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第二十六讲多效蒸发计算
一、多效蒸发过程分析
(一)操作参数在各效中的分布
多效蒸发为一多级串联过程。以图25-4所示的三效并流操作为例,生蒸汽从第一效加入,该效蒸汽空间的压强最高,最后一效蒸汽空间的压强最低,生蒸汽与冷凝器之间的压差在多效蒸发系统中的各效间分布。稀溶液从第一效加入,浓溶液从最后一效引出。由于在稳态操作下,系统各操作参数在任一效中不发生积累,当进料状态、生蒸汽及冷凝器的压强确定后,系统各操作参数,如温度、压强、及溶液浓度等都受该串联过程内在规律制约,由过程操作本身自动形成分布。浓缩液的浓度只能通过改变加料速率来调节。
为说明上述结论,仍以图25-4所示三效并流系统为例进行讨论。三效加热室的传热速率可分别表示为:
(26-1)
如不计各种热损失, 即有:
(26-2)
或: (26-3)
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已知溶液沸点升高规律可用Duhling规则表示(为简单起见,不考虑其
他温差损失):
(26-4)
从式(26-3)和式(26-4)可以看出,第一、二效蒸汽空间温度T1和T2由各效蒸发器的传热条件K1、K2、K3、 A1、A2、A3以及系统两端温度T0(生蒸汽温度)和T3(冷凝器温度)规定。同时也规定了各数蒸发器的压强分布的压强分布p1和p2。
进一步将T1和T2代入式(26-1)求出,在规定了加料浓度x0的情况下,通过物料衡算可以求出各效的浓度x1、x2(x3已由工艺要求规定)。
由讨论可知:多效蒸发中,各效操作参数T1和T2 (p1和p2)、及x1、x2 ,取决于两端温度T0和T3 、以及料液初始浓度x0 ,在操作过程中自动形成某种分布。
(二)多效蒸发的效数限制
正如所知,采用多效蒸发可以提高生蒸汽经济性,即降低单位蒸汽消耗量,从而降低了操作费用。但另一方面,使设备生产强度降低,设备投资费增高。而且随效数增加,生蒸汽经济性的提高越来越小。最佳效数的确定应通过经济核算,使操作费和设备费之和为最小。
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另外,蒸发效数还受到溶液沸点升高的限制。如图26-1的三个棒状图
分别表示了单效、双效和三效蒸发器的温降。三种情况的热条件相同,
即生蒸汽的压强(或温度)与冷凝器压强(或温度)一样,棒状图的全
高代表二者温度之差,蒸发同一种具有沸点升高的溶液。
图中阴影部分代表由于溶液沸点升高引起的温差损失,没有阴影部分为传热的有效温差。可见,随效数增多,系统的总有效温差减小。可预知,如果溶液沸点升高较大,以及随效数增多,可能达到极端情况,即总温差损失等于或大于总温降,这时蒸发操作无法进行。实际上,为要使蒸发操作得以进行,各效必须保证一定的有效传热温差,这从技术上限制了蒸发的效数。
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工业上使用的多效蒸发效数是一定的,如无机盐溶液,温差损失较大,
常取2~3效;糖和有机溶液的沸点升高较小,可用4~6效;海水淡化
及其他极稀的溶液才用到6效以上。
二、多效蒸发计算
描述多效蒸发过程的基本方程仍然是:物料衡算、热量衡算和传热速率方程。多效蒸发计算方法原则上是对上述方程组(方程个数随效数增加而增加)进行联立求解。但是,困难在于方程数目较大而且为非线性,以及物性关系常以图表给出。目前已有将物性关系式,则可采用多重视差法求解。
下面以图26-2所示并流三效蒸发器的设计型计算为例介绍视差法。
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多效