化工原理第5章蒸发3课件

第五章蒸发§5-4多效蒸发目的：为了减少加热蒸汽用量，减少能耗

单效蒸发中每效蒸发1㎏水大约需要1㎏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，可采用多效蒸发。原理：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。多效蒸发要求后一效的操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。例，忽略热损失、温度差损失等，在理论上双效蒸发中第一效1㎏加热蒸汽可产生1㎏二次蒸汽，第二效1㎏二次蒸汽又可在第二效中蒸发1㎏水。所以1㎏生蒸汽在双效中可蒸发2㎏水分，即D/W=0.5，三效蒸发中：1㎏水分可蒸发3㎏，所以D/W=0.333根据经验，最小D/W数值如下表：效数单双三四五D/W1.10.570.40.30.27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以三效为例，按加料方式不同可分为：1、并流（顺流）加料法2、逆流加料法3、平流加料法1、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。优点：(1)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，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。2、逆流法原料液由末效加入，用泵输送至前一效，完成液由第一效底部排出。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“逆流法”。优点：各效传热系数大致相同，浓度越来越高，但温度也越来越高。效与效间溶液需用泵来输送，能量消耗大。缺点：§5-4-2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，因为它的未知较多，一般已知：进料量F，及其浓度x0和温度t0第一效加热蒸汽温度T1或压力P1冷凝器中饱和蒸汽温度T3/或蒸发室压力PS

完成液浓度x3，各效的k及焓、比热等1、各效溶剂的蒸发量，Wi2、第一效加热蒸汽消耗量，D3、各效溶液沸点，ti4、各效传热面积，Si未知：计算方法的基本思想物料衡算热量衡算传热基本方程对整个系统作溶质的物料衡算得：一、基本关系1、多效蒸发的物料衡算（以三效并流法为例）或而对任一效作溶质的物料衡算：或多效蒸发中，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，所以利用物料衡算只能求得总蒸发量W，至于各效蒸发量Wi及溶液浓度xi还需结合焓衡算求得。参考上图，对于各效作焓衡算：第一效：适用条件：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来计算。以0℃为基准：

Cp0：原料液比热；Cp1：第一效中溶液比热；γ1：加热蒸汽的冷凝潜热kJ/kg前面已推导过：将两式代入上式得：：第I效中二次蒸汽的汽化潜热kJ/kg推广到第i效：A式式中：由A式可求得第i效的蒸发量，即：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，则应将上式进行校正。即：3、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若已求得：加热蒸汽量D各效蒸发量W1、W2、W3则可求得：各效传热面积，S以三效为例：A多效蒸发中，一般采用传热面积相等的蒸发器即：S=S1=S2=S3由B得C如所求S不等，应重新分配各效的有效温度差△t，使得S相等。方法如下：设△t/为各效传热面积相等时的有效温度差，则比较D与C得ECDE将E中三式相加得F为各效有效温度差之和，称“有效总温度差”。或由F求得S后，可由E重新分配各效的有效温度差。4、有效总温度差加热蒸汽P1和末效冷凝器Pk一定，则加热蒸汽的饱和温度T1及末效二次蒸汽的饱和温度Tk/一定。故理论上传热的总温度差为：但各效中有传热温度差损失(△/、△//、△///)。实际传热总温度差=理论传热总温度差－各效总温度差损失∑△

（G）是各效总温度差损失，等于各效温度差损失之和，℃。因所以（H）5、蒸发器传热面积的计算传热速率方程若S1≠S2≠S3，须重新分配有效温度差。方法：用H、G、F、E四式重新计算，重复上述步骤，直到所求各效传热面积相等为止。

若k已知则S可求Ｑ=Dγ二、多效蒸发的计算步骤1、计算总蒸发量（以三效为例）（据物料衡算）2、估计各效的蒸发量(1)按各效等蒸发量进行分配i=1、2、3(2)如为并流流程，可假设W1:W2:W3=1:1.1:1.2(3)估计各效浓度(4)分配各效间的压强差（求△//）假设各效压强降相等，即加热蒸汽压强P1，

末效冷凝器压强Pk，则总压强差：已知各效二次蒸汽压强一效二效三效冷凝器的压强算得P1/、P2/、P3/，查二次蒸汽的饱和温度T/及汽化潜热γ/，并列成表格：汽化潜热饱和温度二次蒸汽压强5、计算各效温度差损失(1)由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失(2)由于静压强引起的温度差损失(3)由于阻力引起的温度差损失6、计算总温度差损失7、计算总有效温度差8、计算各效溶液沸点9、根据热量衡算，求各效蒸发量Wi若忽略溶液浓缩热时，得对于NaOH水溶液：△x：各效间的浓度变化。若考虑浓缩热，则须将上式进行校正，即乘以校正系数，10、验核各效蒸发量Wi

将9中算得的蒸发量Wi与2中估算得到的蒸发量Wi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。方法：将9算得的Wi作为新的假定值，重复上述计算步骤（2~9），直到两者相符为止。11、计算各效传热量一效二效三效12、分配各效有效温度差各效的传热温度差：按各效传热面积相等原则进行分配，如S1、S2、S3误差较大（相对误差>0.05），须重新分配各效有效温度差，按F、E两式进行分配。13、估算传热面积根据各效的温度差及温度差损失计算其二次蒸汽温度。将13得到的二次蒸汽压强与4中估算的P1/、

P2/、

P3/比较是否相符，如相差较大，则需重新假设二次蒸汽压强。方法：将13得到P1/、

P2/、

P3/作为新的假设值重复上述计算，直至两者相符为止。14、估计各效传热面积检验各效传热面积S是否相等，是则计算结束；如有明显差别，说明第12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。15、调整各效有效温度差后，从13步开始以上计算，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，确定各效液相温度

重新假设，算出D，W1，W2，W3验核与原假设是否相近重新假设W1，W2，W3按各效传热面积相等原则分配各效的有效温度差

计算各效二次蒸汽温度，，由，查，与原假设是否接近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一、溶液的温度差损失设：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。多效蒸发：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损失来得大，效数越多损失越大；由此可知，当理论传热温度差一定时，多效蒸发的有效传热温度差之和小于单效蒸发

单效蒸发：只一个蒸发器损失温度差。（5.4.1）

二、经济性

多效蒸发提高了加热蒸汽利用率，即经济性W/D，多效蒸发中生蒸气经济性的理论值如表5.4.1，其值与效数成正比。表中也列出了生蒸气经济性的经验值，其值也随效数增多而增加，但不成正比。

三、生产能力和生产强度a.单效和多效蒸发的生产能力可分别由传热方程表示

（5.4.2）

（5.4.3）

将式（5.4.2）和(5.4.3)代入（5.4.1）可得

（5.4.4）

多效蒸发可节省加热蒸汽用量，减少能耗；生产强度：单位传热面积的生产能力。可分别表示为

▲当多效蒸发的及各效，与单效相同时，多效蒸发的生产强度小于单效的1/m

▲当多效蒸发的生产能力与单效相同，即，且K

及A各效，与单效相同时

即，为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于单效蒸发的m倍，传热面积的增加快于效数的增加。传热