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1、蒸发浓缩的操作原理第1页，本讲稿共64页一、蒸发的定义一、蒸发的定义二、加热蒸气和二次蒸气二、加热蒸气和二次蒸气使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为溶质浓度提高的单元操作称为蒸发蒸发，所用的设备称为蒸发器。，所用的设备称为蒸发器。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，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸气。为了易于区别，前者称为称为加热蒸气
2、或生蒸气加热蒸气或生蒸气，后者称为，后者称为二次蒸气二次蒸气。第一节第一节概述概述第2页，本讲稿共64页三、分类三、分类1、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发、按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发单效蒸发单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。的蒸发操作。多效蒸发多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。蒸发操作称为多效蒸发。2
3、、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发、按二次蒸气的利用情况分：单效和多效蒸发第3页，本讲稿共64页四、蒸发操作的特点四、蒸发操作的特点1、传热性质：、传热性质：属于壁面两侧流体均有相变化的恒温属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。传热过程。2、溶液性质：、溶液性质：热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。热敏性、腐蚀性、结晶性、结垢性、泡沫、粘度等。3、沸点升高：、沸点升高：当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发当加热蒸气一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发纯水的温度差。纯水的温度差。4、泡沫挟带：、泡沫挟带：二次蒸气中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污二次蒸气
4、中带有大量泡沫，易造成物料损失和冷凝设备污染。染。5、能源利用：、能源利用：二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。二次蒸气的利用是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。第4页，本讲稿共64页溶液的沸点升高溶液的沸点升高：一定压强下，溶液的沸点较纯水高，两者之差，：一定压强下，溶液的沸点较纯水高，两者之差，称为溶液的沸点升高。称为溶液的沸点升高。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小，无机盐溶液较大。稀溶液或有机溶液沸点升高值较小，无机盐溶液较大。对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。异
5、，浓度越大，液柱越高，沸点升高值越大。第二节第二节单效蒸发单效蒸发一、溶液的沸点升高和温度差损失一、溶液的沸点升高和温度差损失第5页，本讲稿共64页溶液沸点升高的计算公式：溶液沸点升高的计算公式：式中式中溶液的沸点升高，溶液的沸点升高，t溶液的沸点，溶液的沸点，T/与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，饱和温度，（5-1）第6页，本讲稿共64页传热温度差损失传热温度差损失：在一定操作压强条件下溶液的沸点升高。：在一定操作压强条件下溶液的沸点升高。式中式中t传热的有效温度差，传热的有效温度差，tT理论上的传热温度差，理论上的传热温度差，t溶液的沸点
6、，溶液的沸点，T纯水在操作沸点，纯水在操作沸点，Ts加热蒸气的温度，加热蒸气的温度，计算公式为：计算公式为：t=Ts-ttT=Ts-T=tT-t（5-2）传热温度差损失第7页，本讲稿共64页例：用例：用476kN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽（Ts=150），蒸蒸发室内压力为发室内压力为1atm，蒸发蒸发30%的的NaOH溶液，沸点为溶液，沸点为t=115，其最其最大传热温度差，用大传热温度差，用tT来表示：来表示：tT=Ts-T=150-100=50有效温度差为：有效温度差为：t=Ts-t=150-115=35则温度差损失为：则温度差损失为：=tT-t=（Ts
7、-T）-（Ts-t）=t-T=15即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。只有求即传热温度差损失等于溶液的沸点与同压下水的沸点之差。只有求得得，才可求得溶液的沸点才可求得溶液的沸点t（=T+）和有效传热温度差和有效传热温度差t（=tT-）。）。例第8页，本讲稿共64页（1）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失）因溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失；（3）因管路流体阻力而引起的温度差损失）因管路流体阻力而引起的温度差损失。（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失；总温度差损失为：总温度差损失为：（5-3）蒸发过程中引起温度差损失的原因有：蒸
8、发过程中引起温度差损失的原因有：第9页，本讲稿共64页（5-4）式中式中tA溶液沸点，溶液沸点，主要与溶液的类别、浓度及操，主要与溶液的类别、浓度及操作压强有关。作压强有关。T与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸气的饱和温度，饱和温度，在在文文献献和和手手册册中中，可可以以查查到到常常压压（1atm）下下某某些些溶溶液液在在不不同同浓浓度度时的沸点数据。非常压下的溶液沸点则需计算，估算方法有两种。时的沸点数据。非常压下的溶液沸点则需计算，估算方法有两种。11溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失溶液的蒸汽压下降引起的温度差损失溶液的
9、蒸汽压下降引起的温度差损失第10页，本讲稿共64页式中式中常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的常压下溶液的沸点升高，可由实验测定的tA值值求得，求得，；操作条件下溶液的沸点升高，操作条件下溶液的沸点升高，；f校正系数，无因次。其经验计算式为：校正系数，无因次。其经验计算式为：式中式中T操作压强下二次蒸气的温度，操作压强下二次蒸气的温度，；r操作压强下二次蒸气的汽化热，操作压强下二次蒸气的汽化热，kJ/kg。(1)(1)（5-55-5）（5-65-6）第11页，本讲稿共64页(2)杜林规则杜林规则该该规规则则认认为为：某某溶溶液液（或或液液体体）在在两两种种不不同同压压力力下下两两沸沸点点之之差
10、差与与另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，即另一标准液体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数，即式中式中tA、tw分别为压强分别为压强pM下溶液的沸点与纯水的沸点，下溶液的沸点与纯水的沸点，tA、tw分别为压强分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点，下溶液的沸点与纯水的沸点，一一定定浓浓度度下下溶溶液液的的沸沸点点与与相相同同压压强强下下水水的的沸沸点点呈呈直直线线关关系系，可可以以利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。利用杜林线求不同浓度的溶液在任一压力下的沸点。（5-75-7）第12页，本讲稿共64页当某压强下水的沸点当某压强下水的沸点tw=0时，则上式变为：时，
11、则上式变为：式中式中ym杜林线的截距，杜林线的截距，注注意意：不不同同浓浓度度的的杜杜林林线线是是不不平平行行的的，斜斜率率k与与截截距距ym都都是是溶溶液液质质量浓度量浓度x的函数。的函数。对对NaOH水溶液，水溶液，k、ym与与x的关系为：的关系为：k=1+0.142x(5-9a)(5-9a)ym=150.75x2-2.71x(5-9b)(5-9b)式中式中x溶液的质量浓度溶液的质量浓度（5-85-8）第13页，本讲稿共64页液液层层内内的的溶溶液液的的沸沸点点高高于于液液面面的的，液液层层内内部部沸沸点点与与表表面面沸沸点点之之差差即为因液柱静压强而引起的温度差损失。即为因液柱静压强而引
12、起的温度差损失。式中式中pm液层中部的平均压强，液层中部的平均压强，Pap液面的压强，即二次蒸气的压强，液面的压强，即二次蒸气的压强，Pal液层深度，液层深度，m简简化化处处理理：计计算算时时以以液液层层中中部部的的平平均均压压强强pm及及相相应应的的沸沸点点tAm为为准，中部的压强为：准，中部的压强为：（5-105-10）2 2液柱静压强引起的温度差损失液柱静压强引起的温度差损失液柱静压强引起的温度差损失液柱静压强引起的温度差损失第14页，本讲稿共64页 常常根根据据平平均均压压强强pm查查出出纯纯水水的的相相应应沸沸点点tpm，故故因因静静压压强强而而引引起起的的温度差损失为：温度差损失为
13、：=tpm-tp（5-11）式中式中tpm 与平均压强与平均压强pm相对应纯水的沸点，相对应纯水的沸点，tp与二次蒸气压强与二次蒸气压强p相对应的水的沸点，相对应的水的沸点，影响影响的因素：的因素：（1）沸沸腾腾时时液液层层内内混混有有气气泡泡，液液层层的的实实际际密密度度较较计计算算公公式式所所用用的纯液体密度要小，使得算出的的纯液体密度要小，使得算出的值偏大；值偏大；（2）当当溶溶液液在在加加热热管管内内的的循循环环速速度度较较大大时时，就就会会因因流流体体阻阻力力使使平平均均压强增高。压强增高。第15页，本讲稿共64页 采采用用多多效效蒸蒸发发时时，二二次次蒸蒸气气在在离离开开前前一一效
14、效蒸蒸发发室室流流往往后后一一效效加加热热室室的的过过程程中中要要克克服服管管道道的的流流动动阻阻力力，从从而而导导致致蒸蒸汽汽温温度度下下降降。此此项项温温度度差差损损失失与与蒸蒸汽汽的的流流速速、物物性性和和管管道道的的尺尺寸有关，一般取寸有关，一般取0.51.5。第16页，本讲稿共64页单效蒸发的计算项目有：单效蒸发的计算项目有：（1）蒸发量；）蒸发量；（2）加热蒸气消耗量；）加热蒸气消耗量；（3）蒸发器的传热面积）蒸发器的传热面积通常生产任务中已知的项目有：通常生产任务中已知的项目有：（1）原料液流量、组成与温度；）原料液流量、组成与温度；（2）完成液组成；）完成液组成；（3）加热蒸气
15、压强或温度；）加热蒸气压强或温度；（4）冷凝器的压强或温度。）冷凝器的压强或温度。二、单效蒸发的计算二、单效蒸发的计算第17页，本讲稿共64页加热室加热室蒸发室蒸发室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL第18页，本讲稿共64页式中式中F原料液流量原料液流量W蒸发量蒸发量x0原料液的质量组成原料液的质量组成x1完成液的组成完成液的组成对单效蒸发器作溶质衡算，得对单效蒸发器作溶质衡算，得（5-12）1 1 蒸发量蒸发量w w第19页，本讲稿共64页蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，
16、将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对于某些溶液，如对于某些溶液，如CaCl2、NaOH、H2SO4等水溶液稀释时释放出等水溶液稀释时释放出热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。热量，则当其蒸发浓缩时应考虑供给和稀释热相当的浓缩热。2 2 加热蒸气消耗量加热蒸气消耗量D D第20页，本讲稿共64页式中式中D加热蒸气的消耗量加热蒸气的消耗量,kg/hH加热蒸气的焓加热蒸气的焓,kJ/kgh0原料液的焓原料液的焓,kJ/kgH二次蒸气的焓二次蒸气的焓,kJ/kgh1完成液的焓完成液的焓,kJ/kghw冷凝水的焓冷凝水的焓,kJ/kgQL热损失热
17、损失,kJ/h（5-13）对单效蒸发器作物料的热量衡算，得对单效蒸发器作物料的热量衡算，得（5-14）2.1溶液稀释热不可忽略时溶液稀释热不可忽略时第21页，本讲稿共64页若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则式中式中r加热蒸气的汽化热，加热蒸气的汽化热，kJ/kg稀释热不可忽略时，溶液的焓可由专用的焓浓图查得。稀释热不可忽略时，溶液的焓可由专用的焓浓图查得。则上式变为则上式变为（5-14a）H-hw=r第22页，本讲稿共64页溶液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热算出，即溶液的稀释热可以忽略时，溶液的焓可由比热算出，即h0=cp0(t-0)
18、=cp0t0（5-15）h1=cp1(t-0)=cp1t1（5-16）hw=cpw(t-0)=cpwtw （5-17）代入蒸发器物料的热量衡算式中，则有代入蒸发器物料的热量衡算式中，则有D(H-cpwT)=WH+(F-W)cp1t1-Fcp0t0+QL（5-18）2.2溶液的稀释热可以忽略时溶液的稀释热可以忽略时第23页，本讲稿共64页计算溶液比热的经验公式为：计算溶液比热的经验公式为：Cp=cpw(1-x)+cpBx（5-19）式中式中Cp溶液的比热溶液的比热,kJ/(kg);Cpw纯水的比热纯水的比热,kJ/(kg);CpB溶质的比热溶质的比热,kJ/(kg).当当x0.2时，上式简化为：
19、时，上式简化为：Cp=cpw(1-x)（5-19a）第24页，本讲稿共64页为简化计算，上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。为简化计算，上式中完成液的比热可用原料液的比热表示。联立上两式，得联立上两式，得(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0（5-20）计算原料液及完成液的比热可分别写成：计算原料液及完成液的比热可分别写成：Cp0=cpw(1-x0)+cpBx0=cpw-(cpw-cpB)x0 Cp1=cpw(1-x1)+cpBx1=cpw-(cpw-cpB)x1第25页，本讲稿共64页上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。上式即为完成液比热与原料液比热间的关系式。Fx0=(F
20、-W)x1(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0(F-W)cp1=Fcp0-Wcpw（5-21）将式将式5-21代入代入5-18，并整理得：，并整理得：（5-22）第26页，本讲稿共64页由于由于H-cpwTr(5-23)H-cpwt1r(5-24)式中式中r加热蒸气的汽化热，加热蒸气的汽化热，kJ/kg；r二次蒸气的汽化热，二次蒸气的汽化热，kJ/kg。将上两式代入式将上两式代入式5-22，并简化得：，并简化得：上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及上式说明加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸发水分以及向周围的热损失。向周围的热损失。Q=Dr=Wr+Fcp0(
21、t1-t0)+QL（5-25）第27页，本讲稿共64页 若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式简化为：若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失，上式简化为：（5-25a）（5-26）式式中中e蒸蒸发发1kg水水分分时时，加加热热蒸蒸气气的的消消耗耗量量，称称为为单单位位蒸蒸气气耗耗量量，kg/kg。第28页，本讲稿共64页单单效效蒸蒸发发操操作作中中e1，每每蒸蒸发发1kg的的水水分分约约消消耗耗1kg的的加加热热蒸蒸气气（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即（由于蒸汽的汽化热随压强变化不大，即rr）；实际蒸发操作中实际蒸发操作中e值约为值约为1.1或更大；或更大；（1）温度差的
22、损失的存在；）温度差的损失的存在；（2）二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。）二次蒸汽的气化潜热总是大于加热蒸汽的气化潜热。e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。值是衡量蒸发装置经济程度的指标。3单位蒸气消耗量单位蒸气消耗量第29页，本讲稿共64页蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：蒸发器的传热面积由传热速率公式计算，即：式中式中S0蒸发器的传热面积，蒸发器的传热面积，m2K0基于外面积的总传热系数；基于外面积的总传热系数；kw/(m2)tm平均温度差，平均温度差，Q蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速率，kw。注注意意：若若加加热热蒸蒸气气的的冷冷凝
23、凝水水在在饱饱和和温温度度下下排排除除，则则s0可可根根据据式式5-27直直接接算出，否则应分段计算。下面按前者情况进行讨论。算出，否则应分段计算。下面按前者情况进行讨论。（5-27）3.1 3.1 传热面积传热面积S S0 0第30页，本讲稿共64页在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：在蒸发过程中，加热两侧流体均处于恒温、变相状态下，故：tm=T-t（5-28）式中式中T加热蒸气的温度，加热蒸气的温度，；t操作条件下溶液的沸点，操作条件下溶液的沸点，。3.1.1平均温度差平均温度差tm第31页，本讲稿共64页垢垢层层热热阻阻值值可可按按经经验验数数值值估估算算。管管外外侧侧
24、的的蒸蒸气气冷冷凝凝传传热热系系数数可可按按膜膜式式冷冷凝凝传传热热系系数数公公式式计计算算，管管内内侧侧溶溶液液沸沸腾腾传传热热系系数数则则按按管管内内沸沸腾腾传传热热系系数数关关联式计算。联式计算。式中式中a对流传热系数，对流传热系数，W/(m2)d管径，管径，mRi垢层热阻，垢层热阻，m2/Wb管壁厚度，管壁厚度，m管材的导热系数，管材的导热系数，W/(m)下标下标i表示管内侧、表示管内侧、o表示外侧、表示外侧、m表示平均。表示平均。（5-29）3.1.2基于传热外面积的总传热系数基于传热外面积的总传热系数K0第32页，本讲稿共64页若若加加热热蒸蒸气气的的冷冷凝凝水水在在饱饱和和温温度
25、度下下排排除除，且且忽忽略略热热损损失失，则则蒸蒸发发器器的的热负荷为：热负荷为：上上面面算算出出的的传传热热面面积积，应应视视具具体体情情况况选选用用适适当当的的安安全全系系数数加加以校正。以校正。Q=Dr(5-30)3.2 3.2 蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q Q第33页，本讲稿共64页例例题题有有一一传传热热面面积积为为30m2的的单单效效蒸蒸发发器器，将将35，浓浓度度为为20%（质质量量）的的NaOH溶溶液液浓浓缩缩至至50%（质质量量）。已已知知加加热热用用饱饱和和水水蒸蒸气气的的压压力力为为294kN/m2（绝绝压压），蒸蒸发发室室内内压压力力为为19.6kN/m2（绝绝压压）
26、，溶溶液液的的沸沸点点为为100，又又蒸蒸发发器器的的总总传传热热系系数数为为1000W/m2k,热热损损失失可可取取为为传传热热量量的的3%，试计算加热蒸气消耗量，试计算加热蒸气消耗量D和料液处理量和料液处理量F。解：根据加热蒸气压力和二次蒸气压力，由蒸气表查得：解：根据加热蒸气压力和二次蒸气压力，由蒸气表查得：294kN/m2（绝压）时：蒸气焓绝压）时：蒸气焓H=2728kJ/kg冷凝水的焓冷凝水的焓hw=556.5kJ/kg汽化热汽化热r=2171.5kJ/kg温度温度T=132.9例题第34页，本讲稿共64页19.6kN/m2（绝压）时：绝压）时：蒸气的焓蒸气的焓H*=2605kJ/k
27、g饱和温度饱和温度T=59.7二次蒸气的焓二次蒸气的焓H=2605+1.88(100-59.7)=2681kJ/kg,(1.88为水蒸气的比热为水蒸气的比热,kJ/kgk)(1)(1)加热蒸气消耗量加热蒸气消耗量D D由传热速率方程得：由传热速率方程得：Q=KA(T-t)=100030(132.9-100)=9.87105w/m2第35页，本讲稿共64页(2)(2)料液流量料液流量F FDH+Fh0=WH+(F-W)h1+Dhw+QL式式中中是是D、H、H、hw已已知知量量，根根据据料料液液、完完成成液液的的温温度度和和浓浓度度查查图图得得，原原 料料 液液 的的 焓焓 h0=120kJ/kg
28、，完完 成成 液液 的的 焓焓h1=540kJ/kg又又QL=0.03Q=0.039.87105=29.6kw代入已知数据代入已知数据0.4452728+120F=2681W+540(F-W)+0.455556.5+29.6F=0.56kg/sW=0.34kg/s整理后，得整理后，得420F+2141W=958.4第36页，本讲稿共64页(3)(3)不考虑溶液的浓缩热时，求料液流量。不考虑溶液的浓缩热时，求料液流量。已知溶质的比热已知溶质的比热CB=2.01kJ/kgkD(H-cpwT)=WH+(F-W)cp1t1-Fcp0to+QLCp0=4.187(1-0.2)+2.010.2=3.75k
29、J/kgk Cp1=4.187(1-0.5)+2.010.5=3.1kJ/kgk则有则有0.455(2728-556.5)=(F-W)3.1100+2681W+29.6-F3.7535178.7F+2371W=958.4将将W=0.6F代入，解得代入，解得F=0.6kg/sW=0.36kg/s第37页，本讲稿共64页 此此例例的的2、3两两项项计计算算结结果果表表明明，蒸蒸发发面面积积相相同同时时，不不考考虑虑浓浓缩缩热热所得料液处理量要比实际情况约高所得料液处理量要比实际情况约高6%。注注意意：如如果果缺缺乏乏溶溶液液在在不不同同温温度度和和浓浓度度下下焓焓的的数数据据，对对于于有有明明显显
30、浓浓缩缩热热的的物物料料，可可先先按按一一般般物物料料来来处处理理，即即先先不不考考虑虑浓浓缩缩热热的的影影响进行计算后，再校正。响进行计算后，再校正。第38页，本讲稿共64页蒸蒸发发器器的的生生产产能能力力用用单单位位时时间间内内蒸蒸发发的的水水分分量量，即即蒸蒸发发量量表表示示。其其生生产产能能力力的的大大小小取取决决于于通通过过传传热热面面积积的的传传热热速速率率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量生产能力。根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：根据传热速率方程得单效蒸发时的传热速率为：Q=KSt或或Q=KS(T-t1)（5-31）三、蒸
31、发器的生产能力和生产强度三、蒸发器的生产能力和生产强度11蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力第39页，本讲稿共64页进料状况影响蒸发器的生产能力：进料状况影响蒸发器的生产能力：(1)低低于于沸沸点点进进料料时时，需需消消耗耗部部分分热热量量将将溶溶液液加加热热至至沸沸点点，因而降低了生产能力；因而降低了生产能力；(2)沸沸点点进进料料时时，通通过过传传热热面面的的热热量量全全部部用用于于蒸蒸发发水水分分，其生产能力有所增加；其生产能力有所增加；(3)高高于于沸沸点点进进料料时时，由由于于部部分分原原料料液液的的自自动动蒸蒸发发，使使生生产产能力有所增加。能力有所增
32、加。第40页，本讲稿共64页蒸蒸发发器器的的生生产产强强度度是是指指单单位位传传热热面面积积上上单单位位时时间间内内蒸蒸发发的的水水量量，单位为单位为kg/(m2h)，常采用生产强度常采用生产强度U作为衡量蒸发器性能的标准。作为衡量蒸发器性能的标准。若为沸点进料，且忽略热损失，则：若为沸点进料，且忽略热损失，则：由由上上式式可可以以看看出出，欲欲提提高高蒸蒸发发器器的的生生产产强强度度，必必须须设设法法提提高高蒸发器的总传热系数和传热温度差。蒸发器的总传热系数和传热温度差。（5-32）2蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度第41页，本讲稿共64页 传传热热温温度度差差主主要要取取决决于于加加热热蒸
33、蒸气气和和冷冷凝凝器器中中二二次次蒸蒸气气的压强。的压强。传热温度差的提高是有一定限度的，原因如下：传热温度差的提高是有一定限度的，原因如下：l加加热热蒸蒸气气的的压压强强越越高高，其其饱饱和和温温度度也也越越高高，但但是是加加热热蒸蒸气气常常受受工工厂厂的的供汽条件所限。一般为供汽条件所限。一般为300500kPa，有时可高达有时可高达600800kPa。l提提高高冷冷凝凝器器的的真真空空度度，使使溶溶液液的的沸沸点点降降低低，也也可可以以加加大大温温度度差差，但但是是这这样样不不仅仅增增加加真真空空泵泵的的功功率率消消耗耗，而而且且因因溶溶液液的的沸沸点点降降低低，使使粘粘度度增增高高，导
34、导致致沸沸腾腾传传热热系系数数下下降降，因因此此一一般般冷冷凝凝器器中中的的压压强强不不低低于于1020kPa。l为为了了控控制制沸沸腾腾操操作作局局限限于于泡泡核核沸沸腾腾区区，也也不不宜宜采采用用过过高高的的传传热热温温度度差。差。第42页，本讲稿共64页一一般般来来说说，增增大大总总传传热热系系数数是是提提高高蒸蒸发发器器生生产产强强度度的主要途径。的主要途径。l总传热系数总传热系数K值取决于对流传热系数和污垢热阻。值取决于对流传热系数和污垢热阻。l蒸蒸气气冷冷凝凝传传热热系系数数通通常常比比溶溶液液沸沸腾腾传传热热系系数数大大，即即传传热热总总热热阻中，蒸气冷凝侧的热阻较小。阻中，蒸气
35、冷凝侧的热阻较小。l在在蒸蒸发发器器的的设设计计和和操操作作中中，必必须须考考虑虑及及时时排排除除蒸蒸气气中中的的不不凝凝气气，否否则，其热阻将大大增加，使总传热系数下降。则，其热阻将大大增加，使总传热系数下降。第43页，本讲稿共64页多多效效蒸蒸发发时时要要求求后后效效的的操操作作压压强强和和溶溶液液的的沸沸点点均均较较前前效效低低，引引入入前前效效的的二二次次蒸蒸汽汽作作为为后后效效的的加加热热介介质质，即即后后效效的的加加热热室室成成为为前前效效二二次次蒸蒸汽汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末
36、一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作，由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，效除外）的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。即经济性。第三节第三节多效蒸发多效蒸发一、多效蒸发原理一、多效蒸发原理第44页，本讲稿共64页效数效数效数效数 单效单效单效单效 双效双效双效双效 三效三效三效三效 四效四效四效四效 五效五效五效五效理论最小值理论最小值理论最小值理论最小值1 1 1/2 1/2 1/3 1/3 1/4 1/4 1/5 1/5实际最小值实际最小值实际最小值实际最小值1.11.1 0.57 0.57 0.4 0.4
37、 0.3 0.3 0.27 0.27表表单位蒸气消耗量单位蒸气消耗量 强调强调：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只：蒸发量与传热量成正比，多效蒸发并没有提高蒸发量，而只是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，是节约了加热蒸汽，其代价则是设备投资增加。在相同的操作条件下，多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发多效蒸发器的生产能力并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产能力大。器的生产能力大。错误观点错误观点：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。：多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。第45页，本讲稿共64页 蒸气和料
38、液的流动方向一致，均从第一效到末效。蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使传热系数下降，在后二效中尤为严重。后二效中尤为严重。优点：优点：在在操操作作过过程程中中，蒸蒸发发室室的的压压强强依依效效序序递递减减，料料液液在在效效间间流动不需用泵；流动不需用泵；料料液液的的沸沸点点依依效效序序递递降降，使使前前效效料料进进入入后后效效时时放放出出显显热热，供供一一部分水汽化；部分水汽化；料料液液的的浓浓度度依依效效序序递递增增，高高浓浓度度料料液液在在低低温温下下蒸蒸发发，对对热敏性物料有利。热敏性物
39、料有利。二、多效蒸发流程二、多效蒸发流程二、多效蒸发流程二、多效蒸发流程1 1顺流法顺流法顺流法顺流法第46页，本讲稿共64页原料液原料液加热蒸汽加热蒸汽至冷凝器至冷凝器 完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水并流加料法的三效蒸发装置流程示意图并流加料法的三效蒸发装置流程示意图并流加料法的三效蒸发并流加料法的三效蒸发并流加料法的三效蒸发并流加料法的三效蒸发第47页，本讲稿共64页料料液液与与蒸蒸气气流流动动方方向向相相反反。原原料料由由末末效效进进入入，用用泵泵依依次次输输送送至至前前效效，完完成成液液由由第第一一效效底底部部取取出出。加加热热蒸蒸气气的的流流向向仍仍是是由由第
40、第一一效效顺序至末效。顺序至末效。优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系数较大。数较大。缺点：缺点：（1 1）各效间需用泵输送；各效间需用泵输送；（2 2）无自蒸发；无自蒸发；（3 3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。2 2 逆流法逆流法第48页，本讲稿共64页原料液原料液加热蒸汽加热蒸汽至冷凝器至冷凝器完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水冷凝水逆流加料逆流加料法的三效蒸发装置流程示意图法的三效蒸发装置流程示意图第49页，本讲稿共64页效效数数多多时时，也也可可采采用用
41、顺顺流流和和逆逆流流并并用用的的操操作作，称称为为混混流流法法，这这种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。种流程可协调两种流程的优缺点，适于粘度极高料液的浓缩。3 平流法平流法原原料料液液分分别别加加入入各各效效中中，完完成成液液也也分分别别自自各各效效底底部部取取出出，蒸蒸气气流流向向仍仍是是由由第第一一效效流流至至末末效效。此此种种流流程程适适用用于于处处理理蒸蒸发发过过程程中中伴伴有有结结晶晶析析出出的溶液。的溶液。4混流法混流法3 3、平流法、平流法、平流法、平流法第50页，本讲稿共64页原料液原料液加热蒸汽加热蒸汽至冷凝器至冷凝器完成液完成液123冷凝水冷凝水冷凝水冷
42、凝水冷凝水冷凝水完成液完成液完成液完成液平流加料法的三效蒸发装置流程示意图平流加料法的三效蒸发装置流程示意图第51页，本讲稿共64页第三节第三节蒸发设备蒸发设备蒸发器的结构：加热室、分离器等蒸发器的结构：加热室、分离器等特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、特点：溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。缓和溶液结垢情况。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分：按加热室的结构和操作时溶液的流动情况分：循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。一、循环型（非膜式）蒸发器一、循环型（非膜式）蒸发器分类（引起循环运动的原因
43、）：自然循环和强制循环分类（引起循环运动的原因）：自然循环和强制循环l自自然然循循环环：由由于于溶溶液液在在加加热热室室不不同同位位置置上上的的受受热热程程度度不不同同，产产生了密度差而引起的循环运动；生了密度差而引起的循环运动；l强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。强制循环：依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环运动。第三节第三节蒸发设备蒸发设备一一.循环型（非膜式蒸发器循环型（非膜式蒸发器第52页，本讲稿共64页加热室由垂直管束组成，管束中央有一直径较大的管子。加热室由垂直管束组成，管束中央有一直径较大的管子。循环产生的原因：循环产生的原因：粗管粗管降液管或中央循环管，其截面
44、积为加热管总截面积降液管或中央循环管，其截面积为加热管总截面积40100细管细管沸腾管或加热管，直径沸腾管或加热管，直径2575mm，长径比长径比2040细细管管内内单单位位体体积积液液体体受受热热面面大大，受受热热良良好好，致致使使细细管管内内汽汽液液混混和和物物比比粗粗管内小，密度差促使溶液循环。管内小，密度差促使溶液循环。1中央循环管式（或标准式）蒸发器中央循环管式（或标准式）蒸发器第53页，本讲稿共64页优点：优点：中央循环管式蒸发器适于处理结垢不严重，腐蚀性小的溶液。中央循环管式蒸发器适于处理结垢不严重，腐蚀性小的溶液。缺点：缺点：（1 1）溶液循环好，传热效率高；）溶液循环好，传热
45、效率高；（2 2）结构紧凑，制造方便，操作可靠，应用）结构紧凑，制造方便，操作可靠，应用 广泛，有广泛，有“标准蒸发器标准蒸发器”之称。之称。（1 1）完成液粘度大，沸点高；）完成液粘度大，沸点高；（2 2）加热室不易清洗；）加热室不易清洗；第54页，本讲稿共64页此此蒸蒸发发器器为为中中央央循循环环管管蒸蒸发发器器的的改改进进。加加热热蒸蒸汽汽由由中中央央蒸蒸汽汽管管进进入入加加热热室室，加加热热室室悬悬挂挂在在器器内内，可可取取出出，便便于于清清洗洗及及更更换换，循循环环通通道道由加热室与蒸发器外壳壁面内的环隙组成由加热室与蒸发器外壳壁面内的环隙组成。优点：（优点：（1）溶液循环速度较高，
46、约在）溶液循环速度较高，约在11.5m/s之间；之间；（2）改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。）改善了加热管内结垢情况，并提高了传热速率。缺点：设备耗材量大，占地面大，加热管内溶液滞留量大。缺点：设备耗材量大，占地面大，加热管内溶液滞留量大。该蒸发器适用蒸发有晶体析出的溶液。该蒸发器适用蒸发有晶体析出的溶液。2 2悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器第55页，本讲稿共64页结构特点：结构特点：由由于于循循环环管管内内的的溶溶液液未未受受蒸蒸汽汽加加热热，其其密密度度较较加加热热管管内内大大，因因此此形形成成溶溶液液沿沿循循环环管管下下降降而而沿沿加加热热管管上上升升的的循循
47、环环运运动动，循循环环速速度度可可达达1.5m/s。加热室较长，其长径比为加热室较长，其长径比为50100；加热室和分离室分开。加热室和分离室分开。物料的运动：物料的运动：3外热式蒸发器外热式蒸发器第56页，本讲稿共64页结构特点：结构特点：加加热热室室上上端端有有一一段段2.752.75m m的的圆圆形形筒筒作作沸沸腾腾室室，致致使使加加热热管管内内要要承承受受较较大大的的液液柱柱静静压压力力，溶溶液液只只有有上上升升到到沸沸腾腾室室内内才才能能沸沸腾腾汽汽化化，可可以以避避免加热管内有晶体析出或结垢；免加热管内有晶体析出或结垢；优点：循环速度（优点：循环速度（23m/s），），传热效果好，
48、不会有晶体堵传热效果好，不会有晶体堵塞，适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。塞，适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。沸腾室上方有纵向平行隔板，可限制汽泡长大。沸腾室上方有纵向平行隔板，可限制汽泡长大。缺点：缺点：循循环环管管必必须须保保持持一一定定高高度度（78m），要要求求厂厂房房高高，同同时时耗材较多；耗材较多；蒸蒸发发器器的的液液柱柱静静压压大大，要要求求较较高高压压强强的的蒸蒸汽汽才才能能维维持持一定的温度差。一定的温度差。4列文蒸发器列文蒸发器第57页，本讲稿共64页优点：利用外加动力（泵）进行循环，适于处理粘度大，易优点：利用外加动力（泵）进行循环，适于处理粘度大，易结晶或易结垢的
49、溶液。结晶或易结垢的溶液。缺点：动力消耗大，通常为缺点：动力消耗大，通常为0.40.8kw/（m2传热面），使用传热面），使用此蒸发器时加热面受到一定限制。此蒸发器时加热面受到一定限制。5 5强制循环蒸发器强制循环蒸发器强制循环蒸发器强制循环蒸发器第58页，本讲稿共64页非非膜膜式式蒸蒸发发器器的的主主要要缺缺点点是是加加热热室室内内滞滞料料量量大大，致致使使物物料料在在高高温温下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。下停留时间过长，不适于处理热敏性物料。膜膜式式蒸蒸发发器器只只通通过过加加热热室室一一次次即即可可达达到到所所需需浓浓度度，停停留留时时间间短短，操操作作时时，溶液沿加热管呈传热效
50、果最佳的膜状流动。溶液沿加热管呈传热效果最佳的膜状流动。膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：膜式蒸发器和非膜式蒸发器的比较：二、膜式（单程）蒸发器二、膜式（单程）蒸发器第59页，本讲稿共64页结构：加热室由单根或多根垂直管组成，其长径比结构：加热室由单根或多根垂直管组成，其长径比100150。原原理理：原原料料液液经经预预热热至至沸沸点点或或接接近近沸沸点点后后，由由加加热热室室底底部部引引入入管管内内，为为高高速速上上升升的的二二次次蒸蒸气气所所带带动动，沿沿壁壁面面边边呈呈膜膜状状流流动动，边边进进行行蒸蒸发，在加热室顶部可达到所需的浓度，完成液由分离室底部排出。发，在加热室顶部可达到所需的浓