[科普中國(guó)]-單效蒸發(fā)

單效蒸發(fā)是蒸發(fā)操作的一種。其特點(diǎn)是所產(chǎn)生的二次蒸汽不用來(lái)使物料進(jìn)一步蒸發(fā)，只是單臺(tái)設(shè)備的蒸發(fā)。對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件后，通常需要計(jì)算水分蒸發(fā)量、加熱蒸汽消耗量和蒸發(fā)器的傳熱面積。

流程如圖所示為工業(yè)生產(chǎn)中所見(jiàn)的典型單效真空蒸發(fā)流程。圖中左面的設(shè)備是生產(chǎn)流程中的主體設(shè)備一蒸發(fā)器。蒸發(fā)器的種類很多、結(jié)構(gòu)各異，但目前生產(chǎn)上使用的大部分蒸發(fā)器均由兩大部分組成，第一部分是下部的加熱室，這實(shí)際上是一個(gè)由若干加熱管組成的間壁式換熱器；構(gòu)成蒸發(fā)器的另一部分是上部的蒸發(fā)室(亦稱分離室)。

待蒸發(fā)的原料液(稀溶液)送入蒸發(fā)器后直接流入加熱室的換熱管內(nèi)，而加熱蒸汽則進(jìn)入加熱室的管間冷凝，所放出的潛熱通過(guò)管壁傳給在管內(nèi)流動(dòng)的料液，使溶液受熱沸騰汽化，濃縮了的料液從蒸發(fā)器的底部排出，進(jìn)入濃液貯槽即為產(chǎn)品(常稱完成液) 。加熱蒸汽放熱后自身冷凝為冷凝水，由加熱室下部排出。1

計(jì)算對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后，通常需要計(jì)算以下內(nèi)容：水分的蒸發(fā)量、加熱蒸汽消耗量、蒸發(fā)器的傳熱面積?？蓱?yīng)用物料衡算方程、熱量衡算方程和傳熱速率方程來(lái)解決。

（一）蒸發(fā)水量的計(jì)算

對(duì)圖中所示蒸發(fā)器進(jìn)行溶質(zhì)的物料衡算，可得

由此可得水的蒸發(fā)量

完成液的濃度

式中，F(xiàn)——原料液量，kg/h；

W——蒸發(fā)水量，kg/h；

L——完成液量，kg/h；

xo一一原料液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

x1——完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，

（二）加熱蒸汽消耗量的計(jì)算

加熱蒸汽用量可通過(guò)熱量衡算求得，即對(duì)圖中作熱量衡算可得

或

式中，H——加熱蒸汽的焓，kJ/kg；

H’——二次蒸汽的焓，kJ/kg；

ho——原料液的焓，kJ/kg；

h1——完成液的焓，kJ/kg；

he——加熱室排出冷凝液的焓，kJ/h；

Q——蒸發(fā)器的熱負(fù)荷或傳熱速率，kJ/h；

QL——熱損失，可取Q的某一百分?jǐn)?shù)，kJ/kg；

Co、C1——原料、完成液的比熱，kJ/(kg ·℃)

（三）傳熱面積的計(jì)算

蒸發(fā)器的傳熱面積可通過(guò)傳熱速率方程求得，即

或

式中，A——蒸發(fā)器的傳熱面積，m2；

K——蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，W/（m2· K）；

△tm——傳熱平均溫度差，℃；

Q——蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，W或kJ/kg。

式中，Q可通過(guò)對(duì)加熱室作熱量衡算求得，若忽略熱損失，Q即為加熱蒸汽冷凝放出的熱量，即

（四）傳熱平均溫度差△tm的確定

在蒸發(fā)操作中，蒸發(fā)器加熱室一側(cè)是蒸汽冷凝，另一側(cè)為液體沸騰，因此其傳熱平均溫度差應(yīng)為

式中，T——加熱蒸汽的溫度，℃；

t1——操作條件下溶液的沸點(diǎn)，℃。

溶液的沸點(diǎn)不儀受蒸發(fā)器內(nèi)液面壓力影響，而且受溶液濃度、液位深度等因素影響。

（五）總傳熱系數(shù)K的確定

蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算

式中，ai——管內(nèi)溶液沸騰的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

ao——管外蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Ri——管內(nèi)污垢熱阻，m2．℃/W；

Ro——管外污垢熱阻，m2．℃/W；

b/ γ——管壁熱阻，m2.℃/W。

生產(chǎn)強(qiáng)度蒸發(fā)器生產(chǎn)強(qiáng)度的定義

蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力儀反映蒸發(fā)器生產(chǎn)量的大小，蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度簡(jiǎn)稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)問(wèn)單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量。即

式中，u——蒸發(fā)強(qiáng)度，kg/(m2．h)；

W——蒸發(fā)的水量，kg；

S——傳熱面積，m2。

蒸發(fā)強(qiáng)度通常可用于評(píng)價(jià)蒸發(fā)器的優(yōu)劣，當(dāng)蒸發(fā)W任務(wù)一定時(shí)，生產(chǎn)強(qiáng)度越大，所需要的傳熱面積越少，即設(shè)備的投資就越低。因此，它反映了蒸發(fā)操作的設(shè)備性能，也是蒸發(fā)操作的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。

對(duì)多數(shù)物系，當(dāng)沸點(diǎn)進(jìn)料，若不計(jì)熱損失和濃縮熱，可得

由上式可知，提高蒸發(fā)強(qiáng)度的主要途徑是提高總傳熱系數(shù)K和傳熱溫度差△tm。

提高蒸發(fā)強(qiáng)度的途徑

1.提高傳熱溫度差

提高傳熱溫度差可從提高熱源的溫度或降低溶液的沸點(diǎn)等角度考慮，可以采用下列措施實(shí)現(xiàn)。

(1)真空蒸發(fā)

(2)高溫?zé)嵩?/p>

提高△tm的另一個(gè)措施是提高加熱蒸汽的壓強(qiáng)，但這時(shí)要對(duì)蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和操作提出嚴(yán)格要求。一般加熱蒸汽壓強(qiáng)不超過(guò)0.6~0.8MPa。對(duì)于某些物料如果加壓蒸汽仍不能滿足要求時(shí)，則可選用高溫導(dǎo)熱油、熔鹽或改用電加熱，以增大傳熱推動(dòng)力。

2.提高總傳熱系數(shù)

蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)主要取決于溶液的性質(zhì)、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。合理設(shè)計(jì)蒸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動(dòng)，及時(shí)排除加熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發(fā)器特別是加熱室內(nèi)管，均是提高和保持蒸發(fā)器在高強(qiáng)度下操作的重要措施。2

與多效蒸發(fā)比較評(píng)價(jià)蒸發(fā)過(guò)程的兩個(gè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：能耗與蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度。能耗主要是指加熱蒸汽的消耗量，它是關(guān)系到操作費(fèi)用高低的主要指標(biāo)之一。生產(chǎn)強(qiáng)度則決定了設(shè)備投資的大小，生產(chǎn)強(qiáng)度大，蒸發(fā)一定量溶液所需的傳熱面積少，整個(gè)蒸發(fā)裝置小，設(shè)備投資少，對(duì)于多效蒸發(fā)裝置來(lái)說(shuō)，需考慮操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)總和為最小的原則來(lái)權(quán)衡最佳的效數(shù)。

（一）溶液的溫度差損失

單效、多效蒸發(fā)的有效溫差及溫度差損失

單效和多效蒸發(fā)過(guò)程中均存在溫度差損失。若單效和多效蒸發(fā)的操作條件相同，即二者加熱蒸汽壓力相同，則多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效時(shí)的大。右圖為單效、多效蒸發(fā)的有效溫差及溫度差損失的變化情況。

圖中總高代表加熱蒸汽溫度與冷凝器中蒸汽溫度之差，即130℃一50℃=80℃?？瞻撞糠执碛捎诟鞣N原因引起的溫度損失，陰影部分代表有效溫度差(即傳熱推動(dòng)力)。由圖中可見(jiàn)，多效蒸發(fā)中的溫度差損失較單效大。不難理解，效數(shù)越多，溫度差損失將越大。

（二）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度

當(dāng)蒸發(fā)過(guò)程中若沒(méi)有溫度差損失時(shí)，則三效蒸發(fā)和單效蒸發(fā)的熱流量基本上是相同的，因此兩者的生產(chǎn)能力也大致相同。但是，兩者的生產(chǎn)強(qiáng)度截然不同，三效蒸發(fā)時(shí)的生產(chǎn)強(qiáng)度儀為單效蒸發(fā)時(shí)的1/3左右。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于多效蒸發(fā)時(shí)的溫度差損失大于單效蒸發(fā)時(shí)的，故多效蒸發(fā)時(shí)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度均低于單效蒸發(fā)時(shí)的。效數(shù)越多，溫度差損失越大，蒸發(fā)裝置的生產(chǎn)能力愈小。同時(shí)，隨著效數(shù)增加，蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度降低很快，致使設(shè)備投資迅速增加。

（三）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制

下表列出了不同效數(shù)蒸發(fā)的單位蒸汽消耗量。隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽的消耗量會(huì)減少．即操作費(fèi)用降低，但是有效溫度差也會(huì)減少(即溫度差損失增大)，使設(shè)備投資費(fèi)用增人。因此必須合理選取蒸發(fā)效數(shù)，使操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)之和為最少。

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可見(jiàn)，多效蒸發(fā)D/W說(shuō)明蒸發(fā)同樣數(shù)量的水分形，采用多效蒸發(fā)時(shí)為小，可節(jié)省生蒸汽用量，提高生蒸汽的利用率，但是加熱蒸汽利用率的提高是以降低蒸發(fā)強(qiáng)度為代價(jià)的，效數(shù)增加，蒸發(fā)強(qiáng)度降低，以及溫差增加，使得效數(shù)不能隨意增加．一般常見(jiàn)2～3效。同時(shí)，效數(shù)增加，設(shè)備費(fèi)用都成倍增大，因此，必須對(duì)設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)進(jìn)行權(quán)衡以決定合理的效數(shù)。這是最優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽(yáng)國(guó) - 副教授 - 中國(guó)海洋大學(xué)