化工原理蒸发.ppt

第4章蒸发(Evaporation),4.1概述4.2单效蒸发与真空蒸发4.3多效蒸发4.4蒸发设备4.5蒸发过程和设备的强化与展望,化工原理,4.蒸发,1、掌握内容单效蒸发过程与计算，如蒸发水量、加热蒸汽消耗量及传热面积计算；有并行温差及各种温度差损失的来由及计算。蒸发器的生产能力和生产强度及其影响因素。2、熟悉内容真空蒸发的特点及其应用；多效蒸发的流程及其计算要点；蒸发操作效数限制及蒸发过程的节能措施；蒸发过程的强化。3、了解的内容蒸发操作的特点及其在工业生产中的应用；各种蒸发器的结构特点、性能及应用范围；蒸发器的选型原则。,4.1概述,（1）蒸发操作及其在工业中的应用蒸发含有不挥发性溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸汽的操作。蒸发操作的基本概念：加热蒸汽(生蒸汽)、二次蒸汽、单效蒸发、多效蒸发、常压蒸发、加压蒸发、减压蒸发,4.1概述,蒸发操作的工程目的获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。蒸发结晶联合操作以获得固体溶液脱除杂质，制取纯净的溶剂。（2）蒸发操作的特点目的：物质的分离实质：热量传递。特点：含有不挥发溶液的沸腾传热。,4.1概述,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K下降。(要求：蒸发器的结构应防止或减少结垢，且加热面易清洗。)溶液的物性对蒸发器的设计提出特殊要求。比如：,对热敏性溶质，要求高温下停留时间较短。,浓度增加粘度大大增大，要求特殊结构。,需大量汽化热（如何节能？应考虑的重要问题。）对于水溶液的蒸发，加热蒸汽温位二次蒸汽的温位,在指定p下，溶质的存在造成溶液沸点高,4.1概述,传热温差,主要原因,经济性及节能措施经济性每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量，W/D。蒸发操作的经济性很大程度上取决于二次蒸汽的利用。,节能措施,(1)多效蒸发,(2)额外蒸汽的引出,(3)二次蒸汽的再压缩,(4)冷凝水热量利用,（3）蒸发操作的分类,多效蒸发：若将二次蒸气通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸气，则可提高加热蒸气（生蒸气）的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。,按二次蒸气的利用情况分：单效蒸发和多效蒸发,单效蒸发：将二次蒸气不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作。,4.1概述,按操作室压力分：常压、加压、减压（真空）蒸发,常压蒸发：设备简单，操作方便，可采用敞口设备，二次蒸汽可直接排放在大气中，但会造成大气污染，适用于临时性或小批量的生产。,加压蒸发：可提高二次蒸汽的温度，有利于二次蒸汽的利用，但要求加热蒸汽的压力较高。,4.1概述,优点：传热温度差tm；可利用低压蒸汽或废汽作为加热蒸汽；可防止热敏性物料变质或分解；沸点温度低，减少热损失。缺点：真空装置，需消耗动力和增加设备,减压蒸发：沸点低,适用于处理热敏性物料。,4.1概述,按操作过程是否连续分:间歇蒸发，连续蒸发,间歇蒸发:一次加料最终X1出料或连续加料维持液面，X1一次出料。溶液浓度和沸点随时间改变，为不稳定操作，适于小规模，多品种的场合。连续蒸发:稳定操作，适于大规模的生产过程。,4.1概述,4.2单效蒸发与真空蒸发,4.2.1单效蒸发流程4.2.2单效蒸发设计计算4.2.3蒸发器的生产能力与生产强度,4.2.1单效蒸发流程,4.2.1单效蒸发设计计算,单效蒸发设计计算内容确定水的蒸发量物料衡算加热蒸汽消耗量热量衡算蒸发器所需传热面积传热速率方程1、蒸发水量的计算因溶质蒸发过程不挥发，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,4.2.1单效蒸发设计计算,水分蒸发量：,完成液的浓度：,完成液(F-W),x1,t1,cp0,h0,冷凝液D,Ts,hc,4.2.2单效蒸发设计计算,2、加热蒸汽消耗量的计算,或,若原料由预热器加热至沸点后进料，则,D/W称为单位蒸汽消耗量，它表示加热蒸汽的利用率，也称蒸汽的经济性。,If不计热损失，则,单效蒸发的能耗很大，是很不经济的。,4.2.2单效蒸发设计计算,3、传热面积的计算,其中,4.2.2单效蒸发设计计算,（1）传热平均温度差,当加热蒸汽压强一定时，T=const，而t1=?,温差损失,溶液沸点升量,液柱静压头,4.2.2单效蒸发设计计算,管道阻力，取1,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是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。,溶液沸点升高,4.2.2单效蒸发设计计算,常压下溶液沸点升高,不同浓度的溶液在大气压下的沸点可通过实验测定。比如NaOH水溶液的沸点。,4.2.2单效蒸发设计计算,在文献和手册中，可查得常压1(atm)下某些溶液在不同浓度时的沸点数据，但是，在蒸发操作中，蒸发室的压力往往不是高于就是低于常压，计算非常压强溶液的沸点的方法很多，最常见的方法是按杜林规则计算。,4.2.2单效蒸发设计计算,杜林(Dubring)发现：在相当宽的压强范围内，溶液的沸点与同压强下溶剂的沸点成线性关系。或者说溶液在两种压力下的沸点之差()与溶剂在相应的压力下沸点之差()的比值为一常数。即：,4.2.2单效蒸发设计计算,杜林(Dubring)法则如右图(1)在浓度不太高的范围内，可以认为溶液的沸点升高与压强无关，可取决大气压的数值。(2)在高溶液范围内，只要已知两个压强溶液的沸点，则其它的压强下溶液的沸点可按水的沸点作线性内插(外插)。,4.2.2单效蒸发设计计算,液柱静压关,蒸发操作须维持一定液位长加热管液柱重量和溶液沿管内流动阻力损失溶液p沿管长变化t沿管长变化按液面下处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：,Pav所对应的饱和蒸汽温度,P所对应的饱和蒸汽温度,4.2.2单效蒸发设计计算,结论：,4.2.2单效蒸发设计计算,（2）总传热系数,4.2.2单效蒸发设计计算,例4-1解：（1）水分蒸发量,4.2.2单效蒸发设计计算,（2）加热蒸汽消耗量,4.2.2单效蒸发设计计算,（3）传热面积确定溶液沸点,绝压为51KPa下：,绝压为101.3KPa下：,由水的沸点100时48.3%NaOH溶液得：,因二次蒸汽的真空度为51KPa，则,4.2.2单效蒸发设计计算,查附录72KPa得水的沸点为90.4,4.2.2单效蒸发设计计算,1、蒸发器的生产能力,生产能力,4.2.3蒸发器的生产能力和生产强度,2、生产强度单位时间单位传热面积上蒸发的水量将蒸发装置（包括冷凝器、泵等辅助设备）的总投资折算成单位传热面积的设备费表示。,生产强度,设Q损=0，料液预热至沸点加入，则t0=t=tb,4.2.3蒸发器的生产能力和生产强度,3、提高蒸发强度的措施1、加大传热温差真空蒸发,受锅炉额定压强限制,真空蒸发,将二次蒸汽引入冷器冷凝,一般须用真空泵不断将不凝性气体抽除。,优点：,(2)适用于热敏性物料,(3)可利用中、低温位的水蒸汽作热源,缺点：,4.2.3蒸发器的生产能力和生产强度,2、提高蒸发器的传热系数K(1)合理设计蒸发器，使U循提高(2)及时排除加热室中不凝性气体(3)经常清除垢层等,4.2.3蒸发器的生产能力和生产强度,4.3多效蒸发,通常将每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量(W/D)称为蒸汽的经济性。W/D增加加热蒸汽的利用率增大。作为工程技术人员，必须设法尽量节省加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的消耗量，以提高加热蒸汽的利用率，那么采用什么措施才能过到此目的呢？(1)利用二次蒸汽的潜热(最普通的方法是多效蒸发)(2)利用冷凝水的显热(如预热原料液)1、多效蒸发特点：二次蒸发的温位p3，料液流动须泵输送。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。,4.3多效蒸发,（3）平流加料二次蒸汽多次被利用，料液每效单独进出，适合易结晶物料。优点：多效蒸发总蒸发量W分配各效，但仅有第一效使用加热蒸汽W/D大大增加。,4.3多效蒸发,2、额外蒸汽的引出将有二次蒸汽移作它用（如用作预热料液）能耗大大降低。对于多效蒸发，末效多处于负压，二次蒸汽温位太低，难以再利用，可在前几效引出。,4.3多效蒸发,说明：在相同W下，某效引出Ei，必然要在第一效补加加热蒸汽，if，额外蒸汽引出并无经济效益；而实际上，在相同W下，经济性好，但是整个生产蒸汽利用率，因此，只要Ei能被它用，加热蒸汽利用率，但是太后效引出的二次蒸汽没有用，因为，用途有限。,3、二次蒸汽的再压缩特点：二次蒸汽绝热压缩t升高再次作加热剂用须一定量的压缩功。,4.3多效蒸发,压缩方法,机械压缩（轴流式离心式压缩机），如下图,蒸汽动力压缩（蒸汽喷射泵），如下图,4.3多效蒸发,说明：妥善设计蒸汽再压缩，能量利用可胜过35效的多效蒸发。,经济效益上升,压缩比不能太大,所以，热泵蒸发不适用于沸点上升较大的情况。压缩机的投资较大，且需维护保养。4、冷凝水热量的利用（1）热冷凝水可预热料液（2）冷凝水减压自蒸发，汽化的蒸汽与二次蒸汽一起进入后一效。,4.3多效蒸发,多效蒸发能提高蒸汽的利用率，即经济性好，减少加热蒸汽消耗量，但是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。实际情况，效数增加W/D并非成倍增加（见下表），而设备费成倍增加，所以优化。,矛盾,4.3多效蒸发,4.3多效蒸发,是不是效数越多越好?,4.4蒸发设备,4.4.1蒸发器4.4.2蒸发器的选型4.4.3蒸发装置的附属设备和机械,4.4.1蒸发器,结构：加热室、流动（或循环）通道、汽液分离空间。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。有分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起。强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动。,（1）垂直短管式（又称为中央循环管式），也称为标准式蒸发器结构：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,细管中单位体积A大，含汽率高,中央循环管单位体积A小，含汽率低,有组织循环,4.4.1蒸发器,（2）外加热式特点：加热管长，给热系数增大循环管不再受热，密度差大强化循环,加热室,蒸发室,4.4.1蒸发器,（3）强制循环蒸发器,加热室,蒸发室,4.4.1蒸发器,2、单程蒸发器（适宜热敏性物料）物料一次通过加热面即可完成浓缩要求，离开加热管的溶液及时加以冷却。（1）升膜式原理：热的料液自蒸发器底部进入加热管内迅速气化，在蒸气的带动下，溶液沿管壁呈膜状迅速上升，并继续蒸发，当到达分离室和二次蒸气分离后即可得到完成液。不适宜粘度50mPa.s，易结晶，结垢料液。,4.4.1蒸发器,（2）降膜式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，底部得到完成液；加热管顶部装有液体分布器，以使液体成膜；对浓度较高，粘度较大溶液也适用；结构较复杂。适宜粘度50450mPa.s。不易结晶的料液。,降膜式液体分布,4.4.1蒸发器,（3）旋转刮板式蒸发器为高粘度溶液的蒸发而设计间隙式刮板、转子式刮板主要特点：籍外力强制料液膜状流动缺点：结构复杂，制造要求高，加热面积不大，且需消耗一定动力。,4.4.1蒸发器,4.4.2蒸发器的选型,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,4.4.2蒸发器的选型,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,4.4.2蒸发器的选型,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。,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。,常见蒸发器的性能见教材231页表4-3。,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器、真空泵等。1、除沫器（汽液分离器）籍液滴运动的惯性撞击金属物或壁面而被捕获集，尽可能完全分离二次蒸汽夹带许多液沫。丝网式除沫器的分离效果最好。,除沫器丝网式除沫器的分离效果最好。,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,2、冷凝器因为二次蒸汽多为水蒸汽，所以一般情况下以使用混合式冷凝器居多。,逆流高位混合式冷凝器（常负压操作）,大气腿,真空泵：抽不凝性气体,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,3、真空装置当蒸发器在负压下操作时，无论采用哪一种冷凝器，均需在冷凝器后安装真空装置。需要指出的是，蒸发器中的负压主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空装置仅是抽吸蒸发系统泄漏的空气、物料及冷却水中溶解的不凝性气体和冷却水饱和温度下的水蒸汽等，冷凝器后必须安真空装置才能维持蒸发操作的真空度。常用的真空装置有喷射泵、水环式真空泵、往复式或旋转式真空泵等。,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,4、疏水器作用：防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外。形式：(1)热动力式(2)钟形浮子式(3)脉冲式,1-冷凝水入口；2-冷凝水出口；3-排出管；4-背压室；5-滤网；6-阀片,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,(1)热动力式,(2)钟形浮子式,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,(3)脉冲式,4.4.3蒸发装置的辅助设备和机械,（1）研制开发新型高效蒸发器这方面工作主要从改进加热管表面形状等思路出发来提高传