第7章-化工原理蒸发课件

第7章 蒸发第一节第一节 概述概述第二节第二节 蒸发设备蒸发设备第三节第三节 单效蒸发单效蒸发第第四四节节 多效蒸发多效蒸发2024/7/151蒸发 将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使部分挥发性溶剂汽化并移除，从而获得浓缩溶液或回收溶剂的操作称为蒸发。蒸发操作的基本要点是向蒸发器连续提供足够的热量并及时移除汽化的溶剂。蒸发操作的基本要点一蒸发的目的7.1 概述2024/7/152蒸发操作的目的（1）制取增浓的液体产品 如电解烧碱液的浓缩，牛乳制奶粉生产中牛乳的浓缩、蔗糖水溶液及各种果汁的浓缩等。（2）纯净溶剂的制取 如海水淡化等。（3）同时制备浓溶液和回收溶剂 如中药生产中酒精浸出液的蒸发。2024/7/153二蒸发的概念图7-1 液体蒸发的简化流程2024/7/154三蒸发过程分类加压蒸发常压蒸发真空（减压）蒸发 操作压力蒸发器进、出料状况间歇蒸发连续蒸发2024/7/155单效蒸发多效蒸发 二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽并流逆流平流三蒸发过程分类2024/7/156四蒸发操作的特点1溶液的沸点升高 由于不挥发溶质的存在使溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。对于垂直管式蒸发器，管内液柱的静压力及蒸汽在管道内的流动阻力也会引起溶液的沸点升高。沸点升高使传热推动力降低。2024/7/1572热能的综合利用 蒸发时需要消耗大量加热蒸汽，而溶剂汽化又产生相应量的二次蒸汽，因而强化与改善蒸发器的传热效果，充分利用二次蒸汽的潜热，应给予足够的重视。四蒸发操作的特点2024/7/1583溶液的工艺特性 蒸发过程中溶液的某些性质随着溶液的组成而改变。有些物料在浓缩过程中可能析出结晶、发泡、严重结垢、变性分解、黏度增高、腐蚀性增大等。在选择蒸发工艺和设备时需要认真考虑，尤其是蒸发器的防垢除垢技术，是世界性的热门研究课题。四蒸发操作的特点2024/7/159溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。主要原因：主要原因：（1）蒸发室空间压强下，溶液的沸）蒸发室空间压强下，溶液的沸点高于同压强下溶剂的沸点；点高于同压强下溶剂的沸点；（2）蒸发室液面下实际发生汽化之）蒸发室液面下实际发生汽化之处的压强大于蒸发室空间的压强。处的压强大于蒸发室空间的压强。2024/7/15102、蒸发设备、蒸发设备为什么冷凝器架设安置得很高？为什么冷凝器架设安置得很高？2024/7/15117.2 蒸发设备 7.2.1 循环型蒸发器2024/7/1512一、垂直短管型蒸发器中央循环管蒸发器图7-21加热室；2中央循环管；3蒸发室；4外壳2024/7/1513强制循环性蒸发器图7-4 1加热管；2循环泵；3循环管；4蒸发室；5除沫器 二、垂直长管型蒸发器2024/7/15147.2.2 单程型蒸发器 2024/7/1515一升膜式蒸发器升膜式蒸发器图7-51蒸发器；2分离室；2024/7/1516降膜式蒸发器图7-6 1蒸发器；2分离室；3布膜器二降膜式蒸发器2024/7/1517四旋转刮板式蒸发器 旋转刮板式蒸发器2024/7/1518五单程型蒸发器性能的比较 单程型蒸发器的特点是溶液沿加热管壁呈膜状流动而进行传热和蒸发，一次通过加热室即达到所要求的组成。其突出优点是传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，特别适用于热敏性物料的蒸发，因而在食品、生物制品、制药等工业部门得到广泛应用。2024/7/15197.2.2 蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数措施措施：定期清洗，去除垢层，加快流速定期清洗，去除垢层，加快流速，减少结垢。减少结垢。扩大管内两相流动的扩大管内两相流动的“环状流环状流”区域。区域。2024/7/15207.2.3 蒸发辅助设备蒸发辅助设备（1）除沫器）除沫器 2024/7/1521（2）疏水器）疏水器1冷凝水入口；冷凝水入口；2冷凝水出口；冷凝水出口；3排出管；排出管；4变压室；变压室；5滤网；滤网；6阀片阀片2024/7/15227.3 单效蒸发7.3.1物料衡算完成液的流量水分蒸发量 完成液的组成 2024/7/1523 在初始浓度不太高的情况下，随水分蒸发量的增加，溶液浓度变化不在初始浓度不太高的情况下，随水分蒸发量的增加，溶液浓度变化不大，只是到后期才明显变化。因为蒸发器溶液浓度等于完成液浓度，如果大，只是到后期才明显变化。因为蒸发器溶液浓度等于完成液浓度，如果在一个蒸发器内蒸发，则溶液浓度和粘度较大，对蒸发不利。可在一个蒸在一个蒸发器内蒸发，则溶液浓度和粘度较大，对蒸发不利。可在一个蒸发器中将大部分水分蒸发，然后在另一个蒸发器中蒸发得到所需的浓度。发器中将大部分水分蒸发，然后在另一个蒸发器中蒸发得到所需的浓度。2024/7/15247.3.2热量衡算损损或或损损（1）浓缩热显著的溶液）浓缩热显著的溶液损损此时此时2024/7/1525图7-15 氢氧化钠的焓浓图2024/7/1526损损（2）不计浓缩热的热量衡算）不计浓缩热的热量衡算对溶液浓度变化不大、浓缩热不大的溶液对溶液浓度变化不大、浓缩热不大的溶液蒸发器的热负荷为蒸发器的热负荷为2024/7/15277.3.3蒸发速率与传热温度差蒸发速率：蒸发速率：通常用单位时间的蒸发量通常用单位时间的蒸发量W表示。表示。蒸发过程的速率是由传热速率决定的。蒸发过程的速率是由传热速率决定的。溶液的沸点：溶液的沸点：溶液的沸点不仅取决于蒸发器的操作压强，而且还与溶溶液的沸点不仅取决于蒸发器的操作压强，而且还与溶质存在使溶液的沸点升高和蒸发器内液体的静压强有关。质存在使溶液的沸点升高和蒸发器内液体的静压强有关。2024/7/1528一溶质造成的沸点升高图图7-16 NaOH 7-16 NaOH 水溶液的杜林线图水溶液的杜林线图获取查手册估算杜林规则在浓度不太高的范围内，可在浓度不太高的范围内，可认为溶液的沸点升高与压强无认为溶液的沸点升高与压强无关，而取关，而取1大气压下的数值。大气压下的数值。在高浓度范围内，只要已知在高浓度范围内，只要已知两个不同压强下溶液的沸点，两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的沸点可按水的则其他压强下的沸点可按水的沸点作内插或外推。沸点作内插或外推。溶液中不挥发溶质引起饱和蒸汽压下降，使溶液沸点升高溶液中不挥发溶质引起饱和蒸汽压下降，使溶液沸点升高 。2024/7/1529杜林规则：在相当宽的压强范围内，溶液的沸点与同压强下溶杜林规则：在相当宽的压强范围内，溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系。剂的沸点成线性关系。水的沸点：水的沸点：oC溶溶液液的的沸沸点点2024/7/1530例：例：压强，压强，MPa 0.1 0.08 0.06 0.05 0.04某溶液沸点，某溶液沸点，oC 120 96 t2 60 t1某溶剂沸点，某溶剂沸点，oC 100 80 60 50 40按杜林规则分别确定按杜林规则分别确定0.04MPa、0.06MPa下，溶液的沸点。下，溶液的沸点。故故故故2024/7/1531二、蒸发器内液柱的静压强使溶液的沸点升高二、蒸发器内液柱的静压强使溶液的沸点升高 。由水蒸汽表查出压强由水蒸汽表查出压强 pm、p 所对应的饱和蒸汽温度，两者之所对应的饱和蒸汽温度，两者之差可作为液柱静压强引起的沸点升高差可作为液柱静压强引起的沸点升高 。三、溶液的沸点三、溶液的沸点t t 式中式中t0为冷凝器操作压力下水的饱和温度。为冷凝器操作压力下水的饱和温度。蒸发过程的传热温度差蒸发过程的传热温度差由于溶液的沸点升高使蒸发传热温度差减小，故由于溶液的沸点升高使蒸发传热温度差减小，故称为温度差损称为温度差损失。失。2024/7/15327.4 蒸发操作的经济性和多效蒸发一、衡量蒸发操作经济性的方法一、衡量蒸发操作经济性的方法 蒸发操作消耗的费用包括设备费和操作费（主要是能耗）蒸发操作消耗的费用包括设备费和操作费（主要是能耗）两部分。两部分。若不计热损失和浓缩热、料液预热到沸点加入，则蒸发器传热若不计热损失和浓缩热、料液预热到沸点加入，则蒸发器传热速率速率QWr，则则1、蒸发设备的生产强度、蒸发设备的生产强度2024/7/15332、加热蒸汽的利用率、加热蒸汽的利用率（4）冷凝水的利用。）冷凝水的利用。通常将每通常将每kg加热蒸汽所能蒸发的水量加热蒸汽所能蒸发的水量 称为加热蒸汽的称为加热蒸汽的经济性，它是蒸发操作是否经济的重要标志。经济性，它是蒸发操作是否经济的重要标志。2024/7/1534二、蒸发操作的节能方法二、蒸发操作的节能方法1、多效蒸发、多效蒸发 因为二次蒸汽的温度低于加热蒸汽的温度，后一效蒸发器因为二次蒸汽的温度低于加热蒸汽的温度，后一效蒸发器的操作压强及其对应的饱和温度必较前一效为低，即二次蒸汽的操作压强及其对应的饱和温度必较前一效为低，即二次蒸汽的温度必然逐级降低。的温度必然逐级降低。2024/7/1535特点：特点：1）料液在压强差的作用下自流到后一效；）料液在压强差的作用下自流到后一效；2）后效操作压强低，蒸发温度低，系统的能量利用较为合理；）后效操作压强低，蒸发温度低，系统的能量利用较为合理；3）末效溶液浓度高、粘度大，故传热系数小。末效所需的传热）末效溶液浓度高、粘度大，故传热系数小。末效所需的传热面积应更大些。面积应更大些。4）由于二次蒸汽温度的降低，后效的传热温度差有所减小。）由于二次蒸汽温度的降低，后效的传热温度差有所减小。并流加料并流加料2024/7/1536逆流流程逆流流程特点：特点：1）随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效浓度随着料液组成提高，温度相应提高，黏度变化小，各效浓度和温度对于液体粘度的影响大致相抵消，各效的传热条件（传热和温度对于液体粘度的影响大致相抵消，各效的传热条件（传热系数、传热温度差）大致相同；系数、传热温度差）大致相同；2）由于后效压强小于前效，溶液在各效之间的流动必须泵送。）由于后效压强小于前效，溶液在各效之间的流动必须泵送。2024/7/1537特点：特点：平流加料对易结晶的物料更为适合。平流加料对易结晶的物料更为适合。平流流程平流流程2024/7/15382、额外蒸汽的引出、额外蒸汽的引出 只要引出蒸汽的温位足够只要引出蒸汽的温位足够，引出效数越往后，引出等量的，引出效数越往后，引出等量的额外蒸汽所需补加的加热蒸汽量越少。额外蒸汽所需补加的加热蒸汽量越少。2024/7/1539又称热泵蒸发，不适用于沸点上升较大的情况。又称热泵蒸发，不适用于沸点上升较大的情况。3、二次蒸汽的再压缩、二次蒸汽的再压缩加热蒸汽加热蒸汽加热蒸汽加热蒸汽2024/7/15404、冷凝水热量的利用、冷凝水热量的利用 预热料液；减压自蒸发，汽化的蒸汽与二次蒸汽一并加预热料液；减压自蒸发，汽化的蒸汽与二次蒸汽一并加入后一效加热室。入后一效加热室。2024/7/1541三、多效蒸发过程分析三、多效蒸发过程分析1、各效温度和浓度分布、各效温度和浓度分布 多效蒸发是多个蒸发器串联操作，就其中任一蒸发器而多效蒸发是多个蒸发器串联操作，就其中任一蒸发器而言，都可以按单效蒸发处理。但各效之间相互联系，过程参言，都可以按单效蒸发处理。但各效之间相互联系，过程参数相互制约。数相互制约。2024/7/1542对多效蒸发，可得以下结论：对多效蒸发，可得以下结论：各效蒸发器的温度仅与端点温度有关，在操作中自动形成各效蒸发器的温度仅与端点温度有关，在操作中自动形成某种分布。某种分布。各效浓度仅取决于端点温度及料液的初始浓度，在操作中各效浓度仅取决于端点温度及料液的初始浓度，在操作中自动形成某种分布。对于一定的溶液，溶液的蒸气压大小取自动形成某种分布。对于一定的溶液，溶液的蒸气压大小取决于温度和浓度，故蒸气压在操作中自动形成某种分布。决于温度和浓度，故蒸气压在操作中自动形成某种分布。2024/7/15432、多效蒸发效数的限制、多效蒸发效数的限制对同一蒸发任务，增加效数可以提高加热蒸汽的经济性对同一蒸发任务，增加效数可以提高加热蒸汽的经济性 ，但因为有温度差损失，故效数受限。但因为有温度差损失，故效数受限。效数越多，则温度差损失之和越大，使各效的传热推动力效数越多，则温度差损失之和越大，使各效的传热推动力减小，甚至无法完成蒸发任务。减小，甚至无法完成蒸发任务。2024/7/15443、蒸发操作的最优化、蒸发操作的最优化 生产强度的提高和减少操作费用往往存在着矛盾。生产生产强度的提高和减少操作费用往往存在着矛盾。生产强度强度 直接与热流密度直接与热流密度 有关。有关。当加热蒸汽和冷凝器压强已定，蒸发器的总传热温度差也当加热蒸汽和冷凝器压强已定，蒸发器的总传热温度差也相应而定。如采用多效蒸发，因有温度差损失等原因，各效温相应而定。如采用多效蒸发，因有温度差损失等原因，各效温度差之和远小于总温度差，故多效蒸发的生产强度远小于单效度差之和远小于总温度差，故多效蒸发的生产强度远小于单效蒸发。故多效蒸发是以牺牲生产强度来提高加热蒸汽的经济性蒸发。故多效蒸发是以牺牲生产强度来提高加热蒸汽的经济性的。的。对真空蒸发，提高冷凝器的真空度虽然增加了传热推动力，对真空蒸发，提高冷凝器的真空度虽然增加了传热推动力，提高了生产强度，但功耗增大。提高了生产强度，但功耗增大。2024/7/1545 蒸发室空间的压强约等于二次蒸汽冷凝器内的压强。而冷凝器内的压强，蒸发室空间的压强约等于二次蒸汽冷凝器内的压强。而冷凝器内的压强，不是仅取决于真空泵所能抽到的真空程度，因为真空泵及时抽出的主要是不不是仅取决于真空泵所能抽到的真空程度，因为真空泵及时抽出的主要是不凝性气体。二次蒸汽在冷凝器内要及时的冷凝下来，因此，二次蒸汽冷凝器凝性气体。二次蒸汽在冷凝器内要及时的冷凝下来，因此，二次蒸汽冷凝器内的压强（或蒸发室空间的压强）主要取决于冷凝器所使用的冷却水（直接内的压强（或蒸发室空间的压强）主要取决于冷凝器所使用的冷却水（直接冷却）温度下的饱和蒸汽压。冷却水温度愈低，蒸发室所能达到的压强愈低。冷却）温度下的饱和蒸汽压。冷却水温度愈低，蒸发室所能达到的压强愈低。冷凝器内的压强（或蒸发室空间冷凝器内的压强（或蒸发室空间的压强）主要取决于什么？的压强）主要取决于什么？2024/7/1546 例例7-1(P250)温度差损失的计算温度差损失的计算用蒸发器增浓用蒸发器增浓NaOH水溶液，蒸发器内的液面高度约水溶液，蒸发器内的液面高度约3m，已知完成液的浓度，已知完成液的浓度为为50%（wt%)，密度为，密度为1500kg/m3，加热所用饱和蒸汽的压强（表压）为，加热所用饱和蒸汽的压强（表压）为0.3MPa，冷凝器真空度为，冷凝器真空度为53kPa，求传热温度差。，求传热温度差。解：解：加热蒸汽表压加热蒸汽表压 0.3MPa T=143.5oC蒸发室内的绝对压：蒸发室内的绝对压：101.3-53=48.3kPa,to=80.1oC 理论温度差：理论温度差：T-to=143.5-80.1=63.4oC在蒸发室的压强下在蒸发室的压强下，饱和水蒸汽的温度为饱和水蒸汽的温度为80.1oC，即纯水的沸腾温度是，即纯水的沸腾温度是80.1oC，50%NaOH水溶液的沸点为水溶液的沸点为120oC，溶液的沸点上升为：溶液的沸点上升为：在液面以下在液面以下L/5处的压强：处的压强：2024/7/1547在在pm=57.3kPa压强下，水的沸点为压强下，水的沸点为84.3oC，故因溶液静压头而引起的液，故因溶液静压头而引起的液温升高：温升高：溶液的实际温度是：溶液的实际温度是：实际传热温度差：实际传热温度差：理论温度差：理论温度差：T-to=143.5-80.1=63.4oC温度差损失：温度差损失：2024/7/1548 设计型命题：设计型命题：给定条件：给定条件：F,w0,t0,w 设计条件：加热蒸汽的压强及冷凝器的操作压强（主要由可供使用的冷设计条件：加热蒸汽的压强及冷凝器的操作压强（主要由可供使用的冷却却水温度决定）；水温度决定）；计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数计算目的：根据选用的蒸发器形式确定传热系数K，计算，计算A,D。操作型命题：操作型命题：已知条件：传热面积已知条件：传热面积A，传热系数，传热系数K，料液的进口状态，料液的进口状态w0与与 t0，完成液的，完成液的浓度要求浓度要求w，加热蒸汽的压强和与冷凝器内的压强；，加热蒸汽的压强和与冷凝器内的压强；计算目的：料液处理量计算目的：料液处理量F 和加热蒸汽消耗量和加热蒸汽消耗量D。2024/7/1549 例例7-2 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%的的NaOH水溶液在上例的蒸发器中浓缩至水溶液在上例的蒸发器中浓缩至50%，进料温度为，进料温度为60oC，加料量为，加料量为1.5kg/s。已知蒸发器的传热系数为。已知蒸发器的传热系数为1560W/(m2.K)，操作条件同上例，求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面，操作条件同上例，求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面积。积。设蒸发器的热损失为加热蒸汽放热量的设蒸发器的热损失为加热蒸汽放热量的3%。解：解：蒸发器中溶液的沸点：蒸发器中溶液的沸点：原料液浓度原料液浓度20%、60oC i0=220kJ/kg(图图7-15,P252)完成液浓度完成液浓度 50%、124.2oC i=630kJ/kg水蒸气表压为水蒸气表压为0.3MPa r0=2138kJ/kg水蒸气绝压为水蒸气绝压为48.3kPa（蒸发室压强）（蒸发室压强）I=2643kJ/kg2024/7/1550加热蒸汽的经济性：加热蒸汽的经济性：蒸发器的热负荷：蒸发器的热负荷：所需传热面积：所需传热面积：2024/7/1551 例：单效蒸发器操作型问题的计算例：单效蒸发器操作型问题的计算 有一传热面积为有一传热面积为30m2的单效蒸发器，将的单效蒸发器，将35oC、浓度为浓度为20%（wt）的）的NaOH溶液浓缩至溶液浓缩至50%。已知加热用饱和水蒸气的压力为。已知加热用饱和水蒸气的压力为294kPa（绝压），蒸发室（绝压），蒸发室压力为压力为19.6kPa（绝压），溶液的沸点为（绝压），溶液的沸点为100oC，蒸发器的总传热系数为，蒸发器的总传热系数为1000W/(m2.K)，热损失可取传热量的热损失可取传热量的3%，试计算加热蒸汽消耗量，试计算加热蒸汽消耗量D和料液处理量和料液处理量F。解：解：水蒸气绝压水蒸气绝压294kPa,Ts=132.9oC,r0=2171.5kJ/kg,蒸发室绝压蒸发室绝压19.6kPa,Ts=59.7oC,Is=2605kJ/kg,二次蒸汽的焓二次蒸汽的焓 I=Is+cp(t-59.7)=2605+1.88(100-59.7)=2681kJ/kg1、加热蒸汽的用量：、加热蒸汽的用量：2024/7/1552 2、料液的处理量、料液的处理量料液料液 35oC,20%(wt)i0=120kJ/kg 完成液完成液 100oC,50%(wt)i=540kJ/kg解得：解得：F=0.56kg/s W=0.6F=0.34kg/s2024/7/1553习题习题7-3(P256)设计型问题设计型问题解：解：查：查：50oC 10%NaOH溶液，溶液，i0=170kJ/kg 90oC 30%NaOH溶液，溶液，i=350kJ/kg蒸发室内绝对压：蒸发室内绝对压：101.3-67=34.3kPa，水的沸点，水的沸点to=70.1oC，水的汽化潜热水的汽化潜热rs=2324.5kJ/kg，30%NaOH水溶液的沸点：水溶液的沸点：t=90oC2024/7/1554加热蒸汽绝对压：加热蒸汽绝对压：101.3+50=151.3kPa,查：查：T=111.1oC,r0=2239.4kJ/kg二次蒸汽的焓：二次蒸汽的焓：I=cp(t-to)+rs=1.88(90-70.1)+2324.5=2362.1kJ/kg习题习题3 设计型问题设计型问题2024/7/1555 习习题题4 操操作型问题作型问题解：解：1、忽略沸点升高，在操作室压力忽略沸点升高，在操作室压力0.1MPa下，查水的沸点下，查水的沸点t=100oCr=2258.4kJ/kg忽略热量损失忽略热量损失 或者或者 考虑热量损失考虑热量损失3%2024/7/1556可以假设可以假设K值不变。值不变。2、F=6800kg/h2024/7/1557一开发新型、高效蒸发器新型高效蒸发器的研究开发有如下途径：（1）研制设备更加紧凑、提高液体速度、增加液膜湍动、缩短料液在设备中停留时间的高效、节能型蒸发器。（2）通过改进加热表面形状来提高加热效果。（3）在蒸发器中插入不同形式的湍流元件，可使沸腾液体侧的对流传热系数大幅度提高。例如，在自然循环蒸发器内加入铜制填料，可造成液体的湍动，使沸腾传热系数提高50%以上。（4）不同结构蒸发器的组合，如长管降膜短管自然循环组合式蒸发器，不但提高了传热速率，而且减缓了结垢速率。2024/7/1558二蒸发与其它单元操作结合 将蒸发与其它化工单元操作结合，构成集成式的工艺流程，如蒸发干燥、蒸发分馏、蒸发结晶等。其中最具代表性的是强制循环蒸发结晶器及奥斯陆（Oslo）型蒸发结晶器，可在一个系统同时完成加热、蒸发及结晶等过程。2024/7/1559三、蒸发器传热的强化及防除垢技术（1）在蒸发器内插入多种形式的湍流构件，通过改变加热表面形状或其它增加液膜湍动措施来强化传热，并减缓结垢。（2）通过改变料液性质来提高传热效果，如加入适当的表面活性剂可使总传热系数成倍提高；加入适当阻垢剂，则可抑制结垢。（3）气液固三相流化床蒸发器在蒸发中的防除垢及强化传热效果十分显著，具有高效、多功能、易操作等一系列优点。2024/7/1560蒸发器的选型原则对物料的工艺特性有良好的适应性，如热敏性、腐蚀性、结晶、结垢、黏性、发泡性等。其中黏度在蒸发过程中的增加程度及结垢情况应给予特别注意。满足生产工艺对完成液质和量的要求。结构简单，操作可靠，造价和操作费用低廉，经济合理，维修方便。2024/7/1561