蒸发物料及热量衡算.docx
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蒸发物料及热量衡算
第五章蒸发
本章学习要求1．娴熟掌握的内容单效蒸发过程及其计算（包含水分蒸发量、加热蒸汽耗费量、有效温度差及传热面积的计算）；蒸发器的生产能力、生产强度和单位蒸汽耗费量。
2．理解的内容蒸发操作的特色；多效蒸发操作的流程及最正确效数。
3．认识的内容蒸发过程的工艺应用与分类；常用蒸发器的构造、特色和应用处合；蒸发器的采纳。
多效蒸发过程的计算。
§概述一、蒸发操作及其特色工程上把采纳加热方法，将含有不挥发性溶质（往常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩的单元操作称为蒸发。
蒸发操作宽泛应用于化工、轻工、食品、医药等工业领域，其主要目的有以下几个方面：
1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再办理（如冷却结晶）制取固体产品，比如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各样果汁的浓缩等；
2、同时浓缩溶液和回收溶剂，比若有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；
3、为了获取纯净的溶剂，比如海水淡化等。
图5－1为一典型的蒸发装置表示图。
图中蒸发器由加热室1和分别室2两部分构成。
加热室
图5－1蒸发装置表示图
为列管式换热器，加热蒸汽在加热室的管间冷凝，放出的热量经过管壁传给列管内的溶液，使其沸腾并汽化，汽液混淆物则在分别室中分别，此中液体又落回加热室，当浓缩到规定浓度后排出蒸发器。
分别室分别出的蒸汽（又称二次蒸汽，以
差别于加热蒸汽或生蒸汽），先经顶部除沫器5除液，再进入混淆冷凝器3与冷水相混，被直
接冷凝后，经过大气腿7排出。
不凝性气体经分别器4缓和冲罐5由真空泵6排出。
工程上，蒸发过程不过从溶液中分别出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，所以，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分别过程。
因为溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发操作属传热过程，蒸发设施为传热设施，如图5-1的加热室即为一侧是蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾的间壁式列管换热器。
此种蒸发过程即是间壁双侧恒温的传热过程。
可是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特色：
1、溶液沸点高升因为溶液含有不挥发性溶质，所以，在同样温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的小，也就是说，在同样压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显着，这在设计和操作蒸发器时是必考虑的。
2、物料及工艺特征物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面堆积、析出结晶而形成垢层，影响传热；有些溶质是热敏性的，在高温下逗留时间过长易变质；有些物料拥有较大的腐化性或较高的粘度等等，所以，在设计和采纳蒸发器时，一定仔细考虑这些特征。
3、能量回收蒸发过程是溶剂汽化过程，因为溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。
所以，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。
二、蒸发过程的分类1、按操作压力分，可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作，即在常压（大气压）下，高于或低于大气压下操作。
很明显，关于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。
而高粘度物料就应采纳加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发。
2、按效数分，可分为单效与多效蒸发。
若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发，如图5-1所示，即为单效真空蒸发。
若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串连，此蒸发过程即为多效蒸发。
3、按蒸发模式分，可分为间歇蒸发与连续蒸发。
工业上大规模的生产过程往常采纳的是连续蒸发。
因为工业上被蒸发的溶液大多为水溶液，故本章仅议论水溶液的蒸发。
但其基来源理和设备关于非水溶液的蒸发，原则上也合用或可作参照。
§单效蒸发过程
单效蒸发过程的计算
单效蒸发设计计算内容有：
①确立水的蒸发量；②加热蒸汽耗费量；③蒸发器所需传热面积。
在给定生产任务和操作条件，如进料量、温度和浓度，达成液的浓度，加热蒸汽的压力和冷凝器操作压力的状况下，上述任务可经过物料衡算、热量衡算和传热速率方程求解。
一、蒸发水量的计算
对图5-2所示蒸发器进行溶质的物料衡算，可得
由此可得水的蒸发量
WF（1
x0）
（5—1）
x1
及达成液的浓度
Fx0
（5—2）
x1
W
F
式中：
F——原料液量，kg/h；W——蒸发水量，kg/h；L——达成液量，kg/h；x0——原料液中溶质的浓度，质量分数；x1——达成液中溶质的浓度，质量分数。
二、加热蒸汽耗费量的计算加热蒸汽用量可经过热量衡算求得，即对图5-2作热量衡算可得：
DHFh0WH‘
Lh1Dhc
QL
（5—3）
或
‘
Fh0QL
（5—3a）
图5-2单效蒸发器
QD（Hhc）WHLh1
式中：
——加热蒸汽的焓，kJ/kg;H′——二次蒸汽的焓，kJ/kg;h0——原料液的焓，kJ/kg;h1——达成液的焓，kJ/kg;hc——加热室排出冷凝液的焓，kJ/h;Q——蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h;QL——热损失，可取Q的某一百分数，kJ/kg;
c0、c1——为原料、达成液的比热，kJ/（kg·℃）。
考虑溶液浓缩热不大，并将H′取t1下饱和蒸汽的焓，则（5—3a）式可写成：
FC0（t1
t0）Wr'QL
（5—4）
D
r
式中：
r、r′——分别为加热蒸汽和二次蒸汽的汽化潜热，
kJ/kg。
若原料由预热器加热至沸点后进料（沸点进料）
，即
t0
t1
，其实不计热损失，则（
4
—）式
=
5
可写为：
D
Wr'
（5—5）
r
或
D
r'
（5—5a）
W
r
式中：
D/W称为单位蒸汽耗费量，它表示加热蒸汽的利用程度，也称蒸汽的经济性。
因为蒸汽的汽化潜热随压力变化不大，故r=r′。
对单效蒸发而言，D/W=1，即蒸发一千克水需要约一千克加热蒸汽，实质操作中因为存在热损失等原由，D/W≈1。
可见单效蒸发的能耗很大，是很不经济的。
三、传热面积的计算蒸发器的传热面积可经过传热速率方程求得，即：
QK
Atm
（5—6）
或
A
Q
（5—6a）
tm
K
式中：
A——蒸发器的传热面积，m2;——蒸发器的总传热系数，W/（m2?
K）；Δtm——传热均匀温度差，℃；Q——蒸发器的热负荷，W或kJ/kg。
式（5—6）中，Q可经过对加热室作热量衡算求得。
若忽视热损失，Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量，即
QD（Hhc）Dr
（5—7）
但在确立tm和K时，却有别于一般换热器的计算方法。
1、传热均匀温度差tm确实定在蒸发操作中，蒸发器加热室一侧是蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾，所以其传热均匀温度差应为：
tmTt1
（5—8）
式中：
T——加热蒸汽的温度，℃；t1——操作条件下溶液的沸点，℃。
应当指出，溶液的沸点，不单受蒸发器内液面压力影响，并且受溶液浓度、液位深度等因素影响。
所以，在计算tm时需考虑这些要素。
下边分别予以介绍。
（1）溶液浓度的影响溶液中因为有溶质存在，所以其蒸气压比纯水的低。
换言之，必定压强下水溶液的沸点比纯水高，它们的差值称为溶液的沸点高升，以'表示。
影响'的主要要素为溶液的性质及其浓度。
一般，有机物溶液的'较小；无机物溶液的'较大；稀溶液的'不大，但随浓度增高，值增高较大。
比如，％的NaOH溶液在下其沸点为102℃，'仅为2℃，而%NaOH溶液，其沸点为140℃，'值达40℃之多。
各样溶液的沸点由实验确立，也可由手册或本书附录查取。
（2）压强的影响
当蒸发操作在加压或减压条件下进行时，若缺少实验数据，则似按下式估量
'，即
'f'常
（5—9）
式中：
’——操作条件下的溶液沸点高升，℃；
’
常——常压下的溶液沸点高升，℃；
f——校订系数，无因次，其值可由下式计算，
f（T'273）2
（5—10）
r'
此中：
T’
——操作压力下二次蒸汽的饱和温度，℃；’
r——操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。
（3）液柱静压头的影响往常，蒸发器操作需保持必定液位，这样液面下的压力比液面上的压力（分别室中的压力）高，即液面下的沸点比液面上的高，两者之差称为液柱静压头惹起的温度差损失，以''表示。
为简易计，以液层中部（料液一半）处的压力进行计算。
依据流体静力学方程，液层中部的压力pav为：
pavp'
av
gh
（5—11）
2
式中：
p＇——溶液表面的压力，即蒸发器分别室的压力，Pa；
ρav——溶液的均匀密度，kg/m3；——液层高度，m。
则由液柱静压惹起的沸点高升''为
''tavtb
（5—12）
式中：
tav——液层中部pav压力下溶液的沸点，℃；tb——p＇压力（分别室压力）下溶液的沸点，℃。
近似计算时，式（5—12）中的tav和tb可分别用相应压力下水的沸点取代。
（4）管道阻力的影响若是设计计算中温度以另一侧的冷凝器的压力（即饱和温度）为基准，则还需考虑二次蒸汽从分别室到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失，以'''表示。
明显，'''值与二次蒸汽的速度、管道尺寸以及除沫器的阻力相关。
因为此值难于计算，一般取经验值为1℃，即'''=1℃。
考虑了上述要素后，操作条件下溶液的沸点t1，即可用下式求取，
t1
tc'
''''''
（5—13）
或
t1
tc'
（5—13a）
式中：
Tｃ＇——冷凝器操作压力下的饱和水蒸汽温度，℃；＝'＋''＋'''——总温度差损失，℃；蒸发计算中，往常把（4—8）的均匀温度差称为有效温度差，而把T–Tｃ＇称为理论温差，即以为是蒸发器蒸发纯水时的温差。
2、总传热系数K确实定蒸发器的总传热系数可按下式计算
K
1
（5—14）
b
1
1
Ri
R0
i
0
b式中：
αi——管内溶液沸腾的对流传热系数，W/（m2·℃）；α０——管外蒸汽冷凝的对流传热系数，W/（m2·℃）；Ｒｉ——管内污垢热阻，m2·℃/W；Ｒ０——管外污垢热阻，m2·℃/W；——管壁热阻，m2·℃/W。
（5—14）式中
０
Ｒ０
及
ｂ
／λ在传热一章中均已论述，本章不再赘述。
不过
i
i
成
、
R和
为蒸发设计计算和操作中的主要问题。
因为蒸发过程中，加热面处溶液中的水分汽化，浓度上
升,所以溶液很易超出饱和状态，溶质析出并包裹固体杂质，附着于表面，形成污垢，所以
Ri
常常是蒸发器总热阻的主要部分。
为降低污垢热阻，工程中常采纳的举措有：
加快溶液循环速
度，在溶液中加入晶种和微量的阻垢剂等。
设计时，污垢热阻
Ri当前仍需依据经验数据确立。
至于管内溶液沸腾对流传热系数
i也是影响总传热系数的主要要素。
影响
i的要素好多，如溶
液的性质，沸腾传热的状况，操作条件和蒸发器的构造等。
当前固然对管内沸腾作过许多研究，
但其所介绍的经验关系式其实不大靠谱，
再加上管内污垢热阻变化较大，所以，当前蒸发器的总
传热系数仍主要靠现场实测，以作为设计计算的依照。
表
4-1中列出了常用蒸发器总传热系数
的大概范围，供设计计算参照。
表5-1常用蒸发器总传热系数
K的经验值
蒸发器型式
总传热系数W/（m
2·
K）
中央循环管式
580～3000
带搅拌的中央循环管式
1200～5800
悬筐式
580～3500
自然循环
1000～3000
强迫循环
1200～3000
升膜式
580～5800
降膜式
1200～3500
刮膜式，粘度1mPa·s
2000
刮膜式，粘度100～100,00
～
1200
200
mPa·s【例5-1】采纳单效真空蒸发装置，连续蒸发NaOH水溶液。
已知进料量为200kg/h，进料浓度为40%（质量百分数），沸点进料，达成液浓度为%（质量百分数），其密度为1500kg/m3，加热蒸汽压强为（表压），冷凝器的真空度为51KPa，加热室管内液层高度为3m。
试求蒸发水
量、加热蒸汽耗费量和蒸发器传热面积。
已知总传热系数为
1500W/（m
2·，蒸发器的热损失
K）
为加热蒸汽量的5%，当地大气压为。
解：
（1）水份蒸发量W
WF（1
x0
）2000（1
）kg/h
x1
（2）加热蒸汽耗费量
故
由本书查附录得：
当P=MPa（表）时，T=℃，r=kJ/kg当Pc=51KPa（真空度）时，Tc＇＝℃
故
（3）传热面积A①确立溶液沸点
Wr'
D
r＇＝2304kJ/kg
1586
2304
1800kg/h
D
2137
计算'
已查知Pc=51kPa（真空度）下，冷凝器中二次蒸汽的饱和温度Tｃ＇＝℃查附录常压下%NaOH溶液的沸点近似为tA=140℃∴Δ常＇＝140-100=40℃因二次蒸汽的真空度为51kPa，故'需用式（4—10）校订，即∴'＝×40=℃计算''因为二次蒸汽流动的压降较少，故分别室压力可视为冷凝器的压力。
则
Pav
P'
avgh
1500
3
2
50
502272kPa
2
查附录得
72kPa下对应水的沸点为
℃
'''＝１℃则溶液的沸点ｔ＝Ｔｃ＇+'＋''＋'''＝+++1＝℃②总传热系数
2
已知K=1500W/m?
K
由式（5—7a）、（5—8）和（5—9）得蒸发器加热面积为：
Q
Dr
1586
2137103
1586
2137
10
3
A
K（Tt1）
36001500
126.2）
1500
=m2
Ktm
3600
蒸发器的生产能力与生产强度一、蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水重量来表示。
因为蒸发水重量取决于传热量的大小，所以其生产能力也可表示为
QKA（Tt1）
（5—15）
二、蒸发器的生产强度由上式能够看出蒸发器的生产能力仅反应蒸发器生产量的大小，而引入蒸发强度的观点却可反应蒸发器的好坏。
蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，即
u
W
（5—16）
A式中：
u——蒸发强度，kg/（m2·h）。
蒸发强度往常可用于评论蒸发器的好坏，关于必定的蒸发任务而言，若蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，即设施的投资就越低。
若不计热损失和浓缩热，料液又为沸点进料，（5—7）、（5—8）和（5—16）可得
W
Ktm
（5—17）
u
r
A
由此式可知，提升蒸发强度的主要门路是提升总传热系数
K和传热温度差tm。
三、提升蒸发强度的门路
1、提升传热温度差
提升传热温度差可提升热源的温度或降低溶液的沸点等角度考虑，工程上往常采纳以下措施来实现：
（1）真空蒸发真空蒸发能够降低溶液沸点，增大传热推进力，提升蒸发器的生产强度，同时因为沸点较低，可减少或防备热敏性物料的分解。
此外，真空蒸发可降低对加热热源的要求，即可利用低温位的水蒸汽作热源。
可是，应当指出，溶液沸点降低，其粘度会增高，并使总传热系数K降落。
自然，真空蒸发要增添真空设施并增添动力耗费。
图4-1即为典型的单效真空蒸发流程。
此中真空泵主假如抽吸因为设施、管道等接口处泄露的空气及物猜中溶解的不凝性气体等。
（2）高温热源
提升tm的另一个举措是提升加热蒸汽的压力，但这时要对蒸发器的设计和操作提出严格要求。
一般加热蒸汽压力不超出～。
关于某些物料假如加压蒸汽仍不可以知足要求时，则可采纳高温导热油、熔盐或改用电加热，以增大传热推进力。
2、提升总传热系数蒸发器的总传热系数主要取决于溶液的性质、沸腾状况、操作条件以及蒸发器的构造等。
这些已在前方论述，所以，合理设计蒸发器以实现优秀的溶液循环流动，实时清除加热室中不凝性气体，按期冲洗蒸发器（加热室内管），均是提升和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。
§多效蒸发过程加热蒸汽的经济性蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，往常把能耗也作为评论其好坏的另一个重要评论指标，或称为加热蒸汽的经济性，它的定义为1kg蒸汽可蒸发的水重量，即：
E
W
（5—18）
D一、多效蒸发多效蒸发是将第一效蒸发器汽化的二次蒸汽作为热源通入第二效蒸发器的加热室作加热用，这称为双效蒸发。
假如再将第二效的二次蒸汽通入第三效加热室作为热源，并挨次进行多个串接，则称为多效蒸发。
图5-3为三效蒸发的流程表示图。
不难看出,采纳多效蒸发，因为生产给定的总蒸发水量W分派于各个蒸发器中，而只有第一效才使用加热蒸汽，故加热蒸汽的经济性大大提
高。
二、外蒸汽的引出将蒸发器中蒸出的二次蒸汽引出（或部分引出），作为其T它加热设施的热源，比如用来加热原料液等，可大大提升加热蒸汽的经济性，同时还降低了冷凝器的负荷，减少了冷却水量。
三、热泵蒸发将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩，提升它的压力，若是压力又达加热蒸汽压力时，则可送回进口，循环使用。
加热蒸汽（或生蒸汽）只作为启动或
图5-3并流加料三效蒸发流程
图5-4热泵蒸发流程
增补泄露、损失等用。
所以节俭了大批生蒸汽，热泵蒸发的流程如图5-4所示。
四、冷凝水显热的利用蒸发器加热室排出大批高温冷凝水，这些水理应返回锅炉房从头使用，这样既节俭能源又节俭水源。
但应用这种方法时，应注意水质监测，防止因蒸发器破坏或阀门泄露，污染锅炉补水系统。
自然高温冷凝水还可用于其余加热或需工业用水的场合。
多效蒸发一、多效蒸发流程为了合理利用有效温差，并依据办理物料的性质，往常多效蒸发有以下三种操作流程。
1、并流流程图图5-3为并流加料三效蒸发的流程。
这种流程的长处为：
料液可藉相邻二效的压强差自动流入后一效，而不需用泵输送，同时，因为前一效的沸点比后一效的高，所以当物料进入后一效时，会产生自蒸发，这可多蒸出一部分水汽。
这种流程的操作也较简易，易于稳固。
但其主要弊端是传热系数会降落，这是因为后序各效的浓度会渐渐增高，但沸点反而渐渐降低，致使溶液粘度渐渐增大。
2、逆流流程图5-6为逆流加料三效蒸发流程，其长处是：
各效浓度和温度对溶液的粘度的影响大概相抵消，各效的传热条件大概同样，即传热系数大概同样。
弊端是：
料液输送一定用泵，此外，进料也没有自蒸发。
一般这种流程只有在溶液粘度随温度变化较大的场合才被采纳。
3、平流流程图5-6为平流加料三效蒸发流程，其特色是蒸汽的走向与并流同样，但原料液和达成液则分别从各效加入和排出。
这种流程合用于办理易结晶物料，比如
食盐水溶液等的蒸发。
图5-5逆流加料三效蒸发流程
二、多效蒸发设计型计算
多效蒸发需要计算的内容有：
各效蒸发水量、加热
蒸汽耗费量及传热面积。
因为多效蒸发的效数多，计算
中未知数目也多，所以计算远较单效蒸发复杂。
所以目
前已采纳电子计算机进行计算[
]。
但基本依照和原理仍
然是物料衡算，热量衡算及传热速率方程。
因为计算中
图5-6平流加料三效蒸发流程
出现未知参数，所以计算经常采纳试差法，其步骤以下：
1、依据物料衡算求出总蒸发量。
2、依据经验设定各效蒸发量，再估量各效溶液浓度。
往常各效蒸发量可按各效蒸发量相等的
原则设定，即
W1W2
Wn
（5—19）
并流加料的蒸发过程，因为有自蒸发现象，则可按以下比率设定：
若为两效
W1:
W2
（5—20）
若为三效
W1:
W2:
W3
1:
1.1:
（5—21）
依据设定获取各效蒸发量后，即可经过物料衡算求出各达成液的浓度。
3、设定各效操作压力以求各效溶液的沸点。
往常按各效等压降原则设定，即相邻两效间的压差为:
P1
Pc
（5—22）
P
n式中：
P1——加热蒸汽的压力，Pa；Pc——冷凝器中的压力，Pa；——效数。
4、应用热量衡算求出各效的加热蒸汽用量和蒸发水量；5、依照各效传热面积相等的原则分派各效的有效温度差，并依据传热效率方程求出各效的传热面积；6、校验各效传热面积能否相等，若不等，则还需从头分派各效的有效温度差，从头计算，直到相等或邻近时为止。
三、多效蒸发计算现以并流加料为例（见图
图5-7并流加料多效蒸发流程表示图
5-7）进行议论，计算中所用符号的意义和单位与单效蒸发同样。
1、物料衡算和热量衡算总蒸发水量W为各效蒸发水量之和，即
WW1W2Wn（5—23）
对全系统的溶质作物料衡算，即
可得：
W
F（xnx0）
F（1
x0
）
（5—24）
xn
xn
对任一第i效的溶质作物料衡算，有
或
xi
Fx0
（5—25）
W2
（FW1
Wi）
往常原料液浓度x0，达成液浓度xn为已知值，而中间各效浓度未知，所以从上述关系只好
求出总蒸发水量和各效的均匀水分蒸发量（W/n），而各效蒸发量和浓度需依据物料衡算和热量衡算来确立。
对第一效作热量衡算，若忽视热损失，则得：
Fh0D1（H1hc）（FW1）h1W1H1'
（5—26）
若忽视溶液的稀释热，则上式可写成：
Fc0（t1
t0）W1r1'
D1
（5—27）
r1
则第一效加热室的传热量为：
Q1D1r1Fc0（t1t0）W1r1'
（5—28）
同理，模仿上式可写出第2、3至i效的传热量方程，即
'
Q2D2r2（Fc0W1cw）（t2t1）W2r2
.QiDiri（Fc0W1cwW2cwWi1cw）（titi1）Wiri'
则第i效的蒸发量可写成：
ri
（ti
ti1）
WiDiri'
（Fc0W1cwW2cw
Wi1cw）
ri'
假如考虑稀释热和蒸发系统的热损失，则式（5—31）可写成：
WiDi
ri
（Fc0W1cwW2cw
Wi1cw）（ti
ti1）
i
ri'
ri
'
（5—29）
5—30）（5—31）（5—32）
式中：
i称为热利用系数，无因次，下标i表示第i效。
i值依据经验选用，一般为～，关于
浓缩热较大的物料，比如NaOH水溶液，可取η=。
这里x为该效溶液浓度的变化（质量分率）。
关于有额外蒸汽引出的蒸发过程的热量衡算，可参照相关资料。
2、传热面积计算和有效温度差在各效的分派求得各效蒸发量后，即可利用传热速率方程，计算各效的传热面积，即
Qi
（5—33）
Ai
Ki
ti
式中：
Ai——第i效的传热面积；
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