化工原理蒸发课件

料液加热蒸汽完成液冷凝水二次蒸汽第5章蒸发5.1概述5.1.1蒸发及应用

(1)

蒸发：蒸发是溶液浓缩的单元操作。它采用加热的方法，使溶有不挥发性溶质的溶液沸腾，其中的部分溶剂被气化除去，而溶液得到浓缩。

设备：蒸发器，冷凝器。（2）应用：①将溶液浓缩后，冷却结晶，获得固体产品；②浓缩溶液，获得纯净的溶剂产品；③获得浓缩的溶液产品。7/31/2023料液加热蒸汽完成液冷凝水二次蒸汽第5章蒸发5.11单效蒸发流程：3-中央循环管；不凝性气体冷却水二次蒸汽料液加热蒸汽冷凝水完成液水

硝酸铵水溶液蒸发流程蒸发流程123451-加热管；2-加热室；4-蒸发室；5-除沫器；6-冷凝器单效蒸发流程：3-中央循环管；不凝性气体冷却水二次蒸汽料液加2(3)几个概念

*加热蒸汽(生蒸汽)：蒸发过程所用的加热蒸汽；*完成液：浓缩后的溶液；*单效蒸发：产生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出；*多效蒸发：二次蒸汽作为串联使用的下一个蒸发器的加热蒸汽。5.1.2分类按操作方式：间歇式、连续式；按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发；按操作压力：常压、加压、减压（真空）；真空蒸发的优点：提高传热温差、利用低压蒸汽作为热源、对热敏性物料的蒸发有利。(3)几个概念5.1.2分类按操作方式：间歇式、连续式35.1.3蒸发操作的特点（1）蒸发器实质是一种两侧流体发生相变的换热器；（2）溶液的沸点升高生蒸汽温度一定时，传热温差小于加热纯溶剂时的传热温差。（3）溶剂汽化时消耗大量能量为减小能耗必须提高加热蒸汽利用率。（4）根据物料本身特性(如粘度、结晶性、热敏性等)合理选择设备和操作流程。7/31/20235.1.3蒸发操作的特点7/26/202345.2单效蒸发5.2.1物料衡算

目的：计算蒸发水量和完成液浓度对溶质：加热蒸汽qmv,T,H料液qm0,w0,t0,c0,h0二次蒸汽qmwT’,H’完成液qm0-qmw,w,t,c,h蒸汽冷凝水qmv,T,hw加热室单效蒸发的物料衡算，热量衡算示意图7/31/20235.2单效蒸发加热蒸汽料液二次蒸汽完成液蒸汽冷凝水qmv5

5.3.2热量衡算目的：计算生蒸汽消耗量(1)热量衡算式加热蒸汽qmv,T,H料液qm0,w0,t0,c0,h0二次蒸汽qmwT’,H’完成液qm0-qmw,w,t,c,h蒸汽冷凝水qmv,T,hw加热室7/31/20235.3.2热量衡算加热蒸汽料液二次蒸汽完成液蒸汽冷凝水q6(2)热量衡算式的简化

忽略溶解热、稀释热时，溶液的热焓和比热容取质量平均，以0C为热焓基准，则有：代入热流量公式得：7/31/2023(2)热量衡算式的简化代入热流量公式得：7/26/20237若沸点进料，忽略热损失时，加热蒸汽消耗量：生蒸汽的经济性（经济程度）qmw/qmv*蒸发操作重要经济指标之一，反映蒸发操作能耗的大小;*实际由于沸点升高和热损失，单效蒸发qmw/qmv≈0.9。7/31/2023若沸点进料，忽略热损失时，加热蒸汽消耗量：生蒸汽的经济性（经8(3)焓浓图

溶解热、稀释热不能忽略时,用平均比热计算误差很大，此时，生蒸汽消耗量可用焓浓图计算。7/31/2023(3)焓浓图7/26/202395.2.3传热计算由蒸发器的传热方程得：

(1)传热度温差

在蒸发器中，管外为蒸气冷凝，温度恒定为T，管内为溶液沸腾，温度也多为定值，可视为恒温差传热，故

(2)传热系数蒸发器的传热系数K，目前主要还是根据现场实测数据来选定。5.2.3传热计算由蒸发器的传热方程得：

10常见蒸发器管内表面传热系数hi的经验关联：普通自然循环蒸发器：强制循环蒸发器：常见蒸发器管内表面传热系数hi的经验关联：普通自然循环蒸发器11升膜式蒸发器：升膜式蒸发器：12（3）蒸发器的生产能力和生产强度

生产能力——为单位时间蒸发水分的质量，由于它主要取决于过程的热流量，所以常又以热流量来衡量蒸发器的生产能力。

生产强度——为单位传热面积的生产能力，以U表示，单位为kg/(㎡h)

（3）蒸发器的生产能力和生产强度135.2.4

溶液的沸点升高和传热温差损失(1)溶液的沸点和温度差损失

溶液沸点>二次蒸汽饱和温度①引起沸点升高的原因a）溶质存在，使溶液饱和蒸汽压降低；溶液沸点＞相同压力下水沸点。b）维持一定液位，液柱作用使下部溶液沸点上升；即：液柱静压头引起沸点升高。c）二次蒸汽从蒸发室流向冷凝器时，由于存在阻力而压力降低使冷凝器中二次蒸汽温度低于室中二次蒸汽的温度。7/31/20235.2.4溶液的沸点升高和传热温差损失①引起沸点升高14因此，溶液的沸点：

如果采用蒸发器中的二次蒸气温度，则：

②传热温差损失溶液沸点升高，造成传热温差减小。说明：如果采用冷凝器中的二次蒸气温度，则：

因此，溶液的沸点：如果采用蒸发器中的二次蒸气温度，则：15（2）溶液的沸点升高的计算

①溶液蒸汽压降低引起的沸点升高

方法1：实验测定溶液的沸点tb，由二次蒸汽压力确定其饱和温度T′。

方法2：用杜林规则求溶液的沸点。

杜林规则：一定浓度溶液的沸点，和相同压力下标准液体的沸点呈线性关系，即有：

式中，

tw：标准液体(一般取水)的沸点；

k、m：与溶液种类、浓度有关。7/31/2023（2）溶液的沸点升高的计算方法2：用杜林规则求溶液的沸点。16杜林规则也可用图形表示说明：由图可见，低浓度下，压力对Δt′影响不大。Δt′也可按下式估算：7/31/2023杜林规则也可用图形表示说明：由图可见，低浓度下，压力对Δt′17②液柱静压头引起的沸点升高溶液内部沸点，按平均压力计算：③二次蒸汽阻力损失引起的沸点升高用冷凝器压力计算二次蒸汽温度时，需考虑。按经验数值选取：②液柱静压头引起的沸点升高③二次蒸汽阻力损失引起的沸点升18特点：*料液输送不需要泵（各效压力差）；*后一效沸点低，可进行自蒸发(闪蒸)；*一般传热系数逐次下降(由粘度增大造成)。5.3

多效蒸发和提高加热蒸汽经济性的其他措施5.3.1

多效蒸发的流程

(1)并流加料流程不凝性气体第一效第二效第三效第一效二次蒸汽第二效二次蒸汽第三效二次蒸汽料液加热蒸气完成液水冷却水并流加料蒸发流程7/31/2023特点：*料液输送不需要泵（各效压力差）；5.3多效蒸发19(2)逆流加料流程特点：*需要泵输送流体；*无自蒸发(闪蒸)，且多消耗部分热量；*各物料粘度较一致，传热系数较均匀。逆流加料蒸发流程完成液加热蒸气料液冷却水水不凝性气体7/31/2023(2)逆流加料流程特点：*需要泵输送流体；逆流加料蒸发流20(3)平流加料流程说明：适用于有结晶析出的蒸发操作。水冷却水不凝性气体料液加热蒸气平流加料蒸发流程7/31/2023(3)平流加料流程说明：适用于有结晶析出的蒸发操作。水冷却21(1)温度差损失和有效温度差

▲当完成液浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和大于单效蒸发；

即：温度差损失多效蒸发＞单效蒸发▲当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温度差之和小于单效蒸发。

即：有效传热温差多效蒸发<单效蒸发5.3.2

多效蒸发问题分析

▲多效蒸发的生蒸汽经济性理论值与效数成正比，其经验值也随效数增多而增加，但不成正比。即：多效蒸发，可提高生蒸汽的经济性。

(2)经济性(1)温度差损失和有效温度差

▲当完成液浓度相同22

(3)生产能力和生产强度

▲在相同条件下，虽然多效蒸发传热面积为单效蒸发的m倍，但生产能力小于单效蒸发；

▲当多效蒸发的及各效Ai，Ki，与单效相同时，多效蒸发的生产强度小于单效的1/m；

▲为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于单效蒸发的m倍，多效蒸发经济性的提高是以增加设备费为代价的。

即：生产能力：多效蒸发<单效蒸发生产强度：多效蒸发<单效蒸发7/31/2023(3)生产能力和生产强度7/26/202323(4)多效蒸发中效数的限制和选择

▲传热温度差的限制；

▲设备费用的限制；

▲效数选择。生蒸汽经济性随效数提高幅度减小，而设备费用始终正比于效数。选取原则：设备费用和操作费用总和最小，通常选取2~3效。5.4.3多效蒸发的设计型计算需要计算的未知量：复杂性：效数增加，许多变量间呈非线性关系，计算过程复杂。计算基础：物料衡算、热量衡算和传热方程单效双效△s△ts△2△t2△t1△1TT'△TT=T-T'单效蒸发和双效蒸发有效温度差的比较(4)多效蒸发中效数的限制和选择

▲传热温度差24(1)额外蒸汽的引出额外蒸汽：在多效蒸发中，可在前几效引出部分二次蒸汽，作为其它加热设备的热源。说明：引出额外蒸汽时，生蒸汽的消耗量增加，但所增加的生蒸汽量小于引出的额外蒸汽总量，从总体来看，生蒸汽的经济性提高了。5.3.4提高加热蒸汽经济性的措施料液加热蒸气完成液水冷却水不凝性气体引出额外蒸汽的蒸发流程(1)额外蒸汽的引出额外蒸汽：在多效蒸发中，可在前几效引出25额外蒸汽的引出额外蒸汽的引出26说明：上一效的冷凝水温度较高，可将其通过闪蒸器减压至下一效加热室的压力，则冷凝水由于过热将闪蒸，产生部分蒸气。将它和上一效的二次蒸气一起作为下一效的加热蒸气，就相当于提高了生蒸气的经济性。(2)冷凝水的闪蒸加热蒸气进料二次蒸气冷凝水12二次蒸气冷凝水完成液ABA,B-蒸发器；1-冷凝水排出器；2-冷凝水闪蒸器冷凝水的闪蒸说明：上一效的冷凝水温度较高，可将其通过闪蒸器减压至下一效加27(3)多效多级闪蒸优点：解决了物料易于在加热管管壁结垢的问题，经济性较高，可利用低压蒸气作为热源，设备简单紧凑，不需要高大的厂房，因而近年来应用渐广。缺点：动力消耗较大，所需的传热面积稍多。另外，也不适用于沸点上升较大物料的蒸发。(3)多效多级闪蒸优点：解决了物料易于在加热管管壁结垢的问28(4)热泵蒸发热泵蒸发：单效蒸发时，可将二次蒸气绝热压缩以提高其温度，然后送回加热室作为加热蒸气重新利用。热泵蒸发的节能效果一般可相当于3～5效的多效蒸发。说明：该方法不适用于沸点升高较大物料的蒸发。另外，压缩机的投资费用较高等，限制了它的应用。完成液加料压缩机冷凝水完成液加料冷凝水高压蒸汽喷射泵去冷凝器(a)(b)热泵蒸发流程(4)热泵蒸发热泵蒸发：单效蒸发时，可将二次蒸气绝热压缩295.4蒸发设备

主体设备：蒸发器-----主要由加热室和蒸发室组成。

辅助设备：除沫器、冷凝器。减压操作时还需真空装置。5.4.1蒸发器的结构和特点按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器

特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度，操作稳定。根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。5.4蒸发设备5.4.1蒸发器的结构和特点（1）循环型30自然循环蒸发器：①中央循环管式蒸发器完成液二次蒸气料液加热蒸气冷凝水123451-外壳；2-加热室；3-中央循环管；4-蒸发室；5-除沫器中央循环管式蒸发器自然循环蒸发器：①中央循环管式蒸发器完成液二次蒸气料液加热31优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠；缺点：循环速度在0.4~0.5m/s以下，清洗和维修不方便。②悬筐式蒸发器优点：循环速度可稍大、易于检修、热损失较小；缺点：结构复杂、单位传热面的金属消耗量大；适用：易结晶、结垢溶液的蒸发。1－外壳2－加热蒸气管3－除沫器4－加热室5－液沫回流罐优点：结构紧凑、制造方便、传热较好、操作可靠；②悬筐式蒸发32③外热式蒸发器优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循环速度较大。外热式蒸发器③外热式蒸发器优点：降低了蒸发器的高度、便于清洗和更换、循33④列文式蒸发器优点：气化在沸腾室进行，循环速度大，有利于减轻或避免加热管表面的结晶和结垢，传热效果好。缺点：温差损失大，设备庞大，消耗材料多，需要高大厂房。列文式蒸发器二次蒸汽加热蒸汽冷凝水料液完成液12376541-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室④列文式蒸发器优点：气化在沸腾室进行，循环速度大，有利于减34强制循环式蒸发器：优点：适用于粘度大、易结晶、易结垢物料的蒸发，循环速度大小可调节，传热系数较大。缺点：能量消耗大。强制循环蒸发器加热蒸气冷凝水完成液123451-加热室2-循环泵3-循环管4-蒸发室5-除沫器二次蒸气强制循环式蒸发器：优点：适用于粘度大、易结晶、易结垢物料的蒸35（2）单程型蒸发器

特点：溶液以液膜的形式一次通过加热