第五章 蒸 发

1、第五章第五章 蒸蒸 发发5-1 蒸发过程概述蒸发过程概述 一、蒸发过程概述一、蒸发过程概述1蒸发的蒸发的概念概念 将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发挥发性溶剂性溶剂部分汽化从而将溶液部分汽化从而将溶液浓缩浓缩的过程称为蒸发。的过程称为蒸发。 分离的基础分离的基础：溶质与溶剂的挥发性不同。：溶质与溶剂的挥发性不同。 蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许蒸发操作广泛应用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。多工业中。2蒸发操作的蒸发操作的目的目的（1）稀溶液的增浓稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液直接制取液体产品，或者将浓缩的溶

2、液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品（蔗糖水溶再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品（蔗糖水溶液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等）；液的浓缩以及各种果汁、牛奶的浓缩等）；（2）纯净溶剂纯净溶剂的制取（海水蒸发脱盐制取淡水）。的制取（海水蒸发脱盐制取淡水）。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂（中药生产中酒精浸出液）同时制备浓溶液和回收溶剂（中药生产中酒精浸出液的蒸发）。的蒸发）。 工业上被蒸发的溶液多为工业上被蒸发的溶液多为水溶液水溶液，本章的讨论仅，本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。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原则上，水溶液蒸发的基本原理和设备对其它液体的蒸发

3、也是适用的。体的蒸发也是适用的。3蒸发流程蒸发流程 当液体受热时，靠近加热面的分子不断地获得动能。当一当液体受热时，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，即从液体表面逸出而成为自由分子，即分子的汽化分子的汽化（分子运分子运动学说动学说）。）。 溶液的蒸发需要不断地向溶液溶液的蒸发需要不断地向溶液提供热能提供热能，以维持分子的连，以维持分子的连续汽化；液面上方的蒸汽必须及时移除，否则蒸汽与溶液续汽化；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

4、续进行。将逐渐趋于平衡，汽化将不能连续进行。 主体设备主体设备蒸发器蒸发器 由由加热室加热室和和分离分离室室两部分组成。两部分组成。料液料液加热介质（饱加热介质（饱和水蒸汽）和水蒸汽） 完成液完成液分离室分离室蒸汽蒸汽生蒸汽或新鲜蒸汽生蒸汽或新鲜蒸汽加热蒸汽。加热蒸汽。二次蒸汽二次蒸汽溶液蒸出的蒸汽。溶液蒸出的蒸汽。对于沸点较高的溶液的蒸发，可采用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。介质，也可以采用烟道气直接加热。4蒸发过程的分类蒸发过程的分类（1）常压蒸发、加压蒸发常压蒸发、加压蒸发和和减压蒸发减

5、压蒸发 热敏性料液热敏性料液（抗生素溶液、果汁等的蒸发等）（抗生素溶液、果汁等的蒸发等）为保证产品质量，需在为保证产品质量，需在减压条件下减压条件下进行。进行。 减压蒸发的减压蒸发的优点优点：1）溶液沸点低，可）溶液沸点低，可防止热敏性物料的变性或分解；防止热敏性物料的变性或分解；2）可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽；）可以利用低压蒸汽或废热蒸汽作为加热蒸汽；3）溶液）溶液沸点降低沸点降低，在加热蒸汽温度一定的条件下，蒸，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，传热面积减小；发器传热的平均温度差增大，传热面积减小； 4）由于温度低，系统的热损失小。）由于温度低，系统的热损

6、失小。 减压蒸发的减压蒸发的缺点缺点：1）由于沸点降低，溶液的）由于沸点降低，溶液的粘度增大粘度增大，使蒸发的传热，使蒸发的传热系数减小。系数减小。2）减压蒸发时，造成真空需要）减压蒸发时，造成真空需要增加设备和动力增加设备和动力。（2）单效蒸发单效蒸发与与多效蒸发多效蒸发 根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽。根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽。 单效蒸发单效蒸发将二次蒸汽直接冷凝而不再利用其冷凝热。将二次蒸汽直接冷凝而不再利用其冷凝热。 多效蒸发多效蒸发将二次蒸汽引至下一蒸发器作为加热蒸汽，将二次蒸汽引至下一蒸发器作为加热蒸汽，将多个蒸发器串联，使加热蒸汽多次利用。将多个蒸发器串

7、联，使加热蒸汽多次利用。 额外蒸汽额外蒸汽多效蒸发中，将某一效的二次蒸汽引出一部多效蒸发中，将某一效的二次蒸汽引出一部分用作其他加热目的的蒸汽（这一部分蒸汽不再引入下一分用作其他加热目的的蒸汽（这一部分蒸汽不再引入下一效）效）（3）间歇蒸发间歇蒸发与与连续蒸发连续蒸发 根据蒸发的根据蒸发的过程模式过程模式。 间歇蒸发间歇蒸发分批进料或出料分批进料或出料的蒸发操作；非稳态的蒸发操作；非稳态操作；适合于操作；适合于小规模多品种小规模多品种的场合。的场合。 连续蒸发适合于连续蒸发适合于大规模大规模的生产过程。的生产过程。 5蒸发操作的蒸发操作的特点特点 蒸发：蒸汽冷凝蒸发：蒸汽冷凝溶液沸腾；溶液沸腾

8、；热量传递过程热量传递过程，传传热速率热速率是蒸发过程的控制因素；蒸发所用的设备属是蒸发过程的控制因素；蒸发所用的设备属于于热交换设备热交换设备。 与一般的传热过程比较，蒸发过程具有自身的特点。与一般的传热过程比较，蒸发过程具有自身的特点。（1）传热性质传热性质 蒸汽冷凝蒸汽冷凝溶液沸腾；溶液沸腾； 壁面两侧均为壁面两侧均为有相变恒温传热有相变恒温传热。（2）溶液沸点的改变溶液沸点的改变 溶液浓度增高，沸点亦增高。溶液浓度增高，沸点亦增高。（3）溶液性质溶液性质 晶体析出、结垢、生泡沫，高温分解或聚合；晶体析出、结垢、生泡沫，高温分解或聚合； 粘度增大，腐蚀性增强。粘度增大，腐蚀性增强。（4）

9、泡沫夹带泡沫夹带 损失物料，污染冷凝设备；损失物料，污染冷凝设备； 冷凝前需去除泡沫。冷凝前需去除泡沫。（5）能源利用能源利用 二次蒸汽的潜热利用。二次蒸汽的潜热利用。 ！蒸发器的结构必须有别于一般换热器！蒸发器的结构必须有别于一般换热器。5-2 单效蒸发单效蒸发 一一. 溶液的沸点和温度差损失溶液的沸点和温度差损失1. 溶液的沸点溶液的沸点 蒸气压下降蒸气压下降-溶液中含有溶液中含有不挥不挥发的溶质发的溶质，在相同条件下，其，在相同条件下，其蒸气压比纯水的低；蒸气压比纯水的低； 沸点升高沸点升高-溶液的沸点比纯溶液的沸点比纯水的高水的高，两者之差称为因溶液，两者之差称为因溶液蒸气压下降而引起

10、的沸点升高。蒸气压下降而引起的沸点升高。 沸点升高现象对蒸发操作的有沸点升高现象对蒸发操作的有效温度差效温度差不利不利。2. 温度差损失温度差损失1）因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失因溶液蒸气压下降而引起的温度差损失 溶液沸点升高主要与溶液类别、组成及操作压强有关，一溶液沸点升高主要与溶液类别、组成及操作压强有关，一般由实验测定。般由实验测定。 估算公式：估算公式： =f a a-常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高 f-校正系数，量纲为校正系数，量纲为1。f=r0.0162(T+273)2经验计算公式经验计算公式 杜林规则杜林规则：溶液的沸：溶液

11、的沸点和相同压强下溶剂点和相同压强下溶剂沸点间呈线性关系。沸点间呈线性关系。 杜林直线杜林直线: t=ktw+btAtAtwtwNM 不同组成的杜林直线不不同组成的杜林直线不平行，平行，k, b都是溶液的都是溶液的质量分数质量分数x组成的函数。组成的函数。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 加热管内积有一定高度的液层，液层内压强大于液体表面加热管内积有一定高度的液层，液层内压强大于液体表面压强，因此压强，因此液层内溶液的沸点高于液面的沸点液层内溶液的沸点高于液面的沸点。 液层内部沸点与表面沸点之差即为液柱静压强引起的温度液层内部沸点与表面沸点之差

12、即为液柱静压强引起的温度差损失差损失。 通常以液层中部的平均压强通常以液层中部的平均压强pm及相应的沸点及相应的沸点tAm为准，中为准，中部的压强为部的压强为pm=p+ gl/2，以，以pm查出纯水沸点查出纯水沸点tpm。 =tpm-tppL3）由于管路流动阻力而引起的温度差损失）由于管路流动阻力而引起的温度差损失 因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降低，温度也因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降低，温度也相应下降，一般约降相应下降，一般约降1oC。这种损失即为因管路流动阻。这种损失即为因管路流动阻力而引起的温度差损失力而引起的温度差损失。 一般取效间二次蒸汽温度下降一般取效间二次蒸汽温度下降

13、1oC，末效或单效蒸，末效或单效蒸发器至冷凝器间下降发器至冷凝器间下降11.5oC。 蒸发器的温差损失蒸发器的温差损失: = += t- T 总温差：总温差： tr=T- T 有效温差：有效温差： t =T-t 溶液的沸点：溶液的沸点：t=T+ 在蒸发计算中，溶液的沸点是基本数在蒸发计算中，溶液的沸点是基本数据。据。 若温度差损失很大时，沸点就很高，若温度差损失很大时，沸点就很高，因而必须相应地提高加热蒸汽的压强，因而必须相应地提高加热蒸汽的压强，以保证具有必要的传热温度差。以保证具有必要的传热温度差。二、单效蒸发的计算二、单效蒸发的计算-物料与热量衡算物料与热量衡算 对于单效蒸发，通常给定的

14、生产任务和操作条件是：对于单效蒸发，通常给定的生产任务和操作条件是： 原料液流量、组成与温度；完成液组成；加热蒸汽的原料液流量、组成与温度；完成液组成；加热蒸汽的压强或温度；冷凝器的压强或温度。压强或温度；冷凝器的压强或温度。 要求确定：要求确定：（1）水的）水的蒸发量蒸发量或或完成液的量完成液的量；（2）加热蒸汽的）加热蒸汽的消耗量消耗量；（3）蒸发器的）蒸发器的传热面积传热面积。 蒸发过程的基本方程是蒸发过程的基本方程是质量守恒方程、能量守恒方程质量守恒方程、能量守恒方程以及以及传热速率方程传热速率方程。可分别由。可分别由物料衡算、热量衡算物料衡算、热量衡算和和传热速率传热速率方程方程求出

15、。求出。1. 蒸发量蒸发量 W 溶质的物料衡算溶质的物料衡算 Fx0=（F-W）x1F原料液量，原料液量，kg/h；W水的蒸发量，水的蒸发量，kg/h； L完成液量，完成液量，kg/h； x0料液中溶质的浓度，质量分率；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。完成液中溶质的浓度，质量分率。 2. 加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量D-热量衡算热量衡算 蒸发器的热量衡算蒸发器的热量衡算 DH+Fh0=WH+(F-W)h1+Dhw+QL Q=D(H-hw)= WH+(F-W)h1+QLD=WH+(F-W)h1-Fh0+QLH-hwD加热蒸汽耗量，加热蒸汽耗量，kg/h；H加热蒸汽

16、的焓，加热蒸汽的焓，kJ/kg； h0原料液的焓，原料液的焓，kJ/kg； H二次蒸汽的焓，二次蒸汽的焓，kJ/kg； h1完成液的焓，完成液的焓，kJ/kg； hw冷凝水的焓，冷凝水的焓，kJ/kg； QL蒸发器的热损失，蒸发器的热损失，kJ/h； Q 蒸发器的热负荷或传热速率，蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h。 蒸发操作中，生蒸汽的热量一般用于蒸发操作中，生蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸将溶液加热至沸点点，将水分蒸发为蒸汽将水分蒸发为蒸汽以及以及向周围散失的热量向周围散失的热量。 对某些溶液，如对某些溶液，如CaCl2、NaOH等水溶液，稀释时放出等水溶液，稀释时放出热量，因此蒸发这些

17、溶液时应考虑要供给和稀释热量热量，因此蒸发这些溶液时应考虑要供给和稀释热量相当的相当的浓缩热浓缩热。 溶液的焓值溶液的焓值是其浓度和温度的函数。因此，在应用热是其浓度和温度的函数。因此，在应用热量衡算式求算量衡算式求算D时，按两种情况分别讨论：溶液的稀释时，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。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可忽略溶液稀释热的情况 大多数溶液属于此种情况（中等浓度的无机盐水溶液）。大多数溶液属于此种情况（中等浓度的无机盐水溶液）。 对于这种溶液，其焓值可由比热容近似计算。对于这种溶液，其焓值可由比热容近似计算。 若以若

18、以0的溶液为基准，则：的溶液为基准，则：h0=cp0t0 ; h1=cp1t1 ; hw=cpwT D(H-cpwT )= WH+(F-W) cp1t1-Fcp0t0+QL 当溶液溶解的热效应不大时，其比热容可近似按线性加合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原则，由水的比热容和溶质的比热容加合计算: cp=cpw(1-x)+cpBx x 1。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。2溶液稀释热不可忽略的情况溶液稀释热不可忽略的情况 对于这类溶液，其焓值需由专对于这类溶液，其焓值需由专门的门的焓浓图焓浓图查得。查得

19、。 通常溶液的焓浓图需由实验测通常溶液的焓浓图需由实验测定。定。 当有明显的稀释热时，溶液的当有明显的稀释热时，溶液的焓是浓度的高度非线性函数。焓是浓度的高度非线性函数。D=WH+(F-W)h1-Fh0+QLrr-加热蒸汽的汽化热，加热蒸汽的汽化热，kJ/kg3. 传热面积传热面积S So o-传热速率方程传热速率方程 蒸发器的传热速率方程与通常的热交换器相同蒸发器的传热速率方程与通常的热交换器相同 Q=SoKotm So=Q/(Kotm) 1) 平均温度差平均温度差tm 蒸发过程中，加热面两侧流体均处于恒温、蒸发过程中，加热面两侧流体均处于恒温、有有相变状态：相变状态： tm=T-t2) 基

20、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Ko3) 蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q-当忽略加热器的热损失，则当忽略加热器的热损失，则Q为加热蒸为加热蒸汽冷凝放出的热量，即汽冷凝放出的热量，即Q=Dr+Ko1=RsiRso+doidi+bdodm1o+dodi 例：现采用某单效真空蒸发器来浓缩某水溶液。已知进料量为例：现采用某单效真空蒸发器来浓缩某水溶液。已知进料量为10吨吨/h，料液从，料液从15%浓缩至浓度为浓缩至浓度为60%（均为质量分数），沸（均为质量分数），沸点进料；加热蒸汽压力为点进料；加热蒸汽压力为300kPa（绝压）；冷凝水在饱和温度（绝压）；冷凝水在饱和温度下排出；冷凝

21、器内的真空度为下排出；冷凝器内的真空度为81.3kPa，各项温度差损失分别，各项温度差损失分别为为=2.5， =3.5；热损失为加热蒸汽放出热量的；热损失为加热蒸汽放出热量的5%，传热系数传热系数K=2500w.m-2. -1。试：（试：（1）估算单位蒸汽耗量为多少？（）估算单位蒸汽耗量为多少？（2）估算蒸发器的传热）估算蒸发器的传热面积为多少面积为多少m2?附：饱和水蒸汽性质附：饱和水蒸汽性质 压力压力kPa 温度温度 汽化潜热汽化潜热 kJ/kg 20 60.1 2454.9 30 66.5 2333.7 101.3 100 2258.4 300 133.3 2168.1（1）求）求D /

22、 W D =Wr+FCp(t1 t0 )+QL /r 沸点进料沸点进料t1=t0 ，且，且QL =0.05Dr D / w = r/ 0.95 r , W=F(1-x0 /x1 )=10103 (1-15/60)=7500kg/h 由由P =300kPa ，查表得，查表得r =2168.1kJ.kg-1 ， T =133.3 P=101.3-80.3=20kPa, 查表得查表得T=60.1，查表得，查表得 r=2354.9kJ.kg-1 D / W=2354.9/(0.952168.1)=1.19（2）求）求S S=Q/（ktm ）=(D r )/k(T t1 ) 而而t1 =T +=60.1

23、+2.5+3.5=66.1A=(1.1975002168.1) 1000 / 36002500(133.3-66.1) =31.99m2 三、蒸发强度与加热蒸汽的经济性三、蒸发强度与加热蒸汽的经济性 蒸发强度蒸发强度与与加热蒸汽的经济性加热蒸汽的经济性是衡量蒸发装置性能的是衡量蒸发装置性能的两个重要技术经济指标。两个重要技术经济指标。（一）蒸发器的生产能力和蒸发强度（一）蒸发器的生产能力和蒸发强度1.蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力 指单位时间内蒸发的水量，其单位为指单位时间内蒸发的水量，其单位为kg/h。 大小由蒸发器的大小由蒸发器的传热速率传热速率Q来决定。来决定。 Q=SKt=KS(T-

24、t1)原料液进入蒸发器温度原料液进入蒸发器温度传热面所传递热量用途传热面所传递热量用途蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力沸点下进入蒸发器沸点下进入蒸发器蒸发水分蒸发水分生产能力和传递速度成生产能力和传递速度成比例比例低于沸点下进入蒸发器低于沸点下进入蒸发器将冷溶液加热至沸点将冷溶液加热至沸点降低了生产能力降低了生产能力高于沸点下进入蒸发器高于沸点下进入蒸发器部分原料液的自动蒸发部分原料液的自动蒸发有所增加有所增加D=Wr+Fcp0(t1-t0)+ QLr将原料液加热到沸点将原料液加热到沸点蒸发水分蒸发水分向周围的热损失向周围的热损失2. 蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度 为定量地反映一个蒸发器的

25、优劣，采用为定量地反映一个蒸发器的优劣，采用蒸发强度蒸发强度的概念。的概念。 蒸发强度指单位时间内单位传热面积上所蒸发的水量蒸发强度指单位时间内单位传热面积上所蒸发的水量 U=W/S 蒸发强度是评价蒸发器优劣的重要指标。蒸发强度是评价蒸发器优劣的重要指标。 对于给定的蒸发量而言，蒸发强度越大，则所需的传热面对于给定的蒸发量而言，蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越小。积越小，因而蒸发设备的投资越小。Q=Wr=SKt U= Kt /r 提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数K和传热温度和传热温度差差t （1）传热温度差的大小取决于）传热温

26、度差的大小取决于加热蒸汽的压力加热蒸汽的压力和和冷凝器操冷凝器操作压力作压力。加热蒸汽压力的提高，常常受工厂供气条件的限。加热蒸汽压力的提高，常常受工厂供气条件的限制（制（0.30.5MPa，0.60.8MPa）。冷凝器中真空度的提高）。冷凝器中真空度的提高（动力消耗，溶液的沸点降低，粘度增加，（动力消耗，溶液的沸点降低，粘度增加，K下降）。因下降）。因此，冷凝器的操作真空度一般不应低于此，冷凝器的操作真空度一般不应低于1020 kPa。 传热温度差的提高是有限制的传热温度差的提高是有限制的。（2）总传热系数）总传热系数K取决于两侧对流传热系数和污垢热阻。取决于两侧对流传热系数和污垢热阻。 冷

27、凝的传热系数冷凝的传热系数沸腾传热系数，但需及时排除蒸汽中的不沸腾传热系数，但需及时排除蒸汽中的不凝气体。凝气体。 溶液侧沸腾传热系数溶液侧沸腾传热系数是影响总传热系数的主要因素是影响总传热系数的主要因素。 当蒸发易结垢和有结晶析出的溶液时，当蒸发易结垢和有结晶析出的溶液时，污垢热阻污垢热阻是影响总传是影响总传热系数的重要因素（热系数的重要因素（定期清洗，采用减小垢层热阻的其它措定期清洗，采用减小垢层热阻的其它措施，施，在溶液中加入微量阻垢剂等在溶液中加入微量阻垢剂等)。+Ko1=RsiRso+doidi+bdodm1o+dodi（二）加热蒸汽的经济性（二）加热蒸汽的经济性 蒸发过程是一个能耗

28、较大的单元操作，因此能耗是蒸发过蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，因此能耗是蒸发过程优劣的另一个重要评价指标，通常以加热蒸汽的经济性程优劣的另一个重要评价指标，通常以加热蒸汽的经济性来表示。加热蒸汽的经济性指来表示。加热蒸汽的经济性指1kg生蒸汽可蒸发的水分量，生蒸汽可蒸发的水分量，即即E=WD=1e 5-3 多效蒸发多效蒸发 背景背景-单效蒸发时，单效蒸发时，e1，即每蒸发，即每蒸发1kg水需消耗不少于水需消耗不少于1kg的加热蒸汽。对于大规模的工业蒸发过程，如果采用的加热蒸汽。对于大规模的工业蒸发过程，如果采用单效操作必然消耗大量的加热蒸汽，这在单效操作必然消耗大量的加热蒸汽，这在经济上是

29、不合理经济上是不合理的。工业上多采用的。工业上多采用多效蒸发多效蒸发操作。操作。 在多效蒸发中，在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低各效的操作压力依次降低，相应地，相应地，各效各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。仅第一次需要。仅第一次需要消耗生蒸汽。消耗生蒸汽。 由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，提高了生蒸汽的利用率，即提高了经济效益。加热蒸汽，提高了生蒸汽的利用率，即提高了经济效益。 例如，若原料液在沸点下进入蒸发器，并忽略热损失、各种温例如，若原料液在沸点下进入蒸发器，并忽

30、略热损失、各种温度差损失以及不同压强下汽化热的差别，则理论上，单效度差损失以及不同压强下汽化热的差别，则理论上，单效D/W1，双效的，双效的D/W1/2，三效的，三效的D/W1/3，n效的效的D/W1/n。效数效数单效单效双效双效三效三效四效四效五效五效(D/W)min1.10.570.40.30.27 节省蒸汽量，效数节省蒸汽量，效数，能耗，能耗，操作费，操作费 但是，效数增加，设备费用都成倍增大但是，效数增加，设备费用都成倍增大( (合理的效数合理的效数) )。 只有当提供的加热蒸汽的压力较高或末效采用真空的条件只有当提供的加热蒸汽的压力较高或末效采用真空的条件下，多效蒸发才下，多效蒸发才

31、可行可行。 以三效蒸发为例，如果第一效的加热蒸汽为低压蒸汽（如以三效蒸发为例，如果第一效的加热蒸汽为低压蒸汽（如常压），显然末效（第三效）应在常压），显然末效（第三效）应在真空真空下操作，才能使各下操作，才能使各效间都维持一定的压力差及温度差；反之，如果末效在常效间都维持一定的压力差及温度差；反之，如果末效在常压下操作，则要求第一效的加热蒸汽有较高的压力。压下操作，则要求第一效的加热蒸汽有较高的压力。 一、多效蒸发流程一、多效蒸发流程 按溶液与蒸汽相对流向的不同，多效蒸发有按溶液与蒸汽相对流向的不同，多效蒸发有3种常见的加料种常见的加料流程（模式）：流程（模式）：并流：溶液与蒸汽并流：溶液与蒸

32、汽的流向相同。的流向相同。平流：每一效都平流：每一效都加入原料液。加入原料液。逆流：溶液与蒸逆流：溶液与蒸汽的流向相反。汽的流向相反。1并流模式并流模式 溶液与蒸汽的流动方向相同，均由第一效顺序流至末效。溶液与蒸汽的流动方向相同，均由第一效顺序流至末效。 蒸汽流动方向：蒸汽流动方向： 123溶液流动方向：溶液流动方向： 123 并流法的并流法的优点优点： p1p2p3，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；泵送； t1t2t3，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成溶液的过热量形成自蒸发自

33、蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因，可产生更多的二次蒸汽，因此此第三效的蒸发量最大第三效的蒸发量最大。 并流法的并流法的缺点缺点：溶液浓度溶液浓度w3w2w1, w, 321溶液温度溶液温度t1t2t3，t , 321 这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高， K，整个系统，整个系统的蒸发能力降低。的蒸发能力降低。 因此，若遇到溶液的因此，若遇到溶液的随浓度随浓度W的增加而变化很快的情况，并流的增加而变化很快的情况，并流流程就不适用，此时可用逆流流程。流程就不适用，此时可用逆流流程。2.2.逆流流程逆流流程 溶液流动方向：溶液流动方向：321321 蒸汽

34、流动方向：蒸汽流动方向：123123优点：优点：w1w2w3，w, ，123 t1t2t3，t, ，12p2p3,料液从后效往前一效要料液从后效往前一效要用用泵输送泵输送。 各效进料（末效除外）都比沸点低，各效进料（末效除外）都比沸点低，产生的二次蒸汽量较少。产生的二次蒸汽量较少。 （3）平流流程平流流程 各效各效分别进料并分别出料分别进料并分别出料，二次蒸汽多次利用。，二次蒸汽多次利用。 对易结晶的物料较合适对易结晶的物料较合适（因为结晶体不便在效与效之间输（因为结晶体不便在效与效之间输送）。送）。二、多效蒸发的计算二、多效蒸发的计算 多效蒸发计算中，已知条件是：原料液的流量、组成和温度，多

35、效蒸发计算中，已知条件是：原料液的流量、组成和温度，加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度，冷凝器的真空度或温度，加热蒸汽（生蒸汽）的压强或温度，冷凝器的真空度或温度，末效完成液的组成等。末效完成液的组成等。 需要设计的项目是：需要设计的项目是：生蒸汽的消耗量、各效的蒸发量、各效的生蒸汽的消耗量、各效的蒸发量、各效的传热面积传热面积。 解决方法仍采用解决方法仍采用物料衡算、热量衡算和传热速率物料衡算、热量衡算和传热速率等三个基本方等三个基本方程式。程式。 多效蒸发中，效数越多，变量的数目越多。通常对其作一些简多效蒸发中，效数越多，变量的数目越多。通常对其作一些简化和假定，然后用试差法进行计算。化和假定

36、，然后用试差法进行计算。三、多效蒸发与单效蒸发的比较三、多效蒸发与单效蒸发的比较1溶液的溶液的温度差损失温度差损失 多效蒸发的温度差损失比单效蒸发时大多效蒸发的温度差损失比单效蒸发时大。 效数越多，温度差损失越大效数越多，温度差损失越大。 2加热蒸汽的加热蒸汽的经济性经济性 多效蒸发旨在通过多效蒸发旨在通过二次蒸汽的再利用二次蒸汽的再利用，提高加热蒸汽，提高加热蒸汽的利用程度，从而的利用程度，从而降低能耗降低能耗。 设单效蒸发与设单效蒸发与n效蒸发所蒸发的水量相同，则在理想情效蒸发所蒸发的水量相同，则在理想情况下，单效蒸发时单位蒸汽用量为况下，单效蒸发时单位蒸汽用量为D/W=1，而，而n效蒸发

37、效蒸发时时D/W=1/n（kg蒸汽蒸汽/kg水）。水）。 效数越多，单位蒸汽的消耗量越小，相应的操作费用效数越多，单位蒸汽的消耗量越小，相应的操作费用越低越低。 若需蒸发大量的水分，宜采用多效蒸发若需蒸发大量的水分，宜采用多效蒸发。效数效数 2345eT ，kg蒸汽蒸汽/kg水水10.50.330.250.2ep ，kg蒸汽蒸汽/kg水水1.10.570.40.30.273生产能力生产能力和和蒸发强度蒸发强度 蒸发器的生产能力即蒸发量与蒸发器的传热速率成正比，蒸发器的生产能力即蒸发量与蒸发器的传热速率成正比，设各效蒸发器的传热面积相等、各效传热系数亦相等，则：设各效蒸发器的传热面积相等、各效传

38、热系数亦相等，则： 设操作条件即加热蒸汽压力、冷凝器操作压力以及原料与设操作条件即加热蒸汽压力、冷凝器操作压力以及原料与完成液浓度均相同，无温度差损失，则二者生产能力大致完成液浓度均相同，无温度差损失，则二者生产能力大致相同。相同。 实际上，由于多效蒸发的温度差损失较大，因此，实际上，由于多效蒸发的温度差损失较大，因此，多效蒸多效蒸发时的生产能力和生产强度均较单效时小发时的生产能力和生产强度均较单效时小。 采用多效虽可提高加热蒸汽的利用率，但降低了生产强度，采用多效虽可提高加热蒸汽的利用率，但降低了生产强度，其能量利用率的提高是以增加设备费为代价的。其能量利用率的提高是以增加设备费为代价的。4

39、. 多效蒸发中的多效蒸发中的效数限制及最佳效数效数限制及最佳效数 随着多效蒸发效数的增加，温度差损失加大，因此多效蒸发的随着多效蒸发效数的增加，温度差损失加大，因此多效蒸发的效数是有一定限制的。效数是有一定限制的。 效数效数，单位蒸汽的耗量，单位蒸汽的耗量，操作费用，操作费用 ； 效数效数 ，设备投资费，设备投资费 。 尽管尽管(D/W)min随效数的增加而降低，但降低的幅度越来越小。随效数的增加而降低，但降低的幅度越来越小。 因此，蒸发的适宜效数应根据因此，蒸发的适宜效数应根据设备费与操作费之和为最小设备费与操作费之和为最小的原的原则权衡确定。则权衡确定。 溶液的溶液的沸点升高大沸点升高大，

40、采用的效数少，例如，采用的效数少，例如NaOH溶液，一般用溶液，一般用23效；溶液的效；溶液的沸点升高小沸点升高小，采用的效数多，如糖水溶液的蒸，采用的效数多，如糖水溶液的蒸发用发用46效。效。 四、提高加热蒸汽经济性的其它措施四、提高加热蒸汽经济性的其它措施1抽出额外蒸汽抽出额外蒸汽 额外蒸汽是将额外蒸汽是将部分二次蒸汽部分二次蒸汽用于其它加热设备的热源。用于其它加热设备的热源。2冷凝水显热冷凝水显热的利用的利用 蒸发器的加热室排出大量冷凝水，如果这些蒸发器的加热室排出大量冷凝水，如果这些具有较高温度的冷具有较高温度的冷凝水凝水直接排走，则会造成大量的能源和水源的浪费。直接排走，则会造成大量

41、的能源和水源的浪费。 可以将这些冷凝水用作可以将这些冷凝水用作预热预热料液或加热其它物料料液或加热其它物料，也可，也可以用减压闪蒸的方法使之产以用减压闪蒸的方法使之产生部分蒸汽与二次蒸汽一起生部分蒸汽与二次蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸作为下一效蒸发器的加热蒸汽。汽。3热泵蒸发热泵蒸发 将二次蒸汽用压缩机将二次蒸汽用压缩机压缩压缩，提高其压力，使其，提高其压力，使其饱和温度超过溶饱和温度超过溶液的沸点液的沸点，然后送回加热室作为加热蒸汽，称为，然后送回加热室作为加热蒸汽，称为热泵蒸发热泵蒸发。 采用热泵蒸发只需在蒸发器开工阶段供应加热蒸汽，当采用热泵蒸发只需在蒸发器开工阶段供应加热蒸汽，当操

42、作达操作达到稳定后，不再需要加热蒸汽到稳定后，不再需要加热蒸汽，只需提供使二次蒸汽升压所需，只需提供使二次蒸汽升压所需要的功，因而节省了大量的生蒸汽。要的功，因而节省了大量的生蒸汽。 在单效蒸发和多效蒸发的末效中，二次蒸汽的潜热全部由冷凝在单效蒸发和多效蒸发的末效中，二次蒸汽的潜热全部由冷凝水带走，而在热泵蒸发中，不但没有此项热损失，而且不消耗水带走，而在热泵蒸发中，不但没有此项热损失，而且不消耗冷却水，这是冷却水，这是热泵蒸发节能热泵蒸发节能的原因所在。的原因所在。 但是，热泵蒸发但是，热泵蒸发不适合于沸点上升较大的溶液蒸发不适合于沸点上升较大的溶液蒸发。因为溶液。因为溶液的沸点升高较大时，

43、蒸发器的传热推动力变小，所以的沸点升高较大时，蒸发器的传热推动力变小，所以二次蒸汽二次蒸汽所需的压缩比将变大，这在经济上不合理所需的压缩比将变大，这在经济上不合理。此外，压缩机的投。此外，压缩机的投资较大，都在一定程度上也限制了热泵蒸发的应用。资较大，都在一定程度上也限制了热泵蒸发的应用。5-3 蒸发设备蒸发设备 种类繁多，结构各异。种类繁多，结构各异。（一）常用蒸发器的结构与特点（一）常用蒸发器的结构与特点 根据两流体间接触方式根据两流体间接触方式间接加热式、直接加热式间接加热式、直接加热式。 间接加热蒸发器间接加热蒸发器主要由主要由加热室和分离室加热室和分离室两部分组成。两部分组成。 间接

44、加热蒸发器间接加热蒸发器根据溶液流动的情况分为根据溶液流动的情况分为循环型（非膜型）循环型（非膜型）和单程型（膜型）和单程型（膜型）两类。两类。1循环型蒸发器循环型蒸发器 特点特点溶液在蒸发器内作溶液在蒸发器内作循环流动。循环流动。 根据造成液体循环的原理根据造成液体循环的原理自然循环自然循环和和强制循环强制循环两种类两种类型。型。 自然循环自然循环加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生溶液产生密度差密度差而引起的自然循环；而引起的自然循环； 强制循环强制循环依靠外加动力使溶液进行强制循环。依靠外加动力使溶液进行强制循环。（1）中央循环管式蒸发器中

45、央循环管式蒸发器 加热管束加热管束（沸腾管束）、（沸腾管束）、中央中央循环管循环管。 加热管和中央循环管的单位体加热管和中央循环管的单位体积液体的受热面积差异；积液体的受热面积差异；密度密度差差；溶液自中央循环管下降，；溶液自中央循环管下降，再由加热管上升的自然循环流再由加热管上升的自然循环流动。动。 具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上的应用十分广泛，有工业上的应用十分广泛，有 “标准蒸发器标准蒸发器”之称。之称。 实际上，结构有限制，循环速度较低（一般在实际上，结构有限制，循环速度较低（一般在0.5m/s以下）；加热管内浓度始终接近

46、完成液的浓度，因以下）；加热管内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；设备的清洗和而溶液的沸点高、有效温度差减小；设备的清洗和检修也不够方便。检修也不够方便。（2）悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器 中央循环管蒸发器的改进。中央循环管蒸发器的改进。 加热室像悬筐，可取出，便于加热室像悬筐，可取出，便于清洗。清洗。 加热介质由中央蒸汽管进入加加热介质由中央蒸汽管进入加热室。溶液沿环隙下降而沿加热室。溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。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一般环隙截面积约为加热管总面积的100150%，因而溶，因而溶液循环速度较高（约为液循

47、环速度较高（约为11.5m/s）。由于与蒸发器外壳接）。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。触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。 适用于适用于易结垢或有晶体析出易结垢或有晶体析出的溶液。的溶液。 缺点是结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。缺点是结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。（3）外热式蒸发器外热式蒸发器 特点特点加热室与分离室分开加热室与分离室分开，便于清洗与更换，可以降低蒸便于清洗与更换，可以降低蒸发器的总高度。发器的总高度。 因其加热管较长（管长与管径因其加热管较长（管长与管径之比为之比为50100），循环管内的），循环管内的溶液不被加热，故

48、溶液的循环溶液不被加热，故溶液的循环速度大，可达速度大，可达1.5m/s。 自然循环型蒸发器自然循环型蒸发器靠加热管与循环管内溶液的密靠加热管与循环管内溶液的密度差引起溶液的循环。度差引起溶液的循环。 循环速度一般都比较低，循环速度一般都比较低，不宜处理粘度大、易结垢及不宜处理粘度大、易结垢及有大量析出结晶的溶液有大量析出结晶的溶液。对于这类溶液，易采用强制。对于这类溶液，易采用强制循环型蒸发器。循环型蒸发器。（4）强制循环蒸发器强制循环蒸发器 利用利用外加动力外加动力（循环泵）使溶液沿（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动。一般循一定方向作高速循环流动。一般循环速度在环速度在2.5m/s以

49、上。以上。 优点优点传热系数大，对粘度较大传热系数大，对粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较或易结晶、结垢的物料，适应性较好，但其动力消耗较大。好，但其动力消耗较大。 2膜式（单程型）蒸发器膜式（单程型）蒸发器 非膜式蒸发器非膜式蒸发器加热室内滞料量大，物料在高温下加热室内滞料量大，物料在高温下停留时间长，停留时间长，不适于处理热敏性物料不适于处理热敏性物料。 膜式蒸发器特点膜式蒸发器特点溶液沿加热管壁溶液沿加热管壁成膜状流动成膜状流动，一一次次通过加热室即达到要求的浓度，停留时间仅数秒或通过加热室即达到要求的浓度，停留时间仅数秒或十几秒钟。十几秒钟。 膜膜式式蒸发器的主要优点蒸发器的主要优

50、点传热效率高传热效率高，蒸发速度快，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，溶液在蒸发器内停留时间短，特别适用于热敏性物料特别适用于热敏性物料的蒸发的蒸发。 按物料在蒸发器内的按物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因流动方向及成膜原因的不同，可的不同，可以分为以下几种类型：（以分为以下几种类型：（1）升膜蒸发器；（）升膜蒸发器；（2）降膜）降膜蒸发器；（蒸发器；（3）升）升降膜蒸发器；（降膜蒸发器；（4）刮板薄膜蒸发）刮板薄膜蒸发器。器。（1）升膜蒸发器升膜蒸发器 加热室加热室垂直长管。垂直长管。 原料液原料液预热预热后加入；后加入； 二次蒸汽在管内高速上升，带动二次蒸汽在管内高速上升，带动液体沿管

51、内壁成液体沿管内壁成膜状向上流动膜状向上流动；上升的液膜因受热而继续蒸发。上升的液膜因受热而继续蒸发。 适用于蒸发量较大的稀溶液、适用于蒸发量较大的稀溶液、热热敏性及易起泡沫敏性及易起泡沫的溶液，的溶液， 不适于高粘度、有晶体析出或易不适于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。结垢的溶液。 （2）降膜蒸发器降膜蒸发器 原料液由加热管原料液由加热管顶部加入顶部加入。 溶液在溶液在自身重力作用自身重力作用下沿管内壁下沿管内壁呈膜状下流呈膜状下流，并被蒸发浓缩。，并被蒸发浓缩。 汽液混合物由加热管底部进入分汽液混合物由加热管底部进入分离室，经气液分离后，完成液由离室，经气液分离后，完成液由分离器的底部排

52、出。分离器的底部排出。 每根加热管顶部设置每根加热管顶部设置液体布膜器液体布膜器使溶液能在壁上均匀使溶液能在壁上均匀成膜。成膜。 适于蒸发适于蒸发浓度较高浓度较高和和粘度较大粘度较大的物料。的物料。 不适于易结晶或易结垢的溶液。不适于易结晶或易结垢的溶液。 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。较小。 （3）升升降膜蒸发器降膜蒸发器 升升降膜蒸发器：降膜蒸发器：将升膜和降膜将升膜和降膜蒸发器装在一个外壳中。蒸发器装在一个外壳中。 原料液原料液预热后预热后升膜加热室上升膜加热室上升升降膜加热器下降降膜加热器下降分离室

53、中分离室中和二次蒸汽分离和二次蒸汽分离完成液。完成液。 多用于蒸发过程中溶液的多用于蒸发过程中溶液的粘度变粘度变化很大化很大，水分蒸发量不大和厂房，水分蒸发量不大和厂房高度有一定限制的场合。高度有一定限制的场合。 （4）刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器 壳体外部装有加热蒸汽夹套，其壳体外部装有加热蒸汽夹套，其内部装有内部装有可旋转的搅拌刮片可旋转的搅拌刮片。 利用利用旋转刮片旋转刮片的的刮带作用刮带作用，使液，使液体分布在加热管壁上。体分布在加热管壁上。 突出优点突出优点对物料的适应性很对物料的适应性很强（对于高粘度、热敏性和易结强（对于高粘度、热敏性和易结晶、结垢的物料都能适用）。晶、结垢的物料

54、都能适用）。3直接接触传热的蒸发器直接接触传热的蒸发器 将燃料（煤气或重油）与空气混合将燃料（煤气或重油）与空气混合后燃烧产生的后燃烧产生的高温烟气高温烟气直接喷入被直接喷入被蒸发的溶液中。蒸发的溶液中。 蒸发出的水分与烟气一起由蒸发器蒸发出的水分与烟气一起由蒸发器的顶部直接排出。的顶部直接排出。 溶液中的深度为溶液中的深度为200600mm，燃烧室内高温烟气的温，燃烧室内高温烟气的温度可达度可达1000以上。以上。 结构简单，传热效率高。特别适用于处理结构简单，传热效率高。特别适用于处理易结晶、结易结晶、结垢或有腐蚀性垢或有腐蚀性的物料的蒸发。目前在的物料的蒸发。目前在废酸处理和硫酸废酸处理

55、和硫酸铵盐溶液铵盐溶液的蒸发中，已广泛采用此种蒸发器。的蒸发中，已广泛采用此种蒸发器。 不可被烟气污染物料不可被烟气污染物料不适合不适合。（二）蒸发器改进与发展（二）蒸发器改进与发展 1开发新型蒸发器开发新型蒸发器 改进加热管的改进加热管的表面形状表面形状来提高传热效果。来提高传热效果。 例如：板式蒸发器，体积小、传热效率高、溶液滞留时间例如：板式蒸发器，体积小、传热效率高、溶液滞留时间短，加热面积可根据需要而增减，拆卸和清洗方便。短，加热面积可根据需要而增减，拆卸和清洗方便。2改善蒸发器内液体的流动状况改善蒸发器内液体的流动状况 多种形式的多种形式的湍流构件湍流构件，提高沸腾液体侧的传热系数

56、；其本，提高沸腾液体侧的传热系数；其本身亦为热导体，将热量由加热管传向溶液内部，增加了蒸身亦为热导体，将热量由加热管传向溶液内部，增加了蒸发器的传热面积。发器的传热面积。3改进溶液的性质改进溶液的性质 加入适当的加入适当的表面活性剂表面活性剂和和阻垢剂阻垢剂均可提高传热效率的途径均可提高传热效率的途径之一。之一。三、蒸发辅助设备三、蒸发辅助设备（一）（一）除沫器除沫器（汽液分离器）（汽液分离器） 原因：二次蒸汽在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴。原因：二次蒸汽在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴。 为防止损失物料或冷却水被污染，在蒸发器内（或外）设为防止损失物料或冷却水被污染，在蒸发器内（或外）设除沫器。除沫器。丝网除沫器丝网除沫器（二）冷凝器（二）冷凝器 冷凝二次蒸汽冷凝二次蒸汽。 有有间壁式和直接接触式间壁式和直接接触式两种。两种。 若二次蒸汽需回收，应采用间壁式冷凝器，否则通若二次蒸汽需回收，应采用间壁式冷凝器，否则通常采用直接接触式冷凝器。常采用直接接触式冷凝器。列管式冷凝器列管式冷凝器（三）真空装置（三）真空装置 当蒸发器在负压下操作时，需在冷凝器后安装真空装置。当蒸发器在负压下操作时，需在冷凝器后安装真空装置。 作用：抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷却水中溶解的作用：抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷却水中溶解的不凝性气体和冷