化工原理第五章讲.ppt

2019/11/26,第五章蒸发,一、蒸发器的结构二、蒸发器的辅助装置三、蒸发器的选型,第一节蒸发设备,2019/11/26,（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，将溶液增溶至饱和状态，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。除杂质，获得纯净的溶剂。同时制备浓溶液和回收溶剂。,蒸发概述,2019/11/26,（2）加热蒸汽和二次蒸汽加热蒸汽：用于加热的蒸汽二次蒸汽：由溶液蒸发出来的蒸汽（3）分类按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。间歇蒸发和连续蒸发,2019/11/26,（4）蒸发操作的特点沸点升高溶液的性质往往对蒸发器的结构设计提出特殊的要求。浓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，使传热过程恶化泡沫夹带二次蒸汽中常夹带大量液沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且会污染设备。能源利用溶剂汽化需吸收大量汽化热，因此蒸发操作是大量耗热的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。,2019/11/26,5.1蒸发器(evaporator)的结构蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。,1、循环型蒸发器(circulationevaporator)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(naturalcirculation)：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环(forcedcirculation)：用泵迫使溶液沿一定方向流动。,2019/11/26,中央循环管式蒸发器,优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠；缺点：循环速度在0.40.5m/s以下、清洗和维修不方便。,2019/11/26,悬筐式蒸发器,优点：循环速度可稍大、易于检修、热损失较小；缺点：结构复杂、单位传热面的金属消耗量大；适用：易结晶、结垢溶液的蒸发。,1外壳2加热蒸气管3除沫器4加热室5液沫回流罐,2019/11/26,外加热式（加热室与蒸发室分开）,优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循环速度较大。,2019/11/26,强制循环蒸发器(forcedcirculationevaporator),2019/11/26,（2）膜式（单程型）蒸发器特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。,升膜式蒸发器,说明：不适于较浓溶液、粘度大、易结晶、易结垢物料的蒸发。,缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。,2019/11/26,2019/11/26,降膜式蒸发器,优点：传热系数较高，与升膜相比，可以蒸发浓度较高的溶液，对粘度较大的物料也能适用。缺点：结构较复杂。,2019/11/26,5.1.2蒸发器的辅助装置,除沫器：利用液体的惯性使气液分离，以除去液沫。,2019/11/26,（2）冷凝器和真空装置,冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用气液直接接触的混合式冷凝器，如逆流高位冷凝器。,真空装置：排除少量不凝性气体，维持蒸发所需要的真空度。水环式真空泵、喷射泵、往复式真空泵。,2019/11/26,第五章蒸发,一、溶液的沸点和温度差损失二、单效蒸发的计算三、蒸发器的生产能力和生产强度,第二节单效蒸发,2019/11/26,蒸发器中的传热温差：tm=（Ts-t）加热蒸汽的温度：Ts（若为150）蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水：t=T=100此时的传热温差最大，用tT表示：,如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100。若其沸点t=120，则有效传热温差，,t比tT所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用表示,1、溶液的沸点和温度差损失,2019/11/26,温度差损失的原因：溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高；蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管时产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。,（1）因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失,溶液的沸点升高主要与溶液类型、组成及操作压强有关，一般由实验测定。当蒸发操作在加压或减压下进行，可估算沸点升高值。,2019/11/26,溶液的沸点也可用杜林规则计算：在相当宽的压强范围内溶液的沸点与同压强的下溶剂的沸点成线性关系：,式中tA，某种溶液在两种不同压力下的沸点；tw，溶剂在相应压力下的沸点。,当某压强下水的沸点tw0时，,2019/11/26,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。,2019/11/26,由该图可以看出：浓度不太高的范围内，由于沸点线近似为一组平行直线，因此可以合理的认为沸点的升高与压强无关，而可取大气压下的数值；在高浓度范围内只要已知两个不同压强下溶液的沸点，则其他压强下的溶液沸点可按杜林规则进行计算。,2019/11/26,（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响按液面下处L/2溶液的沸腾温度来计算，液体在平均温度下的饱和压力：,式中p液面上方二次蒸汽的压强（通常可以用冷凝器压强代替），Pa；L蒸发器内的液面高度，m。,所以沸腾液体的平均温度为：,液柱静压强引起的溶液温度升高：,2019/11/26,在多效蒸发中，二次蒸汽流到下一效的过程中为克服管道阻力使压强降低，引起二次蒸汽的温度降低，由此引起的温度差损失为。,总的温度差损失,过程的传热温度差（有效温度差）：,（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失,2019/11/26,5.2.2单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：水分的蒸发量；加热蒸汽消耗量；蒸发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程、热量衡算方程和传热速率方程来解决。,2019/11/26,（1）物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即,式中x0，x1分别为料液、完成液的质量分数。,水分蒸发量：,完成液的浓度：,2019/11/26,（2）热量衡算溶液的稀释液不可忽略时：对蒸发器作热量衡算,式中D加热蒸汽消耗量，kg/s；t0，t1加料液与完成液的温度，；h0，h1，hw加料液，完成液和冷凝水的热焓，kJ/kg；，HH二次蒸汽和加热蒸汽的热焓，kJ/kg。式中热损失Ql可视具体条件来取加热蒸汽放热量（DR）的某一百分数。,若加蒸汽的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排除，则：,2019/11/26,溶液的稀释液可以忽略时，溶液的焓可由比热容算出焓值的计算：习惯上取0为基准，即0时的焓为零，则有,代入前面的两式得：,式中cp0、cp1料液和完成液的比热，kJ/kgK。,2019/11/26,式中水的比热，kJ/kgK；溶质的比热，kJ/kgK。,为了避免使用不同溶液浓度下的比热，可近似认为溶液的比热容和所含溶质的浓度呈加和关系，即,当溶液浓度小于20时，可以简化为：,2019/11/26,上面公式可以简化为：,将公式与物料衡算式联立,冷凝液在蒸汽饱和温度下排出时：,2019/11/26,沸点进料，t0=t1，并忽略热损失和溶液浓度较低时，cp1=cp0，则,式中称D/W为单位蒸汽消耗量，用来表示蒸汽利用的经济程度（或生蒸汽的利用率）。,或,2019/11/26,（3）蒸发器传热面积的计算,由于蒸发过程的蒸汽冷凝和溶液沸腾之间的恒温差传热，tm=Ts-t，蒸发器的热负荷Q=Dr，所以有,2019/11/26,蒸发器的总传热系数可按下式计算：,2019/11/26,管外蒸汽冷凝热阻一般很小，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；管内壁液一侧的垢层热阻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；管内沸腾给热阻主要决定于沸腾液体的流动情况。,2019/11/26,（4）单效蒸发过程的计算设计型计算：给定蒸发任务，要求设计经济上合理的蒸发器。已知：F，x0，t0，x1设计条件：p0，pk计算目的：根据选用的蒸发器形式确定K，计算所需加热面积S及加热蒸汽用量D。,操作型计算：已知蒸发器的结构形式和蒸发面积给定条件：S，K，x0，t0，x1，p0，pk计算目的：核算蒸发器的处理能力F和加热蒸汽用量D。或已知：S，F，x0，t0，x1，p0，pk计算目的：反算蒸发器的K并求D。,2019/11/26,5.2.3、蒸发器的生产能力与生产强度,1、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,2、蒸发器的生产强度,蒸发器的生产强度U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，kg/(m2h)，它可以反映蒸发器的优劣,若为沸点进料，且不计热损失，根据,2019/11/26,由式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差tm（Tt1）。提高传热温度差的方法:采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。,3、提高蒸发强度的途径,4、真空蒸发的优点：降低溶液沸点，增大传热推动力，提高蒸发器生产强度；真空操作，溶液沸点降低，可减少或防止热敏性物料分解；降低对热源的要求。缺点：溶液沸点降低，其粘性会增加，使得总传热系数下降；真空设备增加动力消耗。,2019/11/26,第五章蒸发,一、多效蒸发的操作流程二、多效蒸发的计算三、多效蒸发与单效蒸发的比较,第二节多效蒸发,2019/11/26,采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。,若把蒸发产生的二次蒸气引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。根据溶液与二次蒸气的流向，可有不同的加料方法与相应的流程。,2019/11/26,即加热蒸气和原料液均顺次流经各效。这种加料的特点是前一效到后一效可自动加料，后一效中的物料会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度会随效数的增加而增大，使传热系数逐效下降，所以并流加料不适宜处理随浓度增加而黏度增加较高的物料。,2019/11/26,2.逆流加料流程,即加热蒸气走向与并流相同，而物料走向则与并流相反。这种加料的特点是各效中的传热系数较均匀，适于处理黏度随温度变化较大的物料。,2019/11/26,3.平流加料流,即加热蒸气走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效中加入和排出。这种流程适用于处理易结晶物料。,2019/11/26,二、多效蒸发过程的分析,(1)温度差损失和有效温度差若多效和单效蒸发的操作条件相同时，即第一效的加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强各自相同，多效蒸发的温度差因为经过多次损失，使总温度差损失较单效蒸发时大。(2)经济性多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，即经济效益。,(3)生产能力和生产强度,2019/11/26,在相同条件下，虽然多效蒸发传热面积为单效蒸发的m倍，但生产能力小于单效蒸发；当多效蒸发的tm及各效Si，Ki与单效相同时，多效蒸发的生产强度小于单效的1/m；为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于单效蒸发的m倍，多效蒸发经济性的提高是以增加设备费为代价的。(4)多效蒸发中效数的限制和选择传热温度差的限制设备费用的限制效数选择：原则上应使单位生产能力的设备费与操作费之和小。,2019/11/26,四、提高加热蒸汽经济性的措施,(1)额外蒸汽的引出,额外蒸气：在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸气，作为其它加热设备的热源。说明：引出额外蒸气时，生蒸气的消耗量增加，但所增加的生蒸气量小于引出的额外