[科普中国]-单效蒸发

单效蒸发是蒸发操作的一种。其特点是所产生的二次蒸汽不用来使物料进一步蒸发，只是单台设备的蒸发。对于单效蒸发，在给定生产任务和确定了操作条件后，通常需要计算水分蒸发量、加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。

流程如图所示为工业生产中所见的典型单效真空蒸发流程。图中左面的设备是生产流程中的主体设备一蒸发器。蒸发器的种类很多、结构各异，但目前生产上使用的大部分蒸发器均由两大部分组成，第一部分是下部的加热室，这实际上是一个由若干加热管组成的间壁式换热器；构成蒸发器的另一部分是上部的蒸发室(亦称分离室)。

待蒸发的原料液(稀溶液)送入蒸发器后直接流入加热室的换热管内，而加热蒸汽则进入加热室的管间冷凝，所放出的潜热通过管壁传给在管内流动的料液，使溶液受热沸腾汽化，浓缩了的料液从蒸发器的底部排出，进入浓液贮槽即为产品(常称完成液) 。加热蒸汽放热后自身冷凝为冷凝水，由加热室下部排出。1

计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下内容：水分的蒸发量、加热蒸汽消耗量、蒸发器的传热面积。可应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程来解决。

（一）蒸发水量的计算

对图中所示蒸发器进行溶质的物料衡算，可得

由此可得水的蒸发量

完成液的浓度

式中，F——原料液量，kg/h；

W——蒸发水量，kg/h；

L——完成液量，kg/h；

xo一一原料液中溶质的浓度，质量分数；

x1——完成液中溶质的浓度，质量分数，

（二）加热蒸汽消耗量的计算

加热蒸汽用量可通过热量衡算求得，即对图中作热量衡算可得

或

式中，H——加热蒸汽的焓，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——加热室排出冷凝液的焓，kJ/h；

Q——蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h；

QL——热损失，可取Q的某一百分数，kJ/kg；

Co、C1——原料、完成液的比热，kJ/(kg ·℃)

（三）传热面积的计算

蒸发器的传热面积可通过传热速率方程求得，即

或

式中，A——蒸发器的传热面积，m2；

K——蒸发器的总传热系数，W/（m2· K）；

△tm——传热平均温度差，℃；

Q——蒸发器的热负荷，W或kJ/kg。

式中，Q可通过对加热室作热量衡算求得，若忽略热损失，Q即为加热蒸汽冷凝放出的热量，即

（四）传热平均温度差△tm的确定

在蒸发操作中，蒸发器加热室一侧是蒸汽冷凝，另一侧为液体沸腾，因此其传热平均温度差应为

式中，T——加热蒸汽的温度，℃；

t1——操作条件下溶液的沸点，℃。

溶液的沸点不仪受蒸发器内液面压力影响，而且受溶液浓度、液位深度等因素影响。

（五）总传热系数K的确定

蒸发器的总传热系数可按下式计算

式中，ai——管内溶液沸腾的对流传热系数，W/(m2·℃)；

ao——管外蒸汽冷凝的对流传热系数，W/(m2·℃)；

Ri——管内污垢热阻，m2．℃/W；

Ro——管外污垢热阻，m2．℃/W；

b/ γ——管壁热阻，m2.℃/W。

生产强度蒸发器生产强度的定义

蒸发器的生产能力仪反映蒸发器生产量的大小，蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时问单位传热面积上所蒸发的水量。即

式中，u——蒸发强度，kg/(m2．h)；

W——蒸发的水量，kg；

S——传热面积，m2。

蒸发强度通常可用于评价蒸发器的优劣，当蒸发W任务一定时，生产强度越大，所需要的传热面积越少，即设备的投资就越低。因此，它反映了蒸发操作的设备性能，也是蒸发操作的重要经济指标之一。

对多数物系，当沸点进料，若不计热损失和浓缩热，可得

由上式可知，提高蒸发强度的主要途径是提高总传热系数K和传热温度差△tm。

提高蒸发强度的途径

1.提高传热温度差

提高传热温度差可从提高热源的温度或降低溶液的沸点等角度考虑，可以采用下列措施实现。

(1)真空蒸发

(2)高温热源

提高△tm的另一个措施是提高加热蒸汽的压强，但这时要对蒸发器的设计和操作提出严格要求。一般加热蒸汽压强不超过0.6~0.8MPa。对于某些物料如果加压蒸汽仍不能满足要求时，则可选用高温导热油、熔盐或改用电加热，以增大传热推动力。

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、操作条件以及蒸发器的结构等。合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，及时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器特别是加热室内管，均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。2

与多效蒸发比较评价蒸发过程的两个主要技术经济指标：能耗与蒸发器的生产强度。能耗主要是指加热蒸汽的消耗量，它是关系到操作费用高低的主要指标之一。生产强度则决定了设备投资的大小，生产强度大，蒸发一定量溶液所需的传热面积少，整个蒸发装置小，设备投资少，对于多效蒸发装置来说，需考虑操作费与设备费总和为最小的原则来权衡最佳的效数。

（一）溶液的温度差损失

单效、多效蒸发的有效温差及温度差损失

单效和多效蒸发过程中均存在温度差损失。若单效和多效蒸发的操作条件相同，即二者加热蒸汽压力相同，则多效蒸发的温度差损失较单效时的大。右图为单效、多效蒸发的有效温差及温度差损失的变化情况。

图中总高代表加热蒸汽温度与冷凝器中蒸汽温度之差，即130℃一50℃=80℃。空白部分代表由于各种原因引起的温度损失，阴影部分代表有效温度差(即传热推动力)。由图中可见，多效蒸发中的温度差损失较单效大。不难理解，效数越多，温度差损失将越大。

（二）蒸发器的生产能力和生产强度

当蒸发过程中若没有温度差损失时，则三效蒸发和单效蒸发的热流量基本上是相同的，因此两者的生产能力也大致相同。但是，两者的生产强度截然不同，三效蒸发时的生产强度仪为单效蒸发时的1/3左右。在实际生产中，由于多效蒸发时的温度差损失大于单效蒸发时的，故多效蒸发时的生产能力和生产强度均低于单效蒸发时的。效数越多，温度差损失越大，蒸发装置的生产能力愈小。同时，随着效数增加，蒸发器的生产强度降低很快，致使设备投资迅速增加。

（三）多效蒸发效数的限制

下表列出了不同效数蒸发的单位蒸汽消耗量。随着效数的增加，单位蒸汽的消耗量会减少．即操作费用降低，但是有效温度差也会减少(即温度差损失增大)，使设备投资费用增人。因此必须合理选取蒸发效数，使操作费和设备费之和为最少。

|| ||

可见，多效蒸发D/W说明蒸发同样数量的水分形，采用多效蒸发时为小，可节省生蒸汽用量，提高生蒸汽的利用率，但是加热蒸汽利用率的提高是以降低蒸发强度为代价的，效数增加，蒸发强度降低，以及温差增加，使得效数不能随意增加．一般常见2～3效。同时，效数增加，设备费用都成倍增大，因此，必须对设备费和操作费进行权衡以决定合理的效数。这是最优化设计的内容之一。3

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学