7化工原理蒸发

1 第七章蒸发 2 单效蒸发多效蒸发 蒸发 将稀溶液在沸腾状态下进行浓缩的单元操作 概述 Introduction 蒸发分类 常压蒸发加压蒸发减压蒸发 蒸发的目的 溶液中溶剂的汽化 获得溶剂产品或不挥发溶质产品 蒸发的必要条件 不断供给热能 不断排除蒸汽 溶剂易挥发 3 真空蒸发 减压 真空 下蒸发 目的 降低溶液沸点 优点 真空下溶液的沸点低 加热蒸汽与沸腾液体间温差大 减小蒸发器的传热面积 利用低压蒸汽或废气作热源 适于热敏性物料 沸点低 蒸发器热损失小 缺点 耗能大 低压沸点低 粘度大 给热系数减小 单效蒸发 1kg水 1kg多生蒸汽多效蒸发 加热蒸汽通入蒸发器 液体受热沸腾产生的蒸汽作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器 多个蒸发器依次连接形成多效蒸发 意义 提高蒸汽的利用率 或经济程度 蒸发同样数量的水W 多效时蒸汽量D远小于单效时 真空蒸发 1 2 3 4 概述 Introduction 蒸发流程 蒸发过程的基本概念 加热蒸汽 生蒸汽 二次蒸汽 水蒸气联苯熔盐 蒸发过程的特点 1 沸点升高 2 能耗大 3 溶液的特性决定蒸发器的结构特性 5 1 沸点升高 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 当加热蒸汽温度一定 蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小 且浓度越高 沸点越高 温差越小 2 能耗大 工业蒸发规模很大 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 溶液的特性决定蒸发器的结构特性 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 使加热面易于清洗 对热敏性 高粘度或强腐蚀性的物料 应设计或选择适当结构的蒸发器 概述 Introduction 6 物料衡算 水分蒸发量W 单效蒸发 溶质不变 水分蒸发量 完成液浓度 F L W 总物料衡算 7 加热蒸汽消耗量D 若加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出 忽略溶液浓缩热 溶液焓可用比热计算 取0 为基准 物料衡算和热量衡算 8 加热蒸汽消耗量D 物料衡算和热量衡算 若为沸点进料 t t0 忽略热损失 D W 单位蒸汽消耗量 表示蒸汽利用的经济程度 9 若Ql 0 c c0时t0 t沸点进料 蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽 t0 t需要预热物料 D W 1 t0 t不需要外来热量 产生自蒸发过程 自蒸发量较小 物料衡算和热量衡算 讨论 10 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 除提供水分蒸发所需的汽化潜热外 还需提供溶液的浓缩热 若浓缩热较大时 溶液的焓不能用比热计算式计算 需查焓浓图 物料衡算和热量衡算 11 蒸发器的传热面积A 物料衡算和热量衡算 12 即温度差损失在数值上等于沸点升高 蒸发纯溶剂的温差 蒸发溶液的温差 蒸发设备中的温差损失 13 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 管内流体阻力损失使饱和蒸汽压降低 沸点升高 存在温度差损失 蒸发器总温差损失 14 T 操作压力下二次蒸汽的饱和温度r 操作压力下二次蒸汽的汽化潜热 溶液蒸汽压降低而引起的温度差损失 常压下求 查文献或手册 非常压溶液沸点的计算 经验公式 杜林规则 某溶液在两种不同压力下的沸点差与另一标准液体在相应压力下的沸点差的比值为常数 15 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 16 液柱静压头引起的温度差损失 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 tp p 水在平均压力下的沸点 tp 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 与流体流速 物性及管道尺寸等有关 一般取为0 5 1 5 17 单效蒸发 1kg水 1kg多生蒸汽多效蒸发 加热蒸汽通入蒸发器 液体受热沸腾产生的蒸汽作为二次蒸汽加以利用引入下一级蒸发器 多个蒸发器依次连接形成多效蒸发 1 2 3 多效蒸发 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 蒸发1kg水所需生蒸汽 D W D W 加热蒸汽利用率 18 并流加料蒸发流程 优点 后一效蒸发室压力较前效低 无需用泵输送 后效溶液沸点较前效低 溶液流入后效由于过热而自蒸发 闪蒸 缺点 后效溶液浓度较前效大 沸点又较低 粘度较大 后效传热系数较前效小 后两效中尤为严重 多效蒸发流程 19 逆流加料蒸发流程 优点 随着溶液浓度越高 溶液的温度也越高 故各效溶液粘度不太大 传热系数也不小 缺点 效间溶液需用泵输送 能量消耗较大 由低温到高温 各效进料温度都比沸点低 无自蒸发现象 多效蒸发流程 20 多效蒸发流程 错流加料蒸发流程 特点 各效都是并流和逆流的组合 流向 3 1 2或2 3 1利用两法优点 省去并流部分的泵送 并可使浓溶液在高温下蒸发浓缩 有利于传热蒸发 21 平流加料蒸发流程 蒸汽流向不变 料液和完成液分别从各效加入和排出 各效溶液的流向互相平行 适用于蒸发过程中易结晶的物料可避免在各效间输送含有大量结晶的溶液 多效蒸发流程 22 蒸发器的生产能力和蒸发强度 生产能力 单位时间汽化的水量 可用传热速率来表示 三效蒸发各效热流量 三效总传热速率 不考虑各效温差损失 假设 总传热温差 结论 效数越多 生产能力越小 23 蒸发强度 蒸发器单位面积上的生产能力 若三效蒸发和单效蒸发生产能力相同 每个蒸发器的面积和传热系数相等 则单效蒸发强度 Q A三效蒸发强度 Q 3A效数越多 有效温差和生产能力越小 蒸发强度越小 多效蒸发效数的限制 蒸发器的生产能力和蒸发强度 有效温差的限制 设备投资的限制 提高生产强度 提高总传热系数K和传热温差 tm多效蒸发的唯一优点 提高蒸汽的经济性 24 多效蒸发的计算 总物料衡算 溶剂总蒸发量W W W1 W2 W3Fx0 L1x1 L2x2 L3x3 每一效物料衡算 F L1 W1L1 L2 W2L2 L3 W3 25 若沸点进料 Ql 0 D W 1则W1 DW2 W1 E1 D E1W3 W2 E2 D E1 E2水蒸发总量 W W1 W2 W3 3D 2E1 E2推广至n效 提高加热蒸汽经济性的其他措施 一 额外蒸汽的引出 D 26 二 冷凝水自蒸发的利用 提高加热蒸汽经济性的措施 前一效温度较高的冷凝水通过自蒸发器被减压至下一效加热室的压力时 放出热量 少量冷凝水自蒸发产生蒸汽 作为下一效加热蒸汽 提高生蒸汽的经济程度 t1 27 三 热泵蒸发器 通过压缩机提高二次蒸汽的压力 使饱和温度提高至原来的压力时 重新送回蒸发器加热室 提高加热蒸汽经济性的措施 28 蒸发器 循环型蒸发器 循环型单程型 中央循环管式蒸发器 蒸发设备 自然循环强制循环 结构与工作原理 加热室 垂直管束中央循环管 优缺点 结构紧凑 传热好 沸点高 分离室 29 悬筐式蒸发器 加热室可由顶部取出检修和更换 适于易结晶和结垢溶液的蒸发 热损失小 循环管 加热室外壁与蒸发器内壁的环形空间 溶液在加热管被加热上升 后沿环隙向下流动构成循环 循环型蒸发器 30 外热式蒸发器 加热室外置 降低蒸发器高度 且加热管较长 循环速度加快 循环型蒸发器 31 列文式蒸发器 加热室上增设沸腾室 溶液的沸腾传热有加热室转移到沸腾室 优点 避免加热管表面结晶和结垢 适于粘度大的溶液 传热系数大缺点 液柱静压头引起的温差损失大 循环型蒸发器 32 强制循环蒸发器 泵迫使流体产生循环 循环速度大小由泵流量调节来控制 优点 传热系数大 缺点 能耗大 循环型蒸发器 33 升膜式蒸发器 单程型蒸发器 降膜式蒸发器 34 升 降膜式蒸发器 单程型蒸发器 35 循环型与单程型蒸发器的不同特点 单程型比循环型更具优点 溶液只通过加热室一次 不需循环 所以溶液在蒸发室停留时间短 沸点不太高 适于热敏性物料 单程型溶液呈膜状流动 提高 膜状流动液柱静压头造成的温差损失小 有效温差大 需控制成膜 对进料速度有一定要求 36 刮板式冷凝器 单程型蒸发器 37 浸没燃烧式蒸发器 38 除沫器 除沫器 冷凝器和真空装置 39 冷凝器及真空装置 除沫器 冷凝器和真空装置 40 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