根据杜林定律计算出其他压力下溶液的沸点.

7.2.2蒸发设备中的温差损失（2）根据以下L / 5溶液的沸腾温度计算液柱静压头和加热管中的摩擦损耗对溶液沸点的影响液体表面. 液体的平均温度为饱和压力: 1 pm = p + Lρg5其中p-液体表面上方的二次蒸汽压力（通常可以用冷凝器的压力代替）Pa; L-蒸发器中液面的高度，m. （2）液柱静压头和加热管中的摩擦损失对溶液的沸点的影响1）？ ''= T（p + Lρg）？ T（p）由液柱静压力引起的溶液温升: 5沸腾液体的平均温度为: t = t（p）+？'+？ ''在大多数教科书中，液柱内部的平均压力是液面压力和液柱底部压力的平均值，即1LρG2 1？ ''= T（p +Lρg）？ T（p）5 pm = p +7.2.2蒸发设备中的温差损失（3）由于蒸汽流动阻力引起的温差损失？在效果蒸发中，最终效果之前的二次蒸汽流向下一个效果的加热室. 为了克服管道的阻力并降低压力，二次蒸汽的温度也相应降低. 由此引起的温差损失是？ '''.

总温差损失？ =？'+？ ``+？'' ''蒸发过程中的传热温差（有效温差）: ？t = T0？ t = T0？ t（p）??注意: 注意吗？介质？ '''是由于前一效蒸汽到下一效蒸汽的电阻损耗引起的温差损耗. 如果是单效蒸发，则已知蒸汽（产生的蒸汽）的温度，是否应将其考虑在内？ '''= 1℃？ 7.2.2蒸发设备的温差损失（4）有效蒸发过程的计算①设计计算: 根据蒸发任务，需要设计一种经济上合理的蒸发器. 给定条件: 物料流量F，浓度w0，温度t 0和完成液浓度w;设计条件: 加热蒸汽的压力和冷凝器的工作压力主要取决于可用冷却水的温度；计算目的: 根据所选择的蒸发器形式确定传热系数K并计算所需的加热面积A和加热蒸汽消耗D. （4）有效蒸发过程的计算）②运算: 了解蒸发器的结构和蒸发面积w0 AK给定条件: 蒸发器的传热面积和热系数，冷凝器中物料液体的入口状态压力t0w0和A，完成液的浓度需要t0，加热蒸汽和冷Dw F很强

0F wK D计算目的: 计算蒸发器的处理能力和加热蒸汽量. 或: 已知条件: 、、、、、. 冷凝器中加热蒸汽和压力；计算目的: 对蒸发器进行反算； 7.3多效蒸发①利用二次蒸汽的潜热②利用凝结水的显热（如原料液体的预热）经济（利用率）7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）D = 1？ D = W1，1kg的原始蒸汽在第一个效果中可以产生两次W1倍的蒸汽的1kg，这1kg的两次蒸汽（W1）引入第二个效果并且可以蒸发1kg的水，即第一个效果: 第二个效果: W2 = W1 = D，双重效应中1kg生蒸汽的总蒸发量WW = W1 + W2 = 2 D，所以= 2 DW，依此类推: 三种效应= 3，……，n效应W = n D D7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）多效蒸发蒸汽的经济性（效用）多效蒸发蒸汽的经济性，但实际上由于热量损失，温差损失等，单位蒸汽消耗量无法达到这样的经济水平. 根据生产经验，W / D的最大值大致如下: 效果数“ D”. W？ Min？ W ??? D吗最大单效1.10.91˚Ч0.57 0.175三效0.4 2.5四效0.3 3.33五效0.27 3.707.3.2多效蒸发过程结合起来，共有的是: 并流: 溶液和蒸汽沿相同方向流动，称为并流

逆流: 溶液和蒸汽的流动相反，称为逆流. 错流: 溶液和蒸汽在某些情况下是并流的，而在某些情况下是逆流的. 平流: 为每种效果添加原料液体的方法. 下面以三种效果为例: （1）平行流过程（图7-14）蒸汽流向: 1→2→3溶液流向: 1→2→37.3.2多效蒸发过程（1）平行流流动过程的优点: ①因为前效应的压力高于后效应，所以进料液体可以自动流到下一个效应，而无需通过压差泵送； ②，溶液从先前的作用流入后效，溶液过热并释放出溶液. 自蒸发的过热会产生更多的二次蒸汽一效蒸发器，因此第三种作用具有最大的蒸发量. 缺点: 溶液浓度↑，↑使溶液温度↑，↓使7.3.2多效蒸发过程（2）逆流流程图7-15蒸汽流动方向: 3→2→1溶液流向: 1→2→3w1？优势: > w2> w3 w↑，↑，1>？ 2>？ 3 ，？ T1> t 2> t 3？ t ?,↑，↓，1 <？ 2 <？ 3？对wt和的影响大致抵消，并且影响基本不变. K，后效应向前的液体p1缺点: ①由于前效应压力高于后效应，因此> p 2> p3必须泵出一种效应.

②每种效果（最终效果除外）的进料均低于沸点，不会发生自蒸发，并且所需热量很大. 7.3.2多效蒸发过程（3）错流过程溶液流向: 3→1→2或2→3→1蒸汽流向: 1→2→3优点: 具有逆流和并流的优点. 缺点: 操作较为复杂. （4）对流流动的流程图7-16每个效果分别送入和单独排出，第二次蒸汽多次使用，更适合于易结晶的材料（因为晶体不方便在效果之间运输）7.3.3对多效蒸发的生产能力，蒸发强度和影响次数的限制多效蒸发的生产能力，（1）蒸发器的生产能力和蒸发器的蒸发强度的生产能力可以由单位时间W的水蒸发总量获得W的生产强度是每单位传热面积的蒸发量（u =）. 在三效蒸发器中，A蒸发器的生产强度为Q1 Q2 Q3 + + W总W1 + W2 + W3 r1 r2 r3 = = uTotal = ATotal A1 + A2 + A3 A1 + A2 + A3（1）蒸发器生产能力假设每个效应的传热面积相等，即A1 = A2 = A3 = A，不包括温差损失和浓度热量等，并且每个效应蒸发器的传热面积系数相等，则K1 = K 2 = K 3 = K，根据我们以前所学到的，我们知道r1，r2和r3差别不大，可以视为相等，即Q = Dr0 = Wr，那么u total = Q1 + Q2 + Q3 K 1 A1？t1 + K 2 A2？ T 2 + K 3 A3？ T 3 KA？tT K？tT = = = 3 Ar 3 Ar 3 Ar 3r（1）蒸发器的生产能力和蒸发强度）真空蒸发: 增加生产强度（u = = K？t）的一种方法是增加热量转移温度相差Δt，可以提高加热蒸汽的温度或降低溶液的沸点两者都可以增加Δt.

加热的蒸汽的温度（和相应的压力）受锅炉的额定压力限制. 因此，在许多情况下，需要真空蒸发以减少溶液的破坏，并且工厂中的低温蒸汽可以用作热源. 缺点: 但是，溶液沸点的降低会增加粘度并降低传热系数. 另外，为了维持真空运行，必须增加真空设备的成本和一定的电力成本，这也是其缺点. 增加K: 增加的另一种措施？是增加K，而K主要取决于溶液的结构，操作方式和物理性质. 合理设计蒸发器结构以建立良好的溶液循环流并及时清除加热室内的不凝气体，频繁清除污物等会增加K. Q7.3.3对生产能力，蒸发强度和效果的限制多效蒸发的次数多效蒸发的生产能力QK？t =可以看出，蒸发设备的生产强度取决于？t和K，因此应提高Ar r？ ，必须增加？t和K. 因为u =（2）多重蒸发效率的限制，如前所述，效率的提高将降低设备的生产强度，并且加热蒸汽的经济性将会提高. 因此，必须合理选择效率，以使设备成本和运行成本之和最小. 这是一个优化问题. （3）多效蒸发计算有许多描述多效蒸发过程的参数，但是各种参数受一些基本方程式的约束. 这些基本方程式可以分为: 物料平衡公式，热平衡公式，传热速率公式和物理性质函数式（如水蒸气性质，材料焓和沸点升高等）.

（3）多效蒸发计算对于设计计算，通常给出: 原料状态: F，t 0，w 0完成液浓度: wn冷凝器温度和加热蒸汽温度: ，n各效蒸发器的TT传递热系数: K j所需的加热蒸汽消耗量: A j每个效应的传热面积: D7.3.4其他提高加热蒸汽经济效率的措施（1）附加蒸汽的方法未考虑在以下条件下蒸发潜热的差异相同的压力，自蒸发的影响以及热量损失等次要因素，并假设进料在沸点进入，则可以认为每1千克加热的蒸汽蒸发了1千克水. 以三效蒸发器为例，可以介绍一下（见图7-17）（1）补充蒸汽的方法W1 = D W2 = W1？ E1 = D？ E1W3 = W2？ E 2 = D？ E1？ E 2水总蒸发量: 或推广为n效应: W = W1 + W2 + W3 = 3D？ 2 E1？ E2D = W 2 1 + E 1+ E2 3 3 3 W n？ 1 n？ 2 1 D = + E1 + E 2 + ..... + E n？从上面可以看到1 nnnn: ①当没有提取额外的蒸汽时，D = Wn（1）额外的蒸汽方法）②由于提取额外的蒸汽而消耗的原蒸汽量: ？D = n？1 n ？2 1 E1 + E 2 + L + E n？1 nnn = E1 + E 2 + L + E n？1n？1 i = 1，总蒸汽输出为: ∑Ei = 1n？1i比较上面两个公式: 可以看出，ΔD<∑ Ei，即，提取多余的蒸汽作为其他加热设备的热源所需的产生的蒸汽量等于所提取的额外蒸汽的总量，该数量大于锅炉. 蒸汽作为其他设备的加热源具有成本效益.

n？in？i Ei，↑，↓，？D↓，只要二次客栈蒸汽的温度可以满足要求，即后效提取越经济，就越高蒸汽利用率，后效后第二秒p Steam是无用的，因为↑，↓，i↓的使用受到限制. Ti i7.3.4提高加热蒸汽经济性的其他措施（2）二次蒸汽的压缩（热泵蒸发）（3）冷凝水的利用（图7-19）7.4蒸发设备蒸发设备包括蒸发器和辅助设备7.4 .1蒸发器蒸发器主要由加热室和分离室组成. 有各种类型的加热室可以满足各种生产工艺的不同要求. 根据溶液在加热室中的运动，蒸发器可分为循环式和单程式（无循环）. （1）循环蒸发器特点: 溶液在蒸发器中循环，可以提高传热效果. 周期性运动的原因是不同的. 自然循环型和强制循环型有两种. 自然循环: 由于溶液加热程度不同而引起的密度差异. 强制循环: 使用泵迫使溶液沿特定方向流动. （1）循环式蒸发器①立式短管型（图7-2）（1）循环式蒸发器②热室与蒸发室分开（图7-3）（1）循环式蒸发器③循环蒸发器（图7-4）（2）单程式蒸发器）①升膜式蒸发器（图7-5）适用于: 大蒸发量（相对稀溶液），热敏性和起泡溶液.

不适用于: 高粘度，易结晶和结垢的溶液. （2）单程蒸发器）②降膜蒸发器（图7-6）适用于: 高粘度物料；不适合: 容易结晶的材料，难以形成均匀的液膜，并且不高. （2）单程式蒸发器）③刮板式蒸发器（图7-8）特点: 在外力的作用下使物料液体成膜状流动，能适应高粘度浓缩液的蒸发，易结晶并缩放. 缺点: 结构复杂，制造要求高，受热面小，需要消耗一定的功率7.4.2蒸发器的传热系数（1）蒸发器的热阻分析蒸发器的传热热阻可以是由下式计算: 1 1δ1 = + + Ri + Kα1aα2①管道外的蒸汽凝结的热阻通常很小，但必须注意及时消除加热室内的非α1可凝气体，否则不凝性气体会继续在加热室内积聚，使该热阻明显增加； δ②管壁的热阻通常可以忽略不计； a17.4.2蒸发器的传热系数R③管液侧的水垢层的热阻取决于溶液的性质和管内液体的运动. 降低水垢层热阻的方法是定期清洁加热管以加速流体的循环，或添加少量的水垢抑制剂以延迟水垢层的形成. 当加工具有晶体沉淀的材料时，可以添加少量的种晶以使晶体尽可能多. 在溶液的主体中，而不是在加热表面上沉淀； ④管1中沸腾的热阻主要取决于沸腾液体的流动. α2（2）管中的两相气液流动形式（3）管中的沸腾热量7.4.3辅助设备辅助设备蒸发辅助设备包括除雾器，冷凝器，水输送器，真空泵等. 具体结构和设计可以自己阅读或使用相关材料阅读，并将在课程设计中详细使用.

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