[理学]第五章 蒸发.ppt

第四章蒸发 蒸发 将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移走蒸汽 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作 蒸发设备 蒸发器应用领域 化工 石油化工 制药 制糖 造纸 深泠 海水谈化及原子能等工业中 蒸发的目的 使溶剂与溶质分离 1 制取浓溶液 例如将NaCl溶液电解得到的氢氧化钠稀溶液侬缩得氢氧化钠浓溶液 2 溶液浓缩到接近饱和状态 然后将浓溶液冷却 使溶质结晶分离 制得纯固体产品 例如蔗糖的生产 食盐的精制等 3 溶剂蒸发冷凝 除去非挥发性杂质 制取纯溶剂 例如谈化海水制取淡水 工业上被蒸发的溶液大多是水溶液 所以本章只讨论水溶液的蒸发 蒸发的基本流程 蒸发的操作方法 1 常压蒸发和减压蒸发 真空蒸发 真空操作特点 2 单效蒸发和多效蒸发 3 间歇蒸发与连续蒸发 蒸发过程的实质是转热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的转热过程 溶剂的汽化速率由传热速率控制 故蒸发属于热量传递过程 特点 1 传热性质两侧相变恒温转热 2 溶液性质 3 溶液沸点的改变 4 泡沫夹带 5 能源利用 4 1蒸发设备 一 蒸发器的结构加热室和分离室间接式 循环型 非膜式 单程型 膜式 直接式 1 循环型 非膜式 蒸发器自然循环 强制循环 1 中央循环管式 或标准式 蒸发器 溶液沿粗管下降而沿细管上升 中央循环管截面积为加热管总截面积的40 100 优 溶液循环好 转热效率高 结构紧凑 制造方便 操作可靠 缺 溶液浓度大 沸点高 加热室不易清洗 2 悬筐式蒸发器 加热室悬挂在器内 可由顶部取出 便于清洗与更换 溶液沿环隙通道下降而沿加热管上升 环隙截面约为沸腾管总截面积的100 150 溶液循环速度较高 缺点 设备耗材量大 占地面积大 加热管内溶液滞留量大 3 外热式蒸发器 4 强制循环蒸发器 溶液沿循环管下降 沿加热管上 缺点 动力消耗大 2 膜式 单程型 蒸发器 1 升膜蒸发器原料液经预热达到沸点或接近沸点 2 降膜式蒸发器 3 升 降膜蒸发器 4 刮板搅拌薄膜蒸发器 3 直接加热蒸发器浸没燃烧蒸发器 二 蒸发器的选择 选型时应考虑的因素1 溶液的粘度2 溶液的热稳定性3 有晶体析出的溶液4 易发泡的溶液5 有腐蚀性的溶液6 易结垢的溶液7 溶液的处理量 见P302表 4 2单效蒸发 一 溶液的沸点和温度差损失 一 溶液的沸点溶液蒸汽压 纯水蒸汽压溶液沸点 纯水沸点例 常压下20 wt NaOH水溶液沸点 108 5 水沸点 100 溶液沸点升高 108 5 100 8 5 例 用120 饱和水蒸气分别加热20 NaOH水溶液和纯水 并使之沸腾 有效温差分别为20 NaOH水溶液120 108 5 11 5 纯水120 100 20 同条件下蒸发溶液时的有效温度差下降8 5 下降的度数称为因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失 其值与同条件下的沸点升高值相同 二 温度差损失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别 浓度和操作压强有关 一般由实验测定 常压下某些无机盐水溶液的沸点升高与浓度的关系见附录二十一 P358 加压或减压时 可估算 f a a 常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高 即温度差损失 操作压强下 由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高 f 校正系数 无因次 T 操作压强下二次蒸汽的温度 r 操作压强下二次蒸汽的汽化热 kJ kg溶液的沸点可用林规则 Duhring srule 计算 这个规则说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点间呈线性关系 由于容易获得纯水在各种压强下的沸点 故一般选用纯水为标准溶液 直线的斜率 k 杜林直线的斜率 无因次 tA tW 压强PM下溶液的沸点与纯水的沸点 tA tW 压强PN下溶液的沸点与纯水的沸点 当某压强下水的沸点tW 0时 为tA tA ktW ymym 杜林直线的截距 不同浓度的杜林直线是不平行的 斜率k与截距ym都是溶液质量浓度x的函数NaOH水溶液 k 1 0 142xym 150 75x2 2 71x 2 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 液层内部沸点与表面沸点之差即为液柱静压强引起的温度差损失 计算时以液层中部的平均压强Pm及相应的沸点tAm为准 中部压强为Pm P gl 2Pm 液层中部的平均压强 PaP 液面的压强 即二次蒸汽的压强 Pal 液层深度 m根据平均压强Pm查出纯水的相应沸点tpm 故因静压强而引起的温度差损失为 tpm tp tpm 与平均压强Pm相对应的纯水沸点 tp 与二次蒸汽压强P 相对应的水的沸点 3 由于管路流动阻力而引起的温度差损失 多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽 因管道流动阻力使二次蒸汽的压强稍有降低 温度也相应下降 一般约降1 一般取效间二次蒸汽温度下降1 末效或单效蒸发器至冷凝器间下降1 1 5 二 单效蒸发的工艺计算计算项目 单位时间内蒸出的水分量 即蒸发量 加热蒸汽的消耗量 蒸发器的传热面积 已知项目 原料液流量 组成与温度 完成液组成 加热蒸汽的压强或温度 冷凝器的压强或温度 一 蒸发量W溶质Fx0 F W x1W F 1 x0 x1 F 原料液的流量 kg hW 单位时间蒸发的水分量 即蒸发量 kg hx0 x1 原料液 完成液的质量组成 二 加热蒸汽消耗量D 蒸发操作中 加热蒸汽的热量一般用于将溶液加热至沸点 将水分蒸发为蒸汽以及向周围散失的热量 某些溶液 如CaCl2 NaCl等水溶液 稀释时放出热量 蒸发这些溶液时应考虑要供给和稀释热量相当的浓缩热 溶液稀释热不可忽略物料的焓衡算DH Fh0 WH F W h1 DhW QLQL 热损失 kJ h若加热蒸汽的冷凝液在蒸汽的饿饱和温度下排除 则 hW rr 加热蒸汽的汽化热 kJ kg 焓浓图 溶液的稀释热可以忽略 h0 Cp0 t0 0 Cp0t0h1 Cp1 t1 0 Cp1t1hW CpW T 0 CpWT D H CpWT WH F W Cp1t1 FCp0t0 QLCp CPw 1 x CpBx当x 20 Cp CPw 1 x Cp CPwCpB 溶液 纯水 溶质的比热容 kJ kg 原料液比热容Cp0与完成液比热容Cp1间的关系 F W Cp1 FCp0 WCpwD H CPWT W H CPWt1 FCp0 t1 t0 Q 当冷凝液在蒸汽饱和温度下排除时 有 H CPWT rH CPWt1 r r r 加热蒸汽 二次蒸汽的汽化热 kJ kg Dr Wr FCp0 t1 t0 QL上式说明加热蒸汽的用量用于将原料液加热到沸点 蒸发水分以及向周围的热损失 若原料预热至沸点再进入蒸发器 且忽略热损失 e 蒸发1kg水分时 加热蒸汽的消耗量 称为单位蒸汽耗量 kg kg蒸汽的汽化潜热随压强变化不大 r r 单效蒸发操作中e 1 实际e 1 1 三 传热面积S0 Q S0K0 tmS0 Q K0 tmS0 蒸发器的传热外面积 m2 K0 基于传热外面积的总传热系数 W m2 1 平均温度差 tm两流体恒温 变相 tm T tT 加热蒸汽的温度 t 操作条件下溶液的沸点 2 基于传热外面积的总传热系数K0下标i表示管内侧 o表示外侧 m表示平均 表5 2蒸发器的总传热系数K值 3 蒸发器的热负荷Q 若加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除 忽略热损失则Q Dr 例见P310 四 管内沸腾传热系数 i的关系式1 标准型蒸发器2 强制循环蒸发器3 升膜蒸发器4 降膜蒸发器 复杂 三 蒸发器的生产能力和生产强度 一 蒸发器的生产能力蒸发量kg h单位时间内蒸发的水分量蒸发器的传热速率Q KS tQ KS T t1 原料液的进料温度 二 蒸发器的生产强度指单位传热面积上单位时间内蒸发的水量 kg m2 hU W S 沸点进料 忽略热损失 Q Wr KS t U Q Sr K t r K t U t 取决于加热蒸汽和冷凝和冷凝器中二次蒸汽的压强K 是U 的主要途径K取决于 和Rs 污垢 4 3多效蒸发 加热蒸汽的经济性1kg蒸汽可蒸发的水量 理论E W D单效D W 1 二效 1 2 三效 1 3 一 多效蒸发的操作流程 一 并流 顺流 加料法的蒸发流程溶液和蒸汽的流向相同 即都由第一效顺序流至末效 优点 后效蒸发室的压强要比前效的低 故溶液在效间的输送可以利用效间的压强差 而不必另外用泵 后效溶液的沸点较前效的低 故前效的溶液进入后效时 会因过热而自动蒸发 自蒸发或闪蒸 可多产生一部分二次蒸汽缺点 沿溶液流动方向的浓度逐渐增高致使传热系数逐渐下降 二 逆流加料法的蒸发流程溶液和蒸汽的流动方向相反 优 溶液的浓度沿着流动方向不断提高 温度逐渐上升 各效溶液浓度较为接近 各效的传热系数大致相同 缺 效间的溶液需用泵输送 能量消耗较大 各效的进料温度均低于沸点 产生的二次蒸量较少 三 平流加料法的蒸发流程原料液分别加入各效中 完成液也分别自各效底部取出 蒸汽的流向由第一效流至末效 二 多效蒸发的计算 一 基本情况已知 原料液的流量 浓度和温度 加热蒸汽 生蒸汽 的压强或温度 冷凝器的真空或温度 末效完成液的浓度等 求 生蒸汽的消耗量 各效的蒸发量 各效的传热面积 方法 物料衡算 焓衡算 传热速率方程式 二 多效蒸发和单效蒸发的比较 1 溶液的温度差损失若多效和单效蒸发的操作条件相同 则多效蒸发的温度差因经过多次的损失 使总温度差损失较单效蒸发时为大 2 经济效应 多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率 即经济利益 3 蒸发器的生产能力和生产强度单效Q KS t三效Q1 K1S1 t1Q2 K2S2 t2Q3 K3S3 t3若各效的总传热系数取平均值K 且各效的传热面积相等 则三效的总传热速率为Q Q1 Q2 Q3 KS t1 t2 t3 KS t 当蒸发操作中没有温度差损失时 三效蒸发和单效蒸发的传热速率基本上相同 因此生产能力也大致相同 多效蒸发时的温度差损失较单效蒸发时大 多效蒸发时的生产能力和生产强度均较单效时为小 采用多效蒸发可提高加热蒸汽的利用率 但降低了生产强度 两者互为矛盾 4 多效蒸发中的次数限制及最佳效数 由于效数越多 温度差损失越大 效数有限制 效数越多 蒸汽耗量越小 但设备投资增加 操作费用增加 4 4蒸发器的工艺计算 蒸发器的设计任务往往只给出溶液的性质 要求达到的完成液组成及可提供的加热蒸汽压强等 要求设计者首先应根据溶液性质选定蒸发器形式 冷凝器压强 加料方式及最佳次数 再根据选出或算出总传热系数后 算出传热面积 最后选定或算出蒸发器的主要工艺尺寸加热管尺寸及管数 循环管尺寸 加热室外壳直径 分离室尺寸及附属设备的计算 例题 P319 试设计一蒸发NaOH水溶液的单效蒸发器已知 1 原料流量为10000kg h 温度为80 2 原料液组成为质量分数0 3 完成液为0 45 3 蒸发器中溶液沸点为102 8 4 加热蒸汽绝对压强为450kPa 蒸发室的绝对压强为20kPa 5 蒸发器的平均传热系数为 1200W 解 1 选型 NaOH水溶液浓度较大 选外热式自然循环蒸发器 2 蒸发量3 加热蒸汽量450kPa时饱和蒸汽的参数为温度T 147 7 蒸汽焓H 2747 8kJ kg液体焓hw 622 42kJ kg 20kPa时饱和蒸汽的参数为 温度T 60 1 蒸汽焓H 2606 4kJ kg原料液的焓ho 305kJ kg 完成液焓h1 305kJ kg4 蒸发器传热面积 所以 5 加热室加热管管数中心线一管数 加热室内径 6 循环管循环管的截面积为加热管面积的80 循环管的截面积为直径为 7 分离室 高度为2 5m20kPa时饱和蒸汽的密度为0 13068kg m3 二次蒸汽的流量为取充许的蒸发体积强度为1 5m3 m2 s 二 物料衡算溶质衡算 整个蒸发系统 对任一效作溶质衡算 i 2 各效蒸发量一般先按生产实践数据加以估计 若无实际数据作参考 可按总蒸发量的平均值估计 Wi W n并流加料 估算双效W1 W2 1 1 1三效W1 W2 W3 1 1 1 1 2 三 多效蒸发的焓衡算1 各效二次蒸汽压强p1 pk 加热蒸汽 冷凝器中蒸汽压强Pa或kPa 由设计者根据任务及现场条件等选定 2 各效的各种温度差损失 i i i 计算方法同单效蒸发 3 多效系统中各效溶液的沸点及总有效温度差 各效沸点ti Ti i i 各效的有效温度度差 ti Ti ti总温度差 t T1 Tk t T1 Tk t 系统的总有效温度差 系统的总温度差损失 及 因溶液蒸气压下降静压强及流动阻力而引起的系统温度差损失 4 多效系统中加热蒸汽消耗量以0 的液体为基准 分别对各效作焓衡算第1效 Fh0 D1 H1 hW F W h1 W1H1 若溶液的稀释热可忽略 溶液的焓可用比热容计算 h0 Cp0t0h1 Cp1t1若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出 则H1 hW r1 FCp0t0 D1r1 F W1 Cp1t1 W1H1 又 F W1 Cp1 FCp0 W1CpWH1 CpWt r1 Q1 D1r1 FCp0 t1 t0 W1r1 同理 第2效Q2 D2r2 FCp0 W1CpW t2 t1 W2r2 D2 W1 r2 r1 Q2 W1r1 第i效Qi Diri FCp0 W1CpW W2CpW Wi 1CpW ti ti 1 Wiri Di Wi 1 ri ri 1 Qi Wi 1ri 1 第i效的蒸发量 上面诸式忽略热损失 故Q