化工原理：第七章 蒸发.ppt

第七章 蒸 发,本章教学要求： 1、掌握内容 （1）单效蒸发过程及其计算， 如蒸发水量、加热蒸汽消耗量及传热面积计算； 有效温度差及各种温度差损失的来由及其计算； （2）蒸发器的生产能力和生产强度及其影响因素 2、熟悉内容 （1）真空蒸发的特点及其应用； （2）多效蒸发的流程； （3）蒸发操作效数限制及蒸发过程的节能措施； （4）蒸发过程的强化 3、了解内容 （1）蒸发操作的特点及其在工业生产中的应用； （2）各种蒸发器的结构特点、性能及应用范围； （3）蒸发器的选型原则第一节 概述,7-1 基本概念,一、蒸发 工程上把采用加热方法，将含有不挥发性溶质（通常为固体）的溶液在沸腾状态下，使其浓缩的单元操作称为蒸发 二、蒸发的目的 1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品； 2、同时浓缩溶液和回收溶剂； 3、为了获得纯净的溶剂三、蒸发流程,图71 蒸发装置示意图,四、加热蒸汽和二次蒸汽,五、蒸发操作的特点 1、溶液沸点升高2、物料及工艺特性 3、能量回收 六、蒸发操作的分类 1、按操作压力分，可分为常压、加压和减压（真空） 2、按效数分，可分为单效与多效蒸发 3、按蒸发模式分，可分为间歇蒸发与连续蒸发。

第二节 单效蒸发与真空蒸发 7-2 单效蒸发的计算 计算内容： 确定水的蒸发量W； 加热蒸汽消耗量D； 蒸发器所需传热面积A一、蒸发水量的计算 对溶质的物料衡算 水的蒸发量 完成液的浓度,图7-2 单效蒸发器,(7-1),(7-2),式中： F原料液量，kg/h； W蒸发水量，kg/h； L 完成液量，kg/h； x0原料液中溶质的浓度，质量分数； x完成液中溶质的浓度，质量分数二、加热蒸汽消耗量的计算 热量衡算可得：,或,(7-3),(7-4),（7-6）,式中： Hs 加热蒸汽的焓，kJ/kg ; H 二次蒸汽(温度为t的过热蒸汽)的焓，kJ/kg ; h0 原料液的焓，kJ/kg ; h 完成液的焓，kJ/kg ; hs 加热室排出冷凝液的焓，kJ/h ; Q 蒸发器的热负荷或传热速率，kJ/h ; QL 热损失，可取Q的某一百分数，kJ/kg .,代入(7-4),得:,(7-6a),式中： Ts 加热蒸汽及冷凝液的饱和温度，C; t0 原料液的温度， C; t 溶液的沸点， C; C* 水的比热，kJ/kgK ; C0 原料液的比热，kJ/ kgK ; C 完成液的比热，kJ/ kgK; CB 溶质的比热，kJ/ kgK,由于,代入（7-6a）得,（7-6b）,R 、r分别为加热蒸汽和二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。

沸点进料，即t0=t，C C0(对低浓度), 并QL=0，,或,（7-7）,式中：D/W 称为单位蒸汽消耗量，也称蒸汽的经济性对单效蒸发而言，D/W 1，实际操作中由于存在热损失等原因，D/W 1.1式中：,则（76b）式为：,三、传热面积的计算,或,四、浓缩热和溶液的焓浓图,对这类物系， D按（7-6）计算,7-3 蒸发设备中的温度差损失,一、溶液的沸点（t)和温度差损失（）,在一定压力下，溶液的沸点（t)比纯水的沸点（T）要 高，两者沸点之差（ t-T）称为溶液的沸点升高 沸点升高原因： （1）由于溶液的蒸汽压降低引起的温度差损失（ ） ； （2）由于蒸发器中，溶液的液柱压力引起的温度差损失（ ） ； （3 ) 由于蒸汽流动阻力引起的温度差损失（ ） 总温度差损失=+,溶液的沸点升高=总温度差损失= t-T,7-4 溶液的沸点升高与杜林规则（求）, =f(溶液种类,浓度,蒸发压力),设tA实验测定的溶液的沸点,C (测定时仅计因溶液的蒸汽压下降所引起的温差损失) T 二次蒸汽饱和温度(即蒸发室压力下的饱和蒸汽温度) ,C 则:= tA-T,tA,非常压下(用杜林规则),一 杜林规则,杜林规则:某溶液的沸点与相同压力下标准液体（水）的沸点呈线性关系(下图为NaOH溶液的杜林线图),常压下(用P280附录二十一查得),如图为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。

杜林规则说明:某溶液在两个不同压力下的两个沸点之差与标准液体(通常指纯水)在相应的两个压力下的两个沸点之差的比值为一常数,即:,7-5 液柱静压头和加热管内摩擦损失 对溶液沸点的影响,一蒸发器中液柱静压头引起的温度差损失（ ）,m 蒸发器中液面和底部的平均压力，Pa p 溶液表面的压力，即蒸发器分离室(二次蒸汽)的压力，Pa 溶液的平均密度，kg/m3； L 液层高度，m根据 查得的饱和水蒸汽温度，； 根据 查得的饱和水蒸汽温度，二 蒸汽流动阻力产生的温度差损失,倘若设计计算中温度以另一侧的冷凝器的压力（即饱和温度）为基准，则还需考虑二次蒸汽从分离室到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失 ， 以 表示 一般取经验值为 1，即 =1若题给为蒸发压力P,则不必计入,冷凝器操作压力下水的饱和温度，；,+,7-6 真空蒸发,优点： （1）减压下溶液的沸点降低（pt),使传热推动力 (Ts-t=tm)增大,因而传热量Q一定时,可节省 传热面积A (2) 蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽 (3) 适用于处理热敏性物料, (4) 因沸点较低故蒸发器的热损失可减少. 缺点: (1) 因溶液沸点 (2) 需增加一套维持真空的设备,从而消耗额外的能量.,第三节 多效蒸发,一、多效蒸发 多效蒸发是将第一效蒸发器汽化的二次蒸汽作为热源通入第二效蒸发器的加热室作加热用，这称为双效蒸发。

如果再将第二效的二次蒸汽通入第三效加热室作为热源，并依次进行多个串接，则称为多效蒸发表71 不同效数蒸发的单位蒸汽消耗量,7-7 多效蒸发设备流程,1、 并流流程图,图7-6 并流加料三效蒸发流程,优点： (1) 料液可藉相邻二效的压强差自动流入后一效，而不需用泵输送， (2)由于前一效的沸点比后一效的高，因此当物料进入后一效时，会产生自蒸发，这可多蒸出一部分水汽 缺点 : 传热系数会下降，这是因为后序各效的浓度会逐渐增高，但沸点反而逐渐降低，导致溶液粘度逐渐增大2、 逆流流程,图7-7 逆流加料三效蒸发流程,优点： 各效浓度和温度对溶液的粘度的影响大致相抵消各效的传热条件大致相同，即传热系数大致相同 缺点： 料液输送必须用泵，另外，进料也没有自蒸发 3、错流流程 特点是在各效间兼用并流和逆流加料法.,4、平流流程,图7-8 平流加料三效蒸发流程,特点是适用于处理易结晶物料，例如食盐水溶液等的蒸发,7-8 蒸发器的生产能力与生产强度,一、蒸发器的生产能力 蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来 表示由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其 生产能力也可表示为,二、蒸发器的生产强度 蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，即,式中： u 蒸发强度，kg/(m2h)。

由此式可知，提高蒸发强度的主要途径是提高总传热系数K 和传热温度差tm三、提高蒸发强度的途径,1、 提高传热温度差 （1）真空蒸发 （2）高温热源 2、提高总传热系数,蒸发强度通常也可用于评价蒸发器的优劣，对于一定的蒸发任务而言，若蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，即设备的投资就越低蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗作为评价其优劣的一个重要评价指标，或称为加热蒸汽的经济性.,单效、双效和三效蒸发的有效温差及温度差损失,多效蒸发效数的限制 一、溶液的温度差损失,图中总高代表加热蒸汽温度与冷凝器中蒸汽温度之差，即130-50=80阴影部分代表由于各种原因引起的温度损失，空白部分代表有效温度差（即传热推动力）由图可见，多效蒸发中的温度差损失较单效大不难理解，效数越多，温度差损失将越大二、多效蒸发效数的限制,(1) 随着效数的增加，单位蒸汽的消耗量减少，即操作费用降低，但蒸发强度也降低,使设备投资费用增大且有效温度差也会减少（即温度差损失增大），一般每效的有效温度差不应小于57C,所以效数的增加,受到有效温度差的限制 (2) 增加效数,需要增加设备投资费用,当再添一效蒸发器的设备费用不能与所省加热蒸汽的效益相抵时,就不必再增加效数,故经济问题也是限制效数的重要因素。

7-10 提高加热蒸汽经济程度的其他措施,一 、额外蒸汽的引出(图7-9) 二、冷凝水自蒸发的利用(图7-11) 三、热泵蒸发(二次蒸汽的再压缩)(图7-12),计算题 某蒸发器內每小时将850Kg溶液从浓度14%（质量百分数）浓缩到30%，假定要用1atm(绝压)的饱和蒸汽加热，则蒸发器内应当产生的最小真空度是多少？蒸发器换热面积为40 m2，由蒸汽压下降引起的溶液沸点升高为5，由溶液静压引起的温差损失为1.5,溶液为沸点加料，传热系数为698W/ m2，热损失可以忽略不计，从溶液蒸发出的水的汽化热为2303KJ/Kg饱和水蒸汽数据如下: 压力（Kg/c m2）1.033 1.0 0.545 0.332 0.213 温度（） 100 99.1 83 71 61,计算题 每小时要将2吨6%（质量百分数）的NaCl水溶液浓缩到30%，蒸发器内的压力为50KPa (绝压),原料液与完成液的比热均可取为4kJ/(kg. )，进料温度为20,加热蒸汽压力为250KPa (绝压).已知在此操作条件下的温度差损失=14,忽略浓缩热和热损失,若蒸发器的传热系数为800W/ m2，试求所需的加热蒸汽消耗量和传热面积为多少? 饱和水蒸汽数据如下: 压力（KPa） 50 100 250 350 温度（） 81.2 99.6 127.2 138.8 汽化潜热(kJ/kg) 2304.5 2259.5 2185.4 2152.3,计算题：( J05b10049) 用一单效蒸发器,浓缩某种水溶液,原料液浓度为5%（质量分数，下同）,完成液浓度为20%,进料量为2000kg/h，沸点进料。

冷凝器中二次蒸汽的冷凝温度为70,加热蒸汽饱和温度为110，蒸发器传热面积为15m2,传热系数为800W/ m2，热损失为蒸发器热负荷的10%.试推算该蒸发过程的总温度差损失及传热的有效温差. 二次蒸汽的汽化潜热为2350kJ/(kg),计算题：( J05c15017) 在传热面积为50m2的单效蒸发器内将20%的CaCl2水溶液浓缩到40%（均为质量分数）,生蒸汽温度为120，冷凝潜热为2210kJ/kg,其消耗量D=2400kg/h,蒸发器中二次蒸汽的温度为60(该温度下汽化潜热为2360kJ/kg),原料液的温度为20,流量为3600kg/h，其比热为3.5 kJ/(kg) 该溶液蒸汽压下降和液柱静压引起的沸点升高为23,试计算: (1)蒸发器的热损失占总热量的百分数 (2)蒸发器的传热系数K.,。