CE5 蒸发

文章大纲

1. 1. 蒸发设备
   1. 1.1. 蒸发器的结构
   2. 1.2. 蒸发器的辅助装置
   3. 1.3. 蒸发器的选型
2. 2. 单效蒸发
   1. 2.1. 溶液的沸点
   2. 2.2. 温度差损失
   3. 2.3. 单效蒸发的计算
      1. 2.3.1. 蒸发量
      2. 2.3.2. 加热蒸汽消耗量
      3. 2.3.3. 传热面积
   4. 2.4. 蒸发器的生产能力和生产强度
3. 3. 多效蒸发
   1. 3.1. 多效蒸发的操作流程
   2. 3.2. 多效蒸发的计算
   3. 3.3. 多效蒸发和单效蒸发的比较
   4. 3.4. 提高加热蒸汽经济性的其他措施
4. 4. 蒸发器的工艺设计

在操作中一般用冷凝方法将二次蒸汽不断地移出，否则蒸汽与沸腾溶液趋于平衡,使蒸发过程无法进行。若将二次蒸汽直接冷凝,而不利用其冷凝热的操作称为单效蒸发。若将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。

蒸发设备

蒸发器的结构

蒸发器的辅助装置

蒸发器的选型

单效蒸发

溶液的沸点

溶液中含有不挥发的溶质,在相同条件下，其蒸气压比纯水的低,所以溶液的沸点就比 纯水的要高，两者之差称为因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高。

温度差损失

同一组成溶液的杜林直线：

$$\bbox[yellow]{ k= \dfrac{t_{A}^{\prime}-t_{A}}{t_{w}^{\prime}-t_{w}} }$$

式中 $k$ - 杜林直线的斜率，量纲为1; $t_{A}$、$t_{w}$ - 分别为压力 $P_{M}$下溶液的沸点与纯水的沸点，$\rm{ °C }$; $t_{A}'、t_{w}'$- 分别为压力 $P_{N}$下溶液的沸点与纯水的沸点，$\rm{ °C }$。

NaOH 水溶液的杜林线图

单效蒸发的计算

蒸发量

单效蒸发示意图

围绕单效蒸发器作溶质的衡算, 得 $$F x_0=(F-W) x_1$$ 或 $\bbox[yellow]{ W=F\left(1-\dfrac{x_0}{x_1}\right) }$

式中 $F$ - 原料液的流量, $\rm{kg} / \rm{h}$; $W$ - 单位时间内蒸发的水分量, 即蒸发量, $\rm{kg} / \rm{h}$; $x_0$ - 原料液的质量分数; $x_1$ - 完成液的质量分数。

加热蒸汽消耗量

加热蒸汽的热量用于蒸发水分、将溶液加热至沸腾以及热损失：

$$\bbox[yellow]{ Q=D r }=W H^{\prime}+(F-W) h_1-F h_0+Q_{\rm{L}}\bbox[yellow]{ =W r^{\prime}+F c_{p_0}\left({t_{1}}{-t_{0}}\right)+Q_{\rm{L}} }$$

式中 $Q$ - 蒸发器的热负荷, $\rm{kJ} / \rm{h}$ $D$ - 加热蒸汽消耗量，$\rm{kg/h}$ $r$ - 加热蒸汽的汽化热，$\rm{ kJ/kg }$ $r'$ - 二次蒸汽的汽化热，$\rm{ kJ/kg }$ $Q_L$ - 热损失

若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式可简化为： $$D= \frac{Wr^{\prime}}{r}$$ 或$\bbox[yellow]{ e= \dfrac{D}{W}= \dfrac{r^{\prime}}{r} }$

式中 $e$ -蒸发$\rm{ 1kg }$水分时加热蒸汽的消耗量，称为单位蒸汽耗量，$\rm{ kg/kg }$。由于蒸汽的汽化热随压力变化不大，即$r \approx r^{\prime}$，故单效蒸发操作中$e$。

传热面积

$$\begin{align}\bbox[yellow]{ Q=S_{o}K_{o}\Delta t_{m} }&=S_{i}K_{i}\Delta t_{m}=S_{m}K_{m}\Delta t_{m}\\\Delta t_m&=T-t\end{align}$$

式中 $S_{o}$ - 蒸发器的传热外面积，$\rm{ m^{2} }$; $K_{o}$--基于外面积的总传热系数;$\rm{ W/(m^{2}\cdot ^{\circ}C); }$ $\Delta t_{m}$- 平均温度差，°C; $Q$-蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，W。 $T$ - 加热蒸汽的温度，°C; $t$ - 操作条件下溶液的沸点，°C。

蒸发器的生产能力和生产强度

增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要途径。总传热系数$K$值取决于对流传热系数和污垢热阻。

$Q=S_{o}K_{o}\Delta t_{m}$，传热速率下降，可能由几种情况导致：

1. 蒸汽压力下降，$∆t_m$减小；
2. 蒸汽侧有不凝气，使冷凝传热系数$α_o$大幅度地下降，$K$减小；
3. 水侧污垢积累，污垢热阻增大，$K$减小；
4. 冷凝水排除器不通畅，有积水现象，使$K$减小。

多效蒸发

多效蒸发的操作流程

多效蒸发的计算

多效蒸发和单效蒸发的比较

当加热蒸汽压力及冷凝器真空度相同，且每个蒸发器的传热面积、传热系数都 相同，逆流多效蒸发与单效蒸发操作相比较：

项目	比较
加热蒸汽消耗量	多效蒸发 < 单效蒸发
生产能力	多效蒸发 < 单效蒸发
经济性	多效蒸发 > 单效蒸发
生产强度	多效蒸发 < 单效蒸发
有效温差	多效蒸发 < 单效蒸发
理论温差	多效蒸发 = 单效蒸发
总温度差损失	多效蒸发 > 单效蒸发

提高加热蒸汽经济性的其他措施

• 抽出额外蒸汽：是指将多效蒸发器蒸出的部分二次蒸汽用做其他加热设备的热源。
• 冷凝水显热的利用：为了充分利用蒸发器加热室排出的大量冷凝水，可以将其用于预热料液或加热其他物料,也可以用减压闪蒸的方法使产生的部分蒸汽与二次蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸汽。
• 热泵蒸发：将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩,提高其压力,使其饱和温度超过溶液的沸点，然后送回蒸发器的加热室作为加热蒸汽。

蒸发器的工艺设计