化工原理第五章課件

1、化工原理 第五章 蒸 發(fā)第二節(jié)單效蒸發(fā)及其計(jì)算第一節(jié)概述第三節(jié)多效蒸發(fā)第四節(jié)蒸發(fā)器 知識(shí)目標(biāo)掌握單效蒸發(fā)過(guò)程中的有效溫度差、水分蒸發(fā)量、加熱蒸氣消耗量和傳熱面積的計(jì)算方法。理解蒸發(fā)操作的特點(diǎn)和多效蒸發(fā)的流程及最佳效數(shù)。了解蒸發(fā)過(guò)程的工業(yè)應(yīng)用與分類(lèi)。第五章 蒸 發(fā) 能力目標(biāo)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，具備對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的選型能力。第五章 蒸 發(fā) 第一節(jié) 概 述 蒸發(fā)過(guò)程及特點(diǎn)一、 蒸發(fā)是將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰，使其中一部分溶劑汽化并及時(shí)移除，從而使溶液中的溶質(zhì)濃度提高的單元操作，所采用的設(shè)備稱為蒸發(fā)器，蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品與制藥等工業(yè)中。蒸發(fā)主要采用飽和蒸氣加熱，而被蒸發(fā)的物

2、料大多是水溶液，故蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸氣也是水蒸氣，為了區(qū)別，前者稱為加熱蒸氣，后者稱為二次蒸氣，遇到高沸點(diǎn)溶質(zhì)，可選用其他高溫載熱體及電加熱、熔鹽加熱、煙道氣加熱等。 第一節(jié) 概 述蒸發(fā)的目的一是濃縮溶液，如氫氧化鈉水溶液、果汁、食糖、抗生素等的濃縮，當(dāng)需要從稀溶液獲得固體溶質(zhì)時(shí)，常常先通過(guò)蒸發(fā)操作使溶液濃縮，然后利用結(jié)晶、干燥等操作得到固體產(chǎn)品；二是制取或回收純?nèi)軇?，如海水淡化、有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯等。蒸發(fā)過(guò)程的特點(diǎn)如下： 第一節(jié) 概 述（1）傳熱面一側(cè)是加熱蒸氣冷凝，另一側(cè)是溶液的沸騰，屬于間壁兩側(cè)均有相變的恒溫度差的傳熱過(guò)程；（2）在相同的溫度下，溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑恼魵鈮阂。?/p>

3、，當(dāng)壓強(qiáng)相同時(shí)，溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)要高，且一般隨濃度的增加而升高； 第一節(jié) 概 述（3）有些溶劑在蒸發(fā)過(guò)程中有晶體析出，易結(jié)垢、易產(chǎn)生泡沫、易分解或聚合，溶液的黏度在蒸發(fā)過(guò)程中逐漸增加，腐蝕性增強(qiáng)；（4）二次蒸氣易夾帶泡沫，冷凝前需除去，以免損失物料和污染冷凝設(shè)備；（5）溶劑的汽化需要吸收能量，熱源耗量很大，如何利用二次蒸氣，節(jié)能降耗，是蒸發(fā)操作的關(guān)鍵。 第一節(jié) 概 述 蒸發(fā)操作的分類(lèi)二、（1）按操作的壓力分類(lèi)，可分為常壓、加壓或減壓（即真空）蒸發(fā)。常壓操作時(shí)，一般采用敞口設(shè)備，二次蒸發(fā)直接排到大氣中，所用的設(shè)備和工藝條件都較為簡(jiǎn)單。采用加壓蒸發(fā)主要是為了提高二次蒸氣的溫度，以提高傳熱的

4、利用率。同時(shí)，可使溶液黏度降低，改善傳熱效果。另外，某些蒸發(fā)過(guò)程需要與前、后生產(chǎn)過(guò)程的外部壓強(qiáng)相匹配，如丙烷萃取脫瀝青需要在2.83.9 MPa下進(jìn)行，宜采用加壓蒸發(fā)。工業(yè)上應(yīng)用較多的是真空蒸發(fā)，在冷凝器后連有真空泵，在負(fù)壓下將被冷凝的水排出。 第一節(jié) 概 述（2）按二次蒸氣利用的情況分類(lèi)，可分為單效和多效蒸發(fā)，若二次蒸氣不再利用，而直接送至冷凝器冷凝后排出的蒸發(fā)流程稱為單效蒸發(fā)，如把二次蒸氣引到另一壓力較低的蒸發(fā)器，作為加熱蒸氣使用，這樣將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)，使二次蒸氣在蒸發(fā)過(guò)程中得到多次利用的操作，稱為多效蒸發(fā)。 第一節(jié) 概 述 蒸發(fā)的基本流程三、圖5-1所示的為簡(jiǎn)單真空蒸發(fā)器流程示意圖，料液

5、經(jīng)預(yù)熱后加入蒸發(fā)器，圖中1為由許多加熱管組成的加熱室，加熱蒸氣在加熱室的管間冷凝，放出的熱量通過(guò)管壁傳給管內(nèi)溶液，使之沸騰汽化。被濃縮后的完成液由蒸發(fā)器的底部排出，蒸發(fā)器的上部為蒸發(fā)室。蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的二次蒸氣在蒸發(fā)室及其頂部的除沫器中將其中夾帶的液沫予以分離，然后送至冷凝器3與冷卻水相混合而被冷凝，冷凝液由冷凝器的底部排出。溶液中的不凝性氣體經(jīng)分離器4抽出而排至大氣中。 第一節(jié) 概 述 圖5-1 單效真空蒸發(fā)流程圖1.加熱室 2.分離室 3.混合冷凝室 4.分離器 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 溶液的沸點(diǎn)和溫度差損失一、 前已述及蒸發(fā)是間壁兩側(cè)均有相變的恒溫傳熱過(guò)程，其傳熱的平均溫度差t為加熱蒸氣的

6、溫度T與溶液的沸點(diǎn)t之間的差值，即 t=T-t (5-1)t稱為有效溫度差，二次蒸氣的溫度T往往小于溶液的沸點(diǎn)溫度t，將溶液的沸點(diǎn)溫度t與二次蒸氣的溫度T之間的差值，稱為溫度差損失，即 =t-T 或 t=+T （5-2） 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算由式（5-2）知，如果溫度差損失已知，二次蒸氣的溫度T可根據(jù)蒸發(fā)壓力從飽和水蒸氣表中查出，則溶液在蒸發(fā)壓力下的沸點(diǎn)便可求出。蒸發(fā)操作時(shí)，造成溫度差損失的原因是：由于不揮發(fā)溶質(zhì)的存在，使蒸氣壓下降引起的溫度差損失，由于蒸發(fā)器中液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失和由于管路流體阻力引起的溫度差損失 。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算（一）因溶液蒸氣壓下降而引起的溫度差損

7、失溶液中含有溶質(zhì)，故其沸點(diǎn)必然高于純?nèi)軇┰谕粔毫ο碌姆悬c(diǎn)，此高出的溫度稱溶液的沸點(diǎn)升高，即由于蒸氣壓下降而引起的溫度差損失。溶液的沸點(diǎn)主要與溶液類(lèi)別、濃度及操作壓強(qiáng)有關(guān)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常壓下常見(jiàn)溶液的沸點(diǎn)升高值與濃度的關(guān)系可從相關(guān)參考書(shū)中查出，由查出的數(shù)值即可算出常壓下溶液的沸點(diǎn)。有時(shí)蒸發(fā)操作在加壓或減壓下進(jìn)行，因此必須求出各種濃度的溶液在不同壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)升高，常用的計(jì)算的方法有如下兩種： 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算按吉辛科公式近似計(jì)算1.當(dāng)缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，可以用吉辛科公式估算出沸點(diǎn)升高值，即 =fa （5-3）式中 a常壓下由于溶液的蒸氣壓下降而引起的沸點(diǎn)升高（即溫度差損失）， ；操作壓強(qiáng)

8、下由于溶液蒸氣壓下降而引起的沸點(diǎn)升高， ；F校正系數(shù)，無(wú)因次，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為 式中 T操作壓強(qiáng)下二次蒸氣的溫度， ；r操作壓力下水的汽化熱，kJ/kg。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算按杜林規(guī)則計(jì)算2.杜林規(guī)則說(shuō)明溶液的沸點(diǎn)和同壓強(qiáng)下標(biāo)準(zhǔn)溶液沸點(diǎn)間呈線性關(guān)系。由于容易獲得純水在各種壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)，故一般選用純水作為標(biāo)準(zhǔn)溶液。只要知道溶液和水在兩個(gè)不同壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)，以溶液沸點(diǎn)為縱坐標(biāo)，以水的沸點(diǎn)為橫坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)圖上標(biāo)繪相對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)值即可得到一條直線（稱為杜林直線）。由此直線就可求得該溶液在其他壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)。圖5-2是由試驗(yàn)測(cè)定的不同組成的NaOH水溶液的沸點(diǎn)與對(duì)應(yīng)壓力下純水沸點(diǎn)的關(guān)系線圖，已知任意壓

9、力下水的沸點(diǎn)，可由圖查出不同濃度下NaOH的沸點(diǎn)。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算圖5-2 NaOH水溶液的杜林線 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算若某溶液在兩種不同壓力下的沸點(diǎn)為tA及tA，水在相應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)為tw及tw，則有式中 k杜林直線的斜率，無(wú)因次；tA，tw分別為在壓強(qiáng)pM下溶液的沸點(diǎn)與純水的沸點(diǎn)，；tA，tw分別為在壓強(qiáng)pN下溶液的沸點(diǎn)與純水的沸點(diǎn)，。K值求得后，可按下式求出任一壓力下某溶液的沸點(diǎn)tA，即 tA=tA+k(tw+tw) （5-6） 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算（二）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失大多數(shù)蒸發(fā)器的加熱管內(nèi)都有一定高度的液層，故液體的沸點(diǎn)由液面向底部逐漸加大，液

10、層內(nèi)部沸點(diǎn)與表面沸點(diǎn)之差稱為因液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失。值沿液層高度而變，為了簡(jiǎn)便，計(jì)算時(shí)以液柱中部的平均壓強(qiáng)pm為準(zhǔn)，并同時(shí)根據(jù)pm及二次蒸氣壓p分別查出水的沸點(diǎn)tpm及T，兩者之差即為因液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失，即 =tpm-T(5-7) 式中 tpm液柱中部的沸點(diǎn)，； T二次蒸氣的溫度， 。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算中部壓強(qiáng)pm的計(jì)算式為式中 pm液層中部的壓強(qiáng)，Pa；p液面的壓強(qiáng)，即二次蒸氣的壓強(qiáng)，Pa；溶液的密度，kg/m3；l液層深度，m。應(yīng)指出，在膜式蒸發(fā)器的加熱管內(nèi)，液體沿管壁成膜狀流動(dòng)，管內(nèi)沒(méi)有液層，故這類(lèi)蒸發(fā)器中因液柱經(jīng)壓強(qiáng)而引起的溫度差損失可以忽略不計(jì)。 第二節(jié)

11、單效蒸發(fā)及其計(jì)算（三）由于管路阻力而引起的溫度差損失二次蒸氣由分離器送至冷凝器要克服管道中流動(dòng)阻力，所以分離室內(nèi)二次蒸氣壓強(qiáng)應(yīng)略高于冷凝器中規(guī)定的壓強(qiáng)。相應(yīng)的蒸氣溫度也高于冷凝器中蒸氣的溫度，兩者的差值稱為由于管路阻力引起的溫度差損失，其值與蒸氣的流速、物性及管路特性有關(guān)，一般取經(jīng)驗(yàn)值11.5 。由上分析可得，總的溫度差為 =+（5-9）溶液的沸點(diǎn)為 t1=T+=T+（5-10）有效溫度差為 t=T-t1=T-(T+)=T-T-（5-11) 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算為什么蒸發(fā)時(shí)溶液的沸點(diǎn)必高于二次蒸氣的飽和溫度？思考題5-1 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算【例5-1】 第二

12、節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算解：（1）求取冷凝器絕壓pk為15kPa，可查出15 kPa下水蒸氣的飽和溫度T為53.5。取因流動(dòng)阻力而引起的溫度差損失為1 ，故二次蒸氣溫度T=54.5 。由附表查出二次蒸氣其他參數(shù)為：T=54.5 ，p=15.4 kPa,汽化潛熱r=2367.6 kJ/kg。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 單效蒸發(fā)的計(jì)算二、單效蒸發(fā)中要計(jì)算的內(nèi)容有：（1）單位時(shí)間內(nèi)由溶液中整除的二次蒸氣質(zhì)量，稱為蒸發(fā)量；（2）單位時(shí)間內(nèi)消耗的加熱蒸氣量；（3）所需的蒸發(fā)器傳熱面積S。計(jì)算中所采用的手段仍然是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率三種基本關(guān)系。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算（一

13、）蒸發(fā)量W蒸發(fā)操作中，加熱蒸氣冷凝所放出的熱量一般消耗于將溶液加熱至沸點(diǎn)，將水分蒸發(fā)成蒸氣及向周?chē)纳⑹У臒崃?。蒸氣的消耗量，可通過(guò)熱量衡算來(lái)確定。對(duì)圖5-3各流股作熱量衡算，得 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算（二）加熱蒸氣消耗量D圖5-3 單效蒸發(fā)的物料衡算與熱量衡算 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算由于飽和水蒸氣的汽化熱隨溫度變化不大，即rr，故單效蒸發(fā)操作中e1，即每蒸發(fā)1 kg的水分約消耗1 kg的加熱蒸氣，但實(shí)際蒸發(fā)操作時(shí)因有熱損失等的影響，e值約為1.1或更大。e值是衡量蒸發(fā)裝置經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算式(5-16)及式(5-16a)中的溶液比熱可以用

14、經(jīng)驗(yàn)公式求算，即 cp=cpw(1-x)+cpBx (5-18）式中 cpB溶質(zhì)的比熱，kJ/（kg)；x溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分率。當(dāng)x0.2時(shí)，式(5-18)可以簡(jiǎn)化為 cp=cpw(1-x) （5-19） 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算在單效蒸發(fā)操作中，加熱蒸氣放出的熱量一般消耗于哪些方面？ 思考題5-2 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算（三）蒸發(fā)器傳熱面積的確定 蒸發(fā)器的傳熱面積可通過(guò)第四章介紹的總傳熱速率方程求得，即式中 S蒸發(fā)器的傳熱面積，m2；Q傳熱量，W；K總傳熱系數(shù)，W/（m2）；tm平均溫度差，tm=t加熱蒸氣-t沸，。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算 傳熱量由生產(chǎn)任務(wù)決定，可通過(guò)熱量衡算求得。傳熱

15、溫度差取決于加熱蒸氣的壓強(qiáng)、各種溫度差損失和冷凝器的壓強(qiáng)，可由式（5-11）計(jì)算。提高加熱蒸氣的壓強(qiáng)或降低冷凝器的壓力（如真空操作）可以加大溫度差tm，但因溶液的沸點(diǎn)降低，使溶液黏度增高，導(dǎo)致沸騰傳熱系數(shù)下降。另外，對(duì)于循環(huán)型蒸發(fā)器，為了控制沸騰操作局限于泡核沸騰區(qū)，不宜采用過(guò)高的傳熱溫度差。同時(shí)受經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和操作條件的限制，傳熱溫度差的提高是有一定限度的。 第二節(jié) 單效蒸發(fā)及其計(jì)算提高管內(nèi)沸騰的對(duì)流傳熱系數(shù)的方法主要是：增加管內(nèi)流體的湍流程度和減小垢層熱阻等。例如，對(duì)易結(jié)垢和有結(jié)晶析出的溶液，蒸發(fā)器必須定期清洗，選用適宜的蒸發(fā)器型式（如強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器），在溶液中加入微量阻垢劑，以阻止在傳熱面上

16、形成垢層。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)為了節(jié)約加熱蒸氣，工業(yè)上多采用多效蒸發(fā)操作，即將幾個(gè)蒸發(fā)器彼此連接起來(lái)，利用減壓的方法使后一個(gè)蒸發(fā)器的操作壓強(qiáng)和溶液的沸點(diǎn)均較前一個(gè)蒸發(fā)器的低，這樣可使前一個(gè)蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸氣作為后一個(gè)蒸發(fā)器的熱源，而后一個(gè)蒸發(fā)器的加熱室成為前一個(gè)蒸發(fā)器的冷凝器。每一個(gè)蒸發(fā)器稱為一效，通入加熱蒸氣的蒸發(fā)器稱為第一效，用第一效的二次蒸氣作為加熱蒸氣的蒸發(fā)器稱為第二效，用第二效二次蒸氣作為加熱蒸氣的蒸發(fā)器稱為第三效，依次類(lèi)推。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)在多效蒸發(fā)中，各效的操作壓力依次降低，相應(yīng)地，各效的加熱蒸氣溫度及溶液的沸點(diǎn)亦依次降低。因此，只有當(dāng)提供的新鮮加熱蒸氣的壓力較高或

17、末效采用真空的條件下，多效蒸發(fā)才是可行的。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā) 多效蒸發(fā)流程一、按溶液與蒸氣相對(duì)流向的不同，多效蒸發(fā)有三種常見(jiàn)的加料流程（模式），下面以三效蒸發(fā)為例說(shuō)明之。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)并流（順流）加料1.圖5-4為并流加料的典型流程。溶液與蒸氣的流動(dòng)方向相同，均由第一效順序流至末效。加熱蒸氣送入第一效加熱室，第一、第二效的二次蒸氣分別送入下效的加熱室作為加熱蒸氣，末效的二次蒸氣則送至冷凝器全部冷凝，原料進(jìn)入第一效，濃縮后由底部排出，依次流過(guò)后面各效時(shí)被不斷濃縮，完成液由末效底部排出。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)圖5-4 并流加料流程 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)并流法的優(yōu)點(diǎn)是溶液從壓力和

18、溫度較高的蒸發(fā)器流向壓力和溫度較低的蒸發(fā)器，故溶液在效間的輸送可以利用效間的壓差，而不需要泵送。同時(shí)，當(dāng)前一效溶液流入溫度和壓力較低的后一效時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自蒸發(fā)（閃蒸），因而可以多產(chǎn)生一部分二次蒸氣。此外，此法的操作簡(jiǎn)便，工藝條件穩(wěn)定。并流法的缺點(diǎn)是隨著溶液從前一效逐效流向后面各效，其濃度增高，而溫度反而降低，致使溶液的黏度增加，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)下降。因此，對(duì)于隨濃度的增加其黏度變化很大的料液不宜采用并流。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)逆流加料2.逆流加料法的流程如圖5-5所示。溶液的流向與蒸氣的流向相反，即加熱蒸氣由第一效進(jìn)入，而原料液由末效進(jìn)入，由第一效排出。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)圖5-5 逆流加

19、料流程 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā) 逆流法的優(yōu)點(diǎn)是隨溶液的濃度沿著流動(dòng)方向增高，其溫度也隨之升高。因濃度增高使黏度增大的影響大致與因溫度升高使黏度降低的影響相抵，故各效溶液的黏度較為接近，各效的傳熱系數(shù)也大致相同。 逆流法的缺點(diǎn)是溶液在效間的流動(dòng)是由低壓流向高壓，由低溫流向高溫，必須用泵輸送，故能量消耗大。此外，各效（末效除外）均在低于沸點(diǎn)下進(jìn)料，沒(méi)有自蒸發(fā)，與并流法相比，所產(chǎn)生的二次蒸氣量較少。一般說(shuō)來(lái)，逆流加料法適合于黏度隨溫度和濃度變化較大的溶液，但不適合于處理熱敏性物料。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)平流加料3.平流法是指原料液平行加入各效，完成液亦分別自各效排出。蒸氣的流向仍由第一效流向末效。

20、圖5-6為平流加料的三效蒸發(fā)流程。此種流程適合于處理蒸發(fā)過(guò)程中有結(jié)晶析出的溶液。例如，某些無(wú)機(jī)鹽溶液的蒸發(fā)，由于過(guò)程中析出結(jié)晶而不便于在效間輸送，則宜采用此法。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)圖5-6 平流加料流程 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)除以上三種基本操作流程外，工業(yè)生產(chǎn)中有時(shí)還有一些其他的流程。例如，在一個(gè)多效蒸發(fā)流程中，加料的方式可既有并流又有逆流，稱為錯(cuò)流法。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)多效蒸發(fā)的作用是什么？各效應(yīng)滿足的基本條件是什么？它的流程及特點(diǎn)是什么？思考題5-3 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)加熱蒸氣的經(jīng)濟(jì)性1. 多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的比較二、前已述及，多效蒸發(fā)旨在通過(guò)二次蒸氣的再利用，提高加熱蒸氣的

21、利用程度，從而降低能耗。設(shè)單效蒸發(fā)與n效蒸發(fā)所蒸發(fā)的水量相同，則在理想情況下，單效蒸發(fā)時(shí)單位蒸氣用量為D/W =1，而n效蒸發(fā)時(shí)W/D=1/n （kg蒸氣/kg水）。如果考慮了熱損失、各種溫度差損失以及不同壓力下汽化潛熱的差別等因素，則多效蒸發(fā)時(shí)單位蒸氣用量比理論值稍大。表5-1給出了多效蒸發(fā)時(shí)單位蒸氣消耗量的理論值與實(shí)際值。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)由表5-1可知，效數(shù)越多，單位蒸氣的消耗量越小，相應(yīng)的操作費(fèi)用越低。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)溶液的溫度差損失2.設(shè)多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)的操作條件相同，即兩者加熱蒸氣壓力相同、冷凝器操作壓力相同以及料液與完成液濃度相同，則多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效蒸發(fā)

22、時(shí)為大。圖5-7為單效、二效和三效蒸發(fā)裝置中溫度差損失示意圖，圖中三種情況有著相同的操作條件。其中圖形總高度代表加熱蒸氣溫度和冷凝器中蒸氣溫度間的總溫度差tT（即130-50=80），陰影部分代表由于各種原因引起的溫度差損失，空白部分代表有效溫度差，即傳熱的推動(dòng)力。由圖可見(jiàn)，多效蒸發(fā)較單效蒸發(fā)的溫度差損失大。顯然，效數(shù)越多，溫度差損失越大。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)圖5-7 單效、二效和三效蒸發(fā)器裝置中的溫度差損失 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā) 多效蒸發(fā)中的效數(shù)限制及最佳效數(shù)三、由上述討論可知，隨著多效蒸發(fā)效數(shù)的增加，溫度差損失加大。某些溶液的蒸發(fā)還可能出現(xiàn)總溫度差損失大于或等于總溫度差的極端情況，此

23、時(shí)蒸發(fā)操作則無(wú)法進(jìn)行。因此多效蒸發(fā)的效數(shù)是有一定限制的。一方面，隨著效數(shù)的增加，單位蒸氣的耗量減小，操作費(fèi)用降低；而另一方面，效數(shù)越多，設(shè)備投資費(fèi)也越大。而且由表5-1可以看出，盡管D/W隨效數(shù)的增加而降低，但降低的幅度越來(lái)越小。因此，蒸發(fā)的適宜效數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)之和為最小的原則權(quán)衡確定。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)通常，多效蒸發(fā)操作的效數(shù)取決于被蒸發(fā)溶液的性質(zhì)和溫度差損失的大小等各種因素。每效蒸發(fā)器的有效溫度差最小為57 。溶液的沸點(diǎn)升高大，采用的效數(shù)少，如NaOH溶液，一般用23效；溶液的沸點(diǎn)升高小，采用的效數(shù)多，如糖水溶液的蒸發(fā)用46效，而海水淡化無(wú)溫度差損失的蒸發(fā)裝置可達(dá)2030效。

24、 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā) 提高加熱蒸氣經(jīng)濟(jì)性的其他措施四、為了提高加熱蒸氣的經(jīng)濟(jì)性，除了采用前述的多效蒸發(fā)操作之外，工業(yè)上還常常采用其他措施，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)抽出額外蒸氣1.所謂額外蒸氣是指將蒸發(fā)器蒸出的二次蒸氣用于其他加熱設(shè)備的熱源。由于用飽和水蒸氣作為加熱介質(zhì)時(shí)，主要是利用蒸氣的冷凝潛熱，將二次蒸氣引出作為它用，蒸發(fā)器只是將高品位(高溫)加熱蒸氣轉(zhuǎn)化為較低品位(低溫)的二次蒸氣，其冷凝潛熱仍可完全利用。這樣不僅大大降低了能耗，而且使進(jìn)入冷凝器的二次蒸氣量降低，從而減少了冷凝器的負(fù)荷。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)冷凝水顯熱的利用2.蒸發(fā)器的加熱室排出大量冷凝水，可以將其用

25、作預(yù)熱料液或加熱其他物料，也可以用減壓閃蒸的方法使之產(chǎn)生部分蒸氣與二次蒸氣一起作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸氣。有時(shí)，還可根據(jù)生產(chǎn)需要，作為其他工藝用水。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)熱泵蒸發(fā)3.將蒸發(fā)器蒸出的的二次蒸氣用壓縮機(jī)壓縮，提高其壓力，使其飽和溫度超過(guò)溶液的沸點(diǎn)，然后送回蒸發(fā)的加熱室作為加熱蒸氣，此種方法稱為熱泵蒸發(fā)。圖5-8為蒸氣熱泵蒸發(fā)的流程之一。采用熱泵蒸發(fā)只需在蒸發(fā)器開(kāi)工階段供應(yīng)加熱蒸氣，當(dāng)操作達(dá)到穩(wěn)定后，不再需要加熱蒸氣，只需提供使二次蒸氣升壓所需要的功，因而節(jié)省了大量的生蒸氣。通常，在單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)的末效中，二次蒸氣的潛熱全部由冷凝水帶走，而在熱泵蒸發(fā)中，不但沒(méi)有此項(xiàng)熱損失，而且

26、不消耗冷卻水，這是熱泵蒸發(fā)節(jié)能的原因所在。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)圖5-8 蒸氣熱泵蒸發(fā)流程 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)但應(yīng)指出，熱泵蒸發(fā)不適合于沸點(diǎn)上升較大的溶液的蒸發(fā)。這是由于溶液的沸點(diǎn)升高較大時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱推動(dòng)力變小，因而二次蒸氣所需的壓縮比將變大，這在經(jīng)濟(jì)上將變得不合理。此外，壓縮機(jī)的投資較大，經(jīng)常要維修保養(yǎng)，這些缺點(diǎn)在一定程度上也限制了熱泵蒸發(fā)的應(yīng)用。 第三節(jié) 多 效 蒸 發(fā)蒸發(fā)操作的節(jié)能措施有哪些？各有什么特點(diǎn)？思考題5-4 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器常用蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室兩部分組成。根據(jù)溶液在蒸發(fā)器中流動(dòng)的情況，大致可將工業(yè)上常用的間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型與單程型兩類(lèi)。 第四節(jié) 蒸

27、 發(fā) 器 循環(huán)型蒸發(fā)器一、這類(lèi)蒸發(fā)器的特點(diǎn)是溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)造成液體循環(huán)的原理不同，又可將其分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種類(lèi)型。前者是靠在加熱室不同位置上溶液的受熱程度不同，使溶液產(chǎn)生密度差而引起的自然循環(huán)；后者是由外界提供能量，使溶液進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1. 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5-所示，其加熱室由管徑為2575 mm，長(zhǎng)度為12 m的一組垂直的加熱管束構(gòu)成，在管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管，其截面積一般為加熱管束總截面積的40%100%。當(dāng)加熱介質(zhì)通入管間加熱時(shí)，管束內(nèi)單位體積液體的受熱面積大于中央循環(huán)管內(nèi)液體的受熱面積，因此

28、加熱管內(nèi)溶液汽化的多，相對(duì)密度小，從而造成加熱管與中央循環(huán)管內(nèi)液體之間的密度差，這種密度差使得溶液中央循環(huán)管下降，再由加熱管上升的自然循環(huán)流動(dòng)。溶液的循環(huán)速度取決于溶液產(chǎn)生的密度差以及管的長(zhǎng)度，其密度差越大，管子越長(zhǎng)，溶液的循環(huán)速度越大。 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器 圖5-9 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1.加熱室 2.中央循環(huán)管3.蒸發(fā)室 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器中央循環(huán)管蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、輕工等行業(yè)，其缺點(diǎn)是循環(huán)速度較慢（一般在0.5 m/s以下）；而且由于溶液在加熱管內(nèi)不斷循環(huán)，使其濃度始終接近完成液的濃度，因而溶液的沸點(diǎn)高、有效溫度差減小。此外，設(shè)備的清洗和檢修也不

29、夠方便。 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器懸筐式蒸發(fā)器2.懸筐式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，它是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。其加熱室像個(gè)懸筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，可由頂部取出，便于清洗與更換。加熱介質(zhì)由中央蒸氣管進(jìn)入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內(nèi)壁之間有環(huán)隙通道，其作用類(lèi)似于中央循環(huán)管。操作時(shí)，溶液沿環(huán)隙下降而沿加熱管上升，形成自然循環(huán)。一般環(huán)隙截面積約為加熱管總面積的100%150%，因而溶液循環(huán)速度較高（約為11.5 m/s）。 懸筐式蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)結(jié)垢不嚴(yán)重或有晶體析出的溶液。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大。 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器圖5-10 懸筐式蒸發(fā)器1.分離室 2.加熱室 3.除沫器4.

30、環(huán)形循環(huán)通道 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器外熱式蒸發(fā)器3.外熱式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。這種蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是加熱室與分離室分開(kāi)，因其加熱管較長(zhǎng)（管長(zhǎng)與管徑之比為50100），同時(shí)由于循環(huán)管內(nèi)的溶液不被加熱，故溶液的循環(huán)速度快，可達(dá)1.5 m/s；缺點(diǎn)是設(shè)備較高，操作不便。 圖5-11 外熱式蒸發(fā)器1.加熱室 2.蒸發(fā)室 3.循環(huán)管 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器4.圖5-12所示為強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器是利用外加動(dòng)力（循環(huán)泵）使溶液沿一定方向作高速循環(huán)流動(dòng)。循環(huán)速度的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)泵的流量來(lái)控制。一般循環(huán)速度在2.5 m/s以上。這種蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，對(duì)于黏度較大或易結(jié)晶、易結(jié)垢的物

31、料，適應(yīng)性較好，但其動(dòng)力消耗較大。圖5-12 強(qiáng)制循環(huán)型蒸發(fā)器 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器 單程型蒸發(fā)器二、這類(lèi)蒸發(fā)器的特點(diǎn)是，溶液沿加熱管壁成膜狀流動(dòng)，一次通過(guò)加熱室即達(dá)到要求的濃度，而停留時(shí)間僅數(shù)秒或十幾秒鐘。單程型蒸發(fā)器的主要優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高，蒸發(fā)速度快，溶液在蒸發(fā)器內(nèi)停留時(shí)間短，因而特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)。按物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)方向及成膜原因的不同，可以分為以下幾種類(lèi)型： 第四節(jié) 蒸 發(fā) 器升膜式蒸發(fā)器1.升膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖5-13所示，其加熱室由一組垂直長(zhǎng)管束組成，其加熱管直徑為2550 mm，管長(zhǎng)與管徑之比為100150。原料液經(jīng)預(yù)熱后由蒸發(fā)器的底部進(jìn)入，加熱蒸氣在管外冷凝。溶液在管內(nèi)受熱沸騰后迅速汽化，所生成的二次蒸氣在管內(nèi)高速上升，將料液在管內(nèi)拉拽成薄膜狀向上流動(dòng)，溶液自蒸發(fā)器底部上升至頂部的過(guò)程中逐漸被濃縮，濃溶液進(jìn)入分離室與二次蒸氣分離后由分離器底部排出。常壓下加熱管出JP口處的二次蒸氣速度不應(yīng)小于10 m/s，一般為2050 m/s，減壓操作時(shí)，有時(shí)可達(dá)100160 m/s或更高。升膜蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)量較大（即稀