化工原理课程设计三效逆流蒸发器
或多效蒸发，其理论传热温度差均为Δtr=T-T′ 。这里，T和T′分别为加热蒸汽和冷凝器处二次蒸汽的温度。换句话说，理论传热温差与效数无关，多效蒸发只是将上述传热温度差按某种规律分配至各效。而且，多效蒸发的每一效都存在沸点上升或传热温度差损失，因而各效有效传热温度差之和——总有效传热温度差必然小于单效时的有效传热温度差，结果导致多效时的生产能力小于单效。
间歇蒸发和连续蒸发 间歇蒸发有两种操作方法： ①一次进料，一次出料 ②连续进料，一次出料
工业上大规模的生产过程通常采用的是连续蒸发。
1.1.3蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性
（一）蒸发器的生产能力与生产强度
1、蒸发器的生产能力
蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为
W—蒸发器的生产能力，kg/h； Q—蒸发器的传热速率，kJ/h；
r?—操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； 2、蒸发器的生产强度
蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2·h)
'Q?KA?t?Dr?Wrm若为沸点进料，且不计热损失，根据，
则
由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r‘也可视为常
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数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差Δtm（T－t1）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法: 采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。
3、提高蒸发强度的途径 （1） 提高传热温度差?tm
提高传热温度差可提高热源的温度或降低溶液的沸点等角度考虑，工程上通常采用真空蒸发或高温热源来实现。
（2）提高总传热系数
蒸发器的总传热系数主要取决于溶液的性质、沸腾状况、操作条件以与蒸发器的结构等。这些已在前面论述，因此，合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，与时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管），均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。
（二）加热蒸汽的经济性
蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸汽的经济性，它的定义为1kg蒸汽可蒸发的水分量，即：
提高加热蒸汽的蒸汽性通常可以选择多效蒸发。 （三）提高加热蒸汽经济程度的其他措施
多效蒸发可以提高加热蒸汽的经济程度，除此之外，还可以采用以下措施来提高生蒸汽的经济程度。
1.二次蒸汽的部分利用 （额外蒸汽的引出）
在单效蒸发中，若能将二次蒸汽引出一部分，作为其他设备热源加以利用（如用来预热原料液），则对蒸发装置来说，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，如果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。
2.冷凝水显热的利用
蒸发装置消耗大量蒸汽必随之产生数量可观的冷凝水。此冷凝液排出加热室外可用以预热料液，也可像图7-19所示将冷凝水减压，减压至下一效加热室的压力。使之用过热产生自蒸发现象。汽化的蒸汽可与二次蒸汽一并进出入后一效
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的加热室，于是，冷凝水的显热得以部分地回收利用。
3.二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）
在单效蒸发中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潜热即完全除去，很不经济。考虑此二次蒸汽通过热泵（即压缩机）绝热压缩，使其p↑，T↑，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。
但是，要达到较好的经济效益，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，二次蒸汽的温升不可能高，传热推动力不可能大，而所需的传热面积则必然较大。对于沸点升高大的溶液的蒸发，热泵蒸发器的经济程度大为降低。由此可知，热泵蒸发量不适用沸点上升比较大的情况。此外，压缩机的投资费用较大，需要维修保养，这些缺点也在一定程度上限制了它的使用。
1.2蒸发设备
蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备
1..2.1蒸发器的型式与结构
蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。
（一）循环型蒸发器
特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。
自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动 1.中央循环管式蒸发器
中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图5-2所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加
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图5-2中央循环管式蒸发器
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热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%～100%。当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。混合液的循环速度与密度差和管长有关。密度差越大，加热管越长，循环速度越大。但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为1～2m，直径为25～75mm，长径比为20～40。
优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠。 缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗。 适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。 2.悬筐式蒸发器
悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的100～150%，因而溶液循环速度较高(约为 1～1.5m/s)。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。
3.外热式蒸发器
如图5-4为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比lD?50~100），且液体下降管（又称循环管），不再受
5-3悬筐式蒸发器
热。这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达1.5m/s。
优点：降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传热系数提高；结垢程度小。
适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液 。 4.列文蒸发器
结构特点：在特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液
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图5-4 外热式蒸发器
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在加热管中结垢或析出晶体。
优点：流动阻力小；循环速度高；传热效果好；加热管内不易堵塞。 缺点：设备费高；厂房高，耗用金属多。 适于处理有晶体析出或易结垢的溶液 。 5.强制循环型蒸发器
上述几种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加热管与循环管内溶液的密度差作为推动力，导致溶液的循环流动，因此循环速度一般较低，尤其在蒸发粘稠溶液（易结垢与有大量结晶析出）时就更低。为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环，如图4-10所示。这种蒸发器的循环速度可达1.5～5m/s。其优点是，传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为0.4～0.8kW。
（二）单程型蒸发器（膜式蒸发器）
循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液与时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。
1.升膜式蒸发器
图5-7所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达3~10m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持20~50m/s为宜。
适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性与易起泡的溶液。 不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。 2.降膜式蒸发器
图5-7 升膜式蒸发器
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图5-8 降膜式蒸发器
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