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化 工 原 理 - 第七章 蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7 蒸发 (Evaporation),7.1 概述 7.2 蒸发设备 7.3 单效蒸发计算 7.4 蒸发操作的经济性和多效蒸发,目录,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.1 概述,7 .1.1 蒸发操作的目的和方法,（1）蒸发操作的目的 获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。 脱除溶剂，将溶液增浓至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。 脱除杂质，制取纯净的溶剂。,图7-1 蒸发装置示意图,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,（2）蒸发操作的流程,如图7-1所示，加热蒸汽作加热剂使溶液受热沸腾，在蒸发器内因各处密度差异循环流动，浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。汽化的蒸汽常夹带较多的雾沫和液滴，因此蒸发器内需备足够的分离空间，往往还装有除沫器以除去液沫。蒸发出的二次蒸汽进行再次利用回收热能或在冷凝器中加以冷凝。,7.1 概述,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.1 概述,7 .1.2 蒸发操作的特点,（1）溶液在沸腾汽化过程中，常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使传热过程恶化。 例如，水溶剂溶有某些盐类，如 ，溶液在加热表面汽化使盐类浓度局部过饱和，在加热面上析出形成垢层，尤其是 ，其溶液度随温度升高而下降，更易在加热面上结垢。因此，蒸发器结构的设计应设法延缓垢层的形成并易于清理。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.1 概述,（2）溶液的物性对蒸发器的设计和操作有重要影响。 例如：,7 .1.2 蒸发操作的特点,对热敏性溶质，要求高温下在蒸发器内停留时间尽量缩短，以免物料变质。,浓度增加粘度大大增大，使器内液体流动和传热条件恶化，要求特殊结构。,蒸发时溶液的发泡性使汽液两相分离更为困难。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.1 概述,7 .1.2 蒸发操作的特点,（3）溶液汽化需要大量吸热，蒸发操作是大量耗热的过程，因此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。 对于水溶液的蒸发：加热蒸汽温位二次蒸汽的温位。,在指定外压下，溶质的存在造成溶液沸点高,传热温差,主要原因,由此可知：蒸发操作是高温位的蒸汽向低温位转化，较低温度的二次蒸汽再利用在很大程度上决定了蒸发操作的经济性。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),7.2.1.1循环型蒸发器(circulation evaporator) 特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同，又分为自然循环型和强制循环型两类。 自然循环(natural circulation) ：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。 强制循环(forced circulation) ：用泵迫使溶液沿一定方向流动。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（一）垂直短管式（又称为中央循环管式），如图7-2所示 结构：外壳、加热室、中央循环管、蒸发室、除沫器。 特点：,蒸汽走壳程，溶液走管程，d中d管，A中=(40100)%A横总（指其余加热管总横截面积）,细管中单位体积受热面积大，含汽率高。,中央循环管单位受热面积小，含汽率低,形成热虹吸。,图7-2,因含汽率不同，致使流体密度,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（二）外加热式 如图7-3所示 结构：1.加热室 2.蒸发室 3.循环管 特点：,长加热管，管长与直径之比： l/d = 50100 传热系数增大,液体下降管（又称循环管）不再受热。 增大密度差，强化循环。,液体循环速度可达1.5 m/s。,图7-3,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（三）强制循环蒸发器 如图7-4所示 结构：1.加热室 2.循环泵 3.循环管 4.蒸发室 5.气液分离挡板 特点：,采用泵进行强制循环，可用于蒸发黏稠溶液 ，循环速度可达1.85 m/s。,不依赖热虹吸循环，按溶液物性独立设定传热温差。,图7-4,液体闪蒸，汽化与加热面分离，减少结垢。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),7.2.1.2 单程型蒸发器(once-through evaporator) 特点：物料单程通过加热面即可完成浓缩要求，受热时间缩短，离开加热管的溶液及时加以冷却，对热敏性物料特别适宜。 可分为：,升膜式蒸发器,降膜式蒸发器,旋转刮板式蒸发器,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（一）升膜式蒸发器 图7-5所示 原理：料液由加热管底部进入，被上升的蒸汽拉成环状薄膜，与蒸汽一起沿壁向上流动，由管口高速冲出，经气液分离后排出蒸发器。 特点：,设计和操作时有较大的传热温差，以 使二次蒸汽获得足够的速度拉升液膜。,图7-5,较高的传热系数，一次通过加热管即达 预定的浓缩要求,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（二）降膜式蒸发器 图7-6所示 原理：其结构原理与升膜式类似。区别在于：料液在蒸发器顶部加入，经加热管顶部液体分布器，使液体成膜向下流动。 特点：,蒸发温和，液体滞留量少，过程反应灵敏易于控制，利于提高产品质量。,图7-6,适用于含少量固体物和轻度结垢倾向溶液。,管下部干点易累积沉积物，必须采用适当的 液体分布器（图7-7）形成均匀液膜。,图7-7 分布器 型式,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.1 各种蒸发器(evaporator),（三）旋转刮板式蒸发器 图7-8所示 原理：料液自顶部进入蒸发器，在刮板搅动下分布于加热管内壁，并呈膜状旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分中分去液沫，再由上部抽出加以冷凝。浓缩液由底部放出 特点：,借外力强制料液呈膜状流动，适应高黏度、易结晶、易结垢浓溶液蒸发。,某些场合下，可直接蒸干溶液获得粉末状固体产物。,图7-8,结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需消耗一定动力。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,第七章-蒸发,7.2 蒸发设备,7 .2.2 蒸发器的传热系数,（1）蒸发器的热阻分析 蒸发器的传热热阻计算公式：, 管外蒸汽冷凝热阻1/1一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加； 管壁热阻/一般可以忽略； 管内壁液体一侧的垢层热阻Ri 取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度，或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层；在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在加热面上析出； 管内沸腾给热热阻1/2主要决定于沸腾液体的流动情况,7 .2.2 蒸发器的传热系数,7.2 蒸发设备,（2）管内汽液两相流动形式,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7 .2.2 蒸发器的传热系数,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,图7-9 垂直管内 汽液两相 流动型式 示意图,流动型式特点如图7-9所示： a.气泡流：气泡均匀分散，随气流量的增大，气泡尺寸和个数逐渐增加； b.塞状流：大部分气体形成弹头状大气泡，直径与管径相当； c.翻腾流：与塞状流相似，弹头型大气泡间的液体形成振动； d.环状流：液体沿管壁包围轴心气体作环状流动，气相中液滴增多； e.雾 流：气体将液体从管壁带起形成雾沫； 这些不同的流动型式对管内的流动阻力和给热系数带来不同影响,7 .2.2 蒸发器的传热系数,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,（3）管内沸腾给热 多数蒸发器的液体沸腾是管内沸腾给热。,图7-10表示加热管内汽液两相流动状况，液体自下而上通过加热管，液体和管壁之间的传热是单向对流给热。,如图所示：在沸腾区内，沿管长气泡逐渐增多，管内流动由气泡流、塞状流、翻腾流直至环状流，给热系数也依次增至最大值，液膜最终被蒸干而出现雾流，给热系数又趋下降。,因此，为提高全管长内的平均给热系数，应尽可能扩大环状流动区域。,7 .2.2 蒸发器的传热系数,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,（4）传热系数的经验值 蒸发器的传热系数难以准确预测，主要靠现场实际测定。,表7-1 常用蒸发器传热系数的经验值,7 .2.3 蒸发辅助设备,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、疏水器等。 1、除沫器 图7-11为常用的两种除沫器结构，它们都是借液滴运动惯性撞击金属物或壁面而被捕集，尽可能分离二次蒸汽夹带的液沫。,图7-11 除沫器,其中，丝网式除沫器的分离效果最好。是将金属或合成纤维丝网叠合或卷制成整体后装入筒体而成，必要时可以更换。,7 .2.3 蒸发辅助设备,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,2、冷凝器,图 7 12 逆 流 高 位 混 合 式 冷 凝 器,因二次蒸汽多为水蒸气，一般情况下 以使用混合式冷凝器居多。如图7-12所示,结构： 1.外壳 2.进水口 3、8.气压管 4.蒸汽进口 5.淋水板 6.不凝性气体导管 7.分离器,特点：,一般均处于负压下操作,安装必须足够高，底部连接长管称为大气腿,7 .2.3 蒸发辅助设备,7.2 蒸发设备,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,3、疏水器（图7-13）,蒸发器的加热室均应附设疏水器,作用：,分类：,按启闭作用原理可分为机械式、热膨胀式和热动力式等。 其中，热动力式疏水器体积小造价低，应用日趋广泛。,及时排除冷凝水,防止加热蒸汽由排出管逃逸,7 .3.1 物料衡算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,1、连续定态单效蒸发过程如图7-14所示,因溶质在蒸发过程中不挥发，单位时间进入和离开蒸发器的数量相等。 即：,水分蒸发量,式中：F 溶液的加料量，kg/s W 水分蒸发量， kg/s 料液与完成液的质量 分数,图7-14 连续定态单效蒸发计算,2、初始浓度 、完成浓度x及蒸发水量（W/F)之间的关系如图7-15所示：,7 .3.1 物料衡算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,图 7 15 蒸发 过程 溶液 浓度 变化,或：,7 .3.2 热量衡算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,1、浓缩热显著的溶液,溶液浓缩时须向溶液提供浓缩热。当溶液浓度变化较大时浓缩热更为显著，此时应以焓的变化进行热量衡算。,可得：,式中：D 加热蒸汽消耗量，kg/s； 加料液与完成液的热焓，kJ/kg； 加热蒸汽与二次蒸汽的汽化热， kJ/kg； I 二次蒸汽的热焓， kJ/kg；,式中热损失 可视具体条件取加热蒸汽放热量 的某一百分 数，只要能查的该种溶液在不同浓度、不同温度下的热焓 ，求 出加热蒸汽消耗量D。,中石化中原油田分公司天然气处理厂,式：,7 .3.2 热量衡算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,2、不计浓缩热的热量衡算,对浓度变化不大、浓缩热不大的溶液，其热焓可由其比热容近似计算，若取0为基准，,式中： 料液与完成液的比热容；,可写成：,由此式可简便的计算加热蒸汽的消耗量,蒸发器的热负荷为：,7 .3.4 单效蒸发过程的计算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,例7-2 单效蒸发器设计型计算,采用真空蒸发将20的NaOH水溶液在上例蒸发器中浓缩至50 ，进料温度为60，加料量为1.5kg/s。已知蒸发器传热系数为1560 W/（m2K），操作条件同上例，求加热蒸汽消耗量及蒸发器传热面积。设蒸发器热损失为加热蒸汽放热量的3。,解：由物料衡算式可求出水分蒸发量,按上例，蒸发器中溶液的温度（完成液的沸点）为：,由图7-16查得NaOH水溶液得热焓为 原料液20、 60 i0= 220 kJ/kg 完成液50、 124.2 I= 630 kJ/kg,7 .3.4 单效蒸发过程的计算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,由水蒸汽表查得： 0.3MPa（表压）下，水蒸气的潜热r0= 2138 kJ/kg 48.3MPa（绝压）下，水蒸气的热焓I= 2643 kJ/kg,由热量衡算式可求出加热蒸汽用量,加热蒸汽经济性,7 .3.4 单效蒸发过程的计算,7.3 单效蒸发,第七章-蒸发,由过程速率方程式可求出传热面积,蒸发器热负荷,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7 .4.1 衡量蒸发操作经济性的方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,1、 蒸发设备的生产强度（U） 是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量。 即：,蒸发操作消耗的费用包括设备费和操作费两部分,中石化中原油田分公司天然气处理厂,式中：A 各效传热面积总和 W 各效水分蒸发量总和,若不计热损失和浓缩热、沸点进料，则,得：,式中：Q 蒸发器传热速率 r 水的汽化热,由此可见： U的影响因素主要为总传热系数和传热温度差。,7 .4.1 衡量蒸发操作经济性的方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,2、提高蒸发器的生产强度的途径,中石化中原油田分公司天然气处理厂,(1)加大传热温差t,提高热源的温度 ：如采用高温热源,降低溶液的沸点 ：如采用真空蒸发,(2)提高蒸发器传热系数 K,合理设计蒸发器结构以建立良好的溶液循环流动,及时排除加热室中不凝性气体,经常清除垢层,蒸发装置的操作费主要是汽化大量溶剂所需消耗的能量，通常将每1kg加热蒸汽可蒸发的水量 称为加热蒸汽的经济性。,7 .4.1 衡量蒸发操作经济性的方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,3、加热蒸汽的利用率,中石化中原油田分公司天然气处理厂,它是蒸发操作是否经济的重要标志,在单效蒸发中，若物料为预热至沸点的水溶液、忽略加热蒸汽与二次蒸汽的汽化热差异和浓缩热、不计热损失。,则每1kg加热蒸汽可汽化1kg水 即：,大规模工业蒸发中，溶剂汽化量W很大，加热蒸汽消耗在全厂蒸汽动力费中占很大比例。,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.1 多效蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,特点：二次蒸发的温位 加热蒸汽的温位，操作压强P后 P前,多效蒸发操作二次蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有 并流加料(cocurrent or forward feed)：溶液与蒸汽的流向相同，末效溶液浓度高、温度低、黏度大、传热条件恶劣，需更大传热面。 逆流加料(countercurrent or backward feed)：料液与二次蒸汽流向相反，各效传热条件大致相同，溶液流动需泵送。 平流加料(parallel flow or parallel feed)： 二次蒸汽多次利用，但料液每效单独进出。,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.1 多效蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,（1）并流加料（图7-16） 蒸汽流动方向 : 123 溶液流动方向 : 123,图 7 16 并流 加料 三效 蒸发 流程,优点： 1、由于前效的压强较后效高，p1 p2 p3，料液可借此压强差自动地流向后一效而无须泵送；,2、t1 t2t3，溶液由前一效流入后一效处于过热状态会放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。,缺点： 溶液浓度，321， ， 3 2 1; 溶液温度，t1 t2 t3， t， 3 2 1。 这两个因素使得后一效粘度较前一效双倍提高，K，在最后的一、二效尤其严重，使整个系统的蒸发能力降低。,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7.4.2.1 多效蒸发,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.1 多效蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,（2）逆流加料（图7-17） 蒸汽流动方向 : 123 溶液流动方向 : 321,图 7 17 逆流 加料 三效 蒸发 流程,优点： 溶液浓度，123， ， ， 1 2 3 溶液温度，t1 t2 t3 ，t， ， 1 2 3 、 t 对的影响大致抵消，各效的K基本不变。,缺点： 1、由于前效压强较后效高，p1 p2p3 ，料液从后效往前一 效要用泵输送。 2、各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，所需要热量大。,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7.4.2.1 多效蒸发,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.1 多效蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,（2）平流加料（图7-18） 料液每效单独进出，二次蒸汽多次利用，对易结晶的物料较合适。,图 7 18 平流 加料 三效 蒸发 流程,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.2 额外蒸汽的引出,中石化中原油田分公司天然气处理厂,多效蒸发的末效多处于负压操作，二次蒸汽温位过低难以再次利用，但可以在前几效蒸发器中引出部分二次蒸汽移作他用，可大大提高加热蒸汽利用率，如图7-19所示,图 7 19 额外 蒸汽 引出 三效 蒸发 流程,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.2 额外蒸汽的引出,中石化中原油田分公司天然气处理厂,总蒸发水分量：,或,推广至n效：,由上式可以看出： 无额外蒸汽引出时，D = W / n 由于引出额外蒸汽而多消耗的蒸汽量：,以图7-19 三效蒸发器为例：,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.2 额外蒸汽的引出,中石化中原油田分公司天然气处理厂,而引出的蒸汽总量为：,比较两式：可知， ，即引出额外蒸汽作为其它加热设备的热源所需补充的生蒸汽量小于引出的额外蒸汽的总量。,在同一蒸发任务下，因总蒸发水量已固定，蒸发装置的W/D虽有所降低，但加热蒸汽的利用率却是提高的。,由此可推知：只要二次蒸汽的温度能满足要求，即越后效引出越合算，蒸汽利用率越高。,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,7.4.2.3 二次蒸汽的再压缩,中石化中原油田分公司天然气处理厂,二次蒸汽再压缩分机械压缩和蒸汽动力压缩两种方式,图 7 20 二次 蒸汽 再压缩 蒸发 流程,优点： 1、能量利用可胜过35效多效蒸发器； 2、只启动需加热蒸汽，在缺水地区、船舶上尤为适用；,缺点： 1、由于经济效益限制，压缩机压缩比不能太大，所需传热面则必然较大； 2、不适用于沸点上升较大的情况； 3、压缩机投资费用较大，需维修保养,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7.4.2.3 二次蒸汽的再压缩,7 .4.2 蒸发操作的节能方法,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7.4.2.4 冷凝水热量的利用,图7-21 冷凝水自蒸发应用,如图7-21所示 A、B 蒸发器 1 冷凝水排出器 2 冷凝水自蒸发器,7 .4.3 多效蒸发过程分析,7.4 蒸发操作的经济型和多效蒸发,第七章-蒸发,中石化中原油田分公司天然气处理厂,7.4.3.1 各效温度和浓度分布,已知： 一定态操作的双效 蒸发系统（图7-22）； 假定溶液浓度极低； 沸点升高及其他温差损失均忽略不计。,图7-22 无温差损失的双效蒸发,7 .4.3 多效蒸发过程分析,7.4 蒸发操作的经济型和多效