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第八章蒸发 Chapter8Evaporation 1 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 概述 Introduction 蒸发过程 将含有固体溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩 以获得固体产品或制取溶剂 蒸发过程实际上是不挥发性的溶质和挥发性的溶剂分离的过程 蒸发过程的基本概念 2 概述 Introduction 蒸发操作是间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程 蒸发器也是一种换热器 蒸发过程的特殊性 1 溶液中含有不挥发性溶质 故溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压为低 沸点高 相同条件下 蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小 2 工业规模的蒸发量很大 需要耗用大量的加热蒸汽 应充分利用二次蒸汽 多效蒸发 降低过程的能量消耗 3 溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构 例如 易结垢或析出结晶的溶液 设计上应设法防止或减少垢层的生成 并应使加热面易于清洗 对热敏性 高粘度或强腐蚀性的物料 应设计或选择适宜结构的蒸发器 3 蒸发器的结构及特点 蒸发装置 循环型蒸发器 循环型和单程型 中央循环管式蒸发器 4 循环型蒸发器 悬筐式蒸发器 5 循环型蒸发器 外热式蒸发器 6 循环型蒸发器 列文式蒸发器 7 循环型蒸发器 强制循环蒸发器 8 单程型蒸发器 升膜式蒸发器和降膜式蒸发器 9 单程型蒸发器 升 降膜式蒸发器 10 单程型蒸发器 刮板式冷凝器 11 浸没燃烧式蒸发器 12 除沫器 冷凝器和真空装置 除沫器 13 除沫器 冷凝器和真空装置 冷凝器及真空装置 14 除沫器 冷凝器和真空装置 疏水阀 防止加热蒸汽和冷凝水一起排出加热室外 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 15 2019 12 27 16 单效蒸发 主要计算项目 蒸发器的水分蒸发量 传热负荷与加热蒸汽的消耗量 传热温度差 传热系数 传热面积 物料衡算和热量衡算 水分蒸发量 17 物料衡算和热量衡算 加热蒸汽消耗量 若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出 忽略溶液稀释热 溶液焓可用比热计算 取0 为基准 18 物料衡算和热量衡算 加热蒸汽消耗量 有 若溶液为沸点进料 tl t0 忽略蒸发器热损失 蒸汽的汽化潜热随压力变化不大 r r 故D W 1 蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽 实际上r1 其值约为1 1或稍高 19 物料衡算和热量衡算 蒸发器的传热面积 20 物料衡算和热量衡算 溶液的焓浓图和浓缩热 氢氧化钠 氯化钙等水溶液在蒸发浓缩时 除水的汽化潜热外 还需提供溶液的浓缩热 焓不能用比热计算式计算 21 溶液的沸点及温度差损失 溶液中溶质不挥发 溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要低 因而相同压力下溶液的沸点总是比相同压力下水的沸点 二次蒸汽温度 为高 其差值称为沸点升高 用 表示 即温度差损失在数值上等于沸点升高 蒸发计算中 应先确定 值 再求溶液沸点 tl Tk 和实际传热温度差 t tT 蒸发纯溶剂的温差 蒸发溶液的温差 22 温度差损失的原因 1 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失 2 加热管内不同高度静压力不同 使溶液沸点升高 3 二次蒸汽的流动阻力 使蒸发室的压力高于冷凝器 相应的饱和温度高于冷凝器的温度 如果二次蒸汽的温度以冷凝室的温度计算 则存在温度差损失 蒸发器总温差损失 23 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失 与溶液种类 浓度及操作压强有关 其值由试验测定的溶液沸点tA求得 设由二次蒸汽压力查得的饱和温度为Tk 对在加压或减压下的蒸发操作 需计算各种浓度溶液在不同压力下的温度差损失 当缺乏实验数据时 可由常压下溶液的温度差损失估计 r 实际操作压力下二次蒸汽的汽化潜热 24 液柱静压力引起的温度差损失 溶液内部的沸点按液面和底部平均压力计算 由静力学方程 式中 tA pm 水在平均压力下的沸点 tw p 蒸发室二次蒸汽压力下算得的沸点 二次蒸汽流动阻力引起的温度差损失 与二次蒸汽在管道中的流速 物性及管道尺寸等有关 一般取为0 5 1 5 对多效蒸发 二次蒸汽在两效间由于管道阻力引起的温度差损失一般取1 25 蒸发器的生产能力和生产强度 生产能力 单位时间汽化的水量 蒸发量 kg h 如果忽略热损失和浓缩热 且料液在沸点下进料 则生产能力与传热速率成正比 故也可用传热速率来表示生产能力 生产强度 单位时间单位传热面积上蒸发的水量 kg m2 h 生产强度是衡量蒸发器性能的一个重要指标 沸点进料和忽略热损失及浓缩热时 传递的热量全部用于水分蒸发 设溶剂的汽化潜热为r 则生产强度 欲提高蒸发器的生产强度 必须设法提高蒸发器的总传热系数和传热温差 26 多效蒸发 单效蒸发 1kg水 1kg多生蒸汽二次蒸汽作为加热蒸汽的条件 该蒸发器的操作压力和溶液温度应低于前一蒸发器 抽真空可方便地降低蒸发器的操作压力和溶液温度 多效蒸发可提高生蒸汽的利用率 经济性 即同样数量生蒸汽可蒸发比单效蒸发器更多水 27 多效蒸发流程 并流加料蒸发流程 优点 后效蒸发室压力较前效低 前效溶液可籍压差流入后效 无需用泵输送 后效溶液沸点较前效低 溶液流入后效时 由于过热而发生自蒸发 闪蒸 可蒸发更多的溶液 缺点 后效溶液浓度较前效大 而沸点又较低 故粘度相对较大 使后效的传热系数较前效为小 在后两效中尤为严重 28 多效蒸发流程 逆流加料蒸发流程 优点 随着溶液浓度的逐效提高 溶液的温度也不断提高 故各效溶液浓度比较接近 传热系数也大致相同 缺点 效间溶液需用泵输送 能量消耗较大 适用于粘度随温度和浓度变化比较大的溶液 但不适用于热敏性物料的蒸发 29 多效蒸发流