化工原理-蒸发

化工原理（上册）化工原理6蒸发蒸发6.1 概述概述 定义：定义：浓缩溶液浓缩溶液 不挥发溶质与挥发性溶剂分离，获得浓度不挥发溶质与挥发性溶剂分离，获得浓度 高的溶液或溶剂；高的溶液或溶剂；加热（生）蒸汽、二次蒸汽，蒸发器加热（生）蒸汽、二次蒸汽，蒸发器 分类：分类：蒸汽利用：蒸汽利用：单效、多效蒸发；单效、多效蒸发；压力：压力：常压蒸发，加压蒸发，减压（真空）蒸发常压蒸发，加压蒸发，减压（真空）蒸发.减压（真空）减压（真空）优点：优点：1）省传热面积；省传热面积；2）利用利用 低压（废热）蒸汽；低压（废热）蒸汽；3）适用热敏性溶液；适用热敏性溶液；4）热损失减少。热损失减少。缺点：缺点：1）、K；2）减压装置、能耗。减压装置、能耗。流程：流程：叙述叙述 P281 图图6-1 传热过程传热过程 蒸发基本流程.swf 真空泵缓冲罐水分离器混合冷凝器冷却水二次蒸汽冷凝水冷凝水疏水器加热室 加热蒸汽原料液蒸发室完成液 不凝气体特点：特点：.沸点升高，沸点升高，t 变变小小 节省能源节省能源，大量汽化大量汽化 大量蒸汽消耗大量蒸汽消耗 物料的工艺特性，物料的工艺特性，析晶、结垢、分解、热敏性、析晶、结垢、分解、热敏性、高粘、强腐蚀高粘、强腐蚀设备差异：设备差异：与换热器相比与换热器相比 加热室加热室 分离室（蒸发室）分离室（蒸发室）详细在后面介绍详细在后面介绍重点：重点：根据任务选择与设计蒸发器根据任务选择与设计蒸发器 如何提高设备的生产能力和经济性如何提高设备的生产能力和经济性可以替代的节能新单元操作：可以替代的节能新单元操作：膜分离技术等膜分离技术等 用于海水脱盐，低浓度组分提取，药物浓缩，菌种等热敏用于海水脱盐，低浓度组分提取，药物浓缩，菌种等热敏 性物质处理性物质处理6.2 蒸发器的形式蒸发器的形式 一一 结构和特点结构和特点 加热室加热室+分离室分离室 循环型循环型:自然循环型自然循环型-中央循环型中央循环型中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器.swf、悬筐式悬筐式悬筐蒸发器悬筐蒸发器.swf、外热式、外热式外加热式蒸发器外加热式蒸发器.swf、列文式列文式列文式蒸发器列文式蒸发器.swf 强制循环型强制循环型 强制循环管式蒸发器强制循环管式蒸发器.swf P282 P282 图图6-26-2、6-36-3，6-46-4 单程式单程式（不循环）：升膜（不循环）：升膜升膜式蒸发器升膜式蒸发器.swf、降膜降膜降膜式蒸发降膜式蒸发 器器.swf、升升-降膜、刮板式降膜、刮板式转子式刮板蒸发器转子式刮板蒸发器.swf、搅拌薄膜搅拌薄膜 P285 P285 图图6-56-5，6-66-6，6-76-7、1010 浸没燃烧式浸没燃烧式：烟道气直接式：烟道气直接式 直接接触式蒸发器直接接触式蒸发器.swf P286 P286 图图6-86-8 二二 选型选型 原则原则:满足工艺要求、保证质量，能力大，简单方便，经济。满足工艺要求、保证质量，能力大，简单方便，经济。三三 辅助装置辅助装置 P287 P287 图图6-96-9、1010 除沫器除沫器 除沫器的主要形式除沫器的主要形式.swf 冷凝器冷凝器干式逆流高位冷凝干式逆流高位冷凝器器.swf 真空装置真空装置-气体压送装置气体压送装置悬筐 列文 单效外循环 搅拌薄膜 刮板 浸没燃烧 升膜 降膜 三效升降膜蒸发器果汁蒸发器 三效蒸发器加热室蒸发室蒸发室原料原料 F,x0,t0,c0,h0加热蒸汽加热蒸汽D,Ts,Hs完成液完成液 L=F-W,x,t,c,h冷凝液冷凝液 D,Ts,hs二次蒸汽二次蒸汽 W,T1,H热损失热损失 QlAF W L D kg/h,x0 x 质量质量%,Ts,T1,t0 t,Hs hs H h kJ/kg ,c0,c kJ/(kg.K),Q l kJ/h 6.3 单效蒸发的计算单效蒸发的计算 单效蒸发计算示意图单效蒸发计算示意图 P394 图图6-13 符号说明符号说明 计算项目：计算项目：蒸发量蒸发量W kg/h；加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量 D（Q）kg/h；蒸发器的传热面积蒸发器的传热面积 A m2 已知条件：已知条件：生产任务与操作条件生产任务与操作条件-原料液的流量原料液的流量F、温度温度t0、浓度浓度x0(质量分率质量分率)；完成液的浓度完成液的浓度x；加热蒸汽的压强加热蒸汽的压强ps(pa)(Ts)；冷凝器内的压强冷凝器内的压强P(pa)依据：依据：物料衡算式、物料衡算式、焓衡算式、焓衡算式、传热速率方程式传热速率方程式一、蒸发量的计算一、蒸发量的计算 总总F=L+W 溶质不挥发溶质不挥发 Fx0=Lx=(F W)x 二、加热蒸汽消耗量的计算二、加热蒸汽消耗量的计算蒸汽在饱和温度下排出冷凝液蒸汽在饱和温度下排出冷凝液DHs+Fh0=Lh+WH+Dhs+Ql D(Hs hs)+Fh0=(F W)h+WH+Q l 则则 0液体焓为零（基准）、忽略浓缩热：液体焓为零（基准）、忽略浓缩热：h s=C*Ts 0=C*Ts；h0=C0t0 0=C0t0；h=Ct 0=Ct；则则 D(Hs C*Ts)+FC0t0=(F W)Ct+WH+Ql 001,FxxWFor xxFW0lssF hhW HhQDHhC0=C*(1 x0)+CBx0 C=C*(1 x)+CBx C*溶剂溶剂、CB溶质溶质 kJ/kg.K 当当x0.2 C0 C*(1 x0)C C*(1 x)若忽略浓缩热若忽略浓缩热 则则 Hs C*Ts=R H Ct r (H C*T=r 若若C C*)如沸点进料如沸点进料t0=t,又又C C0 及及 Ql=0 则则 D=W(H Ct)/R W r/R or D/W=(H Ct)/R r/R-单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量 表示表示经济程度经济程度，11.10 0lssF CtC tW HCtQDHC T0 0lsF CtC tWrQDR三、蒸发器的传热面积三、蒸发器的传热面积 Q=D(Hs hs)or Q=DR（热损失通过溶液再从外壁面走）（热损失通过溶液再从外壁面走）或或 对于标准型的（热损失直接通过外壁面走）对于标准型的（热损失直接通过外壁面走）Q传传=DR-Ql tm=t=Ts t沸点沸点 P291,P291,关键是关键是的提高的提高,减少污垢、提高流速等减少污垢、提高流速等 1不凝性气体排放不凝性气体排放ssssD HhDRAK TtK Tt11112122211ssmKbdddRRdddmQAKt例例1 1 单效蒸发计算单效蒸发计算 在单效蒸发器中每小时将在单效蒸发器中每小时将2000 2000 kgkg的某种水溶液从的某种水溶液从10 10 连续浓连续浓缩到缩到30 30，蒸发操作的平均压强为，蒸发操作的平均压强为40 40 kpakpa，相应的溶液沸点为相应的溶液沸点为8080，加热蒸汽绝压为，加热蒸汽绝压为200 200 kpakpa，原料液的比热为原料液的比热为3.773.77kJ/kg.KkJ/kg.K，蒸蒸发器的热损失为发器的热损失为1200012000W W，假设溶液的稀释热可忽略，不考虑假设溶液的稀释热可忽略，不考虑C C与与C C0 0的区别，若的区别，若K K=1500 W/(m=1500 W/(m2 2.K).K)，试求：（试求：（1 1）蒸发量）蒸发量W W；（；（2 2）原料液温度分别为原料液温度分别为3030。8080与与120120时的加热蒸汽消耗量时的加热蒸汽消耗量D D，并并 比较它们的经济性；（比较它们的经济性；（3 3）3030，8080，120120进料下所需的传热面积进料下所需的传热面积A.A.解：（解：（1）蒸发量）蒸发量W W=F(1-x0/x)=2000(1-0.1/0.3)=1333kg/h （2）加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量D D=F(Ct-C0t0)+Wr+Q1/R压强为压强为40kpa,200kpa饱和蒸汽的汽化潜热分别为饱和蒸汽的汽化潜热分别为2312和和2205kJ/kg 料液温度为料液温度为30时的蒸汽消耗量：时的蒸汽消耗量：D=2000 3.77(80-30)+1333 2312+12000 3.6/2205=1588kg/h 单位蒸汽消耗量单位蒸汽消耗量 D/W=1588/1333=1.19料液温度为料液温度为80时，则时，则D=(1333 2312+12000 3.6)/2205=1417kg/h D/W=1417/1333=1.06 料液温度为料液温度为120时，时，则则D=2000 3.77(80-120)+1333 2312+12000 3.6/2205=1280kg/h D/W=1280/1333=0.96 由以上计算可知，原料液的温度越高，蒸发由以上计算可知，原料液的温度越高，蒸发1kg水所消耗的加热水所消耗的加热蒸汽量越少蒸汽量越少.（3）A=Q/K(Ts-t1)=DR/K(Ts-t1)200kpa 沸点沸点Ts =120.2 t1=80 30 A=1588 2205 1000/3600 1500(120.2-80)=16m2 80 A=1417 2205 1000/3600 1500(120.2-80)=14.4 m2 120 A=1280 2205 1000/3600 1500(120.2-80)=13 m2 四四 焓浓图焓浓图 热效应热效应稀释热（浓缩热）稀释热（浓缩热）,焓浓图焓浓图 P293 P293 图图6-126-12 纵坐标纵坐标焓焓,横坐标横坐标溶液浓度溶液浓度,曲线曲线-等温线等温线 其中其中h,hh,h0 0查图查图五五 蒸发器的生产能力与生产强度蒸发器的生产能力与生产强度 P299P299 生产能力生产能力 W kg/h Q AW kg/h Q A 生产强度生产强度评价性能评价性能 U kg/mU kg/m2.2.h h T Ts s t tt tm m 但受限制但受限制 K tK tm mUU 2 2 K,K,不凝性气体排出，不凝性气体排出，增大增大u，清除垢层等可增清除垢层等可增K K。mKtWQUAArr0()()lssF hhW HhQDHhmsQKA tKA TtWr焓浓度一组温度线焓-浓图水沸点溶液沸点质量浓度线杜林规则图 6.4 溶液沸点和温度差损失溶液沸点和温度差损失 沸点升高原因：浓度沸点升高原因：浓度，液柱高度液柱高度 =t-T=t-T1 1 t t 溶液沸点，溶液沸点，T T1 1 相同压力下水的沸点相同压力下水的沸点 ，二次蒸汽饱和温度。二次蒸汽饱和温度。有效温度差有效温度差 tt 理论温度差理论温度差ttT T t tT T-t=-t=（T Ts s-T T1 1）-（T Ts s-t t）=沸点升高或沸点升高或温度差损失温度差损失 引起原因：引起原因：1 溶液蒸汽压下降溶液蒸汽压下降 2 液柱静压强液柱静压强 3 管路流体阻力管路流体阻力 T T1 1根据冷凝室压强定根据冷凝室压强定 =+T T1 1根据蒸发室压强定根据蒸发室压强定 则则=+温度差损失计算温度差损失计算 沸点计算法沸点计算法 杜林规则图杜林规则图 静压强计算静压强计算 查水蒸气表查水蒸气表 1 1 末效末效1.5 1.5 （一）（一）计算计算与种类、浓度与种类、浓度、操作压强有关，、操作压强有关，=t=tA A-T-T1 1 1.tA常压下测定溶液沸点常压下测定溶液沸点 可查可查 加减压下加减压下=f=f0 0 0 0 常压常压 可测可测 T T1 1相同压强下水的沸点相同压强下水的沸点,r r实际压强下二次蒸汽的汽化潜热实际压强下二次蒸汽的汽化潜热 2.杜林规则计算杜林规则计算tA 两组溶液沸点与纯水沸点（压力对应相同）数据构成直线两组溶液沸点与纯水沸点（压力对应相同）数据构成直线 则其他可查图线则其他可查图线 P290 图图6-11（二）（二）计算计算 p pm m=p+gL/2=p+gL/2 p p 二次蒸汽压强二次蒸汽压强 pa =T=Tpmpm-T-Tp p 查水沸点查水沸点（三）（三）计算计算 与流速、物性、尺寸有关。可通过阻力公式计算，取与流速、物性、尺寸有关。可通过阻力公式计算，取1,末效末效11.5.沸点、选择加热蒸汽压强沸点、选择加热蒸汽压强.rTf212730162.0例例 1：温度差损失的计算：温度差损失的计算 某垂直长管蒸发器用于蒸发氢氧化钠水溶液。蒸发器内的液某垂直长管蒸发器用于蒸发氢氧化钠水溶液。蒸发器内的液面高度约面高度约3m，已知完成液的浓度为已知完成液的浓度为50%（质量），密度为（质量），密度为1500 kg/kg/m3，加热用饱和蒸汽的压强（表压）为加热用饱和蒸汽的压强（表压）为0.3MpaMpa，冷凝器真空冷凝器真空度为度为53 53 KpaKpa，求传热温度差。求传热温度差。解：由附表中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为：解：由附表中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为：表压表压0.3Mpapa下下 T Ts s=143.5=143.5，绝压绝压48.3kpakpa下下 T Tp p=80.1=80.1蒸发器内的液体充分混合，器内溶液浓度即为完成液的浓度。由蒸发器内的液体充分混合，器内溶液浓度即为完成液的浓度。由图图6-116-11可以查得水的沸点为可以查得水的沸点为80.180.1时时50%50%氢氧化钠溶液的沸点为氢氧化钠溶液的沸点为120120。溶液的沸点升高溶液的沸点升高 =120-80.1=39.9=120-80.1=39.9液面高度液面高度L L为为3 3m m，取取Pm=P+1/2gL=48.3Pm=P+1/2gL=48.3*1000+0.51000+0.5*3 3*15001500*9.819.81=70.37 kpa=70.37 kpa 查此压强下水的沸点查此压强下水的沸点T Tpmpm为为90.02,90.02,故因溶液静压故因溶液静压头而引起的温度升高头而引起的温度升高 =90.0-80.1=9.9 =90.0-80.1=9.9 因在冷凝器故取因在冷凝器故取=1.5=1.5 总温差损失总温差损失 =+=39.9+9.9+1.5=51.3=+=39.9+9.9+1.5=51.3有效传热温差有效传热温差t=t=（T Ts s-T-Tp p）-=-=（143.5-80.1143.5-80.1）-51.3=12.1-51.3=12.1例例 2：单效蒸发器设计型计算：单效蒸发器设计型计算 采用真空蒸发将质量浓度为采用真空蒸发将质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液在的氢氧化钠水溶液在 蒸发器中蒸发器中（上例所述）浓缩到（上例所述）浓缩到50%，进料温度为，进料温度为60，加料量为，加料量为1.5kg/skg/s，已知蒸发器的传热系数为已知蒸发器的传热系数为1560w/mw/m2 2k k，求加热蒸汽消耗量及蒸发器求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面积。设蒸发器的热损失为加热蒸汽消耗量的的传热面积。设蒸发器的热损失为加热蒸汽消耗量的3%.3%.解：由物料衡算式可求出水份蒸发量解：由物料衡算式可求出水份蒸发量 W=FW=F（1-x1-x0 0/x)=1.5/x)=1.5（1-0.2/0.51-0.2/0.5）=0.9kg/s=0.9kg/s 按上例，蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为按上例，蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为 t=143.5-t=143.5-12.1=131.4 由图由图6-12可查的氢氧化钠水溶液的热焓为：可查的氢氧化钠水溶液的热焓为：原料液浓度原料液浓度20%60 h0 0=220kJ/kg=220kJ/kg 完成液浓度完成液浓度50%131.4 h=650kJ/kgh=650kJ/kg 由水蒸汽表查得由水蒸汽表查得 表压表压0.3Mpapa下下 143.5 水蒸汽的潜热水蒸汽的潜热 R=2138 kJ/kgR=2138 kJ/kg 绝压绝压48.3kpakpa下下 水蒸汽的水蒸汽的热焓热焓 r=2643 kJ/kg kJ/kg 由热量衡算式可得加热蒸汽用量由热量衡算式可得加热蒸汽用量 DR+FhDR+Fh0 0=（F-WF-W）h+Wr+0.03DRh+Wr+0.03DRD=(1/0.97R)F(h-hD=(1/0.97R)F(h-h0 0)+W(r-h)+W(r-h)=(1/0.97=(1/0.97 2138)1.5(650-220)+0.9(2643-650)2138)1.5(650-220)+0.9(2643-650)=1.176 kg/s=1.176 kg/s 加热蒸汽经济性加热蒸汽经济性 W/D=0.9/1.176=0.765 蒸发器热负荷蒸发器热负荷 Q=DR=1.17 2138=2514kw由传热速率方程式求出传热面积由传热速率方程式求出传热面积 A=Q/Ktt=2514 1000/（1560 12.1）=133.2m26.5 多效蒸发多效蒸发 节省能量节省能量加热蒸发加热蒸发 要求后一效的操作压强和溶液的沸点都要比前一效的低，要求后一效的操作压强和溶液的沸点都要比前一效的低，后一效的加热室成为前一效二次蒸汽的冷凝器。后一效的加热室成为前一效二次蒸汽的冷凝器。单效单效D/W=1 双效双效D/W=1/2 三效三效D/W=1/3 四效四效1/4 五效五效1/5 实际实际 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 由于存在温度差损失和蒸发的热损失由于存在温度差损失和蒸发的热损失Ql一一 多效蒸发流程多效蒸发流程加料方式加料方式 并流（顺流）：并流（顺流）：溶液和蒸汽的流向相同溶液和蒸汽的流向相同 并流加料流程并流加料流程.swf 优点优点：不用泵不用泵 ，自行蒸发自行蒸发闪蒸闪蒸 P296 P296 图图6-146-14 缺点：缺点：CC，tt，KK 逆流：逆流：逆流加料蒸发流程逆流加料蒸发流程1.swf原料液末效进；用泵往前打；原料液末效进；用泵往前打；完成液由第一效出，蒸汽由第一效到末效。完成液由第一效出，蒸汽由第一效到末效。优点优点：CC，TT，近似不变近似不变，K K相近；相近；P297 P297 图图6-156-15 缺点：缺点：用泵，用泵，t t0 0 DD 压力不同压力不同,潜热不同潜热不同,AA b 二次蒸汽再压缩二次蒸汽再压缩热泵蒸发器热泵蒸发器:p t t0p t t0 c 冷凝水自蒸发冷凝水自蒸发产生低压蒸汽产生低压蒸汽蒸发重点：生蒸汽、二次蒸汽、区别生蒸汽、二次蒸汽、区别 P280 蒸发流程蒸发流程 P281 真空蒸发特点真空蒸发特点 蒸发设备蒸发设备 P282 温度差损失、原因与计算温度差损失、原因与计算 P289 提高提高K的方法的方法 P292 焓浓图焓浓图 P293 物料衡算物料衡算 W P294 焓衡算焓衡算 D P294 传热面积计算传热面积计算 A P295 多效流程及特点多效流程及特点 P296 优缺点优缺点 P298 经济性经济性 W/D P298 生产强度生产强度 W/A P299 提高经济性的措施提高经济性的措施 P303习题课习题课 例例1 在单效真空蒸发器中，将流率为在单效真空蒸发器中，将流率为10000kg/h的某水溶液从的某水溶液从10%浓缩到浓缩到50%，原料液温度为，原料液温度为31 ，估计溶液沸点升高为，估计溶液沸点升高为7 ，蒸发室的绝，蒸发室的绝对压强为对压强为20kPa，加热蒸汽压强为加热蒸汽压强为200kPa（绝绝压），冷凝水出口温度为压），冷凝水出口温度为79 ，已知总传热系，已知总传热系数为数为1000W/(m2.K)，热损失可忽略，试估算加热损失可忽略，试估算加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积。20kPa下饱下饱和蒸汽温度为和蒸汽温度为60.1 ，汽化潜热，汽化潜热2355kJ/kg，200kPa下饱和蒸汽温度为下饱和蒸汽温度为120.2 ，汽化潜热，汽化潜热2205kJ/kg，焓焓H=2709 kJ/kg。解：溶液沸点解：溶液沸点 t=T1+=60.1+7=67.1=60.1+7=67.1 水分蒸发量水分蒸发量 W=F(1 xW=F(1 x0 0/x)=10000(1-/x)=10000(1-0.1/0.5)=8000kg/h0.1/0.5)=8000kg/h溶液比热溶液比热C C0 0=4.187(1-x=4.187(1-x0 0)=4.187(1-0.1)=3.77kJ/kg.K)=4.187(1-0.1)=3.77kJ/kg.K由蒸发器热量衡算可知：由蒸发器热量衡算可知：Q=Q=FCFC0 0(t t(t t0 0)+Wr+Q)+Wr+Ql l=10000=100003.773.77(67.1-31)+8000(67.1-31)+80002355+0=2.02 2355+0=2.02 10 107 7 kJ/hkJ/h=5.611=5.611 10 106 6 W W加热蒸汽消耗量加热蒸汽消耗量 D=Q/(H-CD=Q/(H-C*T)T)=2.02=2.02 10107 7/(2709-4.187/(2709-4.187 79)=8500 kg/h 79)=8500 kg/h由传热速率方程可知由传热速率方程可知 A=Q/K(TA=Q/K(Ts s-t)-t)=5.611=5.611 10 106 6/10/106 6/1000/1000(120.2-67.1)=106m(120.2-67.1)=106m2 2原料液过冷，但原料液过冷，但t=Tt=Ts s-t-t冷凝水过冷，温度下降只有很少的冷凝水过冷，温度下降只有很少的Q Q贡献，贡献，K K取平均。取平均。例例2 在真空度为在真空度为71.3 kPa下，将下，将20000kg 的饱和水急速送的饱和水急速送至真空度为至真空度为81.3 kPa的蒸发器内，忽略热损失，已知水的蒸发器内，忽略热损失，已知水的平均比热为的平均比热为4.18 kJ/kg.KkJ/kg.K，当地大气压为当地大气压为101.3 101.3 kPa，试求汽化水量。试求汽化水量。已知：已知：71.3 kPa绝压绝压30 kPa，T1=66.5 66.5,r r1=2333.7 kJ/kg,=2333.7 kJ/kg,1=0.19093kg/m3 81.3 kPa绝压绝压20 kPa，T2=60.1 60.1,r r2=2354.9 kJ/kg,=2354.9 kJ/kg,2=0.13068kg/m3解：解：71.3 kPa 81.3 kPa 66.5 66.5-60.1 60.1 闪蒸闪蒸降温放出的热量用于水分汽化降温放出的热量用于水分汽化Q=20000 Q=20000 4.18(66.5-60.1)=5.3504 10106 6 kJ kJW=W=5.3504 10106 6/2354.9=227.2kg/2354.9=227.2kgV=W/V=W/2=227.2/0.13068=1738.6 m3蒸蒸汽汽谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH