化工原理第5章蒸发3

1、第五章第五章 蒸蒸 发发5-4 多多 效效 蒸蒸 发发 目的：为了减少加热蒸汽用量，减少能耗目的：为了减少加热蒸汽用量，减少能耗单效蒸发中每效蒸发单效蒸发中每效蒸发 1 水大约需要水大约需要 1 的的加热蒸汽。如果要蒸发大量水分，必须耗大量的加热蒸汽。如果要蒸发大量水分，必须耗大量的加热蒸汽，为减少加热蒸汽消耗量，可采用多效加热蒸汽，为减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发。蒸发。原理：原理：前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，这样仅第一效需要消耗蒸汽。多效蒸发要求后一这样仅第一效需要消耗蒸汽。多效蒸发要求后一效的操作压强和溶液的沸点均比前一效的低，所效的操

2、作压强和溶液的沸点均比前一效的低，所以第一效的二次蒸汽便可作为后一效的加热蒸以第一效的二次蒸汽便可作为后一效的加热蒸汽，即后一效的加热室可作为前一效的冷凝器，汽，即后一效的加热室可作为前一效的冷凝器，这就是多效蒸发的操作原理。这就是多效蒸发的操作原理。将多个蒸发器连接起来一同操作，即组成一将多个蒸发器连接起来一同操作，即组成一个蒸发器，每个蒸发器称为一个蒸发器，每个蒸发器称为一效效，通入生蒸汽的，通入生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效的二次蒸汽作为蒸发器称为第一效，利用第一效的二次蒸汽作为加热蒸汽的称为第二效，以此类推。由于各效的加热蒸汽的称为第二效，以此类推。由于各效的（除了最后一效）二次

3、蒸汽都作为后一效的加热（除了最后一效）二次蒸汽都作为后一效的加热蒸汽，这样就提高了生蒸汽的利用率，即蒸发同蒸汽，这样就提高了生蒸汽的利用率，即蒸发同样数量的水分，采用多效蒸发所需的生蒸汽样数量的水分，采用多效蒸发所需的生蒸汽 D 将将小于单效蒸发所需的加热蒸汽量。小于单效蒸发所需的加热蒸汽量。 例，忽略热损失、温度差损失等，在理论上双效例，忽略热损失、温度差损失等，在理论上双效蒸发中第一效蒸发中第一效 1 加热蒸汽可产生加热蒸汽可产生 1 二次蒸二次蒸汽，第二效汽，第二效 1 二次蒸汽又可在第二效中蒸发二次蒸汽又可在第二效中蒸发 1 水。所以水。所以 1 生蒸汽在双效中可蒸发生蒸汽在双效中可蒸

4、发 2 水分，即水分，即 D / W = 0.5，三效蒸发中：，三效蒸发中：1 水分水分可蒸发可蒸发 3 ，所以，所以 D / W = 0.333根据经验，最小根据经验，最小D/W数值如下表：数值如下表： 效数效数单单双双三三四四五五D/W1.10.57可看出，由于多效蒸发可节省生蒸汽用量，可看出，由于多效蒸发可节省生蒸汽用量，所以在蒸发大量水分时，可采用多效蒸发，但并所以在蒸发大量水分时，可采用多效蒸发，但并非效数越多越好。常用的是双效、三效、四效。非效数越多越好。常用的是双效、三效、四效。5-4-1 多效蒸发的操作流程多效蒸发的操作流程 以三效为例，按加料方式不同可分为

5、：以三效为例，按加料方式不同可分为： 1、并流（顺流）加料法、并流（顺流）加料法2、逆流加料法、逆流加料法3、平流加料法、平流加料法1、并流（顺流）加料法的蒸发流程、并流（顺流）加料法的蒸发流程料液和加热蒸汽的流向相同，即均由第一效顺序至末效。料液和加热蒸汽的流向相同，即均由第一效顺序至末效。 加热蒸汽进入第一效的加热室，蒸发出的二加热蒸汽进入第一效的加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为第二效的加热蒸次蒸汽进入第二效的加热室作为第二效的加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效，作为第三汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效，作为第三效的加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则被送至冷凝效的加热蒸汽，第三

6、效的二次蒸汽则被送至冷凝器全部冷凝。器全部冷凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依次流入第二效和第三效又被连续浓缩，完成液由次流入第二效和第三效又被连续浓缩，完成液由底部排出。即蒸汽与料液流向相同，都是从第一底部排出。即蒸汽与料液流向相同，都是从第一效至地三效。效至地三效。优点：优点：(1) 由于后效蒸发室压强比前一效来得低，故前由于后效蒸发室压强比前一效来得低，故前一效溶液进入后一效时，利用了效间的压强差，一效溶液进入后一效时，利用了效间的压强差，而不必另外用泵。而不必另外用泵。(2) 由于后一效的溶液沸点较前一效低，故前一由于后一效的溶液沸点较前一

7、效低，故前一效溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发，常效溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发，常称为自然蒸发或闪蒸，因而可产生更多的蒸汽。称为自然蒸发或闪蒸，因而可产生更多的蒸汽。缺点：缺点：由于后一效浓度较前一效高，且温度又较前由于后一效浓度较前一效高，且温度又较前一效低，所以沿流动方向上浓度逐渐升高，致使一效低，所以沿流动方向上浓度逐渐升高，致使传热系数逐渐下降。传热系数逐渐下降。并流法是最常见的蒸发流程。并流法是最常见的蒸发流程。2、逆流法、逆流法原料液由末效加入，用泵输送至前一效，完原料液由末效加入，用泵输送至前一效，完成液由第一效底部排出。成液由第一效底部排出。加热蒸汽流向仍是由第一

8、效顺序至末效。加热蒸汽流向仍是由第一效顺序至末效。蒸汽与料液流向相反，因而称为蒸汽与料液流向相反，因而称为“逆流法逆流法”。优点：优点：各效传热系数大致相同，浓度越各效传热系数大致相同，浓度越来越高，但温度也越来越高。来越高，但温度也越来越高。效与效间溶液需用泵来输送，能效与效间溶液需用泵来输送，能量消耗大。量消耗大。 缺点：缺点：3、平流加料法、平流加料法该流程主要应用于蒸发过程中该流程主要应用于蒸发过程中容易析出结晶容易析出结晶的场合的场合。 5-4-2 多效蒸发的设计型计算多效蒸发的设计型计算多效蒸发计算比单效蒸发计算要复杂得多，多效蒸发计算比单效蒸发计算要复杂得多，因为它的未知较多，一

9、般已知：因为它的未知较多，一般已知：进料量进料量F，及其浓度，及其浓度 x0 和温度和温度 t0第一效加热蒸汽温度第一效加热蒸汽温度 T1 或压力或压力 P1冷凝器中饱和蒸汽温度冷凝器中饱和蒸汽温度T3 / 或蒸发室压力或蒸发室压力PS 完成液浓度完成液浓度x3，各效的，各效的k及焓、比热等及焓、比热等1、各效溶剂的蒸发量，、各效溶剂的蒸发量，Wi2、第一效加热蒸汽消耗量，、第一效加热蒸汽消耗量，D 3、各效溶液沸点，、各效溶液沸点，ti4、各效传热面积，、各效传热面积，Si未知：未知：计算方法的计算方法的基本思想基本思想 物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算传热基本方程传热基本方程 对整个系统作

10、溶质的物料衡算得：对整个系统作溶质的物料衡算得：一、基本关系一、基本关系1、多效蒸发的、多效蒸发的物料衡算物料衡算（以三效并流法为例）（以三效并流法为例）30)(xWFFx或或 )1 ()(30303xxFxxxFW而而 WWWWW 321对任一效作溶质的物料衡算：对任一效作溶质的物料衡算： iixWWWFFx)(210 或或 2210 iiixWWWFFxx多效蒸发中，一般仅知道原料液和末效完成多效蒸发中，一般仅知道原料液和末效完成液的浓度，而其它各效的浓度均为未知量，所以液的浓度，而其它各效的浓度均为未知量，所以利用物料衡算只能求得总蒸发量利用物料衡算只能求得总蒸发量W，至于各效蒸，至于各

11、效蒸发量发量 Wi 及溶液浓度及溶液浓度 xi 还需结合焓衡算求得。还需结合焓衡算求得。2、多效蒸发的焓衡算（以三效并流为例）、多效蒸发的焓衡算（以三效并流为例） 参考上图，对于各效作焓衡算：参考上图，对于各效作焓衡算：111110)()(HWhWFhHDFhw第一效：第一效：适用条件：适用条件：加热蒸汽冷凝成饱和温度的水排出，蒸发器热加热蒸汽冷凝成饱和温度的水排出，蒸发器热损失不计。若忽略稀释热，则溶液的焓可用比热损失不计。若忽略稀释热，则溶液的焓可用比热来计算。以来计算。以0为基准：为基准： 000tchp111tchp11whHCp0：原料液比热；：原料液比热；Cp1：第一效中溶液比热；

12、：第一效中溶液比热；1：加热蒸汽的冷凝潜热：加热蒸汽的冷凝潜热 kJ / kg11111100)(HWtcWFDtFcpp前 面 已 推前 面 已 推导过：导过： pwppcWFccWF101）（111tcHpw将两式代入上式得：将两式代入上式得：第：第 I 效中二次蒸汽的汽化潜热效中二次蒸汽的汽化潜热 kJ/kg1)(01011111ttFcWDQp同理，可写出第二效及第同理，可写出第二效及第 i 效的焓衡算式：效的焓衡算式： 式中：式中：12或或 112WQ 221210222)(WttcWFcDQpwp（12WQ 推广到第推广到第 i 效：效： 11210)(iiiipwipwpwpii

13、iWttcWcWcWFcDQA 式式式 中 ：式 中 ： 1iiWD12WD 121ii23WD 2311iiiWQ111DQ 11222WDQ22333WDQ由由 A 式可求得第式可求得第 i 效的蒸发量，即：效的蒸发量，即： )(11210iiipwipwpwpiiittcWcWcWFcDW（注意：推导上式是在假设忽略稀释热及热损失注意：推导上式是在假设忽略稀释热及热损失情况下得出的，如不能忽略，则应将上式进行校情况下得出的，如不能忽略，则应将上式进行校正。即：正。即：iiiipwipwpwpiiittcWcWcWFcDW)(11210（一般校正系数一般校正系数 取取0.960.98 i对

14、于稀释热较大的溶液，例如对于稀释热较大的溶液，例如 NaOH 水溶液水溶液的的 与浓度与浓度 x 有关：有关：ixi7 . 098. 0 x：浓度的变化：浓度的变化 所以不能忽略稀释热时，可由两种方法求解所以不能忽略稀释热时，可由两种方法求解 Wi、直接用焓浓图计算，即查出溶液各温度下的、直接用焓浓图计算，即查出溶液各温度下的焓值，代入公式计算焓值，代入公式计算i、用比热计算，然后再乘以校正系数、用比热计算，然后再乘以校正系数 3、传热速率方程和有效温度差在各效中的分配、传热速率方程和有效温度差在各效中的分配 对任一效传热速率方程对任一效传热速率方程 iiiitskQ若已求得：加热蒸汽量若已求

15、得：加热蒸汽量 D各效蒸发量各效蒸发量 W1、W2、W3则可求得：各效传热面积，则可求得：各效传热面积，S 以三效为例：以三效为例： A 1111tkQS2222tkQS3333tkQS22333WDQ32333tTtTt11222WDQ21222tTtTt111DQ 111tTt多效蒸发中，一般采用传热面积相等的蒸发器多效蒸发中，一般采用传热面积相等的蒸发器即：即： S = S1 = S2 = S3111tSkQ222tSkQ323tSkQ由由B得得 CSkQt111SkQt222SkQt333如所求如所求 S 不等，应重新分配各效的有效温度差不等，应重新分配各效的有效温度差t，使得使得 S

16、 相等。方法如下：相等。方法如下：设设 t/ 为各效传热面积相等时的有效温度差，则为各效传热面积相等时的有效温度差，则 将将A各式两边各乘以各式两边各乘以S，并整理得：，并整理得： 1111tSSSkQ2222tSSSkQ3333tSSSkQDA 1111tkQS2222tkQS3333tkQS比较比较 D 与与 C 得得 E CSkQt111SkQt222SkQt3331111tSSSkQ2222tSSSkQ3333tSSSkQD111tSSt222tSSt333tSStE将将 E 中三式中三式相加得相加得 F StStStStttt332211321为各效有效温度差之和，称为各效有效温度差

17、之和，称“有效总温度差有效总温度差”。 t或或 ttStStSS332211由由 F 求得求得 S 后，可由后，可由 E 重新分配各效的有效重新分配各效的有效温度差。温度差。4、有效总温度差、有效总温度差 t加热蒸汽加热蒸汽 P1 和末效冷凝器和末效冷凝器 Pk 一定，则加热一定，则加热蒸汽的饱和温度蒸汽的饱和温度 T1 及末效二次蒸汽的饱和温度及末效二次蒸汽的饱和温度 Tk/ 一定。一定。故理论上传热的总温度差为：故理论上传热的总温度差为：1kTTTt但各效中有传热温度差损失但各效中有传热温度差损失(/、/、/)。实际传热实际传热总温度差总温度差=理论传热理论传热总温度差总温度差各效总温度各

18、效总温度差损失差损失 （G）niikniiTniiTTtt1111是各效总温度差损失，等于各是各效总温度差损失，等于各效温度差损失之和，效温度差损失之和，。nii1因因 所以所以 niiniiniinii1 1 11（H）5、蒸发器传热面积的计算、蒸发器传热面积的计算 传热速率方程传热速率方程 tkSQ若若 S1 S2 S3，须重新分配有效温度差。，须重新分配有效温度差。it方法方法：用：用 H、G、F、E四式重新计算四式重新计算 ，重，重复上述步骤，直到所求各效传热面积相等为止。复上述步骤，直到所求各效传热面积相等为止。 若若 k 已知已知则则 S 可求可求=DtkQS二、多效蒸发的计算步骤

19、二、多效蒸发的计算步骤 1、计算总蒸发量（以三效为例）、计算总蒸发量（以三效为例） )130 xxFW（据物料衡算）（据物料衡算） 2、估计各效的蒸发量、估计各效的蒸发量 (1) 按各效等蒸发量进行分配按各效等蒸发量进行分配 3WWii = 1、2、3 (2) 如为并流流程，可假设如为并流流程，可假设W1 : W2 : W3 = 1 : 1.1 : 1.2(3) 估计各效浓度估计各效浓度 101WFFxx2102WWFFxx32103WWWFFxx(4) 分配各效间的压强差（求分配各效间的压强差（求/） 假设各效压强降相等，即假设各效压强降相等，即 31kPPPktPPP1加热蒸汽压强加热蒸汽

20、压强 P1，末效冷凝器压强末效冷凝器压强Pk，则总压强差：则总压强差： 已知已知各效二次各效二次蒸汽压强蒸汽压强一效一效 PPP11二效二效 PPP212三效三效 kPPPP313冷凝器的压强冷凝器的压强 算得算得P1/、P2/、P3/，查二次蒸汽的饱和温度，查二次蒸汽的饱和温度 T/ 及汽化潜热及汽化潜热/ ，并列成表格：，并列成表格： 3汽化潜热汽化潜热饱和温度饱和温度二 次 蒸 汽 压 强二 次 蒸 汽 压 强1P3P2P2T1T3T125、计算各效温度差损失、计算各效温度差损失 1 111(1) 由于由于溶液蒸汽压下降溶液蒸汽压下降引起的温度差损失引起的温度差损失 2 222(2) 由

21、于由于静压强静压强引起的温度差损失引起的温度差损失 3 333(3) 由于由于阻力阻力引起的温度差损失引起的温度差损失 6、计算总温度差损失、计算总温度差损失 7、计算总有效温度差、计算总有效温度差 1kTTt8、计算各效溶液沸点、计算各效溶液沸点 1 1111Tt 2 2222Tt 3 3333Tt9、根据热量衡算，求各效蒸发量、根据热量衡算，求各效蒸发量Wi若忽略溶液浓缩热时，得若忽略溶液浓缩热时，得1iiWD111001111ttFcDWp2221102222)(ttcWFcDWpwp33322103333)(ttcWcWFcDWpwpwp对于对于 NaOH 水溶液：水溶液：xi007.

22、 098. 0 x：各效间的浓度变化。：各效间的浓度变化。 若考虑浓缩热，则须将上式进行校正，即乘若考虑浓缩热，则须将上式进行校正，即乘以校正系数以校正系数 ，98. 096. 0ii10、验核各效蒸发量、验核各效蒸发量 Wi 将将 9 中算得的蒸发量中算得的蒸发量 Wi 与与 2 中估算得到的中估算得到的蒸发量蒸发量 Wi 比较，如有明显的差别（相对误差比较，如有明显的差别（相对误差0.05），则第二步假设值不当，须重新假设。），则第二步假设值不当，须重新假设。方法：方法：将将 9 算得的算得的 Wi 作为新的假定值，重复上述作为新的假定值，重复上述计算步骤（计算步骤（29），直到两者相符为

23、止。），直到两者相符为止。11、计算各效传热量、计算各效传热量一效一效 111DQ 二效二效 112WQ 三效三效 223WQ 12、分配各效有效温度差、分配各效有效温度差 各效的传热温度差：各效的传热温度差： 111tTt21222tTtTt32333tTtTt按各效传热面积相等原则进按各效传热面积相等原则进行分配，如行分配，如S1、S2、S3 误差较大误差较大（相对误差（相对误差0.05），须重新分），须重新分配各效有效温度差，按配各效有效温度差，按 F、E 两两式进行分配。式进行分配。 05. 0maxminmaxSSS13、估算传热面积、估算传热面积 根据各效的温度差及温度差损失计算其

24、二次根据各效的温度差及温度差损失计算其二次蒸汽温度。蒸汽温度。 iiiiTTt1111tTT2212tTT3323tTT查1P2P3P将将 13 得到的二次蒸汽压强与得到的二次蒸汽压强与 4 中估算的中估算的 P1/、 P2/、 P3/ 比较是否相符，如相差较大，则需比较是否相符，如相差较大，则需重新假设二次蒸汽压强。重新假设二次蒸汽压强。方法：方法：将将 13 得到得到 P1/、 P2/、 P3/ 作为新的假设值重作为新的假设值重复上述计算，直至两者相符为止。复上述计算，直至两者相符为止。 14、估计各效传热面积、估计各效传热面积iiiitkQS检验各效传热面积检验各效传热面积 S 是否相等

25、，是则计算结是否相等，是则计算结束；如有明显差别，说明第束；如有明显差别，说明第 12 步对有效温度差分步对有效温度差分配不当，可按下式对各效有效温度差重新分配。配不当，可按下式对各效有效温度差重新分配。 iiitSSt15、调整各效有效温度差后，从、调整各效有效温度差后，从 13 步开始步开始以上计算，直至各效传热面积相等。以上计算，直至各效传热面积相等。 求总蒸发量假设W1：W2：W3x1，x2，x3根据各效压降相等原则估算，/1p确定各效液相温度 /1p/2p重新假设，算出D，W1，W2，W3验核与原假设是否相近否重新假设W1，W2，W3/2p按各效传热面积相等原则分配各效的有效温度差

26、/1T/2T/3T计算各效二次蒸汽温度，由，查 ，与原假设是否接近/1T/2T/1p/2p由传热基本方程计算各效传热面积比较各效传热面积是否相等或接近重新分配各效温度差结束验核是是是否5-5 单效蒸发和多效蒸发的比较单效蒸发和多效蒸发的比较一、溶液的温度差损失一、溶液的温度差损失 设：设：单效蒸发和多效蒸发操作条件相同，即第一单效蒸发和多效蒸发操作条件相同，即第一效加热蒸汽的压强和冷凝器的操作压强相同。效加热蒸汽的压强和冷凝器的操作压强相同。 多效蒸发：多效蒸发：每一效蒸发器都要损失温度差。每一效蒸发器都要损失温度差。多效蒸发的温度差损失比单效蒸发的温度差多效蒸发的温度差损失比单效蒸发的温度差损失来得大，效数越多损失越大；损失来得大，效数越多损失越大；由此可知，由此可知