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160 2020年2月11日 第七章蒸发 7 1概述在化工 轻工 食品 医药等工业中 通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液 为了得到符合标准的产品 常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发 7 1 1蒸发分离的依据利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离 7 1 2蒸发操作的目的获得浓缩的溶液 直接作为成品或半成品脱除溶剂 此过程常伴随有结晶过程去除杂质 260 2020年2月11日 7 1 3蒸发操作的应用 在工业上 有三种情况 1 制取液体产品 例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中 含有约18 的NaCl 通过蒸发方法在除去大部分水的同时 将NaCl结晶而分离除去 得到规定的液碱产品 2 生产固体产品 将稀溶液浓缩达到饱和状态 然后冷却使溶质结晶与溶液分离 从而获得固粒产品 例如 食盐精制 制糖 制药等 3 制取纯溶剂 采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝 使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂 例如海水淡化制取淡水等 被蒸发的溶液可以是水溶液 也可以是其它溶液 而工业上处理的溶液大多为水溶液 所以本章仅讨论水溶液的蒸发 360 2020年2月11日 用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器 基本流程如图 蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化 并移去 由加热室和分离室两部分组成 加热室由传热管组成 中央设置一循环管 加热用的饱和水蒸汽在加热室管间冷凝放热用于对管内水溶液进行加热 分离室在加热室上部 为一圆筒结构 使受热上升的溶液在此汽化并将汽液分离 冷凝器与蒸发器的分离室相通 其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去 7 1 4蒸发的流程 蒸发操作时 溶液由分离室底部加入 沿中央循环管流向加热室 在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热 被加热至沸腾状态 汽液混合物沿加热管上升 达到分离室时蒸汽与溶液分离 为与加热蒸汽相区别 产生的蒸汽称为二次蒸汽 二次蒸汽进入冷凝器被除去 溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环 当达到浓度要求后称为完成液 从蒸发器底部排出 1 加热室2 加热管3 中央循环管4 分离室5 除沫器6 冷凝器 460 2020年2月11日 7 1 5蒸发的分类 按操作压强分 加压蒸发 常压蒸发 真空蒸发真空蒸发的优点 1 减压下溶液沸点t1降低 使蒸发器的传热推动力 t T t1增大 因而 对一定的传热量Q 可节省蒸发器的传热面积S 2 蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽 节省能耗 P T t一定 Q不变3 适于处理热敏性物料 即在高温下易分解 聚合或变质的物料 4 减少蒸发器的热损失 真空操作的缺点 1 溶液的沸点降低 使粘度增大 导致总传热系数下降2 动力消耗大 因需要有造成减压的装置 560 2020年2月11日 按蒸发方式分 自然蒸发 沸腾蒸发自然蒸发 溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化 汽化只在溶液表面进行 汽化面积小 传热速率低 汽化速率低沸腾蒸发 溶液在沸腾条件下汽化 汽化发生在溶液的各个部位 汽化面积大 传热速率高 汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分 单效蒸发 多效蒸发单效蒸发 将二次蒸汽直接冷凝 而不利用其冷凝热的操作多效蒸发 将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽 以利用其冷凝热的串联操作本章讨论沸腾传热 660 2020年2月11日 7 1 6蒸发的特点 从蒸发的过程可以看出 蒸发操作总是从溶液中分离出部分溶剂 而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程 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 同时 蒸发器也是一种换热器 但蒸发操作和设备与一般的传热过程有所不同 蒸发具有下述特点 传热性质 传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝 另一侧为溶液进行沸腾 故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程 溶液性质 有些溶液在蒸发过程中有晶体析出 易结垢和产生泡沫 溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大 腐蚀性逐渐加强 这些性质将影响设备的结构 760 2020年2月11日 溶液沸点的改变 升高 含有不挥发溶质的溶液 其蒸汽压较同温度下纯水的低 即在相同的压强下 溶液的沸点高于纯水的沸点 所以当加热蒸汽一定时 蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差 两者之差称为温度差损失 而且溶液浓度越高 温度差损失越大蒸发溶液温度差 t T t蒸发纯水温度差 tT T T P一定时 t T t tT泡沫挟带 二次蒸汽中常挟带大量泡沫 冷凝前必须设法除去 否则既损失物料 又污染冷凝设备 能源利用 蒸发时产生大量二次蒸汽 含有许多潜热 应合理利用这部分潜热 860 2020年2月11日 7 2蒸发设备 7 2 1常用蒸发器的结构与特点蒸发器组成 加热室 加热溶液使之汽化分离室 分离二次蒸汽和完成液化工生产中常用的间接加热蒸发器按加热室的结构和操作时溶液的流动情况 分为两大类 循环型 非膜式 单程型 膜式 7 2 1 1循环型 非膜式 蒸发器 循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动 溶液在蒸发器内停留时间长 溶液浓度接近于完成液浓度 根据引起循环运动的原因 分为自然循环和强制循环型蒸发器 自然循环 由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同 产生密度差而引起的循环运动强制循环 依靠外力迫使溶液沿一个方向作循环运动 960 2020年2月11日 1 中央循环管式 标准式 蒸发器 加热蒸汽 加热室管束环隙内溶液 加热室管束及中央循环管内 受热时 由于中央循环管单位体积溶液受热面小 使得溶液形成由中央循环管下降 而由其余加热管上升的循环流动 优点 溶液循环好传热效率高结构紧凑 制造方便 操作可靠缺点 循环速度低溶液粘度大 沸点高不易清洗适于处理结垢不严重 腐蚀性小的溶液 1060 2020年2月11日 2 悬筐式蒸发器 加热室像个筐 悬挂在蒸发器壳体的下部 可由顶部取出 加热蒸汽由壳体上部进入加热室 在管间放热加热管内溶液使其上升 而沿悬筐外壁与蒸发器内壁间环隙通道向下循环流动 优点 溶液循环速度高 改善了管内结构情况传热速率较高缺点 设备费高占地面积大加热管内溶液滞留量大适于处理易结垢 有晶体析出的溶液 1160 2020年2月11日 3 外热式蒸发器 这种蒸发器将加热室与分离室分开 采用较长的加热管 如图示 优点 降低了整个蒸发器的高度 便于清洗和更换循环速度较高 使得对流传热系数提高结垢程度小适于处理易结垢 有晶体析出 处理量大的溶液 1260 2020年2月11日 4 列文蒸发器 特点是在加热室上部设置沸腾室 加热室中的溶液因受到附加液柱的作用 必须上升到沸腾室才开始沸腾 这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体 优点 流动阻力小循环速度高传热效果好加热管内不易堵塞缺点 设备费高厂房高 耗用金属多适于处理有晶体析出或易结垢的溶液 1360 2020年2月11日 5 强制循环型蒸发器 在加热室设置循环泵 使溶液沿加热室方向以较高的速度循环流动 优点 循环速度高晶体不易粘结在加热管壁对流传热系数高缺点 动力消耗大对泵的密封要求高加热面积小适于处理粘度大 易结垢 有晶体析出的溶液 1460 2020年2月11日 7 2 1 2单程型 膜式 蒸发器 单程型蒸发器的特点是溶液只通过加热管一次蒸发即可达到要求的浓度 溶液停留时间短 操作时沿加热管壁呈膜状流动 适用于热敏性物料的蒸发 由于操作要求成薄膜流动且一次蒸发完成 因此对设计和操作要求严格 根据蒸发器内液体流动方向和成膜原因的不同 有以下几种型式 1 升膜蒸发器 特点是加热室内的加热管细而长 溶液预热到接近沸点时由蒸发器底部送入 进入加热管时立即受热沸腾汽化 溶液在高速上升的二次蒸汽带动下 沿管壁边呈膜状向上流动边蒸发 到达分离室后 完成液与二次蒸汽分离后由分离室底部排出 适于处理蒸发量较大的稀溶液 热敏性和易生泡沫的溶液 不适于浓度高 粘度大 有晶体析出溶液的蒸发 1560 2020年2月11日 2 降膜蒸发器 它的加热室与升膜式类似 但分离室设置在下部 见图5 9 溶液预热后由加热室顶部加入 经管端的液体分布器均匀分配在各加热管内 在重力作用下沿管内壁呈膜状向下流动 并进行蒸发 汽液混合物从管下端流出 在分离器内进行汽液分离后完成液由分离室底部排出 这类蒸发器操作的关键是设置良好的液体分布器 以保证溶液均匀成膜和防止二次蒸汽从加热管顶部穿出 常用的膜分布器见书 适于处理浓度 粘度较大的溶液不适于处理易结晶 结垢的溶液 1660 2020年2月11日 3升 降膜式蒸发器 蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成 蒸发器的底部封头内有一隔板 将加热管束分成两部分 溶液由升膜管束底部进入 流向顶部 然后从降膜管束流下 进入分离室 得到完成液 适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液 厂房有限制的场合 1760 2020年2月11日 4 刮板薄膜蒸发器 它是在加热管内部安装一可旋转的搅拌刮板 刮板端部与加热管内壁间隙固定在0 75 1 5mm之间 依靠刮板的作用使溶液成膜状分布在加热管内壁面上 溶液由蒸发器上部沿切线方向加入 在重力和旋转刮板带动下 在加热管内壁上形成旋转下降的液膜 在下降过程中通过接收加热管外加热蒸汽夹套中蒸汽冷凝热量而被不断蒸发 底部得到完成液 二次蒸汽上升至顶部经分离器后进入冷凝器 缺点 结构复杂 动力消耗大 传热面积小 处理能力低 适于处理易结晶 易结垢 高粘度的溶液 1860 2020年2月11日 7 2 1 3直接加热蒸发器 将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中 燃烧气的温度可高达1200 1800 由于气 液间的温度差大 且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用 使水分迅速蒸发 蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出 优点 结构简单 不需要固定的传热面 热利用率高适于处理易结垢 易结晶或有腐蚀性的溶液 不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液 1960 2020年2月11日 7 2 2蒸发器的选型 蒸发器的结构型式很多 选用时应结合生产过程的蒸发任务 选择适宜的蒸发器型式 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 2060 2020年2月11日 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 总之 不同类型的蒸发器 各有其特点 它们对不同的溶液的适应性也不相同 P294表5 1列出了蒸发器的一些主要性能 应视具体情况 选用适宜的蒸发器 2160 2020年2月11日 7 3单效蒸发 已知条件 原料液流量F kg h 原料液浓度xo 质量分率 和温度to 完成液的浓度x1 质量分率 生产要求 过程选定 加热蒸汽压强p 或温度T 冷凝器操作压强p 或温度T 计算内容 单位时间内水分蒸发量W kg h 加热蒸汽用量D kg h 蒸发器的传热面积S m2 求解上述问题应用物料衡算方程 热量衡算方程和传热速率方程 2260 2020年2月11日 7 3 1物料与热量衡算方程 7 3 1 1物料衡算如图以蒸发器为衡算范围 取1h为衡算基准 作物料衡算 总物料 F W G溶质 Fx0 Gx1 2360 2020年2月11日 7 3 1 2热量衡算 以蒸发器为衡算范围 衡算基准为1h 对进出蒸发器的热量进行衡算 DH Fh0 WH F W h1 Dhc QL 7 1 式中 H H hc 分别为加热蒸汽 二次蒸汽和冷凝水焓值 kJ kg h0 h1 分别为原料液 完成液焓值 kJ kg QL 蒸发器的热损失 W 通常取传热量的百分数加以计算 在具体计算时 根据溶液特性分为两种方法进行热量衡算求加热蒸汽用量 2460 2020年2月11日 1 溶液的稀释热可以忽略 当溶液的稀释热不大 可以忽略不计时 溶液的焓值可用比热计算 以0 的液体为基准 则 原料液 h0 C0 t0 0 完成液 h1 C1 t1 0 冷凝水 hc CW T 0 因此 式 7 1 热量衡算式可写为 D H CWT WH F W C1t1 FC0t0 QL 7 2 式中两比热使用不便 改用原料液比热C0代替完成液比热C1 溶液的比热可用以下经验公式计算 C Cw 1 x CBx其中 Cw CB 分别为水和溶质的比热 kJ kg 则 2560 2020年2月11日 C0 Cw 1 x0 CBx0 Cw CB Cw x0C1 Cw 1 x1 CBx1 Cw CB Cw x1 将上式代入式 7 2 D H CWT WH F W C1t1 FC0t0 QL中 得 D H CWT W H Cwt1 FC0 t1 t0 QL若冷凝液在饱和温度下排出 且忽略溶液浓度变化对焓值的影响 即 H CWT rH Cwt1 r 则 2660 2020年2月11日 说明 1 从上式可以看出加热蒸汽提供的热量Dr用于 将原料液由t0升温到沸点t1 FC0 t1 t0 蒸发水分 Wr 过程热损失 QL 2 若原料液预热到沸点 即t0 t1 并略去热损失 QL 0 则有D W r r 1 即每蒸发1kg水分大约需要1kg加热蒸汽 实际过程有热损失 且常在1 1左右 e D W称为单位蒸汽消耗量 为每蒸发单位质量水分时 加热蒸汽的消耗量 kg kg e值是衡量蒸发装置经济程度的指标 3 当x0 0 2时 C0 Cw 1 x0 忽略稀释热时加热蒸汽消耗量计算式 2760 2020年2月11日 例题7 1 在连续操作的蒸发器中 将2000kg h的某无机盐水溶液由0 1浓缩到0 3 均为质量分数 蒸发器的操作压力为40kPa 相应的溶液沸点为80 加热蒸汽的压力为200kPa 已知原料液的比热为3 77kJ kg 蒸发器的热损失为12000W 设溶液的稀释热可以忽略 试求1 水的蒸发量 2 原料液分别为30 80 120 时的加热蒸汽消耗量 解 2860 2020年2月11日 2960 2020年2月11日 2 溶液稀释热不可忽略 对某些水溶液 如CaCl2 NaOH等 在稀释时有显著的放热效应 因而蒸发时除供给汽化水分所需汽化潜热时 还需提供与稀释热相应的浓缩热 且溶液浓度愈大 温度愈高 这种影响愈显著 因此式 7 1 中的h0 h1应由相应的焓浓图查取 计算结果才准确 据 7 1 热量衡算式 得加热蒸汽用量 若冷凝液在饱和温度下排出 H hc r为饱和蒸汽冷凝潜热 kJ kg 因此 3060 2020年2月11日 7 3 2传热速率方程 Q KA tm据此计算蒸发器传热面积A 其中 tm K Q计算如下 7 3 2 1平均温度差 tm蒸发属两相均有相变的恒温传热过程 故传热的平均温度差为 tm T t1当加热蒸汽选定时 蒸发计算需知道溶液的沸点t1 即可计算传热温度差 在一定压强下 溶液的沸点t1较纯水的沸点T 高 在实际生产中 已知的是加热蒸汽的温度T 或压强p 和冷凝器 或分离室 二次蒸汽的温度T 或压强p T T tT称为理论传热温差 3160 2020年2月11日 由于各种原因导致溶液沸点升高使的实际传热温差 T t1 较理论传热温差要小 其差值称为温度差损失 tT t T T T t1 t1 T 因此实际传热温差 t tT 即只要已知温度差损失 就可得到实际传热温度差 造成温度差损失的主要原因是 1 因溶质存在 使溶液沸点升高导致与纯水沸点之差 2 蒸发器操作时需维持一定液位 因加热管内液柱静压强而使沸点升高 3 二次蒸汽由蒸发器分离室流动到冷凝器 或下一效蒸发器加热室 时产生压强降 导致的温度差损失 若T 指分离室温度时 0 总的温度差损失为三项之和 即 3260 2020年2月11日 1 因溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失 设tA为仅考虑因溶质存在时引起蒸汽压下降时溶液的沸点 则 tA T 值的大小与溶液的种类 浓度以及操作压强有关 通常采用两种方法计算 1 经验估算法 吉辛科法 对常压下由于蒸汽压下降而引起的沸点升高 a 进行修正用于操作压强下的温度差损失 f a 式中 a 常压下由于溶液蒸汽压下降而引起的沸点升高 a tA 100 tA 常压下溶液的沸点 其值可从有关手册查得 f 校正系数 无因次 f 0 0162 T 273 2 r T r 分别为实际操作压强下二次蒸汽温度 和汽化潜热 kJ kg 3360 2020年2月11日 2 杜林规则 Duhring srule 法 直线规则法 杜林规则 说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点之间呈线性关系 由于纯水在各种压强下的沸点容易获得 故一般选用纯水为标准溶液 只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点 在直角坐标图中以溶液沸点为纵标 以纯水沸点为横标 以溶液浓度为参数 即可得到一条直线 因此 对一定浓度的溶液 只要知道它在两个不同压强下的沸点 再查出相同压强下对应水的沸点 即可绘出该浓度溶液的杜林直线 由此直线即可求得该溶液在其它压强下的沸点 3460 2020年2月11日 求解方法有两种 查图法已知p T tA tA T 截距法在图中杜林直线上任选两点M N 其对应压强分别为pM pN 对应压强下溶液的沸点 水的沸点分别为tA tW tA tW 如图 则直线斜率为 若某压强下水的沸点tW 0 则上式整理成截距计算式为 tA tA ktW ym 3560 2020年2月11日 浓度不同的溶液之杜林直线互不平行 但斜率k与截距ym均为溶液质量浓度x 即 k f x ym g x 如NaOH水溶液 k 1 0 142xym 150 75x2 2 71x计算过程 据质量浓度x计算k ym代入截距方程ym tA ktW 解的tA tA T 3660 2020年2月11日 计算示例 例7 2在中央循环管蒸发器内将NaOH水溶液由10 浓缩到20 求 1 采用经验估算法计算50kPa时溶液的沸点 2 利用杜林直线采用查图法计算50kPa时溶液的沸点 3 利用杜林直线采用截距法计算50kPa时溶液的沸点解 1 查P358附录二十一得20 NaOH水溶液在101 33kPa下沸点升高值为 a 8 5 查P338附录十得50kPa时水的饱和温度为T 81 2 水的汽化热r 2304 5kJ kg f a 0 8819 8 5 7 5 溶液沸点 tA T 7 5 81 2 88 7 3760 2020年2月11日 2 据50kPa下水的沸点为81 2 查P296 NaOH水溶液的杜林线图 的20 直线 得纵标 即溶液沸点tA 88 3 NaOH水溶液杜林直线 k 1 0 142x 1 0 142 0 2 1 028ym 150 75x2 2 71x 150 75 0 22 2 71 0 2 5 488 ym tA ktW tA ym ktW 5 488 1 028 81 2 88 96 3860 2020年2月11日 2 因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 某些蒸发器的加热管内积有一定高度的液位 使得液面以下液体承受更大的压强 因而导致沸点升高 液层内部沸点与表面沸点之差即为因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失 一般计算时取液层中部平均压强pm下对应的沸点tpm为依据 设分离室压强为p Pa 液面高度为Lm 则液层中部压强为 对应的温度差损失 tpm tp 式中 tpm 压强pm下水的沸点 因溶液沸点难于查取 故取该压强下纯水沸点近似作为溶液沸点 tp 与二次蒸汽压强p 对应的水的沸点 液体密度 kg m3 3960 2020年2月11日 3 由于管路流动阻力而引起的温度差损失 二次蒸汽由分离室流到冷凝器 或下一效加热室 时 因管道流动阻力使二次蒸汽的压强有所降低 温度也相应下降 由此引起的温度差损失即为 因二次蒸汽产生的压强降 随管路的布置情况而异 其计算较繁 通常根据生产经验值选取 单效蒸发 二次蒸汽蒸发器 冷凝器 1 1 5 多效蒸发 二次蒸汽蒸发器 冷凝器 1 1 5 多效蒸发 二次蒸汽蒸发器 下一效加热室 1 在三种温差损失的计算中 以 为最大 为一主要影响因素 4060 2020年2月11日 7 3 2 2总传热系数K 公式计算 选用经验值现场查定7 3 2 3蒸发器的热负荷Q条件不同 热负荷的计算也不同 若加热蒸汽在饱和温度下排出稀释热不可以忽略时 Q Dr WH F W h1 Fh0 QL W稀释热可以忽略时 Q Dr Wr FCp0 t1 t0 QL W7 3 2 4传热面积A 4160 2020年2月11日 单效蒸发计算示例 例5 2将10 的NaOH水溶液蒸发到45 处理量为1800kg h 原料液温度60 比热为3 4kJ kg 加热蒸汽和分离室压强分别为400kPa和50kPa 蒸发器内液面高度为2m 溶液平均密度为1400kg m3 总传热系数Ko为1500W m2 若热损失为传热量的10 忽略稀释热 试计算加热蒸汽消耗量 水分蒸发量 产品量及所需传热面积 解 查附表十 p 400kPa下蒸汽T 143 4 r 2138 5kJ kg p 50kPa下二次蒸汽T 81 2 r 2304 5kJ kg 1 水分蒸发量 2 产品量G F W 1800 1400 400kg h 4260 2020年2月11日 3 加热蒸汽用量 Dr Wr FCp0 t1 t0 QL QL 0 1Dr Dr 1 1 Wr FCp0 t1 t0 r 其中 t1 T 81 2 的计算采用杜林规则的截距法 因溶液在蒸发器中循环接近完成液 故取x 0 45k 1 0 142x 1 0 142 0 45 1 0639 ym 150 75x2 2 71x 150 75 0 452 2 71 0 45 29 31 tA ym ktW tA tW ym k 1 tW 29 31 1 0639 1 81 2 34 5 单效蒸发计算示例 4360 2020年2月11日 单效蒸发计算示例 的计算 查得 pm 63 73kPa下水沸点tpm 87 2 tpm tp 87 2 81 2 6 0 取 1 2 t1 81 2 34 5 6 0 1 2 122 9 故 D 1 1 1400 2304 5 1800 3 4 122 9 60 2138 5 1858kg h 4 传热面积 传热量 Q Dr 1858 2138 5 3600 1103 7kW 4460 2020年2月11日 7 3 3蒸发器的生产能力和蒸发强度 7 3 3 1蒸发器的生产能力 1 蒸发器的生产能力用单位时间内蒸发的水分量表示 即蒸发量W kg h 可见生产能力与蒸发器传热面积 传热系数 原料液温度 操作条件 热损失等用关 它笼统地表示蒸发器生产量的大小 但不能确切表示蒸发器和蒸发过程的优劣程度 2 蒸发器生产能力的大小取决于通过传热面的传热速率Q 因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力 Q KS t KS T t1 4560 2020年2月11日 说明 1 当t1 t0时 即原料液在沸点下进入蒸发器时 Q Wr 表明通过传热面所传递的热量全部用于蒸发水分W Q 表明蒸发器的生产能力和传热速率成正比2 当t0t1时 即原料液在高于沸点下进入蒸发器时 Wr Q W 表明由于部分原料液的自动蒸发 闪蒸 使蒸发器的生产能力有所增加 稀释热可以忽略 且热损失不计时 Q Wr FCp0 t1 t0 结论 进料温度t0越高 则蒸发器生产能力W越大 4660 2020年2月11日 二 蒸发器的蒸发强度U 指单位传热面积上单位时间内蒸发的水分量 kg m2 h即 U是评价蒸发器在一定操作条件下性能优劣的重要指标 影响因素主要为总传热系数和传热温度差 操作条件下r 为常量 因此 提高蒸发器的生产强度的途径有二 4760 2020年2月11日 提高蒸发器的生产强度的途径 1 提高传热温度差 t t T t1 方法 提高加热蒸汽的压强 加热蒸汽压强越高 对应饱和温度就越高 一般为0 3 0 5MPa 不超过0 8MPa 但受到供汽条件限制增大冷凝器的真空度 使溶液沸点t1降低 但此法增加了真空泵的功率消耗 且因溶液的沸点降低 使其粘度增高 导致沸腾传热系数下降 也受限制2 增大总传热系数K增大管内对流传热系数 i减少管内侧污垢热阻定期清洗选用适宜的蒸发器型式采取强制循环 改进蒸发器结构 产生的晶体及时与溶液分离 4860 2020年2月11日 7 4多效蒸发 在单效蒸发中 蒸发1kg水分需消耗1kg多的加热蒸汽 在大规模生产中为了节省蒸汽用量 同时也为了使析出的晶体及时与溶液分离 一般采用多效蒸发 多效蒸发的操作原理是 将前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽 这样仅第一效需要消耗生蒸汽 同时要求后一效的操作压强和溶液的沸点相应降低 这时引入的二次蒸汽才仍能起到加热作用 则后一效的加热室成为前一效的冷凝器 如此将多个蒸发器串联起来一同操作的过程 组成了多效蒸发操作流程 采用多效蒸发的优点是 降低能耗 由于各效 末效除外 的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽 因而提高了加热蒸汽的利用率 便于分离晶体 当蒸发过程溶液有晶体析出时 可使晶体在某一效间析出 然后与溶液分离后继续蒸发 这样就避免了单效操作时晶粒和完成液一起排出 可减少结垢 磨损现象 同时提高对流传热系数 可强化传热过程提高蒸发效率 4960 2020年2月11日 溶液的流向与蒸汽相同 均由第一效顺序流至末效的蒸发流程 称为并流加料流程 如图 7 4 1多效蒸发流程 1 并流加料流程 优点 1 由于后一效操作压强低于前一效 故溶液的输送靠效间压强差进行 不另用泵 2 由于后一效溶液的沸点低于前一效 故前一效溶液进入后一效时 会因过热而自行蒸发 可使后一效产生较多的二次蒸汽 即水分蒸发量多 缺点 随效数的增加 溶液浓度逐效增高而温度逐效降低 致使溶液粘度增大较快 使传热系数逐效下降 传热效果一效不如一效 适于 热敏性物料的蒸发 5060 2020年2月11日 2 逆流加料流程 溶液的流向与蒸汽相反 由第末效流至第一效的蒸发流程 称为逆流加料流程 如图 优点 随着溶液浓度的逐效提高 温度也相应升高 因而各效溶液粘度大致接近 所以各效传热系数差别不大 缺点 1 效间溶液输送需用泵 2 各效进料温度均低于沸点 产生的二次蒸汽量较并流法少 适于 粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发 5160 2020年2月11日 3 平流加料流程 溶液分别由各效加入并排出完成液 各效溶液流向互相平行的流程称为平流加料流程 如图5 19 适于 粘度随温度和浓度变化较大的溶液蒸发 在实际蒸发中 除了采用这些基本流程外 常根据具体情况进行合并和组合 5260 2020年2月11日 7 4 2多效蒸发和单效蒸发的比较 7 4 2 1溶液的温度差损失 若单效和多效蒸发操作条件 即加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强 相同时 其理论传热温差相同而和效数无关 多效蒸发只是将此传热温差分配到各效而已 由于多效蒸发的每一效中都存在传热温差损失 因而总的有效传热温差必小于单效时 使得传热推动力下降 效数愈多 总有效温差愈小 当效数增加到一定程度时 可使总有效温度差为零 此时蒸发将无法进行 即为效数的最大极限 7 4 2 2加热蒸汽的经济性 当蒸发水分量相同时 多效蒸发所需加热蒸汽消耗量比单效明显减少 因而提高了加热蒸汽的利用率 即经济性 因此在蒸发大量水分时 应采用多效 5360 2020年2月11日 3 蒸发器的生产能力和蒸发强度 无论是生产能力还是生产强度 其大小取决于蒸发器的传热速率 当操作条件一定时 单效的传热速率为Q KS t 而多效的传热速率Qn KS ti 设T1 T n及K S相同 很明显 由于 t ti 将使Q Qn 即多效的生产能力小于单效时的生产能力 又因多效传热面积为单效时的n倍 因而多效时生产强度远较单效时为小 可见多效蒸发是以牺牲生产能力和生产强度为代价换取加热蒸汽的利用率 4 多效蒸发效数的限制和选择 1 技术上的限制 随着效数的增加 总的有效温差因温度差损失的增加而减小 除使设备生产强度降低外 在技术上受到总的有效温差的限制 否则效数过多导致蒸发不能操作下去 根据生产经验 分配到每效蒸发器的有效温差不应小于7 10 因而效数有一限制 5460 2020年2月11日 2 经济上的限制 随着效数的增加 虽然D W在不断降低 但这种降低不与效数成正比而在逐渐减少 将单效增为双效时 每蒸发1kg h水所需加热蒸汽降低率为1 1 0 571 1 50 而由四效增为五效时 这种降低率仅0 3 0 270 3 10 而设备费用则几乎是成倍增加 所以当增加的设备费已大于减少的加热蒸汽费用时 就再无必要增加效数 由此可看出效数的增加在经济上也有一限制 3 多效蒸发效数的选择 根据以上分析 效数的确定在满足技术上的要求外 原则上应根据设备费与操作费之和最小进行经济核算来选择最佳效数 实际的蒸发过程 效数并不多 一般对电解质溶液的蒸发 象NaOH NH4NO3等水溶液 因沸点升高较大通常仅2 3效 对非电解质溶液 如糖水溶液 有机溶液等的蒸发 由于沸点升高较小采用4 5效 海水淡化的温差损失极小 可用20 30效进行蒸发 5560 2020年2月11日 7 5蒸发器的工艺设计 1 确定适当的操作条件与操作方法 蒸发操作条件与操作方法主要根据溶液的性质 生产任务 产品质量要求和经济效益等方面综合考虑后进行确定 内容包括加热蒸汽压强 冷凝器压强 加压还是真空蒸发 单效蒸发或者多效蒸发 多效蒸发效数 流程等 一般应在满足工艺要求的条件下通过经济核算 多方案比较和结合实际情况作出选择 2 选择合适的蒸发器型式和附属设备的型式 蒸发器型式的选择主要从溶液的特性和蒸发器主要性能 见表7 1 两方面考虑 溶液的粘度是首要考虑的因素 其余有溶液的浓度 浓缩比 热稳定性 是否有晶体析出 发泡性 腐蚀性 结垢性等以及溶液处理量 设备造价 传热效果等方面加以确定 5660 2020年2月11日 3 对蒸发系统进行物料 热量衡算 确定加热蒸汽用量以及传热面积 传热面积的计算要选择合适的传热系数 对多效蒸发 通过计算判断所选效数 流程在技术上 经济上是否可行合理 必要时对上述选择进行适当调整 4 蒸发器主要结构工艺尺寸的设计 以中央循环管式蒸发器为例介绍蒸发器主要