25 蒸发器 蒸发操作的经济性

由前面U的定义可知，在理想情况下，U q Q / A，即生产强度正比于热流密度。
Q / A KΔt 总
（25-3）
如将此同一蒸发任务改用多效蒸发完成，对每一效均应有： Qi K i Δt i Ai （25-4）
假设各效的 Δt i与K i 分别相等，则多效生产强度为： Q U多 K i t i （25-5） Ai 蒸发装置的总传热温差由生蒸汽及冷凝器压强决定。在多效蒸发中，只是将总传 热温差按某规律在各效间分配，即 Δt i 远小于Δt 总 。如果 K i K ，则由式（253）和（25-5）可知：
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（二）外加热式蒸发器 图25-2所示，为加长管蒸发器。由于加热器在分离室外，循环管内溶 液不受热，使该蒸发器具有便于清洗检修及溶液循环速度大（可达1.5
m/s）的特点。
（三）强制循环蒸发器 为提高传热膜系数及减少结垢，可用泵使溶液 在管内强制循环，其速度可达1.5～3.5m/s， 同时可以减缓结垢，但动力消耗较大。 （四）降膜式蒸发器
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蒸发器与蒸发操作的经济性
一、蒸发器的类型 为适应种类繁多、性质各异的溶液，目前使用中的蒸发器型式很多， 但其结构上主要由三部分构成：①加热室；②溶液流动或循环空间
（循环式蒸发器）；③气－液分离空间。按溶液流动方式不同，可以将蒸发器作
如下分类：
自然循环 中央循环管式（标准式 ）、外加热式（列文式 ） 循环型 — 强制循环 单程型 — 升膜式、降膜式、旋转 刮板膜式 （一）中央循环管式（标准式）蒸发器
如图25-1所示，属短垂直管蒸发器。溶液在加热室加热管内
受热沸腾，由于中央粗管内加热面较加热室为小，其含气率 较小，产生密度差，在此密度差作用下，溶液产生在加热室 列管内向上，在中央粗管向下的循环流动，其速度在0.1～ 0.5m/s之间。该蒸发器的最大特点是构造简单、投资较少。 主要缺点是由于循环速度较低，温差小而使传热效果差，难 以清洗和检修。
降膜式蒸发器
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（五）转子式刮板蒸发器
适用于高粘度、易结晶、易结垢的浓
溶液的蒸发。
1.夹套 2.刮板
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二、蒸发装置的辅助设备 （一）除沫器
除沫器
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（二）冷凝器
（三）疏水器
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（2）引出额外蒸汽
如果在单效蒸发中，产生的二次蒸汽不是冷凝后排掉，而是作为其他加热设备的 热源，这无疑会提高生蒸汽的经济效果。 在多效蒸发中，末效二次蒸汽因能位太低而难以利用。但是，实际操作中往往从 前几效中引出部分二次蒸汽――称额外蒸汽，供其他加热设备使用，以提高生蒸 汽的利用率。当然，只要能满足要求，引出额外蒸汽的位置越接近末效，生蒸汽 的利用率就越高，即引出等量额外蒸汽所需补加的生蒸汽量越少。
应以设备费与操作费之和最少为最优方案。
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【本讲要点】 1蒸发器主要由加热室和气－液分离空间构成，可将蒸发器按溶液 流动方式分成循环型与单程型两类。蒸发器选用原则是：根据被蒸发物料性质， 在保证产品质量的前提下，综合权衡生产能力、操作维修及经济性等原则。 2作为单元操作，蒸发的经济性反映在操作费与设备费两方面，具体体现在生 蒸汽经济性W/D与蒸发器生产强度U上。
Ts 的提高是受限制的，一般采用真空蒸发以降低溶液沸点 t 。如上一讲中提及，
在冷凝器上方接真空泵，一方面保持系统真空度，同时排出系统中的不凝气体。
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真空蒸发的优点：①提高 Δt ；②适于蒸发热敏性物料；③可以利用低
能位水蒸气作为加热剂。其缺点是：①由于t↓-μ↑使K有所下降；②
附加真空系统－需附加设备投资及少量动力费用。 2.提高K
传热系数K主要取决于蒸发器的结构、操作方式和溶液性质。选择（或设计）结
构合理的蒸发器以保证良好的循环流动条件、定期清除垢层以及采用真空蒸发以 排除系统不凝气体等都可使K提高。这方面可参考传热原理中的内容。
1 / o 一般很小，但要注意不凝性气体的排除
第二十五讲 蒸发器及蒸发单元操作的经济性
一、蒸发器的类型
（一）中央循环管式蒸发器 （二）外加热式蒸发器 （三）强制循环蒸发器 （四）升（降）膜式蒸发器 （五）转子式刮板蒸发器
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二、蒸发装置的辅助设备
（一）除沫器
（二）冷凝器
（三）疏水器
三、蒸发单元操作的经济性
（一）加热蒸汽经济性 （二）设备的生产强度和强化途径 （三）单效与多效蒸发的生产强度比较
1 1 b 1 Ri K o i
b / 一般可忽略。
Ri 取决于液体的性质及管内液体的流动状态。 1 / i 取决于管内沸腾液体的流动状态。
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（三）单效与多效蒸发的生产强度比较 如前所述，可以通过采用多效蒸发提高生蒸汽经济性W/D。那么，采 用多效蒸发是否使生产强度U也得到相应的提高呢？下面分析这个问题。 对单效蒸发器有：
泵。由于逐渐温度降低，溶液浓度大，致使传热条件较差。但是由于后一效的溶 液产生自蒸发或伞蒸，其水分蒸发量却可能比前一效高。 图25-5所示是一逆流加料的三效蒸发器流程。待蒸发料液从温度最低的最后一 效加入，经过第二效，浓缩液从第一效流出。由于液流从低压流向高压，效间需 用泵输送。这种流程适于蒸发粘度较高的料液。而且由于愈往前效温度愈高，降 低了溶液粘度，从而使各效传热系数较均匀。
E1
E2
图25 7 有额外蒸汽引出的三效 蒸发操作流程
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常见多效蒸发的流程有并流和逆流。图25-4为并流流程。待蒸发料液 从第一效加入，然后与蒸汽并流到下一效，可见在这种流程中，各效
的压强逐渐降低，料液可以借此压差自动流入下一效，效间无需使用
别为W/D＝1、2、3。而实际蒸发操作中有各种损失，据经验，生蒸 汽经济性大致如下：
单效
0.91
双效
1.75
三效
2.5
四效
3.33
五效
3.7
这说明，随效数增加，W/D并不呈正比比例增加，而设备费却成倍增加。另外，
在真空蒸发中， p t Δt A ，但真空泵的动力费用↑。所以从原则上说，
发。见图25-8所示
（4）加热室冷凝液的利用 蒸发器加热室中产生大量冷凝液，应加以利用，
如预热原料液或作为它用。也可以采取图24-9
所示装置，使出加热室的冷凝液减压自蒸发， 与二次蒸汽合为一起进入下一效加热室作为加 热蒸汽。 可见生蒸汽的经济性W/D只取决于过程热衡算 原理，而与传热速率无关。
图25 8 单效再压缩蒸发器
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（3）二次蒸汽再压缩 在单效蒸发中，可以将二次蒸汽经压缩机绝热压缩，提高能位后再送 往加热室。这可以利用二次蒸汽的大量潜热，而为维持正常操作，只 需补加少量压缩功即可。当然从经济上考虑，压缩机的压缩比不能太大，即二次 蒸汽的温升不能太高，所以对沸点升高大的溶液不易使用。这种方法也称热泵蒸
图25-1所示的单效蒸发器中的二次蒸汽的潜热没有利用而白白浪费了。采用多
效蒸发可以回收和利用这些潜热而使生蒸汽经济性大大提高。 以三效蒸发为例，第一效二次蒸汽作为第二效的加热蒸汽，而第二效的二次蒸汽 又作为第三效的加热蒸汽。如料液在沸点下加入第一效，又不考虑任何热损失的 前提下，三效蒸发的生蒸汽经济性W/D3。因此提高了生蒸汽的经济性。显然， W/D的提高是以增加蒸发器的投资为代价换取的。
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图25 4 并流加料蒸发操作流程
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图25 5 逆流加料蒸发操作流程
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图25 6 平流加料蒸发操作流程
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（二）设备的生产强度和强化途径
蒸发设备费与加热室传热面积直接相关。一般是采用将设备总投资费
用折算成的单位传热面积的设备费表示。为此定义：单位加热面的蒸 发水量为蒸发器生产强度，用U表示，即 （25-1） U W / A kg/(m 2 h) 可见，对一定蒸发水量W，所需加热面A越小，说明蒸发器生产强度越高。 再理想情况下，即沸点加料，且忽略热损 这时Q = Wr，则有： Q 1 U KΔt （25-2） Ar r 可见，U的大小与传热速率即与K和有关。提高设备生产强度实为强化传热，这 可通过如下途径实现： 1. 提高 Δt ――真空蒸发；2. 提高K 1. 提高 Δt ――真空蒸发 为提高 Δt Ts t ，可通过提高生蒸汽能位 Ts ，或降低溶液沸点 t 来实现。但是
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三、蒸发单元操作的经济性 蒸发单元操作的经济性反映在操作费和设备投资两方面，具体体现在
加热蒸汽消耗量及加热室传热面积上。下面分别讨论之。
（一）加热蒸汽经济性 蒸发器的主要操作费用在汽化溶剂所消耗的加热蒸汽量（也称生蒸汽），单位蒸 汽消耗量D/W的倒数W/D称蒸汽经济性，它是蒸发器操作是否经济的重要标志。 溶液沸点进料，且忽略热损失的单效蒸发器，其W / D 1。为提高W/D或生蒸汽 的利用率，可采取如下措施： （1）采用多效蒸发
3提高生蒸汽经济性W/D的主要措施是采用多效蒸发流程。W/D数值只取决于
过热衡算而与传热速率无关。 4设备生产强度的定义为U=W/A 理想条件下 U KΔt 。说明U的大小与传热