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1、化工原理 第五章 蒸发（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）第五章蒸发evaporation51 蒸发过程概述1蒸发的概念 2蒸发操作的目的 3蒸发流程 4蒸发过程的分类 5蒸发操作的特点52 蒸发设备 一.常用蒸发器的结构与特点 1循环型蒸发器 2单程型蒸发器 3直接接触传热的蒸发器二.蒸发器的选型 1、蒸发器改进与发展 2、蒸发器性能的比较与选型 51 蒸发过程概述(summarize of evaporation process）1蒸发的概念将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。蒸发操作广泛应用于化工、
2、轻工、制药、食品等许多工业中。2蒸发操作的目的(purpose of evaporation manipulation）工业蒸发操作的主要目的是：（1）稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如稀烧碱溶液（电解液）的浓缩、蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等等；（2）纯净溶剂的制取，此时蒸出的溶剂是产品，例如海水蒸发脱盐制取淡水。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂，例如中药生产中酒精浸出液的蒸发。工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发也是适用的。3蒸发流程 (evapo
3、ration flow path）按照分子运动学说，当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。当一些分子的动能大于液体分子之间的引力时，这些分子便会从液体表面逸出而成为自由分子，此即分子的汽化。因此溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能，以维持分子的连续汽化；另一方面，液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。【播放动画】液体蒸发过程5-1液体蒸发的简化流程如图片5-1所示，其主体设备蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质（通常为饱和水蒸汽）加热管内的溶液，使之沸腾汽化。浓缩了的溶液（称为完成液）由蒸发器的底部排
4、出。而溶液汽化产生的蒸汽经上部的分离室与溶液分离后由顶部引至冷凝器。为便于区别，将蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，而将加热蒸汽称为生蒸汽或新鲜蒸汽。对于沸点较高的溶液的蒸发，可采用高温载热体如导热油、融盐等作为加热介质，也可以采用烟道气直接加热。4蒸发过程的分类 (the classification of evaporation process)（1）常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发 按蒸发操作压力的不同，可将蒸发过程分为常压、加压和减压（真空）蒸发。对于大多数无特殊要求的溶液，采用常压、加压或减压操作均可。但对于热敏性料液，例如抗生素溶液、果汁等的蒸发，为了保证产品质量，需要在减压条件下进行。减压蒸发
5、的优点是： 1）溶液沸点降低，在加热蒸汽温度一定的条件下，蒸发器传热的平均温度差增大，于是传热面积减小； 2）由于溶液沸点降低，可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽； 3）溶液沸点低，可防止热敏性物料的变性或分解； 4）由于温度低，系统的热损失小。但另一方面，由于沸点降低，溶液的粘度大，使蒸发的传热系数减小，同时，减压蒸发时，造成真空需要增加设备和动力。（2）单效蒸发与多效蒸发 根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽，可将蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。若前一效的二次蒸汽直接冷凝而不再利用，称为单效蒸发，图片5-1所示为单效蒸发的流程示意。若将二次蒸汽引至下一蒸发器作为加热蒸汽，将多个蒸发
6、器串联，使加热蒸汽多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。（3）间歇蒸发与连续蒸发 根据蒸发的过程模式，可将其分为间歇蒸发和连续蒸发。间歇蒸发系指分批进料或出料的蒸发操作。间歇操作的特点是：在整个过程中，蒸发器内溶液的浓度和沸点随时间改变，故间歇蒸发为非稳态操作。通常间歇蒸发适合于小规模多品种的场合，而连续蒸发适合于大规模的生产过程。 5蒸发操作的特点(the characteristis of evaporation manipulation)前已述及，蒸发操作是从溶液中分离出部分溶剂，而溶液中所含溶质的数量不变，因此蒸发是一个热量传递过程，其传热速率是蒸发过程的控制因素。蒸发所用的设备属于热交换设
7、备。但与一般的传热过程比较，蒸发过程又具有其自身的特点，主要表现在：（1）溶液沸点升高(the boiling point hoist of solution) 被蒸发的料液是含有非挥发性溶质的溶液，由拉乌尔定律可知，在相同的温度下，溶液的蒸汽压低于纯溶剂的蒸气压。换言之，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。因此，当加热蒸汽温度一定，蒸发溶液时的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液的浓度越高，这种影响也越显著。在进行蒸发设备的计算时，必须考虑溶液沸点上升的这种影响。（2）物料的工艺特性(methodology speciality of material)蒸发过程中，溶液的某些性质随
8、着溶液的浓缩而改变。有些物料在浓缩过程中可能结垢、析出结晶或产生泡沫；有些物料是热敏性的，在高温下易变性或分解；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。因此，在选择蒸发的方法和设备时，必须考虑物料的这些工艺特性。（3）能量利用与回收 蒸发时需消耗大量的加热蒸汽，而溶液汽化又产生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潜热，提高加热蒸汽的经济程度，也是蒸发器设计中的重要问题。52 蒸发设备(the evaporation installation)随着工业蒸发技术的不断发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。目前工业上实用的蒸发设备约有六十余种，其中最常用的也有十余种型
9、式，本节仅介绍常用的几种。一.常用蒸发器的结构与特点常用蒸发器主要由加热室和分离室两部分组成。加热室的型式有多种，最初采用夹套式或蛇管式加热装置，其后则有横卧式短管加热室及竖式短管加热室。继而又发明了竖式长管液膜蒸发器，以及刮板式薄膜蒸发器等等。根据溶液在蒸发器中流动的情况，大致可将工业上常用的间接加热蒸发器分为循环型与单程型两类。1循环型蒸发器(the recirculate type of evaporator）这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理的不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是藉助在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而
10、引起的自然循环；后者是依靠外加动力使溶液进行强制循环。目前常用的循环型蒸发器有以下几种：注意(1)中央循环管式蒸发器（central circulation tube evaporator） 中央循环管式蒸发器的结构如图片(5-2)所示，其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为加热管束总截面积的40100%。【当加热介质通入管间加热时，由于加热管内单位体积液体的受热面积大于中央循环管内液体的受热面积，因此加热管内液体的相对密度小，从而造成加热管与中央循环管内液体之间的密度差，这种密度差使得溶液自中央循环管下降，再由加热管上升的自
11、然循环流动。】溶液的循环速度取决于溶液产生的密度差以及管的长度，其密度差越大，管子越长，溶液的循环速度越大。但这类蒸发器由于受总高度限制，加热管长度较短，一般为12m，直径为2575mm，长径比为2040。中央列管 优点中央循环管蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上的应用十分广泛，有所谓“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其浓度始终接近完成液的浓度，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清洗和检修也不够方便。缺点（2）悬筐式蒸发器(basket evaporator)悬筐式蒸发器
12、的结构示于图片(5-3)，它是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的100150%，因而溶液循环速度较高（约为11.5m/s）。由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。它的缺点是结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。（3）外热式蒸发器(evaporator with externa
13、l heating unit)外热式蒸发器的结构示于图片(5-4)。这种蒸发器的特点是加热室与分离室分开，这样不仅便于清洗与更换，而且可以降低蒸发器的总高度。因其加热管较长（管长与管径之比为50100），同时由于循环管内的溶液不被加热，故溶液的循环速度大，可达1.5m/s。（4）列文蒸发器(Liewen evaporator)列文蒸发器的结构如图片(5-5)所示。这种蒸发器的特点是在加热室的上部增设一沸腾室。这样，加热室内的溶液由于受到这一段附加液柱的作用，只有上升到沸腾室时才能汽化。在沸腾室上方装有纵向隔板，其作用是防止气泡长大。此外，因循环管不被加热，使溶液循环的推动力较大。循环管的高度一
14、般为78m，其截面积约为加热管总截面积的200350%。因而循环管内的流动阻力较小，循环速度可高达2 3m/s。列文蒸发器的优点是循环速度大，传热效果好，由于溶液在加热管中不沸腾，可以避免在加热管中析出晶体，故适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。其缺点是设备庞大，需要的厂房高。此外，由于液层静压力大，故要求加热蒸汽的压力较高。（5）强制循环蒸发器(forced circulation type evaporator) 上述各种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加热管与循环管内溶液的密度差引起溶液的循环，这种循环速度一般都比较低，不宜处理粘度大、易结垢及有大量析出结晶的溶液。对于这类溶液的蒸发，可
15、采用图片(5-6)所示的强制循环型蒸发器。这种蒸发器是利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2.5m/s以上。这种蒸发器的优点是传热系数大，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较好，但其动力消耗较大。2单程型蒸发器(one way tape of evaporator)这类蒸发器的特点是，溶液沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热室即达到要求的浓度，而停留时间仅数秒或十几秒钟。单程型蒸发器的主要优点是传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发。按物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因的不同，
16、可以分为以下几种类型：（1）升膜蒸发器；（2）降膜蒸发器；（3）升降膜蒸发器；（4）刮板薄膜蒸发器。（1） 升膜蒸发器(climbing film evaporator)升膜式蒸发器的结构如图片(5-7)所示，其加热室由一根或数根垂直长管组成，通常加热管直径为2550mm，管长与管径之比为100150。原料液经预热后由蒸发器的底部进入，加热蒸汽在管外冷凝。当溶液受热沸腾后迅速汽化，所生成的二次蒸汽在管内高速上升，带动液体沿管内壁成膜状向上流动，上升的液膜因受热而继续蒸发。故溶液自蒸发器底部上升至顶部的过程中逐渐被蒸浓，浓溶液进入分离室与二次蒸汽分离后由分离器底部排出。常压下加热管出口处的二次蒸
17、汽速度不应小于10m/s，一般为2050m/s，减压操作时，有时可达100160m/s或更高。降膜蒸发器升膜蒸发器适用于蒸发量较大（即稀溶液）、热敏性及易起泡沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。（2）降膜蒸发器(falling-film evaporator)降膜式蒸发器如图片(5-8)所示。它与升膜蒸发器的区别在于原料液由加热管的顶部加入。溶液在自身重力作用下沿管内壁呈膜状下流，并被蒸发浓缩，汽液混合物由加热管底部进入分离室，经气液分离后，完成液由分离器的底部排出。升膜蒸发器为使溶液能在壁上均匀成膜，在每根加热管的顶部均需设置液体布膜器。布膜器的型式有多种，图片(5-9)所示
18、为较常用的三种。图片5-9a采用一螺旋型沟槽的圆柱体作为导流管，液体沿沟槽旋转下流分布在整个管内壁上；图片(5-9)b的导流管下部为圆锥体，锥体底面向下内凹，以免沿锥体斜面流下的液体再向中央聚集；图片(5-9)c中，液体是通过齿缝沿加热管内壁成膜状下降。降膜蒸发器可以蒸发浓度较高的溶液，对于粘度较大的物料也能适用。但对于易结晶或易结垢的溶液不适用。此外，由于液膜在管内分布不易均匀，与升膜蒸发器相比，其传热系数较小。（3）升降膜蒸发器 将升膜和降膜蒸发器装在一个外壳中，即构成升降膜蒸发器，如图片(5-10)所示。原料液经预热后先由升膜加热室上升，然后由降膜加热器下降，再在分离室中和二次蒸汽分离后
19、即得完成液。这种蒸发器多用于蒸发过程中溶液的粘度变化很大，水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。（4）刮板薄膜蒸发器(scraped film evaporator)这种蒸发器是利用旋转刮片的刮带作用，使液体分布在加热管壁上。它的突出优点是对物料的适应性很强，例如对于高粘度、热敏性和易结晶、结垢的物料都能适用。刮板薄膜蒸发器的结构如图片(5-11)所示。它的壳体外部装有加热蒸汽夹套，其内部装有可旋转的搅拌刮片，旋转刮片有固定的和活动的两种。前者与壳体内壁的缝隙为0.751.5mm，后者与器壁的间隙随搅拌轴的转数而变。料液由蒸发器上部沿切线方向加入后，在重力和旋转刮片带动下，溶液在壳体内壁上
20、形成下旋的薄膜，并在下降过程中不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。在某些情况下，可将溶液蒸干而由底部直接获得固体产物。这类蒸发器的缺点是结构复杂，动力消耗大，传热面积小，一般为34m2，最大不超过20m2，故其处理量较小。3直接接触传热的蒸发器(touch heat transfer of direct-fired evaporator)在实际生产中，除上述循环型和单程型两大类间壁式传热的蒸发器外，有时还应用直接接触传热的蒸发器，其结构如图片(5-12)所示。它是将燃料（通常是煤气或重油）与空气混合后燃烧产生的高温烟气直接喷入被蒸发的溶液中，高温烟气与溶液直接接触，使得溶液迅速沸腾汽化。蒸发出的
21、水分与烟气一起由蒸发器的顶部直接排出。通常这种蒸发器的燃烧室在溶液中的深度为200600mm，燃烧室内高温烟气的温度可达1000以上，但由于气液直接接触时传热速率快，气体离开液面时只比溶液温度高出24。燃烧室的喷嘴因在高温下使用，较易损坏，故应选用耐高温和耐腐蚀的材料制作，结构上应考虑便于更换。浸没燃烧蒸发器的特点是结构简单，传热效率高。该蒸发器特别适用于处理易结晶、结垢或有腐蚀性的物料的蒸发。目前在废酸处理和硫酸铵盐溶液的蒸发中，已广泛采用此种蒸发器。但它不适用于不可被烟气污染物料的处理，而且它的二次蒸汽也很难利用。二. 蒸发器的选型1、蒸发器改进与发展(mend and progress
22、of evaporator)近年来，国内外对于蒸发器的研究十分活跃，归结起来主要有以下几个方面：（1）开发新型蒸发器在这方面主要是通过改进加热管的表面形状来提高传热效果，例如新近发展起来的板式蒸发器，不但具有体积小、传热效率高、溶液滞留时间短等优点，而且其加热面积可根据需要而增减，拆卸和清洗方便。又如，在石油化工、天然气液化中使用的表面多孔加热管，可使沸腾溶液侧的传热系数提高1020倍。海水淡化中使用的双面纵槽加热管，也可显著提高传热效果。（2）改善蒸发器内液体的流动状况在蒸发器内装入多种形式的湍流构件，可提高沸腾液体侧的传热系数。例如将铜质填料装入自然循环型蒸发器后，可使沸腾液体侧的传热系数
23、提高50%。这是由于构件或填料能造成液体的湍动，同时其本身亦为热导体，可将热量由加热管传向溶液内部，增加了蒸发器的传热面积。（3）改进溶液的性质近年来亦有通过改进溶液性质来改善传热效果的研究报道。例如有研究表明，加入适当的表面活性剂，可使总传热系数提高1倍以上。加入适当阻垢剂减少蒸发过程中的结垢亦为提高传热效率的途径之一。2、蒸发器性能的比较与选型如前所述，蒸发器的结构型式很多，在选择蒸发器的型式或设计蒸发器时，在满足生产任务要求、保证产品质量的前提下，还要兼顾所用蒸发器的结构简单、易于制造，操作和维修方便，传热效果好等等。除此而外，还要对被蒸发物料的工艺特性有良好的适应性，包括物料的粘性、热
24、敏性、腐蚀性以及是否结晶或结垢等因素。不同类型的蒸发器，各有其特点，它们对不同物料的适应性也不相同，表5-1列出了常见蒸发器的一些重要性能，可供选型时参考表5-1蒸发器的主要性能蒸发器型式造价总传热系数溶液在管内流速m/s 停留时间完成液浓度能否恒定浓缩比处理量对溶液性质的适应性稀溶液高粘度稀溶液高粘度易生泡沫易结垢热敏性有结晶析出水平管型最廉良好低 长能良好一般适适适不适不适不适标准型最廉良好低0.11.5长能良好一般适适适尚适尚适稍适外热式（自然循环）廉高良好0.41.5较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适列文式高高良好1.52.5 较长能良好较大适尚适较好尚适尚适稍适强制循环高高高2.0
25、3.5 能较高大适好好适尚适适升膜式廉高良好0.41.0短较难高大适尚适好尚适良好不适降膜式廉良好高0.41.0短尚能高大较适好适不适良好不适刮板式最高高良好 短尚能高较小较适好较好不适良好不适甩盘式较高高低 较短尚能较高较小适尚适适不适较好不适旋风式最廉高良好1.52.0短较难较高较小适适适尚适尚适适板式高高良好 较短尚能良好较小适尚适适不适尚适不适浸没燃烧廉高高 短较难良好较大适适适适不适适对于单效蒸发，通常给定的生产任务和操作条件是：进料量、温度和浓度，完成液的浓度，加热蒸汽的压力和冷凝器的操作压力，要求确定：（1）水的蒸发量或完成液的量；（2）加热蒸汽的消耗量；（3）蒸发器的传热面积。
26、蒸发过程的基本控制方程是质量守恒方程、能量守恒方程以及传热速率方程。因此，上述问题，可分别由物料衡算、热量衡算和传热速率方程求出。53 单效蒸发及计算一.物料衡算 二.能量衡算1可忽略溶液稀释热的情况 2溶液稀释热不可忽略的情况 三.传热设备的计算1.传热的平均温度差 2.蒸发器的传热系数 3.传热面积计算 四.蒸发强度与加热蒸汽的经济性 1.蒸发器的生产能力和蒸发强度 2.加热蒸汽的经济性 一.物料衡算(material balance)对图片5-13所示的单效蒸发器进行溶质的质量衡算，可得由上式可得水的蒸发量及完成液的浓度分别为水的蒸发量(5-1)完成液浓度(5-2)式中F原料液量，kg/
27、h；W水的蒸发量，kg/h；L完成液量，kg/h；X0料液中溶质的浓度，质量分率；X1完成液中溶质的浓度，质量分率。二.能量衡算(energy balance)仍参见图片(5-13)，设加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，则由蒸发器的热量衡算得（5-3）或（5-3a）加热蒸汽的能量 + 进料液能量 = 二次蒸汽能量 + 完成液能量 + 冷凝水能量+ 蒸发器热损失式中D加热蒸汽耗量，kg/h；H加热蒸汽的焓，kJ/kg；h0原料液的焓，kJ/kg；H二次蒸汽的焓，kJ/kg；h1完成液的焓，kJ/kg；hc冷凝水的焓，kJ/kg；QL蒸发器的热损失，kJ/h；Q蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h。
28、由式5-3或5-3a可知，如果各物流的焓值已知及热损失给定，即可求出加热蒸汽用量D以及蒸发器的热负荷Q。溶液的焓值是其浓度和温度的函数。对于不同种类的溶液，其焓值与浓度和温度的这种函数关系有很大的差异。因此，在应用式5-3或5-3a求算D时，按两种情况分别讨论：溶液的稀释热可以忽略的情形和稀释热较大的情形。1可忽略溶液稀释热的情况大多数溶液属于此种情况。例如许多无机盐的水溶液在中等浓度时，其稀释的热效应均较小。对于这种溶液，其焓值可由比热容近似计算。若以0的溶液为基准，则（5-4）（5-4a）将上二式代入式5-3a得（5-3b）式中t0原料液的温度，；t1完成液的温度，；C0原料液的比热容，
29、；C1完成液的比热容，；当溶液溶解的热效应不大时，其比热容可近似按线性加合原则，由水的比热容和溶质的比热容加合计算，即(5-5)(5-5a)式中 CW水的比热容， ；CB溶质的比热容， 。将式5-5与5-5a联立消去CB并代入式5-2中，可得，再将上式代入式5-3b中，并整理得（5-6）由于已假定加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出，则上式中的 即为加热蒸汽的冷凝潜热，即(5-7)但由于溶液的沸点升高，二次蒸汽的温度 与溶液温度t1并不相同（下面还要详细讨论）。但作为近似，可以认为（5-8）式中r加热蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；r二次蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。将式5-7及式5-8代入式5-6中，
30、可得o（5-9）上式表示加热蒸汽放出的热量用于：（1）原料液由t0升温到沸点t1；（2）使水在t1下汽化成二次蒸汽以及（3）热损失。若原料液在沸点下进入蒸发器并同时忽略热损失，则由式5-9可得单位蒸汽消耗量e为（5-10）一般水的汽化潜热随压力变化不大，即 ，则 或 。换言之，采用单效蒸发，理论上每蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。但实际上，由于溶液的热效应和热损失等因素，e值约为1.1或更大。2溶液稀释热不可忽略的情况.有些溶液，如CaCl2、NaOH的水溶液，在稀释时其放热效应非常显著。因而在蒸发时，作为溶液稀释的逆过程，除了提供水分蒸发所需的汽化潜热之外，还需要提供和稀释热效应相等的浓缩热
31、。溶液浓度越大，这种影响越加显著。对于这类溶液，其焓值不能按上述简单的比热容加合方法计算，需由专门的焓浓图查得。通常溶液的焓浓图需由实验测定。图片(5-14)为以0为基准温度的NaOH水溶液的焓浓图。由图可见，当有明显的稀释热时，溶液的焓是浓度的高度非线性函数。对于这类稀释热不能忽略的溶液，加热蒸汽的消耗量可直接按式5-3a计算，即（5-3b）三.传热设备的计算蒸发器的传热速率方程与通常的热交换器相同，即（5-11）式中S-蒸发器的传热面积，m2；K-蒸发器的总传热系数，W/(m2.K)；-传热的平均温度差，；Q-蒸发器的热负荷，W。式5-11中的热负荷Q可通过对加热器作热量衡算求得。当忽略加
32、热器的热损失，则Q为加热蒸汽冷凝放出的热量，即（5-12）但在确定蒸发器的 和K时，与普通的热交换器有着一定的差别。下面分别予以讨论。1.传热的平均温度差(mean temperature difference)蒸发器加热室的一侧为蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，其温度为溶液的沸点。因此，传热的平均温度差为（5-13）式中 T-加热蒸汽的温度，；t1-操作条件下溶液的沸点，。亦称为蒸发的有效温度差，是传热过程的推动力。但是，在蒸发过程的计算中，一般给定的条件是加热蒸汽的压力（或温度T）和冷凝内的操作压力。由给定的冷凝器内的压力，可以定出进入冷凝器的二次蒸汽的温度tc。一般地，将蒸发器的总温度差定义
33、为（5-14）式中 tc-进入冷凝器的二次蒸汽的温度，。 那么，如何从已知的 求得传热的有效温差 ，或者说，如何将tc转化为t1呢？让我们先讨论一种简化的情况。设蒸发器蒸发的是纯水而非含溶质的溶液。采用T=150的蒸汽加热，冷凝器在常压（101.3kPa）下操作，因此进入冷凝器的二次蒸汽的温度为100。如果忽略二次蒸汽从蒸发室流到冷凝器的摩擦阻力损失，则蒸发室内操作压力亦为101.3kPa。又由于蒸发的是纯水，因此蒸发室内的二次蒸汽及沸腾的水均为100。此时传热的有效温差 应等于总温度差 。如果仍采用如上操作条件（即加热蒸汽的温度为150，冷凝器的操作压力为101.3kPa），蒸发71.3%的
34、NH4NO3水溶液，则实验表明，在相同的压力下（101.3kPa），该水溶液在120下沸腾。然而该溶液上方形成的二次蒸汽却与纯水沸腾时产生的蒸汽有着相同的温度，即100。也就是说，二次蒸汽的温度低于溶液的沸点温度。亦忽略二次蒸汽从蒸发室流到冷凝器的阻力损失，则进入冷凝器的二次蒸汽温度为100，此时传热的有效温度差变为=30与纯水蒸发相比，其温度差损失为 。蒸发计算中，通常将总温度差与有效温度差的差值称为温度差损失，即（5-15）式中 -温度差损失，。 亦称为溶液的沸点升高。对于上面NH4NO3溶液的蒸发，沸点升高仅仅是由于水中含有不挥发的溶质引起的。如果在上面的讨论中，考虑了二次蒸汽从蒸发器流
35、到冷凝器的阻力损失，则蒸发器内的操作压力必高于冷凝器内压力，还会使溶液的沸点升高。此外，多数蒸发器的操作需维持一定的液面（膜式蒸发器除外），液面下部的压力高于液面上的压力（即蒸发器分离室中的压力），故蒸发器内底部液体的沸点还进一步升高。综上所述，蒸发器内溶液的沸点升高（或温度差损失），应由如下三部分组成，即（5-16）式中-由于溶质的存在引起的沸点升高，；-由于液柱压力引起的沸点升高，；-由于管路流动阻力引起的沸点升高，。（1） .由于溶液中溶质存在引起的沸点升高 由于溶液中含有不挥发性溶质，阻碍了溶剂的汽化，因而溶液的沸点永远高于纯水在相同压力下的沸点。如前面的例子中，在101.3kPa下，
36、水的沸点为100，而71.3%的NH4NO3（质量分率）的水溶液的沸点则为120。但二者在相同压力下（101.3kPa）沸腾时产生的饱和蒸汽（二次蒸汽）有相同的温度（100）。与溶剂相比，在相同压力下，由于溶液中溶质存在引起的沸点升高可定义为（5-17）式中tB-溶液的沸点，。-与溶液压力相等时水的沸点，即二次蒸汽的饱和温度，；溶液的沸点tB主要与溶液的种类、浓度及压力有关。一般需由实验测定。常压下某些常见溶液的沸点可参见附录。蒸发操作常常在加压或减压下进行。但从手册中很难直接查到非常压下溶液的沸点。当缺乏实验数据时，可以用下式近似估算溶液的沸点升高。（5-18）式中-常压下（101.3kPa
37、）由于溶质存在引起的沸点升高，；-操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高，；f-校正系数，其值为（5-19）式中-操作压力下二次蒸汽的温度，；-操作压力下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg。溶液的沸点亦可用杜林规则（Duhrings rule）估算。杜林规则表明：一定浓度的某种溶液的沸点与相同压力下标准液体的沸点呈线性关系。由于不同压力下的水的沸点可以从水蒸气表中查得，故一般以纯水作为标准液体。根据杜林规则，以某种溶液的沸点为纵坐标，以同压力下水的沸点为横坐标作图，可得一直线，即（5-20）或写成（5-21）式中、tB-分别为压力和p下溶液的沸点，；、 -分别为和p下水的沸点，；k-杜林直线的斜率。由
38、式5-21可知，只要已知溶液在两个压力下的沸点，即可求出杜林直线的斜率，进而可以求出任何压力下溶液的沸点。图片(5-15)为NaOH水溶液的杜林线图。图中每一条直线代表某一浓度下该溶液在不同压力下的沸点与对应压力下水的沸点间的关系。由图片(5-15)可知，当溶液的浓度较低时，各浓度下杜林直线的斜率几乎平行，这表明在任何压力下，NaOH溶液的沸点升高基本上是相同的。2由于液柱静压头引起的沸点升高 由于液层内部的压力大于液面上的压力，故相应的溶液内部的沸点高于液面上的沸点tB ，二者之差即为液柱静压头引起的沸点升高。为简便计，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静
39、力学方程,液层的平均压力为（5-22）式中pav-液层的平均压力，Pa；-液面处的压力，即二次蒸汽的压力，Pa；-溶液的平均密度，kg/m3；L-液层高度，m；g-重力加速度，m/s2.溶液的沸点升高为（5-23）式中 -平均压力 下溶液的沸点，；-液面处压力（即二次蒸汽压力） 下溶液的沸点，。作为近似计算，式5-23中的 和 可分别用相应压力下水的沸点代替。 应当指出，由于溶液沸腾时形成气液混合物，其密度大为减小，因此按上述公式求得的 值比实际值略大。3由于流动阻力引起的沸点升高前已述及，二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，故蒸发器内的压力高于冷凝器内的压力。换言之
40、，蒸发器内的二次蒸汽的饱和温度高于冷凝器内的温度，由此造成的沸点升高以 表示。 与二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为11.5。对于多效蒸发，效间的沸点升高一般取1。2.蒸发器的传热系数(coefficient of heat transfer)蒸发器的总传热系数的表达式原则上与普通换热器相同，即（5-24）式中 对流传热系数，W/(m2.)；d-管径，m；Rs-垢层热阻，(m2.)/ W；b-管壁厚度，m；k-管材的导热系数，W/(m2.)；下标i表示管内侧，o表示外侧，m表示平均。式5-24中，管外蒸汽冷凝的传热系数 可按膜式冷凝的传热系数公式计
41、算，垢层热阻值Rs可按经验值估计。但管内溶液沸腾传热系数则受较多因素的影响，例如溶液的性质、蒸发器的型式、沸腾传热的形式以及蒸发操作的条件等等。由于管内溶液沸腾传热的复杂性，现有的计算关联式的准确性较差。下面给出几种常用蒸发器管内沸腾传热系数的经验关联式，供设计计算时参考。（1）强制循环蒸发器由于在强制循环蒸发器中，加热管内的液体无沸腾区，因此可以采用无相变时管内强制湍流的计算式，即（5-25）式中各项符号的意义见传热一章。实验表明，式5-25的 计算值比实验值约低25%。（2）标准式蒸发器当溶液在加热管进口处的速度较低（0.2m/s左右）时， 可用下式计算（5-26）或（5-26a）式中 -
42、液体的导热系数，W/(m2.)；di-加热管的内径，m；um-平均流速，即加热管进、出口处液体流速的对数平均值，m/s；-液体的密度，kg/m3；-液体的粘度， ；CL-液体的比热容，kJ/(kg.)；-水的表面张力，N/m；-溶液的表面张力，N/m。式5-26适用于常压，在高压或高真空度时误差较大。（3）升膜蒸发器在热负荷较低（表面蒸发）时（5-27）式中 料液在平均沸点下的普兰德数（ ），无因次；液膜雷诺数（ ），无因次；气膜雷诺数（ ），无因次；n-沸腾管数；W-单位时间通过沸腾管的总质量，kg/s；q-热通量，W/m2；在热负荷较高（核状沸腾）时（5-28）式中-管材质的校正系数，其值
43、为钢、铜：；不锈钢、铬、镍： ；磨光表面：p-绝对压力，Pa。式5-27是在小于或等于25.4mm的管内的减压沸腾条件下获得的结果，其误差为 20%。式5-28适用于常压和减压沸腾情况，其误差为 20%。（4）降膜蒸发器当时（5-29）当 时（5-30）当时（5-31）式中 M-单位时间内流过单位管子周边上的溶液质量， ，即其中 n-管数。需要指出，由于上述 的关联式精度较差，目前在蒸发器设计计算中，总传热系数K大多根据实测或经验值选定。表5-2列出了几种常用蒸发器K值的大致范围，可供设计时参考。表5-2 蒸发器总传热系数K的概略值蒸发器型式总传热系数K，W/(m2.)水平浸没加热式60023
44、00标准式（自然循环）6003000标准式（强制循环）12006000悬筐式6003000外加热式（自然循环）12006000外加热式（强制循环）12006000升膜式12006000降膜式120035003.传热面积(heat transfer area)计算在蒸发器的热负荷Q、传热的有效温度差 及总传热系数K确定以后，则可由式5-11计算蒸发器的传热面积，即 （5-11a）四.蒸发强度与加热蒸汽的经济性蒸发强度与加热蒸汽的经济性是衡量蒸发装置性能的两个重要技术经济指标。1.蒸发器的生产能力和蒸发强度蒸发器的生产能力通常指单位时间内蒸发的水量，其单位为kg/h。蒸发器生产能力的大小由蒸发器的传热速率Q来决定，即（5-11）如果忽略蒸发器的热损失且原料液在沸点下进料，则其生产能力为（5-32）式中 W蒸发器的生产能力，kg/h；Q蒸发器的热负荷，kJ/h；