化工原理蒸发解读课件

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,第,5,章 蒸发,*,/84,*,第,5,章 蒸发,5.0,概述,5.1,蒸发设备,5.2,单效蒸发,5.3,多效蒸发,9/17/2024,1,第,5,章 蒸发,5.0,概 述,在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常,将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。,5.0.1,蒸发分离的依据,利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。,9/17/2024,2,第,5,章 蒸发,5.0.2,蒸发操作的目的,获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品,脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程,去除杂质。,9/17/2024,3,第,5,章 蒸发,5.0.3,蒸发操作的应用,在工业上，有三种情况：,(1),制取液体产品。烧碱生产，蒸发,18%,的,NaOH,，到,32%,，作为成品碱；,(2),生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制糖、制药等。,(3),制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。,本章仅讨论水溶液的蒸发。,9/17/2024,4,第,5,章 蒸发,用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。,蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。,冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。,5.0.4,蒸发的流程,冷凝水,加热蒸汽,料液,二次,蒸汽,完成液,水,冷却水,不凝性气体,1.,加热室,2.,加热管,3.,中央循环管,4.,分离室,5.,除沫器,6.,冷凝器,9/17/2024,5,第,5,章 蒸发,蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，,产生的蒸汽称为二次蒸汽,，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。,冷凝水,加热蒸汽,料液,二次,蒸汽,完成液,水,冷却水,不凝性气体,1.,加热室,2.,加热管,3.,中央循环管,4.,分离室,5.,除沫器,6.,冷凝器,9/17/2024,6,第,5,章 蒸发,5.0.5,蒸发的分类,按,操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发,真空蒸发的优点：,1.,减压下溶液沸点,t,1,降低，使蒸发器的传热推动力,t=T-t,1,增大，因而，对一定的传热量,Q,，,可节省蒸发器的传热面积,S,。,2.,蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。,P,T ,t,一定，,Q,不变,3.,适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。,4.,减少蒸发器的热损失。,真空操作的缺点：,1.,溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降,2.,动力消耗大。因需要有造成减压的装置。,9/17/2024,7,第,5,章 蒸发,按,蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发,自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低,沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高,按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发,单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作,多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作,本章讨论沸腾传热,9/17/2024,8,第,5,章 蒸发,5.0.6,蒸发的特点,蒸发的实质是传热。蒸发器也是一种换热器。,蒸发具有下述特点：,传热性质：,传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故,属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。,溶液性质：,有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。,9/17/2024,9,第,5,章 蒸发,溶液沸点的改变,(,升高,),：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且,溶液浓度越高，温度差损失越大,泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。,能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。,9/17/2024,10,第,5,章 蒸发,5.1,蒸发设备,5.1.1,常用蒸发器的结构与特点,蒸发器组成：,加热室：加热溶液使之汽化,分离室：分离二次蒸汽和完成液,化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况，分为两大类：,循环型,(,非膜式,),单程型,(,膜式,),9/17/2024,11,第,5,章 蒸发,5.1.1.1,循环型,(,非膜式,),蒸发器,循环型蒸发器的特点是,溶液在蒸发器内作连续的循环运动,，溶液在蒸发器内停留时间长，溶液浓度接近于完成液浓度。根据引起循环运动的原因，分为自然循环和强制循环型蒸发器。,自然循环：由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生密度差而引起的循环运动,强制循环：依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动,9/17/2024,12,第,5,章 蒸发,1.,中央循环管式,(,标准式,),蒸发器,加热蒸汽：,加热室管束环隙内,溶液：,管内。,优点：,溶液循环好,传热效率高,结构紧凑、制造方便、操作可靠,缺点：,循环速度低,溶液粘度大、沸点高,不易清洗,适于,处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液,9/17/2024,13,第,5,章 蒸发,2.,悬筐式蒸发器,加热蒸汽：,管间,溶液：,管内,优点：,溶液循环速度高，改善了管内结构情况,传热速率较高,缺点：,设备费高,占地面积大,加热管内溶液滞留量大,适于,处理易结垢，有晶体析出的溶液,9/17/2024,14,第,5,章 蒸发,3.,外热式蒸发器,优点：,降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换,循环速度较高,，,使得对流传热系数提高,结垢程度小,适于,处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液,9/17/2024,15,第,5,章 蒸发,4.,列文蒸发器,优点：,流动阻力小,循环速度高,传热效果好,加热管内不易堵塞,缺点：,设备费高,厂房高，耗用金属多,适于,处理有晶体析出或易结垢的溶液,9/17/2024,16,第,5,章 蒸发,5.,强制循环型蒸发器,优点：,循环速度高,晶体不易粘结在加热管壁,对流传热系数高,缺点：,动力消耗大,对泵的密封要求高,加热面积小,适于,处理粘度大，易结垢、有晶体析出的溶液。,9/17/2024,17,第,5,章 蒸发,5.1.1.2,单程型,(,膜式,),蒸发器,单程型蒸发器的特点是,溶液只通过加热管一次蒸发,即可达到要求的浓度。,特点：,溶液停留时间短，操作时沿加热管壁呈膜状流动，,由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成，因此对设计和操作要求严格。,适用于,：热敏性物料的蒸发。,9/17/2024,18,第,5,章 蒸发,1.,升膜蒸发器,适于,处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液；,不适于,浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。,9/17/2024,19,第,5,章 蒸发,2.,降膜蒸发器,需设置良好的液体分布器，以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出。常用的膜分布器见,P299,图,5-7,。,适于,处理浓度、粘度较大的溶液,不适于,处理易结晶、结垢的溶液。,9/17/2024,20,第,5,章 蒸发,3.,升降膜式蒸发器,适于,处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。,9/17/2024,21,第,5,章 蒸发,4.,刮板薄膜蒸发器,缺点：,结构复杂，动力消耗大，传热面积小，处理能力低。,适于,处理易结晶、易结垢、高粘度的溶液,9/17/2024,22,第,5,章 蒸发,5.1.1.3,直接加热蒸发器,优点：,结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高,适于,处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。,不适于,处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。,9/17/2024,23,第,5,章 蒸发,5.1.2,蒸发器的辅助设备,蒸发器的辅助设备主要包括除沫器和冷凝器。,1.,除沫器,目的：,用于去除二次蒸气中的雾沫和液滴，防止有用产品的损失或冷凝液污染冷凝器。,安装位置：,分离室顶部或蒸发器外部。,9/17/2024,24,第,5,章 蒸发,2.,冷凝器和真空装置,冷凝器的作用：,将二次蒸汽冷凝成水后排出。,冷凝器分类：,间壁式和直接接触式两类。当二次蒸气为有价值的产品需要回收，或会严重污染冷却水时，应采用间壁式冷凝器；否则可采用直接接触式冷凝器。,真空装置作用：,将冷凝液中的不凝性气体抽出，维持蒸发操作所需的真空度。,真空装置适于：,蒸发器采用减压操作；,真空装置安装位置：,冷凝器后,常用的真空装置：,喷射泵、往复式真空泵以及水环式真空泵等。,9/17/2024,25,第,5,章 蒸发,5.1.3,蒸发器的选型,蒸发器的结构型式很多，选用时应结合生产过程的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式。选型时，一般考虑以下原则：,溶液的粘度：,蒸发过程中，溶液粘度变化的情况，是选型时很重要的因素。,高粘度的溶液应选用对其适应性好的蒸发器，如强制循环型、降膜式、刮板搅拌薄膜式等；,溶液的热稳定性：,热稳定性差的物料，应选用滞料量少，停留时间短的蒸发器，如各种膜式蒸发器,9/17/2024,26,第,5,章 蒸发,有晶体析出的溶液：,选用溶液流动速度大的蒸发器，以使晶体在加热管内停留时间短，不易堵塞加热管，如外热式、强制循环蒸发器,易发泡的溶液：,泡沫的产生，不仅损失物料，而且污染蒸发器，应选用溶液湍动程度剧烈的蒸发器，以抑制或破碎泡沫，如外热式、强制循环式、升膜式等；条件允许时，也可将分离室加大。,有腐蚀性的溶液：,蒸发此种物料，加热管采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器,9/17/2024,27,第,5,章 蒸发,易结垢的溶液：,蒸发器使用一段时间后，就会有污垢产生，垢层的导热系数小，从而使传热速率下降。,应选用便于清洗和溶液循环速度大的增大器，如悬筐式、强制循环式、浸没燃烧式等,溶液的处理量：,溶液的处理量也是选型时应考虑的因素。,处理量小的，选用尺寸较大的单效蒸发，处理量大的，选用尺寸适宜的多效蒸发。,不同类型的蒸发器，各有特点，对溶液的适应性也不相同，见,P302,表,5-1,。,9/17/2024,28,第,5,章 蒸发,5.2,单效蒸发,5.2.1,溶液的沸点和温度差损失,1.,溶液的沸点,含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且,溶液浓度越高，温度差损失越大,蒸发溶液温度差：,t,=T-t,蒸发纯水温度差：,t,T,=T-T,P,一定时，,t T,t,t,T,9/17/2024,29,第,5,章 蒸发,2.,温度差损失,造成温度差损失的主要原因是：,(1),因,溶质存在,，使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差,；,(2),蒸发器操作时需维持一定液位，因,加热管内液柱静压强,而使沸点升高,；,(3),二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器,(,或下一效蒸发器加热室,),时产生,压强降,，导致的温度差损失,(,若,T,指分离室温度时，,=0),。,总的温度差损失为三项之和，即,=,+,+,9/17/2024,30,第,5,章 蒸发,1).,因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失,设,t,A,为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点，则,=,t,A,-T,。,值的大小与溶液的种类、浓度以及操作压强有关，通常采用两种方法计算：,(1).,经验估算法,(,吉辛科法,),对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高,a,进行修正用于操作压强下的温度差损失。,=f,a,9/17/2024,31,第,5,章 蒸发,=f,a,式中：,a,常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高，,a,=,t,A,-100,；,t,A,常压下溶液的沸点，其值可从有关手册查得；,f,校正系数，无因次，,f,=0.0162(,T,+273),2,/,r,T,，,r,分别为实际操作压强下二次蒸汽温度，和汽化潜热，,kJ/kg,。,9/17/2024,32,第,5,章 蒸发,(2).,杜林规则 法,(,直线规则法,),杜林规则：说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系。,由于纯水在各种压强下的沸点容易获得，故一般选用纯水为标准溶液，只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图中以溶液沸点为纵标，以纯水沸点为横标，以溶液浓度为参数，即可得到一条直线。,由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点。,溶,液,沸,点,，,t,A,t,A,纯水沸点，,t,W,t,W,C%,9/17/2024,33,第,5,章 蒸发,溶,液,沸,点,，,纯水沸点，,C%,求解方法有两种：,查图法,已知,pT ,t,A,=,t,A,-T,截距法,在图中杜林直线上任选两点,M,、,N,，,其对应压强分别为,p,M,、,p,N,，,对应压强下溶液的沸点、水的沸点分别为,t,A,、,t,W,、,t,A,、,t,W,，,如图：,t,A,T,t,A,t,A,t,W,t,W,M,N,则,直线斜率为：,9/17/2024,34,第,5,章 蒸发,若某压强下水的沸点,t,W,=0,，则上式整理成截距计算式为：,t,A,=,t,A,- k,t,W,=,y,m,浓度不同的溶液之杜林直线互不平行，但斜率,k,与截距,y,m,均为溶液质量浓度,x,，,即：,k=f(x),y,m,=g(x),如,NaOH,水溶液：,k=1+0.142x,y,m,=150.75x,2,-2.71x,9/17/2024,35,第,5,章 蒸发,计算过程：,据质量浓度,x,计算,k,y,m,代入截距方程,y,m,=,t,A,- k,t,W,解的,t,A,=,t,A,-,t,W,9/17/2024,36,第,5,章 蒸发,例,7-2,在中央循环管蒸发器内将,NaOH,水溶液由,10,浓缩到,20,，求：,(1),利用经验估算法计算,50kPa,时,溶液的沸点,(2),利用杜林直线采用查图法计算,50kPa,时溶液的沸点,(3),利用杜林直线采用截距法计算,50kPa,时溶液的沸点,解,:(1,),查,P,358,附录二十一得,20,NaOH,水溶液在,101.33kPa,下,沸点升高值为,a,=8.5,查,P,338,附录十得,50kPa,时水的饱和温度为,T,=81.2,，,水的汽化热,r,=2304.5kJ/kg,=f,a,=0.88198.5=7.5 ,溶液沸点：,t,A,=,+,T,=7.5+81.2=88.7 ,9/17/2024,37,第,5,章 蒸发,(2),据,50kPa,下水的沸点为,81.2,，查,P296“NaOH,水溶液的杜林线图”的,20,直线，得纵标，即溶液沸点,t,A,=88,(3)NaOH,水溶液杜林直线：,k=1+,0.142,x=,1+0.1420.2=1.028,y,m,=,150.75,x,2,-2.71,x,=150.750.2,2,-2.710.2=5.488,y,m,=,t,A,- k,t,W,t,A,=,y,m,+,k,t,W,=5.488+1.02881.2,88.96 ,9/17/2024,38,第,5,章 蒸发,2).,因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失,某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位，使得液面以下液体承受更大的压强，因而导致沸点升高。液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失,。,9/17/2024,39,第,5,章 蒸发,一般计算时取液层中部平均压强,p,m,下对应的沸点,t,pm,为依据。设分离室压强为,p,Pa,，,液面高度为,L,m,，,则液层中部压强为：,对应的温度差损失：,=,t,pm,-t,p,式中：,t,pm,压强,p,m,下水的沸点，,(,因溶液沸点难于查取，故取该压强下纯水沸点近似作为溶液沸点,),；,t,p,与二次蒸汽压强,p,对应的水的沸点，；,液体密度，,kg/m,3,。,9/17/2024,40,第,5,章 蒸发,3).,由于管路流动阻力而引起的温度差损失,二次蒸汽由分离室流到冷凝器,(,或下一效加热室,),时，因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低，温度也相应下降，由此引起的温度差损失即为,。,因二次蒸汽,产生的压强降，随管路的布置情况而异，其计算较繁。通常根据生产经验值选取：,单效蒸发：蒸发器冷凝器,=,1,1.5,。,多效蒸发：蒸发器冷凝器,=,1,1.5,。,多效蒸发：蒸发器下一效加热室,=,1,。,在三种温差损失的计算中，以,为最大，为一主要影响因素。,9/17/2024,41,第,5,章 蒸发,5.2.2,单效蒸发,已知条件：,原料液流量,F(kg/h),，,原料液浓度,x,o,(,质量分率,),和温度,t,o,(,),，,完成液的浓度,x,1,(,质量分率,)(,生产要求,),过程选定：,加热蒸汽压强,p(,或温度,T),，,冷凝器操作压强,p,(,或温度,T,),；,计算内容：,单位时间内水分蒸发量,W(kg/h),，,加热蒸汽用量,D(kg/h),，,蒸发器的传热面积,S(m,2,),。,求解上述问题应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程。,9/17/2024,42,第,5,章 蒸发,5.2.2.1,蒸发量,W,如图以蒸发器为衡算范围，取,1h,为衡算基准，作物料衡算：,总物料：,F=W+G,溶质：,Fx,0,=Gx,1,蒸发室,加热室,W,T,H,F,x,0,t,0,h,0,D,T,H,D,T,h,w,G,x,1,t,1,h,1,9/17/2024,43,第,5,章 蒸发,5.2.2.2,加热蒸汽消耗量,D,以蒸发器为衡算范围，衡算基准为,1h,，,对进出蒸发器的热量进行衡算：,DH+Fh,0,=WH,+(F-W)h,1,+Dh,c,+Q,L, (7-1),蒸发室,加热室,W,T,H,F,x,0,t,0,h,0,D,T,H,D,T,h,c,F-W,Q,L,G,x,1,t,1,h,1,式中：,H,、,H,、,h,c,加热蒸汽、二次蒸汽和冷凝水焓值，,kJ/kg,；,h,0,、,h,1,原料液、完成液焓值，,kJ/kg,；,Q,L,蒸发器的热损失，,W,。,在具体计算时，根据溶液特性分为两种方法进行热量衡算求加热蒸汽用量。,9/17/2024,44,第,5,章 蒸发,1.,溶液的稀释热可以忽略,当溶液的稀释热不大，可以忽略不计时，溶液的焓值可用比热计算。以,0,的液体为基准，则：,原料液：,h,0,=C,0,(t,0,-,0,),完成液：,h,1,=C,1,(t,1,-,0,),冷凝水：,h,c,=C,W,(T-,0,),因此，式,(7-,1,),热量衡算式,可写为：,D(H-,C,W,T,)=WH,+(F-W)C,1,t,1,-FC,0,t,0,+Q,L,(7-2),式中两比热使用不便，改用原料液比热,C,0,代替完成液比热,C,1,。,9/17/2024,45,第,5,章 蒸发,溶液的比热可用以下经验公式计算：,C= C,w,(,1,-x) +,C,B,x,其中：,C,w,、,C,B,分别为水和溶质的比热，,kJ/kg,。,则：,C,0,= C,w,(1-x,0,) + C,B,x,0,=C,w,+(C,B,-C,w,)x,0,C,1,= C,w,(1-x,1,) + C,B,x,1,=C,w,+(C,B,-C,w,)x,1,9/17/2024,46,第,5,章 蒸发,若冷凝液在饱和温度下排出，且忽略溶液浓度变化对焓值的影响，即：,H- C,W,T=r,H-C,W,t,1,= r,则：,忽略稀释热时加热蒸汽消耗量计算式,9/17/2024,47,第,5,章 蒸发,说明,(1),从上式可以看出加热蒸汽提供的热量,Dr,用于：,将原料液由,t,0,升温到沸点,t,1,：,FC,0,(t,1,-,t,0,),蒸发水分：,W,r,过程热损失：,Q,L,9/17/2024,48,第,5,章 蒸发,(2),若原料液预热到沸点，即,t,0,=t,1,，,并略去热损失，,Q,L,0,，,则有,D/W=r,/r,1,，,即每蒸发,1kg,水分大约需要,1kg,加热蒸汽，实际过程有热损失，常在,1.1,左右。,e=D/W,称为,单位蒸汽消耗量,，为每蒸发单位质量水分时，加热蒸汽的消耗量，,kg/kg,。,e,值,是衡量蒸发装置经济程度的指标,。,(3),当,x,0,0.2,时：,C,0,=C,w,(,1,-x,0,),9/17/2024,49,第,5,章 蒸发,例题,5-2,在,连续操作的蒸发器中，将,2000kg/h,的某无机盐水溶液由,0.1,浓缩到,0.3(,均为质量分数,),。蒸发器的操作压力为,40kPa,，,相应的溶液沸点为,80,。加热蒸汽的压力为,200kPa,。,已知原料液的比热为,3.77kJ/(kg),，,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,、,120,时的加热蒸汽消耗量。,解：,9/17/2024,50,第,5,章 蒸发,9/17/2024,51,第,5,章 蒸发,2.,溶液稀释热不可忽略,对某些水溶液,(,如,CaCl,2,、,NaOH,等,),在稀释时有显著的放热效应，因而蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时，还需提供与稀释热相应的浓缩热，且溶液浓度愈大，温度愈高，这种影响愈显著。因此式,(7-1),中的,h,0,、,h,1,应由相应的焓浓图查取，计算结果才准确。,9/17/2024,52,第,5,章 蒸发,据,(7-1),热量衡算式，得加热蒸汽用量：,若冷凝液在饱和温度下排出，,(,H,-,h,c,)=,r,为饱和蒸汽冷凝潜热，,kJ/kg,。,因此：,9/17/2024,53,第,5,章 蒸发,5.2.2.3,传热面积,S,0,Q=K,0,S,0,t,m,1.,平均温度差,t,m,蒸发属两相均有相变的恒温传热过程，故传热的平均温度差为,t,m,=T-t,其中：,t=+T,9/17/2024,54,第,5,章 蒸发,2.,总传热系数,K,0,公式计算：,选用经验值：,P310,表,5-2,。,现场测定,9/17/2024,55,第,5,章 蒸发,3.,蒸发器的热负荷,Q,条件不同，热负荷的计算也不同，若加热蒸汽在饱和温度下排出：,稀释热不可以忽略时：,Q=Dr=,WH,+(F-W)h,1,- Fh,0,+Q,L,W,稀释热可以忽略时：,Q=Dr=,Wr,+ FC,p0,(t,1,-,t,0,) +Q,L,W,9/17/2024,56,第,5,章 蒸发,例,5-3,将,10%,的,NaOH,水溶液蒸发到,45%,，处理量为,1800kg/h,，,原料液温度,60,，比热为,3.4kJ/kg,，,加热蒸汽和分离室压强分别为,400kPa,和,50kPa,，,蒸发器内液面高度为,2m,，,溶液平均密度为,1400kg/m,3,，,总传热系数,K,o,为,1500W/(m,2,),，,若热损失为传热量的,10%,，忽略稀释热，试计算加热蒸汽消耗量，水分蒸发量，产品量及所需传热面积。,解：查附表十：,p,=400kPa,下蒸汽,T,=143.4,，,r,=2138.5kJ/kg,p,=50kPa,下二次,蒸汽,T,=81.2,，,r,=2304.5kJ/kg,(1),水分蒸发量,9/17/2024,57,第,5,章 蒸发,(2),产品量,G=(F-W),=1800-1400=400kg/h,(3),加热蒸汽用量,Dr=Wr,+FC,p,0,(t,1,-t,0,)+Q,L,Q,L,=,0.1,Dr,Dr=1.1Wr,+ FC,p,0,(t,1,-t,0,),其中：,t,1,=T,+,=81.2+,+,9/17/2024,58,第,5,章 蒸发,的计算采用杜林规则的截距法：,因溶液在蒸发器中循环接近完成液，故取,x,=0.45,k=,1,+,0.142,x,=1+0.142,0.45=1.0639,y,m,=,150.75,x,2,-,2.71,x,=150.75,0.45,2,-2.71,0.45=29.31,t,A,=,y,m,+,k,t,W, =,t,A,-,t,W,=,y,m,+,(k-,1,),t,W,=,29.31 +(1.0639-1),81.2=34.5,9/17/2024,59,第,5,章 蒸发,的计算：,查得：,p,m,=63.73kPa,下水沸点,t,pm,=87.2,=,t,pm,-t,p,=87.2-81.2=6.0,取,=1.2,t,=81.2+34.5+6.0+1.2=122.9, ,故：,D,=1.1,1400,2304.5+1800,3.4,(122.9-60)/2138.5=1858kg/h,9/17/2024,60,第,5,章 蒸发,(4),传热面积,传热量,:,Q=Dr,=1858,2138.5/3600=1103.7 kW,9/17/2024,61,第,5,章 蒸发,5.2.2.4,管内沸腾传热系数,i,的关联式,1.,标准型蒸发器,适用于：,溶液在加热管进口处的速度较低（,0.2m/s,左右）。,常压操作。,9/17/2024,62,第,5,章 蒸发,2.,强制循环蒸发器,9/17/2024,63,第,5,章 蒸发,3.,升膜蒸发器,(1),热负荷较低（表面蒸发）的情况,适用条件：,R,eL,按入口的液体流量计算，,R,eV,按出口气体的流量计算。,9/17/2024,64,第,5,章 蒸发,(2),热负荷较高（泡核沸腾）的情况,适用条件：,R,eL,按入口的液体流量计算，,R,eV,按出口气体的流量计算。,S,：沸腾管材质校正系数，钢、铜为,1,，不锈钢、铬、镍为,0.7,，磨光表面为,0.4,。,9/17/2024,65,第,5,章 蒸发,4.,降膜蒸发器,9/17/2024,66,第,5,章 蒸发,适用条件：,降膜蒸发器的,i,还可用,P313,图,5-15,计算。,9/17/2024,67,第,5,章 蒸发,5.2.3,蒸发器的生产能力和蒸发强度,5.2.3.1,蒸发器的生产能力,1.,蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量表示，即蒸发量,W,(kg/h),：,可见生产能力与蒸发器传热面积，传热系数，原料液温度，操作条件，热损失等用关，它笼统地表示蒸发器生产量的大小，但不能确切表示蒸发器和蒸发过程的优劣程度。,9/17/2024,68,第,5,章 蒸发,2.,蒸发器生产能力的大小取决于通过传热面的传热速率,Q,，,因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力：,Q=,KAt,KA(T-t,1,),稀释热可以忽略，且热损失不计时：,Q=Wr+FC,p0,(t,1,-t,0,),9/17/2024,69,第,5,章 蒸发,说明：,1.,当,t,1,t,0,时，即原料液在沸点下进入蒸发器时：,Q=,Wr,：,表明通过传热面所传递的热量全部用于蒸发水分,W Q,：,表明蒸发器的生产能力和传热速率成正比,2.,当,t,0, t,1,时，,Wr, t,1,时，,Wr,Q,，,W,：,表明由于部分原料液的自动蒸发,(,闪蒸,),，使蒸发器的,生产能力有所增加,结论,进料温度,t,0,越高，则蒸发器生产能力,W,越大,Q=Wr+FC,p0,(t,1,-t,0,),9/17/2024,70,第,5,章 蒸发,5.2.3.2,蒸发器的蒸发强度,U,指单位传热面积上单位时间内蒸发的水分量，,kg/m,2,h,即：,U,是评价蒸发器在一定操作条件下性能优劣的重要指标,。影响因素主要为总传热系数和传热温度差。,操作条件下,r,为常量,因此，提高蒸发器的生产强度的途径有二：,9/17/2024,71,第,5,章 蒸发,提高蒸发器的生产强度的途径,1.,提高传热温度差,t,t,=,T,-,t,1,，,方法：,提高加热蒸汽的压强。,加热蒸汽压强越高，对应饱和温度就越高，一般为,0.3,0.5MPa,，,不超过,0.8MPa,，,但受到供汽条件限制,增大冷凝器的真空度，,使溶液沸点,t,1,降低。但此法增加了真空泵的功率消耗，且因溶液的沸点降低，使其粘度增高，导致沸腾传热系数下降。也受限制,9/17/2024,72,第,5,章 蒸发,提高蒸发器的生产强度的途径,2.,增大总传热系数,K,增大管内对流传热系数,h,i,减少管内侧污垢热阻,定期清洗,选用适宜的蒸发器型式,采取强制循环，,改进蒸发器结构，,产生的晶体及时与溶液分离,9/17/2024,73,第,5,章 蒸发,5.3,多效蒸发,在单效蒸发中，蒸发,1kg,水分需消耗,1kg,多的加热蒸汽，在大规模生产中为了节省蒸汽用量，同时也为了使析出的晶体及时与溶液分离，一般采用多效蒸发。,多效蒸发的操作原理是：将前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，,这样仅第一效需要消耗生蒸汽，同时要求,后一效的操作压强和溶液的沸点相应降低,，这时引入的二次蒸汽才仍能起到加热作用，则后一效的加热室成为前一效的冷凝器。如此将多个蒸发器串联起来一同操作的过程，组成了多效蒸发操作流程。,9/17/2024,74,第,5,章 蒸发,采用多效蒸发的优点是,降低能耗。,由于各效,(,末效除外,),的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，因而提高了加热蒸汽的利用率；,便于分离晶体。,当蒸发过程溶液有晶体析出时，可使晶体在某一效间析出，然后与溶液分离后继续蒸发，这样就避免了单效操作时晶粒和完成液一起排出，可减少结垢、磨损现象，同时提高对流传热系数。,可强化传热过程提高蒸发效率。,9/17/2024,75,第,5,章 蒸发,溶液的流向与蒸汽相同，均由第一效顺序流至末效的蒸发流程，称为并流加料流程，如图。,5.3.1.1,多效蒸发流程,完成液,冷却水,原料液,不凝气,加热蒸汽,水,1.,并流加料流程,优点：,1.,由于后一效操作压强低于前一效，故溶液的输送靠效间压强差进行，不另用泵；,2.,由于后一效溶液的沸点低于前一效，故前一效溶液进入后一效时，会因过热而自行蒸发，可使后一效产生较多的二次蒸汽，即水分蒸发量多；,缺点：,随效数的增加，溶液浓度逐效增高而温度逐效降低，致使溶液粘度增大较快，使传热系数逐效下降，传热效果一效不如一效。,适于：,热敏性物料的蒸发,9/17/2024,76,第,5,章 蒸发,2.,逆流加料流程,溶液的流向与蒸汽相反，由第末效流至第一效的蒸发流程，称为逆流加料流程，如图。,优点：,随着溶液浓度的逐效提高，温度也相应升高，因而各效溶液粘度大致接近，所以各效传热系数差别不大；,缺点：,1.,效间溶液输送需用泵；,2.,各效进料温度均低于沸点，产生的二次蒸汽量较并流法少。,适于：,粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发,9/17/2024,77,第,5,章 蒸发,3.,平流加料流程,溶液分别由各效加入并排出完成液，各效溶液流向互相平行的流程称为平流加料流程，如图,5-19,。,适于：,粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发,在实际蒸发中，除了采用这些基本流程外，常根据具体情况进行合并和组合。,9/17/2024,78,第,5,章 蒸发,5.3.2,多效蒸发和单效蒸发的比较,5.3.2.1,溶液的温度差损失,若单效和多效蒸发操作条件,(,即加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强,),相同时，其理论传热温差相同而和效数无关，多效蒸发只是将此传热温差分配到各效而已。由于,多效蒸发的每一效中都存在传热温差损失，因而总的有效传热温差必小于单效时，使得传热推动力下降,。,效数愈多，总有效温差愈小，当效数增加到一定程度时，可使总有效温度差为零，此时蒸发将无法进行，即为效数的最大极限。,9/17/2024,79,第,5,章 蒸发,5.3.2.2,加热蒸汽的经济性,当蒸发水分量相同时，多效蒸发所需加热蒸汽消耗量比单效明显减少,，因而提高了加热蒸汽的利用率，即经济性。因此在蒸发大量水分时，应采用多效。,9/17/2024,80,第,5,章 蒸发,5.3.2.3.,蒸发器的生产能力和蒸发强度,无论是生产能力还是生产强度，其大小取决于蒸发器的传热速率，当操作条件一定时，单效的传热速率为,Q=KS,t,，,而多效的传热速率,Q,n,=,KS,t,i,(,设,T,1,，,T,n,及,K,，,S,相同,),。很明显，由于,t,t,i,，,将使,Q,Q,n,，,即,多效的生产能力小于单效时的生产能力,，又因多效传热面积为单效时的,n,倍，因而,多效时生产强度远较单效时为小,。可见多效蒸发是以牺牲生产能力和生产强度为代价换取加热蒸汽的利用率。,9/17/2024,81,第,5,章 蒸发,5.3.2.4,多效蒸发效数的限制和选择,(1),技术上的限制,随着效数的增加，总的有效温差因温度差损失的增加而减小，除使设备生产强度降低外，在技术上受到总的有效温差的限制，否则效数过多导致蒸发不能操作下去。根据生产经验，,分配到每效蒸发器的有效温差不应小于,7,10,，因而效数有一限制。,9/17/2024,82,第,5,章 蒸发,(2),经济上的限制,随着效数的增加，虽然,D/W,在不断降低，但这种降低不与效数成正比而在逐渐减少。将单效增为双效时，每蒸发,1kg/h,水所需加热蒸汽降低率为,(,1.1-0.57)/1.1=50%,，而由四效增为五效时，这种降低率仅,(,0.3-0.27)/0.3=10%,，而设备费用则几乎是成倍增加，所以,当增加的设备费已大于减少的加热蒸汽费用时，就再无必要增加效数,。由此可看出效数的增加在经济上也有一限制。,9/17/2024,83,第,5,章 蒸发,(3),多效蒸发效数的选择,根据以上分析，效数的确定在满足技术上的要求外，原则上,应根据设备费与操作费之和最小进行经济核算来选择最佳效数,。实际的蒸发过程，效数并不多。一般对电解质溶液的蒸发，象,NaOH,，,NH,4,NO,3,等水溶液，因沸点升高较大通常仅,2,3,效；对非电解质溶液，如糖水溶液，有机溶液等的蒸发，由于沸点升高较小采用,4,5,效；海水淡化的温差损失极小，可用,20,30,效进行蒸发。,9/17/2024,84,第,5,章 蒸发,5.4,蒸发器的工艺设计,1.,确定适当的操作条件与操作方法,蒸发操作条件与操作方法主要,根据溶液的性质、生产任务、产品质量要求和经济效益等方面综合考虑后进行确定,。内容包括加热蒸汽压强、冷凝器压强；加压还是真空蒸发；单效蒸发或者多效蒸发；多效蒸发效数、流程等。一般应在满足工艺要求的条件下通过经济核算，多方案比较和结合实际情况作出选择。,9/17/2024,85,第,5,章 蒸发,2.,选择合适的蒸发器型式和附属设备的型式,蒸发器型式的选择主要,从溶液的特性和蒸发器主要性能,(,见表,7-1),两方面考虑,。溶液的粘度是首要考虑的因素，其余有溶液的浓度、浓缩比、热稳定性、是否有晶体析出、发泡性、腐蚀性、结垢性等以及溶液处理量、设备造价、传热效果等方面加以确定。,3.,对蒸发系统进行物料、热量衡算，确定加热蒸汽用量以及传热面积,传热面积的计算要,选择合适的传热系数,。对多效蒸发，通过计算判断所选效数，流程在技术上、经济上是否可行合理，必要时对上述选择进行适当调整。,9/17/2024,86,第,5,章 蒸发,4.,蒸发器主要结构工艺尺寸的设计,以中央循环管式蒸发器为例介绍蒸发器主要结构尺寸的设计计算方法。中央循环管式蒸发器主体为加热室和分离室；加热室由直立的加热管束组成，管束中间为一根直径较大的中央循环管；分离室是汽液分离的空间。其主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度；加热管和循环管的规格、长度及在花板上的排列等。这些,尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积,。,9/17/2024,87,第,5,章 蒸发,(1),加热管的选择和管束的初步估计,加热管通常选用,25,2,.,5mm,、,38,2,.,5mm,、,57,3,.,5mm,等几种规格的无缝钢管，长度一般为,0,.,6,6m,。,管子长度的选择应根据溶液结垢的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑。易结垢和易起泡沫溶液的蒸发宜采用短管。,当加热管规格与长度确定后，可由下式初估所需管数,n,：,n,=S,do(L-0,.,1),因加热管固定在管板上，考虑到管板厚度所占据的传热面积，计算,n,时的管长用,(,L,-0.1)m,。,为完成传热任务所需的最小实际管数,n,只有在管板上排列加热管后才能确定。,9/17/2024,88,第,5,章 蒸发,(2),循环管的选择,循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减少的原则来考虑的。其截面积可取加热管总截面积的,40%,100%,，若以,Di,表示循环管内径，则：,对加热面积较小的蒸发器，应取较大的百分数。按上式计算出,D,i,后，应从管规格表中选取管径相近的标准管，只要,n,与,n,相差不大，循环管的规格可一次确定。循环管的管长与加热管相等，循环管的表面积不计入传热面积中。,9/17/2024,89,第,5,章 蒸发,(3),加热管的直径及加热管数目的确定,加热管的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列，而以三角形排列居多。管心距,t,为相邻两管中心线之间的距离，,t,一般为加热管外径的,1.25,1.5,倍，目前其值已标准化，只要确定了管子规格，相应的管心距则为确定值，加热管内径和加热管数采用作图法来确定，具体作法略。,9/17/2024,90,第,5,章 蒸发,(4),分离室的直径与高度,分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。,分离室体积,V,的计算式为：,V=W/(3600,U),式中：,W,某效蒸发的二次蒸汽量，,kg/h,；,某效蒸发的二次蒸汽密度，,kg/m,3,；,U,蒸发体积强度，,m,3,/(m,3,s),；,一般允许值为,1.1,1.5m,3,/(m,3,s),。,9/17/2024,91,第,5,章 蒸发,V=W/(3600,U),根据由蒸发工艺计算得到的各效二次蒸汽量，再选取适当的,U,值，即可得到,V,。,但各效二次蒸汽量、密度不同，按上式计算得到的,V,值也不相同，通常末效最大。为方便计，各效分离室的尺寸可取一致，分离室体积宜取其中较大者。,9/17/2024,92,第,5,章 蒸发,确定了分离室的体积后，其高度与直径符合,V=,D,2,H/4,关系，确定高度与直径时应考虑以下原则：,(1),分离室的高度与直径之比,H:D=1,2,。,对中央循环管式蒸发器，其分离室高度一般不小于,1.8m,，,以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太小，否则二次蒸汽流速过大将导致雾沫夹带现象严重。,(2),在条件允许时，分离室直径应尽量与加热室相同，这样可使加热室结构简单，制造方便。,(3),高度和直径都适于施工现场的安放。,9/17/2024,93,第,5,章 蒸发,本章总结,基本原理及概念,1.,物料衡算,(1),单效蒸发,(2),多效蒸发,9/17/2024,94,第,5,章 蒸发,2.,热量衡算,忽略稀释热,不忽略稀释热,(1),单效,(2),多效,(,并流,),9/17/2024,95,第,5,章 蒸发,4.,温差损失,有效传热温差,理论传热温差,总温差损失,3.,传热速率方程,(1),单效,9/17/2024,96,第,5,章 蒸发,(2),多效,9/17/2024,97,第,5,章 蒸发,5.,蒸发的应用,求蒸发器的传热面积,(,A,或,A,i,),求所需加热蒸汽量及其压强,(,D,及,P),各效溶液的温度及温差分配,(,t,i,t,i,),求生产能力及蒸发水量,各效完成液的流率及浓度,(,F,W,及,x,x,i,),9/17/2024,98,第,5,章 蒸发,蒸发流程,1.,单效蒸发的流程,原料液由分离室底部加入，上流中被加热至沸腾状态。,分离二次蒸汽与溶液在分离室分离。,二次蒸汽进入冷凝器被除去。,溶液在加热室循环，当达到浓度要求后，完成液从蒸发器底部排出。,9/17/2024,99,第,5,章 蒸发,2.,多效蒸发的流程,并流,溶液的流向与蒸汽相同，均由第一效顺序流至末效的蒸发流程，称为并流加料流程。,适于,热敏性物料的蒸发,9/17/2024,100,第,5,章 蒸发,逆流,溶液的流向与蒸汽相反，由第末效流至第一效的蒸发流程，称为逆流加料流程。,适于,粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发,9/17/2024,101,第,5,章 蒸发,平流,溶液分别由各效加入并排出完成液，各效溶液流向互相平行的流程称为平流加料流程。,适于,过程中有晶体析出的溶液蒸发,9/17/2024,102,第,5,章 蒸发,蒸发设备,1.,蒸发器组成：,加热室：加热溶液使之汽化,分离室：分离二次蒸汽和完成液,2.,蒸发器的类型：,循环型,(,非膜式,),自然循环型：标准型、外热式、悬筐式等,强制循环型,单程型,(,膜式,),升膜,降膜,升降膜,9/17/2024,103,第,5,章 蒸发,2.,蒸发器的设计,确定适当的操作条件与操作方法,选择合适的蒸发器型式和附属设备的型式,对蒸发系统进行物料、热量衡算，确定加热蒸汽用量以及传热面积,蒸发器主要结构工艺尺寸的设计,加热管的选择和管束的初步估计,循环管的选择,加热管的直径及加热管数目的确定,分离室的直径与高度 ,9/17/2024,104,第,5,章 蒸发,THE END,Thanks,9/17/2024,105,第,5,章 蒸发,