蒸发器的选型以及蒸汽耗量、传热面积的计算-【清白傲科技】

蒸发器的选型以及蒸汽耗量、传热面积的计算

所属分类：知识百科发布于 2023-11-28 10:36:41被阅读811次

蒸发器的结构形式较多，选用和设计时，要在满足生产任务要求、保证产品质量的前提下，尽可能兼顾生产能力大、结构简单、维修方便及经济性好等因素。选用时主要应考虑如下原则：

①要有较高的传热系数，能满足生产工艺的要求。

②生产能力较大。

③构造简单，操作维修方便。

④能适应所蒸发物料的工艺特性。

蒸发物料的物理、化学性质常常使一些传热系数高的蒸发器在使用上受到限制。因此，在选型时，能否适应所蒸发物料的工艺特性，是首要考虑的因素。蒸发物料的工艺特性包括黏度、热敏性、结垢、有无结晶析出、发泡性及腐蚀性等。

①黏度大的物料不适宜选择自然循环型，以选用强制循环型或降膜式蒸发器为宜。通常，自然循环型适用的黏度范围为0.01～0.1Pa·s。

②热敏性物料应选用停留时间短的各种膜式蒸发器设备，且常用真空操作以降低料液的沸点和受热程度。

③易结垢的料液，无论蒸发何种料液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有污垢生成。垢层的热导率小，因此对易结垢的溶液，宜选取管内流速大的强制循环型蒸发器。

④结晶析出的物料，一般应采用管外沸腾型蒸发器，如强制循环型、外加热式等。

⑤易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这类溶液宜采用外加热式蒸发器、强制循环型蒸发器或升膜式蒸发器。若将中央循环管式蒸发器和悬筐式蒸发器的分离室设计得大一些，也可用于这类溶液的蒸发。

⑥处理腐蚀性物料的蒸发器，应选用耐腐蚀的材料，如不透性石墨及合金材料等。

⑦溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面大于10m2时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20m2以上时，宜采用多效蒸发操作。此外要想选择一个合适的蒸发器，除了要对每种蒸发器进行了解，还要结合自己的产品要达到的效果来进行初选然后再结合设备的造价和运行成本的限制进行进一步选择。比如说进行产品浓缩时，如将牛奶、果汁、糖浆进行浓缩，就可以选择膜式蒸发器，因为这样选蒸发效率高，造价和运行成本也会下降一些，然而如果是蒸发结晶析出盐的，就要选择非膜式蒸发器，如果选择膜式蒸发器，晶体就会很快析出，然后黏结在换热器内壁上面，导致管路堵塞、设备故障或不能使用，非膜式强制循环式蒸发器就不会出现这种情况。强制循环型蒸发器，依靠泵的强制循环带动，使液体的流动速度保持在一定范围内，保证结晶体不会出现在换热器的管壁上，且换热器内的液体是灌满蒸发器的，而不是薄薄的一层膜，这样就不会有晶体迅速的析出和换热器内壁断流、干管的现象发生，从而解决了换热器堵塞的情况。

下面根据生产工艺条件计算蒸发器的生产强度、蒸汽消耗量、传热平均温差、总传热系数以及传热面积等。

一、蒸发器的生产强度

蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，即

U=W/A

式中 U——蒸发强度，kg/（m2·h）。

蒸发强度通常可用于评价蒸发器的优劣，对于一定的蒸发任务而言，蒸发器蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，即设备的投资就越低。

若不计热损失和浓缩热，料液又为沸点进料，可得

从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Δtm。

二、加热蒸汽消耗、蒸发器传热面积

1、加热蒸汽的消耗量

蒸发计算中，加热蒸汽消耗量可以通过热量衡算来确定。在稳定连续的蒸发操作中，当加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出时，单位时间内加热蒸汽提供的热量为：

Q=DR

蒸汽所提供的热量主要用于以下三方面：

①将原料从进料温度t1加热到沸点温度tf，此项所需要的显热为Q1

②在沸点温度tf下使溶剂汽化，其所需要的潜热为Q2

③补偿蒸发过程中的热量损失QL根据热量衡算的原则有：

即DR=FC1（tf-t1）+Wr+QL, 因此

式中 D——单位时间内加热蒸汽的消耗量，kg/h；

tf——操作压力下溶液的平均沸点温度，℃；

t1——原料液的初始温度，℃；

r——二次蒸汽的汽化潜热，可根据操作压力和温度从有关附表中查取，kJ/kg；

R——加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；

C1——原料液在操作条件下的比热容，kJ/（kg·K）。其数值随溶液的性质和浓度不同而变化，可由有关手册中查取，在缺少可靠数据时，可参照下式估算：

式中 Cs，Cw——溶质、溶剂的比热容，kJ/（kg·K）。

比热容可以查询化工工艺手册或者化学化工物性数据手册

当溶液为稀溶液（浓度在20%以下）时，比热容可近似地按下式估计：

实例计算

1）求25%食盐水溶液的比热容。

解：查得NaCl的比热容为0.838kJ/（kg·K），水的比热容为4.187kJ/（kg·K），则25%食盐水溶液的比热容：

2）欲将操作条件下比热容为3.7kJ/（kg·K）的11.6%（质量分数）的NaOH溶液浓缩到18.3%，已知溶液的初始温度为293K，溶液的沸点为337.2K，加热蒸汽的压强约为0.2MPa，每小时处理的原料量为1t，设备的热损失按热负荷的5%计算。试求加热蒸汽消耗量。

解：已知 F=1000kg/h；C1=3.7kJ/（kg·K）；tf=337.2K；t1=293K

QL=0.05DR

从相关手册可查得：加热蒸汽压强为0.2MPa时的汽化热潜热R=2202.7kJ/kg，温度为337.2K时的二次蒸汽的汽化潜热r=2344.7kJ/kg

2、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：

Q=KAt_m

A=Q/Kt_m

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）；

Δtm——传热平均温度差，℃；

Q——蒸发器的热负荷，W或kJ/kg。

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

式中 H——加热蒸汽的焓，kJ/kg；

hc——加热室排出冷凝液的焓，kJ/h。

但在确定Δtm和K时，却有别于一般换热器的计算方法。

①传热平均温度差Δtm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：

t_m=T-t₁

式中 T——加热蒸汽的温度，℃；

t1——操作条件下溶液的沸点，℃。

②总传热系数K的确定：蒸发器的总传热系数可按下式计

式中 αi——管内溶液沸腾的对流传热系数，W/（m2·℃）；

αo——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/λ——管壁热阻，m2·℃/W。

由于蒸发过程中，加热面处溶液中的水分汽化，浓度上升，因此溶液很易超过饱和状态，溶质析出并包裹固体杂质，附着于表面，形成污垢，所以Ri往往是蒸发器总热阻的主要部分。为降低污垢热阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循环速度，在溶液中加入晶种和微量的阻垢剂等。设计时，污垢热阻Ri目前仍需根据经验数据确定。至于管内溶液沸腾对流传热系数αi也是影响总传热系数的主要因素。影响αi的因素很多，如溶液的性质、沸腾传热的状况、操作条件和蒸发器的结构等。目前研究人员虽然对管内沸腾作过不少研究，但其所推荐的经验关联式并不大可靠，再加上管内污垢热阻变化较大，因此，目前蒸发器的总传热系数仍主要靠现场实测，以作为设计计算的依据。蒸发器总传热系数可以查询化工工艺手册。

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