多效蒸发教案

福州大学化工原理电子教案蒸发福州大学化工原理电子教案蒸发1多效蒸发蒸发装置的操作费用主要是汽化大量水分〔W〕1kg加热蒸汽所能蒸发的W水量〔D

D〕称为蒸汽的经济性，或用溶液中蒸发出1kg水所需消耗的生蒸汽的量〔 〕表示蒸汽的利用WW率， ，生蒸汽利用率，它是蒸发操作是否经济的主要标志。由前面学过的学问我们知道，在单效D蒸发中，假设物料的水溶液先预热至沸点后假设蒸发器，无视生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异，1kg1kg水，即

W W=1。实际上，由于有热损失等缘由，D

<1。在大规模工业蒸发中，蒸发大量的水分必定会消耗大量的加热蒸汽。作为工程技术人员，必需设法尽量节约加?①利用二次蒸汽的潜热②利用冷凝水的显热〔如预热原料液〕多效蒸发蒸汽的经济性〔利用率〕利用二次蒸汽的潜热的最一般的方法是多效蒸发，马上前一效的二次蒸汽引入后一个蒸发器作为加热蒸汽，这样后一效的加热它就成为前一效二次蒸汽的冷凝器，由于各效〔除最终一效外〕的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，这就提高了生蒸汽的利用率。如：假设第一效的沸点进料，并略去热损失，温度差损失和不同压力下蒸发潜热的差异，则理论上：D第一效：W1

1 DW1

，1kg1kg1kg二次蒸〔W〕1kg水，即1其次效：W2

W D，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量1WWW W1 2

2D，所以 =2DW依次类推：三效D

W3，……，n效 nD但实际上，由于热损失，温度差损失等缘由，单位蒸汽消耗量不行能到达如此经济的程度，依据生产阅历，最大的W/D的值大致如下：效数单效双效三效四效五效效数单效双效三效四效五效D min1.10.57W 0.911.752.53.333.70maxDW可见，多效蒸发〔 ，说明蒸发同样数量的水分W，承受多效蒸发时为小，可节约生蒸汽用量，提D高生蒸汽的利用率，但是，是不是效越多越好呢?〔不是，后面我们会学到，生蒸汽利用率的提高是以降低蒸发强度为代价的，效数↑，蒸发强度↓，以及其它一些技术上的限制〔如ti5~8℃〕使得效数不能任凭增加，一般常见2~3效。同时，效数增加，设备费用都成倍增大，因此，必需对设备费和操作费进展权衡以打算合理的效数。这是最优化设计的内容之一。多效蒸发流程多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有：并流：溶液与蒸汽的流向一样，称并流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都参与原料液的方法。下面以三效为例加以说明：〔1〕并流流程〔图7-14〕蒸汽流淌方向：1→2→3溶液流淌方向：1→2→3优点： ① 由于前效的压强较后效高，p p p ，料液可借此压强差自动地流向后一效而无1 2 3须泵送；②t t t溶液由前一效流入后一效处于过1 2 3热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。缺点：溶液浓度w w w，w↑，↑，便使得3 2 1 3 2 1溶液温度t t t，t↑，↓，便使得 1 2 3 3 2 1K↓↓，这种状况在最终的一、二效尤其严峻，使整w的增加而增加很快的状况，并流流程就不适用，此时可用逆流流程。〔2〕逆流流程〔图7-15〕蒸汽流淌方向：3→2→11→2→3优点：w w w，w↑，↑， 1 2 3 1 2 3t t1 2

t，t↑，↓， 3 1 2 3w、t对的影响大致抵消，各效的K根本不变。缺点：①由于前效压强较后效高，p p p ，1 2 3料液从后效往前一效要用泵输送。②各效进料〔末效除外〕都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。错流流程溶液流向：3→1→22→3→1蒸汽流向：1→2→3优点：兼有逆流与并流的优点。缺点：操作较简洁。平流流程图7-16各效分别进料并分别出料，二次蒸汽屡次利用，对易结晶的物料较适宜〔由于结晶体不便在效与效之间输送。多效蒸发的生产力气、蒸发强度和效数的限制蒸发器的生产力气和蒸发强度如前面所述，承受多效蒸发可以节约生蒸汽的用量，但是这一生蒸汽的利用率提高是以降低其生产强在一样的操作条件下，多效蒸发器的生产力气并不比传热面积与其中一个效相等的单效蒸发器的生产力气大。下面我们来说明这个问题：蒸发器的生产力气可用单位时间内水分总蒸发量W来表示，而生产强度为单位传热面积的蒸发量〔uWA

，在三效蒸发器中，蒸发器的生产强度为

Q1Q2

Q3Wu 总

W1W2W3 r r2 r13总 A A A A13总 1 2 3

A A A1 2 3A A A，不考虑温差损失及浓缩热等，且各效蒸发器的传热面1 2 3积系数相等，K K1 2

K3Kr1、r2、r3

相差不大，可近似认为相等，即 QDr Wr0则 u

Q Q1

Q3

KAt1 1

K At2 2

K A3

t3

KAtT

KtT总 3Ar 3Ar 3Ar 3r设有一单效蒸发器，其操作条件〔T0

，TTn

〕与上述三效蒸发器一样，并且具有与一个效一样的AKuW

KtT

3u

，既为三效蒸发器的蒸发A r 总强度的3倍，而且对于同样的生产要求，其生产力气是一样的，单效蒸发的一个蒸发器的生产力气与三效蒸发的三个蒸发器的生产力气一样。真空蒸发：提高生产强度〔u

QKt〕的途径之一是增大传热温差t，提高加热蒸汽的温度或A是降低溶液的沸点均可增加t。加热蒸汽的温度〔及相应压强〕受锅炉额定压强的限制，因此，在很多状况下，需要承受真空蒸发以降低溶液免遭破坏，并可利用工厂中低温的水蒸气作为热源。缺点：但是，溶液沸点的降低使粘度增大，传热系数有所降低，此外，为维持真空操作须添加真空设备费用和确定量的动力费，这也是它的缺点。K：提高KK的主要取决于蒸发器的构造，操作方式和溶液的物理性质。合理的设计蒸发器构造以建立良好的溶液循环流淌准时排解加热室中不凝性气体，常常去除污垢等均K。由于u QAr

r

可以看出，蒸发设备的生产强度取决于ΔtKK和Δt。多效蒸发效数的限制前面我们讲过，效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性提高，因此，必需合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。这是一个优化问题。下面，我们进一步分析溶液的温度差损失对效数的影响。如图，表示两端温度〔加热蒸汽温度与冷凝器温度〕固定的条件下，单效蒸发和双效蒸发传热温差的变化状况。效数增加，各效的传热温差损失的总和也将增加。致使有效的传热温差削减，设备的生产强度下降，这一因素使工业蒸发的效数受到限制。显然，在设计过程中，两端点的总温差不得小于各效温差损失之和，反之，假设多效蒸发器的两端点温度过低，其操作结果必定达不到指示的增浓程度。多效蒸发计算描述多效蒸发过程的参数很多，但各类参数之间受到一些根本方程的约束，这些根本方程可分为：物料衡算式，热量衡算式，传热速率式及物性函数式〔如水蒸气性质，物料热焓及沸点上升等。对于设计型计算，一般给定：原料状态：F，t ，w0 0wnTTnKjDAj提高加热蒸汽经济程度的其他措施前面我们学了多效蒸发可以提高加热蒸汽的经济程度，除此之外，还可以承受以下措施来提高生蒸汽的经济程度。额外蒸汽的方法〔如用来预热原料液置来说，能量消耗已降至最低限度，只是将加热蒸汽转变为温度较低的二次蒸汽而已。同理，对多效蒸发，假设将末效蒸发器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加热蒸汽的利用率。下面，我们来争论额外蒸汽的优点。不考虑同压力下蒸发潜热的差异，自蒸发的影响和热损失等次要因素，并假设进料是在沸点下进入，则可认为1kg1kg可推出〔7-17〕W D1W W E2 1 1

DE1W W E3 2 2

DE E1 2水的总蒸发量 WW W W1 2 3

3D2E E1 2或 DW3

2E1E3 1 3 2nDWn由上可以看出：

n1En

n2En 2

.....

1En n1DWn②由于引出额外蒸汽而多消耗的生蒸汽量：而引出的蒸汽总量为：

Dn1En 1

n2En 2

1n

En1n1EiE1E2En1i1D

n1EiEi1

，即引出额外蒸汽作为其它加热设备的热源所需补充的生蒸汽量niE，n in

D↓，只要二次蒸汽的温度能满足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高，太后效引出的二次蒸汽没有用，由于ipT↓，用途有限。i i为了提高生蒸汽的经济程度，在多效蒸发中引出额外蒸汽是应当考虑的问题，目前，额外蒸汽的引出在制糖厂得到了广泛的应用。二次蒸汽的再压缩〔热泵蒸发〕即完全除去，很不经济。考虑此二次蒸汽通过热泵〔即压缩机〕pT↑，然后再送回原来的蒸发器中作为加热蒸汽，则其潜热可得到反复利用。这样，除了开工外不需要另行供给生蒸汽，而只须补充少量压缩功，即可维持正常运行。这就提高了蒸汽的经济程度。这在缺水地区，船舶上尤为适用。但是，要到达较好的经济效益，压缩功的压缩比不能太大，即二次蒸汽的压力和温度需提高的愈多，压缩比愈大，愈不经济。这样，二次蒸汽的温升不行能高，传热推动力不行能大，而所需的传热面积则必定较大。对于沸点上升大的溶液的蒸