化工原理-蒸发.ppt

化工原理 上册 化工原理 6蒸发6 1概述定义 浓缩溶液不挥发溶质与挥发性溶剂分离 获得浓度高的溶液或溶剂 加热 生 蒸汽 二次蒸汽 蒸发器分类 蒸汽利用 单效 多效蒸发 压力 常压蒸发 加压蒸发 减压 真空 蒸发 减压 真空 优点 1 省传热面积 2 利用低压 废热 蒸汽 3 适用热敏性溶液 4 热损失减少 缺点 1 K 2 减压装置 能耗 流程 叙述P281图6 1传热过程动蒸发基本流程 swf 真空泵 缓冲罐 水 分离器 混合冷凝器 冷却水 二次蒸汽 冷凝水 疏水器 加热室 加热蒸汽 原料液 蒸发室 完成液 不凝气体 特点 沸点升高 t变小 节省能源 大量汽化大量蒸汽消耗 物料的工艺特性 析晶 结垢 分解 热敏性 高粘 强腐蚀设备差异 与换热器相比加热室 分离室 蒸发室 详细在后面介绍重点 根据任务选择与设计蒸发器 如何提高设备的生产能力和经济性可以替代的节能新单元操作 膜分离技术等用于海水脱盐 低浓度组分提取 药物浓缩 菌种等热敏性物质处理 6 2蒸发器的形式一结构和特点加热室 分离室循环型 自然循环型 中央循环型中央循环管式蒸发器 swf 悬筐式悬筐蒸发器 swf 外热式外加热式蒸发器 swf 列文式列文式蒸发器 swf强制循环型强制循环管式蒸发器 swfP282图6 2 6 3 6 4单程式 不循环 升膜升膜式蒸发器 swf 降膜降膜式蒸发器 swf 升 降膜 刮板式转子式刮板蒸发器 swf 搅拌薄膜P285图6 5 6 6 6 7 10浸没燃烧式 烟道气直接式直接接触式蒸发器 swfP286图6 8二选型原则 满足工艺要求 保证质量 能力大 简单方便 经济 三辅助装置P287图6 9 10除沫器除沫器的主要形式 swf冷凝器干式逆流高位冷凝器 swf真空装置 气体压送装置 悬筐列文单效外循环搅拌薄膜 刮板浸没燃烧升膜降膜三效升降膜 蒸发器 果汁蒸发器三效蒸发器 加热室 蒸发室 原料F x0 t0 c0 h0 加热蒸汽D Ts Hs 完成液L F W x t c h 冷凝液D Ts hs 二次蒸汽W T1 H 热损失Ql A FWLDkg h x0 x质量 Ts T1 t0t HshsHhkJ kg c0 ckJ kg K QlkJ h 6 3单效蒸发的计算单效蒸发计算示意图 P394图6 13符号说明 计算项目 蒸发量Wkg h 加热蒸汽消耗量D Q kg h 蒸发器的传热面积Am2已知条件 生产任务与操作条件 原料液的流量F 温度t0 浓度x0 质量分率 完成液的浓度x 加热蒸汽的压强ps pa Ts 冷凝器内的压强P pa 依据 物料衡算式 焓衡算式 传热速率方程式 一 蒸发量的计算总F L W溶质不挥发Fx0 Lx F W x 二 加热蒸汽消耗量的计算蒸汽在饱和温度下排出冷凝液DHs Fh0 Lh WH Dhs Ql D Hs hs Fh0 F W h WH Ql则0 液体焓为零 基准 忽略浓缩热 hs C Ts 0 C Ts h0 C0t0 0 C0t0 h Ct 0 Ct 则D Hs C Ts FC0t0 F W Ct WH Ql C0 C 1 x0 CBx0C C 1 x CBxC 溶剂 CB溶质kJ kg K当x 0 2C0 C 1 x0 C C 1 x 若忽略浓缩热则 Hs C Ts RH Ct r H C T1 r若C C 如沸点进料t0 t 又C C0及Ql 0则D W H Ct R Wr RorD W H Ct R r R 单位蒸汽消耗量表示经济程度 1 1 1 三 蒸发器的传热面积Q D Hs hs orQ DR 热损失通过溶液再从外壁面走 或对于标准型的 热损失直接通过外壁面走 Q传 DR Ql tm t Ts t沸点P291 关键是 的提高 减少污垢 提高流速等 1不凝性气体排放 例1单效蒸发计算在单效蒸发器中每小时将2000kg的某种水溶液从10 连续浓缩到30 蒸发操作的平均压强为40kPa 相应的溶液沸点为80 加热蒸汽绝压为200kPa 原料液的比热为3 77kJ kg K 蒸发器的热损失为12000W 假设溶液的稀释热可忽略 不考虑C与C0的区别 若K 1500W m2 K 试求 1 蒸发量W 2 原料液温度分别为30 80 与120 时的加热蒸汽消耗量D 并比较它们的经济性 3 30 80 120 进料下所需的传热面积A 解 1 蒸发量WW F 1 x0 x 2000 1 0 1 0 3 1333kg h 2 加热蒸汽消耗量DD F Ct C0t0 Wr Q1 R压强为40kPa 200kPa饱和蒸汽的汽化潜热分别为2312和2205kJ kg料液温度为30 时的蒸汽消耗量 D 2000 3 77 80 30 1333 2312 12000 3 6 2205 1588kg h单位蒸汽消耗量D W 1588 1333 1 19 料液温度为80 时 则D 1333 2312 12000 3 6 2205 1417kg hD W 1417 1333 1 06料液温度为120 时 则D 2000 3 77 80 120 1333 2312 12000 3 6 2205 1280kg hD W 1280 1333 0 96由以上计算可知 原料液的温度越高 蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量越少 3 A Q K Ts t DR K Ts t 200kPa沸点Ts 120 2 t1 80 30 A 1588 2205 1000 3600 1500 120 2 80 16m280 A 1417 2205 1000 3600 1500 120 2 80 14 4m2120 A 1280 2205 1000 3600 1500 120 2 80 13m2 四焓浓图热效应 稀释热 浓缩热 焓浓图P293图6 12纵坐标 焓 横坐标 溶液浓度 曲线 等温线其中h h0查图五蒸发器的生产能力与生产强度P299生产能力Wkg hQA生产强度 评价性能Ukg m2 hTst tm但受限制K tm U 2 K 不凝性气体排出 增大u 清除垢层等可增K 焓 浓度 一组温度线 焓 浓图 水沸点 溶液沸点 质量浓度线 杜林规则图 6 4溶液沸点和温度差损失沸点升高原因 浓度 液柱高度 t T1 t溶液沸点 T1 相同压力下水的沸点 二次蒸汽饱和温度 有效温度差 t 理论温度差 tT tT t Ts T1 Ts t 沸点升高或温度差损失 引起原因 1溶液蒸汽压下降 2液柱静压强 3管路流体阻力 T1 根据冷凝室压强定 T1 根据蒸发室压强定则 温度差损失计算 沸点计算法杜林规则图 静压强计算查水蒸气表 1 末效1 5 一 计算 与种类 浓度 操作压强有关 tA T1 1 tA常压下测定溶液沸点可查加减压下 f 0 0 常压可测T1 相同压强下水的沸点 r 实际压强下二次蒸汽的汽化潜热2 杜林规则计算tA两组溶液沸点与纯水沸点 压力对应相同 数据构成直线则其他可查图线P290图6 11 二 计算pm p gL 2p二次蒸汽压强pa Tpm Tp查水沸点 三 计算与流速 物性 尺寸有关 可通过阻力公式计算 取1 末效1 1 5 沸点 选择加热蒸汽压强 例1 温度差损失的计算某垂直长管蒸发器用于蒸发氢氧化钠水溶液 蒸发器内的液面高度约3m 已知完成液的浓度为50 质量 密度为1500kg m3 加热用饱和蒸汽的压强 表压 为0 3MPa 冷凝器真空度为53kPa 求传热温度差 解 由附表中的水蒸汽表查出水蒸汽的饱和温度为 表压0 3MPa下Ts 143 5 绝压48 3kPa下Tp 80 1 蒸发器内的液体充分混合 器内溶液浓度即为完成液的浓度 由图6 11可以查得水的沸点为80 1 时50 氢氧化钠溶液的沸点为120 溶液的沸点升高 120 80 1 39 9 液面高度L为3m 取Pm P 1 2 gL 48 3 1000 0 5 3 1500 9 81 70 37kPa查此压强下水的沸点Tpm为90 02 故因溶液静压头而引起的温度升高 90 0 80 1 9 9 因在冷凝器故取 1 5 总温差损失 39 9 9 9 1 5 51 3 有效传热温差 t Ts Tp 143 5 80 1 51 3 12 1 例2 单效蒸发器设计型计算采用真空蒸发将质量浓度为20 的氢氧化钠水溶液在蒸发器中 上例所述 浓缩到50 进料温度为60 加料量为1 5kg s 已知蒸发器的传热系数为1560w m2k 求加热蒸汽消耗量及蒸发器的传热面积 设蒸发器的热损失为加热蒸汽消耗量的3 解 由物料衡算式可求出水份蒸发量W F 1 x0 x 1 5 1 0 2 0 5 0 9kg s按上例 蒸发器中溶液的温度 完成液的沸点 为t 143 5 12 1 131 4 由图6 12可查的氢氧化钠水溶液的热焓为 原料液浓度20 60 h0 220kJ kg完成液浓度50 131 4 h 650kJ kg由水蒸汽表查得表压0 3MPa下143 5 水蒸汽的潜热R 2138kJ kg绝压48 3kPa下水蒸汽的热焓r 2643kJ kg 由热量衡算式可得加热蒸汽用量DR Fh0 F W h Wr 0 03DRD 1 0 97R F h h0 W r h 1 0 97 2138 1 5 650 220 0 9 2643 650 1 176kg s加热蒸汽经济性W D 0 9 1 176 0 765蒸发器热负荷Q DR 1 17 2138 2514kw由传热速率方程式求出传热面积A Q K t 2514 1000 1560 12 1 133 2m2 6 5多效蒸发节省能量 加热蒸发要求后一效的操作压强和溶液的沸点都要比前一效的低 后一效的加热室成为前一效二次蒸汽的冷凝器 单效D W 1双效D W 1 2三效D W 1 3四效1 4五效1 5实际1 10 570 40 30 27由于存在温度差损失和蒸发的热损失Ql一多效蒸发流程 加料方式并流 顺流 溶液和蒸汽的流向相同并流加料流程 swf优点 不用泵 自行蒸发 闪蒸P296图6 14缺点 C t K 逆流 逆流加料蒸发流程1 swf原料液末效进 用泵往前打 完成液由第一效出 蒸汽由第一效到末效 优点 C T 近似不变 K相近 P297图6 15缺点 用泵 t0 t 二次蒸汽少 宜 随C t变化大 不宜 热敏性 平流 平流加料蒸发流程 swf原料液分别加入各效 完成液分别排出 蒸汽的流向由第一效到末效 适宜 有结晶析出 P297图6 16错流 额外蒸汽引出 加热原料二计算已知 F x0 t0 Ps P x项目 tiDWiAi依据 物料衡算 焓衡算 传热速率方程 方程联立 试差 步骤 t末 WWixi t ti xiWiQi比较 Ai Ai相等三 与单效比较1温度差损失n t L pf2经济性n D W 3生产能力与生产强度UQ KA t Q Q1 Q2 Q3 KA t1 t2 t3 KA t无 时生产能力W相同 有 时则生产能力W 生产强度UW A 4效数限制与最佳效数n t K n D W 操作费 投资费 n W U 电解质2 3效 非电解质4 6 海水淡化20 30效 5提高加热蒸汽经济性的其他措施a额外蒸汽引出 引出额外蒸汽的蒸发流程 swfD W n n 1 E1 n n 2 E2 n En 1 nE1 En 1引出额外蒸汽用于加热原料 Ei D压力不同 潜热不同 A b二次蒸汽再压缩 热泵蒸发器 p t t 0c冷凝水自蒸发 产生低压蒸汽 蒸发重点 生蒸汽 二次蒸汽 区别P280蒸发流程P281真空蒸发特点蒸发设备P282温度差损失 原因与计算P289提高K的方法P292焓浓图P293物料衡算WP294焓衡算DP294传热面积计算AP295多效流程及特点P296优缺点P298经济性W DP298生产强度W AP299提高经济性的措施P303 习题课 例1在单效真空蒸发器中 将流率为10000kg h的某水溶液从10 浓缩到50 原料液温度为31 估计溶液沸点升高为7 蒸发室的绝对压强为20kPa 加热蒸汽压强为200kPa 绝压 冷凝水出口温度为79 已知总传热系数为1000W m2 K 热损失可忽略 试估算加热蒸汽消耗量和蒸发器的传热面积 20kPa下饱和蒸汽温度为60 1 汽化潜热2355kJ kg 200kPa下饱和蒸汽温度为120 2 汽化潜热2205kJ kg 焓H 2709kJ kg 解 溶液沸点t T1 60 1 7 67 1 水分蒸发量W F 1 x0 x 10000 1 0 1 0 5 8000kg h溶液比热C0 4 187 1 x0 4 187 1 0 1 3 77kJ kg K由蒸发器热量衡算可知 Q FC0 t t0 Wr Ql 10000 3 77 67 1 31 8000 2355 0 2 02 107kJ h 5 611 106W加热蒸汽消耗量D Q H C T 2 02 107 2709 4 187 79 8500kg h由传热速率方程可知A Q K Ts t 5 611 106 106 1000 120 2 67 1 106m2原料液过冷 但 t Ts t冷凝水过冷 温度下降只有很少的Q贡献 K取平均 例2在真空度为71 3kPa下 将20000kg的饱和水急速送至真空度为81 3kPa的蒸发器内 忽