基本介紹
- 中文名：單效蒸發
- 外文名：single-effect evaporation
- 特點：二次蒸汽不再利用僅單台設備蒸發
- 技術經濟指標：能耗、蒸發器的生產強度
- 提高蒸發強度：提高傳熱溫度差、總傳熱係數
- 計算：水蒸發量、加熱蒸汽消耗量等
流程,計算,生產強度,與多效蒸發比較,
流程
如圖所示為工業生產中所見的典型單效真空蒸發流程。圖中左面的設備是生產流程中的主體設備一蒸發器。蒸發器的種類很多、結構各異，但目前生產上使用的大部分蒸發器均由兩大部分組成，第一部分是下部的加熱室，這實際上是一個由若干加熱管組成的間壁式換熱器；構成蒸發器的另一部分是上部的蒸發室(亦稱分離室)。
單效真空蒸發流程
單效真空蒸發流程待蒸發的原料液(稀溶液)送入蒸發器後直接流入加熱室的換熱管內，而加熱蒸汽則進入加熱室的管間冷凝，所放出的潛熱通過管壁傳給在管內流動的料液，使溶液受熱沸騰汽化，濃縮了的料液從蒸發器的底部排出，進入濃液貯槽即為產品(常稱完成液) 。加熱蒸汽放熱後自身冷凝為冷凝水，由加熱室下部排出。
計算
對於單效蒸發，在給定的生產任務和確定了操作條件以後，通常需要計算以下內容：水分的蒸發量、加熱蒸汽消耗量、蒸發器的傳熱面積。可套用物料衡算方程、熱量衡算方程和傳熱速率方程來解決。
單效蒸發器物料衡算示意圖
單效蒸發器物料衡算示意圖（一）蒸發水量的計算
對圖中所示蒸發器進行溶質的物料衡算，可得
由此可得水的蒸發量
完成液的濃度
式中，F——原料液量，kg/h；
W——蒸發水量，kg/h；
L——完成液量，kg/h；
xo一一原料液中溶質的濃度，質量分數；
x1——完成液中溶質的濃度，質量分數，
（二）加熱蒸汽消耗量的計算
加熱蒸汽用量可通過熱量衡算求得，即對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——蒸發器的熱負荷或傳熱速率，kJ/h；
QL——熱損失，可取Q的某一百分數，kJ/kg；
Co、C1——原料、完成液的比熱，kJ/(kg ·℃)
（三）傳熱面積的計算
蒸發器的傳熱面積可通過傳熱速率方程求得，即
或
式中，A——蒸發器的傳熱面積，m2；
K——蒸發器的總傳熱係數，W/（m2· K）；
△tm——傳熱平均溫度差，℃；
Q——蒸發器的熱負荷，W或kJ/kg。
式中，Q可通過對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
在蒸發操作中，蒸發器加熱室一側是蒸汽冷凝，另一側為液體沸騰，因此其傳熱平均溫度差應為
式中，T——加熱蒸汽的溫度，℃；
t1——操作條件下溶液的沸點，℃。
溶液的沸點不儀受蒸發器內液面壓力影響，而且受溶液濃度、液位深度等因素影響。
（五）總傳熱係數K的確定
蒸發器的總傳熱係數可按下式計算
式中，ai——管內溶液沸騰的對流傳熱係數，W/(m2·℃)；
ao——管外蒸汽冷凝的對流傳熱係數，W/(m2·℃)；
Ri——管內污垢熱阻，m2．℃/W；
Ro——管外污垢熱阻，m2．℃/W；
b/ γ——管壁熱阻，m2.℃/W。
生產強度
蒸發器生產強度的定義
蒸發器的生產能力儀反映蒸發器生產量的大小，蒸發器的生產強度簡稱蒸發強度，是指單位時問單位傳熱面積上所蒸發的水量。即
式中，u——蒸發強度，kg/(m2．h)；
W——蒸發的水量，kg；
S——傳熱面積，m2。
蒸發強度通常可用於評價蒸發器的優劣，當蒸發W任務一定時，生產強度越大，所需要的傳熱面積越少，即設備的投資就越低。因此，它反映了蒸發操作的設備性能，也是蒸發操作的重要經濟指標之一。
對多數物系，當沸點進料，若不計熱損失和濃縮熱，可得
由上式可知，提高蒸發強度的主要途徑是提高總傳熱係數K和傳熱溫度差△tm。
提高蒸發強度的途徑
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等角度考慮，可以採用下列措施實現。
(1)真空蒸發
(2)高溫熱源
提高△tm的另一個措施是提高加熱蒸汽的壓強，但這時要對蒸發器的設計和操作提出嚴格要求。一般加熱蒸汽壓強不超過0.6~0.8MPa。對於某些物料如果加壓蒸汽仍不能滿足要求時，則可選用高溫導熱油、熔鹽或改用電加熱，以增大傳熱推動力。
2.提高總傳熱係數
蒸發器的總傳熱係數主要取決於溶液的性質、沸騰狀況、操作條件以及蒸發器的結構等。合理設計蒸發器以實現良好的溶液循環流動，及時排除加熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發器特別是加熱室內管，均是提高和保持蒸發器在高強度下操作的重要措施。
與多效蒸發比較
評價蒸發過程的兩個主要技術經濟指標：能耗與蒸發器的生產強度。能耗主要是指加熱蒸汽的消耗量，它是關係到操作費用高低的主要指標之一。生產強度則決定了設備投資的大小，生產強度大，蒸發一定量溶液所需的傳熱面積少，整個蒸發裝置小，設備投資少，對於多效蒸發裝置來說，需考慮操作費與設備費總和為最小的原則來權衡最佳的效數。
（一）溶液的溫度差損失
單效、多效蒸發的有效溫差及溫度差損失
單效和多效蒸發過程中均存在溫度差損失。若單效和多效蒸發的操作條件相同，即二者加熱蒸汽壓力相同，則多效蒸發的溫度差損失較單效時的大。右圖為單效、多效蒸發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℃。空白部分代表由於各種原因引起的溫度損失，陰影部分代表有效溫度差(即傳熱推動力)。由圖中可見，多效蒸發中的溫度差損失較單效大。不難理解，效數越多，溫度差損失將越大。
（二）蒸發器的生產能力和生產強度
（三）多效蒸發效數的限制
下表列出了不同效數蒸發的單位蒸汽消耗量。隨著效數的增加，單位蒸汽的消耗量會減少．即操作費用降低，但是有效溫度差也會減少(即溫度差損失增大)，使設備投資費用增人。因此必須合理選取蒸發效數，使操作費和設備費之和為最少。
單效 | 雙效 | 三效 | 四效 | 五效 | |
（D/Wmin）理論值 | 1 | 0.5 | 0.33 | 0.25 | 0.2 |
（D/Wmin）實測值 | 1.1 | 0.57 | 0.4 | 0.3 | 0.27 |
可見，多效蒸發D/W說明蒸發同樣數量的水分形，採用多效蒸發時為小，可節省生蒸汽用量，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強度為代價的，效數增加，蒸發強度降低，以及溫差增加，使得效數不能隨意增加．一般常見2～3效。同時，效數增加，設備費用都成倍增大，因此，必須對設備費和操作費進行權衡以決定合理的效數。這是最最佳化設計的內容之一。
