化工原理-蒸发1921139561

第七章蒸发（Evaporation）（3）脱除杂质，制取纯净的溶剂7.1概述（General）含有不挥发性溶质（如盐类）的溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂化为蒸气的操作称为蒸发。目的：（1）稀溶液浓缩（成品、半成品）（2）脱除溶剂（不挥发性溶质为产品）蒸发装置：蒸发器冷凝器系统加热蒸汽凝结水排出系统7.1.1蒸发操作的目的和方法常压；减压（真空）；加压分类：连续；间歇单效；多效7.1.2蒸发操作的特点蒸发属于热量传递过程，但又不同于一般的传热（2）溶质浓度引起沸点升高（3）溶剂气化，耗热量大（4）溶质特殊物性（析出结晶、产生泡沫、热敏性物料在高温下变质或分解、粘度增高等）（1）有相变化的恒温传热7.2蒸发设备（EvaporationDevices）7.2.1常用蒸发器一、循环型蒸发器（TheCirculationEvaporator）1、垂直短管式（中央循环管式蒸发器）循环动力：优点：结构简单，操作可靠，传热效果好，造价低；缺点：循环速度低，易积污垢，操作周期短，清洗不便。密度差2、外加热式循环动力：密度差结构：优点：循环速度高，降低了设备高度，易于清洗；采用长的加热管，下降管不再受热，加热室与下降管分开；缺点：静压引起的温差损失大3、强制循环型蒸发器循环动力：机械能优点：循环速度高可用于粘稠物料可获得高浓物料延缓积垢缺点：消耗外加动力二、单程型蒸发器（SinglePassEvaporator）1、升膜式蒸发器（RisingFilmEvaporator）优点：成膜好，传热系数大缺点：仅适用于低粘度、稀溶液，不适用易结晶、易结垢物料2、降膜式蒸发器（FallingFilmEvaporator）优点：物料停留时间短，可用于粘度较高、浓度较大的流体 缺点：成膜困难，传热系数不大，不适用易结晶、易结垢物料（1）加热蒸汽侧：排不凝性气体；7.2.2蒸发器的传热系数传热系数仍用下式计算：强化蒸发器的传热：（3）加热管内为汽液两相流，（2）管壁除垢，尤其对于易结晶的液体；为增大管内沸腾给热系数，应尽可能扩大环状流动区域。为强化传热：应减小预热段，使沸腾段呈环状流各段给热系数不同：环状流α最大常用蒸发器传热系数的经验值除沫器：7.2.3蒸发辅助设备（Subsidiary）防止二次蒸汽夹带液沫丝网式，折流板式，百叶窗式，旋风式，离心式 冷凝二次蒸汽，排除不凝性气体；冷凝器和真空系统：阻汽排水，同时能方便排出不凝性气体。疏水器：机械式，热膨胀式，热动力式F——物料量，kg/s7.3单效蒸发7.3.1物料衡算设：蒸发过程没有溶质的损失w0、w——料液、完成液的浓度（％质量）W——蒸发水量，kg/s内容：①蒸发水量Ｗ（物料衡算）②加热蒸汽消耗量Ｄ（热量衡算）③蒸发器传热面积Ａ（传热速率方程）D——加热蒸汽量，kg/si0、i——料液、完成液的焓，kJ/kgr0、r——加热汽、二次汽潜热，kJ/kgI——二次汽焓，kJ/kg7.3.2热量衡算1、溶液浓缩热不可忽略（7-4）2、溶液浓缩热可以忽略（要求浓缩热不大时）溶液的焓：c0、c——料液、完成液的比热容，kJ/(kg·℃)t0——原料液进料温度，℃t——完成液温度，即蒸发器内溶液温度℃将i0、i代入(7-4)中整理得：（7-5）二次汽潜热加热蒸汽冷凝放出的热量用于水分汽化、原料液升温至沸点和热损耗。无焓浓图时可用式有焓浓图时用式进行计算近似计算（但要求浓缩热不大时）Q=Dr0=KA（T-t）7.3.3蒸发速率与传热温度差Q=Dr0一个蒸发器蒸发能力的大小，由蒸发器的传热速率控制。（K、A、T、t）传热速率：热负荷：加热蒸汽的饱和温度溶液的沸点温度蒸发速率蒸发器的传热温差不仅与蒸汽压力、溶液沸点有关，还存在温度差损失。溶液的沸点温度差损失的定义蒸发操作中，有效传热温度差低于理论传热温度差的值，称作温度差损失（Δ）。理论传热温差：　有效（实际）传热温差：温度差损失：溶液沸点冷凝器操作压力下水的饱和温度加热蒸汽的饱和温度溶质的存在可使溶液蒸汽压降低而沸点升高（主要是无机盐溶液沸点升高Δ´较大）。确定方法：t'的获得：①利用杜林规则（有一定压力）②查有关资料、实验测定（常压）7.3.3.1溶质造成的沸点升高Δ´与t0同压强下溶液的沸点纯水的沸点不同压力下溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系——杜林规则某一浓度溶液的杜林线与浓度为零的直线之间的垂直距离即为相应压力下该溶液的沸点升高Δ´。③不同压力下溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系杜林线图中可得三个结论：②浓度升高，溶液沸点显著增加；①溶液浓度小时，Δ´与压强关系不大，可取常压下数据Δ´a。由于液柱本身的重量及在管内流动阻力损失，溶液压强是变化的，相应沸点也是不同的。作为平均温度的粗略估计，按液面下1/5L处的沸点温度进行计算：7.3.3.2液柱静压头使溶液沸点升高Pm——平均温度下的饱和压力P——液面上方二次蒸汽的压强（通常可以冷凝器压强代替）ρ——溶液密度L——蒸发器内的液面高度查出Pm及P对应下水的饱和蒸汽温度tm及则tº——冷凝器操作压力下水的饱和温度蒸发器内溶液沸点：蒸发操作传热温度差（有效）为：（7-10）T——加热蒸汽的饱和温度温度差损失Δ：（7-9）Δ中分别由溶液沸点升高、液柱静压头引起。t——溶液沸点某垂直长管蒸发器用以增浓NaOH水溶液，蒸发器内的液面高度约3m。已知完成液的浓度为50%（质量），密度为1500kg/m3，加热用饱和蒸汽的压强（ 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 压）为0.3MPa，冷凝器真空度为53kPa，求传热温度差。例7-1温度差损失的计算Δ´=120－80.1=39.9℃解：水蒸汽的饱和温度为：表压为0.3MPa下，T=143.5℃绝压为48.3kPa下，tº=80.1℃由图7-17可查得水的沸点为80.1℃时50%NaOH溶液沸点为120℃，溶液的沸点升高：Δt=(T－tº)－Δ=(143.5－80.1)－44.1=19.3℃液面高度为3m，则平均温度下的饱和压力：在此压强下水的沸点为84.3℃故因溶液静压头而引起的液温升高：Δ´´=84.3－80.1=4.2℃总温差损失：Δ=Δ´+Δ´´=39.9+4.2=44.1℃有效传热温差：7.3.4单效蒸发过程的计算物料衡算式：热量衡算式过程速率方程式：联立上述各式求解方法：例１：用单效蒸发器将1000kg/h的NaCl水溶液由5%（质量）浓缩到30%（质量），加热蒸汽压力为118kPa，蒸发室压力为19.6kPa，蒸发器内溶液沸点75℃，溶液比热4.013kJ/kg，进料温度为30℃，蒸发器传热系数1500W/m2℃。若不计浓缩热及热损失，试求：①完成液量②加热蒸汽消耗量及加热蒸汽经济性③蒸发器传热面积及生产强度解：①蒸发水量：完成液量：F-W=1000-833.3=166.7（kg/h）②加热蒸汽消耗量　c0=4.013kJ/kg·℃t=75℃t0=30℃根据蒸发室压力查二次蒸汽汽化热：r=2355kJ/kg对应的饱和蒸汽温度t0＝59.7℃根据加热蒸汽压力查蒸汽汽化热：r0=2247kJ/kg对应温度T＝104℃加热蒸汽消耗量：蒸汽的经济性：③蒸发器传热面积：生产强度：讨论：１、若改为沸点进料：（t0＝t）经济性提高2、若100℃进料（过热进料），忽略溶液比热变化因为有自蒸发（闪蒸）3、浓缩热的影响采用真空蒸发将质量浓度为20%的NaOH水溶液在蒸发器中浓缩至50%，进料温度为60℃，加料量为1.5kg/s。加热用饱和蒸汽的压强（表压）为0.3MPa，冷凝器真空度为53kPa，有效传热温度差为19.3℃。已知蒸发器的传热系数为1560W/(m2·K)，设蒸发器的热损失为加热蒸汽放热量的3%。例7-2单效蒸发器设计型计算求：（1）加热蒸汽消耗量及经济性；（2）蒸发器的传热面积；（3）蒸发器的生产强度。i=630kJ/kg解：水分蒸发量：蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为：t=143.5－19.3=124.2℃由图查得NaOH水溶液的热焓为：原料液浓度20%、温度60℃：i0=220kJ/kg完成液浓度50%、温度124.2℃：表压为0.3MPa下，加热用水蒸汽的饱和温度T=143.5℃（1）由热量衡算式可得加热蒸汽用量：由水蒸气表查得：表压为0.3MPa下，水蒸气的潜热r0=2138kJ/kg绝压为48.3kPa下，水蒸气的热焓I=2643kJ/kgQ=Dr0=1.17×2138=2501kW加热蒸汽经济性：（2）蒸发器的传热面积：蒸发器的热负荷：（3）蒸发器的生产强度：蒸发器的传热面积：蒸发装置设备费用大小直接与传热面积有关，通常用生产强度来表征传热面的大小，即设备费的多少，生产强度高说明所需传热面小，设备费少。（kg/s·m2）若沸点进料，而且不计热损失和浓缩热有：1、蒸发设备的生产强度单位传热面积单位时间蒸发出的水量。7.4蒸发操作的经济性和操作方式7.4.1衡量蒸发操作经济性的方法生产强度：（7-11）（7-12）与结构是否合理、操作方式、物料性质等有关。应常清洗、排出不凝性气体、料液要有良好的循环。提高生产强度的途径关键是提高传热系数Ｋ与有效温度差（1）真空蒸发：可降低沸点，有利于热敏性物料的蒸发；增大传热温差，但同时增加了真空系统，设备费用增加。（3）提高蒸发器的传热系数：增大传热温差（2）提高加热蒸汽的温度：若沸点进料，不计热损失和汽化潜热的差别，则每汽化1kg水需要1kg的蒸汽。可见单效蒸发经济性理论值（加热蒸汽Dr0=Wr二次蒸汽，r0≈r）被蒸发的水量（kg/s）将每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量（）称为加热蒸汽的经济性。蒸汽量（kg/s）2、加热蒸汽的利用率体现了蒸发的操作费以上措施都是为了节省、减少操作费用（节省蒸汽）为提高加热蒸汽的利用率，蒸发操作可有多种安排：1多效蒸发2额外蒸汽的引出3二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）4冷凝水热量的利用7.4.2蒸发操作的节能方法7.4.2.1多效蒸发（MultipleEffect）一、多效蒸发原理（ThePrincipleofMultipleEffect）前一个蒸发产生的二次蒸汽通入后一蒸发器的加热室；后一个蒸发器的加热室成为前一个蒸发器的冷凝器。1、原理：2、特点：①蒸发室压力逐效降低，溶液沸点逐效降低。②沸点进料且忽略热损失，单效经济性≈1，n效二、多效蒸发流程（TheWorkFlow）根据加料方式，多效蒸发流程如下：１、并流（ParallelFlow）压力：P1>P2>P3温度：t1>t2>t3k1>k2>k3浓度：w1<w2<w3物料与蒸汽同向流动K值：物料流动不用输送机械料液有自蒸发不适用粘度随浓度增加而显著增加的物料。2、逆流（Counterflow）物料与蒸汽逆向流动压力：温度：浓度：K值：大致相等物料流动需要机械输送料液无自蒸发不适用于热敏性物料P1>P2>P3t1>t2>t3w1>w2>w33、平流（SynchronicFlow）溶液只流经一个蒸发器可处理易结晶物料可同时处理不同物料压力：温度：浓度：P1>P2>P3t1>t2>t3差别不大7.4.2.2额外蒸汽的引出额外蒸汽：从某效的二次蒸汽中抽出一部分，不进入下一效加热室，而加热其他换热设备。这部分蒸汽被称作额外蒸汽。7.4.2.3二次蒸汽的再压缩途径：①机械压缩（电价低于蒸汽价格）②蒸汽动力压缩（热泵技术）7.4.2.4冷凝水热量的利用方法：①利用压差，串级自蒸发②直接作热介质加热其他物料7.4.3.3蒸发操作最优化多效蒸发加热蒸汽经济性的经验值效数单效双效三效四效五效W/D0.911.752.53.333.70上表说明：效数↑，W/D并不按比例↑，但设备费却成倍↑，因此要选择合理的效数。多效蒸发的传热面积是单效蒸发的n倍，因此多效蒸发的U较单效小得多。理论上：多效蒸发是以牺牲设备生产强度来提高加热蒸汽的经济性的。比较单效和多效生产强度的前提：2、冷凝器操作压力相同（排出系统二次蒸汽温度相同）1、加热蒸汽压力相同（进入系统蒸汽温度相同）3、总蒸发水量相同（生产任务相同）蒸发的经济性与生产强度二者相矛盾，如多效可提高经济性，但多效的生产强度低，要综合考虑，一般效数3~5效，不易过多。小结：1、关系式：2、热负荷：Q=Dr0=KA（T-t）3、蒸发器的种类：中央循环管式、外加热式、强制循环式、升膜式、降膜式4、多效蒸发的流程及适用性：平流加料：适用于易结晶的物料并流加料：适用于料液的粘度随浓度增加变化不大的物料逆流加料：适用于料液的粘度随浓度增加而明显增加的物料；各效传热系数大致相等。以上各种情况下的压力P、沸点T和浓度的变化情况如下表：（以三效为例进行比较）项目平流加料并流加料逆流加料压力P1>P2>P3P1>P2>P3P1>P2>P3浓度各效相近w1<w2<w3w1>w2>w3温度t1>t2>t3t1>t2>t3t1>t2>t3理论值：单效=1，多效=n（1kg蒸汽可蒸发出nkg水）实际值：单效0.91，双效1.75，三效2.56、蒸发设备的生产强度：（单位时间、单位面积蒸发的水量）n效：单效：5、加热蒸汽的经济性：（每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量）7、温度差损失计算：溶质存在使沸点升高液柱高度使沸点升高特征：蒸发产生的二次蒸汽直接送往冷凝器单效蒸发装置（SingleEffectDevice）