第五章蒸发（2节）课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上一内容,下一内容,回主目录,返回,第二节 单效蒸发,(1),1,、水分蒸发量,(,又称二次蒸汽量,),：,Wkg/s,、,kg/h,由物料衡算完成计算,2,、,加热蒸汽消耗量：,Dkg/s,、,kg/h,;,溶液沸点,t,和焓的计算等,由热量衡算完成计算,3,、蒸发器的传热面积：,Sm,2,由传热速率方程完成计算,一、生产任务与操作条件：,进料量,Fkg/h,；进料液温度,t,0,与浓度,(,质量分数,),x,0,;,完成液浓度,x,1,；加热蒸汽,T,压力,P,S,及冷凝器的压力,P,K,二、要求确定的量：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(1)1、水分蒸发量 (又称二次蒸,第二节 单效蒸发,(2),画出物料流程图（确定衡算范围）；,根据物料进、出口流量，列衡算式;,F,x,0,W,L=F-W,x,1,原料液：,F,kg/h，,浓度,x,0,(,温度,t,0,，,焓,h,0,）,完成液,：,L,kg/h,L=F-W,水分蒸发量,(,二次蒸汽产生量,),：,W kg/h,物料衡算式：,F=W+Lkg/h, Fx,0,=Lx,1,+W0kg/h,一、物料衡算,蒸发量,W,的计算,2024/8/30,第二节 单效蒸发(2)画出物料流程图（确定衡算范,第二节 单效蒸发,(3),加热蒸汽一般用饱和蒸汽，它所提的供热量用于将,溶,液加热,到沸点,t,使,溶剂汽化,及,热损失,。,进入蒸发器的热量=排除蒸发器的热量,F,x,0,，,t,0,，h,0,W，,H,T,L=F-W；,t,1,h,1,D，T，H,D，T，,h,w,Q,L,热量衡算即焓衡算式,：,DH+Fh,0,=(F-W)h,1,+WH,+Dh,w,+Q,L,加热蒸汽消耗量,D：,二、焓衡算,求加热蒸汽,D,的量,H-h,w,=r,(,加热蒸汽的相变潜热),H,-h,1,=r,(,二次蒸汽的相变潜热),2024/8/30,第二节 单效蒸发(3) 加热蒸汽一般,第二节 单效蒸发,(4),1、,关于加热蒸汽的相变热：,r=H-h,w,;,冷凝水在饱和温度下排除，,加热蒸汽的焓,H：,查对应,T(P,S,),下的文献值；或,r,值直接查对应,T(P,S,),下的汽化潜热值。,其中,冷凝水的焓也可计算：,h,w,=c,pw,T,(,或查文献),对热量衡算进行讨论：,2、关于二次蒸汽的相变热,r,: r,=H,-h,1,;,二次蒸汽的焓及相变潜热值，取决于蒸发器内的操作压,强,p,和溶液(完成液)的沸点,(,t),。,二次蒸汽的温度,T,值：,查对应操作压强,p,下的饱和温度值；则,二次蒸汽的焓,H,查对应的焓值，及查对应的相变潜热值,r,。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(4)1、 关于加热蒸汽的相变热：,第二节 单效蒸发,(5),比热,：,溶液比热,c,p,=c,pw,(1-x,1,)+c,pB,x,1,kJ/kg,一般忽略原料液与完成液比热的区别；,当,x,t,T,则,r,r,一般,rr,；,即,消耗掉1,kg,加热蒸汽，蒸,发不出来1,kg,的二次蒸汽;,对于单效蒸发操作一般可取,e=1.1,或更大些。,E,值是衡量蒸发器的经济程度指标。,忽略热损失,Q,L,=0,沸点进料,t,0,=t:,4,、关于加热蒸汽用量,D,的讨论：,单位蒸汽消耗量,2024/8/30,第二节 单效蒸发(8)用溶液的比热计算焓求加热蒸汽,第二节 单效蒸发,(9),若,加热蒸汽量,D,固定,，则产生的二次蒸汽量,W,将,少于,沸点,进料的情况,；,若,产生相同的二次蒸汽量,W,量,，则消耗的加热蒸汽将,多,于,沸点进料的情况(因一部分的热量将用于溶液升温至沸点)。,忽略热损失,Q,L,=0,低于沸点进料,t,0,t,：,由以上分析：进口料液的温度，将直接影响产生二次蒸汽,W,的量。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(9) 若加热蒸汽量D固定,第二节 单效蒸发,(10),若,c,p0,c,p1,;,若沸点进料,t,0,=t,归纳蒸汽消耗量,D,的计算：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(10)若cp0cp1;若沸点进,课堂练习,-1,：（,1,）,1,、在连续操作的单效蒸发器中，将,2000kg/h,的某无机盐,水溶液由,10%,（质量分率）浓缩至,30%,（质量分率）。蒸发,器的操作压力为,40kPa,（绝压），相应的溶液沸点为,80,。加热蒸汽的压力为,200 kPa,（绝压）。已知原料液,的比热容为,3.77 ,，蒸发器的热损失为,12000W,。设溶液,的稀释热可以忽略。试求：,（,1,）水的蒸发量；,（,2,）原料液分别为,30,、,80,和,120,时的加热蒸汽耗,量，并比较它们的经济性。,解：（,1,）水的蒸发量,W,：,2024/8/30,课堂练习-1：（1）1、在连续操作的单效蒸发器中，将2000,课堂练习,-1,：（,2,）,（,2,）加热蒸汽消耗量,查得压力为,40kPa,和,200kPa,的饱和水蒸气的冷凝潜热分别为,2312,和,2205kJ/kg,由于溶液的稀释热可以忽略 ，所以可采用,（,a,）原料液温度为,30,时，蒸汽消耗量为,单位蒸汽消耗量为,（,b,）原料液温度为,80,时，蒸汽消耗量为,2024/8/30,课堂练习-1：（2）（2）加热蒸汽消耗量查得压力为40kPa,课堂练习,-1,：（,3,）,（,c,）原料液温度为,120,蒸汽消耗量为,分析：,由以上计算结果可知，原料液的温度越高，蒸发,1kg,水所,消耗的加热蒸汽量越小。,2024/8/30,课堂练习-1：（3）（c）原料液温度为120,蒸汽消耗量为,课堂练习,-2,：（,1,）,2,、在一连续操作的单效蒸发器中，将浓度为,20%,（质量分率）的,NaOH,水溶液浓缩至,50%,（质量分率）。,原料液处理量为,2000kg/h,，原料温度为,60,，蒸发在,减压下操作，蒸发器内操作的真空度为,53kPa,。已知在,此真空度下,50%,的,NaOH,溶液的平均沸点为,120,。加热,蒸汽的压力为,0.4MPa,（绝压），冷凝水在饱和温度下,排出。设蒸发器的热损失为,12000W,。,求（,1,）水蒸发量；（,2,）加热蒸汽消耗量。,2024/8/30,课堂练习-2：（1）2、在一连续操作的单效蒸发器中，将浓度为,课堂练习,-2,：（,2,）,解：,（,1,）水份蒸发量,（,2,）加热蒸汽消耗量,由于,NaOH,水溶液的稀释热不能忽略,60,、,20%,的,NaOH,溶液的焓,120,、,50%,的,NaOH,溶液的焓,查得,0.4MPa,水蒸气的冷凝热：,120,蒸汽的焓,：,分析：,本例中，单位蒸汽消耗量大的原因是,NaOH,溶液的浓缩热较大，一部分加热蒸汽被,用于浓缩,时溶液的吸热。,2024/8/30,课堂练习-2：（2）解：（1）水份蒸发量 （2）加热蒸汽消耗,第二节 单效蒸发,(11),由传热速率方程,：,QKS,0,t,m,其中：,加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除；,S,0,蒸发器的传热外表面积，,m,2,;,Q,蒸发器的热负荷，也即蒸发器的传热速率，,W,;,(由加热蒸汽提供总热量),;,K,0,基于传热外表面积的总传热系数，,W/(m,2,/),t,m,平均温差，,。,三、蒸发器的传热面积,S,0,：,1、,平均温差：,t,m,=T-t；,加热室两侧均为相变化；,T,加热蒸汽的温度，；,t,操作条件下溶液的沸点，。,3、,基于传热外表面积的总传热系数,K,0,:,2、,蒸发器的热负荷:,Q=D(H-h,w,)=Dr,2024/8/30,第二节 单效蒸发(11)由传热速率方程： QKS,第二节 单效蒸发,(12),四、溶液的沸点,t,：,1、,溶液的沸点的特点：,蒸发器加热室的一侧为蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，,其温度为溶液的沸点。因此，传热的平均温度差为,t,m,=T-t,t,取决于：,冷凝器压力,P,k,、溶液浓度、蒸发室内操作,压强,p,及液层深度，因此，,t,值是关键。,含有不挥发溶质的溶液，,由拉乌尔定律知，,在相同条件下，,其溶液的,蒸汽压比纯水的低；,或同压强下溶液的沸点高于纯水沸点；,溶液与纯水的,沸点之差称为沸点升高。,举说明例：,一蒸发操作加热蒸汽的,绝压为300,kPa,，,其饱和蒸汽压查表得,T=133.3,;此时若蒸发室压强为101.3,kPa，,纯水的沸点为,t=10,0；,现蒸,发,32的,KOH(,质量)溶液，,沸点为,t=115,，,比同压强下的纯水沸点高,出,=115-100=15,，即沸点升高值；,此差值就是蒸发器中的温度差损失。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(12)四、溶液的沸点 t ：1、,第二节 单效蒸发,(13),问题：,沸点升高对蒸发有利？不利？,不利！溶液的沸点升高值,即为蒸发过程的温差损失值！,因此，计算,值是计算溶液沸点的一个关键。,举说明例：,如果蒸发的是,30%,的,NaOH,水溶液，在常压下其沸点,t=,117,，,比同压强下的纯水沸点高出,=117-100=17,，即沸点升高值；,此差值就是,蒸发器中的温度差损失，用,。,分析,：,上述蒸发过程的,最大传热温差称为理论温差，,即：蒸发不含,任何溶质的水时的温差,t,T,=T-,t,水,=133.3-100=33.3；,而蒸发,32,的,KOH(,质量)溶液的传热温差为：,t=T-t=133.3-115=18.3,同理,：,上述蒸发过程的,最大传热温差称为理论温差，,即：,t,T,=T-,t,水,=133.3-100=33.3；,而蒸发,30,的,NaOH(,质量)溶液的传,热温差为：,t=T-t,=133.3-117=16.3,2024/8/30,第二节 单效蒸发(13)问题：沸点升高对蒸发有利？,第二节 单效蒸发,(14),其一，,同一种溶液,浓度不同时,，其沸点升高值不同，即,溶液浓,度的影响引起的温差损失用,表示；,其二，,蒸发器内液体柱中,液体的高度不同,，溶液的沸点升高也,不同，即,溶液层高度的静压强引起的温差损失，用,表示；,其三，,由于流体在管路中流动,产生阻力,而引起 的,温差损失，用,表示；通常,=1,。,2、,引起溶液沸点升高的原因：,引起温差损失的原因，不仅仅是由于溶液的沸点升高，还,有其他原因，讨论如下,。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(14)其一，同一种溶液浓度不同时,第二节 单效蒸发,(15),完成液的,沸点,t,，受蒸发器内操作压强,p,及溶液本身的浓度,x,影响很,大，而溶液在各种浓度和压强下的沸点，很多情况下查不到文献值；介,绍两种计算方法：,3、,溶液沸点及温差损失,的,计算：,杜林规则法的数学表达式：,杜林规则,：,一定浓度的某种溶液的沸点，与相同压强下标准液体的沸点呈线性关系。,（,1,）杜林规则法：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(15) 完成液的沸,第二节 单效蒸发,(16),式中：,t,A,、t,A,分别表示某溶液,在两个压强下的沸点值；,t,w,、t,w,分别表示,水在对,应压强下的沸点值(,文献值)；,以水的沸点作横坐标，,溶液,沸点为纵坐标,作图；两个状 态,点(两个,P,值下的,t,w,，t,A,),及(两个,值,P,0,下的,t,w,t,A,),两点连 线即,为,杜林线,，该线为,直线,。,杜林图：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(16)式中： tA、tA分别表,第二节 单效蒸发,(17),任意操作压强下、溶液的沸点升高可用下面公式计算,式中：,a,常压下（,p=101.3kPa）,溶液的沸点升高；,f,校正系数；,T,蒸发室压强为,p,对应的饱和水蒸汽温度，也是二次蒸汽的温,度；,r,p,对应的相变热，均为文献值；,则溶液的沸点：,t=T,+,。,（,2,）经验公式法：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(17)任意操作压强下、溶液的沸点,课堂练习,5-3,采用标准蒸发器，对,NaOH,的稀溶液进行浓缩。已知蒸,发室的操作压力为,50kPa,（绝压），完成液的浓度为,20%,。,试求操作条件下溶液的沸点升高及沸点。,（,1,）用经验式； （,2,）用杜林规则。,解：,（,1,）查得水的有关数据：,压力,kPa,温度,汽化热,kJ/kg,101.3,100,50,81.2,2304.5,查得在,101.3kPa,时,20%NaOH,溶液的沸点为,108.06,，,因此常压下该溶液的沸点升高为,2024/8/30,课堂练习5-3 采用标准蒸发器，对NaOH的稀溶,课堂练习,压力为,50 kPa,下的沸点升高为,此时溶液的沸点为,（,2,）用杜林规则法,沸点升高为：,2024/8/30,课堂练习压力为50 kPa下的沸点升高为 此时溶液的沸点为（,第二节 单效蒸发,(18),总之，由于液体柱高产生了静压强，由此将引起液体内部 的压强增,大，进一步将引起溶液的沸点升高，导致总温差下降。,溶液内部的静压强按,平均压强,p,m,及对应的沸点为,T,mp,式中：,p,m,蒸发器中液面和底部的平均压强，,kPa；,在该值下由饱和水蒸汽表,查得对应,的温度,T,pm,值,；,p,液面处压强，也即二次蒸汽的压强，,kPa；,在该值下由饱和水蒸汽表,查得对应,的温度,T,P,值；,溶液的密度，,kg/m,3,;,L,液层高度，,m；,4、,温差损失,的,计算：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(18) 总之，由于,课堂练习：54,在中央循环管蒸发器内，蒸发25,CaCl,2,水溶液，已测得,二次蒸汽的绝对压强为40,kPa。,加热管内深度为2.3,m，,溶液平均,密度为1200,kg/m,3,。,试求因溶液静压强引起的温度差损失,及,溶液,沸点,。已知操作条件下因溶液蒸汽压下降引起的温度差损,失为6.25。,解：,=T,pm,-T,p,;,T,p,、T,pm,差对,p,及,p,m,下的饱和温度值,T,p,=T,=,75;r,=2312.2kJ/kg,T,pm,=83,由静压强引起的温差损失为：,=T,pm,-T,p,=83-75=8,溶液,沸点,：,t=,T,+ +=,75+6.25+8,=,89.25,2024/8/30,课堂练习：54 在中央循环管蒸发器内，蒸发,课堂练习：5,4,(2),已知,CaCl,2,水溶液在常压下的沸点,t,a,=107，,则,a,=7，,溶液,沸点,：,t=,T,+ +=75+5.94+8,=88.94=89,2024/8/30,课堂练习：54(2)已知CaCl2水溶液在常压下的沸点ta,第二节 单效蒸发,(19),由于流体在管路中流动,产生流动阻力,而,引起的温度差,损失，用,的计算。,二次蒸汽在管路中流动，产生流动阻力，,使二次蒸汽的压强有所下降，温度相应也降,低，所降低的温度为温度差损失，大约为1,1.5，该温度差损失在多效蒸发中更为明显。,一般取,=1。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(19) 由于流体在管路,第二节 单效蒸发,(20),确定总温差损失,的一般方法:,首先确定冷凝器的操作压强,p,k,，,一般小于蒸发器,内的操作压强,p，,即,p,k,p；,T,k,T,；,T:,最后一效二次蒸,汽的饱和温度,(,文献值,),T,k,：,冷凝器中的实际压强（真空的）,p,k,时的饱和温度,(,文献值,),一般认为：,总温差损失：,对,单效蒸发,，溶液的沸点：,t=T,+,+ ,2024/8/30,第二节 单效蒸发(20)确定总温差损失的一般方法,课堂练习,5-5,用一连续操作的单效标准式蒸发器，将,10%,（质量分,率）的,Na2SO4,水溶液浓缩至,25%,（质量分率），进料量为,2000kg/h,，沸点进料。加热介质为,0.3MPa,（绝压）的饱和,水蒸气，冷凝器的操作压力为,50kPa,（绝压）。在操作条,件下，蒸发器的总传热系数,K=1000W/(m2),，溶液的平,均密度为,1206kg/m3,。冷凝水在饱和温度下排出，热损失,为,12000w,，估计蒸发器中液面高度为,2m,。,试求（,1,）水的蒸发量,W,；,（,2,）加热蒸汽用量,D,；,（,3,）蒸发器所需的传热面积,S,。,2024/8/30,课堂练习5-5 用一连续操作的单效标准式蒸发器，将10%,课堂练习,5-5,（,2,）,解：（,1,）水的蒸发量,W:,（,2,）加热蒸汽用量,D:,已知冷凝器的操作压力为,50kPa,，查得此压力下水蒸气的温度,为,T,k,=81.2,取,=1,，则蒸发室内二次蒸汽的温度,T82.2,，,相应的二次蒸汽压力,p=52kPa,及汽化热,rkJ/kg,其中加热蒸汽的冷凝热为,饱和温度为,查得常压下（,101.3kPa,）,25% Na2SO4,水溶液的沸点为,102,，故,2024/8/30,课堂练习5-5（2）解：（1）水的蒸发量W:（2）加热蒸汽用,课堂练习,5-5,（,3,）,52kPa,下的沸点升高为,故液面上溶液的沸点为,液层平均压力,查附录，在,63.8 kPa,下水蒸汽的温度为,87.2,，故,由以上计算可知，对于该物系，在真空下操作时， 在,中占有较大比例。,2024/8/30,课堂练习5-5（3）52kPa下的沸点升高为 故液面上溶,课堂练习,5-5,（,4,）,因此，溶液的平均沸点为,有效温度差为,因沸点进料，则,（,3,）蒸发器所需的传热面积,S,：,2024/8/30,课堂练习5-5（4）因此，溶液的平均沸点为 有效温度差为,第二节 单效蒸发,(22),1、蒸发器的生产能力,蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分,量,Wkg/h,表示;也可用蒸发器的传热速率,Q,表示。,对于单效蒸发：,QKSt,m,=KS(T-t),不同的进料温度，则所需要的热量(加热蒸汽量)是不,同的。以沸点进料为计算基准，则高于沸点进料时，,产生自蒸发现象，蒸发器的生产能力有所增强；而低,于沸点进料时，蒸发器的生产能力有所降低。,六、蒸发器的生产能力与生产强度,2024/8/30,第二节 单效蒸发(22)1、蒸发器的生产能力,第二节 单效蒸发,(23),2、蒸发器的生产强度,U:,即,:,单位传热面积上单位时间内蒸发的水量；,kg/(m,2,h),。,一般情况下可以认为蒸发量,W,是一定的(由工艺,条件决定,)，,因此传热面积,S,越小则生产强度,U,越大；,对于,单效蒸发,，,沸点进料,，,忽略热损失,，则：,2024/8/30,第二节 单效蒸发(23)2、蒸发器的生产强度U:即,第二节 单效蒸发,(24),分析,：,有利于增大,U,的一切因素都可以利用,1、增大传热总系数,K;,2、增大,t,m,值：,t,m,=T-t，T,与加热蒸汽的压强有,关；,t,与蒸发器内操作压强有关，即与冷凝器,的压强也有关；但,t,m,值的增加是有限度的。,3、,r,值是二次蒸汽的相变热，与操作压强有关，,操作压强越低，则该值越大。,总之，提高生产强度,U,的有效方法是增大,U,的,主要途径。,2024/8/30,第二节 单效蒸发(24)分析：有利于增大U的一切因,2024/8/30,2023/9/6,